分時租賃型自行車使用與停放的自組織模擬

邵鵬

（西安工程大學管理學院，西安710048）

分時租賃型自行車伴隨使用者在城市道路網絡中流動，這種流動具有復雜自組織性。通過計算實驗模擬共享單車在城市空間中的流動。共享單車從開始的集中投放到分散在城市的不同位置，這個過程是共享單車使用者騎行共享單車的自組織過程。通過自組織流動，分時租賃型共享單車在城市道路網絡中會實現均勻分布。

共享單車；自組織；計算實驗；城市道路

0 引言

近年來，隨著信息技術與互聯網的快速發展，出現了很多借助互聯網進行商業模式創新的“共享經濟模式”[1]。共享經濟是伴隨著物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等信息通信技術的創新應用而興起的，以生產資料和生活資源的使用而非擁有為產權基礎，通過以租代買等模式創新，實現互通有無、人人參與、協同消費的新型經濟形態[2]。共享經濟與城市交通出行的結合，產生了共享交通產品。然而，這些交通出行產品并沒有充分調動閑置資源，嚴格意義上應稱之為分時租賃型公共交通產品。分享經濟與公共交通出行的結合，產生了分時租賃型公共交通產品，如“共享單車”、“共享汽車”和“共享電動車”等[3]。以“共享單車”為例，這些單車由各大企業提供，并非用戶將閑置的單車分享出來供其他用戶使用[4]。對于同一輛單車，用戶是通過分時租賃的方式獲得一定時間內的使用權。城市道路網絡中的大規模公共交通產品流動通過傳統方法難以開展研究，本研究通過計算實驗模擬方法對分時租賃公共交通產品自組織開展研究。

1 問題提出

公共產品可劃分為純公共產品和準公共產品，純公共產品是同時具有非競爭性和非排他性的產品，一般由政府經營并免費提供給公眾[5]；準公共產品是介于私人產品和純公共產品之間，一般由投資者經營并收取一定的費用，分時租賃型公共交通產品是典型的準公共產品[6]。目前在國內，分時租賃型公共自行車是覆蓋范圍最廣、使用頻次最高，投放數量最多的分時租賃型公共交通產品。分時租賃型自行車是指自行車從一個停靠點到另一個停靠點的短暫租賃過程，第一代公共自行車于1965年在荷蘭運行[7]。經過多年的更新換代，如今的公共自行車已發展成為集GPS定位與智能技術于一身的智慧自行車[8]。

由于無樁停放和GPS定位的特點，分時租賃型自行車使用者可以根據自身需求更大自由度的選擇停放地點。因此，分時租賃型自行車伴隨使用者在城市道路網絡中流動，這種流動具有復雜自組織性。近年來，計算實驗方法已被證明是探索社會復雜系統動態的一種合適方法，并且在許多學科中獲得了發展。2007年，Management Science推出了復雜系統交叉學科的專刊，該專刊的序言中指出，復雜性科學、復雜網絡為管理科學研究提供了新的分析工具，借助ABM可以更好地從復雜性科學、復雜網絡視角研究管理科學領域的現象和問題。

通過對分時租賃、公共交通產品和復雜自組織相關研究文獻的回顧，以及針對分時租賃型自行車無序停放問題的分析，發現現有對分時租賃型公共交通產品無序停放建模研究不多，尤其是從復雜網絡自組織視角對分時租賃型公共交通產品無序停放問題的研究還比較缺乏。城市道路網絡中的大規模公共交通產品流動通過傳統方法難以開展研究，ABM的發展為分時租賃公共交通產品自組織提供了新的研究方法。

2 模型構建

構建方格城市，共有9×9=81個路口（點），假設每個點均有用戶和自行車（圖1）。其中：Nb（x，y，t）表示t時刻在x，y位置的自行車數量，NB表示所有自行車數量；Nu（x，y，t）表示t時刻在x，y位置的用戶數量，NU表示所有用戶數量；初始階段，NU位用戶平均分布在81個路口，每個路口有NU/81人。

