宣子岳，朱家明，張素潔，張慶茹

（1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)　統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院；2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)　金融學(xué)院，安徽　蚌埠　233030）

基于大數(shù)據(jù)處理的公共自行車服務(wù)系統(tǒng)研究

宣子岳1，朱家明1，張素潔1，張慶茹2

（1.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院；2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，安徽蚌埠233030）

本文針對(duì)浙江省溫州市鹿城區(qū)公共自行車使用數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)透視表、GIS分析法等方法，基于公共自行車服務(wù)模式和使用規(guī)則，運(yùn)用SPSS、EXCEL軟件，對(duì)公共自行車服務(wù)系統(tǒng)從各個(gè)站點(diǎn)運(yùn)行規(guī)律、借車人借車規(guī)律和高峰日的具體運(yùn)行規(guī)律三個(gè)方面進(jìn)行研究.并通過分析結(jié)果對(duì)目前公共自行車服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)給出了提高公共自行車服務(wù)系統(tǒng)效率的建議.

公共自行車；大數(shù)據(jù)處理；SPSS；EXCEL

公共自行車服務(wù)系統(tǒng)由管理中心、站點(diǎn)、發(fā)卡處、調(diào)度中心、通訊網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái)共同組成，其中站點(diǎn)又包括公共自行車、鎖車器和站點(diǎn)控制器.其運(yùn)營原理是利用通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，通過站點(diǎn)控制器將站點(diǎn)運(yùn)營信息上傳到管理中心服務(wù)器，管理人員利用互聯(lián)網(wǎng)調(diào)取服務(wù)器中的站點(diǎn)信息，從而實(shí)現(xiàn)管理中心對(duì)全城各個(gè)站點(diǎn)的整體管控.[1]研究公共自行車的借還車規(guī)律，為公共自行車系統(tǒng)提供規(guī)劃分析的決策支持，充分發(fā)揮公共自行車的綜合優(yōu)勢(shì)，對(duì)改善居民的出行狀況、緩解城市交通擁擠、促進(jìn)城市交通可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1　模型假設(shè)

⑴假設(shè)用戶和借車卡之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；

⑵假設(shè)所查找到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；

⑶假設(shè)用車時(shí)長在10h以上和1min以下的均為異常數(shù)據(jù)，不予以統(tǒng)計(jì).

2　各站點(diǎn)借還車頻次的統(tǒng)計(jì)模型

2.1研究思路

為了分別統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)20天中每天及累計(jì)的借車頻次和還車頻次,并對(duì)所有站點(diǎn)按累計(jì)的借車頻次和還車頻次分別給出它們的排序，得到每次用車時(shí)長的分布情況，借助EXCEL和SPSS對(duì)所給的數(shù)據(jù)做了處理.為了方便說明，引入了用車時(shí)長的人數(shù)分布頻率的概念.

2.2數(shù)據(jù)處理

在對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了表格中的錯(cuò)誤，并將錯(cuò)誤歸納如下：⑴除了180個(gè)站點(diǎn)外，還有編號(hào)為1000的調(diào)試點(diǎn)；⑵用車時(shí)長為0的數(shù)據(jù)分為兩種情況，一種是因?yàn)榻璩鲎孕熊嚭?，發(fā)現(xiàn)自行車有故障或者其他原因在一分鐘之內(nèi)又將其放回，另一種是由于記錄中只有借車記錄而沒有還車記錄，用車時(shí)長記為0；⑶用時(shí)在10h以上和1min以下的，均認(rèn)為異常數(shù)據(jù)，不予以統(tǒng)計(jì)；⑷站點(diǎn)的編號(hào)是1~107和109~181.[1]

將20天的用車時(shí)長的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS后，得到了時(shí)長在0～6601分鐘范圍內(nèi)的487組數(shù)據(jù).我們發(fā)現(xiàn)用車時(shí)長集中在小于100分鐘的范圍內(nèi)，因此對(duì)用車時(shí)長的人數(shù)分布頻率進(jìn)行了計(jì)算.用車時(shí)長的人數(shù)分布頻率就是將用車時(shí)長按照一定的組距進(jìn)行劃分，劃分后每組的人數(shù)除以用車總?cè)藬?shù)，結(jié)果見表1.

表1　用車時(shí)長的人數(shù)分布頻率表

2.3結(jié)果分析

用EXCEL得到了各站點(diǎn)20天中每天及累計(jì)的借車頻次和還車頻次，然后對(duì)所有站點(diǎn)按累計(jì)的借車頻次和還車頻次分別進(jìn)行排序，部分結(jié)果如圖1、2、3、4所示.

