分时租赁型自行车使用与停放的自组织模拟

邵鹏

（西安工程大学管理学院，西安710048）

分时租赁型自行车伴随使用者在城市道路网络中流动，这种流动具有复杂自组织性。通过计算实验模拟共享单车在城市空间中的流动。共享单车从开始的集中投放到分散在城市的不同位置，这个过程是共享单车使用者骑行共享单车的自组织过程。通过自组织流动，分时租赁型共享单车在城市道路网络中会实现均匀分布。

共享单车；自组织；计算实验；城市道路

0 引言

近年来，随着信息技术与互联网的快速发展，出现了很多借助互联网进行商业模式创新的“共享经济模式”[1]。共享经济是伴随着物联网、云计算、大数据、移动互联网等信息通信技术的创新应用而兴起的，以生产资料和生活资源的使用而非拥有为产权基础，通过以租代买等模式创新，实现互通有无、人人参与、协同消费的新型经济形态[2]。共享经济与城市交通出行的结合，产生了共享交通产品。然而，这些交通出行产品并没有充分调动闲置资源，严格意义上应称之为分时租赁型公共交通产品。分享经济与公共交通出行的结合，产生了分时租赁型公共交通产品，如“共享单车”、“共享汽车”和“共享电动车”等[3]。以“共享单车”为例，这些单车由各大企业提供，并非用户将闲置的单车分享出来供其他用户使用[4]。对于同一辆单车，用户是通过分时租赁的方式获得一定时间内的使用权。城市道路网络中的大规模公共交通产品流动通过传统方法难以开展研究，本研究通过计算实验模拟方法对分时租赁公共交通产品自组织开展研究。

1 问题提出

公共产品可划分为纯公共产品和准公共产品，纯公共产品是同时具有非竞争性和非排他性的产品，一般由政府经营并免费提供给公众[5]；准公共产品是介于私人产品和纯公共产品之间，一般由投资者经营并收取一定的费用，分时租赁型公共交通产品是典型的准公共产品[6]。目前在国内，分时租赁型公共自行车是覆盖范围最广、使用频次最高，投放数量最多的分时租赁型公共交通产品。分时租赁型自行车是指自行车从一个停靠点到另一个停靠点的短暂租赁过程，第一代公共自行车于1965年在荷兰运行[7]。经过多年的更新换代，如今的公共自行车已发展成为集GPS定位与智能技术于一身的智慧自行车[8]。

由于无桩停放和GPS定位的特点，分时租赁型自行车使用者可以根据自身需求更大自由度的选择停放地点。因此，分时租赁型自行车伴随使用者在城市道路网络中流动，这种流动具有复杂自组织性。近年来，计算实验方法已被证明是探索社会复杂系统动态的一种合适方法，并且在许多学科中获得了发展。2007年，Management Science推出了复杂系统交叉学科的专刊，该专刊的序言中指出，复杂性科学、复杂网络为管理科学研究提供了新的分析工具，借助ABM可以更好地从复杂性科学、复杂网络视角研究管理科学领域的现象和问题。

通过对分时租赁、公共交通产品和复杂自组织相关研究文献的回顾，以及针对分时租赁型自行车无序停放问题的分析，发现现有对分时租赁型公共交通产品无序停放建模研究不多，尤其是从复杂网络自组织视角对分时租赁型公共交通产品无序停放问题的研究还比较缺乏。城市道路网络中的大规模公共交通产品流动通过传统方法难以开展研究，ABM的发展为分时租赁公共交通产品自组织提供了新的研究方法。

2 模型构建

构建方格城市，共有9×9=81个路口（点），假设每个点均有用户和自行车（图1）。其中：Nb（x，y，t）表示t时刻在x，y位置的自行车数量，NB表示所有自行车数量；Nu（x，y，t）表示t时刻在x，y位置的用户数量，NU表示所有用户数量；初始阶段，NU位用户平均分布在81个路口，每个路口有NU/81人。

