共享交通的运营与管理综述

葛颖恩, 陈志建,张 鹏

(1.上海海事大学交通运输学院,上海201306;2.上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海200072)

共享交通(shared mobility)的概念是在共享经济日益红火的大背景下逐渐为大家所熟悉并发展起来的,是最贴近我们生活的共享经济在交通运输领域的实践.私家车成为顺风车、快车乃至专车,通过第三方在线平台逐渐进入我们的生活.在快速发展的今天,共享交通因缺乏系统有效的理论与方法支撑,所以其运营管理中出现了诸多问题.为此,我国2017年8月初出台了《关于鼓励和规范互联网租赁自行车发展的指导意见》,2018年7月底发布《网络预约出租汽车经营服务管理暂行办法》.前者是针对共享单车,后者则面向包括网约出租车在内的共享交通方式.这预示着我们已进入共享交通发展的新时期,也表明共享交通的管理已成为我国交通运输事业发展中需要各级政府部门去面对的一项重要任务.这2份文件也是这方面的研究与实践的阶段性总结.深层次的问题、实践中出现的新问题等共享交通方式发展中面临的瓶颈需要全面深入地研究、实现新突破,从而形成一套科学系统的共享交通运营管理理论与方法体系.

1 问题定义及研究范围界定

目前,我们谈论的共享交通已经超出了上面提到的各种方式,它不仅包括上面列举的交通方式和服务,还为城市居民的出行提供了更多选项,为交通工具及出行服务的发展提供了更多想象的空间.Drut[1]把共享交通看成是介于私人交通方式与大容量交通方式之间的交通方式(intermediate modes between private modes and mass transit).目前为大家认可的共享交通一般是通过在线平台实现车辆的共享,可节省用户本身的费用或时间,或减少给社会造成的交通负面外部性(社会成本,如污染、拥堵),这是共享交通系统发展的内在动力.通过车辆共享降低用车成本,或通过不直接拥有车而直接订购服务的方式把停车时间和车辆维护费用节省下来.这一方面降低了社会的拥车率,另一方面因提高了单车内人数而使得道路上的机动车数量减少.这清晰表明,公交车、地铁以及传统的不经过在线平台的合乘出行(car pooling)方式不属于共享交通.

综合Shaheen等[2]和Calderon等[3]的研究,目前客运共享交通(shared mobility)方式主要如下.

(1)公共共享单车(bikesharing).不管这些单车是政府提供的,还是私有企业提供的,只要放到公共地点供大家使用,都属于公共共享单车,其费用的支付和管理(如定位)等都是通过在线系统实现的.

(2)共享汽车(carsharing).该服务的车辆是由私家车车主提供的,即私家车车主在不用车(如上班期间或出去度假)时,将车留给该服务运营组织者;运营组织者把车停靠在附近区域的接客点、公交站、大型就业点、大学等处.用户每次用车需付费,运营组织者为车主提供汽油、停车和维护等服务.

(3)拼车(ridesharing/carpooling).在线平台的出现使得正式或非正式的用户拼车出行变得简单,主要服务于那些具有同样或类似出行计划的用户,使他们能合乘一辆车从同一点出发到同一目的地.有些用户拼车是有规律性的,而有些只是属于临时拼车.

(4)电召出租车(E-hail App).这是我国政府文件中提到的网络预约出租汽车,能通过智能手机上的App建立出租车司机和用户之间的联系.

(5)乘车外包(ridesourcing).这是提供预先安排的和随时出现的用车服务,能通过智能手机应用订购、评价和支付该服务.

(6)微公交(microtransit).提供空间上(上下车点和行驶路线)和时间上、固定或灵活的服务.

其他尚未形成有效运载能力,或未来5年内还不能形成大规模服务的共享交通方式,这里就不再赘述;共享停车也是共享经济下产生的新实践,由于它不是一类共享交通方式,故本研究不对它进行单独讨论.

城市内的地面公交、地铁、轮渡、出租车等传统交通方式是共享的,城际间的火车(包括高铁)、飞机、轮船等也都是传统的共享交通方式.今天,这些不属于在共享经济大背景下的共享交通方式通过不同方式或渠道借助在线平台,但这只是其在新技术支撑下实现的自我提升,而非在现有技术下因共享经济的理念所产生和发展起来的.另外,货运共享交通正逐步发展起来,但这不属于本研究的范畴.

共享交通涵盖面甚广,其研究内容也非常广泛,本文的综述仅限于研究城市交通系统内为客运服务的共享交通方式.

