基于大數(shù)據處理的公共自行車服務系統(tǒng)研究

宣子岳，朱家明，張素潔，張慶茹

（1.安徽財經大學　統(tǒng)計與應用數(shù)學學院；2.安徽財經大學　金融學院，安徽　蚌埠　233030）

基于大數(shù)據處理的公共自行車服務系統(tǒng)研究

宣子岳1，朱家明1，張素潔1，張慶茹2

（1.安徽財經大學統(tǒng)計與應用數(shù)學學院；2.安徽財經大學金融學院，安徽蚌埠233030）

本文針對浙江省溫州市鹿城區(qū)公共自行車使用數(shù)據，使用數(shù)據透視表、GIS分析法等方法，基于公共自行車服務模式和使用規(guī)則，運用SPSS、EXCEL軟件，對公共自行車服務系統(tǒng)從各個站點運行規(guī)律、借車人借車規(guī)律和高峰日的具體運行規(guī)律三個方面進行研究.并通過分析結果對目前公共自行車服務系統(tǒng)進行了評價，同時給出了提高公共自行車服務系統(tǒng)效率的建議.

公共自行車；大數(shù)據處理；SPSS；EXCEL

公共自行車服務系統(tǒng)由管理中心、站點、發(fā)卡處、調度中心、通訊網絡和互聯(lián)網業(yè)務平臺共同組成，其中站點又包括公共自行車、鎖車器和站點控制器.其運營原理是利用通訊網絡信號，通過站點控制器將站點運營信息上傳到管理中心服務器，管理人員利用互聯(lián)網調取服務器中的站點信息，從而實現(xiàn)管理中心對全城各個站點的整體管控.[1]研究公共自行車的借還車規(guī)律，為公共自行車系統(tǒng)提供規(guī)劃分析的決策支持，充分發(fā)揮公共自行車的綜合優(yōu)勢，對改善居民的出行狀況、緩解城市交通擁擠、促進城市交通可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1　模型假設

⑴假設用戶和借車卡之間是一一對應的關系；

⑵假設所查找到的數(shù)據真實可靠；

⑶假設用車時長在10h以上和1min以下的均為異常數(shù)據，不予以統(tǒng)計.

2　各站點借還車頻次的統(tǒng)計模型

2.1研究思路

為了分別統(tǒng)計各站點20天中每天及累計的借車頻次和還車頻次,并對所有站點按累計的借車頻次和還車頻次分別給出它們的排序，得到每次用車時長的分布情況，借助EXCEL和SPSS對所給的數(shù)據做了處理.為了方便說明，引入了用車時長的人數(shù)分布頻率的概念.

2.2數(shù)據處理

在對數(shù)據預處理的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了表格中的錯誤，并將錯誤歸納如下：⑴除了180個站點外，還有編號為1000的調試點；⑵用車時長為0的數(shù)據分為兩種情況，一種是因為借出自行車后，發(fā)現(xiàn)自行車有故障或者其他原因在一分鐘之內又將其放回，另一種是由于記錄中只有借車記錄而沒有還車記錄，用車時長記為0；⑶用時在10h以上和1min以下的，均認為異常數(shù)據，不予以統(tǒng)計；⑷站點的編號是1~107和109~181.[1]

將20天的用車時長的數(shù)據導入SPSS后，得到了時長在0～6601分鐘范圍內的487組數(shù)據.我們發(fā)現(xiàn)用車時長集中在小于100分鐘的范圍內，因此對用車時長的人數(shù)分布頻率進行了計算.用車時長的人數(shù)分布頻率就是將用車時長按照一定的組距進行劃分，劃分后每組的人數(shù)除以用車總人數(shù)，結果見表1.

表1　用車時長的人數(shù)分布頻率表

2.3結果分析

用EXCEL得到了各站點20天中每天及累計的借車頻次和還車頻次，然后對所有站點按累計的借車頻次和還車頻次分別進行排序，部分結果如圖1、2、3、4所示.

從以上幾幅圖中可以直觀的看出，站點的自行車借出量與歸還量相差不大，也就是說借出量大的站點歸還量也比較大，借出量少的站點歸還量也比較少.

由圖5可知，用車時長大多分布在30分鐘以內，當用車時長多于30分鐘時，出行者一般會考慮換乘其他交通工具繼續(xù)行程.

圖1　第一天各站點的借車頻次統(tǒng)計

圖2　第一天各站點的還車頻次

圖3　各站點20天累計借車頻次

圖4　各站點20天累計借車頻次

圖5　用車時長在100分鐘以內的人數(shù)分布直方圖

3　借車卡累計借車次數(shù)統(tǒng)計模型

3.1研究思路

根據溫州市鹿城區(qū)借車卡辦理方法規(guī)定，每張身份證限辦一張借車卡，并且一張借車卡只能借一輛公共自行車.因此我們假定用戶和借車卡之間是一一對應的關系，即每個用戶各采用一張借車卡.為得到20天中各天使用公共自行車的不同借車卡數(shù)量，我們對數(shù)據使用EXCEL軟件中的數(shù)據透視表功能對其進行處理.再利用SPSS軟件的標識重復個案和選擇個案功能對原始數(shù)據進行累加統(tǒng)計，由此得出每張借車卡累計借車次數(shù)的分布情況.

