本發(fā)明涉及汽車共享系統(tǒng)車輛調(diào)配領(lǐng)域,尤其是涉及一種汽車共享系統(tǒng)車輛的調(diào)度方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)有汽車共享系統(tǒng)車輛的調(diào)度方法主要包括人工經(jīng)驗(yàn)判斷法、靜態(tài)線性規(guī)劃法和動(dòng)態(tài)隨機(jī)規(guī)劃法:
1、(基于閾值)人工經(jīng)驗(yàn)判斷法
依經(jīng)驗(yàn)為站點(diǎn)車輛數(shù)設(shè)置上下閾值;將當(dāng)前車輛數(shù)與閾值比較得到調(diào)度需求;再員工自行判斷得到調(diào)度方案。
缺點(diǎn):閾值設(shè)置沒(méi)有科學(xué)依據(jù);調(diào)度方案生成未經(jīng)優(yōu)化。
2、(基于閾值、最小成本為目標(biāo))靜態(tài)線性規(guī)劃法
為站點(diǎn)車輛數(shù)設(shè)置上下閾值;附加站點(diǎn)間的調(diào)度成本;以成本最小為目標(biāo)利用線性規(guī)劃求解車輛調(diào)配方案。
缺點(diǎn):閾值設(shè)置沒(méi)有科學(xué)依據(jù);車輛調(diào)度為日常短期決策;而涉及調(diào)度成本的因素,如員工數(shù)量,短期內(nèi)為固定不變因素;因此成本作為目標(biāo)不合理;靜態(tài)模型不能應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。
3、(基于可靠性)動(dòng)態(tài)隨機(jī)規(guī)劃法
將用戶需求、使用時(shí)間等因素作為隨機(jī)變量,引入可靠性指標(biāo),動(dòng)態(tài)優(yōu)化求解車輛調(diào)配方案。
缺點(diǎn):模型使用中參數(shù)標(biāo)定復(fù)雜,且對(duì)數(shù)據(jù)量要求大,易存在數(shù)據(jù)稀疏的問(wèn)題;隨機(jī)規(guī)劃求解困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種模型假設(shè)、參數(shù)較少、標(biāo)定簡(jiǎn)單、科學(xué)有效、優(yōu)化模型目標(biāo)合理、實(shí)現(xiàn)方便、求解迅速、模型約束條件符合現(xiàn)實(shí)要求的汽車共享系統(tǒng)車輛的調(diào)度方法。
一種汽車共享系統(tǒng)車輛的調(diào)度方法,包括以下步驟:
1)根據(jù)各個(gè)站點(diǎn)的歷史調(diào)度數(shù)據(jù)設(shè)定站點(diǎn)失效概率并獲取對(duì)應(yīng)的閾值;
2)以調(diào)度完成后各個(gè)站點(diǎn)的車輛數(shù)與閾值的差值最小作為調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù),并且設(shè)立約束條件和優(yōu)先設(shè)定,建立調(diào)度模型,并且對(duì)于需要重新優(yōu)化的事件進(jìn)行閾值的重新設(shè)定;
3)對(duì)調(diào)度模型進(jìn)行求解獲取對(duì)應(yīng)的調(diào)度策略。
所述的步驟2)中,調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為:
其中,xij為在優(yōu)化周期t內(nèi)需要調(diào)出車輛的站點(diǎn)到需要調(diào)入車輛的站點(diǎn)j之間的調(diào)度車輛數(shù),αi、αj為優(yōu)先權(quán)附加系數(shù),iexcess為調(diào)出車輛的站點(diǎn)集合,ishortage為調(diào)入車輛的站點(diǎn)集合。
