共享電單車微觀調(diào)度優(yōu)化研究

韓世行 牛睿琪 高鈺 范明輝 洪彬

摘 要：本文探討了共享電單車在各站點進(jìn)行投放時的微觀調(diào)度優(yōu)化方案以及調(diào)度所需成本，為減少電單車企業(yè)經(jīng)濟(jì)成本的同時滿足行人出行不出現(xiàn)“無車可租”的現(xiàn)象，以現(xiàn)有共享電單車車輛數(shù)為限制條件，滿足出行高峰時刻車輛需求為目標(biāo)建立整體規(guī)劃模型，進(jìn)而對電單車調(diào)度進(jìn)行微觀優(yōu)化。本文選取了拉薩市城關(guān)區(qū)共19個投放點進(jìn)行調(diào)度研究，通過對所選站點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析后，得出進(jìn)行微觀優(yōu)化后的調(diào)度方案以及調(diào)度成本為44.85元。

關(guān)鍵詞：共享電單車 微觀調(diào)度優(yōu)化 整體規(guī)劃 全單模矩陣

Abstract：The development of science and technology makes people's pursuit of life higher. Driverless cars that used to appear only in film and television works are now gradually moving towards public life. The emergence of autopilot is mainly based on reducing the incidence of traffic accidents and improving commuting efficiency. But in the automatic driving vehicle， we should consider the ability of the highly automatic driving vehicle to support the computation and deep learning under the support of big data. The producers and sellers of the self-driving automobile undertake the joint product liability separately， and further divide the responsibility inside the car. The driver's identity will be gradually replaced， and fault liability should be reasonably applied in the current transition stage.

Key words：shared motorcycles， micro scheduling optimization， overall planning， full single-mode matrix

1 引言

近年來共享電單車因操作方便、使用高效、低碳環(huán)保等優(yōu)點，得到飛速發(fā)展，“最后一公里”出行問題得到了良好解決，滿足了用戶短途出行的需求。與此同時，由于共享電單車企業(yè)管理不善等原因?qū)е聠栴}頻發(fā)：城市由于企業(yè)管理不善等原因，造成共享電單車站點經(jīng)常出現(xiàn)供需不平衡問題。雖然共享電單車企業(yè)已將適量電單車投放到市場內(nèi)，但車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在共享電單車的使用高峰期部分站點仍會出現(xiàn)民眾“無車可租”的現(xiàn)象，在同一時段，其他部分站點會出現(xiàn)共享電單車大量堆積，妨礙正常交通行駛的問題。

為解決上述問題，本文將以拉薩市城關(guān)區(qū)為例，對城關(guān)區(qū)部分共享電單車投放點進(jìn)行微觀調(diào)度優(yōu)化研究。本文將計算出當(dāng)前拉薩市部分區(qū)域共享電單車的微觀調(diào)度方案：在區(qū)域內(nèi)共享電單車總投放量不變的前提下，研究當(dāng)前拉薩市部分區(qū)域共享單車調(diào)度優(yōu)化問題，考慮到各共享電單車站點的需求量具有分時段變化的特征（根據(jù)拉薩實際高峰小時），將一天劃分出8時至10時、12時至14時和17時至19時三個使用共享電單車高峰時間段，基于各個站點在每個高峰時段對共享電單車的需求量信息，以調(diào)度總成本最小化為目標(biāo)建立分時段人工調(diào)度優(yōu)化模型，通過在每個高峰時段到來之前進(jìn)行一次人工調(diào)度，實現(xiàn)提高單車?yán)寐省⑻岣哂脩魸M足率，増加企業(yè)利潤的目的。此研究有利于共享電單車相關(guān)企業(yè)長久發(fā)展有益。

2 研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外主要以微觀調(diào)度路徑優(yōu)化、商業(yè)模式、交通事故特征等方面研究為主。共享電單車微觀調(diào)度優(yōu)化指共享電單車相關(guān)企業(yè)運用調(diào)度共享電單車對所屬轄區(qū)內(nèi)各停放站點的電單車再次進(jìn)行分配，以達(dá)到各停放站點的電單車與該停放站點電單車的需求量盡可能保持動態(tài)平衡。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行共享電單車調(diào)度優(yōu)化問題研究現(xiàn)狀如下：

