韩世行 高钰 牛睿琪 程刚 洪彬

西藏大学工学院 西藏拉萨市 850000

1 引言

近年来共享电单车因操作方便、使用高效、低碳环保等优点，得到飞速发展，“最后一公里”出行问题得到了良好解决，满足了用户短途出行的需求。与此同时，由于受到道路资源、交叉口通行能力限制以及共享电单车企业管理不善等原因导致问题频发：因受城市道路资源限制，城市内可容纳的共享电单车数量有限，而投放规模上限不明确。因共享电单车过量导致共享资源浪费、企业成本增加、占用公共空间、影响城市道路交通正常行驶与停泊等问题，从而造成出行者出行体验受到影响以及城市面貌遭到破坏等一系列问题。

此研究可为政府制定共享电单车相关政策以及共享企业在城市共享电单车投放量预测方面发展提供参考。

2 研究现状

目前国内外主要以微观调度路径优化、商业模式、交通事故特征等方面研究为主。针对共享单车宏观投放规模上限预测，李珍萍等根据共享单车供需不平衡进行研究，建立共享单车调度优化问题的整数规划模型，使区域内单车站点的供需量基本可达到平衡，并且总调度成本最小，得出共享单车调度优化的最佳方案；肖建华等根据共享单车供需不平衡、破损信息不确定等特征，融合鲁棒优化方法，以系统调度时间最短为目标，得出基于破损信息不确定的新车投放-旧车调拨-坏车回收共享单车联合调度优化模型。陈佳惠等为保证共享单车的调度效率， 针对共享单车的调度路径优化问题开展研究，基于禁忌搜索算法，以调度车辆最少和调度成本最低为目标，构建多车场有时间窗要求的共享单车调度路径优化模型；王珂等采用网络自填式问卷方法，调查共享单车事故率，事故发生原因等，得出共享单车交通事故是多种因素作用的结果，需制定和完善自行车交通安全法规、改善骑行环境、开展安全教育、推广使用头盔等综合措施预防和减少共享单车道路交通事故。范婷婷等本文通过对共享单车宣传、押金管理、硬件及软件等方面的问题的分析，进一步提出了共享单车发展的解决措施，从而促进共享单车的持续发展。

3 模型建立

3.1 道路网负载影响要因分析

对路网承载能力与交叉口非机动车承载能力造成影响的因素包括道路特性和外部约束两部分。道路特征是指道路等级、交叉路口、道路几何尺寸等影响，外部约束是指公共交通和停车资源的制约比例。机动车道和非机动车道的比较，在行驶车辆、设计指标、道路结构等方面，均存在着明显差异。非机动车道路网承载力与交叉路口非机动车承载能力的确定，是根据非机动车交通流量特性来决定的。影响非机动车道路网承载力的主要因素为汽车与行人。

3.2 模型构建

在理想环境下非机动车的路网容量是城市非机动车道路总量时空资源除以单位非机动车所占时空消耗量得出的数值，交叉路口非机动车承载能力为单位信号灯时间可通过非机动车辆数乘以所选地区路口数量的结果。

但在实际环境中还应该考虑道路干扰系数、道路等级以及非机动车出行率等各项参数的订正。现实环境中由于民众上班通勤，早中晚为非机动车使用的高峰时刻，因此早中晚时段非机动车道的负载达到最大程度，此时有效结合非机动车出行高峰小时时段与共享电单车在高峰小时出行中所占比重可计算非机动车道路网的有效运营时间。

本项目将模型修正参数分为高峰时段出行修正参数和道路修正参数。高峰时段出行修正参数包括出行不均衡、高峰小时内出行比重和共享电单车出行比例，道路修正参数包括交叉道路口限制、道路坡度系数、骑行干扰系数以及道路等级等。计算道路网承载能力水平的目的是推断预测道路网实际运行状况，后续结合共享电单车日常使用率，可得出共享电单车的路网容量。梁爱艳使用时空消耗模型计算出共享单车宏观投放规模，本文对该模型进行了改进，增加交叉口非机动车承载能力，提高了宏观投放规模预测精确度，其计算公式如下所示：

