城市公共自行车网络设计优化模型与算法研究

Recently, the public bicycle plays an important role in reducing traffic congestion and facilitating residents’ travel. However, in reality the location of bicycle rents and planning of bicycle lanes are usually designed based on experience, there is lack of study in optimal design of bicycle network integrating bicycle rents and bicycle lanes in the same level. Hence, the service level of public bicycle is low and it does achieve success as we expected. How to scientifically design public bicycle network to enhance the service level becomes an urgent problem in the development of public bicycle in our country. The project will apply the graph theory in operation research, transportation planning, system modeling, mathematical programming, optimization theory, to develop new theory and method for the large scale public bicycle network problem. This project intends to firstly study the integrated optimal network design problem of location of bicycle rents and planning of bicycle lanes. Then, based on the first work, we investigate several kinds of extended bicycle network design problem in the different contexts of limited investment cost, enlarging the existing bicycle network, and considering residents traveling behavior, respectively. Besides, the proposed models of developed algorithm will be evaluated and validated by extensive simulation experiments. The research of this project will contribute to the theories and methodologies of public bicycle network, as well as to play an important role in improving the residents’ travel and promoting urban economic sustainable development.

近些年，公共自行车在缓解交通拥堵、方便居民出行方面发挥重要作用。但现实中公共自行车租赁点布局和自行车路网规划大多根据经验进行，缺乏从两者统一的层面集成优化设计自行车网络，从而导致公共自行车服务水平低，未能取得想象中的成功。如何科学合理设计公共自行车网络以提高服务水平是我国公共自行车发展过程中亟待解决的问题。本项目将结合运筹学图论、交通规划、系统建模、数学规划、优化理论和方法，旨在为城市大规模公共自行车网络优化设计提出新的理论与方法。本项目拟从自行车租赁点布局和自行车路网规划角度入手，研究公共自行车网络设计的集成优化问题；在此基础上分别研究投资成本有限、网络扩建、以及考虑居民出行行为选择等背景下的公共自行车网络设计的集成优化问题；并通过仿真实验，对模型理论和算法性能进行验证与应用。本项目研究将进一步完善公共自行车网络设计的理论与方法，为提高城市居民出行、促进城市经济可持续发展发挥重要作用。

随着公共自行车的兴起，其灵活便捷的特性日益成为传统交通工具的有益补充，常常被人们用于短距离出行，在解决最后一公里出行中发挥重要作用。公共自行车系统的服务水平，与系统的网络密切相关。本项目探讨公共自行车系统的网络设计问题，综合运用系统建模、图与网络、交通规划、优化方法等理论对不同情形下公共自行车系统的网络设计中站点选址和自行车路网规划集成问题进行研究，以期为公共自行车系统的网络设计提供参考。..项目组以自行车专用道设置、出行者出行行为选择、出行者满意度、系统分阶段实现四个切入点开展研究，在此基础上提炼出考虑上述不同现实情形的公共自行车系统的网络设计集成优化问题，即(a)基于公交车接驳的公共自行车网络设计的集成优化问题，(b)考虑出行者出行行为选择的公共自行车路网设计优化问题，(c)投资成本约束下用户满意度的公共自行车网络设计优化问题，(d)公共自行车系统分阶段选址布局优化问题。.在研究中重点解决公共自行车站点选址布局和自行车专用道设置的建模方法，以及开发求解大规模复杂网络设计问题所需的高效方法和技术手段。针对所研究问题的建模，项目组将需要决策的站点选址和自行车道设置变量抽象为点与弧，并分析两者的内在逻辑关系，基于图与网络理论刻画出能反映不同现实情形的这两类决策变量的相关约束，结合目标函数构建出的自行车系统的网络设计模型。由于公共自行车候选站点多导致问题的复杂性大大增加，项目组摒弃纯粹的数学规划方法，通过对问题特性和模型结构的理论分析，设计出基于禁忌搜索、双层规划、量子进化等思想的高效的元启发式新型智能优化方法，通过大量仿真实验验证模型和算法的有效性，在解的质量上和求解时间上较商业软件CPLEX具有明显的优势。最后，在完成上述工作基础上，项目组归纳总结公共自行车系统的网络设计理论和方法，得出一些有参考价值的管理启示。