本文是一篇博士論文，本文從共享單車運營調配所面臨的復雜網絡結構和異構貨車配置、低碳政策影響、用戶需求不確定性出發，針對復雜場景下的貨車調配路線和單車分配方案開展系統研究。通過運籌優化理論，為共享單車運營商設計合適且有效的共享單車調配方案，進而提高系統服務效率以及用戶滿意度，為運營商的整體規劃和管理決策提供了科學依據和理論指導。

1 緒論

1.1 研究背景及意義

1.1.1 研究背景

共享單車在公共交通發展和綠色低碳出行中發揮了重要的作用。近年來，隨著手機、互聯網的快速發展，共享單車在國內快速普及[1]。在2022年，全國已有31省、自治區和直轄市投放了共享單車。配置了共享單車的城市超過400個，投放的單車數量約1490萬輛，使用共享單車的注冊用戶接近12.95億，每日的使用訂單數最高超過4470萬單[2]。隨著共享單車系統的快速發展，它在方便居民出行、減少碳排放、緩解交通擁堵和完善交通系統結構方面表現突出。根據相關部門統計，僅2023年上半年，上海市的共享單車每日平均使用次數接近200到300萬次[3]。該數據是網約車每日平均使用量的兩倍。圖1.1展示了2021年至2023年相關城市共享單車使用者騎行距離和騎行時間的變化趨勢。圖中顯示，使用者的騎行距離和騎行時間逐年增加，這表明居民使用共享單車的出行距離和時長不斷增長，側面印證了共享單車的利用率和在居民出行中的受歡迎程度都在逐步提高。

1.2 相關研究綜述

考慮到共享單車系統的規劃與管理直接影響共享單車的服務效率和用戶滿意度，相關學者對此進行了研究。本文將從以下三個方面進行綜述，分別是共享單車系統規劃、低碳政策對共享單車運營調配的影響以及用戶需求不確定的共享單車調配管理。

1.2.1 共享單車系統規劃研究

共享單車系統規劃包含以下五個方向，分別是共享單車網絡設計、共享單車用戶使用特征分析、共享單車政策分析、共享單車用戶需求預測和共享單車調配優化[20-24]。這些問題同樣引起了運營商的關注，因為它們是共享單車系統管理中的關鍵問題。

第一個方向是共享單車網絡設計，主要包括倉庫和站點的選址規劃。影響網絡設計的關鍵因素有站點的地理位置、是否為交通接駁點以及人流密度等[25-30]。此外，運營商還會考慮倉庫的位置和網絡維護的便利性。Lin等[31]研究了共享單車網絡設計問題，并構建了非線性的數學模型，該模型綜合考慮了運營商和用戶的需求，以運營商的網絡設計成本和未滿足用戶需求最小為目標函數。在此基礎上，提出了有效不等式和啟發式算法，通過有效不等式來縮小模型求解空間進而加速啟發式算法的求解速度。Martinez等[32]研究了復雜網絡結構下的共享單車站點選址問題，提出了對應共享單車站點選址模型，該模型以站點建設成本最小為目標。作者使用商業優化軟件和啟發式算法完成了模型的求解，并獲取了對應的站點選址方案。Frade等[33]在最大程度滿足用戶需求的基礎上構建了站點選址模型，以站點服務用戶數量最大化為優化目標。該模型在運營商有限的經費預算的基礎上規劃站點分布以及容量設置。Romero等[34]通過兩階段數學優化的方式來完成共享單車系統站點網絡設計，提出了一個雙層數學規劃模型，其中上層模型以站點服務半徑最大化為目標，通過混合算法完成模型的求解，獲得對應的站點候選點位置。下層模型根據站點候選點位置，考慮多種交通方式的影響下，如公交車、地鐵和私家車等，完成共享單車站點網絡設計。Yan等[35]研究了不確定用戶需求下的共享單車站點網絡設計問題，該問題考慮了站點網絡在時變條件下的特征，以及站點的服務半徑對于站點選擇的影響，提出了基于閾值改變的啟發式算法來獲得選址方案，該方案不僅包含站點的位置分布，同時也獲得站點內的初始單車數量配置。

