基于空间分析法探究新能源汽车的发展与影响

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：新能源汽车在大众日常生活中的普及程度日益加深，然而，与之不相匹配的是，其充电桩在城市中的布局呈现出不合理的态势，资源分配不均衡的问题显著，进而导致充电桩利用率处于较低水平。本研究聚焦于驻马店市的充电桩，充分利用地理信息系统（GIS）所具备的空间分析技术，对该市当前的充电设施布局展开深入分析。借助空间可达性分析精准筛选出合适的候选点，并运用距离模型对不同方案进行细致对比，旨在发现驻马店市公共充电桩布局中存在的问题，并据此提出具有针对性的建议。研究结果清晰地表明：驻马店市公共充电桩存在着数量众多的服务空白区域，并且通过对比发现候选点相较于现有公共充电桩距离需求点更近。本论文的研究成果能够为驻马店市充电桩的空间布局决策提供有力的支持依据。

关键词　距离模型　空间分析　公共充电桩　新能源汽车

0引言

近年来，全球范围内对新能源汽车产业的扶持与推动力度呈现出不断增强的趋势，在中国市场，新能源汽车同样迎来了蓬勃发展的良好势头。在政策导向与市场需求的共同驱动下，新能源汽车的销量持续保持增长态势。然而，依据中国充电联盟所提供的数据，充电基础设施建设的步伐明显滞后于新能源汽车数量的增长速度，充电桩供需失衡的状况愈发严峻，公共充电桩服务空白区域的问题亟待得到有效解决。

在国内外众多学者针对充电桩布局选址所开展的研究中，涵盖了多个方面。部分学者构建了综合考虑充电桩建设投资成本、运营维护成本以及网损成本三者总成本的目标规划模型；还有学者从新能源汽车用户的行为习惯出发，以充电需求作为衡量指标，借助免疫算法构建充电桩的布局规划；也有研究依据新能源汽车用户的实际需求、充电桩的投资资本等关键要素，建立起城市快速充电桩的布局优化模型；另有研究主要考虑运用快慢速充电桩充电所需的时间差异，构建排队论研究模型；还有学者运用马尔可夫链和时空模型对城市新能源汽车充电需求进行预测，进而探讨布局规划。

通过对相关研究的梳理可以发现，国内外新能源汽车公共充电桩所面临的布局问题具有一定的相似性。本研究紧密结合公共充电桩类型、选址原则以及用户需求等多方面因素，通过运用 GIS 分析技术和布局优化手段，致力于有效缩短候选点到需求点的距离，从而切实解决充电困难以及服务空白等问题，为新能源汽车产业的健康发展提供坚实的理论支持。

1驻马店市公共充电桩布局现状分析

1.1　数据处理

本研究选取驻马店市新能源汽车公共充电桩作为研究对象，通过高德地图 API 平台获取充电桩的经纬度和边界坐标，并利用 PyCharm 对兴趣点（POI）进行处理。随后将数据导入 ArcMap 中，对驻马店市新能源汽车公共充电桩的位置分布情况进行统计分析，见表1。

表1驻马店市新能源汽车充电桩分布情况表

1.2缓冲区分析

1.2.1影响因子分析

本研究依据驻马店市充电桩的布局规划原则，同时充分考虑充电桩自身的公共属性，主要筛选出以下四个因素作为充电桩选址分析的关键因子。商场人流量密集且电容较大，具备建设充电桩的良好条件；幼儿园的校车大多为电动车，建设快充桩有助于提高接送效率；停车场具有公共性质，适宜建设充电桩；公园自然基础条件优越且空间开阔，是建设大型公共充电桩的理想选址。

1.2.2　缓冲区的建立

通过线上渠道收集驻马店市所有公共设施的 POI 数据，并从中筛选出 6 万多条有效数据，仅选取其中四类公共设施（商场、幼儿园、停车场、公园）用于建立缓冲区，以获取适合分析的数据，并将其在 GIS 中进行可视化展示。结合驻马店市充电桩布局规划原则、充电桩公共性质以及其他网络调查数据，大部分车主在充电结束后再次步行至充电桩取车时，较为满意的步行距离在 1000m 以内，且步行距离越短越好。因此，对于停车场、幼儿园等具有特殊需求的场所，将缓冲区半径设置在 800m 以内，而百货商场、公园的缓冲区半径则设定为 1000m。

