本文是一篇博士论文，本文从共享单车运营调配所面临的复杂网络结构和异构货车配置、低碳政策影响、用户需求不确定性出发，针对复杂场景下的货车调配路线和单车分配方案开展系统研究。通过运筹优化理论，为共享单车运营商设计合适且有效的共享单车调配方案，进而提高系统服务效率以及用户满意度，为运营商的整体规划和管理决策提供了科学依据和理论指导。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
共享单车在公共交通发展和绿色低碳出行中发挥了重要的作用。近年来，随着手机、互联网的快速发展，共享单车在国内快速普及[1]。在2022年，全国已有31省、自治区和直辖市投放了共享单车。配置了共享单车的城市超过400个，投放的单车数量约1490万辆，使用共享单车的注册用户接近12.95亿，每日的使用订单数最高超过4470万单[2]。随着共享单车系统的快速发展，它在方便居民出行、减少碳排放、缓解交通拥堵和完善交通系统结构方面表现突出。根据相关部门统计，仅2023年上半年，上海市的共享单车每日平均使用次数接近200到300万次[3]。该数据是网约车每日平均使用量的两倍。图1.1展示了2021年至2023年相关城市共享单车使用者骑行距离和骑行时间的变化趋势。图中显示，使用者的骑行距离和骑行时间逐年增加，这表明居民使用共享单车的出行距离和时长不断增长，侧面印证了共享单车的利用率和在居民出行中的受欢迎程度都在逐步提高。
1.2 相关研究综述
考虑到共享单车系统的规划与管理直接影响共享单车的服务效率和用户满意度，相关学者对此进行了研究。本文将从以下三个方面进行综述，分别是共享单车系统规划、低碳政策对共享单车运营调配的影响以及用户需求不确定的共享单车调配管理。
1.2.1 共享单车系统规划研究
共享单车系统规划包含以下五个方向，分别是共享单车网络设计、共享单车用户使用特征分析、共享单车政策分析、共享单车用户需求预测和共享单车调配优化[20-24]。这些问题同样引起了运营商的关注，因为它们是共享单车系统管理中的关键问题。
第一个方向是共享单车网络设计，主要包括仓库和站点的选址规划。影响网络设计的关键因素有站点的地理位置、是否为交通接驳点以及人流密度等[25-30]。此外，运营商还会考虑仓库的位置和网络维护的便利性。Lin等[31]研究了共享单车网络设计问题，并构建了非线性的数学模型，该模型综合考虑了运营商和用户的需求，以运营商的网络设计成本和未满足用户需求最小为目标函数。在此基础上，提出了有效不等式和启发式算法，通过有效不等式来缩小模型求解空间进而加速启发式算法的求解速度。Martinez等[32]研究了复杂网络结构下的共享单车站点选址问题，提出了对应共享单车站点选址模型，该模型以站点建设成本最小为目标。作者使用商业优化软件和启发式算法完成了模型的求解，并获取了对应的站点选址方案。Frade等[33]在最大程度满足用户需求的基础上构建了站点选址模型，以站点服务用户数量最大化为优化目标。该模型在运营商有限的经费预算的基础上规划站点分布以及容量设置。Romero等[34]通过两阶段数学优化的方式来完成共享单车系统站点网络设计，提出了一个双层数学规划模型，其中上层模型以站点服务半径最大化为目标，通过混合算法完成模型的求解，获得对应的站点候选点位置。下层模型根据站点候选点位置，考虑多种交通方式的影响下，如公交车、地铁和私家车等，完成共享单车站点网络设计。Yan等[35]研究了不确定用户需求下的共享单车站点网络设计问题，该问题考虑了站点网络在时变条件下的特征，以及站点的服务半径对于站点选择的影响，提出了基于阈值改变的启发式算法来获得选址方案，该方案不仅包含站点的位置分布，同时也获得站点内的初始单车数量配置。
2 相关概念与理论基础
2.1 相关概念
2.1.1 共享经济
