基于截流加注选址模型的佛罗里达氢站的优化研究Michael Kub，Lee Line, Ronald Schult, Zhixiao Xi, Jong-Geun Ki, Seow Li
（a. 亚利桑那州立大学地理科学学院，坦佩，AZ 85287-5302，USA；b.美国罗林斯学院环境研究系，温特帕克霍尔特大街1000号，邮箱2753，FL 32789-4499；c. 美国佛罗里达大西洋大学地质科学系，佛罗里达州博卡拉顿33431；d。盐河工程，项目启动于1521年，美国坦佩, AZ 85281-1298。）
摘 要：本文开发并应用了一个在加注车流的最大流量处定位氢气站的模型。该模型的输入包括带有平均速度的道路网络;每个起点和终点之间的OD流量;加氢站之间的最大行驶距离;以及要建造的站点数量。截流加注选址模型可以通过衡量旅程次数或车辆行驶里程来最大限度地增加可被加注的汽车流量。地理信息系统和启发式算法集成在一个空间决策支持系统中，研究人员可以使用该系统开发数据、输入假设、分析场景、评估折衷方案并映射结果。对于佛罗里达氢气倡议，我们使用这个模型来调查在佛罗里达推出的在大都市奥兰多内和全州范围内两种不同分析尺度上的初始加氢基础设施策略。通过分析两种分析尺度下的各种情景，我们确定了一组在多种假设条件下表现良好的站点，并制定了在多个阶段或层级上分阶段聚集和连接站点的策略。
关键词：最佳;定位;加氢;基础设施;站点;模型;截获;抓获;网络。
1 引言
许多研究都强调加氢基础设施是向氢能公路运输系统过渡的最大障碍之一[1-4]。由于建设新的加氢站的成本很高，因此必须协调网络中初始站点的位置以方便消费者的最大化利用。许多模型已经被提出用来优化加氢站网络[5-16]。本文利用Kuby和Lim开发的截流选址模型来规划奥兰多大都市区的城市间旅行和佛罗里达州内的全州城际旅行中的加氢站网络。
这项研究是为佛罗里达氢能倡议公司（FHI）进行的，该公司是一个非营利性组织，旨在帮助佛罗里达州发展强大的氢能产业。除了优化站点网络外，我们的FHI项目还分析了基于奥兰多国际机场（OIA）的氢气租赁汽车业务的可行性[17,18]。租车分析与站点分析密切相关，因为奥兰多的大多数租车人仅仅访问少数几个目的地，因此少数加氢站可以满足大多数租车客户的需求。
命名法
CNG 压缩天然气 FCLM截流选址模型
FDOT 佛罗里达州交通部 FHI佛罗里达氢能倡议
FRLM 截流加注选址模型 GIS地理信息系统
MILP 混合整数线性规划 NREL国家可再生能源实验室
OD 起讫点 OIA 奥兰多国际机场
OR 行动调查 SDSS空间决策支持系统
TAZ 交通分析区 VMT车辆行驶里程
本文的第2部分回顾了世界范围内正在开展开发加氢站的初始网络—包括集群或走廊—的其他努力。第3节回顾了关于加氢站网络最佳位置的规划和建模方法的文献。第4节介绍了我们的方法，使用截流选址加氢模型（FRLM）来优化和比较为佛罗里达州开发初始加氢基础设施的各种策略。该模型使用运筹学（OR）和地理信息系统（GIS）技术，以及复杂的和详细的运输数据库来定位一组协调的站点。该模型尽可能地为消费者提供尽可能多的旅程（或者行驶里程）的可能性。第5节介绍了使用的数据。然后，我们将该模型应用于全州网络（第6节）和奥兰多地区（第7节）的许多场景。在第8节中，我们将对佛罗里达氢气租赁汽车业务的配套研究中的两套方案进行综合，以制定分阶段加氢站网络的战略。该战略将奥兰多和全州的站点开发划分为几个等级或阶段，并将其优先和协调。第9节提供了一些简要的结论。
本文的重点是开发一个多站的协调系统，而不是为特定的站点选择合适的土地。现场标准已经在其他地方进行了研究，包括可达性，交通运输，运营，安全，主机合作伙伴关于气体燃料的经验，氢气供应，足够的空间，物流因素，能源和区域划分等 [19]。
2 加氢基础设施的发展
