城市公共自行車租賃點配置分析與優化

史瑞剛

(西安航空學院 現代教育技術中心，西安 710077)

0 引言

隨著城市化進程的快速推進和城市交通規模的不斷擴大，公共交通在城市交通中扮演著越來越重要的角色。公共自行車作為公共交通的一部分，能夠有效地緩解城市擁堵，解決末端交通問題。然而，由于城市各區域的部分公共自行車租賃點設置不盡合理，經常會出現“有車無樁鎖，樁空無車取”的現象，給市民使用公共自行車帶來困難。因此，如何提高公共自行車的使用效率，引導市民選用公共交通工具出行，已成為亟待解決的問題。

公共自行車系統是自行車公用化的一種體現形式，主要由可自由租賃的自行車和存放車輛的租賃點組成。作為人們生活中常用的一種交通工具，公共自行車的靈活性較高，對于場地的要求低，這對于土地資源寶貴的現代城市來說，具備其他公共交通工具所沒有的優勢[1]。同時，公共自行車完全由人力驅動，既不會產生任何廢氣污染，還能起到鍛煉身體的作用。對于生活節奏快的上班族，平時缺乏鍛煉，通過使用公共自行車，既能滿足日常出行的需求，又能達到強身健體的效果[2]。

本文以蘭州市公共自行車租賃點的運行數據為基礎，根據系統動力學原理，構建基于AnyLogic的公共自行車系統仿真模型，利用敏感性分析和迭代相結合的方法優化公共自行車租賃點的配車數，以租賃點的設施利用率和服務度為評價指標，對比優化前后租賃點的設置效果，為優化城市公共自行車系統、合理地規劃租賃點配置提供參考依據。

1 公共自行車系統仿真

隨著城市中公共自行車租賃點的逐步增多，公共自行車成為了市民短途出行的主要交通工具。科學合理地優化公共自行車租賃點的配置，可以保證各個環節協調工作及服務設施的利用率達到最優，使得公共自行車系統各租賃點之間達到動態平衡，從而提高系統的服務質量。但是，上述操作在實際系統的運行中難以實現[3]。隨著系統仿真技術的迅速發展，交通系統方面的仿真技術也越來越完善，可通過計算機仿真技術在模擬環境中對系統的參數進行調整，實現對公共自行車租賃點的優化[4]。

本文選取部分公共自行車租賃點作為研究對象，利用系統動力學方法，構建基于AnyLogic的公共自行車系統仿真模型，模擬租賃點的運行過程，為租賃點配車數的優化提供了實驗平臺。

1.1 仿真流程

公共自行車系統仿真流程以租賃點為核心，通過分析租賃點的租還車信息，對租賃點及租賃點間邏輯關系進行仿真研究。以A租賃點為例，仿真流程如圖1所示。

圖1 公共自行車系統仿真建模流程圖

整個仿真流程以租賃點的自行車數量為核心，動態模擬租賃點的租還車行為。以三個租賃點的運行過程為研究對象，分別設為A、B、C，從A租賃點租出的自行車，可還車至A、B、C三個租賃點，并且還車的數量按照指數分布成比例地分配至三個租賃點，因此，每個租賃點的還車數量來自于所有租賃點的租車數量，租賃點與租賃點之間形成一個動態循環。同時，整個仿真流程在租車環節受到環境因素的影響，如天氣原因、租車站點位置因素等，因此，需要加上環境影響因子，使得仿真結果更加接近實際系統的運行情況，最終實現整個公共自行車系統的仿真。

1.2 仿真方法

根據公共自行車系統的特點及運行流程，本文采用系統動力學方法對公共自行車租賃點及租賃點間的邏輯關系進行仿真研究，并結合AnyLogic仿真軟件實現公共自行車系統的租還車流程。