共享经济作为一个新兴产物，在中国得到了广泛的发展和推广。经济作为一个早已出现的词汇，共享经济主要的区别在于共享，而共享可以解释为每个人都享有，针对的对象可以是某种实体，如书籍、充电宝、单车和汽车等，也可以是虚拟物体，如无线网络和信息等。因此，有部分学者也将“共享经济”称之为“协同经济”或“分享经济”。共享经济一词最早出现于论文《Community Structure and Collaborative Consumption: A Routine Activity Approach》，这篇论文是作者Felson于1978年撰写的[112]。作者提到了共享经济的六个特点，分别是信用度高、效用好、适用性广、成本低、门槛低、排放低。共享经济在各行各业以及不同主体中都得到了良好的发展，它有效的进行着行业内的资源整合，并通过互联网、手机、通讯网络等载体，进行着资源的再一次分配和使用。这样不仅降低了资源的空置率，也满足了相关主体的使用需求，起到了双赢的效果。共享经济是在社会发展和科技进步到一定程度上，主体和对象之间产生的共享理念，主体指代的是人，对象指代的是物品。它会涉及到不同行业以及不同领域，在这些行业和领域中出现了制造共享、商品共享、使用权共享、消费共享和服务共享等共享形式。共享经济的具体应用和实现形式有打车共享的滴滴打车、Uber打车，充电设备共享如街电，办公空间共享如WeW ork和单车共享如美团单车、哈啰单车等。上述应用体现了共享经济创新出的新商业模式和出行方式，进一步展现了共享经济的蓬勃发展及其对各行各业的推动作用。
2.1.2 共享单车
共享单车作为新兴的交通模式，是在相关硬件如互联网、手机、移动支付飞速发展之下，应运而生的产物。共享单车更多是通过共享单车运营商在获得交通主管部门的批准下，在城市中交通比较繁忙的街道、学校、地铁站和写字楼等位置，投放出一定批量的单车来服务于有相关出行需要的人群。共享单车隶属于共享交通下的一个分支，属于一种短期租赁式的交通工具。在学术界中，部分文献[113]把共享单车的概念描述为基于政府或共享单车公司的运营商，将服务于用户出行需求的单车投放至城市中的相关区域，居民可以通过智能手机等硬件对单车进行短期租赁，通过使用单车实现自身的出行需求，并在目的地将单车归还至运营商设置的电子围栏，并支付一定费用的方式。这种方式能够很好的解决城市交通中的一些棘手问题，如“最后一公里”、道路拥堵和温室气体排放等。
2.2 相关理论
2.2.1 复杂网络和路径规划理论
共享单车调配优化是运营商日常管理中的关键问题，其有效处理对系统稳定运行至关重要。在共享单车调配优化中，首先要应对的是由多个站点组成的复杂网络。如何规划货车在该网络的调配路线，在满足用户需求的同时，又能为运营商降本增效，是非常有意义的。因此，我们从复杂网络和路径规划理论的角度来分析共享单车系统，从而更好的为系统调配优化奠定基础。
（1）复杂网络基本定义
复杂网络早期是由图论发展而来，作为复杂网络的一个经典实例就是1735年欧拉所提出的柯尼斯堡七桥问题，这个问题也被认定是第一个使用复杂网络理论的实例。随着复杂网络理论的进一步发展，相关学者提出了无标度网络和小世界网络，这极大的丰富了复杂网络领域。在硬件技术的革新下，计算机的出现也将复杂网络理论的发展推向了另一个高度。这时的复杂理论也被广泛的应用于数学、运筹学和计算科学等领域。
（2）复杂网络基础结构特征
网络结构作为复杂网络的基本组成部分，网络结构分析对于理解复杂网络的内在逻辑和发展具有重要的作用。网络结构分析的关键是通过网络中的点边分布，来计算对应的统计特征，进而分析复杂网络的结构特征和性能情况。涉及到的统计特征有节点之间的关联性、网络的连通性、效率以及同配性等。
3 共享单车调配优化问题研究 .......................... 42
3.1 引言 ....................................... 42
3.2 问题描述与模型建立 ................................ 43
4 绿色共享单车调配优化问题研究 ............................ 59
