本文是一篇博士論文，本文從共享單車運(yùn)營調(diào)配所面臨的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和異構(gòu)貨車配置、低碳政策影響、用戶需求不確定性出發(fā)，針對復(fù)雜場景下的貨車調(diào)配路線和單車分配方案開展系統(tǒng)研究。通過運(yùn)籌優(yōu)化理論，為共享單車運(yùn)營商設(shè)計(jì)合適且有效的共享單車調(diào)配方案，進(jìn)而提高系統(tǒng)服務(wù)效率以及用戶滿意度，為運(yùn)營商的整體規(guī)劃和管理決策提供了科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

1.1.1 研究背景

共享單車在公共交通發(fā)展和綠色低碳出行中發(fā)揮了重要的作用。近年來，隨著手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，共享單車在國內(nèi)快速普及[1]。在2022年，全國已有31省、自治區(qū)和直轄市投放了共享單車。配置了共享單車的城市超過400個(gè)，投放的單車數(shù)量約1490萬輛，使用共享單車的注冊用戶接近12.95億，每日的使用訂單數(shù)最高超過4470萬單[2]。隨著共享單車系統(tǒng)的快速發(fā)展，它在方便居民出行、減少碳排放、緩解交通擁堵和完善交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)突出。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，僅2023年上半年，上海市的共享單車每日平均使用次數(shù)接近200到300萬次[3]。該數(shù)據(jù)是網(wǎng)約車每日平均使用量的兩倍。圖1.1展示了2021年至2023年相關(guān)城市共享單車使用者騎行距離和騎行時(shí)間的變化趨勢。圖中顯示，使用者的騎行距離和騎行時(shí)間逐年增加，這表明居民使用共享單車的出行距離和時(shí)長不斷增長，側(cè)面印證了共享單車的利用率和在居民出行中的受歡迎程度都在逐步提高。

1.2 相關(guān)研究綜述

考慮到共享單車系統(tǒng)的規(guī)劃與管理直接影響共享單車的服務(wù)效率和用戶滿意度，相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了研究。本文將從以下三個(gè)方面進(jìn)行綜述，分別是共享單車系統(tǒng)規(guī)劃、低碳政策對共享單車運(yùn)營調(diào)配的影響以及用戶需求不確定的共享單車調(diào)配管理。

1.2.1 共享單車系統(tǒng)規(guī)劃研究

共享單車系統(tǒng)規(guī)劃包含以下五個(gè)方向，分別是共享單車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、共享單車用戶使用特征分析、共享單車政策分析、共享單車用戶需求預(yù)測和共享單車調(diào)配優(yōu)化[20-24]。這些問題同樣引起了運(yùn)營商的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兪枪蚕韱诬囅到y(tǒng)管理中的關(guān)鍵問題。

第一個(gè)方向是共享單車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，主要包括倉庫和站點(diǎn)的選址規(guī)劃。影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素有站點(diǎn)的地理位置、是否為交通接駁點(diǎn)以及人流密度等[25-30]。此外，運(yùn)營商還會(huì)考慮倉庫的位置和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的便利性。Lin等[31]研究了共享單車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題，并構(gòu)建了非線性的數(shù)學(xué)模型，該模型綜合考慮了運(yùn)營商和用戶的需求，以運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成本和未滿足用戶需求最小為目標(biāo)函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了有效不等式和啟發(fā)式算法，通過有效不等式來縮小模型求解空間進(jìn)而加速啟發(fā)式算法的求解速度。Martinez等[32]研究了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的共享單車站點(diǎn)選址問題，提出了對應(yīng)共享單車站點(diǎn)選址模型，該模型以站點(diǎn)建設(shè)成本最小為目標(biāo)。作者使用商業(yè)優(yōu)化軟件和啟發(fā)式算法完成了模型的求解，并獲取了對應(yīng)的站點(diǎn)選址方案。Frade等[33]在最大程度滿足用戶需求的基礎(chǔ)上構(gòu)建了站點(diǎn)選址模型，以站點(diǎn)服務(wù)用戶數(shù)量最大化為優(yōu)化目標(biāo)。該模型在運(yùn)營商有限的經(jīng)費(fèi)預(yù)算的基礎(chǔ)上規(guī)劃站點(diǎn)分布以及容量設(shè)置。Romero等[34]通過兩階段數(shù)學(xué)優(yōu)化的方式來完成共享單車系統(tǒng)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，提出了一個(gè)雙層數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，其中上層模型以站點(diǎn)服務(wù)半徑最大化為目標(biāo)，通過混合算法完成模型的求解，獲得對應(yīng)的站點(diǎn)候選點(diǎn)位置。下層模型根據(jù)站點(diǎn)候選點(diǎn)位置，考慮多種交通方式的影響下，如公交車、地鐵和私家車等，完成共享單車站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。Yan等[35]研究了不確定用戶需求下的共享單車站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題，該問題考慮了站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)變條件下的特征，以及站點(diǎn)的服務(wù)半徑對于站點(diǎn)選擇的影響，提出了基于閾值改變的啟發(fā)式算法來獲得選址方案，該方案不僅包含站點(diǎn)的位置分布，同時(shí)也獲得站點(diǎn)內(nèi)的初始單車數(shù)量配置。