所述的步驟2)中,優(yōu)先設(shè)定包括站點(diǎn)優(yōu)先和狀態(tài)優(yōu)先,所述的站點(diǎn)優(yōu)先中通過(guò)設(shè)置優(yōu)先權(quán)附加系數(shù)來(lái)表示站點(diǎn)的優(yōu)先級(jí),所述的狀態(tài)優(yōu)先中,設(shè)定站點(diǎn)滿載站臺(tái)的優(yōu)先級(jí)高于站點(diǎn)空置狀態(tài)。
所述的步驟2)中,約束條件包括調(diào)度量上限約束、員工出行鏈長(zhǎng)度約束、續(xù)航約束、節(jié)點(diǎn)守恒約束、單次調(diào)度距離限制約束和可行性約束。
所述的調(diào)度量上限約束為調(diào)度任務(wù)數(shù)量應(yīng)確保每個(gè)站點(diǎn)被調(diào)度的車輛數(shù)不多于實(shí)際所需要調(diào)度的車輛,即不多于調(diào)度需求,表達(dá)式為:
其中,vehi為站點(diǎn)i當(dāng)前車輛數(shù),
所述的員工出行鏈長(zhǎng)度約束為:
其中,
所述的續(xù)航約束為:
其中,
所述的節(jié)點(diǎn)守恒約束為:
其中,
所述的單次調(diào)度距離限制約束為:
其中,distmax為單次調(diào)度任務(wù)最大距離限制。
所述的可行性約束為:
其中,fasbij(k)為對(duì)站點(diǎn)i到j(luò)員工k附加的可行性約束。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
一、模型假設(shè)、參數(shù)較少、標(biāo)定簡(jiǎn)單
本防磨中只涉及到了兩個(gè)假設(shè)(xn的隨機(jī)性和參數(shù)p的穩(wěn)定性),三個(gè)參數(shù)(優(yōu)化周期t,滿載控制概率probu和空置控制概率probl);針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行假設(shè)的驗(yàn)證、參數(shù)的標(biāo)定均較為方便。
二、科學(xué)有效
本發(fā)明中為“閾值”概念進(jìn)行了嚴(yán)格地定義,并提出了科學(xué)的計(jì)算方法,消除了以往經(jīng)驗(yàn)方法中的不嚴(yán)密性。
三、優(yōu)化模型目標(biāo)合理
本方面中優(yōu)化求解的目標(biāo)為在員工數(shù)等長(zhǎng)期因素固定下,盡可能地使網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)恢復(fù)正常;相對(duì)于其他的方法優(yōu)化系統(tǒng)成本,本方法更加合理。
四、實(shí)現(xiàn)方便、求解迅速
本發(fā)明中優(yōu)化模型的目標(biāo)和約束采用了線性形式,可以方便的軟件實(shí)現(xiàn),并且線性形式模型求解迅速,滿足實(shí)際需求。
五、模型約束條件符合現(xiàn)實(shí)要求
在本發(fā)明優(yōu)化模型中,考慮了電動(dòng)汽車特性對(duì)調(diào)度方案生成的影響;特別的考慮了出行鏈長(zhǎng)度約束和電池續(xù)航里程的約束;為此提出了特殊線性方法化,即“向量?jī)?yōu)化法”和“線性分解法”。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
圖2為本發(fā)明的方法數(shù)據(jù)流圖。
圖3為實(shí)施例中的調(diào)度方案示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例
如圖1所示,本發(fā)明的流程如下:
1)使用隨機(jī)過(guò)程(randomwalkmodelwithbarriers)去模擬站點(diǎn)狀態(tài)的變化,利用歷史訂單數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定,進(jìn)而計(jì)算站點(diǎn)失效概率;
2)用失效概率來(lái)定義閾值,再得到的站點(diǎn)車輛的調(diào)度需求(該方法此處稱為“失效概率控制法”);
3)站點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)與閾值比較則得到各個(gè)站點(diǎn)的調(diào)度需求;
