高教社杯全国大学生数学建模竞赛论文公共自行车服务系统.docx
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高教社杯全国大学生数学建模竞赛论文公共自行车服务系统
公共自行车服务系统
摘要
自行车公共服务系统的对居民生活和城市建设有重要作用，统计其规律，对改善其性能和服务于社会意义深远。
本文首先对20天的相关数据预处理，剔除明显无效数据。
例如表中所给的借车车站号为29999的数据。
发现自行车车站站点编号并非连续的。
总共有181个站点，站号编号分别是1-107，109-181，1000；
针对问题一：
提取原始数据中还车车站号所在列的数据分析，用excel和matlab统计还车车站号出现的频数。
最终得到20天中每天及累计的借车频次和还车频次然后用Excel软件对其做排序处理，得出排序的所有站点按累计的借车频次和还车频次（见附件电子表1）。
提取原始数据中20天的每次用车时长数据进行处理，然后用spss绘制出频率分布图（详见模型求解）。
针对问题二：
使用Excel软件中的数据透视表功能对其进行处理，得出20天中各天使用公共自行车的不同借车卡（即借车人）数量（见附件电子表2）。
提取20天原始数据表中借车卡号所在列的数据，由此得出每张借车卡累计借车次数的分布情况（详见电子表）。
针对问题三：
统计问题一的借车频次和还车频次。
得出在第20天用车频次最高。
利用每个站点的通车次数计算出各站点的平均时间距离；运用dijikstra算法，算出最短距离和最长距离。
对于第二小问我们采用数据透视表统计筛选出借还车次的最高频次，进行不同类分布；接着用SPSS统计出借还车高峰时段并进行归类。
针对问题四，自行车服务点设置可分为五类：
公交点、居住点、公共建筑点、休闲旅游点和高等院校点，由前三问的统计结果得知，城区中心站点设置合理，在借还车高峰期站点，该站点锁桩数量大于其自行车数量，满足该时段的需求。
某些站点用车频次较低，服务效率不高，有改善空间。
针对问题五，考虑不同人群的特点及需求，可优化公共自行车的功能和结构，提供各种型号的自行车；对各种型号的自行车均衡投放，即时调度；鼓励市民短時骑行、即用即还；站点地址上网可查，政府参与，帮助、指导和督促运营企业，提升管理水平，提高服务质量，形成“网络密度均好、规模等级化”的系统服务点网络。
关键字：
SPSS软件Excel软件MATLAB软件聚类分析dijikstra算法公共自行车服务系统
1.问题背景
公共自行车或“自行车共享”的概念最早起源于欧洲，作为低碳、环保、节能、健康的新型交通工具，正在中国许多城市迅速推广与普及，为市民提供更加便利的公共交通服务，在建设低碳城市，提升城市品质，创建资源友好型社会中将会发挥重要作用。
2.问题重述
公共自行车作为一种低碳、环保、节能、健康的出行方式，正在全国许多城市迅速推广与普及。
在公共自行车服务系统中，自行车租赁的站点位置及各站点自行车锁桩和自行车数量的配置，对系统的运行效率与用户的满意度有重要的影响。
请你们在搞清楚公共自行车服务模式和使用规则的基础上，根据附件提供的数据，建立数学模型，讨论以下问题：
1.分别统计各站点20天中每天及累计的借车频次和还车频次,并对所有站点按累计的借车频次和还车频次分别给出它们的排序。
另外，试统计分析每次用车时长的分布情况。
（画图）
2.试统计20天中各天使用公共自行车的不同借车卡（即借车人）数量，并统计数据中出现过的每张借车卡累计借车次数的分布情况。
3.找出所有已给站点合计使用公共自行车次数最大的一天，并讨论以下问题：
（1）请定义两站点之间的距离，（自行车的速度与价格）并找出自行车用车的借还车站点之间（非零）最短距离与最长距离。
对借还车是同一站点且使用时间在1分钟以上的借还车情况进行统计。
（2）选择借车频次最高和还车频次最高的站点，分别统计分析其借、还车时刻的分布及用车时长的分布。
（3）找出各站点的借车高峰时段和还车高峰时段，在地图上标注或列表给出高峰时段各站点的借车频次和还车频次，并对具有共同借车高峰时段和还车高峰时段的站点分别进行归类。
4.请说明上述统计结果携带了哪些有用的信息，由此对目前公共自行车服务系统站点设置和锁桩数量的配置做出评价。
5.找出公共自行车服务系统的其他运行规律，提出改进建议。
已知资料