2 相關(guān)概念與理論基礎(chǔ)

2.1 相關(guān)概念

2.1.1 共享經(jīng)濟(jì)

共享經(jīng)濟(jì)作為一個(gè)新興產(chǎn)物，在中國得到了廣泛的發(fā)展和推廣。經(jīng)濟(jì)作為一個(gè)早已出現(xiàn)的詞匯，共享經(jīng)濟(jì)主要的區(qū)別在于共享，而共享可以解釋為每個(gè)人都享有，針對的對象可以是某種實(shí)體，如書籍、充電寶、單車和汽車等，也可以是虛擬物體，如無線網(wǎng)絡(luò)和信息等。因此，有部分學(xué)者也將“共享經(jīng)濟(jì)”稱之為“協(xié)同經(jīng)濟(jì)”或“分享經(jīng)濟(jì)”。共享經(jīng)濟(jì)一詞最早出現(xiàn)于論文《Community Structure and Collaborative Consumption: A Routine Activity Approach》，這篇論文是作者Felson于1978年撰寫的[112]。作者提到了共享經(jīng)濟(jì)的六個(gè)特點(diǎn)，分別是信用度高、效用好、適用性廣、成本低、門檻低、排放低。共享經(jīng)濟(jì)在各行各業(yè)以及不同主體中都得到了良好的發(fā)展，它有效的進(jìn)行著行業(yè)內(nèi)的資源整合，并通過互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)等載體，進(jìn)行著資源的再一次分配和使用。這樣不僅降低了資源的空置率，也滿足了相關(guān)主體的使用需求，起到了雙贏的效果。共享經(jīng)濟(jì)是在社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步到一定程度上，主體和對象之間產(chǎn)生的共享理念，主體指代的是人，對象指代的是物品。它會(huì)涉及到不同行業(yè)以及不同領(lǐng)域，在這些行業(yè)和領(lǐng)域中出現(xiàn)了制造共享、商品共享、使用權(quán)共享、消費(fèi)共享和服務(wù)共享等共享形式。共享經(jīng)濟(jì)的具體應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)形式有打車共享的滴滴打車、Uber打車，充電設(shè)備共享如街電，辦公空間共享如WeW ork和單車共享如美團(tuán)單車、哈啰單車等。上述應(yīng)用體現(xiàn)了共享經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新出的新商業(yè)模式和出行方式，進(jìn)一步展現(xiàn)了共享經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展及其對各行各業(yè)的推動(dòng)作用。

