共享電單車宏觀投放規(guī)模研究

韓世行 高鈺 牛睿琪 程剛 洪彬

西藏大學工學院 西藏拉薩市 850000

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，由于受到道路資源、交叉口通行能力限制以及共享電單車企業(yè)管理不善等原因導致問題頻發(fā)：因受城市道路資源限制，城市內可容納的共享電單車數量有限，而投放規(guī)模上限不明確。因共享電單車過量導致共享資源浪費、企業(yè)成本增加、占用公共空間、影響城市道路交通正常行駛與停泊等問題，從而造成出行者出行體驗受到影響以及城市面貌遭到破壞等一系列問題。

此研究可為政府制定共享電單車相關政策以及共享企業(yè)在城市共享電單車投放量預測方面發(fā)展提供參考。

2 研究現(xiàn)狀

目前國內外主要以微觀調度路徑優(yōu)化、商業(yè)模式、交通事故特征等方面研究為主。針對共享單車宏觀投放規(guī)模上限預測，李珍萍等根據共享單車供需不平衡進行研究，建立共享單車調度優(yōu)化問題的整數規(guī)劃模型，使區(qū)域內單車站點的供需量基本可達到平衡，并且總調度成本最小，得出共享單車調度優(yōu)化的最佳方案；肖建華等根據共享單車供需不平衡、破損信息不確定等特征，融合魯棒優(yōu)化方法，以系統(tǒng)調度時間最短為目標，得出基于破損信息不確定的新車投放-舊車調撥-壞車回收共享單車聯(lián)合調度優(yōu)化模型。陳佳惠等為保證共享單車的調度效率， 針對共享單車的調度路徑優(yōu)化問題開展研究，基于禁忌搜索算法，以調度車輛最少和調度成本最低為目標，構建多車場有時間窗要求的共享單車調度路徑優(yōu)化模型；王珂等采用網絡自填式問卷方法，調查共享單車事故率，事故發(fā)生原因等，得出共享單車交通事故是多種因素作用的結果，需制定和完善自行車交通安全法規(guī)、改善騎行環(huán)境、開展安全教育、推廣使用頭盔等綜合措施預防和減少共享單車道路交通事故。范婷婷等本文通過對共享單車宣傳、押金管理、硬件及軟件等方面的問題的分析，進一步提出了共享單車發(fā)展的解決措施，從而促進共享單車的持續(xù)發(fā)展。

3 模型建立

3.1 道路網負載影響要因分析

對路網承載能力與交叉口非機動車承載能力造成影響的因素包括道路特性和外部約束兩部分。道路特征是指道路等級、交叉路口、道路幾何尺寸等影響，外部約束是指公共交通和停車資源的制約比例。機動車道和非機動車道的比較，在行駛車輛、設計指標、道路結構等方面，均存在著明顯差異。非機動車道路網承載力與交叉路口非機動車承載能力的確定，是根據非機動車交通流量特性來決定的。影響非機動車道路網承載力的主要因素為汽車與行人。

3.2 模型構建

在理想環(huán)境下非機動車的路網容量是城市非機動車道路總量時空資源除以單位非機動車所占時空消耗量得出的數值，交叉路口非機動車承載能力為單位信號燈時間可通過非機動車輛數乘以所選地區(qū)路口數量的結果。

但在實際環(huán)境中還應該考慮道路干擾系數、道路等級以及非機動車出行率等各項參數的訂正?，F(xiàn)實環(huán)境中由于民眾上班通勤，早中晚為非機動車使用的高峰時刻，因此早中晚時段非機動車道的負載達到最大程度，此時有效結合非機動車出行高峰小時時段與共享電單車在高峰小時出行中所占比重可計算非機動車道路網的有效運營時間。

本項目將模型修正參數分為高峰時段出行修正參數和道路修正參數。高峰時段出行修正參數包括出行不均衡、高峰小時內出行比重和共享電單車出行比例，道路修正參數包括交叉道路口限制、道路坡度系數、騎行干擾系數以及道路等級等。計算道路網承載能力水平的目的是推斷預測道路網實際運行狀況，后續(xù)結合共享電單車日常使用率，可得出共享電單車的路網容量。梁愛艷使用時空消耗模型計算出共享單車宏觀投放規(guī)模，本文對該模型進行了改進，增加交叉口非機動車承載能力，提高了宏觀投放規(guī)模預測精確度，其計算公式如下所示：

