CN108492547B - 一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法 - Google Patents

一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，包括以下步骤：S1、获取有桩与无桩混用的公共自行车共享网络的数据；S2、基于不平衡热度确定调度子区数量；S3、以多因子聚类进行调度子区划分；S4、生成调度子区内调度量与区间调度量；S5、确定调度子区仓库容量与位置；S6、确定最佳调度卡车车队规模。本发明综合考虑了有桩与无桩公共自行车的联合调度，充分达到了整个系统最优，利用本发明的方法可以有效缓解因调度不足引起的公共自行车乱停放、供需不匹配等问题，改善出行者无车可借或无处可还的尴尬情况，避免交通资源浪费，从根源上控制了调度的距离与成本，并且比传统的优化方法更简单，数据获取便捷，易于操作，便于计算机运算。

Description

一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法
技术领域
本发明涉及城市公共自行车调度及共享单车领域，具体涉及一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法。
背景技术
作为有效缓解交通拥堵与节能减排的绿色交通手段，自行车共享系统在中国，甚至世界范围内得到了广泛关注。该模式不仅满足出行方式的多元化的需求、有效解决轨道交通“最后一公里”的问题，而且有助于改善居民身体健康、提升居民生活品质。目前，自行车共享系统主要分为两种形态：有桩的共享自行车模式与无桩的共享自行车模式。两种共享自行车形态各有优劣，用户群体也存在显著差异，最终将形成差异化竞争与协同发展。因此，相当长的一段时间内，自行车共享系统都将呈现混合形态。
然而，两种模式的自行车共享系统目前各自为营，运营管理难以联动，混合的自行车共享网络暴露出诸多问题，例如：无桩共享自行车停车混乱与挤占有桩共享自行车桩位、交通潮汐造成的无车可借、高峰调度计划相互干扰造成供给过剩等等。这些问题进一步加剧了公共空间的紧张局面，给城市管理带来了新的问题。因此，亟需对有桩与无桩的共享自行车混合模式进行协同优化与调度。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种计算简单、综合考虑有桩与无桩两种公共自行车形态的调度方法。
技术方案：本发明所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，包括如下的步骤：
S1、混合自行车共享网络的数据获取：以城市道路中心线切割形成的街区为单位区块，获取任意单位区块Qi内的有桩公共自行车与无桩公共自行车的高峰小时租车数量Pi以及还车数量Ai、单位区块内的桩位数
Figure BDA0001615950300000011
与无桩公共自行车可停车泊位数
Figure BDA0001615950300000012
单位区块的几何中心坐标(Xi,Yi)、单位区块的面积Ui、所有单位区块的总个数M。
S2、基于不平衡热度确定调度子区数量：每个单位区块的不平衡热度由单位区块的平均租还差周转率确定，平均租还差周转率由步骤S1中得到的有桩公共自行车与无桩公共自行车的高峰小时租车数量Pi、还车数量Ai、单位区块内的桩位数
Figure BDA0001615950300000021
无桩公共自行车可停车泊位数
Figure BDA0001615950300000022
共同确定，具体计算公式如下所示：
单位区块Qi的租还差：Ki＝Pi-Ai (1)
单位区块Qi的租还差周转率：
Figure BDA0001615950300000023
所有单位区块的平均租还差周转率：
Figure BDA0001615950300000024
基于不平衡热度的调度子区数量N由城市建设用地总面积Area和平均租还差周转率
Figure BDA0001615950300000025
共同确定，城市建设用地总面积Area的单位为km2，具体计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000026
其中，INT表示取整；E表示约束条件下调度子区的合适面积。
S3、以多因子聚类进行调度子区划分：首先，根据每个单位区块的几何中心坐标(Xi,Yi)，采用K均值聚类方法，将单位区块划分为N个片区，由K均值聚类产生的N个聚类中心即为每个调度子区中心；从N个调度子区中心所在的单位区块出发，合并与其相邻的其他单位区块形成小区，小区继续合并其临近的单位区块，每个单位区块只能被合并一次；当存在多个临近单位区块时，采用租还中和原则选择要合并的单位区块，直至小区满足收敛条件时，停止合并，该小区变更为调度子区；所有小区均变更为调度子区后，调度子区划分完成。
S4、生成调度子区内调度量与区间调度量：调度子区k内调度量由其内部mk个单位区块的高峰小时租车数量
Figure BDA0001615950300000027
与还车数量
Figure BDA0001615950300000028