2 共享交通:全球性选择和全球性课题

因具有降低出行成本、缓解拥堵恶化的速度和减轻污染排放等诸多优点[2],共享交通已经成为共享经济时代交通运输系统的一个必然发展趋势,也成为世界各国和地区政府提升交通运营管理水平的一项重要举措.首先,因共享出行提高了车内空间的占有率而减少了道路上的车辆数,从而可有效缓解交通拥堵现象持续恶化带来的压力;其次,交通污染排放持续上升的势头也有望得到缓解[4];再次,共享出行还可以提升用户出行效率.自行车作为快速灵活出行方式的一个补充,可解决出行中第一和最后一公里出行速度慢的问题,从而缩短全程出行时间.此外,在经济层面共享交通方式对经济的贡献将会越来越大.按照普华永道的分析[5]:就收入而言用户对用户(peer-to-peer,P2P)的共享交通将继续保持为英国共享经济最大的行业;城市共乘用户App的使用量和停车共享平台每年增长超过35%.由此可见,研究共享交通方式的运营管理具有非常重要的现实意义.

共享交通在全球的实践中出现了许多需要深入研究的课题.Laporte等[6]总结了近年来在运筹与管理领域相关研究人员做的大量关于共享交通的研究工作.作为特刊,Transportation第42卷第3期[7]和第44卷第6期[8]从管理和运行角度研究了共享交通;Transport Policy第51卷[9]出版了研究共享交通发展政策创新的5篇论文.图1给出了最近12年(2008—2019)在Web of Science核心合集学术期刊上每年发表的以共享交通为主题的论文数,其中“综合检索”是把其他6条线对应关键词(主题)合在一起进行的检索.由图可见,近12年发表的论文数量对单个共享交通方式而言可能有增有减,但年度发表总论文数稳步上升.特别是自2016年开始,发表的论文总数快速增长;即便就单个共享交通方式看,自2016年开始关于共享交通的研究也进入快速发展期.这些都表明,在共享交通发展中存在着大量值得研究的科学问题.此外,车联网、自动驾驶等新技术也将与共享交通相结合,推动其更好地为城市出行服务.这些发展趋势表明,共享交通的发展呼唤基础性研究的支撑.

共享交通带来的新问题包括异地还车、不在站点还车、用户把车带出运营者的服务区域等,这些问题呼唤新技术与共享交通相结合(如自动驾驶等),推动更方便的共享交通方式运营管理和服务的发展.此外,图1中不同共享交通方式的发展是不同步的:①共享汽车和拼车的发展远远早于其他方式,是否比其他方式的市场更加成熟尚未在文献中找到依据;乘车外包和微公交的发展尚处于早期阶段,这个能否大面积普及还有待观察;②共享交通作为关键词常常涉及多个共享交通方式的讨论,这类文献直到最近2年才逐渐增多,早前关于共享交通研究的文献大多集中于一类方式;③在我国,借助如滴滴平台实现的电召车已经非常普及,但针对这类共享交通方式的研究还不如对共享单车、共享汽车和拼车的研究那么丰富,特别是在以电召出租车为主题词进行检索时,只能搜索到少数几篇相关论文.

图1 在Web of Science核心合集学术期刊上每年发表的以共享交通为主题的论文数(2008—2019)Fig.1 Yearly numbers of publications on shared mobility in those journals in the Web of Science Core Collection(2008—2019)

可见,研究共享交通具有非常强烈的时代需求,具有很好的理论和现实意义.为有效推动共享交通的发展,促使共享交通方式能更好地为社会和用户及经济发展服务,有效提升社会管理与运营水平和城镇居民的生活质量,需要开展更加深入系统的理论与实践相结合的研究.

3 研究现状

图1展示的只是以代表性关键词为主题词的论文,还有大量没有选择这些关键词做主题词的研究论文.即便如此,2019年已有超过230篇相关研究论文发表(这里不包括发表在中文期刊上的论文).因此,为缩小所综述文献的范围但又不失代表性,本研究首先综述近几年出版的围绕共享交通研究的综述性论文和特刊,然后综述最近2∼3年发表的文献中研究共享交通问题的论文.同时,把综述的重点放在管理科学与运筹学在共享交通研究中的应用.

3.1 先前的综述型文献或特刊

3.1.1 主要综述型文献

从管理科学与运筹学的角度出发,Laporte等[6]综述了研究共享交通系统的文献,把研究的问题分成5类,包括站点选址、确定站点最大可停车数量、站点初始车辆数、取车/还车诱导以及车辆再平衡等问题,这5类问题也是目前管理科学领域中研究较多的问题;Ferrero等[10]综述了共享汽车服务研究中所用的术语,并分析了不同的共享汽车服务以及文献中研究的相关问题,包括运筹学方法的应用;把共享交通分为单纯人共享和客货混合共享2类,Mourad等[11]调查了用于优化这2类共享交通的模型和算法;Calderon等[3]综述了出行服务建模方法的研究现状,包括专车、汽车和单车的共享.

下面按照Laporte等[6]的分类对其逐一进行综述.

(1)站点选址.

