城市共享單車停放問題的最優(yōu)化研究

陳李明 漆志鵬 余付杰 張斌 周洋

【摘 要】本文對(duì)共享單車的租賃點(diǎn)的分布與企業(yè)運(yùn)營成本及居民需求之間的關(guān)系進(jìn)行研究，建立雙層規(guī)劃模型，為共享單車的租賃點(diǎn)的分布規(guī)劃提供理論支持，在保證企業(yè)的成本最小的基礎(chǔ)上使居民使用共享單車出行效率最高。

【關(guān)鍵詞】共享單車 租賃點(diǎn)選址優(yōu)化 雙層規(guī)劃模型 LINGO

一、背景介紹

由于我國共享單車市場的新興性，大量的學(xué)術(shù)理論將目光集中在行業(yè)的發(fā)展前景，市場趨勢(shì)預(yù)測(cè)等，關(guān)于停放的相關(guān)理論成果仍然欠缺。雖然目前一些共享單車企業(yè)已經(jīng)注意到了這些問題，并設(shè)立租賃點(diǎn)倡議使用者集中停放，但這種租賃點(diǎn)的分布是一種經(jīng)驗(yàn)上的規(guī)劃，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出了很多問題。主要問題有：1）未充分考慮居民與租賃點(diǎn)的距離及交通的便利性，租賃點(diǎn)選址存在不合理的地方。2）未考慮租賃點(diǎn)周邊共享單車的需求量，使部分租賃點(diǎn)共享單車不足或有閑置車輛。3）共享單車的集中停放導(dǎo)致的企業(yè)運(yùn)營成本的增加，如租賃點(diǎn)的地價(jià)，共享單車的維護(hù)和更換費(fèi)用都會(huì)受到影響。這些問題的存在正是共享單車亂停亂放問題不能得到有效解決的原因。

二、雙層規(guī)劃模型

1.模型準(zhǔn)備

在共享單車租賃點(diǎn)布局優(yōu)化問題中，包含了兩種不同目標(biāo)的人群。一種是共享單車企業(yè)通過建設(shè)租賃點(diǎn)方案，使所需要的成本最低；另一種是使用者通過調(diào)整出行方式和路線，使出行時(shí)間最少。故適宜采用雙層規(guī)劃模型。

上層模型的建立僅考慮經(jīng)濟(jì)因素的影響。在滿足區(qū)域內(nèi)居民需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮租賃點(diǎn)地價(jià)，共享單車成本及維護(hù)費(fèi)用等因素，以租賃點(diǎn)總建設(shè)成本最小為決策目標(biāo)。下層模型從用戶角度考慮，以用戶出行效率最高為目標(biāo)，選取用戶出行時(shí)間為衡量用戶出行效率的主要因素，建立用戶出行時(shí)間最短的共享單車停放模型。

本文使用美國聯(lián)邦公路局路阻函數(shù)（BPR函數(shù)），考察行人對(duì)共享單車的影響及機(jī)動(dòng)車對(duì)共享單車的影響，并運(yùn)用二者的影響系數(shù)，進(jìn)行改進(jìn)之后運(yùn)用于租賃點(diǎn)周邊道路。建立用戶出行時(shí)間最短模型如下：

其中，：出行總時(shí)間；：租賃點(diǎn)到需求點(diǎn)的距離；：租賃點(diǎn)到需求點(diǎn)的步行速度；：足夠大的正數(shù)；：租賃點(diǎn)周邊所有道路通行時(shí)間的總和。