4)利用網(wǎng)絡(luò)流模型來(lái)優(yōu)化求解車輛調(diào)度方案和人員任務(wù)分配方案;目的是在有限的資源下,保證網(wǎng)絡(luò)中盡可能多的站點(diǎn)正常工作;
5)調(diào)度模型動(dòng)態(tài)運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生某些改變,終止當(dāng)前調(diào)度任務(wù),重新按照上述步驟優(yōu)化。
如圖2所示,本發(fā)明的方法數(shù)據(jù)流包括調(diào)度需求計(jì)算,調(diào)度方案生成和參數(shù)標(biāo)定。
1)調(diào)度需求計(jì)算
上(下)閾值thrdu(thrdl):定義為站點(diǎn)應(yīng)該保持的車輛數(shù)上限(下限),以使得站點(diǎn)滿載(空置)的概率小于給定值probu(probl);且為滿足該條件的最大(小)值,見(jiàn)(1)、(2)式。pz和qz分別表示站點(diǎn)在優(yōu)化周期t內(nèi)滿載和空置失效的概率。probu即為站點(diǎn)滿載控制概率;probl為站點(diǎn)空置控制概率,是設(shè)定的參數(shù)。
調(diào)度需求need:為站點(diǎn)當(dāng)前車輛數(shù)veh與閾值thrd之差,見(jiàn)(3)式。當(dāng)站點(diǎn)的車輛數(shù)高于上閾值時(shí),need為站點(diǎn)車輛數(shù)減去上閾值,此時(shí)need大于零,表示需要調(diào)出車輛;當(dāng)站點(diǎn)的車輛數(shù)低于下閾值時(shí),need為站點(diǎn)車輛數(shù)減去下閾值,此時(shí)need小于零,表示需要調(diào)入車輛。
將站點(diǎn)發(fā)生一次取車或者還車當(dāng)做一次事件。用xn表示站點(diǎn)的第n次事件。當(dāng)?shù)趎次事件為還車時(shí),xn取值+1;當(dāng)?shù)趎次事件為借車時(shí),xn取值-1,見(jiàn)公式(5)。設(shè)xn取值+1的概率為p,取值-1的概率為q=1-p。p是需要利用歷史定訂單標(biāo)定的模型參數(shù)。
p{xn=+1}=p,p{xn=-1}=1-p(5)
使用隨機(jī)徘徊模型去計(jì)算概率。設(shè)n為優(yōu)化周期t內(nèi)的期望事件數(shù),即隨機(jī)徘徊模型中的步數(shù)(epochs)。此處用vz,n和uz,n分別表示站點(diǎn)恰好在第n步發(fā)生滿載和空置失效的概率。pz、qz和uz,n的計(jì)算見(jiàn)公式(6)至(7);把公式(7)的p和q交換位置,再用(a-z)代替z,就得到了公式(8),求得了vz,n的值。
2)調(diào)度方案生成
本算法的優(yōu)化變量,xij,表示站點(diǎn)i到j(luò)之間的所有調(diào)度人員在優(yōu)化周期t內(nèi)的總行駛次數(shù);當(dāng)i屬于需要調(diào)出車輛的站點(diǎn)(i∈iexcess),j需要調(diào)入車輛的站點(diǎn)時(shí)(j∈ishortage),則xij表示站點(diǎn)i到j(luò)之間的總調(diào)度行為次數(shù),也即調(diào)度的總車輛數(shù)。除此之外的xij則代表了調(diào)度人員去完成調(diào)度的行駛路徑。用vehi表示站點(diǎn)在優(yōu)化周期開(kāi)始時(shí)站點(diǎn)i的車輛數(shù)。
目標(biāo)函數(shù)是盡量滿足所有站點(diǎn)的調(diào)度需求,也即最小化調(diào)度完成后各個(gè)站點(diǎn)的車輛數(shù)和閾值的差別。當(dāng)站點(diǎn)i為需要調(diào)出車輛的站點(diǎn),
把(9)中的常數(shù)項(xiàng)去掉,不會(huì)影響優(yōu)化結(jié)果,從而得到更簡(jiǎn)潔的形式見(jiàn)公式(10)。閾值的影響體現(xiàn)在需要調(diào)出(“excess”)和需要調(diào)入(“shortage”)站點(diǎn)的判斷,以及下面提到的“調(diào)度量上限約束”。
