A题垃圾分类处理与清运方案设计.doc

垃圾分类处理与清运方案设计摘要垃圾分类化收集与处理是有利于减少垃圾的产生，有益于环境保护，同时也有利于资源回收与再利用的城市绿色工程。首先，通过对深圳市南山区垃圾转运站分布图的垃圾转运站与垃圾中心的分析处理，借用EXCEL和图论及其应用建立最优路径模型；其次，利用该模型预测清运路线的方案；最后，根据最优路径和所给的橱余垃圾处理设备，得到大、小型设备的分布设计，以达到最佳经济效益和环保效果。对于问题一，将垃圾清运实际问题转化成最优路径模型，定量分析的结果如下：第一，由题设条件及分析计算得，垃圾收入包括两部分，橱余垃圾收入为321600元-482400元；可回收垃圾收入为250044元第二，大型橱余垃圾处理设备的运行成本为48240元，投资大型设备4500万元第三，拖车耗费总柴油费为2966.45元-3559.74元第四，全部拖车司机日薪总共为1866.67元对于问题二，将垃圾转运站的重新设计，定量分析得：第一， 全部收集车辆司机日薪总共为7000元第二， 收集车辆耗费总汽油费为224元-392元关键词：最优路径模型 Dijkstra(迪杰斯特拉)算法 区域划分 公平分配 经济效益 一、问题的重述1.1背景随着国民经济的高速发展，科学技术的进步，城市化进程加快和人民生活水平的提高，生活垃圾和工业垃圾分类化收集与处理成为各地的难题，我国大城市的垃圾分类化已经提到日程上来。2010年5月国家发改委、住房和城乡建设部、环境保护部、农业部联合印发了关于组织开展城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作的通知，并且在北京、上海、重庆和深圳都取得一定成果，但是许多问题仍然是垃圾分类化进程中需要深入研究的。特别对于像深圳这样的大城市，在现有条件装备下，使垃圾经过分类处理后变废为宝，产生更大的经济效益且达到最佳环保效果，这是深圳发展必须要解决的问题。在深圳，垃圾分为四类：橱余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾和其他不可回收垃圾，在垃圾分类收集与处理中，不同类的垃圾有不同的处理方式。其中橱余垃圾处理后和可回收垃圾可产生经济效益，对南山区各转运站的垃圾清运路线的优化方案设计及处理橱余垃圾的大小型设备的分布设计将使深圳市南山区拥有更好的环境，并达到最大的经济效益，促进深圳经济发展；垃圾的回收再利用也将促进社会可持续发展。研究垃圾分类处理与清运方案设计具有重要的理论和现实意义。1.2问题 对于第一问只考虑南山区38个垃圾转运站在规模与位置不变条件下求到少数几个垃圾处理中心（即设有大小型设备的转运站），然后把经处理后不可利用的垃圾运送到南山垃圾焚烧厂的清运路线方案，再考虑如何在经济效益最高的情况下分布清运路线上的大小型设备。已知垃圾转运站垃圾转运量等情况统计表（南山）和深圳市南山区垃圾转运站分布图(1)在得知各转运站到南山垃圾焚烧厂的距离，以距离为权重，建立数学模型（即以耗油量为约束），确定各转运站到到南山垃圾焚烧厂的路径图，然后根据建立的数学模型，求得路径图中的最优路径，再以司机月薪和装载吨数为约束条件分配清运路线上的拖车。（2）在最优路径基础上，根据路径上的垃圾量，综合考虑投资额、运行成本及设备日处理能力确定大小型设备使用的个数及分布情况。对于问题二需考虑将南山区垃圾转运站按某一原则重新设计，只考虑各小区到重新设计的垃圾转运站，再到南山垃圾焚烧厂，并在经济效益最大的基础上，分布大小型设备和设计出垃圾清运路线方案。已知南山区居民区数据和深圳市南山区垃圾转运站分布图（1） 在按某一原则划分出区域后，取一区域，根据此区域中小区垃圾量，综合考虑投资额、运行成本及设备日处理能力确定大小型设备使用的个数及分布情况。