2.1.2 共享單車

共享單車作為新興的交通模式，是在相關(guān)硬件如互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)、移動(dòng)支付飛速發(fā)展之下，應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。共享單車更多是通過共享單車運(yùn)營商在獲得交通主管部門的批準(zhǔn)下，在城市中交通比較繁忙的街道、學(xué)校、地鐵站和寫字樓等位置，投放出一定批量的單車來服務(wù)于有相關(guān)出行需要的人群。共享單車隸屬于共享交通下的一個(gè)分支，屬于一種短期租賃式的交通工具。在學(xué)術(shù)界中，部分文獻(xiàn)[113]把共享單車的概念描述為基于政府或共享單車公司的運(yùn)營商，將服務(wù)于用戶出行需求的單車投放至城市中的相關(guān)區(qū)域，居民可以通過智能手機(jī)等硬件對單車進(jìn)行短期租賃，通過使用單車實(shí)現(xiàn)自身的出行需求，并在目的地將單車歸還至運(yùn)營商設(shè)置的電子圍欄，并支付一定費(fèi)用的方式。這種方式能夠很好的解決城市交通中的一些棘手問題，如“最后一公里”、道路擁堵和溫室氣體排放等。

2.2 相關(guān)理論

2.2.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和路徑規(guī)劃理論

共享單車調(diào)配優(yōu)化是運(yùn)營商日常管理中的關(guān)鍵問題，其有效處理對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在共享單車調(diào)配優(yōu)化中，首先要應(yīng)對的是由多個(gè)站點(diǎn)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。如何規(guī)劃貨車在該網(wǎng)絡(luò)的調(diào)配路線，在滿足用戶需求的同時(shí)，又能為運(yùn)營商降本增效，是非常有意義的。因此，我們從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和路徑規(guī)劃理論的角度來分析共享單車系統(tǒng)，從而更好的為系統(tǒng)調(diào)配優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

（1）復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基本定義

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)早期是由圖論發(fā)展而來，作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)經(jīng)典實(shí)例就是1735年歐拉所提出的柯尼斯堡七橋問題，這個(gè)問題也被認(rèn)定是第一個(gè)使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的實(shí)例。隨著復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)學(xué)者提出了無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)和小世界網(wǎng)絡(luò)，這極大的豐富了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。在硬件技術(shù)的革新下，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展推向了另一個(gè)高度。這時(shí)的復(fù)雜理論也被廣泛的應(yīng)用于數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)和計(jì)算科學(xué)等領(lǐng)域。

（2）復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析對于理解復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在邏輯和發(fā)展具有重要的作用。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵是通過網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)邊分布，來計(jì)算對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)而分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征和性能情況。涉及到的統(tǒng)計(jì)特征有節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性、網(wǎng)絡(luò)的連通性、效率以及同配性等。

3 共享單車調(diào)配優(yōu)化問題研究 .......................... 42

3.1 引言 ....................................... 42

3.2 問題描述與模型建立 ................................ 43

4 綠色共享單車調(diào)配優(yōu)化問題研究 ............................ 59

4.1 引言 ..................................... 59

4.2 問題描述與模型建立 ...................... 61

5 考慮用戶需求不確定的綠色共享單車調(diào)配優(yōu)化問題研究 .............. 89

5.1 引言 ......................... 89

5.2 問題描述與模型建立 ..................... 91

5 考慮用戶需求不確定的綠色共享單車調(diào)配優(yōu)化問題研究

5.1 引言

共享單車作為一種便捷且環(huán)保的交通工具，在解決居民中短距離出行和“最后一公里”問題上，發(fā)揮了重要作用[196]。由于用戶使用需求的多樣性和站點(diǎn)地理位置的差異，使得共享單車系統(tǒng)中站點(diǎn)的單車分布不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致用戶的“租車難，還車難”現(xiàn)象。針對這種情況，共享單車運(yùn)營商會(huì)使用貨車對網(wǎng)絡(luò)中的單車進(jìn)行調(diào)配，來滿足用戶的使用需求[197]。