的差值的绝对值确定，计算公式如下：
调度子区k内调度量：
Figure BDA0001615950300000029
区间调度量由每个调度子区无法内部调度的部分累积确定，计算公式如下：
区间调度量：
Figure BDA0001615950300000031
S5、确定调度子区仓库容量与位置：调度子区k的仓库容量由调度子区k内调度量确定，计算公式如下：
Ck＝β×Vk (7)
其中，β为调整因子，取值范围0-1，表示仓库容量在调度子区的调度量中的占比；
对调度子区k内的任意单位区块j，计算目标参数
Figure BDA0001615950300000032
选取目标参数
Figure BDA0001615950300000033
最小的单位区块j为调度子区k的仓库位置，目标参数
Figure BDA0001615950300000034
由如下计算公式确定：
Figure BDA0001615950300000035
其中，
Figure BDA0001615950300000036
表示调度子区k内的单位区块i的几何中心到单位区块j的几何中心的距离，其计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000037
S6、确定最佳调度卡车车队规模：调度子区k内的循环车数量由调度子区k内调度量Vk和区内循环车的额定装载自行车的量C1确定，具体计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000038
调度子区间接运车数量由区间调度量Vall和区间接运车的额定装载自行车的数量为C2确定，具体计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000039
其中，步骤S3中收敛条件包含如下三条，满足其一即可：
(1)该小区所有临近单位区块均已被其他小区合并；
(2)该小区内的租还差Ki之和小于区内循环车的额定装载自行车的量C1；
(3)该小区面积达到或超过调度子区最大面积G，调度子区最大面积计算公式为
Figure BDA0001615950300000041
其中λ为限制参数。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明的方法可以有效缓解因调度不足引起的公共自行车乱停放、供需不匹配等问题，一定程度上提高了公共自行车的周转率，大大提高了城市公共自行车的利用效率与城市面貌，满足居民出行的同时最大程度减少对城市的负面影响。
2)本发明方法综合考虑了有桩与无桩公共自行车的联合调度，充分达到了整个系统最优，缓解了出行者无车可借或无处可还的尴尬情况，两种类型的车辆调度采用相同的调度仓库，避免了各自为政造成的交通资源浪费。
3)本发明方法中引入了调度子区概念，实现了调度子区内部与调度子区间的两类调度模式，将复杂的系统问题分解为简单的片区问题，很大程度上降低了调度的总需求量，从而减少了相应的调度车辆数目与仓储容量，从根源上控制了调度的距离与成本。
4)本发明方法比传统的优化方法更为简单，数据获取便捷，易于操作，并且便于计算机运算。同样的城市场景下，计算速度更快，该可以处理大城市以及特大城市规模的公共自行车调度。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明的调度子区划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。在描述前，对本发明中主要使用的术语做如下定义：单位区块为根据道路网络直接切割形成的最小的单元；调度子区为单位区块经过合并最终形成的区域；小区指的是在各个单位区块合并还未最终形成调度子区之前(即过渡状态下)所合并的区域。
如图1所示，本发明提供的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，包括如下的步骤：S1、获取有桩与无桩混用的公共自行车共享网络的数据；S2、基于不平衡热度确定调度子区数量；S3、以多因子聚类进行调度子区划分；S4、生成调度子区内调度量与区间调度量；S5、确定调度子区仓库容量与位置；S6、确定最佳调度卡车车队规模。以下详述具体实现过程。
S1：混合自行车共享网络的数据获取
以城市道路中心线切割形成的街区为单位区块，获取任意单位区块Qi内的有桩公共自行车与无桩公共自行车的高峰小时租车数量Pi以及还车数量Ai、单位区块内的桩位数
Figure BDA0001615950300000051
与无桩公共自行车可停车泊位数
Figure BDA0001615950300000052
单位区块的几何中心坐标(Xi,Yi)、单位区块的面积Ui、所有单位区块的总个数M。
S2：基于不平衡热度确定调度子区数量
每个单位区块的不平衡热度由单位区块的平均租还差周转率确定，平均租还差周转率由步骤S1得到中的有桩公共自行车与无桩公共自行车的高峰小时租车数量Pi、还车数量Ai、单位区块内的桩位数
Figure BDA0001615950300000053
无桩公共自行车可停车泊位数
Figure BDA0001615950300000054