4.1 引言 ..................................... 59
4.2 问题描述与模型建立 ...................... 61
5 考虑用户需求不确定的绿色共享单车调配优化问题研究 .............. 89
5.1 引言 ......................... 89
5.2 问题描述与模型建立 ..................... 91
5 考虑用户需求不确定的绿色共享单车调配优化问题研究
5.1 引言
共享单车作为一种便捷且环保的交通工具，在解决居民中短距离出行和“最后一公里”问题上，发挥了重要作用[196]。由于用户使用需求的多样性和站点地理位置的差异，使得共享单车系统中站点的单车分布不均衡，进而导致用户的“租车难，还车难”现象。针对这种情况，共享单车运营商会使用货车对网络中的单车进行调配，来满足用户的使用需求[197]。
运营商在制定共享单车的运营调配计划时，往往会考虑不同的影响因素。在前一章节中，我们考虑低碳政策等外部因素对于共享单车调配方案的影响。然而，共享单车的调配管理不光受到外部因素的影响，一些内部因素也会影响共享单车的调配效率，进而影响用户的使用满意度。其中，排在首位的内部因素就是站点用户需求的确定[198]。在这个问题上，以往文献的处理方法是依据经验值或历史数据的方式设定一个最优库存量，并依据这个最优库存量对站点进行分类，然后生成相应的调配方案。这种方法的最大问题是不能很好的反映出站点的实际用户需求[199, 200]。因为用户对于共享单车的使用需求具有随机性且受到多个方面的影响，如用户的出行目的、出行距离、天气因素、个人的环保意识和目的地站点的地理位置等，上述因素的改变都可能影响用户是否选择在该站点使用共享单车出行[201, 202]。而经验值和历史数据的方法仅能代表当时环境下的站点用户需求，不能涵盖其他情况下的站点用户需求。因此，使用这种方法可能会导致资源浪费或用户满意度降低[203]。
6 结论与展望
6.1 结论
随着绿色交通的全面推广，低碳出行深入人心并快速发展，共享单车作为一种便捷且环保的交通工具，在解决居民中短距离出行和“最后一公里”问题上发挥了重要作用。因用户出行需求多样性和站点地理位置差异，导致共享单车系统中站点的单车分布不均衡，进而导致用户的“租车难，还车难”问题。如何对站点网络中的单车进行调配，来满足用户需求，提高站点服务效率，已成为共享单车运营商调配管理领域中的一个重要课题。为此，本文从共享单车运营调配所面临的复杂网络结构和异构货车配置、低碳政策影响、用户需求不确定性出发，针对复杂场景下的货车调配路线和单车分配方案开展系统研究。通过运筹优化理论，为共享单车运营商设计合适且有效的共享单车调配方案，进而提高系统服务效率以及用户满意度，为运营商的整体规划和管理决策提供了科学依据和理论指导。本文主要研究结论如下：
（1）研究了共享单车调配优化问题，考虑了多仓库和异构货车的复杂调配场景。针对共享单车系统中的“租车难、还车难”问题，以及时空网络中共享单车分布不平衡的情况，考虑复杂站点网络、多种异构货车、货车调配路线及单车装卸计划等现实因素，以站点库存惩罚和货车调配成本最小为目标，构建混合整数非线性规划模型。对非线性的站点惩罚函数进行线性化处理，然后设计变邻域搜索算法进行模型求解。通过贪婪算法获取优质的初始调配方案，使用小范围的邻域结构来迅速提升调配方案的质量，然后切换至大范围的邻域结构来增加调配方案的多样性。最后，通过算法性能分析和算法优越性分析，验证了本章算法在优化效果、计算精确度和计算时间等方面的优势。结合多仓库异构货车算例和灵敏度分析得出以下结论：第一，仓库数量和货车车型会影响运营商的共享单车调配策略。第二，增加仓库数量可以有效减少货车调配时间并满足站点用户需求。第三，适当增加货车调配时间可以有效降低运营商的优化目标。
参考文献（略）
