共享电单车微观调度优化研究

韩世行 牛睿琪 高钰 范明辉 洪彬

摘 要：本文探讨了共享电单车在各站点进行投放时的微观调度优化方案以及调度所需成本，为减少电单车企业经济成本的同时满足行人出行不出现“无车可租”的现象，以现有共享电单车车辆数为限制条件，满足出行高峰时刻车辆需求为目标建立整体规划模型，进而对电单车调度进行微观优化。本文选取了拉萨市城关区共19个投放点进行调度研究，通过对所选站点进行数据采集与分析后，得出进行微观优化后的调度方案以及调度成本为44.85元。

关键词：共享电单车 微观调度优化 整体规划 全单模矩阵

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

近年来共享电单车因操作方便、使用高效、低碳环保等优点，得到飞速发展，“最后一公里”出行问题得到了良好解决，满足了用户短途出行的需求。与此同时，由于共享电单车企业管理不善等原因导致问题频发：城市由于企业管理不善等原因，造成共享电单车站点经常出现供需不平衡问题。虽然共享电单车企业已将适量电单车投放到市场内，但车辆监测数据显示，在共享电单车的使用高峰期部分站点仍会出现民众“无车可租”的现象，在同一时段，其他部分站点会出现共享电单车大量堆积，妨碍正常交通行驶的问题。

为解决上述问题，本文将以拉萨市城关区为例，对城关区部分共享电单车投放点进行微观调度优化研究。本文将计算出当前拉萨市部分区域共享电单车的微观调度方案：在区域内共享电单车总投放量不变的前提下，研究当前拉萨市部分区域共享单车调度优化问题，考虑到各共享电单车站点的需求量具有分时段变化的特征（根据拉萨实际高峰小时），将一天划分出8时至10时、12时至14时和17时至19时三个使用共享电单车高峰时间段，基于各个站点在每个高峰时段对共享电单车的需求量信息，以调度总成本最小化为目标建立分时段人工调度优化模型，通过在每个高峰时段到来之前进行一次人工调度，实现提高单车利用率、提高用户满足率，増加企业利润的目的。此研究有利于共享电单车相关企业长久发展有益。

2 研究现状

目前国内外主要以微观调度路径优化、商业模式、交通事故特征等方面研究为主。共享电单车微观调度优化指共享电单车相关企业运用调度共享电单车对所属辖区内各停放站点的电单车再次进行分配，以达到各停放站点的电单车与该停放站点电单车的需求量尽可能保持动态平衡。国内外学者进行共享电单车调度优化问题研究现状如下：

以共享电单车停放地点满意程度最大化为调度优化目标函数，创建包含模糊时间窗的车辆调度模型，并利用改进蚁群算法结合算法过程求解车辆调度模型，获取共享单车最优调度路径，完成城市共享单车合理有效的调度，实现城市共享单车的优化分布。陈佳惠等[2]以调度所需成本与调度车辆最少为优化目标，构建多车场有时间窗要求的共享单车调度路径优化模型，实例验证得出利用此模型和算法能有效减少调度成本，提高共享单车的调度效率。刘明等[3]通过对居民使用共享单车的订单数据深入分析，建立了帶取送货的共享单车重置路径规划模型并设计算法进行求解，得出重置车辆的最大载重量、单位距离成本、重置车辆里程限制、收车点个数以及收车点所拥有的共享单车数等多角度，为共享单车的重置调度提供有效的决策建议。蒋塬锐等[4]考虑到节点的调度需求大于调度车的装载容量和多辆调度车共同满足单个节点的调度需求的情况，以满足出行高峰时刻车辆需求以及调度总成本最小为目标，建立共享单车静态调度模型，从而达到在满足需求的同时降低总成本。

3 微观调度优化模型建立

3.1 问题分析

微观调度优化可缓解共享电单车因单位停车点投放数量不足或过量造成出行者无车可租、占用公共空间资源、妨碍车辆正常行驶等问题，以实现共享电单车供需达到平衡状态。在进行共享电单车微观调度时应首先确定选定区域内电单车过量投放点与电单车不足投放点，之后，进一确定各投放点需调整车辆数。本文将根据拉萨市实际投放点共享电单车车辆数进行微观调度优化，以满足出行高峰时刻车辆需求以及调度总成本最小为目标，得出各站点在目前各共享电单车投放点的需求区间以及最经济的调度方案。