选址是一个十分经典的问题.在共享交通网络中,用户能否从他们的起点便捷地到达站点至关重要,这就涉及站点的选址问题.一般来说,地理位置的可行性和财政预算限制了站点数量及其选址.纯电动车共享系统的站点选址问题涉及充电和停车空间需求,这不同于传统的站点选址问题,更需要在网络层面进行考虑.在需求是不确定的假定下,针对纯电动汽车单向共享系统的站点选址,Calik等[12]把焦点放在充电桩的选址上,建立了一个混合整数随机规划模型,并用Benders分解算法求解.

(2)确定站点最大停车数量.

在共享交通系统的设计中,确定每个站点的最大停车数(车队规模)时需要考虑运营者的收益以及车队的维护费用.一个站点车辆够多,那么用户几乎总能有车用,该站点可利用率就高,运营者收益就高,但这无疑会增加与该站点相关的维护费用.以共享单车系统为例,Shu等[13]考虑了自行车的利用率及其在系统中的循环,强调不同站点可有不同的最大停车数,设计了共享交通系统的随机网络流模型.不考虑运营者对车辆的再调度,Fricker等[14]重点关注稳定状态下的问题站点(没有车辆或没有空余车位的站点),运用排队理论研究了站点的最大停车数量.

(3)站点初始车辆数.

如何确定每个站点初始最佳的车辆供应数目,是共享交通网络设计的又一关键问题.这个问题涉及共享系统中各站点需求的随机性、用户的不满意度、车辆的调度成本等[15].

(4)取车/还车诱导.

为了满足实时交通需求,在站点间进行车辆的动态再分配是非常有必要的.一个有效的办法就是基于激励机制的取/还车诱导,如通过一定的经济补贴,诱导用户在车辆供应充足的站点取车或前往供应匮乏、离目的地较近而非最近的站点进行还车,或鼓励用户在预定用车时就及时确定还车站点并进行位置预定.

(5)车辆再平衡.

车辆再平衡是指对网络内各站点的车辆进行收回或投放,从而满足各站点随时出现的需求.共享交通系统中的车辆再平衡问题是所有共享交通方式共同面对的问题,只是共享单车因车量大、停放点在城市中几乎处处可见、问题比较典型而被研究得较多.在共享单车再平衡问题中,需要决定或优化运输共享单车的卡车的路径、各站点收回或投放的车辆数;对共享汽车再平衡问题,不会涉及卡车的路径规划,但需分配专门人员并优化驾车路径来完成车辆的再平衡;针对单向小汽车共享网络中的车辆再平衡问题的求解方法,Illgen等[16]给出了一个系统综述,包括混合整数规划和仿真模型等.

一般来说,再平衡问题分为静态再平衡问题和动态再平衡问题.

1)静态再平衡.新能源汽车因其可有效减少城市交通污染而受到政府的支持,这包括纯电动车或混合动力车.以运营者利润最大为目标,在考虑车辆再平衡和非线性纯电动车充电时长的情况下,Xu等[17]建立了一个集合划分模型求解单向车辆共享服务的纯电动车队的规模.在进行车辆再平衡时,需设定每个站点的库存水平,这会因站点和时间变化而不同.在确定该库存水平时,需要考虑站点之间的相互影响[18].针对共享单车的调度问题,Kroes等[19]通过遗传算法生成有效的再平衡路径;Bulh˜oes等[20]考虑了每辆运输共享单车的卡车在各站点进行车辆装卸所耗费的时间,设计了整数线性规划模型并采用分支定界法进行求解.

2)动态再平衡.Zhang等[21]对站点库存车辆数和用户需求进行了预测,建立了非线性的动态再平衡模型,通过对模型的线性化近似和应用滚动时域优化机制,对运输卡车的路径规划和站点车辆的动态调度方案进行了求解;Chiariotti等[22]利用历史数据预测了每个站点库存车辆耗尽的剩余时间,计算各站点的补给成本和期望收益;假设每辆运输卡车的容量不受限制,进而建立了动态再平衡的调度模型,结果显示该方案优于现有的一天2次(凌晨3点和下午3点)的动态调度方案.针对有完整出行预定功能、单向基于站点的小汽车共享系统,Repoux等[23]引入了基于马尔科夫链动力学的、能生成前瞻性再平衡政策的方法,用该方法能更好地预测各站点未来的状态.

3.1.2 特刊

近几年,在共享交通如火如荼的研究中出现了从不同的侧面或维度对该问题的探索,这也体现在该领域特刊的主题选择上.

