1、第23卷第4期2023 年 8 月交通运输系统工程与信息Journal of Transportation Systems Engineering and Information TechnologyVol.23 No.4August 2023文章编号:1009-6744(2023)04-0055-06中图分类号:U491文献标志码:ADOI:10.16097/ki.1009-6744.2023.04.006基于双层规划的氢能重卡车队替换研究王直欢*,张文(上海海事大学,物流研究中心,上海201306)摘要:重型卡车(重卡)氢能替换是达成道路交通双碳目标的重要途径。政府如何制定合理政策促进企业
2、加速氢能置换,以及企业如何选择最优氢能车队替换策略是两个亟需解决的问题。为此,本文综合考虑降碳目标、企业成本、政府政策等因素,将政府设为上层决策者,以最小化碳排放量为目标;将企业设为下层决策者,以最小化车队总成本为目标,建立混合整数双层规划模型。并以某一运输企业为例,构建规划期为5年,车队规模为50辆的算例,使用列和约束生成算法及Gurobi求解器进行计算,求解出算例的政府最优年度碳排放上限及企业车队最优替换策略。同时,对排放税、排放补贴、购置补贴等参数进行敏感性分析,结果表明,排放税存在最小阈值,是否达到该阈值是影响企业决定是否换车的主要因素,在此基础上设置排放补贴可进一步促进企业增加换车数
3、量。此外,根据不同政府预算适当调整购置补贴力度可增加企业换车比例。关键词:公路运输;车队替换;双层规划;氢能重卡;列和约束生成算法Replacement of Hydrogen Fuel Cell Heavy Truck Fleet StudyBased on Bi-level ProgrammingWANG Zhi-huan*,ZHANG Wen(Institute of Logistics Science and Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:Abstract:Replacin
4、g the powertrain of conventional heavy trucks with hydrogen fuel cell is an important approach toachieve the goal of carbon peaking and carbon neutrality in road transportation.How the government formulatereasonable policies to promote enterprises to accelerate the replacement and how enterprises ch
5、oose the optimalreplacement strategy are two urgent problems to be solved.This paper proposes a mixed integer bi-level programmingmodel considering factors such as carbon reduction target,enterprise costs and government policies for the fleetreplacement problem.The government is set as the upper-lev
6、el decision maker,with the goal of minimum total carbonemissions of the fleet,and the enterprise is the lower-level decision maker with the goal of maximum total cost of thefleet.Taking a transportation enterprise as an example,the planning period was set as 5 years and the fleet size was 50vehicles