共同确定，具体计算公式如下所示：
单位区块Qi的租还差：Ki＝Pi-Ai(1)
单位区块Qi的租还差周转率：
Figure BDA0001615950300000055
所有单位区块的平均租还差周转率：
Figure BDA0001615950300000056
基于不平衡热度的调度子区数量N由城市建设用地总面积Area和平均租还差周转率
Figure BDA0001615950300000057
共同确定，城市建设用地总面积Area的单位为km2，具体计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000058
其中，INT表示取整；E表示约束条件下调度子区的合适面积，它是一个经验值，在本实施例中取值为5，具体含义为：当平均租还差周转率
Figure BDA0001615950300000059
辆/h的时候，每个调度子区的面积在5km2左右比较合适。
S3：以多因子聚类进行调度子区划分
如图2所示，首先，根据每个单位区块的几何中心坐标(Xi,Yi)，采用K均值聚类方法，将单位区块划分为N个片区(此处为N＝5)，由K均值聚类产生的N个聚类中心即为每个调度子区中心；从N个调度子区中心所在的单位区块出发，合并与其相邻的其他单位区块形成小区，小区继续合并其临近的单位区块，每个单位区块只能被合并一次；当存在多个临近单位区块时，采用租还中和原则选择要合并的单位区块，直至小区满足收敛条件时，停止合并，该小区变更为调度子区；所有小区均变更为调度子区后，调度子区划分完成。本发明中相邻和临近指的都是单位区块要接壤，有一部分边是共享的。
其中，租还中和原则为：若合并的区块内所有单位区块的租还差Ki之和为负，则继续合并临近单位区块中租还差Ki最大的单位区块；若合并的区块内所有单位区块的租还差Ki之和为正，则继续合并临近单位区块中租还差Ki最小的单位区块。
收敛条件包含如下三条，满足其一即可：
(1)该小区所有临近单位区块均已被其他小区合并；
(2)该小区内的租还差Ki之和小于区内循环车的额定装载自行车的量C1；
(3)该小区面积达到或超过调度子区最大面积G，调度子区最大面积计算公式为
Figure BDA0001615950300000061
其中λ为限制参数，用于控制不产生过大的调度子区，它也是一个经验值，本实施例中取值为1.5，Area/N表示调度子区的平均面积，即小区面积不超过该平均数的1.5倍。
S4：生成调度子区内调度量与区间调度量
调度子区k内调度量由其内部mk个单位区块的高峰小时租车数量
Figure BDA0001615950300000062
与还车数量
Figure BDA0001615950300000063
的差值的绝对值确定，计算公式如下：
调度子区k内调度量：
Figure BDA0001615950300000064
区间调度量由每个调度子区无法内部调度的部分累积确定，计算公式如下：
区间调度量：
Figure BDA0001615950300000065
S5：确定调度子区仓库容量与位置
调度子区k的仓库容量由调度子区k内调度量确定，计算公式如下：
仓库容量：Ck＝β×Vk (7)
其中，β为调整因子，取值范围0-1，表示仓库容量在调度子区的调度量中的占比，本实施例中取值为0.8。由于车辆的调度运转在持续进行中，因此针对一个调度子区总的调度量Vk，不会将相应车辆都放到仓库里，再从仓库里拿出来，所以预留80％左右的容量作为仓库容量。
对调度子区k内的任意单位区块j，计算目标参数
Figure BDA0001615950300000071
选取目标参数
Figure BDA0001615950300000072
最小的单位区块j为调度子区k的仓库位置。目标参数
Figure BDA0001615950300000073
由如下计算公式确定：
目标参数：
Figure BDA0001615950300000074
其中，
Figure BDA0001615950300000075
表示调度子区k内的单位区块i的几何中心到单位区块j的几何中心的距离，其计算公式如下：
距离公式：
Figure BDA0001615950300000076
S6：确定最佳调度卡车车队规模
调度卡车包含区内循环车和区间接运车两种模式；区内循环车用于每个调度子区内部，进行区内不同单位区块与子区调度仓库之间的自行车调度；区间接运车用于不同的调度子区仓库之间的调度。
调度子区k内的循环车数量由调度子区k内调度量Vk和区内循环车的额定装载自行车的量C1确定，具体计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000077
调度子区间接运车数量由区间调度量Vall和区间接运车的额定装载自行车的数量为C2确定，具体计算公式如下：
Figure BDA0001615950300000078

Claims (7)

1.一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、获取有桩与无桩混用的公共自行车共享网络的数据；
S2、基于不平衡热度确定调度子区数量；
S3、以多因子聚类进行调度子区划分；