(1)2015年Scott等在Transportation上围绕“共享交通研究的新方向”主题组织了1期特刊(含6篇论文),其中前2篇论文在区域层面上对假定的共享交通系统进行分析;Ciari等[24]使用基于智能体的活动/出行微观仿真方法来预测引入单程汽车共享的影响;Morency等[25]提出并回答了1个简单的问题:把都市所有私有小汽车用共享车取代的后果会是什么？他们发现,在给定条件下,只需低于现有车辆18%∼34%的共享车辆即能满足现有需求.该特刊第3∼4篇论文研究了2个截然不同的汽车共享市场(即单程汽车共享和商家对商家汽车共享)中的用户行为;Kopp等[26]研究了单程汽车共乘用户的活动/出行行为;Clark等[27]调查了另一类共享交通市场——运营商对运营商(business to business,B2B)的汽车共享.该特刊最后2篇论文中,Nourinejad等[28]研究了共享交通服务提供者的观点;Shaheen等[29]分析共享交通系统的可替代策略.

(2)因共享交通吸引了越来越多相关研究人员的兴趣,2年后Amanda等又在Transportation上组织发表了1期特刊,围绕“以共享和自动化转变交通系统”主题精选了5篇论文.随着自动驾驶时代的临近,自动驾驶车辆的共享也已成为一个值得探讨的课题.这5篇论文中的第1篇(Liu等[30]撰写)考虑的就是这种新技术支持下的共享交通方式在大都市的运行,采用了微观仿真模拟大规模城市路网,该研究表明使用费会影响共享自动驾驶车的使用率.Truong等[31]的研究表明,自动驾驶将使诱导需求大幅增加,由此可能增加出行次数和造成道路拥堵等.该研究进一步展示了通过共享交通提高车内占有率和减少道路交通拥堵的必要性.Becker等[32]的调查表明,汽车共享的经历对自动驾驶车辆的接受程度无明显增加,但建议对共享使用还是拥有自动驾驶车辆的选择问题作进一步研究.这3篇论文研究的都是假设场景,而5篇论文中的后2篇则关注于现实环境中的共享交通.Dias等[33]应用非集计行为选择模型(2元有序Probit模型)对用户选择乘车外包和共乘的频率进行了建模.Miramontes等[34]遵循一个系统化的过程,首先对共享交通站点的利益相关方进行访谈,去了解他们作为服务供应者的目标、兴趣和经验;分析访谈后设计了针对2种用户(共享交通站点的用户和公交用户)的在线调查,找出改进多方式系统的方法;最后,采用焦点小组(focus group)的方法对调查数据进行分析.

(3)Transport Policy也关注共享交通的研究.2016年Shaheen教授围绕“交通与共享经济”主题在该刊组织了1期特刊(含5篇论文).如果说Laporte等[6]在综述时更多关注于使用优化模型的共享交通研究,那么Shaheen[9]组织的这期特刊所关注的是研究使用的方法包括出行调查与面访、回归建模以及出行选择建模等.Efthymiou等[35]使用混合选择模型和混合数据来研究人们参与汽车共享项目的倾向性,发现中低等收入的人群、环境意识强的人群以及因社会因素经常搭乘出租车的人群更倾向于加入汽车共享出行.该特刊中的第2篇论文是麻省理工学院的Zoepf等教授所著的[36],他们对“美国汽车共享市场上用户决策和技术选择”进行了研究;其数据来源于离散选择调查,焦点在于用户如何估价、标价、感知距离、选择出发时间和车辆类型等,结果表明用户更倾向于选择在他们渴望的时间和地点的车辆或者地点有灵活性的车辆.此外,车辆共享也让用户有机会了解车辆新技术的发展,包括电动车、混合动力车、插充式混合动力车等,这对推广低排放或零排放车辆具有重要意义.在第3篇论文中,Clewlow[37]以旧金山湾区为例研究了汽车共享和可持续出行行为,其分析表明:加入车辆共享计划的人或家庭平均车辆保有率远低于未加入该计划的人或家庭;住在郊区且加入共享计划的人比未加入的开车开得少很多;加入共享计划的家庭拥有的车大多是低排放或零排放车辆.该特刊第4篇论文是Shaheen等[38]基于旧金山湾区的调查数据进行了分析,结果表明:参与临时拼车的动机主要在于方便、省时、省钱,但环境和社区方面的动机并不强;3/4的参与者先前乘公交出行或才10%多一点是自己开车的;出行方式选择的关键动因在于临时拼车的目的、年龄和就业状态.第5篇论文是el Genieidy等[39]使用分步多层回归模型进行数据分析,发现设置公共共享单车系统可提高附近房屋的价格.