附件1为浙江省温州市鹿城区公共自行车管理中心提供的某20天借车和还车的原始数据，所给站点的地理位置参见附件2（详细信息可以参考温州市鹿城区公共自行车管理中心网站：
）。
附件1：
公共自行车数据（内含20个Excel文件）
附件2：
公共自行车站点分布图
3.问题分析
首先，先分析题目中所给的数据，发现在这些数据中出现有些无效数据，所以对该类数据在统计之前视为无效数据，将其剔除，然后再求解所有问题。
求解该问题时用Excel软件对其做数值统计处理，然后处理后的数据用Matlab软件中的相关函数做对其进行处理，结合Excel与Matlab软件画图分析，最终对相关的问题做出结论。
3.1问题1分析
先通过Excel软件对20天的相关数据做简化处理，得出温州市总共有181个站点，站号编号分别从1-107，109-181，1000；在对处理后的数据用Matlab软件对其作进一步统计处理，得出各站点20天中每天及累计的借车频次和还车频次（具体结果见电子表格），然后用Excel软件对其做排序处理，得出排序所有站点的累计的借车频次和还车频次。
同理，对表中的每次用车时长数据进行处理得出结果，并用spss软件画图进行分析。
3.2问题2分析
针对问题二，与问题一的处理方法上具有相似之处，因此，我们对附表中的数值用Excel软件对其进行统计处理，然后使用Excel软件中的数据透视表功能对其进行处理，得出20天中各天使用公共自行车的不同借车卡（即借车人）数量，在利用Matlab软件中的函数对其进行处理，画出图形，再进行分析，由此得出每张借车卡累计借车次数的分布情况（详细描述）。
3.3问题3分析
对该问题进行讨论后，我们从问题一中的站点统计结果中找出已给站点合计使用公共自行车次数最大的一天。
在此基础上讨论问题
（1）：
采用数据透视表对第二十天的各个站点间所用车次数进行汇总，利用两个站点之间的用车频次和用车可以算出两地之间的平均时间，以平均时间作为两站点之间的时间距离，从而得出各个站点之间的时间距离值，两站点之间分别为i、j，站点i到站点j之间的通车数量为n，T（k）为第k辆车到i地的时间。
（2）在求两站点之间使用1分钟以上的借车情况，我们首先对第20天的用车时间进行排序，然后将1分钟和1分钟以下的数据进行剔除，然后在用Excel软件使用数据透视图对数据进行借还车是同一站点的条件筛选，得出借还车是同一站点且使用时间在1分钟以上的借还车统计结果，再进一步的统计，得出表，并根据表画图图，从而由表推测在同一站点借还车时间段推出鹿州去的站点分布相对密集度。
针对问题三的（3），我们用Excel表格统计第二十天的各站点的用车数量，接着用SPSS软件对每一个站点进行归类，得出该站点的所有用车时段和借、还车数，然后采用Q型聚类，区间采用平方Evcidean得到借车高峰时段和还车高峰时段的站点。
3.4问题4分析
我们从上述问题统计与结果进行考虑，对统计结果数据中的自行车服务点进行分析，以及借还车高峰期时刻，自行车人数进行分析，得出相关结论，因此由此对目前公共自行车服务系统站点设置和锁桩数量的配置做出评价。
3.5问题5分析
对于解决该问，我们通过查找公共自行车服务系统的其他运行规律，公共自行车服务的运行规律是从它的自身特性、社会的背景存在的因素下进行考虑，在找出其规律以后，我们针对不同的运行规律，从而得出解决方案。
4.模型假设
（1）假设问题所给数据真实可靠；
（2）假设题目所给的20天数据能够代表浙江省温州市鹿城区公共自行车系统运行以来的其他天数的情况；
（3）假设所给信息足够温州市鹿城区的公共自行车大部分信息；
（4）数据中的奇异数据及缺省的值忽略后对总体信息不会有显著的影响；
（5）假设数据经过微处理后对原始的结果影响并不大；
（6）假设只要刷卡一次，就算借车一次。
5.符号解释与说明
：
站点i到站点j行车的平均时间；
n:
站点i到站点j的行驶的自行车的数量；
t（k）:
第k辆自行车的行车时间；
V:
骑自行车的平均速度；
tp:
运用dijkstra算法算出的各站点间最短时间。
6.模型建立与求解
首先，先分析题目中所给的数据，我们经过观察附件中的20天的数据，发现在这些数据中出现了无效数据，所以将该类数据在进行统计之前视为无效数据，将其剔除，然后再求解所有问题。
例如：