S4、生成调度子区内调度量与区间调度量；
S5、确定调度子区仓库容量与位置；以及
S6、确定最佳调度卡车车队规模；
其中，所述步骤S1包括：以城市道路中心线切割形成的街区为单位区块，获取包括以下的数据：任意单位区块Qi内的有桩公共自行车与无桩公共自行车的高峰小时租车数量Pi以及还车数量Ai、单位区块内的桩位数
Figure FDA0002568272850000011
与无桩公共自行车可停车泊位数
Figure FDA0002568272850000012
单位区块的几何中心坐标(Xi,Yi)、单位区块的面积Ui、所有单位区块的总个数M；
所述步骤S2包括以下步骤：
S21、计算单位区块Qi的租还差，其计算公式为Ki＝Pi-Ai；
S22、计算单位区块Qi的租还差周转率，其计算公式为：
Figure FDA0002568272850000013
S23、计算所有单位区块的平均租还差周转率，其计算公式为：
Figure FDA0002568272850000014
S24、计算调度子区数量，其计算公式为：
Figure FDA0002568272850000015
其中，INT表示取整；Area为城市建设用地总面积；E表示约束条件下调度子区的合适面积。
2.根据权利要求1所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：
根据每个单位区块的几何中心坐标(Xi,Yi)，采用K均值聚类方法，将单位区块划分为N个片区，由K均值聚类产生的N个聚类中心即为每个调度子区中心；
从N个调度子区中心所在的单位区块出发，合并与其相邻的其他单位区块形成小区，小区继续合并其临近的单位区块，每个单位区块只能被合并一次；当存在多个临近单位区块时，采用租还中和原则选择要合并的单位区块，直至小区满足收敛条件时，停止合并，该小区变更为调度子区；所有小区均变更为调度子区后，调度子区划分完成。
3.根据权利要求2所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：所述租还中和原则为：若合并的区块内所有单位区块的租还差Ki之和为负，则继续合并临近单位区块中租还差Ki最大的单位区块；若合并的区块内所有单位区块的租还差Ki之和为正，则继续合并临近单位区块中租还差Ki最小的单位区块。
4.根据权利要求2所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：所述收敛条件包含如下三条：
(1)该小区所有临近单位区块均已被其他小区合并；
(2)该小区内的租还差Ki之和小于区内循环车的额定装载自行车的量C1；
(3)该小区面积达到或超过调度子区最大面积G，调度子区最大面积计算公式为
Figure FDA0002568272850000021
其中λ为限制参数。
5.根据权利要求1所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：所述步骤S4中，调度子区k内调度量Vk由其内部mk个单位区块的高峰小时租车数量Pi k与还车数量
Figure FDA0002568272850000022
的差值的绝对值确定，计算公式如下：
Figure FDA0002568272850000023
区间调度量Vall由每个调度子区无法内部调度的部分累积确定，计算公式如下：
Figure FDA0002568272850000024
6.根据权利要求5所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：所述步骤S5中，调度子区k的仓库容量由调度子区k内调度量确定，计算公式如下：
Ck＝β×Vk
其中，β为调整因子，取值范围0-1，表示仓库容量在调度子区的调度量中的占比；
仓库位置的确定方法为：对调度子区k内的任意单位区块j，计算目标参数
Figure FDA0002568272850000031
选取目标参数
Figure FDA0002568272850000032
最小的单位区块j为调度子区k的仓库位置，其中，目标参数
Figure FDA0002568272850000033
由如下计算公式确定：
Figure FDA0002568272850000034
其中，
Figure FDA0002568272850000035
表示调度子区k内的单位区块i的几何中心到单位区块j的几何中心的距离，其计算公式如下：
Figure FDA0002568272850000036
7.根据权利要求5所述的一种有桩与无桩混用的公共自行车分区调度方法，其特征在于：所述步骤S6中，调度卡车包含区内循环车和区间接运车，其中，调度子区k内的循环车数量由调度子区k内调度量Vk和区内循环车的额定装载自行车的量C1确定，具体计算公式如下：
Figure FDA0002568272850000037
调度子区间接运车数量由区间调度量Vall和区间接运车的额定装载自行车的数量为C2确定，具体计算公式如下：
Figure FDA0002568272850000038
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