城市公共自行车租赁点配置分析与优化

史瑞刚

(西安航空学院 现代教育技术中心，西安 710077)

0 引言

随着城市化进程的快速推进和城市交通规模的不断扩大，公共交通在城市交通中扮演着越来越重要的角色。公共自行车作为公共交通的一部分，能够有效地缓解城市拥堵，解决末端交通问题。然而，由于城市各区域的部分公共自行车租赁点设置不尽合理，经常会出现“有车无桩锁，桩空无车取”的现象，给市民使用公共自行车带来困难。因此，如何提高公共自行车的使用效率，引导市民选用公共交通工具出行，已成为亟待解决的问题。

公共自行车系统是自行车公用化的一种体现形式，主要由可自由租赁的自行车和存放车辆的租赁点组成。作为人们生活中常用的一种交通工具，公共自行车的灵活性较高，对于场地的要求低，这对于土地资源宝贵的现代城市来说，具备其他公共交通工具所没有的优势[1]。同时，公共自行车完全由人力驱动，既不会产生任何废气污染，还能起到锻炼身体的作用。对于生活节奏快的上班族，平时缺乏锻炼，通过使用公共自行车，既能满足日常出行的需求，又能达到强身健体的效果[2]。

本文以兰州市公共自行车租赁点的运行数据为基础，根据系统动力学原理，构建基于AnyLogic的公共自行车系统仿真模型，利用敏感性分析和迭代相结合的方法优化公共自行车租赁点的配车数，以租赁点的设施利用率和服务度为评价指标，对比优化前后租赁点的设置效果，为优化城市公共自行车系统、合理地规划租赁点配置提供参考依据。

1 公共自行车系统仿真

随着城市中公共自行车租赁点的逐步增多，公共自行车成为了市民短途出行的主要交通工具。科学合理地优化公共自行车租赁点的配置，可以保证各个环节协调工作及服务设施的利用率达到最优，使得公共自行车系统各租赁点之间达到动态平衡，从而提高系统的服务质量。但是，上述操作在实际系统的运行中难以实现[3]。随着系统仿真技术的迅速发展，交通系统方面的仿真技术也越来越完善，可通过计算机仿真技术在模拟环境中对系统的参数进行调整，实现对公共自行车租赁点的优化[4]。

本文选取部分公共自行车租赁点作为研究对象，利用系统动力学方法，构建基于AnyLogic的公共自行车系统仿真模型，模拟租赁点的运行过程，为租赁点配车数的优化提供了实验平台。

1.1 仿真流程

公共自行车系统仿真流程以租赁点为核心，通过分析租赁点的租还车信息，对租赁点及租赁点间逻辑关系进行仿真研究。以A租赁点为例，仿真流程如图1所示。

图1 公共自行车系统仿真建模流程图

整个仿真流程以租赁点的自行车数量为核心，动态模拟租赁点的租还车行为。以三个租赁点的运行过程为研究对象，分别设为A、B、C，从A租赁点租出的自行车，可还车至A、B、C三个租赁点，并且还车的数量按照指数分布成比例地分配至三个租赁点，因此，每个租赁点的还车数量来自于所有租赁点的租车数量，租赁点与租赁点之间形成一个动态循环。同时，整个仿真流程在租车环节受到环境因素的影响，如天气原因、租车站点位置因素等，因此，需要加上环境影响因子，使得仿真结果更加接近实际系统的运行情况，最终实现整个公共自行车系统的仿真。

1.2 仿真方法

根据公共自行车系统的特点及运行流程，本文采用系统动力学方法对公共自行车租赁点及租赁点间的逻辑关系进行仿真研究，并结合AnyLogic仿真软件实现公共自行车系统的租还车流程。

系统动力学(System Dynamics)作为一种应用于库存管理的系统仿真技术，主要采用因果关系图和存量流量图来描述实际系统的运行过程[5]。因果关系图包含多个因素，因素之间由标志因果关系的箭头连接，表示复杂系统中各个因素之间的逻辑关系。存量流量图通过分析因素中变量的性质描述因素间的逻辑关系，如图2所示。

图2 存量流量图

如图2所示，库存为存量，生产量和销售量为流量，其中生产量为流入量，销售量为流出量，构成了一个简单的系统动力学模型。在分析公共自行车系统的运行情况时，在上述存量流量图中加上时间因素，可定量地表示系统中变量间的逻辑关系，并利用计算机仿真技术模拟变量间的逻辑关系，获得系统运行的最佳状态。

AnyLogic是一款由俄罗斯XJ Technolegic公司研发的建模仿真软件，常用于系统动力学、离散事件和基于主体的建模与仿真。作为构建动态模型的可视化工具，AnyLogic不仅能在宏观上对整个系统的运行过程进行仿真，针对于系统的局部和细节也可以进行微观模拟[6]。同时，AnyLogic将UML统一建模语言引入模型的仿真领域，以最新的复杂系统设计方法为基础，实现对离散、连续及混合系统的仿真建模。

本文仿真实验就是采用系统动力学方法，利用AnyLogic软件构造存量流量图，将租赁点的自行车数量作为系统的存量，单位时间的租车数量和还车数量作为流量，实现对公共自行车系统租赁点运行流程的仿真。