系統動力學(System Dynamics)作為一種應用于庫存管理的系統仿真技術，主要采用因果關系圖和存量流量圖來描述實際系統的運行過程[5]。因果關系圖包含多個因素，因素之間由標志因果關系的箭頭連接，表示復雜系統中各個因素之間的邏輯關系。存量流量圖通過分析因素中變量的性質描述因素間的邏輯關系，如圖2所示。

圖2 存量流量圖

如圖2所示，庫存為存量，生產量和銷售量為流量，其中生產量為流入量，銷售量為流出量，構成了一個簡單的系統動力學模型。在分析公共自行車系統的運行情況時，在上述存量流量圖中加上時間因素，可定量地表示系統中變量間的邏輯關系，并利用計算機仿真技術模擬變量間的邏輯關系，獲得系統運行的最佳狀態。

AnyLogic是一款由俄羅斯XJ Technolegic公司研發的建模仿真軟件，常用于系統動力學、離散事件和基于主體的建模與仿真。作為構建動態模型的可視化工具，AnyLogic不僅能在宏觀上對整個系統的運行過程進行仿真，針對于系統的局部和細節也可以進行微觀模擬[6]。同時，AnyLogic將UML統一建模語言引入模型的仿真領域，以最新的復雜系統設計方法為基礎，實現對離散、連續及混合系統的仿真建模。

本文仿真實驗就是采用系統動力學方法，利用AnyLogic軟件構造存量流量圖，將租賃點的自行車數量作為系統的存量，單位時間的租車數量和還車數量作為流量，實現對公共自行車系統租賃點運行流程的仿真。

1.3 構建公共自行車系統仿真模型

本文利用AnyLogic仿真軟件構建公共自行車系統仿真模型，整個模型以自行車租賃點為核心，包括了租賃點、租車行為、還車行為及租賃點評價指標的設置。將租賃點的自行車數量作為存量，租車行為和還車行為作為流量，租賃點的初始容量作為模型的輸入參數，租賃點的運行時間設置為16小時/天，自行車平均行進速度設置為15km/小時，并結合蘭州市公共自行車系統的實際運行數據，選取三個租賃點(A、B、C)模擬租賃點的運行過程，仿真模型如圖3所示。

圖3公共自行車系統仿真模型圖

結合公共自行車系統的運行流程，在圖3所示的模型中，分別設置參數：存量NumBicA、NumBicB、NumBicC為A、B、C三個租賃點的自行車數量；流出流量RentalA、RentalB、RentalC和流入流量ReturnA、ReturnB、ReturnC分別為租賃點A、B、C的租還車數量；動態變量DemA、DemB、DemC分別代表前往A、B、C三個租賃點租車的市民數量，即市民對公共自行車的需求量，服從正態分布，并受外界環境因素的影響；參數factorDem是公共自行車需求量的影響因子，代表環境影響因素，利用滑塊組件(Slider)控制；動態變量insatA、insatB、insatC表示到達租賃點而未成功租到自行車的市民數量。

系統的仿真流程是仿真模型更加接近實際系統的關鍵點。在公共自行車系統仿真模型中，以A租賃點為例，NumBicA是A租賃點的自行車數量，RentalA作為租車數量從NumBicA中流出，DemA表示到達A租賃點租車的市民數量，RentalA的值取決于DemA，若DemA大于NumBicA的值，則最大的租車數量為NumBicA，即RentalA等于NumBicA，反之，則RentalA等于DemA。同時，租車數量會按照不同比例和用車時長還車至A租賃點，并作為A租賃點還車數量ReturnA的一部分流入NumBicA，這樣就完成了一個租賃點的租還車流程，同理，對B、C租賃點的運行流程也進行分析，并結合租賃點間的邏輯關系，模擬整個系統的運行流程。

2 公共自行車租賃點配車數優化

根據公共自行車租賃點的評價指標，利用敏感性分析和迭代相結合的方法，提出了租賃點配車數的優化方案，從而可以提高各個租賃點自行車的利用率和公共自行車系統的服務質量，為優化城市公共自行車系統以及合理地規劃租賃點配置提供參考依據。

