[发明专利]基于大数据的无桩共享单车运营调度策略优化方法及系统

权利要求书

1.一种基于大数据分析的无桩共享单车运营调度策略优化方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于运营区域内无桩共享单车的运营数据，计算运营调度工作的搬运需求，提取该区域内所述无桩共享单车的搬运需求分布特征，具体包括：

步骤S11：根据所述无桩共享单车的运营时间，确定所述无桩共享单车运营调度工作的时长；

步骤S12：基于运营区域的边界数据，获取在所述运营区域和运营时间范围内的用户骑行数据，包括：每趟骑行的开始时间、开始位置、结束时间、结束位置以及所骑行的无桩共享单车ID编号；

步骤S13：以所述无桩共享单车ID编号为索引，提取所述运营时间范围内的骑行数据，按照时间顺序排列，得到所述无桩共享单车的行驶轨迹，记录每辆所述无桩共享单车的行驶轨迹的起点和终点；

步骤S14：基于所述运营区域内所述无桩共享单车的电子围栏数据，提取所述行驶轨迹终点在所述电子围栏外的所述无桩共享单车位置数据，其集合记为D₁；提取超过预设时间且未被骑行的所述无桩共享单车位置数据，其集合记为D₂；则运营调度工作过程中需要搬走的所述无桩共享单车的位置集合记为D＝D₁∪D₂；

步骤S15：基于所述运营区域内所述无桩共享单车的电子围栏数据，分别计算运营开始时和结束时所述电子围栏内停放的所述无桩共享单车的数量，其中，运营结束时比开始时减少的所述无桩共享单车数量即为需要搬来所述无桩共享单车的数量；其中，所述电子围栏的位置为运营调度工作过程中需要搬来的所述无桩共享单车的位置，其集合记为Q；

步骤S16：基于所述无桩共享单车的运营数据，提取当前运营时间内的坏车位置数据，即为运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置，其集合记为H；

步骤S2：基于运营调度工作的时长、调度车搬运功能、拾取动作和容量限制的特征，以最小化运营调度成本为目标，分别构建三种运营调度策略模型：状态调度策略模型、动作调度策略模型和混合调度策略模型：

a)所述状态调度策略模型是按照搬运需求中所述无桩共享单车是否被损坏的状态来组织调度车的搬运工作；即将所述调度车分为两类，一类将集合D的所述无桩共享单车搬运至集合Q，记为DQ类调度车；另一类将集合H的所述无桩共享单车搬运至调度中心进行维修，记为H类调度车，具体包括：

步骤S21：DQ类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(1)及其约束条件表示为公式(2)～公式(12)组成：

其中，各个参数含义如下：

K：运营区域内调度中心的位置集合；

D：运营调度工作过程中需要搬走所述无桩共享单车的位置集合；

Q：运营调度工作过程中需要搬来所述无桩共享单车的位置集合；

R¹：一辆DQ类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C¹：一辆DQ类调度车使用一天的租赁成本；

Ω：一位调度工人装卸一辆共享单车的作业时间；

α：所述无桩共享单车运营公司需要支付给调度工人的单位费用；

一辆DQ类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪D∪Q；

TIME：所述无桩共享单车每次运营调度工作的时长；

δ_j：一辆DQ类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪D∪Q；

δ_i：一辆DQ类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪D∪Q；

若一辆DQ类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪Q；

若一辆DQ类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪Q；

若一辆DQ类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i∈K∪D∪Q；

一辆DQ类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车的数量，i,j∈K∪D∪Q；

一辆DQ类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车的数量，i,j∈K∪D∪Q；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

步骤S22：H类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(13)及其约束条件表示为公式(14)～公式(23)组成：

其中，各个参数含义如下：

H：运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置集合；

R²：一辆H类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C²：一辆H类调度车使用一天的租赁成本；

一辆H类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪H；

ω_j：一辆H类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪H；

ω_i：一辆H类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪H；

H_ij：若一辆H类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪H；

H_ji：若一辆H类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪H；

H_ii：若一辆H类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪H；

h_ij：一辆H类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪H；

h_ji：一辆H类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的共享单车数量，i,j∈K∪H；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

b)所述动作调度策略是按照搬运需求中放回或拾取所述无桩共享单车的动作来组织调度车的搬运工作；即将所述调度车分为两类，一类将调度中心的所述无桩共享单车放回至集合Q，记为Q类调度车；另一类拾取集合D和集合H的所述无桩共享单车并搬运至调度中心，记为DH类调度车，具体包括：

步骤S31：Q类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(24)及其约束条件表示为公式(25)～公式(34)组成：

其中，各个参数含义如下：

Q：运营调度工作过程中需要搬来所述无桩共享单车的位置集合；

R³：一辆Q类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C³：一辆Q类调度车使用一天的租赁成本；

一辆Q类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪Q；

η_j：一辆Q类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪Q；

η_i：一辆Q类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪Q；

Q_ij：若一辆Q类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪Q；

Q_ji：若一辆Q类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪Q；

Q_ii：若一辆Q类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪Q；

q_ij：一辆Q类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪Q；

q_ji：一辆Q类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪Q；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