1.3 构建公共自行车系统仿真模型

本文利用AnyLogic仿真软件构建公共自行车系统仿真模型，整个模型以自行车租赁点为核心，包括了租赁点、租车行为、还车行为及租赁点评价指标的设置。将租赁点的自行车数量作为存量，租车行为和还车行为作为流量，租赁点的初始容量作为模型的输入参数，租赁点的运行时间设置为16小时/天，自行车平均行进速度设置为15km/小时，并结合兰州市公共自行车系统的实际运行数据，选取三个租赁点(A、B、C)模拟租赁点的运行过程，仿真模型如图3所示。

图3公共自行车系统仿真模型图

结合公共自行车系统的运行流程，在图3所示的模型中，分别设置参数：存量NumBicA、NumBicB、NumBicC为A、B、C三个租赁点的自行车数量；流出流量RentalA、RentalB、RentalC和流入流量ReturnA、ReturnB、ReturnC分别为租赁点A、B、C的租还车数量；动态变量DemA、DemB、DemC分别代表前往A、B、C三个租赁点租车的市民数量，即市民对公共自行车的需求量，服从正态分布，并受外界环境因素的影响；参数factorDem是公共自行车需求量的影响因子，代表环境影响因素，利用滑块组件(Slider)控制；动态变量insatA、insatB、insatC表示到达租赁点而未成功租到自行车的市民数量。

系统的仿真流程是仿真模型更加接近实际系统的关键点。在公共自行车系统仿真模型中，以A租赁点为例，NumBicA是A租赁点的自行车数量，RentalA作为租车数量从NumBicA中流出，DemA表示到达A租赁点租车的市民数量，RentalA的值取决于DemA，若DemA大于NumBicA的值，则最大的租车数量为NumBicA，即RentalA等于NumBicA，反之，则RentalA等于DemA。同时，租车数量会按照不同比例和用车时长还车至A租赁点，并作为A租赁点还车数量ReturnA的一部分流入NumBicA，这样就完成了一个租赁点的租还车流程，同理，对B、C租赁点的运行流程也进行分析，并结合租赁点间的逻辑关系，模拟整个系统的运行流程。

2 公共自行车租赁点配车数优化

根据公共自行车租赁点的评价指标，利用敏感性分析和迭代相结合的方法，提出了租赁点配车数的优化方案，从而可以提高各个租赁点自行车的利用率和公共自行车系统的服务质量，为优化城市公共自行车系统以及合理地规划租赁点配置提供参考依据。

2.1 评价指标

通过分析公共自行车系统仿真模型，提出了系统租赁点的评价指标，并利用AnyLogic分析库中的图表组件描述这些指标的变化趋势。租赁点的评价指标如下：

2.1.1 自行车利用率

自行车利用率作为评价指标之一，代表租赁点自行车的使用情况。在AnyLogic软件中，NumBicA代表A租赁点的自行车数量，IniA代表A租赁点的初始容量，是不可变的，均设置为30，则A租赁点自行车利用率RatioA为(IniA-NumBicA)/IniA。以三个租赁点的运行情况为例，在系统模型运行稳定时，租赁点的自行车利用率如图4所示。

图4 租赁点的自行车利用率

由图4可知，C租赁点的自行车利用率较低，出现自行车严重积压的现象，因此，应适当地减少该租赁点的配车数和锁桩数量，保证资源的有效利用。

2.1.2 租赁点服务度

租赁点服务度表示租赁点的服务质量，通过统计到达租赁点但未成功租到自行车的市民数量，计算租赁点的租车服务度，分为租车服务度和还车服务度。本文利用AnyLogic软件中的系统动力学组件模拟未成功租车的市民数量，以A租赁点为例，insatA代表到达A租赁点但未成功租到自行车的市民数量，动态变量DemA为到达A租赁点租车的所有市民数量，则A租赁点的租车服务度ServiceA为(DemA-InsatA)/DemA。以三个租赁点组成的系统为例，在系统模型运行稳定时，租赁点的租车服务度如图5所示。

图5 租赁点的租车服务度

由图5可知，C租赁点的租车服务度为1，这表明C租赁点未租到自行车的市民数量为0，则该租赁点的服务质量较好，而A租赁点的租车服务度较低，这表明该租赁点出现了未租到自行车的市民，应采取相应的措施，提升租赁点的服务质量。同理，可获得租赁点的还车服务度。

2.1.3 租赁点平均服务度

公共自行车系统是一个复杂的交互式动态系统，租赁点间的数据相互影响。因此，采用平均服务度来评价整个系统的服务质量，平均服务度是各租赁点服务度的均值，通过计算租赁点的平均服务度，获得系统的整体服务水平，为系统优化提供参考。

2.1.4 租赁点的锁桩利用率

租赁点是公共自行车系统的重要资源，其容量等于该租赁点的配车数与可用锁桩数量之和，因此，租赁点的锁桩利用率为某段时间内租赁点存放的自行车数量与租赁点容量的比值，假设租赁点存放的自行车数量是随时间t变化的函数f(t)，n为租赁点的容量，则租赁点的锁桩利用率L如公式(1)所示。

