基于馬爾科夫鏈的公共自行車站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于交通規(guī)劃中公共自行車系統(tǒng)規(guī)劃領(lǐng)域，尤其針對(duì)公共自行車的借還需 求量進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 公共自行車系統(tǒng)作為公共交通體系的重要組成部分，解決了軌道交通和地面公共 交通均無法滿足的"最后一公里"的末端交通需求。該系統(tǒng)具有使用便捷、可達(dá)性高、收費(fèi) 低廉、低碳環(huán)保等特征，可以作為公共交通體系中的毛細(xì)血管，提供"門到門"服務(wù)，有效滿 足短距離出行的需求，大大延伸公共交通的服務(wù)范圍。
[0003] 隨著各地公共自行車系統(tǒng)的逐漸建立，在普及使用時(shí)也出現(xiàn)了一系列問題，其中 突出存在的問題主要有兩方面，一方面是政府投入太大，入不敷出；另一方面是居民在站點(diǎn) 借車難、還車難。這兩個(gè)問題的矛頭都指向公共自行車的借還需求量不平衡，能否妥善解決 公共自行車的供需矛盾成為公共自行車系統(tǒng)能否進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。
[0004] 解決公共自行車的借還需求量問題對(duì)指導(dǎo)租賃站點(diǎn)的規(guī)模建設(shè)和系統(tǒng)調(diào)度安排 上都有著重要的作用?？茖W(xué)合理的租賃點(diǎn)建設(shè)規(guī)模既可以最大程度地滿足需求，又可以節(jié) 省建設(shè)成本。通過對(duì)不同租賃點(diǎn)之間的公共自行車進(jìn)行及時(shí)而合理的調(diào)度，可以提高公共 自行車的周轉(zhuǎn)率，解決因不同租賃點(diǎn)公共自行車數(shù)量不均衡而導(dǎo)致的"借車難或還車難"等 問題。
[0005] 目前，解決自行車供需矛盾問題的理論方法主要有兩種：
[0006] 一種是建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的借還需求量預(yù)測(cè)。這種預(yù)測(cè)方法曾在巴黎和杭州等國(guó) 內(nèi)外城市的公共自行車站點(diǎn)需求預(yù)測(cè)中采用，通過分析居民數(shù)量，服務(wù)半徑或者類比現(xiàn)有 同等城市發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，得出未來的自行車供需量。這種預(yù)測(cè)方式的缺陷是：預(yù)測(cè)方法是基于該 城市的特點(diǎn)，是一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律得到的預(yù)測(cè)規(guī)律，并不是對(duì)每一個(gè)城市都能適用，尤其面對(duì) 城市規(guī)模差距大，顧客選擇出行方式行為差距大的地方，預(yù)測(cè)結(jié)果精度大打折扣。
[0007] 另一種是建立在"四階段規(guī)劃"模型基礎(chǔ)上的供需預(yù)測(cè)模型。這種傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方 法需要首先進(jìn)行交通小區(qū)劃分，然后進(jìn)行小區(qū)OD分配，再按照出行方式劃分，得到交通小 區(qū)之間采用公共自行車的OD量，通過OD量來預(yù)測(cè)公共自行車站點(diǎn)的供需情況。但是這種 預(yù)測(cè)也存在著以下的問題：每個(gè)交通小區(qū)可能含有多個(gè)公共自行車站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)由于地 理位置的不同，其重要性也有著明顯差別，以傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方式預(yù)測(cè)的供需關(guān)系沒有辦法指 導(dǎo)具體站點(diǎn)的供需預(yù)測(cè)問題，這使得具體站點(diǎn)在供需補(bǔ)給上與真實(shí)需求不匹配，市民無車 可借、無處停車的現(xiàn)象不能真實(shí)得到緩解，政府對(duì)站點(diǎn)粧位的投資并不能真正的受惠于民、 遭到浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種基于馬爾科夫鏈的公共自行車 站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法，基于馬爾科夫鏈的站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)技術(shù)恰恰解決了現(xiàn)有技術(shù)的以上難 題，不受限于城市規(guī)模和行人行為選擇的不同，能夠預(yù)測(cè)每個(gè)公共自行車站點(diǎn)的供需情況。 