美国和世界各地的许多地区已开始规划和部署加氢站的初始网络，以打破众所周知的先有鸡还是先有蛋的循环。截至2008年6月，全球估计有172个站点，其中美国37％，德国15％，日本13％[20]。到2008年底，全球的站点数量预计将达到200台[21]。加州的加氢基础设施建设已经超越了世界上任何其他地区。到2008年中期，在加利福尼亚州建成并运营了32个加氢站，还有16个加氢站计划[20]，尽管并非所有都是公开的。最初（2004年4月），加利福尼亚州在2010年之前提出了一个全州范围内的氢能公路，其中有200个加氢站相距20英里，成本高达1亿美元[19]。虽然加利福尼亚从这个雄心勃勃的目标中退缩了下来，但到2010年，第一阶段目前的计划要求提供50-100个站点。现有站点主要集中在洛杉矶和旧金山-萨克拉蒙托地区[22,23]。这个想法是为较小但人口密集的污染地区提供更高水平的服务，从而最大限度地提高可能购买者的数量。连接这些沿着农村的州际公路群集的站点是第二阶段的目标。加利福尼亚州在2005年和2006年分配了650万美元用于开发站点。
纽约的H2-NET希望在纽约市和布法罗之间开设20个站点，燃料能力到2020年将达到70个现有CNG站。伊利诺伊州正在规划2H2氢气公路，而美国和加拿大大平原地区北部的氢燃料网络在2012年之前提出了相距200公里的12个站点。
在全国范围内，国家可再生能源实验室（NREL）分析了一个国家骨干网络的潜在发展，以便到2020年实现长途旅行[24]。他们估计需要284个站点，总建筑成本为8.37亿美元。他们建议其中14个站点用于佛罗里达州，其中6个位于现有CNG站点。与此同时，来自橡树岭国家实验室和国家可再生能源实验室的一个研究小组建议“在过渡时期专注于在数量有限的城市中心建立加氢站网络。在主要城市中心战略性地配置站点将最大限度地提高覆盖范围，并允许采用具有成本效益的方法来提供早期基础设施“[25]。他们将目标锁定在洛杉矶和纽约的最早集群上。布什总统和美国能源部将2015年定为实现各种技术和商业目标的日期，以允许私营部门做出商业化决策[26]。
在美国之外，欧盟的联合技术计划希望在2015年之前启动商业化[27]。由挪威Hy Nor，丹麦Hydrogen Link和瑞典Hy Future组成的斯堪的纳维亚氢能公路项目将把奥斯陆与哥本哈根联系起来。在加拿大，为了准备2010年奥运会，一条氢能公路将连接温哥华和惠斯勒滑雪场。
佛罗里达州目前在奥兰多地区有两个加氢站。博吉河加氢站于2007年5月在奥兰多机场附近开通，为出租车加氢。另一个站点是由Progress Energy在奥维耶多郊区附近运营的于2007年12月开放的一个流动加氢站，但是已经计划退役。
3 之前有关加氢基础设施建模的研究
近年来，大量论文和报告已经解决了向氢能转变的基础设施需求。尽管许多研究已经考察了从生产到交付到加氢站的供应链[15]和需要的初始加氢站的总数[28,29]，但我们的重点在于解决协调网络的位置的最优方法。我们将这些方法分为GIS模型和运筹学（OR）模型。
Melaina[30]提出了一种GIS方法，该方法基于将现有的加氢站网络凝聚成集群的想法来产生精确的站点位置和站点大小。上面讨论的NREL研究[24]利用地理信息系统开发了国家站点网络来实现在州际高速公路上的长途旅行。他们选择每天运输量超过2万辆的重要的旅游州际公路，通过选择主要的南北和东西方路线来缩小路线，然后沿着这些路线在其他GIS数据层（如制氢厂，其他替代燃料站点，人口和美国高速公路交叉口。在东部和城市地区，站点相距不超过50英里（80.5公里），西部相距不超过100英里（160.9公里）。
虽然地理信息系统是一个集成详细空间数据层的强大工具，但它对于“组合优化”并不理想，在这种模型中，模型必须从大量候选地点中选择一个位置组合。由于许多现实世界的问题可能会得出天文数量的组合，故许多研究人员转向运筹学（OR）技术。关于加氢站位置的最早的OR论文之一开发了一种模型来打开和关闭加氢站以最大化公司的市场份额[5]。它们以两种需求的市场份额为基础：家庭到站点的旅程以及网络链接上的流量。Bapna等人[6]使用多目标规划来定位在印度的改造加氢站。一个目标是最大限度地减少旅客成本和站点投资成本的总和，而第二个目标则最大限度地提高了可用链接上的人口。这些目标的优化受限于在给定车辆行驶里程的情况下，车辆可以通过至少一条路线从每个节点到其他节点。使用VMT数据作为需求的燃料回程模型定位站点，以最小化随机驾驶者的平均加氢旅程时间[12]。Bersani等人[13]为汽油公司开发了一个有竞争力的多目标模型，以最大限度地减少将一些现有站点转换为加氢站的投资成本，同时最大限度地满足需求。在他们的模型中，需求与现有的汽油销售量，存储容量以及与竞争对手的距离有关。
