2023年西安市经开区公共自行车服务系统设计.doc

西安市经开区公共自行车效劳系统设计 本文以西安市经济开发区公共自行车效劳系统为背景的车辆分配调度和选址问题。建立快速、便捷的城市公共交通体系是道路拥堵和空气污染问题的有效手段之一，而公共自行车租赁效劳系统的纳入使公共交通效劳网络趋于更加完善。本文从居民出行需求和交通设施供应角度出发，分析了目前公共自行车的使用特征与问题，建立模型进行求解，对题中三个根本问题进行了全面综合的答复。 在现有自行车租赁点信息中，首先根据车辆需求数据建立了车辆分配和调度模型，接着结合西安市的实际数据，采用一种改良的遗传模拟退火算法来求解公共自行车分配和调度问题。 为了扩大自行车租赁规模，为广阔市民提供便捷的租赁平台，在待选点中确定扩建租赁点数目和位置。本文构建分层评价体系，按人体行为、建设费用、运营协调三个准那么量化评价指标，基于TOPSIS选址评价模型，建立指标评价体系进行分析确定网点的具体位置并分配车辆。 最后，对第以上问题进一步研究，根据需求平衡确定车辆在限定时间内的调度方案，做到将自行车合理分配。 通过实例对模型进行验证结果说明：以上模型能够有效解决城市公共自行车租赁点的布局问题，使公共自行车租赁系统更加有效地运行，到达资源最大化的利用以及最大限度的满足消费者需求的目的. 关键字：公共自行车，交通系统，遗传退火算法，TOPSIS模型，优化 目录 一、问题重述 2 1.1 问题背景 2 1.2 目标任务 3 二、问题假设 3 三、符号说明 3 四、模型建立与求解 4 4.1 问题一 4 4.1.1车辆分配模型 4 4.1.2.车辆调度模型 6 4.1.3模型算法设计 8 4.1.3.1遗传模拟退火算法的结构流程 8 4.1.3.2 适应度函数 8 4.1.3.3 选择、交叉和变异操作 9 4.1.3.4 模拟退火操作 9 4.1.3.5模型计算 10 4.2问题二 12 4.2.1三层评价体系建立——问题的简化 12 4.2.2租赁点方案评价体系建立 13 4.2.3 TOPSIS 模型 选址评价方案 15 4.2.4 模型求解 17 4.3问题三 21 4.3.1车辆调度模型修正 21 4.3.2模型求解 22 五、模型的评价 22 参考文献 23 附录 23 1. 数据图表 23 2.程序代码 25 2.1个体适应度计算 25 2.2比例操作计算 26 2.3交叉变异 26 一、问题重述 1.1 问题背景 随着经济的不断开展，我国各级城市的机动车保有量都进入了持续高速增长时期，交通拥堵问题、能源问题、环境问题日益突出，引起了政府以及百姓的极大关注。 众所周知，建立快速、便捷的城市公共交通体系是解决这一问题的有效手段之一。然而，居民居住地和交通站点通常都有一段距离，这段不远的距离以及现实存在的公共交通拥挤现象那么使居民乘坐公共交通的意愿降低。于是，自行车这种“绿色〞交通工具重新得到人们的重视，公共自行车效劳系统已被证明能够从一定程度上缓解这一现象。 公共自行车租赁效劳系统纳入城市公共交通体系，有助于解决公交出行“最后一公里〞问题，使公共交通效劳网络趋于更加完善。由于其公用性、利用率高、易于管理、中短距离出行本钱低、投资本钱低的特点,各地政府将其纳入城市公共交通体系并进行大力推广。目前，北京、上海、深圳、济南、郑州、武汉、无锡、佛山、西安等全国30多个大中城市正在逐步建设公共自行车租赁效劳系统，它是国内新兴起的一个行业。 西安市经开区公共自行车效劳系统于2023年4月开始建设，到目前为止，已建成租赁点30个，自行车总量到达850辆。目前正在筹备第三期建设。开展慢行交通,建立公共自行车系统,鼓励更多的出行者采用非机动交通工具,引导居民形成公共自行车+公共交通的出行模式，有助于提高西安城市交通运行效率，有利于减少环境污染。 公共自行车系统效益的有效发挥不仅仅与运营模式、租赁点的布局、租赁点车辆配置有关,更与车辆调配密切相关。车辆调配直接影响到公共自行车系统运营效果,因此研究公共自行车实际运营中的车辆调配问题具有很高的研究价值和实际意义。 1.2 目标任务 根据西安市经济开发区公共自行车租赁点的设置、需求及位置限制、运营的本钱等信息，完成以下问题： 问题一：根据目前经开区网点自行车需求情况等信息，假设要求调度平均耗时尽量少，请针对已有的30个租赁点设计最优车辆分配方案、调度方案，并给出完成调度所消耗的时间。 问题二：假设经开区公共自行车效劳系统三期建设准备投入建设经费200万元，据此建立数学模型，确定新增租赁点数目、位置以及适宜的放置车辆数目。 问题三：针对问题二，进一步研究，如果要求在150min内完成调度，是否需要增加调度车辆〔购置调度车辆费用由其它项目经费解决，不包含在三期建设提供的200万元经费中间〕？并给出该情形下的自行车调度方案。 0 二、问题假设 1〕调度车可以在任意自行车站点停放，且可以随时出发完成调度任务。 2〕每一天各个站点需求量根本相同，一天内需求变化规律也不变。 3〕路网图中描线局部为城市道路，调运车安该路网行驶，其余局部无道路分布。 三、符号说明 表 Error! Bookmark not defined. 