在电子表格中第五天中，出现了车站号为29999的还车车站号，换车锁桩号为0，与电子表格中的数据不符合逻辑，因此被视为无效数据，将与其行相关的数据记录做剔除处理。
6.1问题1求解
针对问题一，先通过Excel软件对20天的相关数据做处理，找出温州市鹿城去的站点号总共有181个站点，站号编号分别从1-107，109-181，1000；在对处理后的数据用Matlab软件在这181个站点中的20天的借车频数进行统计，同理，运用此种方法统计这20天的还车频数，因此最终得出各站点20天中每天及累计的借车频次和还车频次（结果见电子表格），然后用Excel软件对所有站点按累计的借车频次和还车频次分别进行排序。
各站点20天内的借车总频数与各站点20天内的还车总频数（见电子表格2）
同理，运用此方法对表中的每次用车时长数据进行处理（结果见电子表格），并用spss软件画出频数分布图，如下图1。
图1：
频数分布图
通过数据与上图分析，我们能够得出：
用车时间在一个小时内的人数最多，且一般用车人数分布于半个小时内，用车时间超过半个小时人数逐渐成快速递减趋势。
6.2问题2求解
对于问题二，我们运用Excel软件对数据进行处理，采用Excel软件中的数据透视表去统计每天使用公共自行车的借车人数量，因此可得出每一位借车人的用车次数其结果如下表1所示：
表1：
每位借车人的用车次数
针对问题二的第二小问，我们对附表中的数值用Excel软件对其进行统计处理，然后使用Excel软件中的数据透视表功能对其进行处理，得出20天中各天使用公共自行车的不同借车卡（即借车人）数量（下表2只举出第一天到第六天的20张卡号的累计借车卡次数，详解见电子表格4）
表2：
第一天到第六天的20张卡号的累计借车卡次数
从上述的得出这20天内每张卡的累计数量。
利用Excel软件中的函数对其进行处理，再进行分析，由此得出每张借车卡累计借车次数的分布情况。
（具体的见电子表格5），为了进一步下面数据的处理，我们利用Excel软件对数据再次进行处理统计，得出使用卡在几次的统计结果，见下表3：
使用次数
32计数
362
64计数
26
101计数
3
2计数
3089
31计数
354
65计数
26
109计数
3
1计数
3071
33计数
316
67计数
25
116计数
3
3计数
2879
34计数
296
61计数
24
89计数
2
4计数
2614
35计数
288
71计数
24
95计数
2
5计数
2430
36计数
268
68计数
23
102计数
2
6计数
2148
38计数
251
63计数
20
108计数
2
7计数
2070
37计数
216
69计数
19
112计数
2
8计数
1908
39计数
187
66计数
18
88计数
1
9计数
1790
41计数
172
77计数
16
90计数
1
10计数
1655
40计数
170
72计数
15
93计数
1
11计数
1524
42计数
160
85计数
14
96计数
1
12计数
1406
43计数
142
74计数
11
98计数
1
13计数
1327
44计数
141
75计数
10
99计数
1
14计数
1233
45计数
120
80计数
10
103计数
1
15计数
1105
47计数
113
70计数
9
106计数
1
16计数
1030
46计数
108
73计数
9
107计数
1
17计数
953
49计数
93
78计数
9
110计数
1
18计数
887
48计数
90
82计数
9
114计数
1
19计数
877
50计数
81
76计数
8
118计数
1
20计数
804
52计数
70
81计数
6
120计数
1
22计数
735
53计数
67
87计数
6
130计数
1
21计数
730
51计数
66
91计数
6
131计数
1
23计数
653
56计数
56
79计数
5
132计数
1
24计数
653
57计数
55
83计数
4
135计数
1
26计数
581
54计数
51
86计数
4
140计数
1
25计数
559
55计数
48
100计数
4
156计数
1
27计数
481
59计数
46
84计数
3
167计数
1
28计数
469
58计数
43
92计数
3
191计数
1
30计数
425
60计数
40
94计数
