共享单车数学建模论文.docx

1、同济大学 2016 年数学建模竞赛 A 题 单 车 共 享 经 济共 享 单 车 市 场 分 析 综 合 评 价 模 型摘要本文通过搜集共享单车市场的相关数据， 主要研究了 “互联网” 时代下共 享单车行业和市场分析的综合评价问题， 建立了行业市场饱和度测算模型 ， 企业 核心竞争力评价 、 预测模型和学生出行方式预测模型 ， 利用 MATLAB 和 EXCEL 软件实现了对共享单车行业现状多角度的分析， 并给出了 利用理化指标评价企业 竞争力的 方法 ， 为企业了解 、 提高市场竞争力提供了现实依据， 在实际应用中有 较大的参考价值。问题一中， 我们从上海市共享单车的实际出发， 提出了分别基

2、于人口、 市区 面积和通勤市场三种计算单车需求量的模型。 建立于人口数量的计算模型中 ， 考 虑了人口年龄 、 性别和受教育程度等不同人群对单车的不同需 求 ， 合理地计算出 了基于人口的共享单车需求量。 在依据城市市区面积的计算模型中 ， 建立同心圆 环的计算模型，依据距离市中心的距离，给予不同圆环区域乘以一定比例系数， 进而更合理的估 算共享单车需求量。 此外， 我 们还考虑了基于通勤市场的计算模 型， 基于 市区的地铁站以及公交站的数量来计算上海市共享单车的需求量 。 最后， 取三种 模型计算结果的平均值作为上海市单车需求量 ， 分析出虽然市场并没有饱 和， 但是整体需求增长会趋缓， 增

3、强单车的管理能力， 提升服务质量才是共享单 车企业的重要议题。问题二中， 我们选取了硬件、 软件、 产业布局三类评价指标， 建立了共享单 车 品 牌 核 心 竞 争 力 模 糊 综 合 评 价 模 型 ， 得 出 摩 拜 、 ofo 的综合竞争力对比，然后 利用 2016 年 10、 11、 12 月、2017 年 1 月 两 品 牌 的 用 户 数 量 ， 建 立 灰 色 预 测 模 型 ， 预 测 了 半 年 时 间 内 ， 摩 拜 、 ofo 两者用户数量的演变情况，推测出，得益于 良 好 的 城 市 扩 张 和 海 外 布 局 ， ofo 的用户数量将在下半年超越摩拜，然而在今后 较长

4、时间内，中国共享单车市场格局还是两家独大的局面。问题三中， 我们选取同济大学四平校区及周边作为研究范围， 从共享单车的 车辆配置、 App 使用情况、 收费标准和覆盖范围四个方面 对现有较流行的 四种共 享单车 进行比较分析， 认为 ofo 和 Mobike lite 是综合评价较好 的两家， 小鸣单车 在 投 放 量 和 覆 盖 范 围 上 的 不 足 以 及 享 骑 电 单 车 针 对 长 距 离 出 行 的 特 征 限 制 了 其 在校周边的发展。 此外， 为了研究自行购买自行车的必要性 ， 通过调研 各类共享 单车收费情况和市场自行车价格， 比较了两者的平均使用费用 ， 认为对于出行频

5、 率 高 、 4 公 里 以 内 的 短 距 离 出 行 行 为 ， 自 行 购 买 自 行 车 并 在 使 用 四 年 后 转 售 的 方 式比使用共享单车费用低 68%， 但共享单车很 大程度上缓解了出行频率低、 出行 目的多元的出行难问题。关 键词： 共享单车； 市 场饱和度测算； 模糊综合评价； 灰色预测； 学生出行方式。一 、 问 题 背 景 与 分 析1.1 问题背景市民出行 “最后一公里” 问题一直是困扰人们交通出行方式的难点， 不仅增 加了人们的出行时间成本和经济成本， 还带来了一定社会隐患 ， 例如黑的、 黑摩 市场的 滋生对市民人身安全和公共交通的管理都造 成 影响。 随着

6、 “互联网” 经 济 的 兴 起 ， ofo、 摩 拜 等 完 全 市 场 化 的 共 享 单 车 很 有 可 能 解 决 “最 后 一 公 里 ”问 题 ， 不仅有利于推行绿色环保出行， 而且摆脱了传统市政公共自行车受停车桩的 限 制 ， 深 受 市 民 欢 迎 。1.2 问题分析1.2.1 问题一的分析问 题 一 要 求 我 们 分 析 市 场 上 的 共 享 单 车 投 放 量 是 否 已 经 满 足 短 途 出 行 的 要求， 市 场饱和度如何。 市场饱和度为产品销量与产品需求量的比值， 因此要 分析共享单车的市场饱和度如何， 就必须先估算市场的单车需求量 ， 然后根据 市场上已经投放