(4)作为社论,Szeto等[40]综述了他们在Transportation Research Part B:Methodological上组织的1期以“绿色城市交通”为主题的特刊,其中收录的论文内容涉及电动汽车、共享交通和传统绿色运输方式等3个领域(含3篇论文).Zhang等[21]提出了一个解决共享单车动态再平衡问题的新方法,该方法需建立一个非线性多类网络流时空模型,能够预测用户不满意度和在每个站点的单车库存量,实现运输卡车路径的优化和单车再平衡方案的生成.Qian等[41]研究出租车拼车运营中的理论和实际问题,利用其特殊的图结构引入图转换方法来求解该问题;调查各类能鼓励司机和用户参与拼车的激励措施.通过对文献中早晨通勤问题进行扩展,Liu等[42]同时考虑共乘和独立驾车(这里研究的共享是指送孩子上学),分析表明通勤道路瓶颈处的拥堵和总出行费用可通过协调管理和合理安排上学时间来改善,但这种改善是有上限的;另外,当更多人选择共享出行时总出行成本会降低,但到达延误的成本并不一定会随着到达目的地的时间差增大而增加.

3.2 对各类主要共享交通方式的研究现状

因篇幅所限,本研究选择与管理科学、运筹学相关的研究共享交通的代表性论文,且以最近2∼3年发表但未涵盖在上述特刊和Laporte等[6]综述文章中的论文为主.本节也不关注于综述前面提到的所有6类共享交通方式,而是把重点放在共享单车、共享汽车和拼车这3类方式.

3.2.1 共享单车问题

共享单车的再平衡自从公共自行车开始使用以来就是一个热点问题.Li等[43]研究了静态共享单车再平衡问题,不同于其他文献,该研究假定某些类型的车辆可替代其他类型的车辆,某些类型的车辆可占用其他类型车辆的空间,因此建立了一个以总费用最小为目标的混合整数线性规划问题,其费用是由3部分组成:路上的行程成本、因需求未能满足而产生的惩罚成本以及因替代或空间混用产生的惩罚成本(如某用户用了超出他/她需求的车辆、小的车辆占用了大的车辆的空间或位置等).Ho等[44]考虑了一个用多辆车来再平衡共享单车的问题,并提出了一个混杂大临域搜索启发式算法来求解该问题.Liu等[45]研究了一个静态自由流动共享单车再平衡问题,该问题中移动单车的运输卡车可以不一样,每辆卡车负责多个站点且允许多次访问一个站点;还假定存在不同类型的站点,有的取车很方便,有的就比较难,因此取车和还车的成本也不一样;优化的目标在于极小化取车用的不方便水平、未满足的需求和总运营时间的加权和.Szeto等[46]考虑了单车再平衡中多辆车的路径优化和在每个站点取或放多少单车的问题,优化的目标首先是极小化需求不满意度,然后才是总服务时间.

动态再平衡问题要复杂得多.在建模一类动态自行车再平衡问题时,Shui等[47]同时极小化一天中总的未被满足的需求、能耗及CO2排放的总成本.考虑了一种自由流动的系统,该系统允许单车几乎可以随时随地取而不必要在站点取车,这就像前几年在国内出现的共享单车运营和管理的情况.为此,以用户满意度最高和再平衡成本最低为目标,Caggiani等[48]提出了一个动态单车再平衡方法,该方法包括预测单车在运营范围内的时空分布和单车再平衡决策支持系统.

3.2.2 共享汽车问题

建立合理的小汽车共享系统模型是进行该系统设计、评价和实施的重要基础性工作.Kim等[49]把该系统看成是带有移动服务器的排队网.为了把小汽车共享服务的供给和需求联系起来,Jian等[50]提出了一个集成优化模型,用于求解最优车辆再平衡问题.以建立综合性的共享汽车系统模型为目的,Qu等[51]识别该系统中的关键元素,进而提出分4步骤的系统设计过程:用户要求的识别、服务开发、优化与反馈以及验收.

公用共享车辆的共享不可回避的一个问题是车辆本身和司乘人员的调度或再分配问题,这是和车辆再平衡相关的问题.针对这个问题,Boyac等[52]给出了一个多目标混合整数线性规划优化问题和离散事件仿真集成的框架.

在没有司机随车的情况下,异地还车方式在网约车共享中广泛使用.Heilig等[53]展示了把车辆共乘集成到基于智能体的出行需求模型,该模型对在大斯图加特区域为期1周的人的出行行为进行了仿真.在该研究中不仅还车是自由的,而且共乘起点和终点都必须是在车的停靠站.Li等[54]针对单程共享交通方式的出行建立了一个基于活动的含容忍度动态用户均衡模型,在该模型中对共享交通车辆的选择是日常出行链的一部分,从而也扩展了现有的多状态超级网络的描述.

允许随地还车使得车辆共享快速得到认可和推广,但随之而来的停车变成了一个值得研究的问题,解决得不理想会使车辆共享难于持续健康发展.Willing等[55]提出了一个协助自由还车服务提供者,处理车辆供给和顾客需求之间的差异,也协助服务供给者再把服务扩展到一个新城市以降低供需不平衡的风险.

