共享汽車區(qū)域網(wǎng)點選址優(yōu)化研究

馮廣超　李素華

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)和共享經(jīng)濟的快速發(fā)展，共享汽車在中國城市內得到快速推廣使用。本文首先分析了共享新能源汽車網(wǎng)點選址、車輛調度等問題的影響因素。其次介紹了選址及調度模型的相關變量、目標函數(shù)、模型的相關約束及遺傳算法。最后以武漢市漢陽區(qū)為例闡述了共享汽車備選網(wǎng)點的選擇要求，并結合實際共享汽車公司的現(xiàn)有網(wǎng)點進行分析和備選網(wǎng)點優(yōu)化，最終通過算法程序選擇出最優(yōu)解的備選網(wǎng)點。

關鍵詞：共享汽車 區(qū)域網(wǎng)點 選址優(yōu)化

隨著互聯(lián)網(wǎng)和共享經(jīng)濟的快速發(fā)展，共享汽車在中國城市內得到快速推廣使用，相比購買私家車，共享汽車的使用成本遠低于私家車。目前我國政策正在推廣新能源汽車的使用，因此共享新能源汽車的發(fā)展對于汽車行業(yè)具有重要意義。目前共享汽車仍面臨著諸多問題，如用戶無車可用或無處還車。現(xiàn)在市場上大部分共享汽車租賃網(wǎng)點為了減少共享汽車停車場的建造費用，很多是在現(xiàn)有停車場劃分出一部分專為共享汽車租賃網(wǎng)點，或者隨機分配幾個停車位給共享汽車用于存放，然而用戶需求與共享汽車停放租賃網(wǎng)點的位置及數(shù)量不匹配，使很多潛在客戶在有用車需求時，無法在近距離即可接受范圍內找到用車網(wǎng)點，而當用戶在使用共享汽車到達需求點目的地時，尋找還車點也是一種苦惱，并且此時共享汽車APP后臺并未停止計費，借還車的不方便導致大部分用戶在中短距離出行還是會選擇出租車和地鐵等其他公共交通工具。因此研究共享汽車網(wǎng)點選址布局問題對于共享汽車發(fā)展有著至關重要的作用。

1 共享汽車網(wǎng)點選址模型構建

共享汽車網(wǎng)點選址布局及調度模型的參數(shù)和相關變量包括共享汽車模式的運營參數(shù)、共享模式的建立成本、各共享汽車網(wǎng)點之間的距離矩陣或者坐標矩陣和市區(qū)用戶需求量矩陣等。參數(shù)如下[1]：

：租賃網(wǎng)點之間的坐標矩陣;：租賃網(wǎng)點的需求量矩陣，在到在這個時間段內，共享汽車從租賃網(wǎng)點行駛至網(wǎng)點的需求;：建立租賃網(wǎng)點所需花費開銷;：建立停車位或充電樁所需花費開銷;：共享汽車設備所需要的初始花費開銷;：共享汽車行駛里程的盈利數(shù)額;：共享汽車租賃網(wǎng)點的車輛調度所需花費開銷;：共享新能源汽車續(xù)航充電所需花費開銷;：共享新能源汽車單位時間的充電速度;：共享汽車最低電量;：共享汽車使用時間，單位：年;：共享汽車分時租賃模式下的共享汽車數(shù)量集，={1，2，…，};：共享汽車的備選點集，={1，2，…，，l};：共享汽車營業(yè)時間段集，={0，1，…，u，t，w}，u，t，w分別代表獨立的三個共享汽車運營時間段。

選址及調度模型的中間變量通常不會對目標函數(shù)的相關計算造成干擾，然而對于算法可能會有一些干擾，共享新能源汽車的續(xù)航里程數(shù)決定及電量，行駛狀態(tài)下共享車輛各時間段的變量和，表示在t時間段用戶有租賃行為的共享汽車數(shù)量;表示在t時間段管理人員有車輛調度行為的共享汽車數(shù)量。

1.1 目標函數(shù)和約束

選址及調度模型要做到在一定區(qū)域范圍內，找到最合適的區(qū)域進行共享汽車停車網(wǎng)點規(guī)劃，對各共享汽車租賃網(wǎng)點進行實時狀況分析，做出最優(yōu)解的調整調度。選址及調度模型選取的時間為N，每年共享汽車的運營時間天數(shù)為D，每天的運營時間段為T。選址及調度模型的運營收益為，即車輛運營年收益;選址及調度模型需要運營成本，該成本分為共享汽車網(wǎng)點設施成本，共享汽車租賃網(wǎng)點停車位花費，以及共享車輛原始價值成本，用式子表示為，共享汽車分時租賃模式運營成本有運營調度和新能源汽車充電成本，為，車輛運營年收益的公式見公式（1）。