自行车的投放分两种情况：其一，NB辆自行车平均分布在81个路口，每个路口有NB/81辆自行车。其二，NB辆自行车全部位于城市的中心位置。

图1 城市道路网络示意

对于用户而言，每1个时间步移动一次。其一，用户的移动方向是随机的，即大部分用户有5种选择：暂不移动、向上、向下、向左、向右；其二，左上角用户有三个选择：暂不移动、向下、向右；右上角用户有三个选择：暂不移动、向下、向左；其他最上一行用户有四种选择：暂不移动、向下、向左、向右；其三，左下角用户有三个选择：暂不移动、向上、向右；右下角用户有三个选择：暂不移动、向下、向左；其他最下一行用户有四种选择：暂不移动、向上、向左、向右；

NAu（x，y，t）表示t时刻x，y位置可以移动的用户。其一，如果在时刻t，Nb（x，y，t）＞=NAu（x，y，t），即x，y位置的自行车数量大于需要自行车用户的数量，那么这些用户将使用自行车到下一个路口；其二，如果在时刻t，Nb（x，y，t）＜NAu（x，y，t），即x，y位置的自行车数量小于需要自行车用户的数量，那么随即选择Nb（x，y，t）位用户分配自行车，即Nb（x，y，t）位用户将使用自行车到下一个路口，未分配到的用户选择其他方式前往下一个路口。

3 模拟分析

基于MATLAB平台进行计算实验模拟，共享单车自组织模拟过程如下代码所示：

由于初始状态将共享单车全部投放在编号为41的路口（城市中心位置），从共享单车数量差异程度来看，81个路口共享单车差异从高逐渐降低。初始阶段差异最低，因为初始共享单车企业将共享单车集中投放在某一个空间位置，但随着人们使用共享单车使得共享单车得以在城市空间中自组织。这种自组织体现在没有人为干预情况下，随着时间的推移，共享单车最终实现了在城市空间中的较为均匀的分布。因此，在模拟中当时间步超过20时，城市中共享单车分布已经较为均匀。

图2 城市空间共享单车分布差异

从所有投放共享单车所在位置来看，初始状态所有共享单车均位于集中投放位置，故在初始阶段共享单车城市空间分散较差。随着时间步的增加，共享单车随着骑行者的使用逐渐移动到城市的各个位置空间。可以发现，共享单车在城市空间的分散情况呈现出边际递减增长趋势，当时间步为50时，共享单车已经较为均匀地分散在城市的各个空间。

图3 共享单车分散程度

通过曲面图方式将不同时间段城市空间中的共享单车数量进行可视化（图4）。发现在初始阶段（T=1），城市中心位置拥有最多数量的共享单车。当T=5时，城市中心位置共享单车数量有所下降，而城市中心邻接位置共享单车数量则有所增加。当T=10时，城市中心位置共享单车数量已经下降为初始阶段的一半。当T=20时，虽然城市中心位置共享单车数量依然相对较多，但城市中心共享单车数量也仅是初始阶段的1/20。随着时间的演化，共享单车数量按照距城市中心距离逐渐下降，最终城市空间中共享单车分布进入均匀状态。

图4 城市空间中的共享单车分布数量

4 结语

在分时租赁型自行车使用与停放的自组织模拟研究中发现：其一，初始状态将共享单车全部投放在城市中心位置，随着时间的推移，城市空间中共享单车数量差异从高逐渐降低，共享单车随着骑行者的使用逐渐移动到城市的各个位置空间。其二，共享单车从开始的集中投放到分散在城市的不同位置，这个过程是通过共享单车使用者骑行共享单车的自组织过程。自组织体现在没有人为干预情况下，共享单车最终实现了在城市空间中的较为均匀的分布。其三，在集中投放条件下，初始阶段城市中心位置拥有最多数量的共享单车，随着时间的演化，共享单车数量按照距城市中心距离逐渐下降，最终城市空间中共享单车分布进入均匀状态。

通过计算实验模拟发现共享单车从开始的集中投放到分散在城市的不同位置，这个过程是通过共享单车使用者骑行共享单车的自组织过程。研究发现在理想条件下，通过自组织流动，分时租赁型公共交通产品在城市道路网络中会实现均匀分布。然而，现实中的共享单车使用者在城市空间分布具有差异性，城市空间道路分布也具有差异性。此外，共享单车数量集中仅是无序停放的因素之一，而共享单车使用者的使用习惯和行为是影响共享单车发展的重要因素。因此，未来研究应考虑城市道路特征和奖惩规制政策对分时租赁型共享单车用户使用和停放的影响。