7、.The column and constraint generation algorithm and Gurobi solver were used to calculate the optimal annualcarbon emission ceiling of the government and the optimal replacement strategy of the enterprise fleet.The sensitivityanalysis of emission tax,emission subsidy and purchase subsidy was carried
8、out.The results show that there is aminimum threshold of emission tax,and whether the threshold is reached is the main factor that affects the decision ofwhether to replace vehicles.Based on this,setting emission subsidy can further promote enterprises to increase thenumber of vehicles to replace.In
9、 addition,appropriate adjustment of purchase subsidy according to governmentbudgets can increase the proportion of vehicle replacement by enterprises,which is practical to reduce the carbonemissions.Keywords:Keywords:highway transportation;fleet replacement;bi-level programming;hydrogen fuel cell he
10、avy truck;columnand constraint generation algorithm收稿日期:2023-04-13修回日期:2023-05-12录用日期:2023-06-21基金项目:江苏省交通科技计划项目/Transportation Science and Technology Project of Jiangsu Province(2021G09)。作者简介:王直欢(1980-),男,浙江台州人,高级工程师,博士。*通信作者:交通运输系统工程与信息2023年8月交通运输系统工程与信息2023年8月0引言据中国道路运输协会2022年统计,我国重型卡车(重卡)碳排放比重占公
11、路货运排放总量的85%以上,且目前重卡使用清洁能源占比不足3%。传统重卡平均能耗高、行驶里程长且一直依赖柴油,对道路交通CO2排放贡献高。公路货运脱碳途径主要有两种纯电动卡车和氢燃料电池卡车(氢能重卡),其区别在于,纯电动卡车直接向电池充电,氢能重卡需要给卡车加氢并通过氢气与氧气产生化学反应来产生电能。纯电动卡车的购车成本和燃料成本低于氢能重卡,但受限于电池性能,纯电动卡车载重能力不足,充电时间长等问题阻碍了其在长途货运场景中的应用。相反,相比同规格的纯电动卡车,氢能重卡具备更大有效载荷、注能时间短、续航里程长、耐低温等优势,使其更适配于运输路线固定的长途货运。然而氢能重卡车辆成本高、能源价格
12、高以及配套设施不够普及,导致企业换车动力不足。需要政府出台相关购置补贴,排放税,排放补贴等措施加速传统货运车队氢能替换速度。因此,政府如何制定合理政策促进企业车队氢能替换,以及企业如何根据政策开展车队替换是两个亟需解决的问题。近年来,针对氢能重卡的研究呈现上升趋势,但多从宏观层面进行研究。De等1总结过去10年世界范围内95篇相关文献发现,研究主要集中在公共政策、氢气供应链、环境影响、传动系统技术、燃料电池和储罐应用等方面,此类研究较少涉及到企业参与重卡动力系统转换。已有国外学者对车队的车辆替换模型进行研究:Pelletiera等2考虑购置、回收、运营及充电设施成本等因素,建立整数线性规划模型
