Optimizing the location of stations in bike-sharing programs: A GIS approach

• Juan Carlos Garciacute;a-Palomares^, ,
• Javier Gutieacute;rrez ,
• Marta Latorre
• Departamento de Geografiacute;a Humana, Facultad de Geografiacute;a e Historia – Universidad Complutense de Madrid, C/Profesor Aranguren, s/n, 28040 Madrid, Spain

Available online 2 August 2012

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doi:10.1016/j.apgeog.2012.07.002

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Abstract

A growing number of cities are implementing bike-sharing programs to increase bicycle use. One of the key factors for the success of such programs is the location of bike stations in relation to potential demand (population, activities and public transport stations). This study proposes a GIS-based method to calculate the spatial distribution of the potential demand for trips, locate stations using location–allocation models, determine station capacity and define the characteristics of the demand for stations. The results obtained are compared with the most commonly used location–allocation modeling approaches: minimizing impedance and maximizing coverage. For the objective of this study, the latter approach is more useful. Diminishing returns are observed in both cases: as the number of stations increases, there is less improvement in the fraction of the population covered and accessibility to stations. Because the spatial structure of the proposed network also plays an important role in bike-station use, an additional accessibility analysis was carried out to calculate the volume of activity to which a station has access. With this analysis, stations that are relatively isolated, and therefore of little use to potential users, can be eliminated.

Highlights

► GIS methodology to determine the optimal location of stations in bike-sharing programs. ► We calculate the spatial distribution of the potential demand for bicycle trips. ► We use location–allocation models in different scenarios and with different solutions. ► The main characteristics and the accessibility of each station are measured.

Keywords

• Bike-sharing programs;
• Bike-station location;
• Location–allocation models;
• GIS;
• Madrid

Introduction

In recent years, urban transport planners have focused much of their attention on policies promoting the use of bicycles as an alternative to intensive car use. Within the framework of sustainable mobility, bicycles are beneficial in a number of ways not only to society as a whole (with regard to environmental and economic sustainability and social equity) but also at the individual level. As well as being healthy and cheap, cycling is more efficient and quicker than using cars or public transport in congested town centers because traffic hold-ups can be avoided. Cycling also has its disadvantages, including a greater physical effort and the difficulty of carrying loads while cycling (Heinen, van Wee, amp; Maat, 2010).

The factors that increase bicycle use are currently being studied by policy makers and academic researchers in a search for measures to promote a modal shift from motorized transport to cycling. Numerous proposals have been put forward involving very different disciplines, ranging from urban and transportation planning to psychology. Urban planners try to redirect land-use distribution and urban form toward patterns that are more compact and diverse to facilitate shorter trips. Transportation planners invest in infrastructure geared to cycling, such as bike lanes or parking facilities; they give priority to cyclists over car drivers or facilitate bicycle use in conjunction with public transport. Psychologists aim to understand the effects of ability and behavior on bicycle use to be able to exert some influence over such effects (Dill amp; Voros, 2007).

One of the most prominent actions taken by transportation planners is the introduction of bike-sharing programs, also called “rental bike”, “public-use bicycles” (PUBs), “bicycle transit” or “smart bikes” ( Midgley, 2011). Bike-sharing programs are networks of public-use bicycles distributed around a city for use at low cost. The programs comprise short-term urban bicycle-rental schemes that enable bicycles to be picked up at any self-serve bicycle station and returned to any other bicycle station, which makes bicycle-sharing ideal for point-to-point trips (New York City Department of City Planning, 2009). The principle of bicycle sharing is simple: individuals use bicycles on an “as-needed” basis without the costs and responsibilities of bicycle ownership (Shaheen, Guzman, amp; Zhang, 2010).

