基于统计分析的公共自行车服务系统评价模型研究

1 基于统计分析的公共自行车服务系统评价模型研究摘要本文针对温州市鹿城区公共自行车管理中心提供的数据，首先对所给数据进行预处理，建立了相关统计模型，运用SPSS20.0、matlab等软件进行统计分析，最后应用关联度分析法对系统进行评价，并提出改进建议。针对问题一：在已处理好的数据基础上，建立了频率与频数、用车时长的统计模型，利用SPSS软件分别统计各站点20天中每天及累计的借车及还车频次，得到每天和累计的借车和还车频次（见表五和表六）；并对所有站点按累计的借车和还车频次排序（见表七和表八）；对每次用车时长的分布情况进行统计分析，画出其分布图（见图一和图二），由图可知：每天用车时长分布形状非常相似且近似服从 2c分布。针对问题二：在已处理好的数据基础上，建立了使用公用自行车的不同借车卡数量的统计模型,利用SPSS统计20天中每天使用不同借车卡数量，其中最大的为第20天的19885；统计了每张借车卡累计借车次数的分布图（见图三），对图形分析可得：借车次数在10次以内的占54.86%，借车次数在10至30次占 35.88%，借车次数在30至50次占7.51%，借车次数在50以上占1.75%，最大借车次数高达182次。针对问题三：根据问题一的分析，已给站点累计所用公共自行车次数最大的一天是第20天。对于第一小问：利用第20天数据，运用floyd算法求得两站点间最短时间，将站与站间的距离定义为两站间的最短时间与自行车速度之积，同时考虑到了速度和时间的随机误差影响；利用距离的定义，通过matlab计算得两站点最长距离为：675，最短距离为:0.08。利用问题一中的频数模型,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，得借车频次表（见表十一）和用车时间分布图（见图四）。对于第二小问:根据问题一的统计，第20天的借车和还车频次最高的站点分别为42（街心公园）和56（五马美食林），利用SPSS统计出两站点借、还车时刻和用车时长的分布图（见图五，图六，图七），由图形分析可知：借还车的高峰期与人们上下班的时间非常吻合，在借还车时间上大体都在一小时以内。第三小问:将第20天数据从６点到22点每半小时作为一时段，分别统计各站点各时段借还车频数，利用matlab编程求出借还车高峰时段（见表十二），并对具有借车高峰时段与还车高峰时段的站点进行归类。（见表十四）针对问题四：根据前三个问题的统计结果，结合公共自行车服务指南，确定评价公共自行车服务系统站点设置和锁桩数量的配置的主要指标有：借车频数、还车频数、可借比例、可还比例、锁桩数目，建立了基于灰色关联分析法和聚类分析的公共自行车服务评价模型，得到评价结果：180个站点分成有优劣之分的三个类（见表十五）。针对问题五：通过查阅相关资料知：公共自行车的其他运行规律主要是借还车时间有限制，用车时间集中在短时间内等。针对此问题提出了相关建议。关键词：公共自行车服务系统统计分析灰色关联度分析聚类分析2 一、问题重述1.1问题背景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。1.2问题提出了解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。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，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。二、问题分析题目提供了20天公共自行车借车和还车等原始数据，本文的关键就是通过分析处理所给数据，建立数学模型来研究公共自行车服务系统，并对公共自行车服务系统进行评级及提出改进建议。2.1问题一分析要统计各站点20天中每天和累计的借车和还车频次，查阅资料知[] 1 ，频数为频率和频数，对于借车与还车频数，可引入0-1变量表示各站第i天借车和还车在 j次记录中出现的频数，各站每天和累计的借车频数就是借出车站号在每天出现的次数和总天数的借车频数和，各站每天的借车频率是借出车站号在每天出现的次数与每天的有效数据，累计的借车频率是累计借车的频数比上总有效数据，对于借车每天及累计的频数类似，从而可建立相应的统计模型。根据以上分析，可统计出各站点20天中每天和累计的借车和还车频次，进而可对所有站点3 累计的借车和还车频次排序。分析每次用车时长的分布情况，可运用相关软件将分布情况作出。2.2问题二分析要统计20天每天使用公共自行车的不同借车卡的数量，对于各天的借车人数相当多，为此先用相关软件对有效数据进行处理，即将重复的借车卡，累计到不同借车卡的一行中，可得到没有重复的不同借车卡数据，引入0-1变量表示第 i张卡第 j个数据中出现的情况，累计求和，就可得到各天不同借车卡的数量，即得相应统计模型，再运用相关软件分析每张借车卡累计次数的分布情况。2.3问题三分析（1）由于站点之间的实际距离很难得到，且城市里人流量较大，自行车行驶速度不可能很大，应比较均匀，所以定义两站点之间的距离，可根据物理中距离与时间和速度的关系定义距离，其中时间的获取可通过数据中所给的站与站之间的用时加以处理后得到。该定义的距离会应不同的骑车速度和时间，导致两站点距离不同，因此速度和时间需要引进误差，且将两相同站点的距离定义为0，为此可得到距离的定义。对于借还车是同一站点且用时一分钟以上的借还车情况直接利用SPSS进行统计即可得出相应结果。