基于模拟退火算法进行共享单车电子围栏选址

陈弘旭,林海,李凯,王振滔

衢州学院 浙江衢州 324000

摘要：共享单车的快速发展解决了人们出行的最后一公里需求，同时也积极响应了节能减排倡议。然而，过度投放单车导致大量违章停放问题的出现。为解决这一难题，电子围栏技术应运而生。本文采用python数据分析和模拟退火算法相结合的方法，以实现电子围栏选址的最优化。通过深入分析共享单车使用情况和需求点分布等数据，模拟退火算法能够搜索最优的选址方案。关键问题是最大覆盖，即通过p-中心问题选择设施点，使每个需求点得到服务且距离最近的设施点最小。通过科学合理的选址方案，我们能提高共享单车的使用效率，减少违章停放问题，同时也降低企业运营成本，促进共享单车行业的可持续发展。

关键词：模拟退火算法；电子围栏选址；p-中心问题

1.引言

共享单车的历史可以追溯到上个世纪，在荷兰和丹麦等一些地区就开始了推广。然而，近些年来，随着计算机技术的飞速发展和党中央提出的绿水青山就是金山银山的口号，共享单车成为了一个备受关注的话题，并且各级政府纷纷出台了相应的政策来支持和促进其发展。这一推广浪潮将共享单车塑造成了中国的第五大发明。

共享单车作为一种新型的城市交通工具，极大地方便了人们的出行需求。无论是上班、购物还是社交活动，共享单车成为了人们“最后一公里”的理想选择。通过智能手机应用，用户可以轻松找到附近的共享单车，解决了传统交通工具无法覆盖的最后一段路程的问题。这不仅减少了个人使用私家车的需求，还减轻了城市交通拥堵的压力，有助于改善环境质量和提高人们的出行效率。

共享单车的推广不仅改变了人们的出行方式，还对城市的整体形象和发展产生了深远影响。通过鼓励使用共享单车，政府部门有效地促进了低碳出行和环境保护意识的普及。共享单车作为一种绿色出行方式，减少了尾气排放和噪音污染，有助于改善城市空气质量和居民的生活品质。此外，共享单车也成为城市规划的一部分，鼓励人们在出行中选择更加环保、健康的方式，从而推动可持续城市发展。

随着共享单车的普及，也带来了一系列与之相关的产业和就业机会。共享单车的运营需要专业的维护和管理团队，同时也刺激了相关行业的发展，比如制造商、技术服务提供商和电子支付平台等。这为就业市场带来了新的需求，为年轻人提供了更多的就业机会和创业平台。共享单车的发展也推动了新技术的应用和创新，如智能锁、GPS定位和数据分析等，为城市交通管理和出行体验带来了更多可能性。

总的来说，共享单车的推广不仅仅满足了人们的“最后一公里”出行需求，也对城市发展和可持续性产生了积极影响。作为中国的第五大发明，共享单车在城市交通改革中发挥着重要作用，为人们创造了更加便捷、环保和健康的出行方式。

2.共享单车存在的问题

中国的共享单车最初采用定点定桩的方式，这种模式要求用户在指定的停车点借取和归还单车。然而，这种方案存在一些局限性，难以完全满足人们的出行需求。要实现全面推广，需要修建大量的停车桩点，但若推广不彻底，难以回收投入成本。近年来，随着手机支付宝等移动支付技术的兴起，新型的共享单车模式得到了广泛应用，弥补了传统单车方案存在的问题，并受到了公众的青睐。

然而，为了快速占领市场，许多企业选择过度投放单车。这种不科学的处理方式，加上城市功能区调度运作不科学，导致人口密集地区投放了过多的单车。与此同时，一些地区的单车供需并不平衡，久而久之，出现了部分地区车辆过剩、违章乱停等问题，而另一些地区则面临无车可用的困境。这种不合理的现象给城市交通秩序和市民出行带来了一系列问题。

此外，由于共享单车没有固定的停放点，一些道德素质较低的用户可能会私自给单车上锁，甚至恶意破坏单车。这种行为不仅损害了共享单车企业的利益，也对城市环境和公共设施造成了破坏。为了解决这些问题，共享单车企业和政府部门一直在努力改进管理措施，加强对共享单车的监管，提高用户的道德意识和责任感。

共享单车作为一种新兴的交通方式，尽管面临着一些挑战和问题，但它依然具有巨大的潜力和优势。通过合理规划和科学管理，可以实现共享单车的可持续发展，并进一步满足人们便捷、环保的出行需求。同时，社会各界也应加强宣传教育，提高公众对共享单车的正确使用和维护意识，共同促进共享单车行业的健康发展。

3.电子围栏的选址策略

共享单车的使用存在潮汐现象，即在工作日的早晚高峰时间段内，用户的需求量会迅速增加，而其余时间段则会急剧减少。这种高峰与低谷的波动导致各地区共享单车的供需关系不平衡，尤其是高峰后可能出现部分地区无法找到可用的单车的情况。

为了解决这个问题，选址电子围栏变得尤为重要。我们希望在经历了早晚高峰后，共享单车仍然能够保持一定程度的地区平衡。通过对时空特征的分析，可以将高峰前后的共享单车位置绘制成平面坐标图，以尽可能保证每个电子围栏内部的需求点数量相近。

图2-1，数字1代表需求点，圆代表设施点的服务范围也是电子围栏的作用范围，设施点的选择尽可能满足动态变化。经历高峰后，大部分的需求点依然在设施点内部，这样可以有效解决由于往来不对称导致的部分地区无车可用问题，同时也方便了用户的还车需求。