通过缓冲区分析发现，就驿城区而言，现有公共充电桩中有 92% 处于四种缓冲区域的中心位置，但仍有少量充电桩零散分布在区域之外，导致部分区域出现服务空白，造成资源浪费。对于百货商场，以 1000m 作为其缓冲区需求半径，在上蔡县和西平县北部存在明显的未在需求范围内放置公共充电桩的现象。在公园方面，除其他区县现有公共充电桩存在服务空白现象外，确山县内没有现有充电桩出现在公园的需求范围之内。

1.3　叠加分析

以驻马店市为例，将充电桩作为点元素，与原有的多个元素相结合，构建新的元素图层。利用叠加分析方法，深入探究空间位置上的空间特征信息与属性信息之间的相互关系，并结合点元素的提取操作，精准确定相应的图斑信息。在此过程中，充电桩会产生新的空间属性关系和特征关系，进而进行叠加分析。

任意两个缓冲区相交形成的黄色区域表明，部分黄色区域内没有充电桩覆盖，而在其他地区，新能源汽车公共充电桩存在较大的服务空白区域，这充分说明充电桩在建设选址方面存在不合理之处。将百货商场、公园、幼儿园以及停车场四种需求点所构成的缓冲区进行相交操作，可以发现仍有大量新能源汽车公共充电桩不在相交区域内，这意味着公共充电桩的服务范围无法覆盖四种缓冲区域相交所确定的需求范围。除驿城区主城区外，其他区县均能明显观察到这一现象，且驿城区主城区的公共充电桩覆盖情况明显优于其他地区。

1.4　分析结果

综合运用 GIS 的缓冲区分析与叠加分析技术，并结合百货商场、公园、幼儿园、停车场四种需求点的要求，通过上述方法对驻马店市现有的新能源汽车公共充电桩布局进行分析。结果表明：驻马店市现有的新能源汽车公共充电桩中，85% 存在集中分布的情况，其余少量充电桩存在较大的服务空白区域，各区域之间公共充电桩布局不平衡，存在资源浪费现象。

2驻马店市公共充电桩布局优化

2.1　现有公共充电桩的筛选

首先以驿城区为例，对现有公共充电桩进行筛选。将 OSM 地图路网数据导入 GIS 中，结合实际情况排除政府内部、物流园等弱公共充电桩，以及暂停或不对外开放的充电桩。最终筛选出 14 个新能源汽车公共充电桩作为研究对象，并通过 Python 爬取经纬度信息导入 GIS 中进行显示。

2.2　选取新建充电桩的候选点

在确定同一类要素缓冲区的中心点时，由于研究区域仅选取在驿城区，且一类要素缓冲区只有一个中心点，为确保计算准确性，需在前期将每个独立的缓冲区拆分成单个图层，然后利用叠置分析的相交功能将每个独立缓冲区依次进行叠加相交，从而得到独立的中心点，以此获取同一类要素中不同缓冲区的全部中心点，,见表2。

表2需求因子缓冲区相交所确定的中心点数量表

通过四个缓冲区的相交，相交区域所得到的中心点即为适合在驿城区建造充电桩的位置，即四交候选点。分别将其中三个缓冲区进行相交，相交区域所得到的中心点即为特别适合建造驿城区充电桩的位置，即三交候选点。利用两个因子相交得到的中心点即为较适合建造驿城区充电桩的位置，即二交候选点。单个因子则代表一般的建造驿城区充电桩的位置。为确保新建公共充电桩的候选点能够满足周边需求并具备较高公共性，本研究仅考虑二交、三交、四交缓冲区所确定的中心点，而不考虑单个因子缓冲区所确定的中心点。

2.3　选取合适的需求点

公共充电桩设施选址过程复杂，受到多种因素综合影响，不同类型公共服务设施的影响因素具有相似性。在前期布局分析中，已提及百货商场、公园、幼儿园、停车场四种需求因子。为便于进行优化分析，通过查阅相关文献、开展网络采访数据统计以及实地走访调查，制定出该需求因子的重要性强度值，具体数据详见表 3。本研究选择公共性质较强的百货商场和具有特殊需求的幼儿园两种作为需求参考点，将驿城区内的百货商场和幼儿园单独提取出来作为本次布局优化的需求参考点。

表3需求因子的重要性强度

2.4空间可达性分析

空间可达性是一个与充电桩布局紧密相关的重要概念。简单来讲，空间可达性是指从一个地点到达另一个地点的便利程度，它与起点、终点以及交通条件密切相关，通常采用距离、旅行时间或旅行费用等指标来衡量。空间可达性在公共设施的空间规划领域得到了广泛应用。

