城市公共自行車系統自流動特性的空間分析

(1.浙江廣播電視大學 信息學院 浙江 杭州 310012；2.浙江工業大學 智能交通系統聯合研究所，浙江 杭州 310014；3.杭州市公安局交警支隊 浙江 杭州 310014)

公共自行車系統(Public bicycle system，簡稱PBS)已在世界各地得到了廣泛的應用，但租還車難問題一直是其發展中突出的問題。通過PBS歷史運行數據的空間分析，把握公共自行車用戶的出行規律，平衡各公共自行車服務點自行車的供存量、優化服務點鎖樁容量及服務點布局等成為解決問題的關鍵。公共自行車系統數據分析的研究眾多，李婷婷[1]分析杭州市部分服務點的運行規律，提出了PBS服務點的規劃模型方案。滕磊等[2]運用統計、聚類等方法研究了城市公共自行車系統的借還車頻次、用車時長、站點和鎖樁設置等問題。莊楚天等[3]利用站點活躍度指標對公共自行車站點使用情況進行統計分析，揭示了站點活躍度與周邊站點的正相關性。董紅召課題組[4-6]研究了公共自行車系統不同空間位置區域的供需不平衡度，建立服務點布設的有限元估算方法；基于大樣本歷史數據對公共自行車系統各服務點租賃需求進行預測；提出了一種城市公共自行車系統的調度算法，并進行了仿真研究。知名期刊《Journal of Transport Geography》于2014年出版論文專輯，從社會、經濟、文化和氣候地理等眾多角度對城市公共自行車的運行特征進行分析[7-8]。上述研究雖然均獲得了一定成果，但屬于數據應用方面的樸素認知，對PBS流動特性規律的深層次研究與分析尚未見諸報道。

空間分析是交通數據分析的重要方法之一，用于獲得居民出行的時空分布規律等。近年有胡繼華等[9]和李若怡等[10]分別通過構建城市公交和軌道交通線路OD矩陣對居民的出行特征做了研究；董紅召等[11]通過車輛抓拍識別數據的空間分析獲取了私家車群體性的動態出行規律；Li等[12]根據出租車GPS信息OD矩陣數據對城市交通狀況進行估算預測。基于上述，提出了系統性描述公共自行車自流動特性的空間分析方法。以杭州市PBS為例，獲取各類型服務點的租還需求特性、時空分布特性以及自行車的流動規律，為制定公共自行車調度配送方案提供決策依據。

1 自流動和它流動概念

公共自行車作為交通工具，具有鮮明的運行流動特點，在此給出了PBS流動性的分類概念：公共自行車因租用者使用而發生的位置移動稱為“自流動”；與之相對應的是“它流動”，包括“機動車它流動”與“值守它流動”兩種形式。其中，為了滿足公共自行車服務點的平衡需求，通過機動車在各服務點之間開展調配運送，稱為“機動車它流動”或“調度”；在某些帶有附屬倉儲的人工值守服務點，依靠服務點工作人員完成自行車對各個鎖樁的上下架工作，稱為“值守它流動”。

自流動特性反映了自行車用戶的出行規律，同時也決定了它流動的方式和頻率。只有在自流動和它流動的綜合作用下，才能合理地配置公共自行車的空間分布狀態，滿足公眾出行需求。

2 PBS自流動特性的空間分析方法

PBS自流動特性的空間分析，是指采用空間分析方法對城市PBS的海量運營信息進行數據挖掘，通過分析公共自行車租/還行為的空間特性、時變特性與OD關聯特性等系統特征，獲得公共自行車用戶的出行規律及各服務點宏/微觀運營規律，從而制定PBS自流動失衡情況下它流動介入的空間/時間策略，提高PBS服務能力和服務質量，體系結構如圖1所示。

圖1 PBS自流動特性空間分析的體系結構Fig.1 The architecture of spatial analysis for PBS self-moving characteristics

2.1 PBS自流動特性的宏觀空間分布

根據服務點覆蓋區域類型可以將PBS在空間上劃分出各種典型服務點，將典型服務點的租還總量、鎖樁周轉率、日均服務效率與其空間分布相結合，可以獲得PBS自流動特性的宏觀特征，也即各類典型服務點的運營規律及使用效率，為PBS服務點布局規劃與優化提供決策依據，并為合理制定它流動方案提供理論指導和支撐數據。