以共享電單車停放地點滿意程度最大化為調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，創(chuàng)建包含模糊時間窗的車輛調(diào)度模型，并利用改進(jìn)蟻群算法結(jié)合算法過程求解車輛調(diào)度模型，獲取共享單車最優(yōu)調(diào)度路徑，完成城市共享單車合理有效的調(diào)度，實現(xiàn)城市共享單車的優(yōu)化分布。陳佳惠等[2]以調(diào)度所需成本與調(diào)度車輛最少為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建多車場有時間窗要求的共享單車調(diào)度路徑優(yōu)化模型，實例驗證得出利用此模型和算法能有效減少調(diào)度成本，提高共享單車的調(diào)度效率。劉明等[3]通過對居民使用共享單車的訂單數(shù)據(jù)深入分析，建立了帶取送貨的共享單車重置路徑規(guī)劃模型并設(shè)計算法進(jìn)行求解，得出重置車輛的最大載重量、單位距離成本、重置車輛里程限制、收車點個數(shù)以及收車點所擁有的共享單車數(shù)等多角度，為共享單車的重置調(diào)度提供有效的決策建議。蔣塬銳等[4]考慮到節(jié)點的調(diào)度需求大于調(diào)度車的裝載容量和多輛調(diào)度車共同滿足單個節(jié)點的調(diào)度需求的情況，以滿足出行高峰時刻車輛需求以及調(diào)度總成本最小為目標(biāo)，建立共享單車靜態(tài)調(diào)度模型，從而達(dá)到在滿足需求的同時降低總成本。

3 微觀調(diào)度優(yōu)化模型建立

3.1 問題分析

微觀調(diào)度優(yōu)化可緩解共享電單車因單位停車點投放數(shù)量不足或過量造成出行者無車可租、占用公共空間資源、妨礙車輛正常行駛等問題，以實現(xiàn)共享電單車供需達(dá)到平衡狀態(tài)。在進(jìn)行共享電單車微觀調(diào)度時應(yīng)首先確定選定區(qū)域內(nèi)電單車過量投放點與電單車不足投放點，之后，進(jìn)一確定各投放點需調(diào)整車輛數(shù)。本文將根據(jù)拉薩市實際投放點共享電單車車輛數(shù)進(jìn)行微觀調(diào)度優(yōu)化，以滿足出行高峰時刻車輛需求以及調(diào)度總成本最小為目標(biāo)，得出各站點在目前各共享電單車投放點的需求區(qū)間以及最經(jīng)濟(jì)的調(diào)度方案。

3.2 模型選擇

本文最終選擇整數(shù)規(guī)劃模型為主體，解整數(shù)規(guī)劃最典型的做法是逐步生成一個相關(guān)的問題，稱它是原問題的衍生問題。對每個衍生問題又伴隨一個比它更易于求解的松弛問題（衍生問題稱為松弛問題的源問題）。通過松弛問題的解來確定它的源問題的歸宿，即源問題應(yīng)被舍棄，還是再生成一個或多個它本身的衍生問題來替代它。隨即，再選擇一個尚未被舍棄的或替代的原問題的衍生問題，重復(fù)以上步驟直至不再剩有未解決的衍生問題為止。現(xiàn)今比較成功又流行的方法是分支定界法和割平面法，它們都是在上述框架下形成的。根據(jù)整體規(guī)劃模型對方今各個共享電單車投放點進(jìn)行預(yù)測，可求得出共享電單車微觀調(diào)度優(yōu)化方案。

3.3 模型假設(shè)

（1）高峰時間段內(nèi)，各個共享電單車投放點需求量為已知區(qū)間;（2）考慮經(jīng)濟(jì)原因，對于滿足需求量的各個共享電單車投放點不做出運出與運內(nèi);（3）各個共享電單車投放點之間運送電單車所需時間為瞬時;（4）各個共享電單車投放點之間運送單位共享電單車所需成本與兩投放點之間距離成正比;（5）各個共享電單車投放點在進(jìn)行微觀調(diào)度優(yōu)化之后，電單車數(shù)量位于該投放點最大值。

3.4 符號說明

根據(jù)問題分析與模型選擇，本文各符號定義如表1所示。

3.5 模型建立

李珍萍等提出依據(jù)整體規(guī)劃法設(shè)計微觀調(diào)度方案，其部分計算公式如下[5]：

若Mi<Q-，則為方今需調(diào)入投放點若Mi&gt;Q+，則為方今需調(diào)出投放點若Q-<Mi<Q+，則該方今投放點以達(dá)到動態(tài)平衡，不需要調(diào)入或調(diào)出 （1）

