Soluções Inovadoras para Reposicionamento de Bicicletas Compartilhadas

Os sistemas de compartilhamento de bicicletas existem há mais de 50 anos, principalmente no Norte da Europa. Eles ajudam as pessoas a se locomover e são um complemento ao transporte público. Esses sistemas têm muitos benefícios, como ser ambientalmente amigáveis e econômicos em comparação com outros tipos de transporte. No entanto, ainda existem alguns problemas que precisam ser resolvidos, como quando uma estação de bicicletas fica sem espaço livre para estacionar as bikes ou quando não há bicicletas suficientes disponíveis para os usuários. Além disso, se as bicicletas disponíveis estiverem danificadas, isso complica ainda mais o funcionamento geral do sistema.

#O Desafio do Reposicionamento

Esses problemas levam ao que é chamado de Problema de Reposicionamento de Compartilhamento de Bicicletas (BRP). Basicamente, isso envolve mover bicicletas dentro do sistema usando vários veículos. O objetivo é garantir que cada estação tenha o número certo de bicicletas funcionando disponíveis para os usuários, enquanto também gerencia quaisquer bicicletas danificadas.

Nos sistemas de compartilhamento de bicicletas, existem dois tipos principais. O primeiro é o sistema de Compartilhamento de Bicicletas Baseado em Estações (SBBS), que permite que os usuários aluguem bicicletas em estações específicas e as devolvam na mesma ou em outra estação designada. O segundo tipo é o sistema de Compartilhamento de Bicicletas Flutuantes (FFBS), onde os usuários podem pegar e deixar as bicicletas em qualquer lugar.

#Reposicionamento Dinâmico vs. Estático

Existem duas estratégias para reposicionar as bicicletas: dinâmico e estático. No reposicionamento dinâmico, as bicicletas são movidas enquanto o sistema está em uso, geralmente durante o dia. No reposicionamento estático, as bicicletas são organizadas em momentos em que o sistema é menos utilizado, como à noite.

Essa discussão foca no reposicionamento estático, especificamente em configurações baseadas em estações. Isso é conhecido como o Problema de Reposicionamento Estático de Compartilhamento de Bicicletas Baseado em Estações (SBRP). Essa abordagem oferece melhorias importantes ao problema padrão de reposicionamento estático, incluindo elementos mais realistas, como bicicletas operacionais e danificadas, além de uma variedade de veículos e múltiplas viagens entre estações e o depósito.

#Visão Geral do Problema

No SBRP, trabalhamos com uma rede que representa estações de bicicletas e um depósito. Cada estação de bicicletas tem um certo número de vagas livres para estacionamento, um estoque inicial de bicicletas (tanto operacionais quanto danificadas) e um número alvo de bicicletas que deve ter ao final de uma operação de reposicionamento.

Um grupo de veículos é responsável por mover as bicicletas. Cada veículo tem sua própria capacidade de carga e deve completar sua rota dentro de um prazo específico, começando e terminando no depósito.

Uma solução válida para esse problema envolve planejar rotas para os veículos, além de especificar quantas bicicletas (tanto operacionais quanto danificadas) serão movidas em cada estação ou depósito durante cada visita.

#Objetivos do Esforço de Reposicionamento

O objetivo principal deste esforço de reposicionamento é minimizar três fatores chave:

1. A diferença entre o número alvo de bicicletas em cada estação e o número real após o reposicionamento.
2. A quantidade de bicicletas danificadas que permanecem não coletadas.
3. O tempo total gasto pelos veículos.

#Método Proposto de Solução

Para enfrentar o SBRP, foi introduzida uma nova abordagem conhecida como matheurística. Isso combina elementos de randomização com métodos de otimização matemática.

#Fase 1: Algoritmo de Múltiplas Inícios Aleatórias

A primeira fase da solução proposta constrói rotas para cada veículo usando um Algoritmo de Múltiplas Inícios Aleatórias (RMS). Esse método constrói uma solução passo a passo. Cada vez que uma nova estação de bicicletas é adicionada à rota, ele verifica qual estação seria a melhor para visitar em seguida, com base em quantas bicicletas podem ser movidas e no tempo que levaria.