本發(fā)明方法運(yùn)用公共自行車租賃站點(diǎn)終端的自行車租借數(shù)據(jù)，基于馬爾科夫鏈的穩(wěn)態(tài)分布 性質(zhì)，構(gòu)建借還車輛的轉(zhuǎn)移概率矩陣，求解穩(wěn)態(tài)向量，將穩(wěn)態(tài)向量中的元素作為對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的 分配權(quán)重，預(yù)測(cè)站點(diǎn)的借車以及還車需求量。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于馬爾科夫鏈的公共自行車 站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0010] 第一步、公共自行車站點(diǎn)供需信息的采集及數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建：
[0011] 搜集公共自行車站點(diǎn)的終端刷卡數(shù)據(jù)，并采集如下信息：借出站點(diǎn)名稱、借出站點(diǎn) 編號(hào)、還車站點(diǎn)名稱、還車站點(diǎn)編號(hào)、借車時(shí)刻、還車時(shí)刻、用車時(shí)間、持卡種類；
[0012] 第二步、數(shù)據(jù)預(yù)處理：
[0013] 2.1站點(diǎn)重新編號(hào)：
[0014] 根據(jù)站點(diǎn)編號(hào)按從小到大的順序?qū)φ军c(diǎn)進(jìn)行排序，然后按照1，2, 3…這樣連續(xù)不 間斷的順序重新給站點(diǎn)標(biāo)號(hào)；
[0015] 2. 2剔除無效數(shù)據(jù)：
[0016] (1)剔除管理卡刷卡數(shù)據(jù)；
[0017] (2)剔除異常數(shù)據(jù)，包括：在同一站點(diǎn)刷卡借、還，且兩次刷卡時(shí)間相差在5分鐘 以內(nèi)的數(shù)據(jù)；以及借還刷卡時(shí)間超過一天的數(shù)據(jù)；
[0018] 第三步、建立轉(zhuǎn)移概率矩陣：
[0019] 3. 1構(gòu)建各個(gè)站點(diǎn)之間的平均借還矩陣：
[0020] 首先利用剔除無效數(shù)據(jù)后剩余的有效數(shù)據(jù)，構(gòu)建各天的原始借還矩陣，矩陣階數(shù) 為ηΧη，η為公共自行車站點(diǎn)的個(gè)數(shù)，矩陣的元素 ay表示從i站點(diǎn)借出到j(luò)站點(diǎn)歸還的車 輛數(shù)；然后對(duì)至少一個(gè)月的相應(yīng)的進(jìn)行平均，得到各個(gè)站點(diǎn)間的平均借還矩陣；
[0021] 3. 2構(gòu)建借車的轉(zhuǎn)移概率矩陣P :
[0022] 根據(jù)馬爾科夫鏈構(gòu)建借車的轉(zhuǎn)移概率矩陣P，矩陣階數(shù)為ηΧη，矩陣的元素 Pij表 示從i站點(diǎn)借出到j(luò)站點(diǎn)歸還的車輛數(shù)占所有從i站點(diǎn)借出的車輛數(shù)的比例：
[0023]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于馬爾科夫鏈的公共自行車站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法，其特征在于：包括以下步 驟： 第一步、公共自行車站點(diǎn)供需信息的采集及數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建： 搜集公共自行車站點(diǎn)的終端刷卡數(shù)據(jù)，并采集如下信息：借出站點(diǎn)名稱、借出站點(diǎn)編 號(hào)、還車站點(diǎn)名稱、還車站點(diǎn)編號(hào)、借車時(shí)刻、還車時(shí)刻、用車時(shí)間、持卡種類； 第二步、數(shù)據(jù)預(yù)處理： 2. 1站點(diǎn)重新編號(hào)： 根據(jù)站點(diǎn)編號(hào)按從小到大的順序?qū)φ军c(diǎn)進(jìn)行排序，然后按照1，2, 3…這樣連續(xù)不間斷 的順序重新給站點(diǎn)標(biāo)號(hào)； 2. 2剔除無效數(shù)據(jù)： (1) 剔除管理卡刷卡數(shù)據(jù)； (2) 剔除異常數(shù)據(jù)，包括：在同一站點(diǎn)刷卡借、還，且兩次刷卡時(shí)間相差在5分鐘以內(nèi) 的數(shù)據(jù)；以及借還刷卡時(shí)間超過一天的數(shù)據(jù)； 第三步、建立轉(zhuǎn)移概率矩陣： 3. 1構(gòu)建各個(gè)站點(diǎn)之間的平均借還矩陣： 首先利用剔除無效數(shù)據(jù)后剩余的有效數(shù)據(jù)，構(gòu)建各天的原始借還矩陣，矩陣階數(shù)為 ηΧη，η為公共自行車站點(diǎn)的個(gè)數(shù)，矩陣的元素 ay表示從i站點(diǎn)借出到j(luò)站點(diǎn)歸還的車輛 數(shù)；然后對(duì)至少一個(gè)月的相應(yīng)的％進(jìn)行平均，得到各個(gè)站點(diǎn)間的平均借還矩陣； 3. 