三、實(shí)例分析

2017年6月6日左右，對(duì)南昌市新建區(qū)以地鐵大廈地鐵站為中心的摩拜單車需求量進(jìn)行調(diào)查分析。為了研究方便，我們以地鐵大廈地鐵站為中心畫十字將新建區(qū)分成四個(gè)區(qū)從上往下、從左往右依次為A、B、C、D區(qū)，前湖大道以南的區(qū)域?yàn)镋區(qū)，這五個(gè)小區(qū)分別對(duì)應(yīng)為商貿(mào)區(qū)、景點(diǎn)區(qū)、居住區(qū)、辦公區(qū)、高校區(qū)，通過調(diào)查和計(jì)算得出各小區(qū)租借需求數(shù)，然后計(jì)算出相關(guān)參數(shù)值，如共享單車周轉(zhuǎn)率等。在已知周轉(zhuǎn)率的基礎(chǔ)上，可得出各小區(qū)所需共享單車租賃點(diǎn)以及每個(gè)租賃點(diǎn)配備的單車數(shù)量如下：A小區(qū)需租賃點(diǎn)數(shù)10個(gè)，配備單車65輛/租賃點(diǎn)；B小區(qū)需租賃點(diǎn)數(shù)16個(gè)，配備單車70輛/租賃點(diǎn)；C小區(qū)需租賃點(diǎn)數(shù)14個(gè)，配備單車93輛/租賃點(diǎn)；D小區(qū)需租賃點(diǎn)數(shù)12個(gè)，配備單車85輛/租賃點(diǎn)；E小區(qū)需租賃點(diǎn)數(shù)15個(gè)，配備單車60輛/租賃點(diǎn)，將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入模型中，通過Lingo求解，滿足雙層規(guī)劃模型中的兩個(gè)條件：企業(yè)成本小、用戶出行效率高，得出如下規(guī)劃方案：

A：此區(qū)為商貿(mào)區(qū)，以紅谷灘萬達(dá)廣場為主，需共設(shè)10個(gè)摩拜共享單車租賃點(diǎn)。根據(jù)本文的研究結(jié)果，建議企業(yè)在衛(wèi)東地鐵站的4個(gè)出入口設(shè)定租賃點(diǎn)，其余的租賃點(diǎn)設(shè)立在萬達(dá)廣場周圍的幾個(gè)路口。因路口太多，企業(yè)可自由選擇但需要滿足雙層規(guī)劃的兩個(gè)條件，方便人們出行。

B：此區(qū)為景點(diǎn)區(qū)，以秋水廣場為主，可設(shè)立16個(gè)租賃點(diǎn)。具體為先在紅谷中大道和世貿(mào)路交匯的路口設(shè)立3個(gè)租賃點(diǎn)，可設(shè)在三個(gè)地鐵站出口旁邊，然后在紅谷中大道和會(huì)展路交匯的路口設(shè)立4個(gè)租賃點(diǎn)，最后將其余的租賃點(diǎn)全部設(shè)立在秋水廣場周圍的各個(gè)路口，企業(yè)可自行選擇路口設(shè)立。

C：此區(qū)為居民區(qū)，以衛(wèi)東花園小區(qū)為主，可設(shè)立14個(gè)租賃點(diǎn)。首先根據(jù)衛(wèi)東花園各期大小以及人數(shù)規(guī)模在1期小區(qū)和3期小區(qū)內(nèi)部各設(shè)立2個(gè)租賃點(diǎn)，然后在鳳凰中大道的三個(gè)路口以4、3、3的規(guī)模設(shè)立租賃點(diǎn)，方便市民出行。

D：此區(qū)為辦公區(qū)，以地鐵大廈和江西省版權(quán)局為主，但也包括部分居民區(qū)，可設(shè)立12個(gè)租賃點(diǎn)。可分別在紅谷中大道與怡園路、麗景路、翠園路交匯處的三個(gè)路口各設(shè)立3個(gè)租賃點(diǎn)，然后分別在贛江中大道與怡園路、麗景路、翠園路交匯處的三個(gè)路口各設(shè)立1個(gè)租賃點(diǎn)。

E：此區(qū)為高校區(qū)，以南昌航空大學(xué)、南昌大學(xué)、江西科技師范大學(xué)為主。上文的15個(gè)租賃點(diǎn)是以南昌航空大學(xué)為例而規(guī)劃的，但因?yàn)楦鱾€(gè)高校的規(guī)模不同，本文不好直接規(guī)劃租賃點(diǎn)設(shè)立方案，故各高校可根據(jù)自己的實(shí)際情況以及考慮到企業(yè)的成本最小化和學(xué)生的高效出行進(jìn)行設(shè)定。

綜上所述，本文通過雙目標(biāo)規(guī)劃模型研究共享單車的租賃點(diǎn)該如何規(guī)劃，改善了共享經(jīng)濟(jì)下共享單車對(duì)交通的影響，對(duì)于提高人們的出行效率具有重大意義，同時(shí)也進(jìn)一步提升了共享單車租賃點(diǎn)布局優(yōu)化的科學(xué)性和可靠性。因此，本文選址規(guī)劃方法具有現(xiàn)實(shí)普及意義。

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