图2-1集合覆盖模型

此外需要考虑最大覆盖问题，也就是尽可能让每一个设施点覆盖上尽可能多的需求点。根据需求点之间是相互离散的，离散点选址问题可以使用p-中心问题来解决。p-中心问题主要研究：如何在给定图中选择p个设施，使得所有需求点都尽可能得到服务，并且每个需求点到其最近设施点最大距离距离尽可能的最小。

通过合理的电子围栏选址和设施点规划，可以优化共享单车的服务范围，减少供需不平衡问题，提高用户的出行体验。这种科学的选址策略将共享单车的资源合理分配，确保在各个时间段和地区都能够满足用户的需求，同时减少不必要的浪费和投入。这有助于共享单车行业的可持续发展，并进一步提升城市交通的效率和便利性。

图2-2集合覆盖模型和最大覆盖模型

图2-2-a中所有的需求点都被覆盖，目的为满足所有的需求点，不限设施点的数量。而其中许多设施点仅仅为了满足一个需求点而被构造，因此在构造最大覆盖模型时，将放弃大量的设施点，如最后一行第一个需求点。图b则以特定数量的设施点（4个），覆盖最多的需求点。

4.模拟退火算法

模拟退火算法（Simulated Annealing, SA）是一种启发式算法，其灵感来源于固体退火原理，即将金属加热到一定温度后缓慢降温，以寻找最佳点的过程。最初由N. Metropolis等人于1953年提出，并于1983年由S. Kirkpatrick成功将其引入组合优化领域。

可以将模拟退火算法视为对爬山算法的扩展。爬山算法基于贪心思想，但很容易陷入局部最优解的情况。举个例子，假设当前处于点A，根据爬山算法的思想搜索到局部最优解点B。然而，一旦到达点B，无论向左还是向右移动，都无法得到更优解，导致算法停止搜索。与之不同，模拟退火算法允许在搜索过程中接受比当前结果更差的解，这样可以跳出局部最优解的局面，从而实现全局最优解的搜索。

图3-1 启发式算法图解

由于模拟退火算法基于概率，因此在算法的初始阶段需要定义两个重要参数：初始温度和温度衰减系数。温度衰减系数决定了温度下降的速度、迭代次数以及算法的搜索次数。若该系数过小，可能无法找到最优解；而若过大，则会增加搜索时间。初始温度决定了马尔科夫链的长度，马尔科夫链长度越长，模拟退火算法的搜索越充分，找到全局最优解的概率也越大，当然也会相应增加计算时间。

模拟退火算法的应用非常广泛，尤其在组合优化领域取得了显著的成果。它在解决诸如旅行商问题、图着色问题、组合优化问题等方面具有很强的实用性。通过模拟退火算法，可以克服其他优化算法中的局限性，找到更接近全局最优解的解决方案。

总之，模拟退火算法作为一种启发式算法，通过模拟固体退火原理，能够有效地克服爬山算法等贪心算法的局限性，实现对组合优化问题的全局最优解的搜索。该算法的参数选择和设计对算法的性能和效果具有重要影响，因此需要合理地调整参数以取得良好的结果。

结语

共享单车作为中国的第五大发明，极大地方便了人们的日常出行。然而，在初期推广过程中，共享单车面临着一系列问题。其中，违章停放是最突出的一个问题。由于缺乏规范的停放点和用户行为不规范，共享单车经常被随意停放在人行道、楼道和其他不适宜的地方，给城市的交通秩序和市容形象带来了一定的困扰。

为了解决这一问题，许多共享单车企业开始采用电子围栏技术。通过在城市中设置一定范围的虚拟围栏，用户只能在指定的区域内借车和还车。这有效地限制了共享单车的使用范围，减少了违章停放现象的发生。为了确定电子围栏的最佳位置，可以运用Python数据处理技术建立最大覆盖模型，并运用模拟退火算法进行求解。这种方法能够考虑到人口分布、需求点的分布以及道路网络等因素，从而找到最佳的电子围栏选址方案。

通过这种方法，共享单车企业能够更好地规划车辆的分布，合理安排车辆的供给与需求，减少了部分地区车辆过多和另一部分地区无车可用的问题。此外，模拟退火算法的应用也使得电子围栏选址更加科学和高效，从而彻底解决了违章停放等问题。这一切不仅满足了居民对单车灵活便利性的需求，还减轻了企业后续维护的成本。

可以说，通过电子围栏技术和模拟退火算法的应用，共享单车在解决违章停放等问题方面取得了显著的成效。它为城市提供了更加便捷和环保的出行方式，推动了绿色出行理念的普及。同时，它也为共享经济的发展作出了积极的贡献，促进了城市交通的优化和智能化进程。

参考文献

[1]顾江岩.共享单车时空分析及电子围栏选址—以北京市西城区为例.2020.6

[2]CSDN博客作者.我行我素，向往自由. 模拟退火算法.https://blog.csdn.net/m0_58086930/article/details/126025855

[3]胡少殊，倪勇.全市 30 万辆共享单车有了“共享管家” 合肥启动共享单车停放秩序百日攻坚行动.合肥晚报，2022（5）

[4]知乎博主.六业科技.什么事电子围栏，你知道电子围栏的优点吗？.https://zhuanlan.zhih

u.com/p/81142408

作者简介：陈弘旭，衢州学院电气与信息工程学院数据科学与大数据技术专业本科学生，资助项目：衢州学院大学生科技创新活动计划项目《智能电子围栏的信号处理系统研发》，指导教师：陈佳泉,方芳。