劉 鐳

（閩江學院 數(shù)學與數(shù)據(jù)科學學院（軟件學院），福建 福州 350121）

近年來，伴隨著城市化進程的不斷推進，城市人口數(shù)量逐漸增加，使道路交通壓力持續(xù)升高，不僅如此，人民生活水平的提升也使機動車保有量呈現(xiàn)出持續(xù)上升的態(tài)勢，且增長幅度逐年擴大，在此背景下，城市出行難的問題越來越受到社會各界的關注［1］。為緩解這種壓力，以共享為理念的交通工具走入了大眾視野。最突出的特點就是能夠有效幫助短途出行人群實現(xiàn)快速抵達目的地。作為一種相對慢行的公交系統(tǒng)，在極大程度上促進了城市公交微循環(huán)的快速發(fā)展。不僅如此，通過合理設置共享車輛投放點，以“公共交通+電動車”為基礎的換乘方式為人們的出行也帶來了極大的便利［2］。這種組合交通模式下，不同交通之間真正實現(xiàn)了“無縫對接”。隨著共享交通工具受到廣泛利用，對其的研究也逐漸深化，其中，以共享車輛調度問題為基礎的研究最受關注，鄒兵［3］等就提出了一種考慮接駁費用的車輛調度算法，以此降低車輛調度工作總量；周欣悅［4］等利用蟻群對電動汽車的調度問題進行優(yōu)化研究，提高了車輛安置的合理性，但是其受現(xiàn)有空間的限制，將其應用實際中的難度較大。為更好地將城市公共交通與公共電動車進行有機結合，提高共享電動車的吸引力和競爭力是重中之重，只有用戶的滿意度得到提升，才能實現(xiàn)共享電動車價值的最大化［5］。

為此，本文提出計及用戶滿意度的共享電動車區(qū)域調度算法設計研究，在分析共享電動車需求的基礎上，對調度區(qū)域進行動態(tài)劃分，按照供求關系平衡的基本原則實現(xiàn)對車輛的調度，并通過試驗驗證了設計算法的應用效果。通過本文，可以為相關資源調度工作的開展提供參考。

1 共享單車需求分析

為實現(xiàn)對區(qū)域共享電動車的合理調度，首先需要準確分析目標區(qū)域對共享電動車的需求［6］。為此，本文結合共享電動車覆蓋區(qū)域的人口數(shù)量及人口結構特征，按照大數(shù)據(jù)顯示的不同層次人口對共享電動車的使用數(shù)據(jù)，對區(qū)域的人口結構和職業(yè)進行初步劃分，其結果如表1 所示。

表1 共享電動車用戶結構劃分

按照表1 中的劃分方式，將共享電動車的用戶群體分別從年齡和職業(yè)角度進行五個結構層次的劃分。以此為基礎，假設在某個調度區(qū)域中，人口組成包含i個年齡段，對應的人數(shù)為ni，并且有i年齡層使用共享電動車的概率為pi，此時該區(qū)域對共享電動車的需求量可以表示為：

其中，x表示區(qū)域對共享電動車的需求量。

在此基礎上，在共享電動車覆蓋的a 個區(qū)域范圍內，則有：

其中，X表示共享電動車覆蓋所有區(qū)域的需求總量，j表示共享電動車覆蓋區(qū)域總數(shù)。

通過這樣的方式，得到區(qū)域對于電動車的需求量，為后續(xù)的調度工作提供執(zhí)行基礎。

2 調度區(qū)域動態(tài)劃分

現(xiàn)階段，限制共享電動車調度效果的主要因素就是缺乏對實際環(huán)境的動態(tài)分析，對執(zhí)行調度區(qū)域的劃分采用以地理位置為基礎的靜態(tài)方法［7］，將每個區(qū)域作為一個基本劃分單元，其確實在一定程度上避免了動態(tài)區(qū)域劃分帶來的調度矛盾［8］，大大降低了各區(qū)之間協(xié)調管理的難度，但是也使得各區(qū)域內站點反饋的實時使用及需求信息難以得到有效利用，調度工作的靈活性大大降低［9］，長期以該模式進行，極有可能引發(fā)共享電動車供需關系出現(xiàn)嚴重的不平衡［10］。為此，本文對于調度區(qū)域的劃分是以動態(tài)的形式進行的，結合共享電動車投放站點的需求，利用聚類分析的方式綜合考慮共享電動車投放站點的短期應用需求以及周圍環(huán)境的長期發(fā)展規(guī)劃，對調度區(qū)域進行動態(tài)劃分。