1.2 算法及模型求解[2]

遺傳算法是用于模擬生物界不斷發(fā)展更新迭代的一種優(yōu)化算法，在一些需要考慮龐大的數(shù)字計算量時，通常使用遺傳算法，然而當更新迭代到一定次數(shù)之后，遺傳算法的優(yōu)化作用就開始逐漸降低，所以需要綜合考慮才能得出最優(yōu)解。交叉和變異是遺傳算法的兩種操作，其中，交叉算子是整個遺傳算法中最重要的部分，本文選擇遺傳算法來進行模型求解。

本文所構建的選址及調度聯(lián)合優(yōu)化模型實際上是一種多目標的數(shù)學問題規(guī)劃模型，根據(jù)上述模型的相關變量，目標函數(shù)以及選址調度模型的相關約束，代入模型進行代碼編寫。將上述具體參數(shù)和相關約束代入到選址模型中，通過需求量和網(wǎng)點距離最終可以確定選址結果，見圖1。

2 共享汽車區(qū)域網(wǎng)點分析

2.1 共享汽車區(qū)域網(wǎng)點劃分

在共享汽車領域，武漢市目前有gofun，聯(lián)動云，蜂鳥等共享汽車集團運營，這些共享出行的運營平臺相互競爭，要使整個區(qū)域的運營布局優(yōu)化，需要投入大量的研究[3]。以武漢市漢陽區(qū)的區(qū)域布局為例，將武漢市漢陽區(qū)分為縱八橫十的八十個網(wǎng)格，劃分情況如圖2所示：

在確定好劃分范圍后，需要在該區(qū)域篩選汽車租賃備選網(wǎng)點，漢陽區(qū)網(wǎng)點選址規(guī)則如下[4]：

（1）共享汽車備選網(wǎng)點周圍出行需求量大，如交通樞紐站點、居民小區(qū)停車場、商圈停車場、辦公樓停車場等，還需要盡可能減少共享汽車網(wǎng)點與需求點之間的使用路程;

（2）共享汽車租賃網(wǎng)點應符合該區(qū)域停車場規(guī)劃，在合法條件下選擇可用于作為停車網(wǎng)點的地址。并且該區(qū)域應有多余空間用來進行共享汽車充電樁，網(wǎng)點雷達檢測等設備的安裝放置。

（3）推薦的共享汽車租賃網(wǎng)點分布位置不能脫離該區(qū)域的城市規(guī)劃布局，共享汽車租賃網(wǎng)點在滿足規(guī)劃需求量的同時，該網(wǎng)點在周邊區(qū)域內應做到分布合理，考慮因素不可單一，否則將具有局限性。

2.2 共享汽車區(qū)域網(wǎng)點需求量調研[5][6][7]

根據(jù)實地勘察武漢市漢陽區(qū)的數(shù)據(jù)以及《武漢統(tǒng)計年鑒》中的人口密度、總數(shù)和面積區(qū)域，通過確定的需求點位置計算各需求點的需求人口數(shù)量，由統(tǒng)計公報可知18-35歲人口有81176，35-60人數(shù)121731，中國機動車駕駛執(zhí)照的年齡要求規(guī)定驅動車駕駛員年齡應在18周歲到70周歲之間，初步運算將此次目標人群年齡定為18-60歲，經(jīng)統(tǒng)計得202907人。18-60歲占統(tǒng)計年鑒總人數(shù)的74.55%。

由問卷調查數(shù)據(jù)得出用車需求比例數(shù)據(jù)，指標“收入”的取值范圍，參照目前市場上共享汽車的客戶特征研究，共享汽車面臨的客戶月收入以6000元為參考標準。在數(shù)據(jù)分析中，把武漢巿區(qū)人均月收入或職工的平均工資與6000元相除，巿區(qū)內年平均工資為71510元，故月平均工資為5959.16元。通過與共享汽車目標客戶收入對比，可知“收入”數(shù)值C1=0.993。出行開銷是最主要的參數(shù)之一，通常一輛共享汽車荷載只能是4到5人，根據(jù)發(fā)出的調查問卷統(tǒng)計結果，取可供2到4人出行的參數(shù)指標，因此交通出行人數(shù)值C2=0.732。對于指標參數(shù)“使用共享汽車經(jīng)歷”的取值，通過選取有過共享汽車作為出行方式這種經(jīng)歷的人員作為目標群體[8]。考慮會選擇使用共享汽車出行的人數(shù)比例為41.87%，故“使用共享汽車經(jīng)歷”值C3=0.4187。

