汽车共享系统运营模式特征与运营调度研究综述

交叉创新与转型重构——2017年中国城市交通规划年会论文集1汽车共享系统运营模式特征与运营调度研究综述汪磊马万经陈蓓付涛【摘要】随着移动互联网技术蓬勃发展和共享经济兴起，汽车共享（分时租赁）模式蓬勃发展。现有研究对运营模式和运营管理等问题的认识和研究尚不全面。通过归纳汽车共享系统往返、单程、有预约、无预约的服务模式及特征，指出单程、无预约的服务模式是汽车共享系统运营模式的主流方向。该模式带来系统车辆分布的不均衡性，因此运营调度是关键。然后，综述汽车共享系统运营调度问题的现有解决思路和方法，并对有预约的运营模式、无预约运营模式下的车辆调度方法进行归纳。进一步指出，车辆调度工作受到调度人员制约，需要在未来的运营模式中引入新的调度方法来提升效益。【关键词】汽车共享；运营；调度；研究综述1引言出行，是城市居民生产生活的基本需求，也是保持城市活力的基本要素。目前，我国城市道路交通日渐拥堵、公共交通服务质量有待提升，如何提高居民出行效率与质量，是公众和学者所密切关注的话题。随着移动互联网技术的蓬勃发展和共享经济的兴起，汽车共享（Carsharing）尤其是以“分时租赁”为代表的服务模式在近十年中迅速发展成了满足居民出行需求的一种新方式。汽车共享的蓬勃发展有其鲜明的时代背景。首先，汽车共享模式基于共享经济模式体系，改变了传统的大规模资源消耗、批量生产的经济模式，同时也改变了物权拥有和分享使用的消费观念[1]。同时，汽车共享模式有利于控制私家车保有量，提高车辆利用率，减少资源能源浪费，同时还能够减少停车需求。与传统的公共交通相比，汽车共享模式具有舒适性高、灵活性高的特点[2]。从技术角度而言，电子科技、互联网、移动通信等技术的成熟[3]，使得汽车共享系统的信息交换和业务流程变得简洁方便，简化了用户使用手续，改善了出行服务体验。除此之外，在新能源汽车技术的成熟及推广政策背景下，汽车共享模式能够起到很好的示范效应。20世纪80年代以来，汽车共享模式在欧洲国家普遍出现，截至21世纪初，欧洲包括丹麦、英国、荷兰、德国、奥地利、瑞士、意大利、挪威、瑞典等国家在内就有大约200多家汽车共享运营服务商、350余个城市有汽车共享系统运营，用户人数超过10万人。对于以私家车出行为主的美国，汽车共享系统于1994年开始出现，截至2015年，美国的汽车共享系统已发展到逾110万用户、16754辆共享汽车的规模。可见，汽车共享模式不仅在以公中国城市规划学会城市交通规划学术委员会中国城市规划设计研究院编2共交通出行为主的地区得到了充分重视，在以私家车出行为主的国家也得到了广泛的关注。国内的汽车共享服务自从2009年出现至2015年间，已迅速发展至33万多名用户、逾5000辆车的规模，其中一半以上车辆为纯电动车辆，覆盖上海、北京、杭州等城市[4]。以上海汽车城运营的EVCard电动汽车分时租赁系统为例，2015年4月EVCard[5]仅运营120辆车、56个网点，同年11月即发展到420辆车、200余个网点，截至2016年，已有1000余辆车，600余网点，用户数量约10万，业务覆盖多个城市。然而，在汽车共享的飞速发展过程中，对于这一模式的理论研究，尚处在起步阶段。尤其是在面对不断涌现的汽车共享运营者和不断扩大的运营规模的过程中，面临着许多的未知和严峻的挑战。本文对汽车共享系统运营模式的国内外现状进行综述和归纳，对运营层面的相关问题进行梳理，从而对行业发展及对策研究提供参考。2汽车共享系统运营模式现存汽车共享系统服务模式各异，为分析其特征，综合Barth（2002）[6]、Correia（2014）[7]、Cepolina（2015）[8]等学者的研究，可按照借还车自由度、预约自由度进行划分，如图1所示。图1汽车共享系统运营模式分类2.1借还车自由度汽车共享系统从借还车自由度上可以分为往返（round-trip）和单程（one-way）两种类型。