7、的单车数量，才能给出合理的评价。在计算市场需求量方面， 我们摈弃传统的以人口数量和渗透率的简单计算方法， 充分考虑人口数量 、 性 别和受教育程度等因素， 并考虑依据市区面积和通勤市场的计算模型， 以求更 加合理的计算出市场的单车需求量。1.2.2 问题二的分析问题二要求我们利用利用硬件、 软件、 投放量 等因素分析市场上几大共享 单 车 品 牌 并 进 行 市 场 格 局 方 面 的 相 关 预 测 。 由 于 共 享 单 车 市 场 2016 年才快速 发展起来， 品牌 很多， 且均处于急速竞争扩张阶段， 各个公司的相关业绩报告 等信息很难获得。为此我们选取市场份额较大且信息相对完备的摩拜

8、、ofo 进 行分析评价。 将评价指标分为硬件、 软件、 布局三大类 ， 再对这三方面进行细 化，建立模糊综合评价模型，力求全面表现品牌的核心竞争力。在市场格局预测方面，新兴市场变化性极大，因此我们只能选择可视化、 同时又具有代表性的各品牌 “用户数量” 进行相关预测 。 我们找到了 4 个月的 “用户数量” 数据， 由于样本比较少， 因此选择 “灰色预测方法 ”只预测半年， 然后对市场格局进行分析。1.2.3 问题三的分析为向学弟学妹介绍学校周边共享单车情况， 我们决定选取同济大学四平校 区及周边地区作为采样点， 从车辆配置、 App 使用情况 、 收费标准和覆盖范围 四方面调研统计共享单车

9、基本情况， 再综合评价各自的优缺点 。 考虑不同出行 里程和出行频率组合下的出行方案， 以出行成本最低为决定标准 ， 比较平均使 用时间下使用共享单车的最低费用和自行购买自行车的费用大小， 从而为 衡量 学生购买自行车的必要性提供依据。二 、 模 型 假 设1. 忽略天气、 节假日等原因使得地区的自行车需求量与共享 单车供应量发生重 大改变的情况。2. 假设 20 岁以下和 60 岁以上的人群暂时没有单车需求。3. 假设每座地铁站的单车需求量是相同的。4. 忽略除 “硬件” 、 “软件 ”、 “布局” 之外其他因 素对共享单车核心竞争力评价 的影响。5. 假设出行者均以出行成本最小的原则来选择

10、出行方式。三 、 模 型 符 号 说 明 共享单车需求量 不同类别人口数量 单车市场渗透率 不同城市区域面积 单车投放密度 比例系数D 地铁站数量 G 公交车站数量 修正比例 地铁站每站单车需求量 据通勤市场计算的单车量 公交站每站单车需求量 模糊评价指标 模糊评价因素集 模糊评价评语集 评判向量 综合竞争力指标 不同评价类别综合指数x(0)i 用户量原始序列 x(1)i 用户量预测数据t 单车骑行时间 Z 单车骑行费用f 出行频率 S 骑行距离V 骑行速度 n 用户好友数量四、 模 型 建 立 与 求 解4.1 问题一的模型建立与求解4.1.1 共 享 单 车 的 市 场 需 求 分 析共享

11、单车的出现极大的方便了人们的出行， 有效地 解决了最后 1 公里的问题。2017 年 4 月 12 日 2017 年共享单车与城市发展白皮书 发布 （以下简称 白皮 书 ） 1， 这是全国首部 全面展现共享单车通过交通创新模式， 促进城市健康发展 的研究报告。研究发现，创新型的智能共享单车在进入城市不到一年的时间里， 成为小汽车、公交、地铁外的第四大出行方式，小汽车的出行次数减少了 55%， 黑摩的的出行次数减少了 53%， 实现了 “自行 车王国” 的人性化复兴。 智能共享 单车代表着和谐的生活方式，代表着“互联网+”与实体经济的完美结合，不仅 带回了自行车川流不息的生活气息， 还促进市民积