2.1 評價指標

通過分析公共自行車系統仿真模型，提出了系統租賃點的評價指標，并利用AnyLogic分析庫中的圖表組件描述這些指標的變化趨勢。租賃點的評價指標如下：

2.1.1 自行車利用率

自行車利用率作為評價指標之一，代表租賃點自行車的使用情況。在AnyLogic軟件中，NumBicA代表A租賃點的自行車數量，IniA代表A租賃點的初始容量，是不可變的，均設置為30，則A租賃點自行車利用率RatioA為(IniA-NumBicA)/IniA。以三個租賃點的運行情況為例，在系統模型運行穩定時，租賃點的自行車利用率如圖4所示。

圖4 租賃點的自行車利用率

由圖4可知，C租賃點的自行車利用率較低，出現自行車嚴重積壓的現象，因此，應適當地減少該租賃點的配車數和鎖樁數量，保證資源的有效利用。

2.1.2 租賃點服務度

租賃點服務度表示租賃點的服務質量，通過統計到達租賃點但未成功租到自行車的市民數量，計算租賃點的租車服務度，分為租車服務度和還車服務度。本文利用AnyLogic軟件中的系統動力學組件模擬未成功租車的市民數量，以A租賃點為例，insatA代表到達A租賃點但未成功租到自行車的市民數量，動態變量DemA為到達A租賃點租車的所有市民數量，則A租賃點的租車服務度ServiceA為(DemA-InsatA)/DemA。以三個租賃點組成的系統為例，在系統模型運行穩定時，租賃點的租車服務度如圖5所示。

圖5 租賃點的租車服務度

由圖5可知，C租賃點的租車服務度為1，這表明C租賃點未租到自行車的市民數量為0，則該租賃點的服務質量較好，而A租賃點的租車服務度較低，這表明該租賃點出現了未租到自行車的市民，應采取相應的措施，提升租賃點的服務質量。同理，可獲得租賃點的還車服務度。

2.1.3 租賃點平均服務度

公共自行車系統是一個復雜的交互式動態系統，租賃點間的數據相互影響。因此，采用平均服務度來評價整個系統的服務質量，平均服務度是各租賃點服務度的均值，通過計算租賃點的平均服務度，獲得系統的整體服務水平，為系統優化提供參考。

2.1.4 租賃點的鎖樁利用率

租賃點是公共自行車系統的重要資源，其容量等于該租賃點的配車數與可用鎖樁數量之和，因此，租賃點的鎖樁利用率為某段時間內租賃點存放的自行車數量與租賃點容量的比值，假設租賃點存放的自行車數量是隨時間t變化的函數f(t)，n為租賃點的容量，則租賃點的鎖樁利用率L如公式(1)所示。

(1)

租賃點的鎖樁利用率表示該租賃點停放自行車的情況，租賃點的鎖樁利用率越高，租賃點內停放的自行車越多，則自行車利用率越低；相反，租賃點的鎖樁利用率越低，租賃點內停放的自行車越少，自行車利用率越高，表示大部分自行車均處在使用狀態。

2.2 租賃點配車數優化

公共自行車系統是一個動態的反饋系統，租賃點之間相互影響，改變某個租賃點的參數會影響到其他租賃點的運行情況[7]。因此，在公共自行車系統仿真模型中，從系統的整體角度出發，分析租賃點的評價指標，采用敏感性分析和迭代相結合的方法優化各租賃點的配車數[8]，具體步驟如下：

(1)保持其他對象的參數不變，將租賃點的配車數設為1。

(2)在AnyLogic軟件中運行仿真模型，并在模型運行穩定時，統計租賃點的自行車利用率、服務度及鎖樁利用率等評價指標。

(3) 將租賃點的配車數增加1。

(4) 重復步驟2、步驟3，直到配車數增加至租賃點容量。

(5)分析租賃點的評價指標，并利用AnyLogic軟件中分析庫的圖表組件，繪制指標的變化趨勢圖，如圖6所示。

(6)根據指標的變化趨勢圖，以服務度0.85作為分界線，去除分界線以下對應的配車數，找出分界線以上對應的配車數，選擇平均租車服務度和平均還車服務度較大的條件下對應的配車數作為現階段租賃點的配車數；若不存在滿足條件的配車數，則選擇自行車利用率較高而鎖樁利用率低的條件下對應的配車數作為現階段租賃點的配車數。

