基于租还行为特性的公共自行车调度优化研究

王婷静,赖友兵

(1.衢州学院 建筑工程学院，浙江 衢州 324000;2.衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000)

基于租还行为特性的公共自行车调度优化研究

王婷静1,赖友兵2

(1.衢州学院 建筑工程学院，浙江 衢州 324000;2.衢州市公路管理局，浙江 衢州 324000)

文章分析了公共自行车租赁行为特性，在此基础上提出了“分区调度、总量控制，动静结合、错峰调度”的公共自行车调度总体思路；对区块划分的步骤进行了分析，提出空间聚类的区块划分方法；根据公共自行车租还历史及预测数据，提出了高峰时段采用站内调度、下架囤积、随时补充的静态调度方法，平峰时段采用实时调度的动态调度方法。以衢州市公共自行车系统为对象进行了实证研究，结果表明基于租还行为特性的公共自行车调度方法是一种行之有效、操作性强的调度方法，有效地解决了衢州市公共自行车“租车难、还车难”的问题。

公共自行车；租还行为；调度方法

0 引 言

调度是解决公共自行车租还时空不均衡性的有效办法，国内外对公共自行车调度的研究比较重视，相关文献较多。Fricker 等[1]针对公共自行车系统的租赁行为进行研究，提出对于布局合理且能自我调节的公共自行车系统的租赁点自行车数量也有必要进行调配；Contardo 等[2]针对公共自行车系统中的动态问题进行研究，建立了相关的可以应用于大型网络的数学模型，并利用 Dantzig-Wolfe 和Benders分解方法较快的获得调配方案；秦茜[3]建立最大顾客满意度、最小成本的多目标单调配中心的公共自行车调配问题，首先采用遗传算法对静态调度进行求解，再运用禁忌搜索算法对问题进行优化；董红召[4]等采用滚动时域调度算法转化动态需求，结合禁忌搜索算法建立公共自行车调度模型；何流[5]等建立了租赁点短期多时段的需求预测模型，将需求预测模型与调度计划模型组合成具有迭代反馈特性的双层模型；胡列格[6]等对城市公共自行车高峰期需求不均衡的使用状况进行研究，构建车辆优化调度模型。在国内外研究基础上，本文以衢州市公共自行车为例，基于公共自行车租还行为特性和租还历史数据对公共自行车调度展开优化研究，注重优化后调度方法的实用性和有效性，用于公共自行车调度实际，从而有效解决公共自行车“租车难、还车难”的问题。

1 公共自行车租还行为特性分析

公共自行车租赁系统用户租还车的行为特征是进行公共自行车调度的前提和依据。较之于公共自行车租赁系统的使用频率,公共自行车调度问题更加关注用户租车与还车行为,并根据其特征进行公共自行车的调度调配。

2.1 时间特征

一天内,公共自行车租赁服务点的租车与还车行为处于动态变化中且存在一定差异,表现为租车数与还车数的波动性与不均衡性。从衢州市历年公共自行车各站点租还车数量可知公共自行车租还车具有以下几点特征：

①公共自行车全日各时段租还车量总体均衡，工作日出现明显的早晚高峰。工作日早高峰时段为7∶00～9∶00，晚高峰时段为17∶00～19∶00，分别在8∶00和18∶00达到峰值(400～500次/10min)，工作日自行车租还量主要集中在早晚高峰，约占日均租还量的45%；双休日则无明显峰值。从图1、2可以看出，工作日出行高峰的出现是由通勤出行引起；周末由于通勤交通减少,居民出行时间更加灵活，造成没有明显高峰。

②平峰时租车数与还车数相对均衡。

图1 工作日公共自行车全天租还车时变图

图2 双休日公共自行车全天租还车时变图

2.2 空间特性

根据站点所处位置，公共自行车站点分为公交点、公建点、居住点、游憩点、校园点[7]。根据调查结果，衢州市自行车出行目的中，基于居住点的出行约占到97%，从这个意义上来讲，公建点、公交点、游憩点、校园点相当于中转站，而居住点则是目的地。根据衢州市公共自行车租还数据分析结果，各类站点之间公共自行车主要租还关系可描述如图3、4、5所示。图中粗线条表示租车量，细线条表示还车量。