故需求量比例C=C1*C2*C3=0.304，通過漢陽區(qū)人口統(tǒng)計年鑒人數(shù)按此比例在漢陽區(qū)劃分需求量，通過對漢陽區(qū)域停車場和小區(qū)數(shù)據(jù)的調研，將漢陽區(qū)域停車場的調研數(shù)據(jù)通過蘭圖繪標注在漢陽區(qū)地圖上，一共有47個需求備選網(wǎng)點[9]，如圖3漢陽區(qū)域需求量劃分圖。

根據(jù)上圖漢陽停車場和小區(qū)的調研數(shù)據(jù)以及對漢陽區(qū)的用車需求量分析，結合需求量劃分圖，可得需求量矩陣，見表1。

3 實例分析

本文采用某共享汽車公司APP查看武漢市漢陽區(qū)所有可用共享汽車網(wǎng)點的具體信息，該APP可實時查詢網(wǎng)點位置、停車位數(shù)量和網(wǎng)點存留車輛狀況，武漢市漢陽區(qū)某共享汽車公司汽車停放租賃網(wǎng)點在APP查詢界面找到租賃網(wǎng)點停車場位置，通過蘭圖繪將15個共享汽車租賃網(wǎng)點在地圖中標出，見圖4。某共享汽車公司的網(wǎng)點服務區(qū)域受眾面不大，現(xiàn)存站點分布不均，在多個中心地帶無車可用，服務網(wǎng)點輻射面積過小，不能充分服務該區(qū)域的客戶，客戶需求無法滿足。

結合某共享汽車公司共享汽車停放區(qū)域的定性評價以及出行者的需求預測，對優(yōu)化模型進行求解。已知參數(shù)為武漢市漢陽區(qū)的47個需求備選網(wǎng)點和某共享汽車公司的15個共享汽車網(wǎng)點停放區(qū)域的距離坐標，將漢陽區(qū)的15個某共享汽車公司共享汽車網(wǎng)點坐標和篩選出的漢陽區(qū)的47個備選網(wǎng)點坐標結合，即將圖3與圖4里的網(wǎng)點放入一個圖中可得到漢陽區(qū)總的網(wǎng)點劃分情況如圖5，已知每一個網(wǎng)格都是一個坐標單元，各區(qū)域的用戶需求見圖5。

通過對出行者出行方式的調研，出行者所能接受的新能源共享汽車停放區(qū)域的最大距離基本在2km以內，所以確定停放區(qū)域的覆蓋半徑為2km。某共享公司擬選取停放區(qū)域范圍為5至8處。

根據(jù)以上備選網(wǎng)點的設計確定需求量和備選網(wǎng)點坐標參數(shù)，通過MATLAB編程軟件，打開optimiation里的GA遺傳算法，將算法參數(shù)中群體規(guī)模popsize=80，最大迭代次數(shù)maxGen=500，變異概率PM=0.4，交叉概率PC=0.9，500次迭代后，其種群最優(yōu)值和種群均值己基本趨于穩(wěn)定，計算結果如圖6所示，由此可選出增加的6個網(wǎng)點如表2所示：

由迭代次數(shù)可以看出，到了一百多代就已經(jīng)到了最優(yōu)沒有變化，從解集中選出包含原共享汽車公司網(wǎng)點的六個新型網(wǎng)點作為最優(yōu)解，其中老關新城網(wǎng)點與原有某共享汽車公司用車網(wǎng)點重合，上述六個用車網(wǎng)點可對某共享汽車公司已存在的網(wǎng)點分布進行了優(yōu)化，根據(jù)距離和需求量選出新的停車網(wǎng)點方便用戶出行，將使車輛使用率大大提高，更符合企業(yè)運營的準則[10]。

4 結束語

共享汽車區(qū)域網(wǎng)點選址的要素包含需求預測和場站優(yōu)先，簡化的選址及調度聯(lián)合優(yōu)化模型，只考慮了用戶需求和公司盈利，通過分析共享汽車的車輛流動狀態(tài)來解決車輛調度問題。理論上設定模型的相關變量，目標函數(shù)以及選址調度模型的相關約束之后，最終確定選址結果。實際運營過程中，還要考慮諸多城市特點、安全性和車型等因素，新能源共享汽車還要考慮網(wǎng)點充電服務和續(xù)航里程等。

項目：本文系湖北省教育廳教學研究項目（立項編號：2017298）;江漢大學校級教學研究“新時代教育評價改革研究”立項項目（立項編號：JYPJ202102）的研究成果。

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