往返：要求用户在同一站点借车和还车，不允许用户还车至别的站点（国内业界称之为“A借A还”模式）。单程：允许用户在某一站点借车并还至另一站点（国内业界称之为“A借X还”模式）。其中，单程汽车共享系统，还可以按有无固定借还车站点，分为站点借还式（Stationbased）和自由流动式（free-floating）。站点借还式：车辆在专用停车站点和停车位借还。由于电动汽车电池性能和充电性能的交叉创新与转型重构——2017年中国城市交通规划年会论文集3制约，需要配套建设充电桩设施，适合采用站点借还模式，如中国的EVCard。自由流动式：车辆可以在运营范围内的合法停车区域内借还。汽油车加注燃料相对灵活，且续航较远，可以采用自由借还模式，如Car2go。2.2用户预约自由度汽车共享系统从用户预约自由度上可以分为有预约（reservation）和无预约（on-demand）两种类型。有预约：需要用户提前一段时间（通常是出行发生前一天）预约车辆、还车站点、用车时长等信息。有预约的模式对于用户出行灵活度有较强的制约，能够为系统运营提供充分的信息。无预约：用户在出行发生时，即时查看站点或附近是否有车辆，并在短时间内（通常为15分钟至30分钟）取车，且对于用户的还车地点、还车时间无要求。这种方式能为用户提供较好的使用灵活度，然而增加了系统的不确定性，为运营调度带来难度。从汽车共享系统的发展历程来看，最初的汽车共享系统是有预约往返系统，要求用户有严格的借还车时间预约，并且要求用户在同一站点借还。无预约的往返系统不要求用户预约借还车时间，且按使用时长计费，但只能在本站借还。后来，运营者为了提高服务灵活性，逐渐允许异地借还。初期的单程系统要求用户提前一段时间预约行程。有预约的单程系统允许用户在其他站点还车，但要求用户提前预约好用车计划，这种系统减少了车辆流动的不确定性，便于车辆调度计划制定，但同时也减少了用户使用的灵活度。对于无预约单程系统，不要求用户指定借还车时间和地点，允许用户按需使用，使用相对灵活。3汽车共享系统不同服务模式的运营特征近年来，学者意识到，不同运营模式的汽车共享系统，在系统运营效益特征、系统组织与管理难度、用户满意度等方面的特征具有较大差异。对于单程服务系统和往返服务系统，Correia等人（2014）认为单程服务的汽车共享系统与往返系统相比，能够为用户提供的灵活度所产生的附加价值，结论认为提供更高灵活度及信息服务的系统，能够提升车队周转效益，为运营者提供更高收益[7]。LeVine等人（2014）的研究表明单程系统的用户活跃程度是往返系统用户活跃程度的3至4倍，并指出单程系统对于用户更有吸引力[9]。Nourinejad（2015）的模型同样也证实了单程系统比往返系统能为运营者创造更高效益[10]。这类研究揭示了单程系统的价值和发展前景。对于有无预约模式的研究，Cepolina等人（2015）利用仿真模型评估了即时访问（Instant中国城市规划学会城市交通规划学术委员会中国城市规划设计研究院编4Access）系统、有预约系统（Reservationbased）等不同运营模式下的用户需求满足率和系统效益，揭示了不同自由度下的运营模式的差异性[8]。Alfian（2015）同样利用仿真模型构建了一个兼顾系统收益和用户满意率的单程汽车共享系统的模型，比较分析了即时访问和有预约运营模式下的系统收益和用户满意率差异[11]。综合上述研究，我们可以将往返、单程、有预约、无预约系统的灵活程度可由下表概括。表1现有服务模式及其为用户提供的灵活度总结有预约无预约往返不灵活较不灵活单程较灵活灵活值得注意的是，系统的灵活程度和系统的吸引力、系统效益和管理难度有关。对于灵活度小的系统，车辆在系统中的流动状态较为清晰，便于系统运营管理，但同时不利于满足用户需求；灵活度大的系统可为用户提供便利的服务，但系统随机性大，对需求的捕捉和对系统状态的变化的掌握存在困难[12]。