影响选择共享汽车服务的因素也引起大家的关注.比如,允许异地还车大大提高了汽车共享服务的受欢迎程度.Yoon等[56]使用二元多项式回归模型分析了在北京的调查数据,识别了影响选择单程和往返共乘的因素,并比较了其各影响因素之间的差异.采用一个方式选择和潜在变量集成的模型;Li等[57]研究了潜在因素(latent factor)如何影响共享交通服务的使用、调查态度和感知因素对共享汽车和单车选择的影响.

优化共享车队的管理可提高运营者的收益和用户的满意度,为此Strohle等[58]在对车队优化时考虑了如何平衡用户的灵活性.当车队中有纯电动车时就需要考虑充电或接转服务(到某点后换到另一辆车),因此Zhang等[59]构建了一个新的时间-空间-电池网络流模型,优化车辆分配和接转服务,以此摆脱纯电动车电池容量的约束并改进纯电动汽车共享系统的利用率.

3.2.3 拼车问题

拼车为有同样或相似出行计划的人提供了一起结伴出行的机会.共乘策略的成功与否取决于是否能够吸引到足够多的人参与进来.为此,需优化共乘系统的运营管理和共乘市场设计,提升其吸引力.田丽君等[60]考虑了管理部门对拼车通勤行为的支持,构建了基于可交易电子通行权以及鼓励共乘组合政策的刚性通勤需求模型,并在此基础上分析了用户通勤方式的选择,结果表明该组合政策可以有效引导通勤个体从自驾转向拼车出行.在拼车补偿计划存在的前提下,采用组合选择方式和路线的随机拼车用户均衡模型,Yan等[61]研究了拼车用户的需求、拼车司机和只有单人的车辆之间的关系.应用合作对策理论,Lu等[62]研究了共享服务的费用公平分担问题.为了解决动态定价和空车匹配问题,Lei等[63]提出了一个多期对策论模型,最后形成的带均衡约束的动态数学规划模型,再现了共享服务运营者和用户之间相互依赖的决策过程.

共乘还涉及停车收费问题.Ma等[64]以早晨通勤需求通过单个瓶颈交通通道作为场景,考虑了动态共乘方式和动态停车收费问题.该课题组调查了不同的共乘支付和共享停车收费策略,除了固定的停车收费和共乘费用,还利用该模型导出了动态停车收费额和共乘应该支付的费用.Xiao等[65]进而考虑了在目的地有停车约束的问题,为此在该场景之外提供公交作为另一个选项.Di等[66]针对共乘车辆的网络设计问题构建了一个双层规划模型,其上层目标是系统费用最小,下层目标为共乘用户均衡分配;在该模型中允许出现高占有率收费车道.

出租车拼车也是管理日益拥堵的城市交通时呼之欲出的一种措施.一方面因发放的出租车牌照有限而导致用户在高峰期难乘到出租车,另一方面出租车司机觉得等待在拥堵的道路中减少了他们的收入,此时拼车成为出租车司机和用户的共同需求,一来用户有车可乘,二来提高了出租车司机的收入.为了提高顾客的满意度,也让车辆少跑不必要的路线,在线拼车平台为此提供了更好的机会,也就是协助具有同样或类似出行特征的、不同人的用车需求拼在一起,同时把用户的不同需求在出行前解决.Barann等[67]提出了一个单对单匹配实现出租车拼车的方法;Yang等[68]定量化出租车服务的供与需、路网和公众接受出租车拼车的程度对一个城市最优出租车数量的影响.

在一个动态的共乘系统中,用户的实时需求有不能得到满足的可能,为此可雇用一批专职共乘车辆的司机来服务于那些可能找不到共乘对象的用户.Ord´o˜nez等[69]综述了在动态共乘研究中的新进展,包括新的车辆路径诱导模型、费用共享机制以及考虑了共乘的规划模型等.在一个信息不完全的动态共乘系统中,Wang等[70]考虑共乘用户与司机匹配的稳定性问题,通过不同的数学规划模型建立了稳定或近稳定匹配方案.在一个假定的早通勤交通通过一瓶颈处的场景里,Wang等[71]研究了收费与补偿可变比例策略下的动态共乘问题.

车联网环境下私家车的拼车将成为拼车市场的一个拓展方向,同时为拼车理论的研究提供全新视角.周桂良等[72]提出了通过结合车联网技术与拼车系统,可提升拼车系统的实时性、协调性和安全性,解决现有拼车过程中存在的安全性低、实时性差、多源多人合乘难以实施、多车协同难等问题,实现了不确定需求下多车实时协同的多人动态随机拼车.

作为第一公里或最后一公里交通问题的解决方式,共乘或拼车也是一个理想的选择[73-74],特别是这些车辆可停在换乘站点(如火车站、机场、停车-换乘系统的站点等).针对第一公里共乘或拼车问题,Bian等[75]设计了一套考虑用户个性化要求的机制,可以实现车与用户的匹配、车辆路径优化和个性化定价.该模型具有个体理性、激励相容性和价格非负这3个重要性质.在此系统运行中,还涉及司机调度(diver dispatching)问题[76].Wu等[77]考虑了用共享单车接驳的公交网络的最优设计问题.