3
262计数
1
29计数
418
62计数
35
97计数
3
658计数
1
总计数
45423
表3：
使用卡在几次的统计结果
6.3问题3求解
对于问题上，通过问题一的统计结果（即表4），我们得知第20天公共自行车使用次数最大，由此讨论以下问题：
表4：
20天内每天借车人数累计
通过对历年数据的分析，我们由此定义两站点之间的距离为：
首先求取站点i到j的平均时间
Step2:
跟据求得的平均时间得到各站点间的时间矩阵表T；
Step3:
运用dijkstra算法算出的各站点间最短时间tp；Step4:
计算各站点间的最短路程s1：
s1=
tp*v
在求两站点之间使用1分钟以上的借车情况，我们首先对第20天的用车时间进行排序，然后将1分钟和1分钟以下的数据进行剔除，然后在用Excel软件使用数据透视图对数据进行借还车是同一站点的条件筛选，得出借还车是同一站点且使用时间在1分钟以上的借还车统计结果（见表5）。
站名
借用次数
三桥下
5
学院大厦
7
中西医结合医院
9
九山公园
12
市政府东
0
温八医
5
白鹿洲公园
8
都市花苑
10
鹿城路旅集散中心
12
测试点
1
新城大道体检中心
5
粗糠桥
8
丽都大厦
10
马鞍池南
12
会展中心
1
东南剧院
6
大世界超市
8
鹿城区审批中心
10
南浦医院
12
望江路广化桥路口
1
惠民路与航标路口
6
府东家园公交站
8
南塘一组团
10
上陡门住宅公交站
12
妇女儿童中心
2
科技馆
6
公交上徒门始发站
8
区地税局
10
双龙路王子花苑
12
勤奋路市财政局
2
黎明街道卫生中心
6
海悦名邸酒店
8
十四中学
10
温四中
12
汤家桥北路新田路
2
瓯江路鹿城广场
6
巨一花苑
8
市电力局
10
物华天宝
12
公共自行车中心
3
人力资源社保局
6
群艺大楼
8
汤家桥北云中花园
10
银都花苑
12
市政府西
3
市审批中心
6
鹿城区公安局
9
信河嘉会里路口
10
银泰百货
12
杨府山公园停车场
3
吴桥路加油站
6
妙果寺
9
鱼鳞浃
10
裕达大厦农业银行
12
滨江街道办事处
4
西城菜场
6
南郊派出所
9
浙江工贸学院
10
百里小学
13
粗糠桥公交站
4
杨府山南大门
6
牛山北路文杰酒业
9
繁华公寓
11
滨江美景园
13
马鞍池西路89号
4
质量监督局
6
上村小区
9
工人文化宫
11
大士门石坦小学
13
上田菜场
4
公交集团
7
时代海景
9
南浦桥
11
国际贸易中心
13
汤家桥路英豪花园
4
公园路去茶去
7
松台广场
9
温州大厦
11
宏源路数码大厦
13
喜来登酒店
4
黄龙商贸城北
7
体育中心南
9
新南亚大酒店
11
江滨路车站大道
13
学院东路丰源路口
4
江滨路府东路口
7
温州十九中
9
星河广场
11
方正大厦
5
龙方家园
7
新城车站
9
绣山卫生院
11
火车站对面
5
鹿城法院
7
雪山路-勤奋路口
9
云锦大厦
11
金迅达大厦
5
温州大剧院
7
迎潮大厦
9
安澜轮渡码头
12
拉菲度假酒店
5
温州建国医院对面
7
远东大酒店
9
大自然家园
12
鹿城实验中学
5
绣山中学
7
浙南农贸市场对面
9
海港大厦
12
表5：
同一站点且使用时间在1分钟以上的借还车统计结果
通过上表的统计结果，我们再进一步的统计，得出下一列结果，如下表6所示：
时间段
0—5
6—10
11—15
16—20
20—25
26—30
30以上
次数
25
55
49
22
14
9
6
表6：
各时间段的的统计次数
图2：
各时间段的的统计次数直方图
由上表6与上图2，我们可知，在同一站点借还且时间为6-10,11-15分钟段的人数最多，能反映一个情况，即一样人借车的在本站借说跑的距离并不是很远，所以可以推测出，鹿州去的站点分布相对密集度较高。
对于问题二，我们选择借车频次最高和还车频次最高的站点，分别统计分析其借、还车时刻的分布及用车时长的分布。
解题思路：
针对该问题，首先对第二十天的借车车站号进行排序，运用Excel软件中的数据透视图功能对其筛选，得出下下列汇总后从而得出每一个站点在该天借车的次数，如下表所示（由于篇幅比较大，所以这里选取排列在前10名排序的结果（即表7），具体表见电子表格）：
借出车站
汇总
归还车站
汇总
总计
42242