(1)

租赁点的锁桩利用率表示该租赁点停放自行车的情况，租赁点的锁桩利用率越高，租赁点内停放的自行车越多，则自行车利用率越低；相反，租赁点的锁桩利用率越低，租赁点内停放的自行车越少，自行车利用率越高，表示大部分自行车均处在使用状态。

2.2 租赁点配车数优化

公共自行车系统是一个动态的反馈系统，租赁点之间相互影响，改变某个租赁点的参数会影响到其他租赁点的运行情况[7]。因此，在公共自行车系统仿真模型中，从系统的整体角度出发，分析租赁点的评价指标，采用敏感性分析和迭代相结合的方法优化各租赁点的配车数[8]，具体步骤如下：

(1)保持其他对象的参数不变，将租赁点的配车数设为1。

(2)在AnyLogic软件中运行仿真模型，并在模型运行稳定时，统计租赁点的自行车利用率、服务度及锁桩利用率等评价指标。

(3) 将租赁点的配车数增加1。

(4) 重复步骤2、步骤3，直到配车数增加至租赁点容量。

(5)分析租赁点的评价指标，并利用AnyLogic软件中分析库的图表组件，绘制指标的变化趋势图，如图6所示。

(6)根据指标的变化趋势图，以服务度0.85作为分界线，去除分界线以下对应的配车数，找出分界线以上对应的配车数，选择平均租车服务度和平均还车服务度较大的条件下对应的配车数作为现阶段租赁点的配车数；若不存在满足条件的配车数，则选择自行车利用率较高而锁桩利用率低的条件下对应的配车数作为现阶段租赁点的配车数。

(7)综合步骤6的分析结果，重复执行步骤1～6，计算另一租赁点的配车数。

(8)综合步骤7的分析结果，获得所有租赁点的配车数，为了降低分析误差，采用迭代的方法，重复执行步骤1～7，进行新一轮计算。

图6 租赁点评价指标的变化趋势

在租赁点优化过程中，应找出服务度大于0.85时对应的租赁点配车数，并利用敏感性分析的方法，获得租赁点的最优配车数。以1004号租赁点为例，根据系统仿真模型，分析该租赁点的不同配车数对应的评价指标，并利用R语言绘制评价指标的变化趋势图，如图6所示。以服务度0.85作为分界线，则分界线以上的服务度对应的配车数：22、23、24，比较上述三种配车数对应的租赁点平均租车服务度和平均还车服务度，若某一配车数的两个评价指标均高于其他两个配车数的评价指标，则选择前者的配车数作为该租赁点的最优配车数；若某一配车数对应的两个指标一高一低，则比较两种情况下的租赁点的自行车利用率和锁桩利用率，选择租赁点的自行车利用率较大且锁桩利用率较小时的配车数作为该租赁点的最优配车数[9]。通过分析该租赁点的评价指标趋势图发现，当租赁点配车数为22时，在分界线以上，租还车服务度一高一低，与其他两个配车数对应的评价指标相比，租赁点的自行车利用率较大且锁桩利用率较小，因此，1004号租赁点的最优配车数为22。

通过敏感性分析和迭代相结合的方法优化公共自行车租赁点的配车数，得到各个租赁点的最优配车数，如表1所示，同时，通过表1可以分析出租赁点容量与配车数的最佳比例，为规划新的租赁点提供数据参考。

表1 优化后各租赁点的配车数

3 实验结果对比

目前，兰州市公共租赁点配车数的设置主要以租赁点容量的70%为标准。因此，为了直观地获得公共自行车租赁点的优化效果，本文以公共自行车系统仿真模型为实验平台，保证其他参数不变，将存量参数(配车数)为租赁点容量70%的情况与优化后租赁点的情况进行对比，如表2所示。对比优化前后租赁点的评价指标，可以看出系统的平均租车服务度和平均还车服务度均有所增加，表明优化后公共自行车系统的服务水平得到了提升。同时，优化后公共自行车租赁点的锁桩利用率有所下降，说明租赁点的自行车大部分时间处于使用状态，这表明通过优化租赁点的配车数，有利于提高市民选择使用公共自行车出行的概率。

表2 优化前后租赁点的评价指标对比

从表2可以看出，通过优化租赁点的配车数，系统中各租赁点的平均租车服务度、平均还车服务度、自行车利用率均有所提升，这表明了采用敏感性分析和迭代相结合的方法对租赁点的配车数进行优化，能够有效地提高租赁点的自行车利用率和系统服务质量。

4 结语

本文通过分析城市公共自行车租赁点的运行流程，利用系统动力学方法，构建基于AnyLogic的公共自行车系统仿真模型，并以仿真模型为实验平台，利用敏感性分析和迭代相结合的方法，优化租赁点的配车数，最后，以租赁点的自行车利用率和系统服务度为评价指标，对比优化前后租赁点的评价指标，结果表明：采用此优化方法，能够有效地提升系统的服务质量，为优化城市公共自行车租赁点的布局和配置提供了理论依据和数据参考。