西安市经开区公共自行车服务系统设计
摘要
本文以西安市经济开发区公共自行车服务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，而公共自行车租赁服务系统的纳入使公共交通服务网络趋于更加完善。本文从居民出行需求和交通设施供给角度出发，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，对题中三个基本问题进行了全面综合的回答。
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，采用一种改进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，为广大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、运营协调三个准则量化评价指标，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表明：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，达到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 (1)
1.1 问题背景 (1)
1.2 目标任务 (1)
二、问题假设 (2)
三、符号说明 (2)
四、模型建立与求解 (2)
4.1 问题一 (2)
4.1.1车辆分配模型 (2)
4.1.2.车辆调度模型 (4)
4.1.3模型算法设计 (6)
4.1.3.1遗传模拟退火算法的结构流程 (6)
4.1.3.2 适应度函数 (6)
4.1.3.3 选择、交叉和变异操作 (7)
4.1.3.4 模拟退火操作 (7)
4.1.3.5模型计算 (8)
4.2问题二 (10)
4.2.1三层评价体系建立——问题的简化 (10)
4.2.2租赁点方案评价体系建立 (11)
4.2.3 TOPSIS 模型选址评价方案 (13)
4.2.4 模型求解 (15)
4.3问题三 (18)
4.3.1车辆调度模型修正 (18)
4.3.2模型求解 (19)
五、模型的评价 (19)
参考文献 (20)
附录 (20)
1. 数据图表 (20)
2.程序代码 (23)
2.1个体适应度计算 (23)
2.2比例操作计算 (23)
2.3交叉变异 (23)
1.1 问题背景
随着经济的不断发展，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则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，公共自行车服务系统已被证明能够从一定程度上缓解这一现象。
公共自行车租赁服务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，使公共交通服务网络趋于更加完善。由于其公用性、利用率高、易于管理、中短距离出行成本低、投资成本低的特点,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服务系统，它是国内新兴起的一个行业。
西安市经开区公共自行车服务系统于2011年4月开始建设，到目前为止，已建成租赁点30个，自行车总量达到850辆。目前正在筹备第三期建设。发展慢行交通,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、运营的成本等信息，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，若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，并给出完成调度所耗费的时间。
问题二：假设经开区公共自行车服务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、位置以及合适的放置车辆数目。
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。
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基本相同，一天内需求变化规律也不变。
3）路网图中描线部分为城市道路，调运车安该路网行驶，其余部分无道路分布。
三、符号说明
表 1 符号说明
符号 意义
符号 意义 Z
时间成本（消耗时间）
m 运输车辆数目 n
租赁点数目 j i u , 二进制变量
i l
租赁点i 的需求量 j i a ,
租赁点i 到j 的最短距离
j i r ,
调度车服务完i 后服务j 时拥有自行车量
i Q
调运车所能调运的最大车辆数
A 待选租赁点数 J
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，采用一种改进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
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