总计
42242
街心公园
821
五马美食林
786
五马美食林
766
街心公园
785
医学院
653
医学院
672
体育中心西
644
体育中心西
642
开太百货
613
开太百货
640
国光大厦
548
国光大厦
555
阳光花苑
537
阳光花苑
543
马鞍池吴桥路口
524
马鞍池吴桥路口
509
县前头
520
县前头
505
小南门立交桥
489
时代广场
503
公园路新华书店
487
洪殿奥康
485
表7：
前十借车频次和还车频次的站点统计
由上表7可知，借车频次最高的站点是街心花园，还车频次最高的站点五马美食林。
根据所得的两个站点，对两个站点的借车时刻、还车时刻、用车时长用Excel中分别进行条件筛选统计，由于数据量过于大，为统计方便，我们将时间段以两个小时为一层次，借车时长分钟段为10分钟一时段进行划分，得出如下表8结果：
表8：
频率最高的借车站点五马美食林时长次数统计
图3：
频率最高的借车站点五马美食林时长次数统计
由上表8与上图画出图并进行分析，统计得出下表9的分钟时段，得出分钟段为：
分钟段
1-9
10-19
20-29
30-39
40-49
50以上
五马美食林借车时长
302
258
104
45
12
15
表9：
五马美食林分钟段时长分布
图4：
五马美食林借车次数统计
同理，可求出街心花园的借车频次最高和还车频次最高的站点，分别统计分析其借、还车时刻的分布及用车时长的分布，如下表10所示：
时间
街心花园借次数
还次数
分钟段
次数
6—8
37
26
0—9
294
8—10
129
124
10—19
300
10—12
135
134
20—29
88
12—14
133
129
30—39
52
14—16
122
124
40—49
19
16—18
184
189
50—59
7
18—20
63
74
60—69
2
20—22
18
25
70—79
1
表10：
街心花园其借、还车时刻的分布及用车时长的分布
图5：
街心花园用车时长分钟段统计图
针对问题3.3，我们用Excel表格统计第二十天的各站点的用车数量，接着用SPSS软件对每一个站点进行归类，得出该站点的所有用车时段和借、还车数，然后采用Q型聚类，区间采用平方Evcidean得到借车高峰时段和还车高峰时段的站点。
各个站点的借车时段如下图所示：
各个站点的还车时段：
根据以上数据可知：
（1）、各站点的借车高峰时段和还车高峰时段均为17:
00~18:
00时间段，
（2）高峰时段各站点的借车频次和还车频次列表详见电子表格
（3）共同借车高峰时段站点归类：
城区、公园、商贸大厦、学校
（4）共同还车高峰时段站点归类：
广场、商贸城、公园。
6.1问题4求解
根据上述一二问的统计结果，我们做出了各站点总用车频次高低对比图，如下图所示：
从图中我们可以看出，对于那些用车频次较低的站点，说明该站点服务效率不高，可能存在重大缺陷。
应视为重点整改对象。
6.1问题5求解
在查找相关资料及分析后，我们找出如下公共自行车服务系统的其他运行规律，并提出改进建议。
（1）优化公共自行车的功能和结构。
在对第三问的数据处理中对借还车是同一站点且使用时间在1分钟以上的借还车情况进行统计，在这个条件中，将一分钟的情况进行了剔除，由此可见，造成使用时长在一分钟以内的原因中有很大的可能性是自行车本身出现了问题，而导致市民在取车后发现自行车不能够使用，因此，需优化公共自行车的功能和结构，既能减少材料损耗，减少公共自行车维护的投入，同时又能更好地满足城市公共自行车的“公共性”服务需求，提高公共自行车的品质。
（2）均衡投放，即时调度。
根据每个站点自行车的使用频率不同，避免部分站点的自行车短缺或堆积现象发生，将通过调度专用车进行合理调度。
由于某些站点是市民的使用自行车的高峰期，因此，可以在使用公共自行车需求量大的地方增加自行车的数量。
（3）提供各种型号的自行车。
为了提高自行车的使用效率，我们可以在每个站点提供轻便型、载重型、带小孩型三种车型，以提高不同人群的自行车使用满意度。
（4）社区、校园、商圈、景点和公交对接处需设置多站点、增加自行车数量。
一般情况站点数量是该城市公交车站点的二分
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