符号说明 符号 意义 符号 意义 时间本钱〔消耗时间〕 运输车辆数目 租赁点数目 二进制变量 租赁点i的需求量 租赁点i到j的最短距离 调度车效劳完i后效劳j时拥有自行车量 调运车所能调运的最大车辆数 A 待选租赁点数 效益指标 四、模型建立与求解 4.1 车辆调度模型 首先根据车辆需求数据建立了车辆分配和调度模型，接着结合西安市的实际数据，采用一种改良的遗传模拟退火算法来求解公共自行车分配和调度问题。 4.1.1车辆分配模型 依据西安市30个租赁点车辆需求数据，采取动态分配车辆模型，首先将7:00~8:30车辆需求数作为该点初始分配数，共709辆。由于每个站点日变化程度不同，故算得各个站点的需求变化标准差如表2： 表2 各个网点车辆需求变化标准差 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 站点位置 经发大厦 可口可乐北门 经发国际会馆 昆仑银行 赛高街区 西安中学西门 运动公园东门 运动公园南门 管委会 出口加工区广场 标准差 6.13 5.44 4.19 6.60 4.50 9.93 10.14 10.20 3.30 7.93 编号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 站点位置 鼎新花园 西安外国语学校 雅荷花园 御道华城 天地时代广场 市图书馆 文景观园 长庆电视台 移动公司 凤城五路 标准差 3.74 6.65 9.67 3.09 11.43 6.68 8.06 6.16 3.77 1.25 编号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 站点位置 凤城六路 中登家园北门 万华园 粤华凤城家园 市人大 市委 政务大厅 首创国际城 中登广场 运动公园北门 标准差 8.73 13.44 9.88 11.56 4.99 1.25 2.36 1.25 3.68 8.22 表2中反映了各个站点在一天内车辆需求变化的程度，其中中登家园北门变化程度最大，粤华凤城家园次之。一个站点变化程度越大那么该站点车辆被调动的可能越大。当需求车辆数从时间段7:00~8:30到时间段11:00~12:30由小变大时称为‘正变化’，相反称为‘负变化’。故将剩余141辆车分配到‘正变化’需求数中标准差变化大的站点中，如表3 给出了待分配站点标准差及变化车辆数。 表3 ‘正变化’待分配网点变化信息 编号 站点位置 标准差 变化量 1 经发大厦 6.13 7 2 可口可乐北门 5.44 1 5 赛高街区 4.50 6 7 运动公园东门 10.14 22 10 出口加工区广场 7.93 13 11 鼎新花园 3.74 6 13 雅荷花园 9.67 20 14 御道华城 3.09 7 16 市图书馆 6.68 5 17 文景观园 8.06 18 18 长庆电视台 6.16 15 21 凤城六路 8.73 18 23 万华园 9.88 5 28 首创国际城 1.25 3 29 中登广场 3.68 9 30 运动公园北门 8.22 12 依据表3选择标准差大的站点优先分配，分配车辆的数量不能超过表2中的变化量，各站点最终分配车辆不能超过40辆。例如表:3标准差最大为运动公园东门，优先分配22辆，且总量为35辆，没有超过40辆，因此分配成功，其他站点以此类推。最终各个站点分配的车辆如表4： 表4 各网点最终分配车辆 编号 站点位置 初始车辆分配 编号 站点位置 初始车辆分配 1 经发大厦 22 16 市图书馆 22 2 可口可乐北门 24 17 文景观园 39 3 经发国际会馆 38 18 长庆电视台 38 4 昆仑银行 38 19 移动公司 28 5 赛高街区 22 20 凤城五路 23 6 西安中学西门 32 21 凤城六路 33 7 运动公园东门 35 22 中登家园北门 35 8 运动公园南门 40 23 万华园 20 9 管委会 39 24 粤华凤城家园 34 10 出口加工区广场 18 25 市人大 21 11 鼎新花园 18 26 市委 23 12 西安外国语学校 35 27 政务大厅 35 13 雅荷花园 27 28 首创国际城 18 14 御道华城 12 29 中登广场 13 15 天地时代广场 38 30 运动公园北门 30 表4给出了各个站点分配的车辆数，该车辆数是一天中的初始车值，即在早上7:00开始，各个站点到达需求平衡，当有人借车或者存在还车时，该平衡会被打破，此时需要调度车完成各站点之间调度以重新到达平衡。 4.1.2.车辆调度模型 本次调运系统有2辆调运车，每辆调运车拥有负荷数为，当有租赁点到达上下限时〔小于20%或大于90%〕,调运车从最近的停车站点出发，负责对各租赁点进行自行车的需求调度效劳。完成调度效劳后就近回到停车站点，各个租赁点之间的距离以及各自需求量已经确定〔需求量见表 4， 各租赁点距离见图 1〕。 设为所有租赁点的集合，为租赁点数目(n=30)；，m为运输车辆的数目；C为固定时间本钱，即每辆自行车装卸平均耗时，为车辆的最大载重数〔〕；如果车辆被使用，那么二进制变量。租赁点，即将效劳的车辆的当前拥有车辆数为。 对于两个不同的租赁点表示两者之间的最短距离。如果车辆k在效劳i后再效劳j，那么。 图1 各租赁点的位置及道路情况 图1 中租赁点位置在图中用带圆圈的数字所示，圆圈中数字代表租赁点序号。字代表路线长度〔单位：米〕。运输车速度为，模型的目标函数即运输时间本钱，运输时间本钱〔记为Z〕的数学模型如下： 〔1〕 〔2〕 〔3〕