有几篇论文使用了中位模型的变体来定位加利福尼亚州各个城区的加氢站[5,7,9,12,31]。中位模型—用于站点定位的最广泛使用的OR模型之一-定位给定数量（p）的站点，以便将从人口节点到最近的开放站点的总距离最小化[32,33]。
从1990年开始，研究人员开始开发一种新的站点定位方法，称为“流动捕获”或“流动截取”模型[34-48]。在截流选址模型（FCLM）中，需求包括通过网络的路径，而不是通往站点和返程的出发点。 FCLM方便地在驾驶员使用的起点到终点路线上设置站点。基本模型定位p个站点，以尽可能多地拦截旅程。这些模型已被用于定位“自由裁量”的站点，例如自动取款机，便利店和快餐，在这些站点上人们停止前往别的地方，而不是从家里到站点和返回。由于人们倾向于到别的地方去加氢，我们认为FCLM为寻找替代燃料站提供了一个现实的行为基础。
Kuby和Lim[8,49]为了定位加氢站而修改了基本的FCLM。FCLM假定路径上的任何一处站点都足以满足这一需求。然而，由于车辆具有有限的行驶范围，单个站点可能不足以为满足从出发地到目的地然后返回出发地的长途旅行的加氢需求。美国能源部已经为氢能车辆的行驶里程设定了300英里的目标，但实际的限制会让驾驶员感到满意的可能要少得多。作为参考，2009款本田FCX Clarity的续航里程为240英里。为了解决燃油限制，Kuby和Lim通过结合驾驶范围参数来调整FCLM。由此产生的截流选址加氢模型（FRLM）是一个混合整数线性规划问题（MILP），它最大限度地增加了可能被给定数量p的站点加满的旅行次数： (1)
约束条件:
, (2)
, (3)
(4)
(5)
在这个公式中:
q = OD对的索引（每对的最短路径）
Q = 所有OD对的集合
= 在OD对之间的最短路径上的流量q（每个时间段的车辆旅程数量）
k = 潜在的站点位置
K = 所有潜在的站点位置
p = 所需站点的量
h = 施组合的索引
图1–示例假设行驶里程为100英里，显示无法完成从A站点到B站点的往返旅程。
H = 所有潜在的站点组合
除非站点h的有效组合开启（变量= 1），否则约束（2）可防止路径q上的旅程被视为加氢（变量= 1），除非给定行驶范围指定了加氢路径q上的车辆（系数= 1）。驱动范围假设嵌入在系数中。由Kuby和Lim[8]开发的一种子程序使用行驶距离参数来确定某一特定组合h是否能够在不耗尽燃料的情况下，在路径q的往返过程中为车辆加注燃料。如果是这样，则系数被设置为1。仅当该组合中的所有单个站点k都打开（= 1）时，约束（3）确保站点h的组合被认为是开放的（= 1）。系数表示站点k是否是站组合h的成员。约束（4）将站点的数量设置为用户输入p。最后，（5）规定一个站点或多个站点的组合是开放的或不开放的。同样的，任何OD的车流量都可以被认为是可加氢或不可加氢的。目标函数（1）最大化可加氢的流量（车辆旅程数）。Upchurch等人[14]制定了一个替代目标（6），将每次旅行q乘以它的距离。这个目标是以车辆行驶里程来衡量的。它优先考虑将加氢站设置在长途旅行上，因为它会比短途旅行消耗更多的氢气：
(6)
车辆行驶里程与站点间距有关，但不等同于站点间距。 例如，假设驾驶距离为100英里，站点A和C距离100英里（图1）。 节点A和C之间的往返旅程可以在没有用完燃料的情况下完成，B和C之间的往返旅程也可以完成。然而，从A到B的往返旅程需要160英里，如果不进行加氢则无法完成。
4 截流选址加氢模型的空间决策支持系统
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