2構(gòu)建借車的轉(zhuǎn)移概率矩陣P : 根據(jù)馬爾科夫鏈構(gòu)建借車的轉(zhuǎn)移概率矩陣P，矩陣階數(shù)為ηΧη，矩陣的元素 Pu表示從 i站點(diǎn)借出到j(luò)站點(diǎn)歸還的車輛數(shù)占所有從i站點(diǎn)借出的車輛數(shù)的比例： 9*1 η 其中，Pi表示所有從i站點(diǎn)借出的車輛數(shù)：P/ =Σ~ ; i=i 3. 3構(gòu)建還車的轉(zhuǎn)移概率矩陣Q : 根據(jù)馬爾科夫鏈構(gòu)建還車的轉(zhuǎn)移概率矩陣Q，矩陣階數(shù)為ηΧη，矩陣的元素&表示從 i站點(diǎn)借出到j(luò)站點(diǎn)歸還的車輛數(shù)占所有到j(luò)站點(diǎn)歸還的車輛數(shù)的比例： Ii ' Il η 其中，q」表示所有到j(luò)站點(diǎn)歸還的車輛數(shù)：q,_ =Σβ|/ ; i-1 第四步、計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)的借、還車的分配權(quán)重： 4. 1求解借車的平衡穩(wěn)態(tài)方程： 首先，建立Π ，JT是一個(gè)（X1, X2, X3......)的行向量，元素 Xi作為站點(diǎn)i的借車分配 權(quán)重，其中Xi>〇,且ZSslXi = I;然后，建立平衡穩(wěn)態(tài)方程πΡ= π ;最后，通過求解穩(wěn)態(tài) 平衡方程得到各個(gè)站點(diǎn)的借車分配權(quán)重； 4. 2求解還車的平衡穩(wěn)態(tài)方程： 首先，建立Π % JT *是一個(gè)（y y2, y3......)的行向量，元素 Yi作為站點(diǎn)i的還車分配 權(quán)重，其中〇,旦ZfssiJl = 1;然后，建立平衡穩(wěn)態(tài)方程VQ = V;最后，通過求解穩(wěn) 態(tài)平衡方程得到各個(gè)站點(diǎn)的還車分配權(quán)重； 第五步、利用預(yù)測(cè)的公共自行車的日總需求量預(yù)測(cè)公共自行車站點(diǎn)未來的借、還車需 求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬爾科夫鏈的公共自行車站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法，其特征在 于：第五步所述公共自行車站點(diǎn)未來的借車需求等于日總需求量乘以該站點(diǎn)的借車分配權(quán) 重；所述公共自行車站點(diǎn)未來的還車需求等于日總需求量乘以該站點(diǎn)的還車分配權(quán)重。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于馬爾科夫鏈的公共自行車站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法，其特征在 于：第五步所述公共自行車的日總需求量的預(yù)測(cè)公式為：
式中：B為公共自行車的日總需求量，單位萬輛；Rp R2分別為規(guī)劃常住人口、規(guī)劃流動(dòng) 人口，單位萬人；tpt2*別為常住人口、流動(dòng)人口的日均出行次數(shù)，單位次/人日；s為公共 自行車占全方式出行比例；V為公共自行車日均周轉(zhuǎn)率，次/日。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于馬爾科夫鏈的公共自行車站點(diǎn)供需預(yù)測(cè)方法，運(yùn)用公共自行車租賃站點(diǎn)終端的自行車租借數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建借、還車輛的轉(zhuǎn)移概率矩陣，建立關(guān)于站點(diǎn)重要度的平衡穩(wěn)態(tài)方程，預(yù)測(cè)站點(diǎn)的每日借還需求量。本發(fā)明的積極效果是：利用了馬爾科夫鏈這一概率統(tǒng)計(jì)學(xué)上的經(jīng)典方法，結(jié)合公共自行車租賃站點(diǎn)的實(shí)際問題，提出了切實(shí)可用的借還車輛供需預(yù)測(cè)方法，為以后指導(dǎo)公共自行車站點(diǎn)的樁位具體建設(shè)問題以及平衡調(diào)度問題提供理論指導(dǎo)，具有很好的行業(yè)應(yīng)用前景。
【IPC分類】G06Q50-30, G06Q10-04
【公開號(hào)】CN104636828
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510050755
【發(fā)明人】楊飛, 黃奕慧, 譚玉龍
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年2月2日