從以上幾幅圖中可以直觀的看出，站點(diǎn)的自行車借出量與歸還量相差不大，也就是說借出量大的站點(diǎn)歸還量也比較大，借出量少的站點(diǎn)歸還量也比較少.

由圖5可知，用車時(shí)長大多分布在30分鐘以內(nèi)，當(dāng)用車時(shí)長多于30分鐘時(shí)，出行者一般會(huì)考慮換乘其他交通工具繼續(xù)行程.

圖1　第一天各站點(diǎn)的借車頻次統(tǒng)計(jì)

圖2　第一天各站點(diǎn)的還車頻次

圖3　各站點(diǎn)20天累計(jì)借車頻次

圖4　各站點(diǎn)20天累計(jì)借車頻次

圖5　用車時(shí)長在100分鐘以內(nèi)的人數(shù)分布直方圖

3　借車卡累計(jì)借車次數(shù)統(tǒng)計(jì)模型

3.1研究思路

根據(jù)溫州市鹿城區(qū)借車卡辦理方法規(guī)定，每張身份證限辦一張借車卡，并且一張借車卡只能借一輛公共自行車.因此我們假定用戶和借車卡之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即每個(gè)用戶各采用一張借車卡.為得到20天中各天使用公共自行車的不同借車卡數(shù)量，我們對(duì)數(shù)據(jù)使用EXCEL軟件中的數(shù)據(jù)透視表功能對(duì)其進(jìn)行處理.再利用SPSS軟件的標(biāo)識(shí)重復(fù)個(gè)案和選擇個(gè)案功能對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，由此得出每張借車卡累計(jì)借車次數(shù)的分布情況.

3.2數(shù)據(jù)處理

建立累加模型對(duì)每天累計(jì)借車次數(shù)以及20天總累計(jì)借車次數(shù)進(jìn)行求解：

3.3結(jié)果分析

表2　不同借車卡每天累計(jì)數(shù)量

由表2可知，第20天借車人最多，第10天借車人最少.

表3　累計(jì)借車次數(shù)的區(qū)間頻次統(tǒng)計(jì)

由表3可知，大部分人的借車次數(shù)都在30次以內(nèi)，樣本點(diǎn)99.2%的用戶的借車次數(shù)都在100次以下，只有極少數(shù)人超過100次.

4　公共自行車使用次數(shù)最多一天的基本情況統(tǒng)計(jì)分析

4.1站點(diǎn)間距離的定義

4.1.1研究思路

已知站點(diǎn)181個(gè)，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)排列組合可知，距離數(shù)值共有C21R1組，短時(shí)間內(nèi)無法通過地圖精確計(jì)算任意兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離.因此選取不同站點(diǎn)間自行車代步所用的時(shí)間來估計(jì)不同站點(diǎn)間的距離.[3]我們定義：

s=vt

其中，v是一般自行車的騎行速度，t是不同站點(diǎn)之間自行車騎行的時(shí)間.

4.1.2數(shù)據(jù)處理

一般人的騎自行車速度為12~15km/h，為簡便計(jì)算，取v=13.5km/h，即v=0.225km/min.[4]假設(shè)借車人從借車時(shí)起到還車時(shí)止，均在勻速騎車.部分借車站點(diǎn)的最近與最遠(yuǎn)還車站點(diǎn)及距離見表4.

表4　借車站點(diǎn)的最近與最遠(yuǎn)還車站點(diǎn)及距離（部分）

4.2借還車頻次最高的站點(diǎn)基本情況統(tǒng)計(jì)分析

4.2.1研究思路

對(duì)于第二十天的數(shù)據(jù)，首先用EXCEL中的數(shù)據(jù)透視圖求出所有車站的借車頻次和還車頻次，再對(duì)其進(jìn)行排序，得到借車頻次最高和還車頻次最高的站點(diǎn).針對(duì)所得的兩個(gè)站點(diǎn)，對(duì)其借車時(shí)刻、還車時(shí)刻、用車時(shí)長分別進(jìn)行條件篩選.由于數(shù)據(jù)量過大，為了統(tǒng)計(jì)方便，將時(shí)間段以兩個(gè)小時(shí)為一層次、借車時(shí)長分鐘段以10分鐘為一段進(jìn)行劃分后統(tǒng)計(jì)出其各自分布.[6]

4.2.2數(shù)據(jù)處理

對(duì)于第二十天的數(shù)據(jù)，用EXCEL中的數(shù)據(jù)透視圖求出所有車站的借車頻次和還車頻次，再進(jìn)行排序，下表列出的是排名前十的借還車站：

表5　借車還車頻次排名前十的站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

由上表可以知道借車頻次最高的站點(diǎn)為42(街心公園)，還車的頻次最高的站點(diǎn)為56(五馬美食林)，對(duì)于第二十天的數(shù)據(jù)，用EXCEL中的數(shù)據(jù)透視圖求出所有車站的借車頻次和還車頻次，再對(duì)其進(jìn)行排序，得到借車頻次最高和還車頻次最高的站點(diǎn).[5]我們將時(shí)間段以兩個(gè)小時(shí)為一層次、借車時(shí)長分鐘段以10分鐘為一段進(jìn)行劃分，結(jié)果如表6、7所示.