图3 早高峰时段各类站点租还关系示意图 图4 晚高峰时段各类站点租还关系示意图

图5 平峰时段各类站点租还关系示意图

从图3、4、5可以得知公共自行车租还在空间上具有以下几点特性：

各类站点在高峰时段租车数与还车数会表现出不均衡性，出现潮汐现象。早高峰时段,居住租赁点累计租车数量远大于还车数量，公交租赁点、公建租赁点、校园租赁点累计还车数量远大于租车数量;晚高峰时段上述租赁点自行车租还数量刚好与早高峰相反。游憩租赁点的高峰时段出现在双休日及节假日的8∶00～10∶00及15∶00～17∶00。

各类站点在平峰时段租还车数量基本持平。

从公共自行车表现出的租还时间和空间特性，结合衢州市公共自行车租还历史数据，可以得出如下结论：

规划选址合理，平峰时段各站点租还车数量基本持平，公共自行车一般无需调度；“租车难、还车难”问题出现在各站点租还车高峰时段，高峰时段公共自行车的调度是解决“租车难、还车难”问题的关键。

根据自行车车辆在各类站点的流向及数量，工作日应解决居住点与公交点、公建点、校园点之间的车辆调度，而双休日则应解决居住点与游憩点之间的车辆调度。

2 公共自行车调度方法

2.1 整体思路

实时调度需在城市交通高峰时段进行，城市交通拥堵造成调度车辆无法准时调度车辆，不能解决“租车难、还车难”问题。为规避出现此类问题，本文提出基于租还行为特性的高峰时段公共自行车调度方法，其思路可以概括为“分区调度、总量控制，动静结合、错峰调度”。调度优化流程如图6所示。

图6 公共自行车调度流程图

分区调度、总量控制：根据区域内的城市空间形态、行政区划、地理条件、道路条件、各类型站点规模等将城市分成若干调度区块，各区块公共自行车车位数的数量是一定的。车辆先在区块内调度平衡，如区块内调度无法实现平衡，则需要在区块之间进行调度，区块之间调度时以各区块内公共自行车总量为调度依据。

动静结合、错峰调度：公共自行车调度采取治堵不添堵、错峰调度创新机制，基于历史租还数据，实行动态与静态相结合的方法，高峰时段采用站内调度、下架囤积、随时补充的静态调度方法，平峰时段采用实时调度的动态调度方法。

2.2 调度方法

(1)区块划分

区块划分指依据城市主要功能分区、各类型自行车租赁点的分布，城市地理、铁路、河流、湖泊、山脉等分隔来划分，区块划分应遵循自行车出行特性和居民出行规律。区块划分根据公共自行车租赁点类型采用空间聚类的划分方法，具体步骤为：

①根据城市功能分区、地理条件、行政分区、距离、租赁点数量及类型等对自行车租赁点进行第一次聚类划分，形成初步区块划分方案；

②根据公共自行车基于居住点出行的特性，为使区块内公共自行车能尽量通过自然调度达到平衡，减少调度需求，在划分区块时应尽量使居住租赁点的规模与公建租赁点、公交租赁点、校园租赁点三者规模之和相当，即：居住租赁点车位数=公建租赁点车位数+公交租赁点车位数+校园租赁点车位数。应用此条原则对区块初步划分方案进行检验，如与此条原则的要求相差较大，则需对区块初步划分方案重新划分；

③对初步划分区块内公共自行车需求量、调度服务时间、服务范围等特征属性进行标定；

④根据距离、需求类型、潮汐方向、服务时间和各类型公共自行车数量等属性特征进行第二次聚类划分；

⑤微调租赁点，生成最终调度区块划分方案。

(2)调度方法

分区调度模式由总调度和区块内调度组成，区块内调度负责对本区块内的自行车进行调度，总调度负责对各区块之间的自行车进行调度。其调度步骤为：

①分析历年各站点在不同季节(分寒冷、雨雪、炎热等不太适宜自行车出行季节和温度、天气适人等适宜自行车出行季节)、不同时段(高峰时段和平峰时段)公共自行车租赁情况，得出各站点在不同季节不同时段公共自行车的租还趋势或规律；