3.2.4 需求响应式共乘系统

需求响应式共乘系统可以说是早期的共享交通,是通过电话实现共享的.随着互联网技术的发展,该方式也随之发生了改变.借助在线平台运营的单位班车是典型的此类共享交通系统,虽然用户的出发点不一样但目的地是一样的;多个单位共享一趟班车也属于这种类型,只是目的地有多个.对于电话叫车服务(dial-a-ride,DAR),Ho等[78]把关注的重点放在2007年之后该方式的发展,分析了用户和车辆的异质性、用户的换乘、人力资源的要求、空驶率等.该方式运营可对应不同的问题,包括静态确定性或随机性DAR问题、动态确定性或随机性DAR问题等.Ho等[78]还分析了该方式在信息与通讯技术发展下的机遇和挑战、共享经济和出行模式的变化、绿色交通以及自动驾驶等相关问题.为研究大城市路网上需求响应式运输服务系统,Rahimi等[79]给出了一个连续近似的模型并提出了一个能够评价该方式政策实施效率的系统性方法,进而识别出与出租车对接协调可降低费用的不同场景.用一个具有一般性的解析框架,Daganzo等[80]对有门到门服务的公交系统进行了建模,该模型包括传统的非共享出租车和需求响应式交通.

3.2.5 自动驾驶车辆共享问题

共享交通方式的一个最大优点在于可瞬间或很快得到服务,这是因为在互联网或智能移动设备的协助下,车辆司机可定位用户的位置以及用户很方便知道可用车辆的位置.另外,还车的位置可以不事先确定,用户用完车辆后可直接放置在活动结束的地方.共享交通车辆的使用大多是单向的,这就必须解决车辆被使用后的调度和再平衡的问题,包括车辆司乘人员的调度和再平衡问题.

自动驾驶与共享交通的结合符合共享交通运营的客观需求,在其进入实施后共享交通必定会注入新的发展动力,这是因为自动驾驶避免了司乘人员的调度或再分配问题,从而能够为共享交通带来更大的灵活性[81],也使得自动驾驶车辆能够进行大规模需求响应,实现连续运营和自动到达指定位置的目标.Stocker等[82]对共享自动驾驶车辆的运营模型进行了分析,包括运营者对用户、用户对用户、外租等模式;Iacobucci等[83]研究表明,只需现有私家车保有量的10%∼14%的自动驾驶车辆即可提供同样水平的交通服务;Narayanan等[84]就自动驾驶车辆共享服务进行了一个全面的综述;Tian等[85]对车流中有共享自动驾驶车辆的早通勤问题进行了建模,并考虑了停车约束问题.

3.2.6 共享交通的影响问题

共享交通因其特有的优势使其用户越来越愿意放弃原有的私家车以及拥车/购车的意愿.Namazu等[86]调查了不同共乘服务类型的成员的多少对车辆保有量的影响.研究结果表明:①共乘服务可降低私有车保有量;②提供往返共乘的服务比单程共乘服务更有助于降低保有量.通过对调查数据的分析,Namazu等[87]回答了3个问题:①早期的共乘用户对单程和双程共乘服务是否敏感？(答案:是)②早期和后来的共乘用户是否在家庭条件上有所不同？(答案:是)③早期用户数据导出的结果是否可用来预测后来的用户？(答案:否).另外,利用随机森林算法分析了当地居民出行行为的影响因素及其重要性程度.Di等[88]给出一个统一的均衡框架对共享交通系统进行建模,包括独自驾车、共乘或拼车、电召车服务等,该框架可用于分析共享交通的影响.

共享交通系统中用户和运营者都会随着时间的推移逐步调整自己的行为或选择,从而实现各自的利益最大化.对该系统建模是一个重要的研究内容,包括对用户和运营者行为的建模.为此,Djavadian等[89]构建了一个基于智能体的逐日调整过程来对允许用户和运营者调整各自行为的运输市场进行建模.针对乘车外包市场,Yang等[90]给出了一个集成激励策略和激增定价的模型.

用户在选择使用共享交通时会考虑成本或行车时间、时间的可靠性或不确定性.这种不确定性最明显的体现是实际行程时间的变化比较大.针对不确定性行车时间的共乘问题,Long等[91]提出了一个随机共乘模型,其中假定行程时间是随机的,并服从一个有正下界的随机分布;广义出行费用由开车成本、行程时间成本、早到或晚到的成本这3部分组成.利用随机共乘模型分析了驾车的单位可变费用、用户的时间价值和行程时间的不确定性对节省共乘出行费用的影响.Long等还提出了一个双目标共乘匹配问题,以求总广义出行费用节省量和匹配量的最大化.