表6　借還車時(shí)刻分布表

表7　用車時(shí)長分布

4.3各站點(diǎn)借還車峰值的統(tǒng)計(jì)分析

4.3.1研究思路

將一天中的借還車時(shí)段進(jìn)行合理劃分，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)時(shí)間段各站點(diǎn)的借、還車頻次，設(shè)置界定值篩選出每個(gè)車站的高峰期，并得出高峰時(shí)段各站點(diǎn)的借車頻次和還車頻次，最后對(duì)具有共同借車高峰時(shí)段和還車高峰時(shí)段的站點(diǎn)分別進(jìn)行歸類.

4.3.2數(shù)據(jù)處理

定義最小時(shí)間段為2小時(shí)，將借車還車總時(shí)間段6: 00—22:00劃分為八個(gè)小的時(shí)間段.[7]統(tǒng)計(jì)181個(gè)站點(diǎn)每兩個(gè)小時(shí)內(nèi)的借車頻次和還車頻次，部分結(jié)果見表8、表9.

根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)借還車頻次的總和，計(jì)算每個(gè)時(shí)間段借還車頻次占全天頻次的比例.將兩小時(shí)內(nèi)借還車頻次占全天比值大于0.20的時(shí)間段均稱為高峰時(shí)間段.大部分站點(diǎn)借車高峰期和還車高峰期在8:00—10:00和16:00—18:00，相對(duì)于借車高峰期來說，還車高峰期在8:00—10:00的更多一些.這些時(shí)間正好處于上下班的高峰期，所以借還車頻次增多實(shí)屬正常.通過對(duì)具有共同借車高峰時(shí)段和還車高峰時(shí)段的站點(diǎn)的歸類，可為公共自行車站點(diǎn)的管理提供參考，以能得到更好的管理效果，增大自行車站點(diǎn)的利用率.

表8　前十個(gè)車站的各時(shí)段的借車頻次

表9　前十個(gè)車站的各時(shí)段的還車頻次

5　公共自行車服務(wù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分析

5.1研究思路

對(duì)公共自行車服務(wù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分為兩部分：一是從宏觀角度，將各個(gè)站點(diǎn)的地理位置與站點(diǎn)總數(shù)的設(shè)定做出總評(píng)價(jià)；二是根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)單個(gè)站點(diǎn)的服務(wù)效率，作出相應(yīng)鎖樁數(shù)量的配置評(píng)價(jià).

5.2數(shù)據(jù)處理

5.2.1站點(diǎn)總數(shù)的設(shè)置

公共自行車站點(diǎn)這類公共設(shè)施的建設(shè)一般采取“一次規(guī)劃，分期建成”的辦法.對(duì)于“一次規(guī)劃”，我們可以參照GIS分析方式，這種分析方式就是將區(qū)域內(nèi)的有利于公共自行車使用的GIS數(shù)據(jù)集進(jìn)行加權(quán)，根據(jù)加權(quán)值判斷一個(gè)區(qū)域內(nèi)核心服務(wù)的范圍.區(qū)域面積與站點(diǎn)數(shù)的函數(shù)關(guān)系式：

S=16A1+9A2

S為站點(diǎn)數(shù)量，A1為核心服務(wù)范圍面積，A2為擴(kuò)展服務(wù)范圍面積，單位為km2.[8]

計(jì)算出站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)置數(shù)為S=16×8+9×2=146（個(gè)）.對(duì)于“分期建成”，我們可以根據(jù)后期各個(gè)區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)的服務(wù)效率的不同進(jìn)行站點(diǎn)數(shù)量相應(yīng)的調(diào)整和增減.

5.2.2站點(diǎn)間服務(wù)效率的對(duì)比

圖6　各站點(diǎn)用車總次數(shù)對(duì)比圖

從圖中可以看出，對(duì)比各個(gè)站點(diǎn)之間的用車頻次數(shù)據(jù)有較大差別，若取5000為一個(gè)分界點(diǎn)，可以認(rèn)為在用車總次數(shù)不超過5000或者更低的站點(diǎn)服務(wù)效率不高.例如累計(jì)用車次數(shù)后十位的以下站點(diǎn),這些站點(diǎn)可能存在較大的缺陷，應(yīng)視為重點(diǎn)整改對(duì)象.