(7)綜合步驟6的分析結果，重復執行步驟1～6，計算另一租賃點的配車數。

(8)綜合步驟7的分析結果，獲得所有租賃點的配車數，為了降低分析誤差，采用迭代的方法，重復執行步驟1～7，進行新一輪計算。

圖6 租賃點評價指標的變化趨勢

在租賃點優化過程中，應找出服務度大于0.85時對應的租賃點配車數，并利用敏感性分析的方法，獲得租賃點的最優配車數。以1004號租賃點為例，根據系統仿真模型，分析該租賃點的不同配車數對應的評價指標，并利用R語言繪制評價指標的變化趨勢圖，如圖6所示。以服務度0.85作為分界線，則分界線以上的服務度對應的配車數：22、23、24，比較上述三種配車數對應的租賃點平均租車服務度和平均還車服務度，若某一配車數的兩個評價指標均高于其他兩個配車數的評價指標，則選擇前者的配車數作為該租賃點的最優配車數；若某一配車數對應的兩個指標一高一低，則比較兩種情況下的租賃點的自行車利用率和鎖樁利用率，選擇租賃點的自行車利用率較大且鎖樁利用率較小時的配車數作為該租賃點的最優配車數[9]。通過分析該租賃點的評價指標趨勢圖發現，當租賃點配車數為22時，在分界線以上，租還車服務度一高一低，與其他兩個配車數對應的評價指標相比，租賃點的自行車利用率較大且鎖樁利用率較小，因此，1004號租賃點的最優配車數為22。

通過敏感性分析和迭代相結合的方法優化公共自行車租賃點的配車數，得到各個租賃點的最優配車數，如表1所示，同時，通過表1可以分析出租賃點容量與配車數的最佳比例，為規劃新的租賃點提供數據參考。

表1 優化后各租賃點的配車數

3 實驗結果對比

目前，蘭州市公共租賃點配車數的設置主要以租賃點容量的70%為標準。因此，為了直觀地獲得公共自行車租賃點的優化效果，本文以公共自行車系統仿真模型為實驗平臺，保證其他參數不變，將存量參數(配車數)為租賃點容量70%的情況與優化后租賃點的情況進行對比，如表2所示。對比優化前后租賃點的評價指標，可以看出系統的平均租車服務度和平均還車服務度均有所增加，表明優化后公共自行車系統的服務水平得到了提升。同時，優化后公共自行車租賃點的鎖樁利用率有所下降，說明租賃點的自行車大部分時間處于使用狀態，這表明通過優化租賃點的配車數，有利于提高市民選擇使用公共自行車出行的概率。

表2 優化前后租賃點的評價指標對比

從表2可以看出，通過優化租賃點的配車數，系統中各租賃點的平均租車服務度、平均還車服務度、自行車利用率均有所提升，這表明了采用敏感性分析和迭代相結合的方法對租賃點的配車數進行優化，能夠有效地提高租賃點的自行車利用率和系統服務質量。

4 結語

本文通過分析城市公共自行車租賃點的運行流程，利用系統動力學方法，構建基于AnyLogic的公共自行車系統仿真模型，并以仿真模型為實驗平臺，利用敏感性分析和迭代相結合的方法，優化租賃點的配車數，最后，以租賃點的自行車利用率和系統服務度為評價指標，對比優化前后租賃點的評價指標，結果表明：采用此優化方法，能夠有效地提升系統的服務質量，為優化城市公共自行車租賃點的布局和配置提供了理論依據和數據參考。