2 相關概念與理論基礎

2.1 相關概念

2.1.1 共享經濟

共享經濟作為一個新興產物，在中國得到了廣泛的發展和推廣。經濟作為一個早已出現的詞匯，共享經濟主要的區別在于共享，而共享可以解釋為每個人都享有，針對的對象可以是某種實體，如書籍、充電寶、單車和汽車等，也可以是虛擬物體，如無線網絡和信息等。因此，有部分學者也將“共享經濟”稱之為“協同經濟”或“分享經濟”。共享經濟一詞最早出現于論文《Community Structure and Collaborative Consumption: A Routine Activity Approach》，這篇論文是作者Felson于1978年撰寫的[112]。作者提到了共享經濟的六個特點，分別是信用度高、效用好、適用性廣、成本低、門檻低、排放低。共享經濟在各行各業以及不同主體中都得到了良好的發展，它有效的進行著行業內的資源整合，并通過互聯網、手機、通訊網絡等載體，進行著資源的再一次分配和使用。這樣不僅降低了資源的空置率，也滿足了相關主體的使用需求，起到了雙贏的效果。共享經濟是在社會發展和科技進步到一定程度上，主體和對象之間產生的共享理念，主體指代的是人，對象指代的是物品。它會涉及到不同行業以及不同領域，在這些行業和領域中出現了制造共享、商品共享、使用權共享、消費共享和服務共享等共享形式。共享經濟的具體應用和實現形式有打車共享的滴滴打車、Uber打車，充電設備共享如街電，辦公空間共享如WeW ork和單車共享如美團單車、哈啰單車等。上述應用體現了共享經濟創新出的新商業模式和出行方式，進一步展現了共享經濟的蓬勃發展及其對各行各業的推動作用。

2.1.2 共享單車

共享單車作為新興的交通模式，是在相關硬件如互聯網、手機、移動支付飛速發展之下，應運而生的產物。共享單車更多是通過共享單車運營商在獲得交通主管部門的批準下，在城市中交通比較繁忙的街道、學校、地鐵站和寫字樓等位置，投放出一定批量的單車來服務于有相關出行需要的人群。共享單車隸屬于共享交通下的一個分支，屬于一種短期租賃式的交通工具。在學術界中，部分文獻[113]把共享單車的概念描述為基于政府或共享單車公司的運營商，將服務于用戶出行需求的單車投放至城市中的相關區域，居民可以通過智能手機等硬件對單車進行短期租賃，通過使用單車實現自身的出行需求，并在目的地將單車歸還至運營商設置的電子圍欄，并支付一定費用的方式。這種方式能夠很好的解決城市交通中的一些棘手問題，如“最后一公里”、道路擁堵和溫室氣體排放等。

2.2 相關理論

2.2.1 復雜網絡和路徑規劃理論

共享單車調配優化是運營商日常管理中的關鍵問題，其有效處理對系統穩定運行至關重要。在共享單車調配優化中，首先要應對的是由多個站點組成的復雜網絡。如何規劃貨車在該網絡的調配路線，在滿足用戶需求的同時，又能為運營商降本增效，是非常有意義的。因此，我們從復雜網絡和路徑規劃理論的角度來分析共享單車系統，從而更好的為系統調配優化奠定基礎。

（1）復雜網絡基本定義

復雜網絡早期是由圖論發展而來，作為復雜網絡的一個經典實例就是1735年歐拉所提出的柯尼斯堡七橋問題，這個問題也被認定是第一個使用復雜網絡理論的實例。隨著復雜網絡理論的進一步發展，相關學者提出了無標度網絡和小世界網絡，這極大的豐富了復雜網絡領域。在硬件技術的革新下，計算機的出現也將復雜網絡理論的發展推向了另一個高度。這時的復雜理論也被廣泛的應用于數學、運籌學和計算科學等領域。

（2）復雜網絡基礎結構特征

網絡結構作為復雜網絡的基本組成部分，網絡結構分析對于理解復雜網絡的內在邏輯和發展具有重要的作用。網絡結構分析的關鍵是通過網絡中的點邊分布，來計算對應的統計特征，進而分析復雜網絡的結構特征和性能情況。涉及到的統計特征有節點之間的關聯性、網絡的連通性、效率以及同配性等。