13、,以确定最经济的车队替换策略。Al-dalai等3提出一个考虑运输路径变更影响的混合车队模型。Islam等4最小化车队生命周期成本和温室气体排放,构建混合整数规划替换模型。Abdi等5提出一个考虑经济和环境因素的车队优化模型,且允许车辆资产在任何时间段内存储并不会老化。Rajabian等6提出的车队替换模型中考虑将排放配额存入银行或在市场上进行交易。然而,此类研究主要以纯电动车为对象,而我国现阶段已将推动氢能发展纳入政府规划,在研究氢能重卡车辆替换问题时,氢能重卡购置补贴,氢气价格补贴等政策是不可忽略的因素,现有国外模型较少考虑相关政府政策因素,因此不完全适用于国内重卡车队氢能替换问题。国内研
14、究方面,唐春艳等7研究多车型混合车队替换问题发现,多车型的使用能够极大地降低车队运营成本。此外,为推动公路运输减排,我国政府提供了一系列补贴扶持政策,倪晓等8提出的车辆替换模型考虑了车辆租赁及政府补贴等因素。马晓磊等9以企业车队的生命周期成本最小为目标,考虑财政补贴、温室气体排放水平等因素,建立车辆替换模型。综上,现有国内外车队替换研究主要针对电动汽车并且多从企业角度出发,缺少政府补贴政策或是将政府补贴政策作为单一因素考量,考虑到政府决策与企业决策间相互影响的研究较少。本文将同时从政府与运输企业两个层面出发,以政府为上层决策者,以企业为下层决策者,通过构建混合整数双层规划模型,对重卡车队氢能替
15、换优化问题展开深入研究。其中,政府作为上层决策者,其目标是最小化碳排放总量,决策年度排放上限。当车队年碳排放量低于该排放上限时,政府会根据车队年排放量与排放上限的差额给予企业排放补贴,反之则向企业征收排放税。上层决策者将排放上限传递给下层决策者后,企业作为下层决策者根据其利益最大化做出反映,以最小化成本为目标,决策车队替换计划,并将替换策略反馈给上层决策者。本文将以某一物流企业为背景生成算例,并对排放税、排放补贴、购置补贴等政策因素开展敏感性分析,为政府及企业提供决策依据和模型基础。1问题描述与建模1.1 问题描述假设某地运输企业现有柴油重卡N辆,每辆重卡的年平均运营里程为L。为促进绿色公路发
16、展,推动零排放重卡的使用,地方政府设定了一个周期为I年的碳减排计划,提供车辆购置、运营及排放补贴,期望企业的年排放量在计划周期结束时减少%。此外政府根据减排期望设定年度排放上限,当企业车队年排放量低于此上限时,政府给予企业排放补贴,否则会向企业征收排放税,以此激励企业对重卡车队进行氢能替换。基于此建立双层规划模型,以获取政府年度最优排放上限和企业车队的最优替换策略。1.2 符号定义模型涉及的符号定义如表1所示。56第23卷 第4期基于双层规划的氢能重卡车队替换研究表 1 符号定义Table 1 Symbol definition变量模型指数决策变量参数及中间变量年份车型第t年所购车型为k的重卡
17、数量政府设定的第t年排放上限权重参数计划周期重卡每年平均行驶总里程车队重卡总数政府预算企业购车预算折旧单价通胀率贴现率排放社会成本排放税排放补贴决策因子初始排放减排目标第t年碳排放总量k型车辆购买补贴率k型车辆运营补贴率k型车购置成本k型车单位距离运营成本k型车单位距离使用成本k型车单位距离维护成本k型车排放系数符号t1,2,Tk0,1,2,KQt,kec,t1,2ILNFGFCDdbeeef,eeetb,km,kPkSkUkMkk单位-veht-年万kmveh万元万元万元%万元t-1万元t-1万元t-1-t%t万元veh-1%万元veh-1万元万km-1万元万km-1万元万km-1t万km-
18、11.3 上层模型本文从地方政府与运输企业两个层面出发,建立混合整数双层规划模型。上层模型以政府为主体,通过设定排放上限引导企业进行车辆替换,其目标函数与相应约束为min1t=1I()ec,t+2t=1I|ec,t-e()1-eT(1)s.t.0ec,te()1-,t0,1,I(2)ec,t+1ec,t,t0,1,I-1(3)c4+c5+c6FG(4)式中:c4、c5、c6分别为第T年企业可获得的购车补贴、运营补贴和排放补贴,计算公式分别为c4=k=1Kb,kPkQT,k(5)c5=t=1Tk=1K()m,kSkQt,kL(6)c6=(ec,t-eT)ee(7)式(1)为上层模型目标函数,式(
19、2)式(4)为其约束条件。式(1)包含两项:最小化政府每年的排放上限,以及排放上限与减排目标之间的差距。最小化碳排放上限反应了政府对企业加大减排力度的期望,式(1)中第2项体现了本文所提出方法的灵活性:政府可以设立一个更经济有效的排放上限,平衡政府最小化排放与企业最小化成本间的矛盾。式(2)确保排放上限的设置始终为正值并受制于减排目标。式(3)确保每年设定的排放上限应小于上一年。式(4)确保政府提供的补贴总额不超过其预算。1.4 下层模型下层模型的主体为运输企业,企业需要根据政府决策来决定车队规划周期内每年的换车数量。下层模型的目标函数与相应约束为mint=1I()c1+c2+c3-c4-c5
