服务水平约束的公共自行车共享系统的策略设计外文翻译资料

 2022-04-25 10:04

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服务水平约束的公共自行车共享系统的策略设计

摘要

本研究涉及公共自行车共享系统的战略规划，并考虑到服务水平，在考虑到用户和投资者的利益时，该模型试图确定自行车站的数量和位置，站点之间连接的自行车道的网络结构，以及用户在每一对车源和目的地之间的出行路径，通过一个小的例子来说明所提出的模型。灵敏度分析也是为了更好地了解系统的重要参数是如何影响系统设计的。

关键词：自行车共享系统 服务水平 设施选址 公共交通

1.介绍

公共自行车系统也被称为自行车共享系统，作为城市交通系统的一部分，将公共交通系统的可达性扩展到最终目的地。公共自行车系统通过与其他公共交通系统相结合，为城市旅行提供免费或负担得起的自行车，公共自行车系统用于减少在中央商务区内短途旅行时使用汽车，从而减轻交通拥堵并减少噪音/空气污染。自行车系统被视为一种创新的城市交通模式，以满足许多上班族的需求，并将其与其他公共交通系统整合。这个想法是通勤者可以在需要时随时骑自行车，并在到达目的地时将其留在后面。

自从20世纪60年代首次在阿姆斯特丹推出公共自行车（即所谓的白色自行车计划）以来，世界各地的城市都在推广公共自行车系统，如巴黎、巴塞罗那、柏林、蒙特利尔、盐湖城等。公共自行车系统的成功在很大程度上取决于自行车道的网络以及自行车可以被捡起和返回的自行车站的位置。然而，文献中关于这些公共自行车系统战略设计的研究相对较少，寻求填补这个空白是本文的基本动机。因此，在考虑城市公共自行车系统的战略设计时，我们因此解决与自行车车道相关的网络设计问题以及与自行车上落客站有关的设施位置问题。

这种系统的优化设计需要综合考虑用户的旅行成本，自行车站的设施成本，自行车道的设置成本以及服务水平，该服务水平以两者的覆盖范围来衡量车站自行车要求的起源地和目的地以及可用率。本研究旨在开发提供这种综合观点的数学模型，所提出的模型试图确定系统中自行车站的数量和位置，车站之间连接的自行车路径的网络结构以及每对来源和目的地之间的用户的行进路径进行分析，设计决策需要达到平衡或在总体成本和服务水平之间寻找适当的权衡。这种模式的主要关注点是自行车站设施投资的长期决策，自行车道建设的设置成本，自行车库存成本以及自行车用户的路径出行成本。

自行车站用于分发和收集公共自行车。用户流量被整合到一些自行车站中，公共自行车可以被拿起，然后用户可以从那里前往另一个自行车站放弃自行车。因此，自行车站扮演的角色与典型的中心辐射式系统中的枢纽相似。所提出的模型可以被看作是考虑到覆盖水平的枢纽位置模型。我们首先回顾有关枢纽定位问题的文献。由于在交通和电信系统中使用中心辐射网络，枢纽位置问题已成为重要的典型设施位置问题之一。集线器和辐条网络系统通过原点/目的地和集线器之间以及集线器对之间较小的一组链路服务于每个起点/目的地的需求，而不是直接链接服务需求。枢纽位置问题涉及确定枢纽设施并确定连接起点，目的地和枢纽的链接。自O#39;Kelly（1986）的早期工作以来，枢纽位置问题已被应用于设计航空运输网络（Aykin，1995; O#39;Kelly，1998; Adler，2005），以找到快递公共运营商的枢纽位置（Lin和Chen，2004,2008），设计包裹服务网络（Ernst和Krishnamoorthy，1999; Wasner和Zapfel，2004），以及定位多式联运货运枢纽（Racunica和Wynter，2005）等。基本枢纽问题的扩展包括具有流量相关成本折扣的模型（O#39;Kelly和Bryan，1998），允许直接起点 - 终点路径的模型（Aykin，1995），考虑枢纽设施容量限制的模型（Yang，2008; Rodriguez （Marianov等，1999; SkorinKapov，1998; Adler，2005），以及确定枢纽弧的模型（Campbell等，2005a，2005b）。（Ebery et al。，2000），基于拉格朗日松弛的方法（Aykin，1994），双重上升方法（Mayer和Wagner，2002），枚举算法（Ernst and Krishnamoorthy ，1998）和启发式（Klincewicz，1992,2002）。由于轮毂定位问题难以准确解决，因此有许多启发式技术用于解决文献中为各种应用提出的许多类型的轮毂定位问题。 Campbell等人（2002）对枢纽位置问题的应用和解决方案进行了广泛的调查。