(1)

該參量客觀反映不同類型服務點的需求量，租還量高的服務點往往是出行需求最旺盛的區域，這些服務點的租/還車平衡是保證整個PBS效率的關鍵，需要優先給予關注。

2) 服務點的鎖樁周轉率ri(τ)：定義為某服務點i在單位時間τ的自行車租還總量Zi(τ)與該服務點的鎖樁總量Ei的比值。該參量客觀反映該服務點公共自行車的租還頻率，其計算方法為

(2)

服務點的空間位置直接影響著其鎖樁周轉率，鎖樁周轉率高的服務點其使用效率和工作負荷越高，因此可為PBS服務點布局和它流動策略提供數據參考。

3) 服務點效率分布：即自行車日均租還量在某指定數量區間的服務點在全部PBS服務點中所占比例。該參量客觀反映PBS的服務效率分布，能夠為PBS服務點的空間布局優化提供決策依據。

2.2 PBS自流動特性的微觀演變規律

PBS自流動特性的微觀演變規律包括服務點某整日區間內隨著時間變化(如每30 min)的自行車租還量差異、車鎖比等的時變特性，以及描述其演變結果失衡程度的空/滿位狀態比，以此可確定各類服務點一天內的租/還高峰期以及潮汐現象發生的時間范圍與方向，獲取用戶出行的基本規律，從而設定各服務點“機動車它流動”的介入時機及區域配送車輛數目。

1) 服務點租還量差異Li(τ)：服務點的自行車租還量是隨時間變化的動態數值，而租借量和歸還量的不平衡將導致服務點的狀態變化，引入參數Li(τ)來表示服務點i在時間段τ(一般以“30 min”或“1 h”為單位)內的自行車租還量差異，其計算方法為

(3)

該參量客觀反映該服務點的用戶租還行為特性及出行潮汐現象，可以為制定合理的它流動方案以滿足用戶出行需求提供決策參考。

2) 服務點車鎖比Hi(t)：定義為某服務點i在時刻t時保有的公共自行車數量qi(t)與該服務點鎖樁數量Ei之比，取值范圍為[0，1]，這是表征服務點時間、空間分布特性的重要概念，計算方法為

(4)

服務點車鎖比變化取決于之前時段的自行車租還量差異，當自行車租借量大于歸還量，即Li(τ)>0，Hi(t)變小；反之，Hi(t)增大。

3) 服務點的空/滿位狀態比：當Hi(t)=0，服務點進入空位狀態；當Hi(t)=1，服務點進入滿位狀態。服務點的空/滿位狀態比即服務點鎖樁呈空位或滿位狀態的時間累積與該服務點全天工作總時間之比，用來表示服務點狀態隨時間演變結果的失衡程度，反映了服務點的運營狀態，能夠為各種類型服務點制定不同的它流動響應時間方案提供數據依據。

2.3 PBS自流動特性的OD關聯關系

通過分析自行車租賃及歸還軌跡的統計學規律，PBS自流動特性的OD空間關聯關系可以通過計算獲得，它實質上是兩個服務點之間的自行車流出和流入的關聯關系，反映了各服務點之間自行車相互流動的頻率，可以為PBS調度區域劃分和調度策略提供決策參考。

服務點OD關聯系數μi,j(τ)定義為單位時間τ內服務點i至某服務點j之間的OD空間關聯關系，計算方法為

(5)

μi,j(τ)的大小反應了服務點i與j之間的密切程度，該值越大說明自行車在它們之間的自流動越頻繁，用戶在此區間的出行需求越大。此外，由式(5)可知：盡管服務點i與j互為OD，但服務點i至j之間的關聯系數μi,j(τ)與服務點j至i之間的關聯系數μj,i(τ)卻不相同，如果μi,j(τ)<μj,i(τ)，則說明服務點i比j更繁忙；反之，則服務點j更繁忙。