（2）根据问题一得到结果，可找到所有站点使用自行车次数最大一天，借车频次高和还车频次最高的站点，根据相应站点的数据，可应用相关软件将各站点的借、还车时刻的分布及用车时长的分布求出。(3)题中给出数据的借车还车时间段为6:0021:00-，要求各站点借车还车的高峰时段，可对总的时间段进行划分，考虑到数据量以及统计的精确度，可采用一定时间间隔作为一个时间段，分别统计各个站点在每个事件段内的借车频数以及还车频数，则最高借还车频数对应的时间段即为高峰时段，进而能得出高峰时段各站点的借车频次和还车频次，此处统计工作量可能较大。再对其整体分析，即能得到具有共同借车高峰时段和还车高峰时段的站点的归类情况2.4问题四分析要对目前公共自行车服务系统站点设置和数量的配置做出评价，要根据前几问统计的数据，找出相应的指标，根据问题一，可让借车频数和还车频数作为其中指标，从数据的初步分析来看，借车、与还车频数可能大，说明车流量比较多，从这方面，也可根据题目所提供的站点地理位置，可以知道各个站台的得可借比例（可借车位比上总车位）和可还比例（可借车位比上总车位），作为其中指标，对于数量的配置，根据各站锁桩的数量等作为其中指标，为此可得到相应指标对自行车服务系统进行评价，运用灰色关联分析法，求出各个站点的关联度，进行排序，可再用SPSS聚类分析分成三类，求出每一类的均值，从而进一步确定出类别间的优劣。2.5问题五分析要找出自行车服务系统的其他运行规律并提出改进意见，要先对问题中所有数据的一个时间分布情况、借车高峰、还车高峰、以及站点中桩位设置的合理性，进行改进。而改进的方法可能从现有数据和系统流程不能解决，因此可通过查找其他服务系统中号的服务规则进行改进。4 三、符号说明() 1181 i yi=L第i个站的频数 (1,220) k Nk=L第k天数据记录的有效总数（剔除后的数据） ij Z 第 i t 个时间在第 j次记录中的出现次数 i H 第i张卡出现的频数 ij d 第i个站到第 j个站的距离 ij t 第i个站到第 j个站的所用最短时间 1x时间合成误差 2x速度随机误差 i p 第i个站点的频率 k Z 第k天借记卡总数() 2 181 1,2 k nkC=L第i个站到第 j个站在数据中出现的次数 v 人骑自行车的平均速度 ij t¢第i个站到第 j个站的时间集中数据 ji t¢第个 j站到第i个站的时间集中数据 , AB 测量数据时的不确定度四、模型假设1、以自行车车站号做为借车车站的唯一标识2、附件中所给的数据能准确描述公共自行车系统管理与运营状况3、自行车行驶的过程中，以匀速行驶，行驶过程中不会停留4、异常数据的剔除，不影响数据的整体性五、数据预处理观察整个数据发现有许多异常数据，对任意一天的数据统计发现共提供了181个站点，但是108号站点是空缺值。根据用车时间、用车方式、换车锁桩号、温州鹿城公共自行车服务指南等信息剔除一些不合理数据。5 n剔除部分用车时间在02 :分钟：对于数据中用车时间0的，借车者从用一车站借出、同一车站还回，而且借还车桩号基本相同，其可能原因是车辆发现自行车有问题就立即还回和在借车成功后20秒内自行车未推出，则20秒后自动锁上（温州鹿城公共自行车服务指南），这样的情况自行车都属于没有使用；对于数据用车时间1和2的，可剔除同一车站提出同一车站还回，可能原因为车有问题立即还回，车是没有使用的，系统有计算出了该类车的用车时间，因此可以剔除这样的情况的数据，但该数据中有借还车地点不一样不能剔除，因为可能两站之间距离很小能在12 :分钟左右完成。以下表（表一）为例：表一：用车时间为02 :的数据借出车站号借车锁还车车站号还车锁用车时间用车方式94994180会员卡借车169816980会员卡借车1351341会员卡借车42442101会员卡借车191919192会员卡借车5515512会员卡借车n剔除部分用车时间在35 :分钟：根据温州鹿城公共自行车服务指南无法借、还车处理办法第四条，即借车时听到语音提示“通讯故障暂停使用”，请等待35 :分钟后，换桩借车。可以知道在同一车站提出同一车站还回借还车桩一样的，且用车时间在35 :分钟内这样的数据，自行车可能是无法使用，但系统又在计算用车计时，对于这样的数据可以剔除。以下表（表二）为例：表二：用车时间为35 :的数据借出车站号借车锁还车车站号还车锁用车时间用车方式1311313会员卡借车18120181203会员卡借车492049204会员卡借车702070204会员卡借车11115会员卡借车6416415会员卡借车n剔除还车桩桩号为0的数据：数据中有极少数的车桩号为0，而且车桩号为0的同时，用车时间也为0，该原因可能为借车者没有还车而导致或该桩号的车被盗，这样的数据是没有意义的，理应剔除。以下表（表三）为例：表三：还车桩桩号为0的数据借出车站号借车锁还车车站号还车锁用车时间用车方式8211000会员卡借车9914000会员卡借车n剔除用车方式为还车故障的数据：在所有数据中有极少的数据借车时间和还车时间差值并不等于用车时间，在用车方式上写了还车故障，这一部分数据也会影响结果因当剔除，以下表（表四）6 为例：表四：用车方式为还车故障统计表借出车站号借车锁还车车站号还车锁用车时间用车方式444780还车故障711444190还车故障n剔除数据还车车站号不存在的数据：根据温州鹿城公共自行车站点地图可以知站号最大号为6055，但有些数据还车车站号不存在，该类数据有2个分别是在第5天中的借出车站号为9，还车车站号为29999（不