20、-c6+c7-c8c0(1+b)-T(1+d)-T(8)s.t.c1FC(9)-Mfec-etMe(10)f+e=1,f,e0,1(11)Qt,0=0(12)k=1Ki=1IQt,kN(13)Qt,k(14)式中:c0为不置换车辆且无政策影响情况下,企业每年总成本,即c0=NL()S0+0e(15)c1为第T年企业购车成本,即c1=k=1KPkQT,k(16)c2为第T年企业运营成本,即c2=Lt=1Tk=1K()Qt,kSk+LN-t=1Tk=1KQt,kS0(17)Sk为k型车的单位距离运营成本,即Sk=Uk+Mk(18)eT为第T年企业车队排放量,即eT=Lt=1Tk=1K()Qt,kk
21、+LN-t=1Tk=1KQt,k 0(19)c3为第T年企业排放CO2对社会环境产生负57交通运输系统工程与信息2023年8月交通运输系统工程与信息2023年8月面影响的社会成本,即c3=eeT(20)c7为第T年企业需缴纳的排放税,即c7=()eT-ecef(21)c8为第T年企业原柴油重卡折旧,即c8=Dk=1KQT,k(22)式(8)为下层模型目标函数,式(9)式(13)为其约束条件。式(8)目标是最小化企业换车相关成本。该目标包含的8项,分别为:购车成本,运营成本,排放成本,购车补贴,运营补贴,排放补贴,排放税和折旧。同时在公式中考虑了通胀及贴现。式(9)确保企业购车成本不超过其预算。
22、式(10)根据车队的排放水平和排放上限决定企业是否缴纳排放税或获得排放补贴,M为一个极大数,实验分析中M的取值为105。式(11)确保企业要么缴纳排放税,要么接受排放补贴。式(12)确保不再购入新的柴油重卡。式(13)确保置换总数不超过车队重卡总数。式(14)确保新购入车辆数量始终为非负整值。2算例分析2.1 模型参数为便于研究,模型选择18 t的一汽解放J6L4x2厢式运输车作为本文柴油重卡及氢能重卡的默认购置及运营车型,选用国内研究相关文献10中已标定校准参数作为模型输入,以保证模型结果的有效性,具体各车型参数及模型假定参数如表2所示。其中,使用成本考虑不同车型的动力能源价格,保险费用和新
23、能源汽车免车船税等优惠政策;维护成本考虑不同车型的轮胎更换费,维修费和保养费。氢能重卡的保养费用包括燃料电池系统器件定期更换费用,三电系统与电池保养费用。需说明的是,本算例中只考虑柴油重卡替换为氢能重卡,故氢燃料电池系统更换产生的折旧费用被合算在单位距离维护成本中。2.2 算例基本假设(1)政府设定规划期为5年,期望规划周期内企业车队碳排放总量减少30%。(2)政府可供补贴的预算和企业购车预算均为500万元 年-1。(3)企业车队重卡总数恒定50 veh。(4)碳的社会成本(SCC)为 36 元t-1二氧化碳当量。(5)贴现率和物价增长率均为3%。(6)规划周期内氢能重卡价格保持不变,购置补贴
24、不变。(7)排放补贴与排放税均设为0.6万元t-1。(8)所有车辆在本规划周期中均处于健康的运行年限,不存在需要主动报废的情况。(9)氢能重卡的加氢与柴油重卡的加油默认在运输途中的加氢站和加油站完成。表 2 各车型参数及模型假定参数Table 2 Vehicle parameters and model assumed parameters参数购置成本/万元购买补贴/万元折旧价格/万元单位距离使用成本/(万元万km-1)单位距离维护成本/(万元万km-1)车辆运营补贴率/%年平均运营里程/万km排放系数/(t万km-1)柴油重卡18.4210-4.605102.391100.3710-2010
25、2.3610氢能重卡96.60104010-2.366100.8151015102010-2.3 算例结果根据上述数据与假设,通过列和约束生成算法及Gurobi求解器求解模型。针对上述算例,车队最优替换策略的周期总成本为14512.47万元,周期排放量为7646.4 t,实现了周期内35.2%的减排量。政府年度排放上限设定方案及车队最优替换策略如表3所示。表 3 算例结果Table 3 Simulated instance result年份排放上限/t替换量/veh116528216508316504416502516500为达成其规划周期内成本最小化的目标,在预算范围内,企业需在规划前期尽快