共享交通方式的实施对降低污染排放速度有可预见的效果.不可忽视的是,共享交通的运营也会产生诱导交通,如车辆的再平衡或调度会满足需求不平衡分布的问题,或把不可用/损坏车辆做相应处理等,这些都会不可避免地产生新的污染排放.Wang等[92]以最小化再平衡过程中产生的CO2排放为目标,对共享单车的再平衡过程进行了优化.除以共享单车为例研究了共享交通对城市碳排放的影响外[93],Wang等还基于计划行为理论(theory of planned behavior)和系统动力学的耦合,建立了城市共享单车出行的碳减排潜力模型,利用情景分析法设计了6种不同的情景:基准情景、价格调控情景、交通投资情景、环境教育情景、规划调控情景和出行替代情景.模拟预测了不同情景下城市共享单车的碳减排潜力,并从多利益相关方的角度提出了共享单车出行碳减排的政策建议.

4 发展动态分析

今后,针对共享经济背景下共享交通的研究与实践[94-95]将继续受到越来越多的关注.这些关注正促使各方努力提供更多样化的、更好的服务,降低城市中出行人群的出行成本,缓解交通拥堵和污染排放的持续恶化.在这一系列问题上,针对共享交通的研究已比较深入、成熟,并开始为政府和运营者的决策服务,也提供了一个很好的基础去对共享交通方式的运营管理进行更全面、更系统的调查分析,从而实现各共享方式协调运营和一体化管理.以下10点值得继续研究.

(1)对各类共享交通方式的研究在文献中是分开进行的,现在需要研究这些共享交通方式之间的竞争或互补的关系.事实上,一次出行往往是由多种交通方式共同完成的,这些交通方式和一次出行完成的活动一起构成了一条完整的出行链;链上的一段路程可能有多种方式可选.预测共享交通各种方式的需求必须把各类共享交通方式放在一起研究,研究出行者决定自己的出行方式链的机理.

(2)优化共享交通方式之间与传统运营模式交通方式之间的衔接是提高出行方式链质量的必然要求.一次出行往往由多个交通方式共同完成,包括共享交通方式以及私家车、大容量公交等传统运营模式的交通方式.这些不同方式之间的衔接效率或便利程度如何直接影响到出行方式链的质量.

(3)与各种共享交通方式匹配的基础设施应该是相互协调的.这类设施不仅应设置在居住小区、公交站点、大型就业点、学校、医院等处,而且还应设置在大型交通枢纽和场站内外.不同方式的设施可以毗邻,或共享停靠.

(4)用户与共享车辆之间的匹配是共享交通方式运营管理中的另一个核心问题.在使用共享交通方式时,用户和车辆之间是通过在线平台实现对接的,这会涉及用户用车信息的发布和运营者如何分配车辆、取车点或上车点.匹配机制直接关系到共享交通方式服务的品质.

(5)分别从政府的角度和共享交通运营者的角度出发,研究影响或引导共享交通方式使用的政策与措施.共享交通为公众服务,需要政府全方位的监管,内容包括质量、安全性、定价、企业的社会责任(如环保)等.

(6)共享交通对交通结构和出行行为的影响.目前对共享交通的研究大多是基于大数据分析(尚未纳入居民出行调查),对共享交通出行意愿的调查也相对片面(如大量市民不知共享交通为何物等),研究共享交通对交通结构的影响有助于引导城市交通向多元化方向发展,有助于制订科学的引导市民出行行为的政策,以及确定合理的交通设施优化改造的方向.

(7)共享交通对城市与交通规划技术转变的影响.共享交通的广泛应用可能会打破原有城市与交通规划指标体系,如城市功能区布局、交通枢纽布局、居住端与非居住端停车位配置、道路路权分配等.

(8)共享交通实施中涉及的与经济、产权、法律、行为心理等相关的问题.以共享汽车为例,运营商的准入、竞争及退出机制、交通事故责任问题的解决等都需要妥善的政策和法律法规来支撑,确保共享交通的可持续发展.

(9)如何建立共享交通系统评价体系,或者说建立一个怎样的共享交通评价体系.共享交通和其他传统交通方式一样,都面临生存和发展的问题,在传统交通方式仍然占据主导地位的情况下,如何评价共享交通存在的必要性、发展的可能性以及未来的优越性？

(10)如何应用数据科学(大数据)、云平台、地理信息系统等新的信息技术来更好地服务于共享交通方式的运营管理.事实上,这些信息技术及其形成的服务平台为开展共享交通系统的研究提供了大量数据,为开展实证研究以及出行规律研究提供了较好的支持,同时也为政府和共享交通服务运营者提供了更丰富的管理资源和改善共享交通运营管理的手段.