步骤S32：DH类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(35)及其约束条件表示为公式(36)～公式(45)组成：

其中，各个参数含义如下：

D：运营调度工作过程中需要搬走所述无桩共享单车的位置集合；

H：运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置集合；

R⁴：一辆DH类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C⁴：一辆DH类调度车使用一天的租赁成本；

一辆DH类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪D∪H；

ξ_j：一辆DH类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪D∪H；

ξ_i：一辆DH类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪D∪H；

若一辆DH类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪H；

若一辆DH类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪H；

若一辆DH类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪H；

一辆DH类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪D∪H；

一辆DH类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪D∪H；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

c)所述混合调度策略是将所有的调度车归为一类，同时负责将集合D位置的所述无桩共享单车搬运至集合Q，同时将集合H位置的所述无桩共享单车搬运至调度中心进行维修，记为HY类调度车；HY类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(46)及其约束条件表示为公式(47)～公式(60)组成：

K：运营区域内调度中心的位置集合；

Q：运营调度工作过程中需要搬来所述无桩共享单车的位置集合；

D：运营调度工作过程中需要搬走所述无桩共享单车的位置集合；

H：运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置集合；

N：上述所有集合的集合，即N＝K∪Q∪D∪H；

R⁵：一辆HY类调度车可装载共享单车的最大数量；

C⁵：一辆HY类调度车使用一天的租赁成本；

一辆HY类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈N；

θ_j：一辆HY类调度车行驶到j位置的时间点，j∈N；

θ_i：一辆HY类调度车行驶到i位置的时间点，i∈N；

若一辆HY类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈N；

若一辆HY类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈N；

若一辆HY类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈N；

一辆HY类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的未被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

一辆HY类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的未被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

hy_ij：一辆HY类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的已被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

hy_ji：一辆HY类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的已被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

步骤S3：将所述搬运需求分布特征分别导入所述三种运营调度策略模型，利用运筹优化算法求解模型，得到每种所述运营调度策略模型对应运营调度的实施方案和运营调度工作的成本，选取成本最低的策略为本次所述无桩共享单车运营调度的最优策略。

2.一种基于大数据分析的无桩共享单车运营调度策略优化系统，其特征在于，包括下述模块：

提取搬运需求分布特征模块，用于基于运营区域内所述无桩共享单车的运营数据，计算运营调度工作的搬运需求，提取该区域内所述无桩共享单车的搬运需求分布特征，具体包括：

步骤S11：根据所述无桩共享单车的运营时间，确定所述无桩共享单车运营调度工作的时长；

步骤S12：基于运营区域的边界数据，获取在所述运营区域和运营时间范围内的用户骑行数据，包括：每趟骑行的开始时间、开始位置、结束时间、结束位置以及所骑行的无桩共享单车ID编号；

步骤S13：以所述无桩共享单车ID编号为索引，提取所述运营时间范围内的骑行数据，按照时间顺序排列，得到所述无桩共享单车的行驶轨迹，记录每辆所述无桩共享单车的行驶轨迹的起点和终点；

步骤S14：基于所述运营区域内所述无桩共享单车的电子围栏数据，提取所述行驶轨迹终点在所述电子围栏外的所述无桩共享单车位置数据，其集合记为D₁；提取超过预设时间且未被骑行的所述无桩共享单车位置数据，其集合记为D₂；则运营调度工作过程中需要搬走的所述无桩共享单车的位置集合记为D＝D₁∪D₂；

步骤S15：基于所述运营区域内所述无桩共享单车的电子围栏数据，分别计算运营开始时和结束时所述电子围栏内停放的所述无桩共享单车的数量，其中，运营结束时比开始时减少的所述无桩共享单车数量即为需要搬来所述无桩共享单车的数量；其中，所述电子围栏的位置为运营调度工作过程中需要搬来的所述无桩共享单车的位置，其集合记为Q；

步骤S16：基于所述无桩共享单车的运营数据，提取当前运营时间内的坏车位置数据，即为运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置，其集合记为H；

构建运营调度策略模块，用于基于运营调度工作的时长、调度车搬运功能、拾取动作和容量限制的特征，以最小化运营调度成本为目标，分别构建三种运营调度策略模型：状态调度策略模型、动作调度策略模型和混合调度策略模型：

a)所述状态调度策略模型是按照搬运需求中所述无桩共享单车是否被损坏的状态来组织调度车的搬运工作；即将所述调度车分为两类，一类将集合D的所述无桩共享单车搬运至集合Q，记为DQ类调度车；另一类将集合H的所述无桩共享单车搬运至调度中心进行维修，记为H类调度车，具体包括：

步骤S21：DQ类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(1)及其约束条件表示为公式(2)～公式(12)组成：

其中，各个参数含义如下：

K：运营区域内调度中心的位置集合；

D：运营调度工作过程中需要搬走所述无桩共享单车的位置集合；

Q：运营调度工作过程中需要搬来所述无桩共享单车的位置集合；

R¹：一辆DQ类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C¹：一辆DQ类调度车使用一天的租赁成本；