本研究提出的服务水平是通过起点和终点的覆盖范围以及车站自行车要求的可用率来衡量的。正是由于这个原因，在这里也回顾了有关最大覆盖问题的相关研究。最大覆盖模型最初由Church和ReVelle（1974）制定，并已用于各种应用。如果设施位于该位置的给定距离S内，则需求位置被“覆盖”。最大的覆盖问题标识了在至少一个设施的距离S内最大化需求量的P位置。在标准最大覆盖问题中，P是输入参数。然而，该模型的固定费用版本可以用于优化Mirchandani和Francis（1990）和Daskin（1995）目前关于最大覆盖问题的应用和解决方案调查值的可能值。

一些研究还应用覆盖问题的概念来衡量服务水平。基于覆盖范围性能考虑的服务水平的物流系统设计模型包括Nozick和Turnquist（2000），Nozick（2001）和Lin（2006）等人的工作。考虑到覆盖性能考虑因素的公共交通系统设计模型包括Bruno等人的工作 （2002），Murray（2003），Wu和Murray（2005）以及Matisziw等人（2006年）。

为确保中枢网络可以有效处理通过中心和不确定需求的流量，中心位置模型中可能会包含若干性能限制。但是，这些限制在电信系统和物流系统中最为常见，包括需求不确定性和性能约束的物流系统设计模型包括Cole（1995），Nozick和Turnquist（1998,2000,2001），Shen等人的著作（2003），Miranda和Garrido（2004）以及Lin等人（2006）。本研究中使用的模型可以被看作是具有性能约束的枢纽位置模型。

本研究做出如下贡献：（1）虽然有一些关于自行车系统的研究，但其中大多数都关注安全问题。在我们对相关文献的回顾中，我们没有发现任何研究解决自行车车道的网络设计以及与公共自行车系统中自行车站位置有关的问题。因此，本文开发了公共自行车系统战略设计的数学模型。迄今为止，这在文献中尚未提出。（2）该模型是从实践的角度设计的，因为它考虑了用户和投资者的利益。提供给用户的服务水平通过需求覆盖水平，车站自行车的可用性和旅行成本来衡量，而自行车库存成本，自行车站和自行车道的设置成本也是从投资者的角度考虑的。（）创建一个人为的例子来测试所提出的模型，敏感性分析也被用来更好地洞察和理解所提出的模型的特性。

本文的其余部分组织如下：在第2节中，提出了问题的定义，并建立了公共自行车系统战略设计的数学模型：在第3节中，创建了一个人工网络来说明所提出的模型，也进行敏感性分析以深入了解问题；最后，第4节讨论了一些结论性意见。

2.模型的建立

2.1问题描述

这个问题可以概括如下：给定一组起点，目的地，自行车站的候选地点，以及具有已知参数的从起点到终点的随机旅行需求，我们想确定在哪里定位自行车站，在哪里建立自行车道，以及应该采用何种路径用于从每个来源到每个目的地的用户。由于公共自行车系统被设计为通过提供与目的地的最终连接而与其他公共交通系统集成，所以用户从起点到终点的旅行由三部分组成：（1）用户从起点走到自行车站（2）使用者将自行车从拾取自行车站乘坐到目的地附近的自行车站放下自行车，以及（3）使用者从放置的自行车站到达目的地。公共自行车系统设计为与其他公共交通系统集成，与其他公共交通系统相结合的公共自行车系统的一个重要特征是它可以实现单程行程，因此其设计应该是便于单向使用。由于用户必须在自行车站接送和放弃自行车，因此只能访问单个自行车站的路径不可行。本研究所涉及的公共自行车系统的总体结构如图1所示。本研究中并未明确考虑出租车站之间现有的街道网络结构。我们只考虑车站之间的直接联系，因为这避免了在现有街道网络的已建成的自行车道上分配骑乘自行车交通的所有复杂情况。然而，这种模式的结果需要进一步的指导自行车道投资的治疗。