如圖1 所示，在具體的執(zhí)行過程中，共分為以下兩個步驟。首先，獲取共享電動車投放站點的位置信息，以及相鄰站點之間的距離，通過聚類分析的方式，將距離達到某一標準的站點劃分到一個區(qū)域內。對該標準的設定，按照所在區(qū)域的總面積進行計算，其可以表示為：

圖1 調度區(qū)域動態(tài)劃分流程

其中，L表示站點之間距離滿足統(tǒng)一區(qū)域劃分的標準，S表示區(qū)域面積，TMAX表示在面積S內完成一次行駛需要的最長時間，此時的時間以電動車正常行駛狀態(tài)下的速度為基礎計算得出的。

第二步就是在第一步的基礎上，按照式（2）所示的方式對基礎劃分后各個區(qū)域的共享電動車需求量進行計算，并在不改變區(qū)域數(shù)量以及每個區(qū)域中投放站點數(shù)量的前提下，調換存在投放站點調入需求和投放站點調出需求的位置分布，通過這樣的方式最大限度降低區(qū)域內需求量的不平衡性。

3 基于供需平衡的區(qū)域調度算法設計

需要明確的是，提供用戶滿意度即在最大限度上實現(xiàn)確保用戶的使用需求得到滿足，但降低無效資源儲備是共享電動車長期穩(wěn)定存在基礎。因此，本文按照供需平衡的基本原則，在上文研究的基礎上，對區(qū)域間共享電動車的調度算法進行設計。

為最大限度降低共享電動車調度的成本投入，本文在盡量不改變區(qū)域數(shù)量和每個區(qū)域投放站點數(shù)量的基礎上實現(xiàn)共享電動車的調度。為此首先需要計算出各個區(qū)域中選出需求最不平衡的區(qū)域，這里的不平衡既包括供遠遠大于求的情況，也包括求遠遠大于供的情況。采用聚類分析的方式對其進行計算，其可以表示為:

其中，z表示i區(qū)域內m站點現(xiàn)有的共享電動車投放量，xim表示i區(qū)域內m站點對共享電動車的需求量。其中“＜＜”和“ ＞＞”的標準以i區(qū)域內的總體潛在用戶群體規(guī)模為基礎設置，按照80%為上限，40%為下限的標準實現(xiàn)對各個區(qū)域中站點供需關系的計算。通過這樣的方式計算得出每個區(qū)域內需要調入和調出的站點信息。按照就近原則，現(xiàn)在同區(qū)域內進行調度。當區(qū)域內滿足供需平衡關系后，將剩余的調出資源分配到鄰近的區(qū)域中，補充其對調入資源的需求；當區(qū)域內無法滿足供需平衡調度需求，則將鄰近的區(qū)域中調出資源作為首選補充當前區(qū)域對調入資源的需求。以此類推，實現(xiàn)對各個區(qū)域的供需平衡調度。

4 應用測試

4.1 測試環(huán)境條件

以某區(qū)為測試對象，已知該區(qū)域內的共享電動車投放點共計24 個，分別編號1～24，其中調度車場總數(shù)為5 個，對應5 個不同的區(qū)域，分別編號1～5。負責共享電動車調度的車輛共計10輛，每輛額定載運量為70 輛共享電動車。進行測試的共享電動車支持24 小時車輛調度系統(tǒng)執(zhí)行。5 個區(qū)域對應的人口總量分別為1.24 萬，1.01萬，0.96 萬，0.92 萬以及0.75 萬。其中，編號為2對應區(qū)域為經(jīng)濟中心，辦公密度相對較大，編號為5 的區(qū)域內包含2 個學區(qū)，其余區(qū)域為支撐居住環(huán)境。在進行共享電動車調度之前，首先利用共享電動車管理系統(tǒng)對24 個站點與所在區(qū)域的位置關系、歷史使用數(shù)據(jù)以及車輛投放量進行統(tǒng)計，其結果如表2 所示。