②根据各站点的历史租还数据，应用三次指数平滑法(此方法较为有效且操作简单，在excel可以完成预测)对各站点不同季节不同时段的公共自行车租还情况进行预测；

③各区块在出行高峰时段采用站内调度的静态调度方法，即根据预测数据在出行高峰之前完成区块内自行车的调度，如自行车在区块内无法实现调度平衡，则需通过总调度，与附近区块的自行车实现调度平衡；将租借需求量大的站点内80%(另20%车位用于还车，此数据根据衢州市公共自行车租还数据分析得出)的自行车上架，同时将多余自行车囤积在站点，并随借车情况将囤积的自行车补充上架，满足借车需求；将还车需求量大的站点内80%(另20%车位上的自行车用于租车)的车位将自行车下架清空，并随还车情况将还回的自行车下架，满足还车需求。高峰时段工作人员在其负责的站点范围内巡回调度。在平峰时段，应用基于存贮理论的公共自行车动态调度方法[8]，即采用随机性存贮模型(s,S)建立公共自行车的动态调度模型，对租赁点自行车进行连续盘点，当租赁车位的车桩比降低至最低阀值时进行自行车调入，将其补充到最佳数量，若超过最高阀值时进行自行车调出，将其降至最佳数量。

3 实例应用

2013年11月至2015年底，衢州市投入4000余辆公共自行车，建成251个服务站点，其中居住租赁点111个、公建租赁点75个、公交租赁点12个、校园租赁点33个、游憩租赁点20个。根据距离及工作量，各区块又分为若干小区块，每个小区块有一名专职的工作人员负责区块内自行车的调度，如西区分成3个小区块，高峰时段工作人员骑电瓶车在小区块内进行巡回检查、调度。

3.1 区块划分

衢州市中心城区建成区面积64km2，由于机场的受限，衢州城市未能形成连片发展。根据衢州市发展历史、地理条件、行政分区、公共自行车分布情况等，将衢州市初步划分为西区、中心区、巨化区、衢江新区和东港园区5个区块。

由于中心区面积较大，达到21.5km2，为人口主要聚集区。公共自行车租赁点有120余个，调度车辆运行距离较大，路上运行时间需要近1h。因此，根据公共自行车租赁点类型、高峰时段潮汐方向、服务时间等对中心区进行了再拆分，变成2个区块，同时对别的区块进行了微调。东港园区面积也有17.2km2，但由于东港园区为工业园区，以工厂为主，车辆较少，公共自行车租赁点才28个，调度车辆运行距离虽然较大，但路上运行时间较少，一般20min之内能够到达，综合考虑上述因素无需对其拆分。西区、衢江新区、南区面积较小，约为5～6km2，地理位置相对独立，也无需调整。

最终将衢州市公共自行车租赁点划分为6个区块，分别为：西区、老城区、南区、巨化区、衢江新区和东港园区，具体如图7所示。

各区块情况如下：西区为新城区，主要为政府办公场所、新住宅小区、学校等，西区(46个公共自行车租赁点)由于公建点较多，而新住宅小区入住率不高，区块内公共自行车自然调度无法实现平衡，需与中心城区进行调度；老城区(73个公共自行车租赁点)作为衢州的中心，商业、住宅等比较成熟，人流量大，区块内公共自行车自然调度无法实现平衡，需与周边区块进行调度。南区(48个公共自行车租赁点)有火车站、汽车客运站、住宅商业等发展比较均衡，区块内的自行车能实现调度平衡；衢江新区(28个公共自行车租赁点)、巨化区(27个公共自行车租赁点)与衢州市区相隔较远，自成体系，区块内的自行车能实现调度平衡；东港园区(28个公共自行车租赁点)主要为生产厂区，区块内公共自行车自然调度无法实现平衡，需与周边区块进行调度。

图7 衢州市公共自行车租赁点区块划分图

3.2 调度方法

西区为城市新区，衢州市行政单位基本都已搬到西区，新建小区入住率不是很高，公共自行车交通潮汐现象严重。现以西区新华公共自行车租赁点为例论证本文所提的公共自行车调度方法。西区新

华公共自行车租赁点有30个公共自行车租赁车位，站点周围分布着10多个行政单位、写字楼和2个住宅小区。2014年新华公共自行车租赁点在不太适宜自行车出行季节和适宜自行车出行季节各个时间段的公共自行车租还平均数如表1所示。

表1 新华公共自行车租赁点公共自行车租还平均数量表(辆)

从租赁点租还情况来看，西区新华公共自行车站点公共自行车租还具有典型的潮汐性特点，在交通高峰时段(7∶00～9∶00，17∶00～19∶00)，公共自行车借还无法实现借还平衡，需要进行公共自行车调度；平峰时段租还基本平衡，能够靠站点的借还实现平衡，无需进行公共自行车调度。