3 共享單車調配優化問題研究 .......................... 42

3.1 引言 ....................................... 42

3.2 問題描述與模型建立 ................................ 43

4 綠色共享單車調配優化問題研究 ............................ 59

4.1 引言 ..................................... 59

4.2 問題描述與模型建立 ...................... 61

5 考慮用戶需求不確定的綠色共享單車調配優化問題研究 .............. 89

5.1 引言 ......................... 89

5.2 問題描述與模型建立 ..................... 91

5 考慮用戶需求不確定的綠色共享單車調配優化問題研究

5.1 引言

共享單車作為一種便捷且環保的交通工具，在解決居民中短距離出行和“最后一公里”問題上，發揮了重要作用[196]。由于用戶使用需求的多樣性和站點地理位置的差異，使得共享單車系統中站點的單車分布不均衡，進而導致用戶的“租車難，還車難”現象。針對這種情況，共享單車運營商會使用貨車對網絡中的單車進行調配，來滿足用戶的使用需求[197]。

運營商在制定共享單車的運營調配計劃時，往往會考慮不同的影響因素。在前一章節中，我們考慮低碳政策等外部因素對于共享單車調配方案的影響。然而，共享單車的調配管理不光受到外部因素的影響，一些內部因素也會影響共享單車的調配效率，進而影響用戶的使用滿意度。其中，排在首位的內部因素就是站點用戶需求的確定[198]。在這個問題上，以往文獻的處理方法是依據經驗值或歷史數據的方式設定一個最優庫存量，并依據這個最優庫存量對站點進行分類，然后生成相應的調配方案。這種方法的最大問題是不能很好的反映出站點的實際用戶需求[199, 200]。因為用戶對于共享單車的使用需求具有隨機性且受到多個方面的影響，如用戶的出行目的、出行距離、天氣因素、個人的環保意識和目的地站點的地理位置等，上述因素的改變都可能影響用戶是否選擇在該站點使用共享單車出行[201, 202]。而經驗值和歷史數據的方法僅能代表當時環境下的站點用戶需求，不能涵蓋其他情況下的站點用戶需求。因此，使用這種方法可能會導致資源浪費或用戶滿意度降低[203]。

6 結論與展望

6.1 結論

隨著綠色交通的全面推廣，低碳出行深入人心并快速發展，共享單車作為一種便捷且環保的交通工具，在解決居民中短距離出行和“最后一公里”問題上發揮了重要作用。因用戶出行需求多樣性和站點地理位置差異，導致共享單車系統中站點的單車分布不均衡，進而導致用戶的“租車難，還車難”問題。如何對站點網絡中的單車進行調配，來滿足用戶需求，提高站點服務效率，已成為共享單車運營商調配管理領域中的一個重要課題。為此，本文從共享單車運營調配所面臨的復雜網絡結構和異構貨車配置、低碳政策影響、用戶需求不確定性出發，針對復雜場景下的貨車調配路線和單車分配方案開展系統研究。通過運籌優化理論，為共享單車運營商設計合適且有效的共享單車調配方案，進而提高系統服務效率以及用戶滿意度，為運營商的整體規劃和管理決策提供了科學依據和理論指導。本文主要研究結論如下：

（1）研究了共享單車調配優化問題，考慮了多倉庫和異構貨車的復雜調配場景。針對共享單車系統中的“租車難、還車難”問題，以及時空網絡中共享單車分布不平衡的情況，考慮復雜站點網絡、多種異構貨車、貨車調配路線及單車裝卸計劃等現實因素，以站點庫存懲罰和貨車調配成本最小為目標，構建混合整數非線性規劃模型。對非線性的站點懲罰函數進行線性化處理，然后設計變鄰域搜索算法進行模型求解。通過貪婪算法獲取優質的初始調配方案，使用小范圍的鄰域結構來迅速提升調配方案的質量，然后切換至大范圍的鄰域結構來增加調配方案的多樣性。最后，通過算法性能分析和算法優越性分析，驗證了本章算法在優化效果、計算精確度和計算時間等方面的優勢。結合多倉庫異構貨車算例和靈敏度分析得出以下結論：第一，倉庫數量和貨車車型會影響運營商的共享單車調配策略。第二，增加倉庫數量可以有效減少貨車調配時間并滿足站點用戶需求。第三，適當增加貨車調配時間可以有效降低運營商的優化目標。

參考文獻（略）