Durante cada passo, o estado atual do sistema é atualizado. Isso significa que a cada visita, as contagens de bicicletas no depósito e nas estações são ajustadas de acordo com o que foi retirado ou entregue.

O algoritmo inclui uma forma de incentivar a seleção de estações que estão mais perto e são mais fáceis de alcançar, enquanto ainda permite visitas a estações que podem ter mais bicicletas disponíveis. Cada vez que uma estação potencial é considerada para a próxima parada, uma escolha aleatória é feita entre as melhores opções disponíveis.

#Fase 2: Otimizando as Instruções de Carga

Uma vez que uma rota viável é construída em cada iteração, o próximo passo é determinar o melhor plano de carga para essa rota. Isso é feito usando um modelo matemático que busca minimizar os desequilíbrios na disponibilidade de bicicletas e o número de bicicletas danificadas que permanecem não coletadas.

O modelo considera o número de bicicletas no depósito e em cada estação, garantindo que os procedimentos de carga e descarga se ajustem às restrições da capacidade do veículo e ao cronograma estabelecido para a jornada.

#Testes Computacionais

Para verificar como esse método proposto se sai, uma série de testes foi realizada usando dados do mundo real de diferentes sistemas de compartilhamento de bicicletas.

Os testes foram organizados em dois grupos de cenários: um baseado em um sistema de compartilhamento de bicicletas em Palma, Espanha, e outro de Viena, Áustria. Cada cenário variou no número de estações, nos inventários iniciais de bicicletas, nas capacidades dos veículos e nos tempos máximos permitidos para completar as rotas.

Os resultados mostraram que o método conseguiu equilibrar as estações de bicicletas de forma eficaz e remover bicicletas danificadas na maioria dos casos. Por exemplo, no grupo de testes de Palma, o algoritmo alcançou equilíbrio total e coletou todas as bicicletas danificadas em quase 97% das situações. Em contraste, o grupo de Viena enfrentou mais desafios, especialmente com um número maior de estações. No entanto, mesmo nesses casos, melhorias foram observadas com um aumento na contagem de veículos ou tempos permitidos mais longos.

Em termos de velocidade, o algoritmo conseguiu encontrar soluções rapidamente, muitas vezes em questão de segundos.

#Comparação com Soluções Existentes

O desempenho desse novo método foi comparado com abordagens anteriores encontradas na literatura. Nos casos em que benchmarks foram possíveis, os resultados foram semelhantes, indicando que esse novo método se mantém firme e pode lidar com os desafios apresentados no SBRP.

Embora os métodos existentes tenham sido projetados especificamente para seus problemas, ajustes feitos para acomodar as novas variáveis resultaram em resultados comparáveis em cerca de 83% das situações testadas.

#Conclusão

Essa pesquisa apresenta uma nova maneira de enfrentar o Problema de Reposicionamento Estático de Compartilhamento de Bicicletas Baseado em Estações. Ao considerar bicicletas operacionais e danificadas, diversos tipos de veículos e múltiplas visitas, oferece uma solução mais realista para gerenciar sistemas de compartilhamento de bicicletas.

A abordagem matheurística combina efetivamente randomização com otimização matemática, resultando em soluções de alta qualidade em um curto espaço de tempo.

Pesquisas futuras buscarão estabelecer melhores métodos de benchmarking para avaliar a eficácia dessas soluções, fornecendo critérios mais claros para avaliar seu desempenho em situações do mundo real.

Os métodos desenvolvidos neste estudo podem ser aplicados a outras variações de problemas de reposicionamento de compartilhamento de bicicletas e servir como base para estudos futuros na otimização de operações de compartilhamento de bicicletas. Isso pode, em última análise, levar a um melhor serviço para os usuários e um gerenciamento mais eficiente das redes de compartilhamento de bicicletas.