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(1天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2天津大學 建筑學院，天津 300072)

私人自行車使用引發(fā)的雜亂、丟棄等問題嚴重影響了校園的和諧穩(wěn)定；共享單車在當下較火熱，但是其引發(fā)的亂停亂放的問題也不容忽視，學校的集中管理較為困難,且其商業(yè)化性質濃厚，對于學生來說吸引力較弱。鑒于上述問題，在校園內引入半公益性質的有樁式公共自行車系統(tǒng)成為了很多人的共識。但是這種模式又引發(fā)了新的問題，企業(yè)為了提高使用率，主觀經驗式的在校園內設置了大量的站點，占用了校園內有限的資源，企業(yè)也有了較嚴重的債務壓力，成本都難以收回。因此針對校園公共自行車站點的布局進行了研究。

目前，關于公共自行車系統(tǒng)的布局已經有了較多的研究，但是其中更多的是定性研究[1-4]，定量的研究只有有限的幾篇[5]。本文首次將Gis引入到公共自行車站點選址中，為公共自行車站點的選址提供一種新的定量研究方法。Gis在空間決策方面已經有了較多的應用，但是當選址數(shù)目較多時，Gis有局限性，無法滿足復雜的空間決策問題的要求，因此有必要引進人工智能中的啟發(fā)式算法，人工智能與Gis的結合也成為了Gis研究的前沿方向[6]。校園公共自行車系統(tǒng)站點選址數(shù)目較多，單純采用Gis進行研究有一定的難度，而遺傳算法[7]在解決多目標問題時有其特有的優(yōu)勢，因此，嘗試將Gis、區(qū)位配置模型和遺傳算法相結合進行研究。

1 模型建立及思路

1.1 選址決策的目標

校園公共自行車選址的難點在于學生短時間內通勤出行的滿足和企業(yè)的建設成本之間的矛盾，既不可能在校園內每個地方都布置公共自行車站點，也不能過少地布置。目標在于如何利用有限的資源提高學生的滿意度。

通過發(fā)放調查問卷的方式了解學生對于目前衛(wèi)津路校區(qū)公共自行車站點布局的滿意情況，如表1所示。利用層次分析法建立站點布局評價體系進行量化分析，并結合主因子分析法得到借還車難易性、單個站點的服務范圍和站點的完備性是影響學生滿意度最重要的幾個因子。

因此，可以運用中值模型來量化校園公共自行車系統(tǒng)中學生的步行距離，使得每個需求點到達對應站點的平均權重距離最短，每個站點的服務范圍得到保證，同時借助于高效的調度[8]工作使得站點的自行車和鎖樁有空余，滿足高峰時刻學生的借還車需求。在站點選址過程中將可達性和調度效率作為評價學生滿意度的指標，將站點建設數(shù)目和調度成本作為企業(yè)的成本來進行決策，以期達到企業(yè)、學生和學校的共贏。

表1 站點布局滿意度指標體系

1.2 Gis選擇候選站點

將宿舍樓、教學樓、體育館等效為需求點，以學生能接受的最大步行距離作為緩沖區(qū)半徑，使站點到需求點的步行距離限制與學生的切身使用感受相結合。其選址具體要求表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)地形情況。建在空地面積較大的地形平坦的區(qū)域，不占用行人道。

(2)道路交通情況。量化為距離主干道20 m以內，方便學生出行。

(3)政策環(huán)境。符合學校的相關規(guī)定，不影響校園整體規(guī)劃，不影響美觀。

(4)站點覆蓋要求。距離需求點盡可能近,滿足所有的覆蓋需求。

Gis選址[9]的步驟如下：繪制校園建筑及路網(wǎng)結構圖，并等效需求點，導入Gis中對需求點進行緩沖區(qū)分析,再對道路進行緩沖區(qū)分析；將兩者進行疊加得到適宜建立站點的位置圖；建立綠地和假山等不適宜建設站點的圖層；將適宜建設和不適宜建設的圖層疊加，得到初步的候選站點圖，在Gis中進行顯示；最后由選址人員實地勘察，確定最終結果。

1.3 求解站點的位置

以聚類后各個站點的需求量為權重，采用中值模型將校園公共自行車系統(tǒng)作為一個整體來考慮，結合校園面積、相關規(guī)劃經驗、企業(yè)的資金實力設置待選站點的數(shù)目，運用遺傳算法對候選站點進行篩選，得到最終的站點。

該問題描述如下:有n個需求點,m個候選站點,需求點的需求量和坐標、候選站點的坐標均已知，如何從m個候選站點中選擇p個站點,使每個需求點到相應站點的平均距離最短。

目標函數(shù)

minG=∑i∈N∑j∈Maidijyij

(1)

約束條件

∑j∈Myij=1,?i∈N

(2)

∑j∈Nxj=p

(3)

yij≤xj, ?i∈N, ?j∈Myij∈{0,1},xj∈{0,1}

(4)

式中，N為需求點的集合,N=(1,2，…，n)；M為候選站點集合，M=(1,2，…，m)；ai為第i個需求點的需求量;dij為第i個需求點到第j個候選站點的距離;p為所建站點的總數(shù);yij為0,1變量。當需求點i由站點j服務時,yij=1；否則，yij=0；xj為0,1變量。當點j被選為站點時,xj=1;否則,xj=0。式(1)是站點選址問題的目標函數(shù);約束式(2)保證每個需求點有且僅有一個站點服務;約束式(3)限制選取站點的個數(shù)為p個;約束式(4)表明每個需求點只能由最終確定的站點服務。以候選設施的位置標號為基因，每個染色體由p個基因組成，以目標函數(shù)作為評價函數(shù)，采用等概率分配基因方法得到最終p個站點。