26、替换足够数量的重卡以免于缴纳更多的排放税,替换数量应以满足政府所设定的年度排放上限为准,随后应以获得更多的政府补贴进而降低总成本为目的,动态决策进一步的换车数量。3敏感性分析3.1 排放补贴及排放税政府在减排期望的基础上设定排放上限,通过这一上限实施排放税与排放补贴政策,以促进企业碳减排。为探究排放政策对企业决策的影响,模拟多个案例,分析不同水平的排放税及排放补贴组合对企业决策的影响,结果如表4所示。在表4和以58第23卷 第4期基于双层规划的氢能重卡车队替换研究下讨论中,除另有说明外,术语“补贴”指的是排放补贴c3。表 4 排放税及排放补贴对企业决策的影响Table 4 Effect of
27、emission tax and emission subsidy onenterprise decision making案例12345678910111213排放税/(万元t-1)0.00.40.40.40.60.80.80.81.21.21.21.81.8补贴/(万元t-1)0.00.00.40.60.80.40.61.80.40.60.80.81.2替换策略1088888888888820788888888888300443442443334000220210222150000000000000合计0152022212022192022212120根据案例1和案例2可知,在补贴、排放税
28、均不设置的情况下,企业仅从自身成本最小出发,不考虑投资氢能重卡。而当政府设置排放税时,企业则需要根据其自身预算尽快对车辆进行氢能替换,以满足政府设立的年度排放上限而免于缴纳更多的排放税,说明相较于补贴,排放税对企业是否考虑换车影响更大。对比案例3、6、9及案例5、11、12可知,在补贴固定的情况下,调整排放税的大小对换车结果并无影响。对比案例6、7、8及案例9、10、11可知,当排放税固定时,起初增加补贴会提高换车总量,但当补贴到达某一阈值时,换车数量会随着补贴的增加而减少,说明相较于排放税,补贴对企业实际换车数量影响更大。图1进一步呈现了不同排放税和补贴组合下的企业车队碳排放总量。其中,最高
29、点出现在未设置排放税的情境中,反映出企业不考虑替换车辆时,车队原始碳排放总量为 11800 t。当企业设置的排放税过小时(0.1万元 t-1),即便给予补贴(0.95万元 t-1),企业根据其自身利益最大化仍不会选择换车。因此,排放税的设置很大程度影响企业是否会考虑换车。图1最低点出现在排放补贴为0.6万0.7万元 t-1,排放税大于0.15万元 t-1时的情景,进一步印证了前文的分析,即相较于排放税,补贴对企业实际换车数量的影响更大。补贴值存在一个阈值范围(0.6万0.7万元 t-1),小于该阈值范围,补贴的增加会使碳排放总量呈整体下降趋势;大于该阈值范围,碳排放总量会随着补贴的增加而呈整体
30、上升趋势。此外,根据图1可知,当补贴固定,排放税达到一定阈值后再增加并不会影响车队碳排放总量。根据图2可知,补贴固定时,排放税的增加会使企业总成本呈整体上升趋势。为兼顾双方利益,同等减排效果下,政府应选择相对较小的排放税。图 1 不同排放税和排放补贴组合下的企业车队排放Fig.1 Emission of enterprise fleet under differentcombinations of emission tax and emission subsidy图 2 不同排放税和排放补贴组合下的企业总成本Fig.2 Total cost of enterprise under differ
31、ent combinations ofemission tax and emission subsidy由于排放补贴和排放税政策设立的初衷是促进企业氢能化进程,当排放税设定超过最小阈值时,就会导致企业采用快速购入满足排放上限的氢能重卡策略,随着重卡氢能化的进行,补贴退坡政策也会相应出台,因此本文进一步研究不同力度的排放补贴退坡政策对政府与企业的影响,具体结果如表5所示。59交通运输系统工程与信息2023年8月交通运输系统工程与信息2023年8月表 5 排放补贴退坡政策对政府总支出的影响Table 5 Effect of emission subsidy retreat policy on to