3.2 模型选择

本文最终选择整数规划模型为主体，解整数规划最典型的做法是逐步生成一个相关的问题，称它是原问题的衍生问题。对每个衍生问题又伴随一个比它更易于求解的松弛问题（衍生问题称为松弛问题的源问题）。通过松弛问题的解来确定它的源问题的归宿，即源问题应被舍弃，还是再生成一个或多个它本身的衍生问题来替代它。随即，再选择一个尚未被舍弃的或替代的原问题的衍生问题，重复以上步骤直至不再剩有未解决的衍生问题为止。现今比较成功又流行的方法是分支定界法和割平面法，它们都是在上述框架下形成的。根据整体规划模型对方今各个共享电单车投放点进行预测，可求得出共享电单车微观调度优化方案。

3.3 模型假设

（1）高峰时间段内，各个共享电单车投放点需求量为已知区间;（2）考虑经济原因，对于满足需求量的各个共享电单车投放点不做出运出与运内;（3）各个共享电单车投放点之间运送电单车所需时间为瞬时;（4）各个共享电单车投放点之间运送单位共享电单车所需成本与两投放点之间距离成正比;（5）各个共享电单车投放点在进行微观调度优化之后，电单车数量位于该投放点最大值。

3.4 符号说明

根据问题分析与模型选择，本文各符号定义如表1所示。

3.5 模型建立

李珍萍等提出依据整体规划法设计微观调度方案，其部分计算公式如下[5]：

若Mi<Q-，则为方今需调入投放点若Mi&gt;Q+，则为方今需调出投放点若Q-<Mi<Q+，则该方今投放点以达到动态平衡，不需要调入或调出 （1）

以上模型为全单模矩阵[6]，因此可直接通过投影尺度法求解其对应的松弛线性规划问题得到原问题的整数最优解。

4 微观调度优化实例验证

4.1 数据获取与分析

本文选取拉萨市城关区迅驰共享电单车进行微观调度优化实例验证，取迅驰电单车2020年5月1日至2020年7月1日在城关区共19个投放点共享电单车使用数据，并将一天分为早高峰、午高峰、晚高峰三个高峰时段进行研究，计算各投放点共享电单车的需求量区间。经调查拉萨市城关区共享电单车早、午、晚高峰时段分别为8：30-9：30、12：30-13：30和18：30-19：30。

以拉萨城关万达广场投放点早8：30-9：30调查数据为例，共享电单车使用量所图1所示：

根据拉萨城关万达广场投放点两月数据得出共享电单车使用车辆区间，如图2所示。

根据以上得出拉萨城关万达广场投放点在置信度为95%时的需求量区间，如表2所示：

4.2 调查地点与需求量分析

根据上表可知拉萨万达广场投放点共享电单车最大需求量为63辆，而该投放点目前投放量为60辆，大于需求量区间上限，因此该投放点需往其他投放点调出，已求达到动态平衡，无车辆闲置。进而分别对拉萨市城关区选取的19个共享电单车投放点进行早、午、晚高峰时段数据记录与处理，计算各投放点需求量区间上限，得出需调出投放点与需调入投放点，在本文选取的19个投放点中，需调出投放点为8个，需调入投放点为10个，具体调出、调入地点及数量如表3所示（“+”为可调出车辆数;“-”为可调入车辆数;“0”为稳定点，不需要调出与调入）。

上图表示共享电单车位点经纬度坐标，选点距離较为集中，有利于城区分块调度，其中五角星代表政府单位;三角形代表学校，五边形代表医院;正方形代表活动广场及公园;菱形代表住宅区，综合评价选择站点周围基础设施齐全，站点选取较为合理。

4.3 调度成本

根据投放点之间的距离，以及每辆共享电单车从投放点i运送单位电单车至投放点j每公里所需成本（按每公里0.75元计算），计算得出各投放点之间进行调度时所需成本，结果如表4所示。

4.4 分析结论

经计算，拉萨市城关区部分共享电单车投放点最佳调度方案如表5所示。

5 结语

为减少电单车企业经济成本的同时满足行人出行不出现“无车可租”的现象，本文以现有共享电单车车辆数为限制条件，建立整体规划模型，进而对电单车投放点进行微观调度优化。此外，本文选取了拉萨市城关区共19个投放点两月内高峰时段电单车使用情况为依据作为验证实例，通过对所选站点进行数据采集与分析后，得出进行微观优化后的调度方案以及调度成本为44.85元。

注：本文为2021年中央支持地方高校改革发展资金项目→大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S202110694022;项目类别：自治区级;项目负责人：韩世行）。

参考文献：

[1]左倪娜.基于群集智能优化算法的城市共享单车优化分布研究[J].现代电子技术，2021，44（11）：115-119.

[2]陈佳惠，侯宁，李晓璐，张彭，朱广宇.共享单车调度路径优化研究[J].交通科技与经济，2021，23（02）：13-20.

[3]蒋塬锐，贾顺平，李军.基于调度池的共享单车调度研究[J].交通信息与安全，2019，37（05）：124-132.