李迎晨，楊 靜，林福海

(重慶交通職業(yè)學(xué)院，重慶 江津 402247)

1 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，居民私家車保有量急劇增加，給城市帶來(lái)了交通擁堵、空氣污染等一系列問(wèn)題，大力發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)顯得尤為重要。自行車擁有綠色低碳、節(jié)能減排、便捷健康的特點(diǎn)，可以作為輔助系統(tǒng)，形成“自行車+公共交通+自行車”的新型城市交通體系，以解決當(dāng)前地鐵、普通公交、BRT等公共交通方式無(wú)法覆蓋到的居民出行“最后一公里”問(wèn)題。

公共自行車系統(tǒng)PBS(Public Bicycle System)，又稱自行車共享系統(tǒng)(Bike Sharing System)，由一定數(shù)量的專用自行車、自行車租賃點(diǎn)、停車樁及其他相關(guān)設(shè)施組成。目前國(guó)內(nèi)公共自行車使用需求量日益增加，發(fā)展勢(shì)頭良好，但在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中仍存在許多亟需解決的問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中的“借車難”與“還車難”問(wèn)題尤為突出。具體來(lái)說(shuō)，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，租賃點(diǎn)的自行車數(shù)量會(huì)隨著居民變化的自行車需求量而發(fā)生變化，當(dāng)居民借車需求量較大于還車需求量時(shí)，租賃點(diǎn)的自行車數(shù)將持續(xù)減少，進(jìn)而低于一個(gè)閥值，最終停車樁上空空如也，產(chǎn)生“借車難”現(xiàn)象；當(dāng)居民還車需求量較大于借車需求量時(shí)，租賃點(diǎn)的自行車數(shù)將持續(xù)增加，進(jìn)而高于一個(gè)閥值，最終停車樁停滿車，發(fā)生“還車難”現(xiàn)象。

2 調(diào)度模型及算法設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)度流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化思路：調(diào)度站搜集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，掌握各租賃點(diǎn)自行車使用信息后，找出需要調(diào)度的租賃點(diǎn)位和相應(yīng)的調(diào)度量，再根據(jù)調(diào)度需求，規(guī)劃調(diào)度路徑，找出經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益兼顧的路線，最后，安排適量的調(diào)度運(yùn)輸車輛將自行車調(diào)入或調(diào)出各個(gè)租賃點(diǎn)，完成分配后返回調(diào)度站，如圖1所示。

圖1 自行車調(diào)度流程圖

2.2 租賃點(diǎn)判別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在不考慮改變租賃點(diǎn)布局選址的情況下，對(duì)各個(gè)租賃點(diǎn)是否需要調(diào)度和量調(diào)度量進(jìn)行計(jì)算分析。

(1)租賃點(diǎn)是否需要調(diào)度

存在調(diào)度需求的租賃點(diǎn)在完成調(diào)度后應(yīng)滿足：

①調(diào)度量接近于該點(diǎn)位還車數(shù)與借車數(shù)的差值；

②該點(diǎn)位車樁比在0.2～0.8范圍內(nèi)。

車樁比是指某一時(shí)段內(nèi)該租賃點(diǎn)位所停放的公共自行車數(shù)量與本身車樁數(shù)量之比，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：i是租賃點(diǎn)的編號(hào)；ki是某時(shí)刻車樁比；ai是某時(shí)刻可用自行車數(shù)；bi是車樁數(shù)。

(2)租賃點(diǎn)調(diào)度量的計(jì)算

找到存在調(diào)度需求的點(diǎn)位后，判斷租賃點(diǎn)是否存在調(diào)度需求(借車需求M，還車需求N)，判斷公式如下：

(2)

(3)

出現(xiàn)上述情況后進(jìn)行自行車調(diào)入(出)量，調(diào)度量根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式隨機(jī)取值：

1.5kmin≤zij≤0.9kmax

(4)

2.3 調(diào)度模型構(gòu)建

(1)模型組成要素與符號(hào)說(shuō)明

模型組成包括公共自行車、租賃點(diǎn)、調(diào)度車以及調(diào)度車場(chǎng)，符號(hào)說(shuō)明如表1所示。

表1 模型符號(hào)含義

(2)模型目標(biāo)函數(shù)

公共自行車系統(tǒng)調(diào)度總成本S=調(diào)度車固定成本S1+總行駛成本S2

具體計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

其中，(8)表示調(diào)度車裝載量必須低于本身容量；(9)表示調(diào)度車數(shù)量必須低于該區(qū)域調(diào)度站總車數(shù)；(10)與(11)表示一個(gè)租賃點(diǎn)只由一輛調(diào)度車調(diào)度，且只調(diào)度一次。

2.4 模型求解-遺傳算法

公共自行車系統(tǒng)調(diào)度本質(zhì)上是一個(gè)車輛徑路問(wèn)題(VRP問(wèn)題)，擁有眾多租賃點(diǎn)和自行車車數(shù)特征的公共自行車系統(tǒng)無(wú)疑需要的是求解速度快、全局求解的智能算法，經(jīng)排除，本文決定采用符合要求的遺傳算法。

3 實(shí)例驗(yàn)證

以泉州市洛江區(qū)公共自行車系統(tǒng)早高峰期調(diào)度為例，通過(guò)模型應(yīng)用使調(diào)度中心站在早高峰到來(lái)之前將各個(gè)租賃點(diǎn)的公共自行車數(shù)分配好，讓高峰期間居民對(duì)自行車的使用需求得到最大化滿足。將調(diào)度時(shí)間設(shè)置在早高峰之前一個(gè)小時(shí)，即早上6∶00～7∶00。

