[發(fā)明專利]一種基于雙層規(guī)劃的共享自行車區(qū)域投放規(guī)劃方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810958834.1
• 申請(qǐng)日: 2018-08-22
• 公開（公告）號(hào): CN109190813B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡郁蔥;黎俊廷;龔雋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06Q10/04
• 分類號(hào): G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/26
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種基于雙層規(guī)劃的共享自行車區(qū)域投放規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)獲取擬提供服務(wù)的共享自行車系統(tǒng)的規(guī)劃基礎(chǔ)資料，包括備選共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)資料、交通小區(qū)資料、交通小區(qū)和備選共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)距離資料、交通小區(qū)之間的共享自行車出行需求資料、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本資料、路網(wǎng)相關(guān)資料；

2)根據(jù)獲取得到的基礎(chǔ)資料，構(gòu)建各條出行路徑的廣義出行成本函數(shù)，其中廣義出行成本由步行時(shí)間和騎行時(shí)間兩部分構(gòu)成；

構(gòu)建各條出行路徑的廣義出行成本函數(shù)，包含如下步驟：

2.1)建立共享自行車出行路徑：共享自行車出行路徑是指用戶使用共享自行車從起點(diǎn)到終點(diǎn)的單向出行過程假設(shè)有k條路徑，每條路徑共包括5個(gè)階段：a、從起點(diǎn)交通小區(qū)r步行至借車點(diǎn)m；b、在借車點(diǎn)m借車；c、使用共享自行車從借車點(diǎn)m騎行至另一還車點(diǎn)n；d、在還車點(diǎn)n還車；e、從還車點(diǎn)n步行至終點(diǎn)交通小區(qū)s；

2.2)計(jì)算步行時(shí)間：步行時(shí)間是指用戶從起點(diǎn)步行至借車點(diǎn)m或從還車點(diǎn)n步行至終點(diǎn)所用的時(shí)間；假設(shè)交通小區(qū)出行需求均勻分布，因此共享自行車出行的起點(diǎn)和終點(diǎn)能夠看成起訖點(diǎn)交通小區(qū)的形心；步行時(shí)間計(jì)算公式為：

式中，分別為起點(diǎn)交通小區(qū)r的形心至借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n至終點(diǎn)交通小區(qū)s的形心的步行時(shí)間；s_rm、s_ns分別為起點(diǎn)交通小區(qū)r的形心至借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n至終點(diǎn)交通小區(qū)s的形心的距離；v_w是用戶平均步行速度；

2.3)計(jì)算騎行時(shí)間：騎行時(shí)間是指用戶從借車點(diǎn)m騎行共享自行車到還車點(diǎn)n的時(shí)間，騎行時(shí)間與借還點(diǎn)距離以及路段流量有關(guān)，騎行時(shí)間計(jì)算公式為：

式中，為借車點(diǎn)m騎行共享自行車到還車點(diǎn)n的騎行時(shí)間；c為單位租賃費(fèi)用；τ為旅行時(shí)間價(jià)值；s_mn是借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n之間的距離；v_f是在自由流狀態(tài)下借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n之間的共享自行車的速度；k_j是借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n之間的共享自行車阻塞密度；ξ為速度折減系數(shù)，若設(shè)置了共享自行車專用道ξ＝1，否則0＜ξ＜1；q_mn為m和n之間的共享自行車流量，計(jì)算公式為為OD對(duì)(r,s)之間的出行路徑k上的共享自行車出行量；

2.4)計(jì)算各出行路徑的廣義出行成本函數(shù)：用戶在OD對(duì)(r,s)間第k條路徑使用共享自行車出行的成本包括步行時(shí)間成本和騎行時(shí)間成本，計(jì)算公式為：

式中，為交通小區(qū)r到交通小區(qū)s的廣義出行成本；分別為起點(diǎn)交通小區(qū)r的形心至借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n至終點(diǎn)交通小區(qū)s的形心的步行時(shí)間；為借車點(diǎn)m騎行共享自行車到還車點(diǎn)n的騎行時(shí)間；

3)分別以共享自行車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最優(yōu)和用戶均衡為上層模型和下層模型，建立基于雙層規(guī)劃的共享自行車區(qū)域投放規(guī)劃模型，包含如下步驟：

3.1)對(duì)模型的建立提出如下假設(shè)：

①模型中的投放點(diǎn)為區(qū)域投放的虛擬投放點(diǎn)，該點(diǎn)的投放量是這一區(qū)域投放量之和；

②共享自行車流是單向的，即總是從借車點(diǎn)到還車點(diǎn)，任意投放點(diǎn)都具備借車和還車功能，視其在出行路徑中的位置而定；

③各交通小區(qū)的需求或吸引發(fā)生點(diǎn)是該小區(qū)共享自行車發(fā)生量和吸引量最集中的點(diǎn)，但是該點(diǎn)并不一定是小區(qū)的形心，不考慮小區(qū)內(nèi)的交通出行，各小區(qū)的需求量是根據(jù)數(shù)據(jù)獲得的需求量，因此建立的模型是一個(gè)確定需求條件下的靜態(tài)模型；

3.2)以系統(tǒng)用戶出行成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立上層模型，需要滿足的約束條件為：①共享自行車系統(tǒng)建設(shè)資金不超過投資資金上限；②共享自行車系統(tǒng)日常運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用不超過系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)資金上限；③共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)的數(shù)量不超過相應(yīng)范圍；