對(duì)于實(shí)際系統(tǒng),一般來(lái)說(shuō)所有站點(diǎn)的調(diào)度任務(wù)之和太大難以完成;需要確定那些調(diào)度任務(wù)具有優(yōu)先權(quán);此處給出兩種優(yōu)先設(shè)定:
i)站點(diǎn)優(yōu)先
一些站點(diǎn)若被認(rèn)定為更為重要,需要優(yōu)先保證處于正常狀態(tài),則可以給予優(yōu)先權(quán),例如對(duì)于一些重要的交通樞紐站點(diǎn)或者具有重要市場(chǎng)意義的站點(diǎn)。通過(guò)在車輛數(shù)差別想附加系數(shù)αi來(lái)實(shí)現(xiàn),見(jiàn)公式(9)和(10)。
ii)狀態(tài)優(yōu)先
站點(diǎn)滿載后用戶無(wú)法還車,或者還車后車輛無(wú)法充電,因此通常認(rèn)為站點(diǎn)滿載是比站點(diǎn)空置更加嚴(yán)重的問(wèn)題。嘗試給予滿載、空置失效控制以不同的優(yōu)先權(quán),此處又有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)。一種是將站點(diǎn)滿載控制概率probu設(shè)置地比站點(diǎn)空置控制概率probl更低,即允許站點(diǎn)滿載的概率更小?;蛘撸梢砸蟊仨毰沙鋈藛T去解決滿載站點(diǎn)的調(diào)度需求,見(jiàn)公式(11)。
方案生成模型中列出了六類約束條件,見(jiàn)i)—iv)。
i)調(diào)度量上限約束
調(diào)度任務(wù)數(shù)量應(yīng)該確保每個(gè)站點(diǎn)被調(diào)度的車輛數(shù)不多于實(shí)際所需要調(diào)度的車輛,即不多于調(diào)度需求。如公式(12)和(13)所示,大于等于號(hào)左側(cè)為調(diào)度完成后站點(diǎn)的車輛數(shù),右側(cè)為該站點(diǎn)的閾值。
ii)員工出行鏈長(zhǎng)度約束
通常調(diào)度員會(huì)從一個(gè)調(diào)度中心出發(fā),工作一個(gè)班次(如4小時(shí)),然后回到調(diào)度中心休息或換班。從當(dāng)前時(shí)刻到本班次結(jié)束的時(shí)間,即為調(diào)度員k的可用時(shí)間,記為tlk。本算法中提出對(duì)調(diào)度人員出行鏈長(zhǎng)度進(jìn)行約束的方法,且保證該約束為線性形式(此處稱此方法為“向量?jī)?yōu)化法”)。
設(shè)在優(yōu)化周期內(nèi)開(kāi)始時(shí)共有k個(gè)員工。將每個(gè)xij變量“分割”為k個(gè)變量值和,用一個(gè)k維向量
iii)續(xù)航約束
對(duì)于電動(dòng)汽車系統(tǒng)在生成調(diào)度方案時(shí)需要加入續(xù)航約束,來(lái)保證生成的調(diào)度任務(wù)是實(shí)際可行的;確保不會(huì)出現(xiàn)車輛被調(diào)度到一半沒(méi)有電的情形。這就要求站點(diǎn)i的第n個(gè)最遠(yuǎn)的調(diào)度任務(wù)的距離小于該站點(diǎn)車輛中第n個(gè)最大的續(xù)航電量
iv)節(jié)點(diǎn)守恒約束
此組約束用于保證員工不會(huì)從網(wǎng)絡(luò)上“消失”。在新的向量表示方法下,要求工作人員在各個(gè)站點(diǎn)、各個(gè)維度都保持“守恒”,見(jiàn)公式(19);即i和k需取遍編號(hào)集。
v)單次調(diào)度距離限制
此組約束用于避免一些過(guò)遠(yuǎn)距離的調(diào)度。過(guò)長(zhǎng)距離的調(diào)度消耗大量時(shí)間、人力,實(shí)際中常常避免發(fā)生此類調(diào)度,這是系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方常添加的限制,見(jiàn)公式(20)。distmax為運(yùn)營(yíng)方自行設(shè)置的參數(shù),即上限。