（2） 在得知一区域中各小区到重新设计的转运站的距离，以距离为权重，建立数学模型（即以耗油量为约束），按问题一的方法建立数学模型，求得这一区域中各小区到重新设计后的转运站的最优路径，再以收集车辆司机月薪和装载吨数为约束条件分配清运路线上的收集车辆。二、模型假设1、大小型处理设备、拖车及收集车辆使用年限足够长及不会出现故障需要维修费用；2、每个人日产生的垃圾量相同，是个定值；3、司机每天都能准时工作，并完成工作；4、装卸垃圾所需时间及因交通问题引起的时间问题不予考虑；5、橱余垃圾经脱水干燥处理装置，重量不发生变化；6、装载不同重量的垃圾，每百公里车辆的耗油量不受影响。7、不考虑人数过少且人数分布比较分散的小区（排除掉的人数为77596人，舍掉后的总人数占实际南山区居民总人数=0.941247287，即约为94%）。显然排除后的数据依然合理（第二问模型建立中用的居民数据是94%中的数据）三、符号说明南山垃圾焚烧厂 （i=1-38)38个垃圾转运站x大型设备使用台数y小型设备使用台数 拖车使用辆数收集车辆使用辆数 拖车司机总日薪收集车辆司机总日薪每百公里耗柴油量每百公里耗汽油量日拖车耗油费 日收集车辆耗油费 0#柴油一升的价格70#汽油一升的价格 一台大型设备价格 一台小型设备价格日大型设备处理橱余垃圾吨数日小型设备处理橱余垃圾吨数转运站到垃圾中心的路程各小区到重设的垃圾转运站的路程各垃圾站到焚烧厂的运输总次数各小区到重设的垃圾转运站的运输总次数 日橱余垃圾处理后产物总价格日可回收垃圾纸类总价格日可回收垃圾塑料总价格日可回收垃圾玻璃总价格日可回收垃圾金属总价格大型设备运行成本小型设备运行成本四、问题分析清运路线的具体方案是一个最优路径问题，第一问要解决的是在耗油量最少（与各转运站间及到南山垃圾焚烧厂的距离相关）和拖车使用辆数（车数直接与司机月薪相联系）最经济的约束条件下，把各转运站上的垃圾运往少数垃圾处理中心，再运往南山垃圾焚烧厂；大小型设备的分布设计是一个优化问题，在日处理能力和投资额的约束下需要求得大小型设备分别使用了多少台，以及根据各转运站的垃圾量和大小型设备的运行成本优化出大小型设备的分布设计。这就是说，在建模合理且成功的基础上，第一问就解决了。第二问要解决的是在综合考虑各小区人口分布（即垃圾量）的情况下，划分区域，放置大小型设备处理橱余垃圾，在得知大小型设备分布设计情况后，即以这些放置点为重新设计后的垃圾转运站，运用第一问的数学算法，在所划分的区域中寻求最优路径，约束条件跟第一问相似考虑。五、模型建立5.1问题一38个垃圾转运站和南山垃圾焚烧厂之间的最短路径图图1： 图1（注：图中单位为厘米，深圳市南山区垃圾转运站分布图中的单位为公里，二者比例为1厘米:0.007215百公里。）5.2问题一模型的建立对于问题1模型的建立，讨论如何清运各转运站垃圾及分布大小型设备，以期达到最佳经济效益和环保效果。根据前面的模型假设，以南山垃圾焚烧厂作为父点A（即起始点）， （i=1-38）分别表示38个垃圾转运站（即子点）,根据深圳市南山区垃圾转运站分布图测量出距离，以距离为权重使用Dijkstra(迪杰斯特拉)算法，求解最优路径图。再考虑拖车使用情况：要达到最优清运路线目标有二，一般说来，这两个目标是矛盾的，使用拖车数量多了，来回于各转运站间的次数就少了，那么耗油量也就少了，即花费的柴油费就少了，但同时拖车多了，司机也就越多，平均每日付给司机的工资也随之增加。经讨论分析：每个拖车司机日薪为 / =3500/30 116.67元,而拖车耗费柴油187.5-225元/百公里，显然耗油量要大，用一辆拖车装运804吨垃圾（由假设6可使使用的拖车装载最大负荷吨数10吨），不算来回都要80.4次，使用的拖车数多的话，明显可可经济效益增大，同时考虑到汽车产生的污染，综合经济效益和环保效益，需要把16辆拖车全部使用，并按照比例并参照惯例进行公平分配。