空间可达性指标能够更有效地体现用户获取公共充电桩的便利程度和公平性。在考虑公共充电桩布局规划时，需求点到充电桩的行驶距离越短越好，服务半径应尽可能大，覆盖需求点数量越多越好。这些准则有助于提高公共基础充电设施的资源利用率，提升布局规划的可达性。

2.5　候选点的缓冲区分析

选取二、三、四种需求因子缓冲区相交的中心点作为新建公共充电桩的候选点。根据河南省发布的《河南省加快电动汽车充电基础设施建设的若干政策》，其他城市核心区公共充电设施服务半径应小于 2km，因此在本次布局优化中，将新建公共充电桩候选点的服务半径设置为 2km，即进行缓冲半径为 2km 的缓冲区分析。所有两种需求因子缓冲区相交的中心点在此称为二交候选点，其缓冲区称为二类缓冲区。由于研究区域仅在驿城区，因此对驿城区之外的缓冲区域均采取切割操作。

2.6　距离模型

为了更好地采用空间可达性概念对新建公共充电桩的候选点进行布局分析,选取空间可达模型中的距离模型进行分析,距离模型是从需求点出发到达近公共充电桩的距离、时间或费用。对居民而言,距离是一个重要的阻碍因素。距离成本会影响居民对服务设施的选择。ArcGIS的邻近度分析能够确定离任何一个需求点。近的公共充电桩,并计算两者之间的距离。为了能够更准确地体现新建充电桩对需求点的服务公平性和便捷程度,在使用距离模型分析时,需提前对数据进行预处理,选取筛选后的数据进行对比分析。

需求点为百货商场时,二交、三交、四交候选点分别10个、5个、5个,所生成的二交、三交、四交缓冲区包括的百货商场的数量分别为15个、16个、33个,选取3号、9号、15号百货商场进行对比分析(表4)。

表4候选点和现有公共充电桩到需求点的距离对比表

由表4可知,表中“无”指当前缓冲区内并无该商场。二交、三交、四交候选点距3个百货商场的距离均小于驿城区现有公共充电桩距3个百货商场的平均距离,说明新建公共充电桩的便捷程度要高于现有公共充电桩。需求点为幼儿园时,二交、三交、四交候选点分别10个、5个、5个,所生成的二交、三交、四交缓冲区包括的幼儿园的数量分别为83个、84个、158个,选取192号、204号、205号、214号幼儿园进行对比分析(表5)。

表5候选点和现有公共充电桩到需求点的距离对比表(m)

由表5可知,二交、三交、四交候选点距4个幼儿园的距离均小于驿城区现有公共充电桩距4个幼儿园的平均距离,说明新建公共充电桩的便捷程度要高于现有公共充电桩。

3安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

3.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

3.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

3.4安科瑞充电桩云平台系统功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

3.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

3.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

3.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

3.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

3.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

3.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

 

3.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

 

3.5系统硬件配置

 

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000

	安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D		额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D

	额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S

	额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S

	额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM

	4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。
扩展模块ANet-485	M485模块：4路光耦隔离RS485
扩展模块ANet-M4G	M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证
导轨式电能计量表	ADL400

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证
无线计量仪表	ADW300

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN

	直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE

	直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D

	导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。
开口式电流互感器	AKH-0.66/K

	AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。
霍尔传感器	AHKC

	霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。
智能剩余电流继电器	ASJ

该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。

 

4结语

实例表明,本文所运用的方法和模型对公共充电桩的布局优化是具有一定可行性和合理性的。本文剖析国内外充电桩的现状和影响要素,采用空间分析法对驻马店市新能源汽车现有公共充电桩布局进行分析。并且,将理论和实践联系起来,利用空间可达性分析原理,在分析新能源汽车公共充电桩现状的基础上,结合距离模型,探索优化新能源汽车充电桩布局的相关方案。根据本文测算结果,将在驿城区主城区的公共充电桩数量减少至20个,并重新规划公共充电桩的位置,可以有效减少现有公共充电桩出现服务空白的现象,也可以降低公共充电桩的建设成本与用电成本,避免资源浪费。本文的研究结果也可为优化驻马店市新能源汽车公共充电桩的布局提供一定的决策参考。

参考文献：

[1]鲁甜静 王科峰.充电桩计量重要性的评价基于空间分析法的新能源汽车公共充电桩布局研究

[2]王露. 城市纯电动汽车快速充电设施的布局选址优化模型研究

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

审核编辑 黄宇