The first public-use bicycles date back to 1968, with the famous “White Bicycles” system in Amsterdam. Since then, experiences

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优化自行车共享计划中自行车停车站的位置：一种GIS方法

胡安·卡洛斯·加西亚·帕洛马雷斯，哈维尔·古铁雷斯，玛塔拉托雷

（马德里康普斯顿大学人文地理学部历史地理系，阿兰古伦教授，西班牙，马德里，28040）

摘要：越来越多的城市正在实施自行车共享计划来促进自行车的使用。对该计划而言，成功的关键因素之一就是自行车站位置的分布要和潜在的需求（人口，活动和公共交通站点）相联系 。本研究提出了一个基于GIS的方法去计算人们的潜在出行需求的空间分布，采用区位配置模型来为车站选址，确定车站的容量和需求特点。我们将获得的研究结果和最常用的两种区位配置模型方法—最小化阻抗和最大化覆盖进行比较。为了本研究的客观性，我们认为后一种方法更加有用。在两种方法中都出现了边际递减效应：随着车站数目的增加，人口覆盖和车站可达性比例的改善逐渐减少。因为交通网络的空间结构在车站的使用上也有很重要的作用，因此我们进行了一项附加的可达性分析来计算每个车站已经进行的活动量。通过本项研究，可以取缔那些在交通网络中相对来说被孤立而几乎没有潜在用户的车站。

关键词：自行车共享计划，自行车停车站位置，区位配置模型，地理信息系统，马德里

Abstract：A growing number of cities are implementing bike-sharing programs to increase bicycle use. One of the key factors for the success of such programs is the location of bike stations in relation to potential demand (population, activities and public transport stations). This study proposes a GIS-based method to calculate the spatial distribution of the potential demand for trips, locate stations using location-allocation models, determine station capacity and define the characteristics of the demand for stations. The results obtained are compared with the most commonly used location-allocation modeling approaches: minimizing impedance and maximizing coverage. For the objective of this study, the latter approach is more useful. Diminishing returns are observed in both cases: as the number of stations increases, there is less improvement in the fraction of the population covered and accessibility to stations. Because the spatial structure of the proposed network also plays an important role in bike station use, an additional accessibility analysis was carried out to calculate the volume of activity to which a station has access. With this analysis, stations that are relatively isolated, and therefore of little use.

Keywords: Bike-sharing programs, Bike-station location, Location-allocation models, GIS, Madrid

引言

近年来，城市规划者花费大量精力促进公众使用公共自行车，试图使其成为代替使用密集的汽车的另一个出行选择。在可持续的流动性框架下，使用自行车出行不仅对整个社会（环境和经济的可持续性和社会公平）而且对个人而言都有很多方面的好处。 在使出行更加健康和便宜的同时，在拥堵的市中心使用自行车出行可以避开交通阻拦，从而比小汽车和公共交通更有效率和快速。当然自行车也有它的不足，比如需要花费大量的体力和在行驶时很难负载重物等。

政策制定者和学术研究人员最近正在对促进自行车使用的因素进行研究，以此来寻找从机动交通到自行车交通转变的措施。研究者们提出了大量的建议，这些建议涉及到很多大不相同的学科，跨度从城市和交通规划到心理学。城市规划者们试图将土地利用的分布和城市形态向更紧凑和更多样的方向推进，使城市更有利于短途出行。交通规划者们则投资基础设施来配合自行车出行，例如增加自行车道和停车设施等；他们还给予骑自行车者优先权或者在公共交通节点配备自行车的相关设施。心理学家旨在理解使用自行车的能力和行为所产生的影响对这种效应的作用。（迪尔和佛伦斯，2007）。

交通规划者们所采取的最杰出的方案之一就是引进了自行车共享项目，也称为“租赁自行车”，“公用自行车”，“自行车交通”或者“智能自行车”。自行车共享计划是分布在城市中的以最低廉的价格供公众使用的自行车网络。这项计划包含短期的城市自行车租赁方案，这项方案使得公众可以在任何一个自助服务车站提取自行车并在使用后将其归还给任一个车站，这就使得自行车共享对于点对点的旅行来说是非常理想的出行方式（纽约城市规划部，2009）。自行车共享的原则很简单：个人在按需所取的基础上免费使用自行车同时也不拥有自行车的所有权 (莎欣, 古兹曼和张, 2010)。