从汽车共享系统的发展趋势来看，为了给用户提供更高的灵活度和便利性，从而提升汽车共享模式的竞争力、吸引客源、增加系统使用率，目前新兴的汽车共享系统倾向于提供无预约单程模式，而传统的本站借还和有预约的汽车共享系统也逐渐开始探索和开放无预约单程模式[13]。因此，如何解决单程服务模式所带来的供需不匹配问题，即如何合理地调度车辆，将是未来重点研究的问题。4汽车共享系统运营调度问题单程汽车共享系统的特点在于开放了车辆的流动性，允许车辆在其他站点归还。由于某一时间片段内需求分布的不均衡性，当这一时段内需求得到满足、出行完成以后，车辆会随之偏离原先的布局，导致需求多的区域的后续需求不能得到满足，需求少的地方车辆发生闲置，从数据上来看，需求多的地方表现出借车量多于还车量，需求少的地方表现出还车量多于借车量，图2中以上海市EVCard系统为例，给出了两个站点的车辆借还车数差的变化曲线。交叉创新与转型重构——2017年中国城市交通规划年会论文集5图2上海的EVCard系统站点借还车不均衡示意图在这种情况下，从运营者的角度看，车辆无法获得更高的使用率、系统无法取得更高的收益；从用户的角度看，用户需求不能更好地满足，使得用户满意度下降。对于有预约服务模式，可认为是需求已知或确定；对于无预约的服务模式，可认为是需求未知或不确定。针对这两类问题，现有的研究归纳于表2中。表2现有车辆调度方法归纳方法代表性研究Reservation需求已知确定性数学规划Lee（2013）、Alfian（2014）、Nourinejad（2014）、Carlier（2015）、Jorge（2014）、Boyacı（2015）On-demand需求未知响应式方法Kek（2009）、Weikl（2013）预测+确定性数学规划Bruglieri（2014）、Repoux（2015）滚动时域+数学规划Febbraro等人（2012）、Santos（2015）随机规划Briest（2011）、Nair（2011）、Fan（2013）4.1需求确定下的车辆调度对于有预约的单程汽车共享服务模式，往往需要用户提前一段时间（通常是提前一天）提供出行计划，包括出发地、目的地、出发时间和还车时间，这就为系统未来的运营组织计划提供了较为确定性的依据。对于这类确定性的系统，可以用站点构成的网络模型来描述，车辆在站点上的流动可以按照用户需求的时间接续关系来确定，于是这一问题可以清晰地表述成确定性的数学规划模型。从国内外文献来看，这一类型的研究通常通过建立整数规划、整数线性规划（ILP）、混合整数规划（MIP）等模型来描述，并且以运营效益最大化、用户需求满足率最大或两者兼顾为目标，求解具体调度路径或调度次数。利用数学规划来求解这类调度方案的代表性研究有Nourinejad等人（2014）、Carlier等人（2015）和Boyacı等人（2015）。Nourinejad等人建立的描述系统变化的模型，本质上也是一个整数规划模型，其核心思路在于建立了描述可以通过调度被重复使用的车辆的前后时间接续关系，将时间上通过调动车辆能衔接起来的两个需求关系看作一次调度[14]。而Carlier则加入了调度人员和车辆数作为约束，在系统站点规模和布局确定的基础上，建立了一种基于整数线性规划的调度方案的模型，结果表明该方法可以在不恶化用户满足率的情况下显著减少调度次数[15]。中国城市规划学会城市交通规划学术委员会中国城市规划设计研究院编6Boyacı的研究主要针对电动汽车系统，提出了汽车共享系统调度问题的优化框架，该方法采用了混合整数线性规划建立模型，考虑了电动汽车的充电特性，以系统效益和用户满意率为双目标，求解调度策略[16]。对于上述整数规划问题的求解，其他学者也有探究。比如利用CPLEX求解电动汽车调度问题[17]，值得注意的是，随着系统规模的增大，比如站点规模、车辆规模增大，导致变量个数急剧增多，求解效率大幅下降[18]，有学者采用遗传算法求解[19]。结果表明即便对于规模很庞大的汽车共享系统，遗传算法也能在给定时间内给出比较好的解[20]。4.2需求不确定下的车辆调