：理想条件下的路网容量；：路网总时空资源；C：个体非机动车在行驶状态下占用非机动车道的空间与时间资源。：非机动车道总长度；：非机动车道有效宽度，两侧安全间隔为0.5米。L、W：不同级别下非机动车道的有效长度与有效宽度，：数值为1～2，分别代表城市I级道路与II级道路。：高峰小时；H：非机动车在出行状态下最小安全纵向车距（非机动车车头与前方非机动车车头最小安全纵向车距）。：非机动车在出行状态下最小安全横向车距（非机动车左侧与右方非机动车左侧最小安全横向车距）。

C：拉萨市城关区所选非机动车道实际总路网容量；：路网承载能力；：非机动车道路等级修正系数，I级道路与II级道路取 0.80；：外部干扰系数包括非机动车道停放机动车或非机动车造成的干扰与潜在行人干扰，必须根据道路隔离设施的实际配置确定；：路口总计折算系数，该系数受到人行横道基础设施、道路路口等方面影响，该值在拉萨市城关区所选道路上取0.55；：地区空间失衡系数是基于城市空间的集成特征和网络结构确定的，拉萨市城关区呈“块状”空间形态，因此=0.60；：高峰时间出行者使用共享电单车出行所占使用非机动车出行的比重；：高峰小时出行不均衡系数，非特殊情况下取1.1～1.3；：折算后高峰小时内非机动车中共享单电车出行所占比例。

：非机动车行车状态下的平均速度；：非机动车驾驶者行车状态下对突发情况反应所时间；：非机动车车轮与非机动车道的摩擦系数；：前后非机动车安全间隔距离；l：非机动车车身长度；：共享电单车单日周转率；l：非机动车车身宽度；：左右非机动车安全间隔距离（国内外无明确规定，本文取0.3m）；：共享电单车平均出行时间0.25小时。

N：城市或区域内以路网承载能力为约束条件的共享电单车实际投放总量。

：共享电单车启动加速度；：共享电单车加速时长；：共享电单车平均运行速度行驶至通过交叉口所需时间；：某一时刻通过同一横断面非机动车车辆数；C：交叉口非机动车承载力水平；T：单位信号灯可通行时间；：交叉路口数量；：共享电单车在交叉路口所走平均路程。：非机动车行至交叉口时将转至红灯概率。

N：城市或区域内以交叉口非机动车承载力为约束条件的共享电单车实际投放总量。

若N＞N，则所选地区共享电单车宏观投放规模上限为N；

若N＜N，则所选地区共享电单车宏观投放规模上限为N；

若N=N，则该所选地区共享电单车宏观投放规模上限为N或N。

3.3 等级划分

依据我国《城市道路工程设计规范》将非机动车道服务水平分为自由骑行、稳定骑行、限制骑行、间断骑行I-IV四个等级（见表1）。I级与II级非机动车道道路服务水平可保证非机动车在道路网内稳定持续通行；在III级非机动车道道路服务水平状态下道路网的承载能力处于上限边界，导致非机动车辆行驶速度缓慢，不利于骑行；在IV级非机动车道道路服务水平状态下，道路网处于超负荷运行状态，行驶环境恶劣，可能导致部分路段堵塞。为使非机动车在出行状态时可稳定骑行，城市大部分道路网或区域大部分道路网的承载能力应控制在二级及以上服务水平状态，因此本文只计算一级和二级服务水平下拉萨市共享电单车的宏观规模上限。