自行車的投放分兩種情況：其一，NB輛自行車平均分布在81個路口，每個路口有NB/81輛自行車。其二，NB輛自行車全部位于城市的中心位置。

圖1 城市道路網絡示意

對于用戶而言，每1個時間步移動一次。其一，用戶的移動方向是隨機的，即大部分用戶有5種選擇：暫不移動、向上、向下、向左、向右；其二，左上角用戶有三個選擇：暫不移動、向下、向右；右上角用戶有三個選擇：暫不移動、向下、向左；其他最上一行用戶有四種選擇：暫不移動、向下、向左、向右；其三，左下角用戶有三個選擇：暫不移動、向上、向右；右下角用戶有三個選擇：暫不移動、向下、向左；其他最下一行用戶有四種選擇：暫不移動、向上、向左、向右；

NAu（x，y，t）表示t時刻x，y位置可以移動的用戶。其一，如果在時刻t，Nb（x，y，t）＞=NAu（x，y，t），即x，y位置的自行車數量大于需要自行車用戶的數量，那么這些用戶將使用自行車到下一個路口；其二，如果在時刻t，Nb（x，y，t）＜NAu（x，y，t），即x，y位置的自行車數量小于需要自行車用戶的數量，那么隨即選擇Nb（x，y，t）位用戶分配自行車，即Nb（x，y，t）位用戶將使用自行車到下一個路口，未分配到的用戶選擇其他方式前往下一個路口。

3 模擬分析

基于MATLAB平臺進行計算實驗模擬，共享單車自組織模擬過程如下代碼所示：

由于初始狀態將共享單車全部投放在編號為41的路口（城市中心位置），從共享單車數量差異程度來看，81個路口共享單車差異從高逐漸降低。初始階段差異最低，因為初始共享單車企業將共享單車集中投放在某一個空間位置，但隨著人們使用共享單車使得共享單車得以在城市空間中自組織。這種自組織體現在沒有人為干預情況下，隨著時間的推移，共享單車最終實現了在城市空間中的較為均勻的分布。因此，在模擬中當時間步超過20時，城市中共享單車分布已經較為均勻。

圖2 城市空間共享單車分布差異

從所有投放共享單車所在位置來看，初始狀態所有共享單車均位于集中投放位置，故在初始階段共享單車城市空間分散較差。隨著時間步的增加，共享單車隨著騎行者的使用逐漸移動到城市的各個位置空間。可以發現，共享單車在城市空間的分散情況呈現出邊際遞減增長趨勢，當時間步為50時，共享單車已經較為均勻地分散在城市的各個空間。

圖3 共享單車分散程度

通過曲面圖方式將不同時間段城市空間中的共享單車數量進行可視化（圖4）。發現在初始階段（T=1），城市中心位置擁有最多數量的共享單車。當T=5時，城市中心位置共享單車數量有所下降，而城市中心鄰接位置共享單車數量則有所增加。當T=10時，城市中心位置共享單車數量已經下降為初始階段的一半。當T=20時，雖然城市中心位置共享單車數量依然相對較多，但城市中心共享單車數量也僅是初始階段的1/20。隨著時間的演化，共享單車數量按照距城市中心距離逐漸下降，最終城市空間中共享單車分布進入均勻狀態。

圖4 城市空間中的共享單車分布數量

4 結語

在分時租賃型自行車使用與停放的自組織模擬研究中發現：其一，初始狀態將共享單車全部投放在城市中心位置，隨著時間的推移，城市空間中共享單車數量差異從高逐漸降低，共享單車隨著騎行者的使用逐漸移動到城市的各個位置空間。其二，共享單車從開始的集中投放到分散在城市的不同位置，這個過程是通過共享單車使用者騎行共享單車的自組織過程。自組織體現在沒有人為干預情況下，共享單車最終實現了在城市空間中的較為均勻的分布。其三，在集中投放條件下，初始階段城市中心位置擁有最多數量的共享單車，隨著時間的演化，共享單車數量按照距城市中心距離逐漸下降，最終城市空間中共享單車分布進入均勻狀態。

通過計算實驗模擬發現共享單車從開始的集中投放到分散在城市的不同位置，這個過程是通過共享單車使用者騎行共享單車的自組織過程。研究發現在理想條件下，通過自組織流動，分時租賃型公共交通產品在城市道路網絡中會實現均勻分布。然而，現實中的共享單車使用者在城市空間分布具有差異性，城市空間道路分布也具有差異性。此外，共享單車數量集中僅是無序停放的因素之一，而共享單車使用者的使用習慣和行為是影響共享單車發展的重要因素。因此，未來研究應考慮城市道路特征和獎懲規制政策對分時租賃型共享單車用戶使用和停放的影響。