洛江區(qū)目前約有65個(gè)租賃點(diǎn)位，調(diào)度運(yùn)輸車輛2輛，一個(gè)調(diào)度中心站(0編號(hào)表示)。

3.1 租賃點(diǎn)信息搜集

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)搜集、統(tǒng)計(jì)計(jì)算后，找出了泉州市洛江區(qū)早高峰期間有調(diào)度需求的租賃點(diǎn)位，共計(jì)20個(gè)，同時(shí)，對(duì)這些租賃點(diǎn)進(jìn)行自然數(shù)編號(hào)1～20。

此外，用相關(guān)查詢軟件搜集資料，根據(jù)需要統(tǒng)計(jì)好各個(gè)租賃點(diǎn)的停車樁數(shù)量和該時(shí)段內(nèi)各個(gè)租賃點(diǎn)的借車數(shù)、還車數(shù)，算出不同租賃點(diǎn)需要的調(diào)入、調(diào)出自行車數(shù)。其中，由于調(diào)度量分為調(diào)入量和調(diào)出量，本處將其用正負(fù)數(shù)字區(qū)別，調(diào)度量大于零說(shuō)明該租賃點(diǎn)車樁比高于80%，擁有過(guò)多自行車，需要將多出來(lái)的調(diào)到別的租賃點(diǎn)；而調(diào)度量低于零的說(shuō)明該租賃點(diǎn)車樁比低于20%，自行車數(shù)保有量不足，需要從別處調(diào)來(lái)適量的自行車進(jìn)行補(bǔ)充。有調(diào)度需求的不同站點(diǎn)具體信息如表2。

表2 早高峰期有調(diào)度需求的租賃點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)

再通過(guò)使用百度地圖的兩地行車距離測(cè)繪功能，統(tǒng)計(jì)這20個(gè)租賃點(diǎn)彼此間的間距以及與該區(qū)域調(diào)度車場(chǎng)的間距。其中，出于減少測(cè)量與計(jì)算量考慮，本文假設(shè)調(diào)度車場(chǎng)、各租賃點(diǎn)彼此間來(lái)往距離一樣，如從租賃點(diǎn)1到租賃點(diǎn)2的實(shí)際行駛距離與點(diǎn)2到點(diǎn)1的距離一樣。

3.2 早高峰之前的調(diào)度模型使用

(1)確定模型參數(shù)值

表3 調(diào)度模型參數(shù)設(shè)置

(2)確定遺傳算法的參數(shù)值

表4 算法參數(shù)設(shè)置

3.3 確定早高峰之前的調(diào)度路線

通過(guò)軟件輸入數(shù)據(jù)與參數(shù)后，輸出近似最優(yōu)解，得到調(diào)度運(yùn)輸車A、B的優(yōu)化行駛路線，如表5。

表5 早高峰提前調(diào)度的優(yōu)化路線圖

3.4 結(jié)果分析

泉州市洛江區(qū)公共自行車調(diào)度目前主要是根據(jù)調(diào)度人員的自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)安排調(diào)度，缺乏科學(xué)機(jī)制，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些調(diào)度不合理問(wèn)題，如安排調(diào)度車去到一些不需要調(diào)度的租賃點(diǎn)調(diào)度，或者一些有調(diào)度需求的租賃站點(diǎn)卻長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到調(diào)度；同時(shí)也可能出現(xiàn)調(diào)度車停在某些租賃站點(diǎn)時(shí)，自身容量達(dá)到飽和或出現(xiàn)不足而無(wú)法進(jìn)行有效調(diào)度的情況，導(dǎo)致某些站點(diǎn)調(diào)度量不足。由此可見(jiàn)，目前洛江區(qū)的調(diào)度手段不僅容易增加額外車輛成本，而且不能滿足調(diào)度站點(diǎn)需求。

相比之下，經(jīng)本文分析后所設(shè)計(jì)的洛江區(qū)公共自行車調(diào)度路線，則能較大程度地改善問(wèn)題，在節(jié)約成本的同時(shí)也能讓每個(gè)有需求的調(diào)度站點(diǎn)得到調(diào)度，當(dāng)然，具體的優(yōu)化程度受數(shù)據(jù)搜集制約而無(wú)法進(jìn)行對(duì)比得出。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文設(shè)計(jì)了公共自行車系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化流程，并針對(duì)調(diào)度需求點(diǎn)的尋找和所需調(diào)度量的確定，引入了朱彤等學(xué)者所提出的判別與計(jì)算公式。

(2)基于總調(diào)度成本最低化的目標(biāo)，假設(shè)相關(guān)模型條件和確定好約束條件后，設(shè)計(jì)了一個(gè)優(yōu)化的公共自行車系統(tǒng)調(diào)度模型。

(3)基于模型的應(yīng)用，選用在求解公共自行車調(diào)度問(wèn)題最優(yōu)的遺傳算法，進(jìn)行算法思路與具體步驟的設(shè)置。

(4)最后選取泉州市洛江區(qū)為例，優(yōu)化了其在早高峰期的調(diào)度路線，進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，洛江區(qū)公共自行車系統(tǒng)在應(yīng)用模型進(jìn)行優(yōu)化后，調(diào)度狀況能有較大程度地改善，節(jié)約成本的同時(shí)也能讓每個(gè)需要調(diào)度的站點(diǎn)得到足夠的調(diào)度量。