3 杭州PBS自流動特性空間分析實踐

杭州PBS已有3 000多個服務點、8 萬多輛自行車、日租用量平均30 萬人次，累計5 年數十億條運行數據。基于這些海量運營數據，分析杭州PBS的自流動特性，可掌握公共自行車用戶的出行規律，給出“它流動”調度的時間方案參考。

根據杭州PBS服務點覆蓋范圍的空間屬性，可劃分居民區、商業中心、公交中轉站、景區、醫院和學校等六類典型空間服務點；另外，按照運營時間可劃分兩種服務點類型，即人工值守服務點(24小時服務點)和自助服務點(租/還車時間每天6:00—22:00)。

3.1 典型服務點宏觀空間特性分析

3.1.1 典型服務點全天租還總量

基于杭州PBS運營數據和租還總量計算公式(1)，可得杭州市PBS各典型服務點全天租還總量如圖2所示。

圖2 杭州PBS典型服務點工作日及節假日全天租還總量比較Fig.2 Comparison of rentals and returns at typical stations on working days and holidays

圖2中(a，b)分別是典型服務點工作日和節假日的租/還量比較，大部分典型服務點租借量與歸還量基本相等，且租還總量均小于1 000 輛(除了節假日景區和人工值守服務點)，這種特性的形成主要來自兩方面：一是服務點自身的租、還需求量整體上達到了平衡；二是由于大部分服務點是自助租還車方式，受鎖樁及自行車數量的限制，在沒有它流動介入時，服務點的容量達到極限狀態，形成空滿位。圖中人工值守服務點租還輛較大，這些服務點介入了值守它流動，依靠工作人員結合服務點倉儲基地，對自行車進行人工的上架和下架操作，保持服務點的租還量平衡，提高了服務點的自行車租還總量。

因此，在缺少它流動介入的情況下，服務點自行車租還量較低，常常不能滿足市民出行需求，需要通過“機動車它流動”的調度和安排合理的“值守它流動”來提高PBS使用效率。

3.1.2 典型服務點鎖樁周轉率

基于鎖樁周轉率計算公式(2)，可得典型服務點在工作日和節假日的鎖樁周轉率比較，如表1所示，其中，居民區、學校以及大型公交中轉站服務點的鎖樁周轉率在工作日略大于節假日；而與之相反，景區和商業區的服務點鎖樁周轉率在節假日大大超過了工作日。可以看出：景區服務點工作日和節假日的客流量與周轉率差異明顯。因此，在制定“機動車它流動”的調度方案時，節假日期間要加大對景區和商業區服務點的調度，滿足用戶租還需求。

表1 杭州PBS典型服務點工作日及節假日鎖樁周轉率比較

Table 1 Comparison of bicycle turnover rates at typical stations on working days and holidays單位：輛/d

服務點工作日節假日古蕩(中轉站,人工值守)45.2043.80杭州花圃(景區)19.1093.62市一醫院(醫院)33.1021.75翠苑一區(居民區)51.6741.33龍翔橋(商業區,人工值守)89.81116.97艮山路小學(學校)9.227.19

3.1.3 服務點效率分布

杭州市PBS各服務點工作日和節假日的日均租還車頻次分布百分比如表2所示。服務點日均租還車頻次是PBS使用效率的主要表征參量之一，表2顯示租還車頻次僅僅為0～20的服務點數量占杭州PBS服務點總數的比例高達17%(工作日)和25%(節假日)，說明系統中有相當大比例的服務點存在布局不合理、利用率偏低等問題，有必要根據其周邊環境及所在區域居民出行方式特征等決定因素對其選址布局及運營策略進行優化。

表2 杭州PBS各服務點日均租還車頻次分布Table 2 Frequency distribution of rentals and returns for Hangzhou PBS stations

3.2 典型服務點微觀時變特性分析

3.2.1 典型服務點租還量差異

圖3 龍翔橋工作日及節假日租還量隨時間變化曲線Fig.3 Dynamic differences between rentals and returns at Longxiangqiao station on working days and holidays

3.2.2 典型服務點租還潮汐分析

對杭州不同類型服務點工作日和節假日的租還量進行比較分析，可以獲取服務點的租/還高峰時段和“潮汐”現象發生的時間范圍，如表3所示，從而為各類服務點“機動車它流動”調度時間窗及區域配送車輛數目的確定提供決策參考。