12、极参与城市共建， 推动了城市 文 明 、 低碳 、 智 慧 、 健 康 的 发 展 。共享单车在方便人们出行的同时， 也因不合理停放也给城市公共空间的管理 带来了极大的困难， 大量的单车不仅挤满了街道两旁的人行横道， 甚至占据了机 动车道， 严重影响了社会公共秩序。 因此， 合理的 分析共享单车的市场需求和城 市承载量的关系，对于城市的管理和运营公司有效投放单车都具有重要意义。由于各个城市的经济发展、 人口、 建成区面积以及地形等因素的影响 ， 共享 单车的发展也不均衡， 在此， 我们仅选择上海市为例进行分析 。 市场需求受影响 因素较多， 因此采用多角度综合分析， 从单车 数量与城市人口 、

13、 建成区面积以及 公 共 交 通 三 方 面 计 算 单 车 需 求 量 。图 4-1 单车需求量分析视角4.1.2 基于人口数量的计算模型建立最简单的计算模型如下：M p P L （ 4-1）如果以 2.5%的渗透率来计算， 上海市的单车需求量为 60 万辆， 但是这样选 择的渗透率不一定合理， 不同年龄段人的需求也不一样 。 为此， 我们考虑人口年 龄以及受教育程度，建立计算模型为：1.数据来源： https:/ 数据来源：上海市 2016 年 统 计 年 鉴 http:/www.stats-3. 数据来源：百度百科 http:/ 0ovQcf8aq2T7m3ec-Ij6onHSvv5xk

14、4gb21ShpKNlpcHtjW5mRG6tKaXYJ_w_7tY54AuN6ZiM8uXqHT05SQeM p (Pm Lm +Pw Lw ) 0.5+(Pz Lz +Pg Lg ) 0.5 （ 4-2）其中， M p 是单车数量， Pm 是 2059 岁男性人口的数量， Lm 是 2059 岁男性人口对共享单车的需求比例， P 是 2059 岁女性人口的数量， L 是 2059 岁女w w性人口对共享单车的需求比例， Pz 是 2059 岁受教育程度为大学专科及以上的 人口数量， Lz 是 2059 岁受教育程度为大学专科及以上的人口对共享单车的需 求比例， Pg 是 2059 岁受教育

15、程度为高中及以下的人口数量， Lg 是 2059 岁受 教育程度为高中及以下的人口对共享单车的需求比例。男性 女性0 9 1 0 1 9 2 0 2 9 3 0 3 9 4 0 4 9 5 0 5 9 6 0 6 9 70 以 上 年龄 / 岁图 4-2 上海市第六次普查人口的性别年龄构如图 4-2 是上海市第六次普查人口的性别年龄构成 2，从图中我们可以计算出 ， 2059 岁的男性人口数量为 856.22 万 ， 2059 岁的女性人口数量为 788.33 万， 根据 白皮 书 ， 男性骑行 的数量 要明显 高于女性 ，我们 设置男 性的需求比 例为 8%， 女 性 的 需 求 比 例 为

16、 4%， 大 体 符 合 目 前 的 市 场 调 研 数 据 。图 4-3 是上海市第六次人口普查受教育程度人口的年龄组成 ， 从图中可以计 算 得 出 ， 2059 岁受教育程度在大学专科及以上的人口数量为 437.54 万 ， 2059 岁受教育程度在高中及以下的人口数量为 1207.01 万， 对于受教育程度不同的人 群 ， 单 车 的 需 求 比 例 也 是 不 同 的 ， 参 考 白 皮 书 数 据 ， 受 教 育 程 度 较 高 的 人 群 对于单车的需求比例更高， 我们设置 2059 岁受教育程度在大学专科及以上的人 群的单车需求比例为 8%， 2059 岁受教育程度在高中及以下

17、的人群的单车需求 比例为 4%， 基 本 符 合 目 前 的 市 场 数 据 分 析 。2. 数据来源：上海市 2016 年 统 计 年 鉴 http:/www.stats-265.93253.23213.96190.98195.78172.06180.55172.06人口数 / 万人76.3066.31 87.0080.80 92.6087.77 73.3793.226- 9 岁70 岁以上 100.0080.00 10-14岁 未上过学65-69岁 60.0040.0015-19 岁 小学60-64 岁55-59 岁50-54 岁45-49岁20.000.0040-44岁20-24岁25-