表10　累計(jì)用車次數(shù)后十位的站點(diǎn)

5.2.3單個(gè)站點(diǎn)的鎖樁數(shù)量與投放車輛數(shù)的設(shè)置

在一般情況下，投放自行車數(shù)與鎖樁數(shù)量為1:1.3到1: 1.5之間的比例，這是由于有些站點(diǎn)的借車數(shù)與還車數(shù)不能保持相同，為減少車輛調(diào)度以及考慮到檢修車輛和被盜車輛，鎖樁數(shù)要大于車輛數(shù).由于自行車數(shù)量的設(shè)定是按照一地居民的出行來定，投放自行車數(shù)量的計(jì)算公式可表示如下：

其中X為投放公共自行車數(shù)，k為人口，p為對(duì)應(yīng)人群的日均出行次數(shù)，l為出行方式，m為對(duì)應(yīng)出行方式轉(zhuǎn)變率，n為新增出行比例，a為壞車率，b為丟車率，t為每車日均租借量.[9]

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)站點(diǎn)的鎖樁數(shù)均為20，鎖樁數(shù)量的設(shè)置沒有考慮到不同站點(diǎn)自行車的使用率，所以該地區(qū)應(yīng)考慮在自行車使用率較高的地區(qū)，向以下列舉的公共自行車使用率高的前15個(gè)站點(diǎn)增加公共自行車鎖樁的數(shù)量.

表11　自行車使用次數(shù)

6　結(jié)語

⑴所有站點(diǎn)的用車量隨周期性波動(dòng)，且波動(dòng)量較大.這時(shí)可以通過在低峰期超過一定時(shí)間少收費(fèi)、不限時(shí)用車等措施鼓勵(lì)居民在低峰期多使用公共自行車，避免車輛閑置而導(dǎo)致的資源浪費(fèi).

⑵各站點(diǎn)的借還車的頻次存在差異.公共自行車行車系統(tǒng)（PBS）主要通過后臺(tái)控制中心和區(qū)域調(diào)度中心來完成車輛調(diào)配.通過各服務(wù)點(diǎn)自行車停放情況的跟蹤統(tǒng)計(jì),當(dāng)車輛數(shù)低于某一個(gè)閾值時(shí)，啟動(dòng)調(diào)度，并對(duì)站點(diǎn)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證調(diào)度最優(yōu)化.

⑶通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)所有的借車時(shí)間均在6:00到22:00之間.再加之夜間行車存在安全隱患，建議縮短服務(wù)每天時(shí)間，不再全天24小時(shí)，可以降低PBS的運(yùn)行成本.

⑷原數(shù)據(jù)中存在不少用車時(shí)間小于1分鐘的借還車記錄，可能是借車人借出車輛后發(fā)現(xiàn)車輛損壞，于是立即將車歸還.建議啟動(dòng)報(bào)修系統(tǒng)，當(dāng)借車人發(fā)現(xiàn)車輛損壞時(shí)可以進(jìn)行網(wǎng)上報(bào)修，修理人員就可以及時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行維修，以保障供給車輛數(shù).

〔1〕黃建德.城市公共自行車系統(tǒng)發(fā)展研究［D］.華中科技大學(xué)，2013.

〔2〕呂丹.“公共自行車服務(wù)系統(tǒng)”研究與大數(shù)據(jù)處理［J］.數(shù)學(xué)建模及其應(yīng)用，2013，2（11）：20-41.

〔3〕姚遙，周楊軍.杭州市公共自行車系統(tǒng)規(guī)劃［J］.城市交通，2009（4）：30-38.

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〔6〕朱強(qiáng)，郭晟.廣州市公共自行車交通系統(tǒng)實(shí)施策略研究［J］.黑龍江交通科技，2009（8）：199-200.

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〔8〕楊桂元，黃己立.數(shù)學(xué)建模［M］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008（8）.

〔9〕姜啟源，謝金星，葉俊.數(shù)學(xué)建模（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2011（1）.

O212；U491.2

A

1673-260X（2016）08-0005-05

2016-06-11

本文屬國家自然科學(xué)項(xiàng)目（11301001），安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)科研項(xiàng)目（acjyzd201429）階段性研究成果

朱家明（1973-），男，安徽泗縣人，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室主任，副教授，碩士，研究方向：應(yīng)用數(shù)學(xué)與數(shù)學(xué)建模