vi)可行性約束
此組約束用于表示在
出發(fā)鏈接(staffdeparturelink):連接調(diào)度員出發(fā)的調(diào)度中心和需要調(diào)出的站點(diǎn)之間的od對(duì)(調(diào)度員前去執(zhí)行第一次任務(wù));
調(diào)度鏈接(vehiclerelocatinglinks):連接需要調(diào)出的站點(diǎn)(i∈iexcess)和需要調(diào)入的站點(diǎn)(j∈ishortage)之間的od對(duì)(調(diào)度員執(zhí)行一次任務(wù));
非調(diào)度鏈接(staffrebalancinglinks):連接需要調(diào)入(i∈ishortage)的站點(diǎn)和需要調(diào)出的站點(diǎn)(j∈iexcess)之間的od對(duì)(調(diào)度員在趕往下一個(gè)需要調(diào)出的站點(diǎn)的路段);
歸程鏈接(staffreturninglinks):連接需要調(diào)入的站點(diǎn)和調(diào)度中心(調(diào)度員回到調(diào)度中心)。
采用整數(shù)規(guī)劃模型來(lái)求解上述網(wǎng)絡(luò)流模型。所生成的調(diào)度方案出行鏈如圖3所示。
為了使該模型可以響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化,采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化滾動(dòng)方法。下面標(biāo)出了需要觸發(fā)重新優(yōu)化的事件。除了下面所列出的,若實(shí)際有其他原因需要重新優(yōu)化,也可立即重新調(diào)用調(diào)度算法。
i)站點(diǎn)狀態(tài)異常,如站點(diǎn)滿載、空置發(fā)生;
ii)設(shè)置的優(yōu)化周期結(jié)束;
iii)系統(tǒng)總狀態(tài)變化(如用站點(diǎn)車輛庫(kù)存水平總變化衡量)達(dá)到規(guī)定值;
iv)員工狀態(tài)變化(如員工換班,新加入員工)。
重新優(yōu)化時(shí),新的優(yōu)化周期閾值計(jì)算可以有兩種方法:一是在線(on-line)計(jì)算,根據(jù)重新優(yōu)化起始時(shí)間點(diǎn),調(diào)取歷史訂單數(shù)據(jù),運(yùn)用模型計(jì)算;沒(méi)有高性能計(jì)算機(jī)的支持下此方法耗時(shí)較長(zhǎng)不推薦;另一種方法是離線(off-line)計(jì)算;以30min左右為間隔,計(jì)算出各個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始的t長(zhǎng)度優(yōu)化周期對(duì)應(yīng)的閾值。
上述原理簡(jiǎn)述中所涉及的符號(hào)含義如表1所示。
表1符號(hào)含義表
3)參數(shù)標(biāo)定
優(yōu)化周期t的設(shè)置應(yīng)該使得參數(shù)p在此期間穩(wěn)定,即調(diào)度需求生成模型的假設(shè)成立。t長(zhǎng)度的選定使得參數(shù)p的多天的樣本數(shù)據(jù)服從于正態(tài)分布,則可以使用樣本均值進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng),t一般不應(yīng)設(shè)置小于2小時(shí)。本文推薦t設(shè)置在3到6個(gè)小時(shí)之間。
probu和probl設(shè)置的越低,表示允許站點(diǎn)失效的概率越低,則調(diào)度需求越高。如果設(shè)置的過(guò)低,那么會(huì)生成實(shí)際不可能完成的調(diào)度需求。設(shè)置的過(guò)高,則可能工會(huì)造成人力浪費(fèi)。通過(guò)分析,得出probu和probl合理取值范圍為0.3–0.7。