18、29岁30-34 岁35-39 岁初中高中 大学专科 大 学 本 科 研究生图 4-3 上海市第六次人口普查受教育程度人口的年龄组成将 上 述 数 据 带 入 模 型 公 式 （ 4-2） 计 算 ， 考 虑 到 人 口 数 量 、 性 别 和 受 教 育 程 度 的 影 响 ， 得 到 上 海 市 单 车 的 整 体 需 求 量 为 91.6 万辆。M (P L +P L ) 0.5+(P L +P L ) 0.5p m m w w z z g g=(856.22 8%+788.33 4%) 0.5+(437.54 8%+1207.01 4%) 0.5=91.64.1.3 基于城区面积的计算

19、模型（ 4-3）在分析共享打车的市场需求中， 基于城市建成区的面积是一项很重要的计算 方式。最简单的模型就是面积乘以单车密度。S （4-4）上海市区域总面积为 6340 平 方 公 里 ， 其 中 城 区 面 积 1563 平 方 公 里 ， 假 设 单车 密 度 为 1000 辆每平方公里，则需要单车数量为 156.3 万辆。图 4-4 上海市城市区域图Msi考虑城区的差异性， 单车的密度也将发生变化。 图 4-5 是上海市某日凌晨所 有摩拜单车的位置图。从图中可以看出在市中心（外滩）共享单车的密度很大， 离市中心越远， 单车的密度越小， 甚至有些地区的单车密度几乎为零 。 所以设置 简单的

20、计算公式 （ 4-4） 是不合理的。 考虑到距离市中心越远 ， 单车的密度越小， 我们设置了一个同心圆的计算模型（图 4-6 所示） ，不同的圆环，单车的密度设 置不同的值，使计算结果更加准确。Ns Si ii=1 ri (4-5)其中， M 是依据城区面积计算的单车数量， S 是不同区域的面积， 是城s i i区 单 车 密 度 ， r 是比例系数。图 4-5 上海市某日凌晨摩拜单车位置图图 4-6 同心圆模型上海市城区面积为 1563 平方公里，近似为一个半径为 22 千米的圆，如图4-6 所示，共分为四个圆环区域，半径分别为 4 千米、9 千米、15 千米和 22 千米，如图 4-6 所

21、 示 。 单 车 的 密 度 设 置 为 2000 辆每平方公里，比例系数从里到外 一次为 1、4/9、4/15、4/22。Ns i i iM S i=1r =16 3.14 2000 1+(81 16) 3.14 2000 4 9 (225 81) 3.14 2000 4 15 (484 225) 3.14 2000 4 2281.9（4-6）将所有数据带入公式（4-5）进行计算，得到单车数量为 81.9 万辆。M4.1.4 基于通勤市场的计算模型公交站和轨道交通站口都是共享单车市场需求最为强劲的地区， 基于通勤市 场进行计算共享单车的市场需求也是一个合理方法。 如图 4-6 是摩拜单车停放

22、位置与上海市地铁站的位置示意图， 若以地铁站为中心， 以 1 千米为半径画圆， 60% 以 上 的 单 车 都 位 于 此 区 域 内 。 根 据 白 皮 书 分 析 数 据 ， 高 达 90%的用户会把共 享单车搭配公交和地铁使用。因此，我们依据通勤市场，建立以下模型。d (D Wd +G We ) 1+ （4-7）其中， 是根据通勤市场计算的单车数量 ， 是每座地铁站需要的单车数 量 ， 是 每 座 公 交 站 需 要 的 单 车 数 量 。 考 虑 到 并 非 所 有 的 单 车 都 集 中 在 地铁 站和公交站附近区域 ， 在计算中加一个改正比例， 这个比例设置为 20%。 目前， 截

23、止 2015 年 12 月，上海市区共有地铁站 366 座 3，公交站 13941 座，考虑到地铁站人流量较大， 出站口较多， 每座地铁站需要单车数量设置为 400 辆， 每座公交站周围所需单车数量设置为 40 辆。图 4-7 摩拜单车停放位置与上海市地铁站的位置示意图将 以 上 数 据 带 入 公 式 （ 4-7） 进 行 计 算 ， 得 出 上 海 市 所 需 单 车 数 量 为 84.5 万辆。d (D Wd +G We ) 1+=(366 400+13941 40) (1+20%)=84.5（4-8）以上三种模型计算所得上海市单车需求量分别为 91.6 万辆、81.9 万辆和84.5