Subject to:

式中，q_rm為起點(diǎn)r至借車點(diǎn)m借車的客流量；q_ns為還車點(diǎn)n至終點(diǎn)s借車的客流量；q_mn為m和n之間的共享自行車流量，計(jì)算公式為為OD對(duì)(r,s)之間的出行路徑k上的共享自行車出行量；分別為起點(diǎn)交通小區(qū)r的形心至借車點(diǎn)m和還車點(diǎn)n至終點(diǎn)交通小區(qū)s的形心的步行時(shí)間；為借車點(diǎn)m騎行共享自行車到還車點(diǎn)n的騎行時(shí)間；b_x為投放的共享自行車數(shù)量；y_x為決策變量，當(dāng)投放點(diǎn)被選中時(shí)y_x＝1，否則y_x＝0；c_b為共享自行車單價(jià)；C_f為共享自行車系統(tǒng)建設(shè)的資金上限；c_o為投放點(diǎn)每小時(shí)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用；C_v為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)資金的上限；為投放點(diǎn)數(shù)量下限，取值不小于規(guī)劃區(qū)域內(nèi)交通小區(qū)的個(gè)數(shù)；為投放點(diǎn)數(shù)量上限；

3.3)下層模型為共享自行車系統(tǒng)用戶均衡模型，需要滿足的約束條件為：①OD對(duì)(r,s)之間各路徑上的共享自行車流量之和等于該OD對(duì)之間的共享自行車需求量；②路徑上的共享自行車流量為非負(fù)值；

Subject to:

式中，q_mn為m和n之間的共享自行車流量；為借車點(diǎn)m騎行共享自行車到還車點(diǎn)n的騎行時(shí)間；q_rs為OD對(duì)(r,s)之間的共享自行車出行量；為OD對(duì)(r,s)之間的出行路徑k上的共享自行車出行量；

4)對(duì)共享自行車區(qū)域投放規(guī)劃模型進(jìn)行求解，得到各區(qū)域投放點(diǎn)的位置以及共享自行車配備方案；其中，求解共享自行車區(qū)域投放規(guī)劃模型的方法為啟發(fā)式算法，選擇結(jié)合遺傳算法的混合粒子群算法進(jìn)行求解，求解過程如下：

①將下層模型轉(zhuǎn)化為其一階條件，公式如下；用下層模型的一階條件代替下層模型，得到一個(gè)與雙層規(guī)劃模型等價(jià)的單層模型；

式中，M、ε均為正數(shù)，M＞＞ε；為表征流量大小的變量，當(dāng)否則為OD對(duì)(r,s)之間的出行路徑k上的共享自行車出行量；為交通小區(qū)r到交通小區(qū)s的廣義出行成本；u_rs為OD對(duì)(r,s)之間的最短出行時(shí)間；

②令迭代次數(shù)t＝0，利用隨機(jī)函數(shù)生成初始值和初始速度以及決策變量y_x的初始值當(dāng)投放點(diǎn)被選中時(shí)y_x＝1，否則y_x＝0；

③采用粒子群算法更新的位置和速度采用遺傳算法中的選擇、交叉、變異策略更新y_x的位置

④根據(jù)算法的收斂準(zhǔn)則判斷結(jié)果是否滿足迭代停止條件，若滿足，則得到問題的最終優(yōu)化結(jié)果；若不滿足則返回到步驟③繼續(xù)求解；

⑤根據(jù)模型的求解結(jié)果，得到共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)的位置以及需要投放的共享自行車數(shù)量。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙層規(guī)劃的共享自行車區(qū)域投放規(guī)劃方法，其特征在于，在步驟1)中，所述備選共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)資料包括擬提供共享自行車的服務(wù)范圍、服務(wù)范圍內(nèi)的共享自行車客流產(chǎn)生情況和共享自行車客流產(chǎn)生點(diǎn)位置，以此確定共享自行車區(qū)域投放備選投放點(diǎn)位置，共享自行車客流產(chǎn)生情況以及產(chǎn)生點(diǎn)位置通過交通調(diào)查獲得；所述交通小區(qū)資料包括擬提供共享自行車的服務(wù)范圍內(nèi)交通小區(qū)的劃分情況以及交通小區(qū)內(nèi)共享自行車投放區(qū)域的用地性質(zhì)；所述交通小區(qū)和備選共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)距離資料包括交通小區(qū)形心到共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)的距離以及各共享自行車區(qū)域投放點(diǎn)之間的距離，從共享自行車系統(tǒng)規(guī)劃方案獲得；所述交通小區(qū)之間的共享自行車出行需求資料是指各交通小區(qū)時(shí)間的共享自行車出行OD量數(shù)據(jù)，從歷史數(shù)據(jù)或者交通調(diào)查獲得；所述建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本資料包括共享自行車單價(jià)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用、租賃費(fèi)用和旅行時(shí)間價(jià)值，通過市場(chǎng)調(diào)查和共享自行車系統(tǒng)規(guī)劃方案獲得；所述路網(wǎng)相關(guān)資料包括擬提供共享自行車服務(wù)范圍內(nèi)的路徑情況、道路阻抗函數(shù)、共享自行車騎行速度和用戶步行速度，從共享自行車系統(tǒng)規(guī)劃方案獲得。