3.2數(shù)據處理

建立累加模型對每天累計借車次數(shù)以及20天總累計借車次數(shù)進行求解：

3.3結果分析

表2　不同借車卡每天累計數(shù)量

由表2可知，第20天借車人最多，第10天借車人最少.

表3　累計借車次數(shù)的區(qū)間頻次統(tǒng)計

由表3可知，大部分人的借車次數(shù)都在30次以內，樣本點99.2%的用戶的借車次數(shù)都在100次以下，只有極少數(shù)人超過100次.

4　公共自行車使用次數(shù)最多一天的基本情況統(tǒng)計分析

4.1站點間距離的定義

4.1.1研究思路

已知站點181個，根據數(shù)理統(tǒng)計排列組合可知，距離數(shù)值共有C21R1組，短時間內無法通過地圖精確計算任意兩個站點之間的距離.因此選取不同站點間自行車代步所用的時間來估計不同站點間的距離.[3]我們定義：

s=vt

其中，v是一般自行車的騎行速度，t是不同站點之間自行車騎行的時間.

4.1.2數(shù)據處理

一般人的騎自行車速度為12~15km/h，為簡便計算，取v=13.5km/h，即v=0.225km/min.[4]假設借車人從借車時起到還車時止，均在勻速騎車.部分借車站點的最近與最遠還車站點及距離見表4.

表4　借車站點的最近與最遠還車站點及距離（部分）

4.2借還車頻次最高的站點基本情況統(tǒng)計分析

4.2.1研究思路

對于第二十天的數(shù)據，首先用EXCEL中的數(shù)據透視圖求出所有車站的借車頻次和還車頻次，再對其進行排序，得到借車頻次最高和還車頻次最高的站點.針對所得的兩個站點，對其借車時刻、還車時刻、用車時長分別進行條件篩選.由于數(shù)據量過大，為了統(tǒng)計方便，將時間段以兩個小時為一層次、借車時長分鐘段以10分鐘為一段進行劃分后統(tǒng)計出其各自分布.[6]

4.2.2數(shù)據處理

對于第二十天的數(shù)據，用EXCEL中的數(shù)據透視圖求出所有車站的借車頻次和還車頻次，再進行排序，下表列出的是排名前十的借還車站：

表5　借車還車頻次排名前十的站點統(tǒng)計

由上表可以知道借車頻次最高的站點為42(街心公園)，還車的頻次最高的站點為56(五馬美食林)，對于第二十天的數(shù)據，用EXCEL中的數(shù)據透視圖求出所有車站的借車頻次和還車頻次，再對其進行排序，得到借車頻次最高和還車頻次最高的站點.[5]我們將時間段以兩個小時為一層次、借車時長分鐘段以10分鐘為一段進行劃分，結果如表6、7所示.

表6　借還車時刻分布表

表7　用車時長分布

4.3各站點借還車峰值的統(tǒng)計分析

4.3.1研究思路

將一天中的借還車時段進行合理劃分，統(tǒng)計出每個時間段各站點的借、還車頻次，設置界定值篩選出每個車站的高峰期，并得出高峰時段各站點的借車頻次和還車頻次，最后對具有共同借車高峰時段和還車高峰時段的站點分別進行歸類.

4.3.2數(shù)據處理

定義最小時間段為2小時，將借車還車總時間段6: 00—22:00劃分為八個小的時間段.[7]統(tǒng)計181個站點每兩個小時內的借車頻次和還車頻次，部分結果見表8、表9.

根據每個站點借還車頻次的總和，計算每個時間段借還車頻次占全天頻次的比例.將兩小時內借還車頻次占全天比值大于0.20的時間段均稱為高峰時間段.大部分站點借車高峰期和還車高峰期在8:00—10:00和16:00—18:00，相對于借車高峰期來說，還車高峰期在8:00—10:00的更多一些.這些時間正好處于上下班的高峰期，所以借還車頻次增多實屬正常.通過對具有共同借車高峰時段和還車高峰時段的站點的歸類，可為公共自行車站點的管理提供參考，以能得到更好的管理效果，增大自行車站點的利用率.

表8　前十個車站的各時段的借車頻次

表9　前十個車站的各時段的還車頻次

5　公共自行車服務系統(tǒng)的評價分析

5.1研究思路

對公共自行車服務系統(tǒng)的評價分為兩部分：一是從宏觀角度，將各個站點的地理位置與站點總數(shù)的設定做出總評價；二是根據每個站點的數(shù)據評價單個站點的服務效率，作出相應鎖樁數(shù)量的配置評價.