Ω：一位调度工人装卸一辆共享单车的作业时间；

α：所述无桩共享单车运营公司需要支付给调度工人的单位费用；

一辆DQ类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K ∪D ∪Q；

TIME：所述无桩共享单车每次运营调度工作的时长；

δ_j：一辆DQ类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪D∪Q；

δ_i：一辆DQ类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪D∪Q；

若一辆DQ类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪Q；

若一辆DQ类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪Q；

若一辆DQ类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i∈K∪D∪Q；

一辆DQ类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车的数量，i,j∈K∪D∪Q；

一辆DQ类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车的数量，i,j∈K∪D∪Q；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

步骤S22：H类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(13)及其约束条件表示为公式(14)～公式(23)组成：

其中，各个参数含义如下：

H：运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置集合；

R²：一辆H类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C²：一辆H类调度车使用一天的租赁成本；

一辆H类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪H；

ω_j：一辆H类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪H；

ω_i：一辆H类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪H；

H_ij：若一辆H类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪H；

H_ji：若一辆H类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪H；

H_ii：若一辆H类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪H；

h_ij：一辆H类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪H；

h_ji：一辆H类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的共享单车数量，i,j∈K∪H；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

b)所述动作调度策略是按照搬运需求中放回或拾取所述无桩共享单车的动作来组织调度车的搬运工作；即将所述调度车分为两类，一类将调度中心的所述无桩共享单车放回至集合Q，记为Q类调度车；另一类拾取集合D和集合H的所述无桩共享单车并搬运至调度中心，记为DH类调度车，具体包括：

步骤S31：Q类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(24)及其约束条件表示为公式(25)～公式(34)组成：

其中，各个参数含义如下：

Q：运营调度工作过程中需要搬来所述无桩共享单车的位置集合；

R³：一辆Q类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C³：一辆Q类调度车使用一天的租赁成本；

一辆Q类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪Q；

η_j：一辆Q类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪Q；

η_i：一辆Q类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪Q；

Q_ij：若一辆Q类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪Q；

Q_ji：若一辆Q类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪Q；

Q_ii：若一辆Q类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪Q；

q_ij：一辆Q类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪Q；

q_ji：一辆Q类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪Q；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

步骤S32：DH类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(35)及其约束条件表示为公式(36)～公式(45)组成：

其中，各个参数含义如下：

D：运营调度工作过程中需要搬走所述无桩共享单车的位置集合；

H：运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置集合；

R⁴：一辆DH类调度车可装载所述无桩共享单车的最大数量；

C⁴：一辆DH类调度车使用一天的租赁成本；

一辆DH类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈K∪D∪H；

ξ_j：一辆DH类调度车行驶到j位置的时间点，j∈K∪D∪H；

ξ_i：一辆DH类调度车行驶到i位置的时间点，i∈K∪D∪H；

若一辆DH类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪H；

若一辆DH类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪H；

若一辆DH类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈K∪D∪H；

一辆DH类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪D∪H；

一辆DH类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的所述无桩共享单车数量，i,j∈K∪D∪H；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

c)所述混合调度策略是将所有的调度车归为一类，同时负责将集合D位置的所述无桩共享单车搬运至集合Q，同时将集合H位置的所述无桩共享单车搬运至调度中心进行维修，记为HY类调度车；HY类调度车的数学模型由下述目标函数表示为公式(46)及其约束条件表示为公式(47)～公式(60)组成：

K：运营区域内调度中心的位置集合；

Q：运营调度工作过程中需要搬来所述无桩共享单车的位置集合；

D：运营调度工作过程中需要搬走所述无桩共享单车的位置集合；

H：运营调度工作过程中需要被搬运回调度中心检修的所述无桩共享单车位置集合；

N：上述所有集合的集合，即N＝K∪Q∪D∪H；

R⁵：一辆HY类调度车可装载共享单车的最大数量；

C⁵：一辆HY类调度车使用一天的租赁成本；

一辆HY类调度车从i位置到j位置所需的行驶时间，i,j∈N；

θ_j：一辆HY类调度车行驶到j位置的时间点，j∈N；

θ_i：一辆HY类调度车行驶到i位置的时间点，i∈N；

若一辆HY类调度车从i位置行驶到j位置取1，否则取0，i,j∈N；

若一辆HY类调度车从j位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈N；

若一辆HY类调度车从i位置行驶到i位置取1，否则取0，i,j∈N；

一辆HY类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的未被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

一辆HY类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的未被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

hy_ij：一辆HY类调度车行驶在i位置到j位置的路径上时车上所装载的已被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

hy_ji：一辆HY类调度车行驶在j位置到i位置的路径上时车上所装载的已被损坏的所述无桩共享单车数量，i,j∈N；

card()：数学表达式中表示集合中元素的数量；

Z：数学表达式中表示整数的含义，即所取到的数值均为整数；

M：数学表达式中表示一个很大数值的含义；

选取最优策略模块，用于将所述搬运需求分布特征分别导入所述三种运营调度策略模型，利用运筹优化算法求解模型，得到每种所述运营调度策略模型对应运营调度的实施方案和运营调度工作的成本，选取成本最低的运营调度策略为本次所述无桩共享单车运营调度的最优策略。