表3 杭州PBS典型服務點高峰期時間及潮汐現象Table 3 Peak time and tide phenomena at typical stations on working days and holidays

3.2.3 典型服務點空/滿位狀態比

基于式(4)可計算服務點車鎖比Hi(t)，服務點車鎖比等于0或者1的持續時長即服務點的空位時間和滿位時間。表4是以德勝社區服務點為例的空/滿位狀態時間占比分析。由表4可知：德勝社區服務點在節假日期間滿位時間要大于工作日，說明該服務點在節假日的租借量小于平常工作日，但不論是工作日還是節假日，其正常狀態比例均較大，即擁有較好的自平衡及服務能力。通過判斷空/滿位狀態的比例，可以判斷服務點提供服務的能力，如果空/滿位時間比例大于閾值，說明該服務點服務能力不足，需要“它流動”介入。

表4 德勝社區服務點的空/滿位狀態時間占比分析

Table 4 Occupation ratio of empty and full state at Desheng station on working days and holidays

不同時段空/滿位狀態正常滿位空位工作日/%84133節假日/%75241

3.3 典型服務點OD關聯特性分析

基于式(5)對杭州PBS服務點關聯系數μi,j(τ)進行計算，該系數反映各服務點之間自行車相互自流動的頻率。以編號為1053的龍翔橋服務點為例，計算結果如表5所示，表中僅顯示了所有服務點中與1053服務點關聯系數超過1%的服務點。可以看出僅有少部分服務點與此服務點的關聯系數超過1%，而超過60%車輛的租借地或是歸還地與此服務點關聯系數小于1%(未在表中顯示)，說明公共自行車出行OD具有很強的隨機性。此外，與該服務點關聯系數超過1%的服務點均分布在鄰近的上城區和景區，短途出行特征鮮明，可據此劃分調度區域，將關聯關系密切的服務點劃分在同一區域內，從而提高調度效率。

表5 與1053服務點關聯系數超過1%的服務點及其關聯系數

Table 5 Stations with more than 1% correlation coefficient to No.1053 station

1053服務點為出發點關聯服務點關聯系數/%1053服務點為歸還點關聯服務點關聯系數/%105323.2 105325.9 10172.4 80151.7 10882.0 80141.4 80141.7 12851.3 80151.4 10011.2 12691.3 12061.1 11531.3 80021.1 80021.2 80131.1 80121.0

3.4 基于自流動特性分析的它流動決策

通過對杭州PBS不同日期、不同區域類型的服務點的自流動特性進行分析，挖掘服務點自行車租還總量、周轉率、租還量差異和車鎖比等特征數據，可獲取服務點運營規律和PBS用戶出行潮汐現象等特征信息，從宏觀上確定各類服務點的它流動介入時間，結合服務點的空間分布特性，可以給出服務點它流動的調配實施時間，如表6所示。

表6的結果已經被應用于杭州PBS的運營管理實踐之中，更好地把握了公共自行車的流動規律，使得PBS的調度方案更加有針對性，提升了服務效率。

表6 杭州PBS典型服務點的它流動調度介入時間Table 6 Expected bicycle redistribution times for typical stations on working days and holidays

4 結 論

公共自行車具有自流動和它流動復合型的鮮明特點，且自流動特性對制定合理的它流動方案具有決定性的影響。因此，提出了用空間分析方法來描述公共自行車的流動特性，空間分析包括了各類典型服務點租借行為的空間分布特性、時變特性和空間OD關聯特性等。以杭州市PBS作為研究范例，通過對近5 年海量歷史運行數據進行空間分析，獲得了杭州市PBS的自流動特性，掌握了社會公眾通過公共自行車方式出行的群體性規律；在自流動特性的空間分析基礎上，確定了它流動調度的時間區間，實踐驗證所研究的方法有助于解決大型PBS存在的“租車難、還車難”問題，通過有針對性的它流動介入，杭州PBS的自行車周轉率可以達到日均5.6 次，公共自行車的利用效率在國際上處于領先水平。