用户在便利的地点和足够的数量上找到自行车站对于系统的成功至关重要。这些系统需要足够的站点供用户靠近起源地拾起自行车，并将其靠近他们的目的地。现有的例子表明，自行车站不应位于离重要交通起点和目的地超过300-500米的地方。另一方面，该系统的成功对系统保证自行车的可用性也很重要。每个出租站都必须携带足够的自行车，以增加每个用户在需要时可以找到自行车的可能性。因此，系统中的服务质量测量包括可用率（即，自行车库存量所满足的自行车站提货要求的比例）和覆盖水平（总需求的比例在距离最近的出租站某段特定时间或距离内的起点和终点处）。只有在其出发地和目的地都被覆盖的情况下，旅行才被视为覆盖。较少的出租车站导致整体自行车库存成本降低，但也降低了需求覆盖率。相比之下，拥有更多电台的网络还允许在出发地/目的地和电台之间进行短途旅行，因此可能会降低总旅行成本。但由于车站数量较多，建设和运营车站的额外费用将会发生。因此，自行车站的数量和用户的旅行成本之间有一个基本的折衷，基于网络结构，我们准备为系统提供数学模型。

2.2数学模型

为了制定这个问题，首先引入以下符号，变量和参数。

终点

下车自行车站

皮卡自行车站

自行车站之间的用户移动速度更快。

具有给定需求的每个起始/目的地对

起点

来源/目的地和自行车站之间的用户移动由圆弧表示。

取货和下车自行车站之间的用户移动用圆弧表示 。

图1.公共自行车系统的网络结构

下标和集合

iisin;I 表示起源

jisin;J 表示目的地

k iisin;K 表示潜在的自行车上下车站

输入参数

lambda;ij 是从出发地i到目的地j的年平均旅行需求

sigma;ij 2 是从出发地i到目的地j的旅行需求的每日差异

T是每年的天数（用于转换每日需求）

h年度自行车持有成本

tau;是几天内在自行车站的自行车补货时间

lambda;是自行车站要求的自行车的期望可用率

Zrho;是标准正态偏差，使得P（z lt;zrho;）= rho;

dIK是从原点到自行车站k的距离

dkl是从自行车站k到自行车站l的距离

dkj是从自行车站k到目的地j的距离

fk是在k处定位自行车站的固定成本

ckl是从自行车站k到l构建自行车道的建设成本;如果已经存在，它等于0

qik 如果位于候选地点k的自行车站不能覆盖原点i的需求，则等于1，否则为0

qjl 如果位于候选地点l的自行车站不能覆盖目的地j的需求，则等于1，否则为0

alpha;是从一个人的起源到自行车站的链接上的单位运输成本

beta;是从自取车站到下车自行车站的单位旅行费用

Ɣ是从自行车站到人的目的地的链接的单位旅行成本

delta;是起源和目的地未发现需求的单位罚金成本

决策变量

Xk如果自行车站k打开，则等于1，否则为0

Yiklj如果从原点i到目的地j的需求依次通过自行车站k和l，则等于1; 和0

除此以外

Zkl如果需要在自行车站k和l之间连接自行车道，则等于1; 否则为0

基于符号，可以制定下面的数学模型：

(1)

因此

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

目标函数（1）包含八个项。第一项是从起源到自取车站连接的旅行费用总和；第二项是自行车站之间的交通费用总和；第三项是从下车自行车站到目的地的旅行费用总和； 第四项是自行车站设置成本的总和；第五项是自行车道设置成本的总和；第六项是未发现需求的罚金成本之和；第七项是自行车库存成本；第八项是自行车安全库存成本。该模型最大限度地减少了八个条款的总体总成本。

我们假设从起点i到目的地j的日常出行需求是正态分布的，平均值lambda;ij/T和标准偏差sigma;ij。因此，在补充提前期tau;期间对车站k的自行车的需求具有由下式定义的均值和标准偏差。该站必须有足够的库存以确保在补货提前时间tau;内出现自行车的概率较低（1-rho;）。在k站所需的库存水平则包括自行车库存加上安全库存。因此，自行车循环库存成本是在所有站点保持的自行车库存量乘以保持成本h，并且自行车安全库存成本是在所有站点保持的安全库存量乘以保持成

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