表1 非机动车道服务等级划分

4 宏观投放规模预测实例验证

4.1 限制条件

因拉萨市各城区发展现状有较大差距，本研究将拉萨市按市辖区进行分割，根据拉萨市城关区现居人口、市辖区面积等数据计算城关区内共享电单车的宏观投放规模上限。

4.2 车辆换算

非机动车折算系数根据各种不同车辆在行驶时占用道路净空的程度，分别确定对标准车型的折算系数。拉萨市城关区非机动车按种类及数量可分为山地自行车，私人电动自行车，共享电单车，人力三轮车，电动三轮车5类，本文非机动车道交通量换算采用共享电单车标准车型，各非机动车车型和车辆折算系数规定见表2。

表2 拉萨市非机动车道路当量共享电单车折算系数

4.3 数据获取

（1）拉萨市城关区所选一级道路总长为=17654m，二级道路所选总长为=53902m；

（2）拉萨市非机动车道路宽：I级道路=2.5m，II级道路=2.0m；

（3）道路坡度修正系数：I级道路与II级道路=0.80；

（4）外部干扰系数：使用市政道路护栏或道路分隔线对机动车道与非机动车道进行划分的路段，可能会受到机动车或行人影响，因此I级道路与II级道路外部因素干扰系数=0.7；

（5）拉萨市城关区所选道路路口总计折算系数=0.55；

（6）地区空间失衡系数是基于城市空间的集成特征和网络结构确定的，拉萨市城关区呈“块状”空间形态，因此=0.60；

（7）拉萨市城关区非机动车高峰小时出行状态不均衡系数=1.2；

（8）高峰小时出行比重=15.01%；

（9）在北京东路路口与小昭寺路交叉口非工作日晚高峰18：30-19：30内对非机动车中的5类非机动车数量（共享电单车、私人自行车、私人电动自行车、人力三轮车，电动三轮车）进行统计，经调查为0.159；

（10）共享电单车出行状态下平均车速=16.5km·h；

（11）按照年龄划分（18岁以下；18岁-34岁；35-54岁），其平均反应时间为t=2.27s；

（12）基于拉萨市城关区所选道路实际情况，求得在沥青或混凝土（干）、沥青、混凝土（湿）三种道路情况下车轮与地面附着系数=0.5；

（13）单车前后安全距离=2.0m；

（14）共享电单车车身长度l=1700mm；

（15）非机动车车身宽度l=410mm；

（16）左右非机动车安全间隔距离（国内外无明确规定，本文取=0.3m）；

（17）共享电单车平均出行时间=0.25小时；

（18）共享电单车启动加速度=1m/s；

（19）《道路交通管理与控制》指出最大单位信号灯绿灯时间为30-60s，本文设置单位信号灯可通行时间为T=60s；

（20）交叉路口数量=107；

（21）共享电单车在交叉路口所走平均路程=23.56m；

（22）非机动车行至交叉口时将转至红灯概率=0.083。

4.4 分析结论

表3 不同路网承载力水平下的共享单车投放量

此文依据城市道路网承载能力与交叉口非机动车承载能力，建立时空消耗模型，计算得出在地区城市道路路网内共享电单车预测投放规模上限。此外，本文以拉萨市城关区I、II级道路、交叉口数据和共享电单车使用情况数据作为验证实例，在满足企业利益的情况下，取周转率为2.0，得出拉萨市城关区共享电单车合理投放量应在17294辆以下。

5 结语

由于近几年来共享电单车发展迅速，极有可能出现“堆积如山”的问题，因此本文以拉萨市为例进行了共享电单车的宏观投放规模预测并得出相应结论：以有限的道路承载力与交叉口非机动车承载能力为约束条件，考虑非机动车运行状态下对总时空资源的消耗与单位信号灯可通行状态时交叉口通过非机动车最大上限，结合非机动车中共享电单车出行分担比例和周转率，构建时空消耗模型，进而计算得宏观性的共享电单车投放规模。通过对拉萨市城关区实证调查，确定时空消耗模型中各参数取值，得出拉萨市城关区二级路网容量水平下的共享单车投放量为17294辆。