24、万辆，根据公式（4-6）取其平均值为 86 万辆。M (M p +Ms +Md ) 1 / 3 86 （4-9）目前市场上投放的共享单车约 50 万辆，虽然市场并没有饱和，但是整体需 求增长会趋缓， 考虑到城市管理等因素 ， 继续增加单车投放量没有太大必要 ， 目 前，增强单车的管理能力，提升服务质量才是共享单车企业的重要议题。3. 数据来源：百度百科 http:/ 0ovQcf8aq2T7m3ec-Ij6onHSvv5xk4gb21ShpKNlpcHtjW5mRG6tKaXYJ_w_7tY54AuN6ZiM8uXqHT05SQe BtB-ankEfhlo_MM4.2 问题二的模型建立与求解问

25、题二： 要求从单车硬件、 软件、 投放量等要素分析市场上几大共享单车品 牌， 给出指标刻画它们的核心竞争力。 并建立模型讨论在目前形势下 ， 预测共享 单车的市场格局的演变趋势。该问题的解决分为以下三步。 步骤一：构建评价模型的指标体系；步骤二： 建立模糊综合评价模型， 并通过该模型对步骤一得到的指标进行多 指标综合评价，以对共享单车品牌进行评价打分；步骤三： 基于灰色系统理论对共享单车企业相关指标进行预测， 并通过步骤 二建立的模型预测市场格局变动。4.2.1 共享单车品牌核心竞争力模型的构建共享单车是一个典型的“互联网+”式创新，将移动互联网与传统自行车结 合， 摆脱了传统停车桩的限制，

26、其创新的商业模式加之倡导 的 “绿色出行” 概念 是社会发展大势所趋。 资本的大量涌入 ， 致使各种类型的共享单车雨后春笋般出 现， 其中市场竞争力最强的摩拜和 ofo 两者合计的市场份额已超过九成 ， 故选取 二者建立其品牌核心竞争力评价模型。 选取尽可能全面 、 合理的评价指标， 对这 些指标对品牌竞争力的影响进行综合分析，得到两大品牌核心竞争力模型。图 4-8 各种类型的共享单车品牌（1）共享单车品牌核心竞争力模型构建指标选取原则共享单车品牌核心竞争力模型构建的指标体系的选取， 是能够充分反映共享 单车市场具体状况和和存在问题的指标， 从而构成了一整套指标系统 。 所以需遵 循如下原则，

27、选择科学、合理的指标。 1 全 面性 原则充分考虑影响共享单车品牌竞争力的各种因素， 无论是品牌的战略定位、 融 资情况、 运营管理方式、 国家政策倾向， 还是涉及单车的质量 、 外型、 使用方式、 App 等硬件和软件方面的因素， 都给予充分的考虑和分析 ， 才能对最终目标作出 合理的解释。同时全面性也是共享单车品牌核心竞争力模型构建的基础。 2 科 学可 靠性原 则评价指标体系必须建立在科学可靠的基础上 ， 数据的来源是市场普遍认可的 渠道， 同时得到相关领域专家、 学者的认可， 排除主管干扰 ， 客观准确地反映各 大共享单车品牌竞争力的内涵。 3 简 明性 原则建立指标体系时， 选择的指

28、标必须实用可行， 评价信息易于获得和更新， 有 利于掌握和操作。 对于一些难以直接测量的因素可以在评价指标体系中转化为与 之相关的可测性因素， 通过对可测性因素从而认识那些不可测性因素， 完成对评 价对象的总体认识和全面把握。（2）评价指标的选取通过对共享单车市场竞争力的内因分析和可行性研究， 结合指导老师意见和 以上的竞争力指标选取原则， 建立如下共享单车品牌核心竞争力评价指标体系架 构。图 4-9 共享单车品牌核心竞争力评价指标体系（3）评价指标的分析处理核心竞争力指标不仅包含定量分析， 还有定性比较， 如品牌影响力、 服务管 理 水 平 等 。 由 于 共 享 单 车 作 为 一 个 新 兴 产 业 在 2016 年呈“井喷”态势发展，由 于 涉 及 商 业 机 密 ， 本 文 分 析 数 据 以 各 大 咨 询 机 构 发 布 的 行 业 分 析 报 告 为 主 。本文采用模糊综合评价方法对共享单车品牌的核心竞争力进行评 价。 将评价 目标看成是由多种因素组成的模糊集合，再设定这些因素所能选取的评审等级， 组成评价的模糊集合， 分别求出各单一因素对各个评审等级的归属程度， 然后根 据各个因素在评价目标中的权重分配， 通过计算， 求出评价的定量解值。 本方法 可以通过精确的数字手段处理模糊的评价对象， 能对蕴藏信息呈现模糊性的资料