：理想條件下的路網容量；：路網總時空資源；C：個體非機動車在行駛狀態(tài)下占用非機動車道的空間與時間資源。：非機動車道總長度；：非機動車道有效寬度，兩側安全間隔為0.5米。L、W：不同級別下非機動車道的有效長度與有效寬度，：數值為1～2，分別代表城市I級道路與II級道路。：高峰小時；H：非機動車在出行狀態(tài)下最小安全縱向車距（非機動車車頭與前方非機動車車頭最小安全縱向車距）。：非機動車在出行狀態(tài)下最小安全橫向車距（非機動車左側與右方非機動車左側最小安全橫向車距）。

C：拉薩市城關區(qū)所選非機動車道實際總路網容量；：路網承載能力；：非機動車道路等級修正系數，I級道路與II級道路取 0.80；：外部干擾系數包括非機動車道停放機動車或非機動車造成的干擾與潛在行人干擾，必須根據道路隔離設施的實際配置確定；：路口總計折算系數，該系數受到人行橫道基礎設施、道路路口等方面影響，該值在拉薩市城關區(qū)所選道路上取0.55；：地區(qū)空間失衡系數是基于城市空間的集成特征和網絡結構確定的，拉薩市城關區(qū)呈“塊狀”空間形態(tài)，因此=0.60；：高峰時間出行者使用共享電單車出行所占使用非機動車出行的比重；：高峰小時出行不均衡系數，非特殊情況下取1.1～1.3；：折算后高峰小時內非機動車中共享單電車出行所占比例。

：非機動車行車狀態(tài)下的平均速度；：非機動車駕駛者行車狀態(tài)下對突發(fā)情況反應所時間；：非機動車車輪與非機動車道的摩擦系數；：前后非機動車安全間隔距離；l：非機動車車身長度；：共享電單車單日周轉率；l：非機動車車身寬度；：左右非機動車安全間隔距離（國內外無明確規(guī)定，本文取0.3m）；：共享電單車平均出行時間0.25小時。

N：城市或區(qū)域內以路網承載能力為約束條件的共享電單車實際投放總量。

：共享電單車啟動加速度；：共享電單車加速時長；：共享電單車平均運行速度行駛至通過交叉口所需時間；：某一時刻通過同一橫斷面非機動車車輛數；C：交叉口非機動車承載力水平；T：單位信號燈可通行時間；：交叉路口數量；：共享電單車在交叉路口所走平均路程。：非機動車行至交叉口時將轉至紅燈概率。

N：城市或區(qū)域內以交叉口非機動車承載力為約束條件的共享電單車實際投放總量。

若N＞N，則所選地區(qū)共享電單車宏觀投放規(guī)模上限為N；

若N＜N，則所選地區(qū)共享電單車宏觀投放規(guī)模上限為N；

若N=N，則該所選地區(qū)共享電單車宏觀投放規(guī)模上限為N或N。

3.3 等級劃分

依據我國《城市道路工程設計規(guī)范》將非機動車道服務水平分為自由騎行、穩(wěn)定騎行、限制騎行、間斷騎行I-IV四個等級（見表1）。I級與II級非機動車道道路服務水平可保證非機動車在道路網內穩(wěn)定持續(xù)通行；在III級非機動車道道路服務水平狀態(tài)下道路網的承載能力處于上限邊界，導致非機動車輛行駛速度緩慢，不利于騎行；在IV級非機動車道道路服務水平狀態(tài)下，道路網處于超負荷運行狀態(tài)，行駛環(huán)境惡劣，可能導致部分路段堵塞。為使非機動車在出行狀態(tài)時可穩(wěn)定騎行，城市大部分道路網或區(qū)域大部分道路網的承載能力應控制在二級及以上服務水平狀態(tài)，因此本文只計算一級和二級服務水平下拉薩市共享電單車的宏觀規(guī)模上限。

表1 非機動車道服務等級劃分

4 宏觀投放規(guī)模預測實例驗證

4.1 限制條件

因拉薩市各城區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀有較大差距，本研究將拉薩市按市轄區(qū)進行分割，根據拉薩市城關區(qū)現(xiàn)居人口、市轄區(qū)面積等數據計算城關區(qū)內共享電單車的宏觀投放規(guī)模上限。