第一个公众使用自行车计划可以追溯到1968年著名的阿姆斯特丹“白色自行车”系统。从那以后，人们在此项目上积累了很多经验，同时项目模型也日益复杂(博内特, 2007; 德梅约, 2009a)。今天，大约有375个自行车公众计划在超过30个城市中运行，这些城市几乎遍布世界的每一个地区，大约使用了240000辆自行车。(米奇利, 2011)（浏览自行车共享计划地图http://bike-sharing.blogspot.com，德梅约,2009a和2009b）。

自行车共享计划获得成功的一个关键因素就是自行车站的位置及它们与旅行需求之间的关系（林和杨，2011）。为了获得用户的认可，车站和旅行出发地及目的地之间的距离要小，同时车站与车站之间的距离本身应适合使用自行车出行（舒，周，刘，张和王，2010）。

本文提出了一种GIS（地理信息系统）的方法以确定自行车站的最佳位置，确定它们的主要特点并评估各车站的可达性。这方面的相关内容，在本文的第2节中可以查看。本文的第3节给出了研究区域和数据，在第4节中提出了研究方法。第5节给出了结果，包括自行车旅行的潜在需求分布，根据不同模型在不同情况下的车站的最佳选址，根据其所服务的地区确定车站的特点和与其他车站的可达性。最后，主要结论将在第6节陈述。

背景

有关城市自行车使用的文献数量正在不断增长。近年来，为了整理所有的研究成果，已经出版了一些评论性刊物。我们根据这些研究的侧重点不同对它们进行分组，涉及的研究重点主要有解释促进或减少自行车使用的因素，已经产生的行为类型和干预以及它们对流动性和可达性的影响。 海嫩（2010年）等人在一篇文献综述中，确定了影响自行车使用的大组因素。这些因素包括与建筑环境（城市形态，基础设施，工作设施等）因素有关的自然环境（地形，有吸引力的建筑环境，季节和气候或天气），社会经济和心理因素（态度和社会规范，生态观念，习惯等），以及其他效用理论的相关因素（成本，出行时间，精力和安全）.普克尔，迪尔和汉迪（2010）已经全面分析了139项研究和14项采取多种干预措施的城市研究案例。该研究可以大致分为以下促进自行车使用的三大类方法：

一）设立自行车出行的相关基础设施，将和实际行程相联系的基础设施（如自行车道，专用自行车道，林荫大道，彩色车道，自行车箱，自行车相位交通信号和设施维护工具等）与停车场和在旅程结束时的服务（如停车设施，自行车站和工作场所的设施等）区分开来;

二）采取整合自行车与公共交通的措施（如在火车站和巴士站设置停车场，在巴士上设置自行车架和短期租赁自行车）;

三）采取计划和法律干预程序以促进自行车的使用，可以考虑实施减少总体行程距离和增加自行车旅行安全性或自行车可获得性（包括自行车共享计划）的方案。

海嫩等人 (2010)和普克尔等人（2010)都认为自行车共享计划是最常见的促进措施之一，也是增进自行车在城市中的使用的一个关键因素。

自行车共享计划

自行车共享计划催生了大量的文献。城市规划者在建立项目之前要做科学研究和报告，这些研究和报告通常包括对其他城市的相关经验的回顾。这样的回顾分析了自行车共享计划的发展，并确定了不同的发展世代（德梅约, 2003; 德梅约和吉福德, 2004; 米奇利, 2011）。第一代公共自行车，建立在公民和社区责任的基础上，缺乏停靠基座和控制系统来防止盗窃。第二代建于上世纪90年代，见证了从投币式自行车租赁到不同停靠基座的变化（第一个方案是哥本哈根1995年的Bycyklen）。第三代引入了识别用户和自行车的鉴定系统。这个系统24小时工作，可以从任一银行卡或为这个系统专门设计的卡中读取信息（博内特，2007）。潜在的“第四代”创新设计已经处于开发阶段，其中包括可移动的基座，以太阳能为动力的基座，电动自行车，手机和iPhone的实时可用的应用程序。其中，电动自行车的引进有可能是这些创新中最具有吸引力的（米奇利，2011）。