運(yùn)營商在制定共享單車的運(yùn)營調(diào)配計(jì)劃時(shí)，往往會(huì)考慮不同的影響因素。在前一章節(jié)中，我們考慮低碳政策等外部因素對于共享單車調(diào)配方案的影響。然而，共享單車的調(diào)配管理不光受到外部因素的影響，一些內(nèi)部因素也會(huì)影響共享單車的調(diào)配效率，進(jìn)而影響用戶的使用滿意度。其中，排在首位的內(nèi)部因素就是站點(diǎn)用戶需求的確定[198]。在這個(gè)問題上，以往文獻(xiàn)的處理方法是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值或歷史數(shù)據(jù)的方式設(shè)定一個(gè)最優(yōu)庫存量，并依據(jù)這個(gè)最優(yōu)庫存量對站點(diǎn)進(jìn)行分類，然后生成相應(yīng)的調(diào)配方案。這種方法的最大問題是不能很好的反映出站點(diǎn)的實(shí)際用戶需求[199, 200]。因?yàn)橛脩魧τ诠蚕韱诬嚨氖褂眯枨缶哂须S機(jī)性且受到多個(gè)方面的影響，如用戶的出行目的、出行距離、天氣因素、個(gè)人的環(huán)保意識和目的地站點(diǎn)的地理位置等，上述因素的改變都可能影響用戶是否選擇在該站點(diǎn)使用共享單車出行[201, 202]。而經(jīng)驗(yàn)值和歷史數(shù)據(jù)的方法僅能代表當(dāng)時(shí)環(huán)境下的站點(diǎn)用戶需求，不能涵蓋其他情況下的站點(diǎn)用戶需求。因此，使用這種方法可能會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)或用戶滿意度降低[203]。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

隨著綠色交通的全面推廣，低碳出行深入人心并快速發(fā)展，共享單車作為一種便捷且環(huán)保的交通工具，在解決居民中短距離出行和“最后一公里”問題上發(fā)揮了重要作用。因用戶出行需求多樣性和站點(diǎn)地理位置差異，導(dǎo)致共享單車系統(tǒng)中站點(diǎn)的單車分布不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致用戶的“租車難，還車難”問題。如何對站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的單車進(jìn)行調(diào)配，來滿足用戶需求，提高站點(diǎn)服務(wù)效率，已成為共享單車運(yùn)營商調(diào)配管理領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。為此，本文從共享單車運(yùn)營調(diào)配所面臨的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和異構(gòu)貨車配置、低碳政策影響、用戶需求不確定性出發(fā)，針對復(fù)雜場景下的貨車調(diào)配路線和單車分配方案開展系統(tǒng)研究。通過運(yùn)籌優(yōu)化理論，為共享單車運(yùn)營商設(shè)計(jì)合適且有效的共享單車調(diào)配方案，進(jìn)而提高系統(tǒng)服務(wù)效率以及用戶滿意度，為運(yùn)營商的整體規(guī)劃和管理決策提供了科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。本文主要研究結(jié)論如下：

（1）研究了共享單車調(diào)配優(yōu)化問題，考慮了多倉庫和異構(gòu)貨車的復(fù)雜調(diào)配場景。針對共享單車系統(tǒng)中的“租車難、還車難”問題，以及時(shí)空網(wǎng)絡(luò)中共享單車分布不平衡的情況，考慮復(fù)雜站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、多種異構(gòu)貨車、貨車調(diào)配路線及單車裝卸計(jì)劃等現(xiàn)實(shí)因素，以站點(diǎn)庫存懲罰和貨車調(diào)配成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型。對非線性的站點(diǎn)懲罰函數(shù)進(jìn)行線性化處理，然后設(shè)計(jì)變鄰域搜索算法進(jìn)行模型求解。通過貪婪算法獲取優(yōu)質(zhì)的初始調(diào)配方案，使用小范圍的鄰域結(jié)構(gòu)來迅速提升調(diào)配方案的質(zhì)量，然后切換至大范圍的鄰域結(jié)構(gòu)來增加調(diào)配方案的多樣性。最后，通過算法性能分析和算法優(yōu)越性分析，驗(yàn)證了本章算法在優(yōu)化效果、計(jì)算精確度和計(jì)算時(shí)間等方面的優(yōu)勢。結(jié)合多倉庫異構(gòu)貨車算例和靈敏度分析得出以下結(jié)論：第一，倉庫數(shù)量和貨車車型會(huì)影響運(yùn)營商的共享單車調(diào)配策略。第二，增加倉庫數(shù)量可以有效減少貨車調(diào)配時(shí)間并滿足站點(diǎn)用戶需求。第三，適當(dāng)增加貨車調(diào)配時(shí)間可以有效降低運(yùn)營商的優(yōu)化目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)（略）