以上模型為全單模矩陣[6]，因此可直接通過投影尺度法求解其對應(yīng)的松弛線性規(guī)劃問題得到原問題的整數(shù)最優(yōu)解。

4 微觀調(diào)度優(yōu)化實例驗證

4.1 數(shù)據(jù)獲取與分析

本文選取拉薩市城關(guān)區(qū)迅馳共享電單車進(jìn)行微觀調(diào)度優(yōu)化實例驗證，取迅馳電單車2020年5月1日至2020年7月1日在城關(guān)區(qū)共19個投放點共享電單車使用數(shù)據(jù)，并將一天分為早高峰、午高峰、晚高峰三個高峰時段進(jìn)行研究，計算各投放點共享電單車的需求量區(qū)間。經(jīng)調(diào)查拉薩市城關(guān)區(qū)共享電單車早、午、晚高峰時段分別為8：30-9：30、12：30-13：30和18：30-19：30。

以拉薩城關(guān)萬達(dá)廣場投放點早8：30-9：30調(diào)查數(shù)據(jù)為例，共享電單車使用量所圖1所示：

根據(jù)拉薩城關(guān)萬達(dá)廣場投放點兩月數(shù)據(jù)得出共享電單車使用車輛區(qū)間，如圖2所示。

根據(jù)以上得出拉薩城關(guān)萬達(dá)廣場投放點在置信度為95%時的需求量區(qū)間，如表2所示：

4.2 調(diào)查地點與需求量分析

根據(jù)上表可知拉薩萬達(dá)廣場投放點共享電單車最大需求量為63輛，而該投放點目前投放量為60輛，大于需求量區(qū)間上限，因此該投放點需往其他投放點調(diào)出，已求達(dá)到動態(tài)平衡，無車輛閑置。進(jìn)而分別對拉薩市城關(guān)區(qū)選取的19個共享電單車投放點進(jìn)行早、午、晚高峰時段數(shù)據(jù)記錄與處理，計算各投放點需求量區(qū)間上限，得出需調(diào)出投放點與需調(diào)入投放點，在本文選取的19個投放點中，需調(diào)出投放點為8個，需調(diào)入投放點為10個，具體調(diào)出、調(diào)入地點及數(shù)量如表3所示（“+”為可調(diào)出車輛數(shù);“-”為可調(diào)入車輛數(shù);“0”為穩(wěn)定點，不需要調(diào)出與調(diào)入）。

上圖表示共享電單車位點經(jīng)緯度坐標(biāo)，選點距離較為集中，有利于城區(qū)分塊調(diào)度，其中五角星代表政府單位;三角形代表學(xué)校，五邊形代表醫(yī)院;正方形代表活動廣場及公園;菱形代表住宅區(qū)，綜合評價選擇站點周圍基礎(chǔ)設(shè)施齊全，站點選取較為合理。

4.3 調(diào)度成本

根據(jù)投放點之間的距離，以及每輛共享電單車從投放點i運送單位電單車至投放點j每公里所需成本（按每公里0.75元計算），計算得出各投放點之間進(jìn)行調(diào)度時所需成本，結(jié)果如表4所示。

4.4 分析結(jié)論

經(jīng)計算，拉薩市城關(guān)區(qū)部分共享電單車投放點最佳調(diào)度方案如表5所示。

5 結(jié)語

為減少電單車企業(yè)經(jīng)濟(jì)成本的同時滿足行人出行不出現(xiàn)“無車可租”的現(xiàn)象，本文以現(xiàn)有共享電單車車輛數(shù)為限制條件，建立整體規(guī)劃模型，進(jìn)而對電單車投放點進(jìn)行微觀調(diào)度優(yōu)化。此外，本文選取了拉薩市城關(guān)區(qū)共19個投放點兩月內(nèi)高峰時段電單車使用情況為依據(jù)作為驗證實例，通過對所選站點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析后，得出進(jìn)行微觀優(yōu)化后的調(diào)度方案以及調(diào)度成本為44.85元。

注：本文為2021年中央支持地方高校改革發(fā)展資金項目→大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：S202110694022;項目類別：自治區(qū)級;項目負(fù)責(zé)人：韓世行）。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳佳惠，侯寧，李曉璐，張彭，朱廣宇.共享單車調(diào)度路徑優(yōu)化研究[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2021，23（02）：13-20.

[3]蔣塬銳，賈順平，李軍.基于調(diào)度池的共享單車調(diào)度研究[J].交通信息與安全，2019，37（05）：124-132.