1.4 確定調度路徑

校園公共自行車站點的功能定位是服務于校園內的通勤出行，根據(jù)其需求量的不同可以將其劃分為不同的級別，而在高峰期學生的使用量是非常大的，因此可以采用高效的調度，提高滿意度。運用Gis的網(wǎng)絡分析功能得到兩個站點間的最短路徑,建立單調度中心無時間窗優(yōu)化模型，以所需要的調度車輛為約束條件，以調度總路徑最短為目標，結合遺傳算法得到優(yōu)化調度路徑。調度總路徑最短意味著調度車輛能夠在短時間內完成整個自行車網(wǎng)絡的調度工作，從而在短時間內完成多次調度，滿足大量的需求。由于在工作日內，學生的出行主要是上下課，放學的通勤出行，因而可以將1天內分為早上7～9點，9～11點，中午11～13點，下午13～15點，15～17點，晚上17～19點共6個時間段來進行聚類和調度，以學生上下課前后的20 min作為調度時間，根據(jù)運行的借還數(shù)據(jù)和調度車輛的容量來確定調度量。

問題描述：公共自行車系統(tǒng)中有1個調度中心和N個租賃點,租賃點i到j的距離為dij，調度中心到各租賃點的距離為d0i(i,j=1,2，…，N)?，F(xiàn)需要對該系統(tǒng)中租賃點的自行車進行車輛調度,第k臺車輛的調度路徑用集合Rki={rki|k=1,2,…，K;i=1,2，…,N}表示，其中rki表示在第k條調度路徑中對租賃點i進行了調度服務(令rkm為第k條路徑中的最后一個客戶，rk0表示調度中心)，若未使用第k臺車輛則Rk=?。目標函數(shù)

(5)

約束條件

(6)

(7)

?k1≠k2，Rk1∩Rk2=0

(8)

式中，N為站點的集合，N=(1,2，…，n)；K為最大的調度車輛數(shù)；cki=1表示租賃點i由第k臺車輛進行調度，否則為0；xkij=1表示第k臺車輛由租賃點i駛向j，否則為0；rki表示在第k條調度路徑中對租賃點i進行了調度服務。式(5)為目標函數(shù),要求各條調度路徑的總里程最短;式(6)表示參加調度的車輛數(shù)不超過K；式(7)表示調度車輛均從調度中心出發(fā)并返回調度中心;式(8)表明每個租賃點僅能由一臺調度車輛進行調度服務。以目標函數(shù)作為適應度函數(shù)，采用有序交叉算子，得到最終的調度路徑。

2 實例研究

2.1 項目概況

天津大學北洋園校區(qū)的公共自行車系統(tǒng)在推行過程中取得了良好成效，但也存在不少問題。一方面站點運營中有高峰時刻借車難、還車難的問題，另一方面企業(yè)在2.23 km2的校園內布置近100個站點，在建設成本上的投入超過了500萬元，占全部投入的90%以上，而其1 a的運營收入不過70多萬元，自行車的壽命也不過5 a左右，造成企業(yè)較重的債務壓力，難以收回成本。

2.2 Gis空間分析

利用CAD繪制規(guī)劃圖如圖1所示。根據(jù)校園的功能分區(qū)將其等效為77個需求點。本項目不適宜選址圖層是距離假山100 m，綠地20 m以內的區(qū)域,適宜建立的圖層是距離主干道20 m以內，距離需求點150 m以內，利用Gis的緩沖區(qū)分析和疊加分析，適宜區(qū)域減去不適宜區(qū)域，將結果中每一地塊的中心等效為一個候選點，得到候選站點共114個，如圖2所示。

圖1 北洋園校區(qū)建筑輪廓圖

圖2 候選站點位置示意圖

圖3 最終站點示意圖

2.3 確定最終站點和調度路徑

設定最終站點為40個，根據(jù)6個高峰時刻的借還量，將所有站點聚類為需求量為30,50,80共3個級別的站點[10]，分析站點的區(qū)位特征，確定設立于不同區(qū)域候選站點的需求量。

本例中候選站點是114個,故m=114;最終站點的數(shù)量是40,故p=40;等效了77個需求點，故n=77。40個站點的最短距離用Gis的網(wǎng)絡分析計算，需求點坐標及需求量，候選站點的坐標均見Excel表，在Matlab進行編程，將結果反映到Gis上如圖3所示；調度車輛為3輛，調度總里程為4 367 m，調度路徑分別為：0-39-36-34-30-28-25-20-18-17-89-14-90-46-0；0-56-42-71-70-75-78-86-88-114-110-108-112-82-80-0；0-60-61-64-94-92-11-9-6-4-1-107-102-84-0(0表示調度中心)調度電動車的速度約為20 km/h，在20 min內可以往返2～3次。

3 結語

本文將遺傳算法、Gis、中值模型結合，為校園公共自行車站點選址提供一種定量的方法，通過實例進行了分析，使選址過程更加科學化。此外，本文所研究的有樁式公共自行車系統(tǒng)專指在校園內部的運行，對于城市公共自行車系統(tǒng)，地鐵出口處的通勤出行和Gis的智能化決策也有一定的借鑒意義。