32、talgovernment expenditure排放税/(万元t-1)0.6初始排放补贴/(万元t-1)0.60.60.60.70.70.80.8每年退坡力度/%-102010201020碳排放总量下降百分比/%35.233.628.833.233.635.233.6政府补贴总支出/万元2083.141739.691195.741787.071687.782049.801718.96根据实验结果发现,在保持初始排放补贴不变的情况下,不同力度的排放补贴退坡政策可以有效减少政府的经费支出,但会降低企业换车积极性,导致规划周期内总减排量的减少,此时适当的提高初始排放补贴值,可以有效解决此问题,如表
33、5中初始排放补贴0.8万元 t-1,每年退坡力度10%组合,可以在减少政府周期内补贴总支出的同时,不影响规划周期的碳排放总量下降百分比。综上,综合政府的排放最小化期望及企业的成本最小化期望,此时政府应将排放税设定为0.15万元 t-1,排放补贴设定为0.7万元 t-1。此时,企业规划周期内总成本为14330.39万元,碳排放总量为7646.4 t,可实现35.2%的总减排量。3.2 购置补贴通过算例分析发现,氢能重卡购置成本极大程度限制了企业的购车数量,导致购置补贴会在一定程度上影响企业的购车决策。为进一步探究购置补贴对企业决策的影响,选取多种政府预算与购置补贴组合方案代入模型,具体结果如表6
34、所示。表 6 购置补贴对企业决策的影响Table 6 Effect of purchase subsidy on decisionmaking of enterprises政府预算/万元500700购置补贴/万元40506070804050607080替换策略/veh188765810108728765588777344444655554222333233350002200022碳排放总量下降百分比/%35.233.630.028.026.038.440.439.636.434.4根据表6可知,一定政府预算下,并不是购置补贴越多越好,当购置补贴达到某一阈值后,企业换车进程开始变缓。在预算固定的
35、情况下,购置补贴的增加意味着其他补贴的减少,此时有限的运营及排放补贴限制了更多车辆的替换。因此针对不同预算,适当调整购置补贴可调动企业换车积极性,带来更多减排收益。经测算,在本文算例中,当政府预算为 500 万元,最优购置补贴为44万元 veh-1,周期内碳排放总量可减少35.6%;当政府预算增至 700 万元时,最优购置补贴为52万元 veh-1,周期内碳排放总量可减少42%。4结论针对氢能重卡车队替换问题,本文同时考虑政府与企业两个主体,通过构建双层规划模型,得到规划周期内政府年度最优排放上限及企业车队最优替换策略。针对政府,结合排放补贴,排放税,购置补贴等参数的敏感性分析发现:政府设定的
36、排放税存在最小阈值,达到该阈值可驱动企业进行车辆替换,在此基础上设定排放补贴会促进企业增加换车数量。排放补贴的设定存在一定阈值范围,在此范围内政府可以得到最优碳减排收益,超出该范围后碳减排收益开始下降。在本文算例中,为兼顾政府与企业双方利益,政府的最小排放税阈值为0.15 万 元t-1,排 放 补 贴 阈 值 范 围 为 0.6 万 0.7万元 t-1,此时可实现规划周期内35.2%的碳减排量,同时可采用排放补贴退坡策略,使政府利用更少的财政支出得到相同的减排效果。此外,针对不同预算,适当调整购置补贴可调动企业换车积极性,带来更多减排收益。当政府年度预算为500万元时,将购置补贴从 40 万元
37、veh-1调整至44万元veh-1,可增加碳减排量至35.6%。针对企业,根据算例分析发现,企业最优的替换策略为:在规划周期初,根据企业预算尽快替换足够数量的重卡以满足排放上限,随后以获得更多的政府补贴进而降低总成本为目的,动态调整进一步的换车数量。参考文献1DE LAS NIEVES CAMACHO M,JURBURG D,TANCOM.Hydrogen fuel cell heavy-duty trucks:Review of mainresearch topicsJ.International Journal of HydrogenEnergy,2022,47(68):29505-295
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