4.2 車輛換算

非機動車折算系數根據各種不同車輛在行駛時占用道路凈空的程度，分別確定對標準車型的折算系數。拉薩市城關區(qū)非機動車按種類及數量可分為山地自行車，私人電動自行車，共享電單車，人力三輪車，電動三輪車5類，本文非機動車道交通量換算采用共享電單車標準車型，各非機動車車型和車輛折算系數規(guī)定見表2。

表2 拉薩市非機動車道路當量共享電單車折算系數

4.3 數據獲取

（1）拉薩市城關區(qū)所選一級道路總長為=17654m，二級道路所選總長為=53902m；

（2）拉薩市非機動車道路寬：I級道路=2.5m，II級道路=2.0m；

（3）道路坡度修正系數：I級道路與II級道路=0.80；

（4）外部干擾系數：使用市政道路護欄或道路分隔線對機動車道與非機動車道進行劃分的路段，可能會受到機動車或行人影響，因此I級道路與II級道路外部因素干擾系數=0.7；

（5）拉薩市城關區(qū)所選道路路口總計折算系數=0.55；

（6）地區(qū)空間失衡系數是基于城市空間的集成特征和網絡結構確定的，拉薩市城關區(qū)呈“塊狀”空間形態(tài)，因此=0.60；

（7）拉薩市城關區(qū)非機動車高峰小時出行狀態(tài)不均衡系數=1.2；

（8）高峰小時出行比重=15.01%；

（9）在北京東路路口與小昭寺路交叉口非工作日晚高峰18：30-19：30內對非機動車中的5類非機動車數量（共享電單車、私人自行車、私人電動自行車、人力三輪車，電動三輪車）進行統(tǒng)計，經調查為0.159；

（10）共享電單車出行狀態(tài)下平均車速=16.5km·h；

（11）按照年齡劃分（18歲以下；18歲-34歲；35-54歲），其平均反應時間為t=2.27s；

（12）基于拉薩市城關區(qū)所選道路實際情況，求得在瀝青或混凝土（干）、瀝青、混凝土（濕）三種道路情況下車輪與地面附著系數=0.5；

（13）單車前后安全距離=2.0m；

（14）共享電單車車身長度l=1700mm；

（15）非機動車車身寬度l=410mm；

（16）左右非機動車安全間隔距離（國內外無明確規(guī)定，本文取=0.3m）；

（17）共享電單車平均出行時間=0.25小時；

（18）共享電單車啟動加速度=1m/s；

（19）《道路交通管理與控制》指出最大單位信號燈綠燈時間為30-60s，本文設置單位信號燈可通行時間為T=60s；

（20）交叉路口數量=107；

（21）共享電單車在交叉路口所走平均路程=23.56m；

（22）非機動車行至交叉口時將轉至紅燈概率=0.083。

4.4 分析結論

表3 不同路網承載力水平下的共享單車投放量

此文依據城市道路網承載能力與交叉口非機動車承載能力，建立時空消耗模型，計算得出在地區(qū)城市道路路網內共享電單車預測投放規(guī)模上限。此外，本文以拉薩市城關區(qū)I、II級道路、交叉口數據和共享電單車使用情況數據作為驗證實例，在滿足企業(yè)利益的情況下，取周轉率為2.0，得出拉薩市城關區(qū)共享電單車合理投放量應在17294輛以下。

5 結語

由于近幾年來共享電單車發(fā)展迅速，極有可能出現(xiàn)“堆積如山”的問題，因此本文以拉薩市為例進行了共享電單車的宏觀投放規(guī)模預測并得出相應結論：以有限的道路承載力與交叉口非機動車承載能力為約束條件，考慮非機動車運行狀態(tài)下對總時空資源的消耗與單位信號燈可通行狀態(tài)時交叉口通過非機動車最大上限，結合非機動車中共享電單車出行分擔比例和周轉率，構建時空消耗模型，進而計算得宏觀性的共享電單車投放規(guī)模。通過對拉薩市城關區(qū)實證調查，確定時空消耗模型中各參數取值，得出拉薩市城關區(qū)二級路網容量水平下的共享單車投放量為17294輛。