许多研究也分析了自行车共享计划对城市流动性的影响。在巴塞罗那，骑自行车出行的比例从2005年的0.75％增长到2007年的1.76％（罗梅罗，2008），巴黎从2001年的1.0％增加到2007年的2.5％（纳达尔，2007;巴黎，2007），里昂1995年的比例为0.5％，2006年为2％（博内特，2007; Velov，2009）。 诺兰和伊沙克（2006）在伦敦进行的OYBike研究，结果显示40％的自行车用户是从机动模式转变过来的。然而，虽然实施自行车共享计划后自行车出行模式的份额增加了，但是自行车设施的改进与自行车共享计划是同时进行的，所以很容易混淆自行车份额增加的证据（普克尔等人，2010）。

作为在一般情况下的促进政策，自行车共享计划的研究试图定义、理解和解释影响该计划成功程度的因素。柯伦（2008）描述了14个关键因素，根据重要性将这些因素分成两个级别。会多次出现的系统外部因素，包括如地形，天气，公众对骑自行车的态度和公共交通的质量等。然而，这些外部因素加上一些内部因素，如自行车的类型，停靠基座，服务时长，安全保障和技术支撑平台等，都被归类为次要的。获得更多重要性的因素是维护、成本特别是涉及自行车站位置，网络结构和自行车网络基础设施的因素。自行车再分配系统的有效运作也是非常重要的，而这就要回到自行车站位置的选择问题上。

自行车站的位置

在所有的自行车共享计划中，成功的关键因素之一是自行车站的位置与空间分布（林和杨，2011）。然而，大多数作者和初步研究往往只给出了有关实现车站位置选择的一般性建议。

在这些建议中位于首位的就是关于网络覆盖问题的。在一般情况下，车站的分布依赖于城市的大小和布局。在西班牙，不同的城市引进自行车共享计划的方法是不同的，其基础是城市的密度和规模以及贷款系统类型的不同（IDAE，2007）。在拥有超过20万居民的高密度城市，建议设置分布在全市范围内的自动车站，然而在那些低密度的城市里，建议自动车站只覆盖城市中心或高密度区域。然而，在大多数的大城市，自行车共享计划通常仅限于城市中心。只有巴黎的一个项目覆盖了整个城市。一些研究建议，在具有最高密度的区域首先引入自行车共享系统，而这通常是在城市中心，并逐渐将其扩展到周边区域（参见IDAE2007和纽约城市规划部，2009）。

一旦确定了覆盖区域，那么自行车站的位置就应适应公共自行车方案的目标和其所要满足的需求。同时，我们有必要区别一般的休闲自行车租赁和自行车共享计划。娱乐或旅游项目通常只有在指定的地点可以租用和返回自行车。这些位置主要分布在旅游区，历史名胜或者公园等地方。相比之下，自行车共享计划是特别为通勤者设计的。车站必须位于靠近彼此的地点以及要靠近大的交通枢纽，它们被设置在住宅区（出行源点）和商业或制造业街区（出行吸引因子），这就使得自行车共享计划成为理想的通勤交通系统（米奇利，2011） 。

其中，一个关键因素是自行车站相对于公共交通网络的位置（马斯顿，2007）。自行车交通成为了公共交通系统中的一种补充模式，因为它扩展了中转站和车站的影响半径。在欧洲和日本，大多数的市郊铁路车站和许多地铁站都提供了大规模的自行车停车设施或设置了自行车车站（德梅约和吉德福，2004；霍尔兹曼，2008；利特曼，2009；马顿斯，2007；普克尔和比勒，2008和2009）。然而，在公交车站的自行车站却较少见（普克尔等，2010）。

同样重要的是自行车站的位置要根据自行车基础设施的其余部分的分布来设置。 自行车共享计划通常形成单车流动性计划的一部分，该计划与其他的措施，比如限制汽车的使用或交通稳静化等一起可以用来预测自行车车道网络的结构或扩建（米奇利，201

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