5.2數(shù)據處理

5.2.1站點總數(shù)的設置

公共自行車站點這類公共設施的建設一般采取“一次規(guī)劃，分期建成”的辦法.對于“一次規(guī)劃”，我們可以參照GIS分析方式，這種分析方式就是將區(qū)域內的有利于公共自行車使用的GIS數(shù)據集進行加權，根據加權值判斷一個區(qū)域內核心服務的范圍.區(qū)域面積與站點數(shù)的函數(shù)關系式：

S=16A1+9A2

S為站點數(shù)量，A1為核心服務范圍面積，A2為擴展服務范圍面積，單位為km2.[8]

計算出站點基礎設置數(shù)為S=16×8+9×2=146（個）.對于“分期建成”，我們可以根據后期各個區(qū)域內所有站點的服務效率的不同進行站點數(shù)量相應的調整和增減.

5.2.2站點間服務效率的對比

圖6　各站點用車總次數(shù)對比圖

從圖中可以看出，對比各個站點之間的用車頻次數(shù)據有較大差別，若取5000為一個分界點，可以認為在用車總次數(shù)不超過5000或者更低的站點服務效率不高.例如累計用車次數(shù)后十位的以下站點,這些站點可能存在較大的缺陷，應視為重點整改對象.

表10　累計用車次數(shù)后十位的站點

5.2.3單個站點的鎖樁數(shù)量與投放車輛數(shù)的設置

在一般情況下，投放自行車數(shù)與鎖樁數(shù)量為1:1.3到1: 1.5之間的比例，這是由于有些站點的借車數(shù)與還車數(shù)不能保持相同，為減少車輛調度以及考慮到檢修車輛和被盜車輛，鎖樁數(shù)要大于車輛數(shù).由于自行車數(shù)量的設定是按照一地居民的出行來定，投放自行車數(shù)量的計算公式可表示如下：

其中X為投放公共自行車數(shù)，k為人口，p為對應人群的日均出行次數(shù)，l為出行方式，m為對應出行方式轉變率，n為新增出行比例，a為壞車率，b為丟車率，t為每車日均租借量.[9]

經過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)每個站點的鎖樁數(shù)均為20，鎖樁數(shù)量的設置沒有考慮到不同站點自行車的使用率，所以該地區(qū)應考慮在自行車使用率較高的地區(qū)，向以下列舉的公共自行車使用率高的前15個站點增加公共自行車鎖樁的數(shù)量.

表11　自行車使用次數(shù)

6　結語

⑴所有站點的用車量隨周期性波動，且波動量較大.這時可以通過在低峰期超過一定時間少收費、不限時用車等措施鼓勵居民在低峰期多使用公共自行車，避免車輛閑置而導致的資源浪費.

⑵各站點的借還車的頻次存在差異.公共自行車行車系統(tǒng)（PBS）主要通過后臺控制中心和區(qū)域調度中心來完成車輛調配.通過各服務點自行車停放情況的跟蹤統(tǒng)計,當車輛數(shù)低于某一個閾值時，啟動調度，并對站點實行實時監(jiān)控，保證調度最優(yōu)化.

⑶通過對數(shù)據的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)所有的借車時間均在6:00到22:00之間.再加之夜間行車存在安全隱患，建議縮短服務每天時間，不再全天24小時，可以降低PBS的運行成本.

⑷原數(shù)據中存在不少用車時間小于1分鐘的借還車記錄，可能是借車人借出車輛后發(fā)現(xiàn)車輛損壞，于是立即將車歸還.建議啟動報修系統(tǒng)，當借車人發(fā)現(xiàn)車輛損壞時可以進行網上報修，修理人員就可以及時對車輛進行維修，以保障供給車輛數(shù).

〔1〕黃建德.城市公共自行車系統(tǒng)發(fā)展研究［D］.華中科技大學，2013.

〔2〕呂丹.“公共自行車服務系統(tǒng)”研究與大數(shù)據處理［J］.數(shù)學建模及其應用，2013，2（11）：20-41.

〔3〕姚遙，周楊軍.杭州市公共自行車系統(tǒng)規(guī)劃［J］.城市交通，2009（4）：30-38.

〔4〕錢儉，鄭志峰，馮雨峰.杭州公共自行車設施現(xiàn)狀調查與思考［J］.規(guī)劃師，2010（1）：71-76.

〔5〕李黎輝，陳華，孫小麗.武漢市公共自行車租聘點布局規(guī)劃［J］.城市交通，2009（4）：39-44.

〔6〕朱強，郭晟.廣州市公共自行車交通系統(tǒng)實施策略研究［J］.黑龍江交通科技，2009（8）：199-200.

〔7〕李正浩.城市公共自行車租聘站遠期發(fā)展規(guī)模分析［J］.交通節(jié)能與環(huán)保，2010（2）：44-46.

〔8〕楊桂元，黃己立.數(shù)學建模［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，2008（8）.

〔9〕姜啟源，謝金星，葉俊.數(shù)學建模（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2011（1）.

O212；U491.2

A

1673-260X（2016）08-0005-05

2016-06-11

本文屬國家自然科學項目（11301001），安徽財經大學科研項目（acjyzd201429）階段性研究成果

朱家明（1973-），男，安徽泗縣人，安徽財經大學數(shù)學建模實驗室主任，副教授，碩士，研究方向：應用數(shù)學與數(shù)學建模