应用三次指数平滑法对新华公共自行车租赁点2015年年均交通高峰时段公共自行车借还进行预测，预测结果如表2所示。

表2 新华公共自行车租赁点2015年年均公共自行车租还预测数量表(辆)

根据预测量，工作人员在早高峰时段对站点的公共自行车下架清空，下架数=原有公共自行车数量-0.2×30+还车量-借车量；在晚高峰段对站点的公共自行车上架补充，上架数=0.8×30-原有公共自行车数量+借车量-还车量；假设早高峰前站点原有公共自行车有10辆，晚高峰前站点原有公共自行车有12辆，上下架数具体如表3所示。

2015年10月对衢州市公共自行车系统进行了满意度调查，衢州市公共系统的整体满意度得分为91.9分，说明衢州市公共自行车系统无论是选址布局还是调度管理等都比较科学、合理，给市民提供了便捷、安全、环保的出行选择方式，获得了市民的认可和赞誉。

表3 新华公共自行车租赁点高峰时段公共自行车上下架数量表(辆)

4 结 语

97%的公共自行车出行是基于居住地的出行，其租还行为表现出潮汐特性，具有明显的早晚高峰，“租车难、还车难”问题主要发生在早晚高峰时段，所以解决早晚高峰公共自行车的调度问题是关键。本文基于公共自行车租还特性，提出的“分区调度、总量控制，动静结合、错峰调度”调度总体思路，在自行车租赁不同季节高平峰时期采用不同的调度方法。此方法在衢州公共自行车系统中应用效果显著，是种有效、操作性强的调度方法。在满意度调查中，公共自行车系统的满意度得分在90以上。

[1]C Fricker，N Gast.Incentives and redistribution in homogeneous bike-sharing systems with stations of finite capacity[J].EURO Journal on Transportation and Logistics,2016,(3):1-31.

[2]C.Contardo,C.Morency,L.-M.Rousseau.Balancing a dynamic public bike-sharing system.Cirrelt(2012)(available at https://www.cirrelt.ca/DocumentsTravail/CIRRELT-2012-09.pdf).

[3]秦茜．公共自行车租赁系统调度问题研究[D].北京:北京交通大学，2013．

[4]董红召，赵敬洋，郭海锋，等.公共慢行系统的动态调度建模与滚动时域调度算法研究[J]．公路工程，2009，34(6)：68-71．

[5]何流，李旭宏，陈大伟，等.公共自行车动态调度系统需求预测模型研究[J]．武汉理工大学学报 ：交通科学与工程版，2013，37(2)：278-282.

[6]胡列格，夏云，王佳，等.城市公共自行车高峰期需求不均衡的调度优化研究[J].铁道科学与工程学报，2015，12(2)：441-448.

[7]李黎辉，陈华，孙小丽.武汉市公共自行车租赁点布局规划[J].城市交通，2009，7(4)：39-44.

[8]张冬梅，叶飞，朱彤.西安市公共自行车单站点调度算法研究[J]．交通科技与经济，2014，16(3)：76-79.

Scheduling Optimization Research of Bicycle Sharing System Based on Character of Its Rent- return Behavior

WANG Ting-jing1,LAI You-bing2

(1.College of Civil Engineering and Architecture , Quzhou University，Quzhou 324000,China;2.Quzhou Road Administration, Quzhou 324000，China)

Firstly, rental character of sharing bicycle system is analyzed, on this basis, public bicycle scheduling method with strategies as “partition scheduling, total amount contro combination of dynamic and static state, peak-alternation regulation”. then steps of block subdivision are introduced and block partition method- spatial clustering is put forward; According to renting history and forecast data of sharing bicycle system, static scheduling method “on-site scheduling, the shelves of hoarding, at any time add" are carried out at peak hour while at flat peak dynamic real-time scheduling method is adopted. Public bicycl system in Quzhou is taken as the object for empirical research, the results show that scheduling method of bicycle sharing system based on character of its rent- return behavior i an effective and practical scheduling method, which can effectively solve the problem likedifficult to rent and return the Rental bicycle existing in Quzhou public bicycle system.

bicycle sharing system;rent- return behavior; scheduling method

2016-06-12

衢州学院博士启动项目(BSYJ201417)

王婷静(1981-)，女，山西清徐人，讲师，博士，E-mail：41409480@qq.com。

U491.17

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2017.01.005

1671-234X(2017)01-0022-07