表2 共享電動車基礎信息

按照上述的參數(shù)，分別采用文獻［3］以及文獻［4］提出的調度方法作為對照組，對測試范圍內的共享電動車資源進行管理，并統(tǒng)計執(zhí)行后30 天內，各個站點的車輛利用情況。

4.2 測試結果

在上述基礎上，首先利用共享電動車后臺獲取了測試環(huán)境內電動車輛的收益情況，其結果如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，在3 種調度方法中，本文設計方法下共享電動車的總交易次數(shù)明顯高于另外2 種對比方法，其中，以單次交易金額為2～5 元為主，表明人們短途出行使用共享電動車的概率大大增加，調度后的車輛投放在一定程度上提高了人們的滿意度。不僅如此，通過觀察單次交易金額為5～10 元的交易數(shù)量不難看出，本文調度方法下用戶對共享電動車的使用情況也有所提升，這是因為各個區(qū)域內對應站點可供使用的車輛能夠及時滿足用戶的出行需求。單次交易金額在10元以上的交易次數(shù)基本穩(wěn)定不變，該類數(shù)據(jù)由于出行距離相對較遠，因此以公共交通為基礎出行為主要方式，受車輛投放調度情況的影響不明顯。

圖2 共享電動車交易情況對比圖

平臺的收益只是在廣義上判定了本文設計調度方法對于用戶使用共享電動車的情況的提升效果，在此基礎上，以更加細化的方式對具體的作用效果進行分析。其中，共享電動車的利用率如表3所示。

表3 不同調度方法下共享電動車利用率/%

從表3 中可以看出，在3 種調度方法中，文獻［3］和文獻［4］方法均出現(xiàn)了共享電動車利用率達到100%的情況（文獻［3］方法下的5、6、7 號投放站點，文獻［4］方法下的22、23、24 號投放站點），這就意味著存在部分時間投放站點無可供使用的車輛，無法滿足用戶的使用需求。相比之下，本文設計調度方法下，車輛的利用率基本穩(wěn)定在75.0%～82.0%之間，并未出現(xiàn)無可用車輛的情況。也就是說可以實現(xiàn)隨時滿足用戶使用需求。

除車輛的利用率外，另一個體現(xiàn)用戶滿意度的指標就是每日車輛運輸調度的總數(shù)量，數(shù)量越高，意味著原有的車輛投放布局合理性越低，用戶使用過程中的滿意度也就越低。為此，本文統(tǒng)計了測試時間內，共享電動車的運輸總量，其結果如表4 所示。

表4 車輛調度運輸總量

從表4 中可以看出，本文方法調度車輛的總量僅為2319 輛。其中，相鄰區(qū)域調度總量不足文獻［3］以及文獻［4］方法的一半，這是因為區(qū)域內共享電動車的投放獲得了較高的用戶滿意度，因此以車輛輪轉效率較高，降低了調度工作量。

5 結語

隨著城市人口儲備的規(guī)模逐漸增加，城市道路交通的容載率不斷提高，為緩解這種出行壓力，以共享交通工具為主的出行方式逐漸開始受到關注。但是要切實發(fā)揮共享交通工具的作用，實現(xiàn)對其投放的合理安排調度是十分必要的。本文以共享電動車為研究對象，提出計及用戶滿意度的共享電動車區(qū)域調度算法設計，在滿足用戶使用需求的基礎上，提高了共享資源的利用率。通過本文的研究，以期為共享交通工具調度的合理性優(yōu)化提供有價值的參考，通過提升用戶對其的滿意度，緩解城市交通壓力。