数据驱动的公共自行车系统分析建模与优化

发布时间：2020-10-29 19:10

　　 近年来,公共自行车系统在全球范围内得到迅猛发展,为城市居民提供了一种绿色、便捷、廉价的出行方式,成为解决城市交通“最后一公里”问题的关键手段。当前,共享自行车系统主要包括两大类,一类是基于站点的有桩公共自行车系统,另一类是无桩共享单车系统。本文主要研究有桩公共自行车系统,这类系统与共享单车系统比较,虽然损失了用完随停的特点,但是通过集中化借还的方式,极大地减低了自行车的维护成本。然而由于潮汐流等城市交通的特点和站点容量的限制,常常导致公共自行车系统中,个别站点车辆堆积如山而另外一些站点一车难求的情况,严重降低了公共自行车系统的服务效率。提高公共自行车系统的服务效率依赖于对用户使用情况的精确认知和建模。公共自行车系统中人、车、站之间的复杂耦合和随机性使得从机理上建立相应的模型十分困难。所幸随着物联网、大数据、数据挖掘技术的发展,通过自行站点配备的数据采集系统,海量公共自行车系统用户出行数据得以收集。因此可以从数据驱动的视角,细粒度地分析和建模用户在城市中的移动行为,在此基础上利用机器学习技术,预测未来一段时间车辆的使用情况,从而实现车辆的再平衡、用户的精准导航,达到优化系统运行的目的。然而,站点与站点间的耦合性,站点与用户间的相互影响,从数据的角度出发,进行建模和优化也存在着巨大的挑战。这方面现有的研究主要有三方面不足:1)还没有建立一个站点级别的细粒度预测模型;2)缺少针对大规模公共自行车系统的调度优化算法;3)缺少数据驱动的验证系统。针对这些不足,本文提出了精细的预测模型与相应的系统优化算法。本文的主要工作和贡献概括如下:1.概述了公共自行车系统及其存在的问题,介绍了相关研究现状,分析了研究中存在的不足之处。2.从数据可视化分析的角度,分析了杭州市公共自行车系统2013年超过一亿条使用数据,从站点、用户、车辆等多个角度系统地、形象地呈现公共自行车使用全貌,并着重分析了用户的使用模式和自行车系统中使用不均衡问题。本文同时分析和比较了有桩和无桩公共自行车使用模式的特点。3.针对用户使用量预测的问题,本文以用户移动性的角度出发,建模了用户在不同站点对之前流动的概率转移模型,并以此出发,结合随机森林模型,建立了站点的细粒度预测机制,为系统高效优化奠定基础。4.针对系统高效调度的问题,本文首先从系统运营方的角度出发,以使用量预测模型为基础,引出了调度区间的概念,并以最小化维护成本为目标,设计了调度优化问题。由于该问题为NP难问题,本文分别设计了渐进最优的求解算法和基于深度序列学习的近似算法。最后本文设计了专用的事件驱动仿真工具对所设计的算法进行了仿真验证。5.为提高用户借还成功率和实现站点自平衡,本文从用户的角度出发,通过向用户推荐站点对的方式,疏导集中在部分站点的使用量,达到站点自平衡的目的。为此,本文首先根据预测模型计算每个站点的借还需求,接着建立了站点存量与用户需求之间互相作用的模型以及相应的损失函数,最后实现了最优借还站点对的推荐系统。最后对全文进行了总结,并展望了进一步的研究工作。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U491.225
【部分图文】：

?第一章绪论??促进了公共自行车系统的发展。公共自行车系统在全球范围的分布如图１．１所示，公共自行??车系统主要分布在东亚、欧洲和北美洲［］。??图１．１公共自行车系统全球分布地图Ｉ?Ｉ??目前，主流的共享自行车系统可以分为两类，一类是有桩的公共自行车系统，用户需??要从站点借还车，典型系统包括杭州公共自行车系统，纽约Ｃｉｔｉｂｉｋｅ系统，里昂Ｖｅｌｏ’ｖ系统??等。另一类系统是无桩共享单车系统，在此类系统中，自行车可以用完随放，典型系统包??括摩拜单车、哈罗单车、〇ｆ〇单车等。虽然无桩共享单车带来了使用上的便利，但是也具有??诸多问题首先随意停放的自行车带来了高昂的维护成本［］，其次共享单车占用道路空??间已成城市顽疾［］，最后大量报废自行车只能作为城市垃圾，造成资源浪费相比之下，??有桩公共自行车系统，在用户便利性和系统可维护性方面达到了较好的折中，本文以有桩??公共自行车系统为研究对象。??公共自行车的核心部分为遍布城市的公共自行车站点

１．２公共自行车系统相关研究现状??公共自行车系统的基本构成包括站点、车辆、用户等要求，现在工作也主要围绕这三??者中的一个或多个对象展开。如图１．４所示，公共自行车系统中站点居于系统的核心位置，??４??

研究和解决这些问题，都有赖于对公共自行车系统运行模式的深入理解分析和有效确的建模。因此，现有工作主要从以下三个方面由浅入深地展开：公共自行车系统使用式挖掘，公共自行车系统使用量建模与预测，公共自行车系统运行优化。下面将逐一叙三方面的代表性工作。??１．２．１公共自行车系统的使用模式挖掘??公共自行车系统中，使用模式的挖掘主要是指，用户在使用公共自行车系统中呈现一般性规律和特征，它有助于我们在后续建模和优化应用中，找到关联密切的核心变量要素，以及发现需要优化的重点问题。??Ｊｅｎｓｅｎ等人分析了里昂自行车系统中的路径和速度，发现在市中心，骑行速度与汽行驶的速度相当，并提出自行车轨迹可以用于修建专用自行车道ｔ?ＬＮａｉｒ等人从站点特使用模式、公共自行车系统与其他公共交通系统的关联性等方面对里昂的公共自行车系进行了研究，他们发现一对站点间，从甲到乙的流量和从乙到甲的流量往往是不对等的，
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本文编号：2861329