最后考虑设备分布设计：根据大小型设备每台价格确定所投资的资金所约束下的大小型设备台数范围：大型设备=1500万元；小型设备=2万元则大型设备0-3台，小型设备0-14台再按四类垃圾的平均比例列出38个转运站中四类垃圾所含吨数，见表垃圾分配比例然后根据最终得出的最优路径图计算各路线上总橱余垃圾量，综合运行成本（大型150元/吨，小型200元/吨）和设备实际情况，分布大小型设备。由于小型设备日处理能力只有0.2吨-0.3吨，一台小型设备连1吨垃圾都处理不了，14台也只能处理2.8吨-4.2吨，并且小型设备运行成本明显大于大型设备，考虑只使用大型设备是合理的。5.3区域划分图： 注：从上到下，分别为A、B、C区域5.4问题二模型的建立对于问题2模型的建立，讨论如何划分区域及分布大小型处理备，并设计清运各小区垃圾到转运站的路径方案以期达到最佳经济效益和环保效果。考虑在地图上的人口分布（即垃圾分配）根据大型设备最多只有3个和人口分布的密集度，经过讨论分析，将其划分为三个区域:A区、B区、C区。现只考虑C区，对C区各小区的人口进行统计，A（南山村）附近的居民人数占得比例最大，有大约93181人，产生的垃圾量（按照每个人产生的垃圾量=南山区产生垃圾量的总吨数1280吨/总人口1320722人）。根据前面的模型假设，以A点（南山村）为父点，找到的其他17个小区为子点，分别记为B-R这17个字母，在深圳市南山区垃圾转运站分布图中，把每点与他附近几点连线，如图4测量出距离，再根据Dijkstra(迪杰斯特拉)算法找到C区的最优路径。总经济效益=橱余垃圾收入+可回收垃圾收入-耗油费-运行成本-司机工资5.5区域C中各小区到重新设计出的垃圾转运站的最短路径图：AFCIKHGJLDBEMONRQP图2六、模型求解与分析6.1通过Dijkstra(迪杰斯特拉)算法得到最短路径图，见图3： 26 28 图36.21根据垃圾转运站垃圾转运量等情况统计表（南山）得知5条路线上各转运站上的垃圾量，按照比例并参照惯例的公平分配拖车:(1) 路线上5辆拖车；(2) 路线上1辆拖车；(3) 路线上2辆拖车；(4) 路线上4辆拖车；(5) 路线上2辆拖车；(6) 路线上2辆拖车。 每日支付拖车司机总工资6.2.2根据表垃圾分配比例及模型建立，需用大型设备处理橱余垃圾=321.6吨,小型设备处理=0吨，需使用全部的大型设备即x=3,y=0。6.2.3计算清运路线上的橱余垃圾量：(1) 橱余垃圾有91.6吨(2) 橱余垃圾有32吨(3) 橱余垃圾有28吨（4）橱余垃圾有90吨（5）橱余垃圾有60吨（6）橱余垃圾有40吨使用3台大型设备处理321.6吨橱余垃圾，将这3台大型设备安置于疏港小区站,南山村站,科技园站6.2.4垃圾收益及运行成本：垃圾清运总量1280吨/日，共处理804吨垃圾，经处理后送入南山垃圾焚烧厂，其中可回收垃圾有可回收垃圾中纸类： 塑料： 玻璃： 金属：可回收垃圾经济效益橱余垃圾产物总价格=1000-1500=321600元-482400元运行成本=150=321.6吨150元/吨=48240元，=0元6.2.5耗费柴油量：（1）- =14 cm;（2）=56 cm;（3）=51 cm;（4） =49 cm;（5） =49 cm;各垃圾站到垃圾中心的总路程=(14+56+51+49+49) 0.007215公里=1.58百公里拖车总共来回次数N1=804/(16*10)*210次 =7.51元/升所需柴油量的总价格： =1.58107.51（25-30）=2966.45元3559.74元6.3通过Dijkstra(迪杰斯特拉)算法得到第二问最短路径图，见图4：A B O R Q N M P C 4F G H I J K D E L 13图4注：图中单位为厘米，深圳市南山区垃圾转运站分布图中的单位为公里，二者比例为1厘米:0.007215百公里。6.41大小型设备分布设计：统计得A区为419531人，B区为469673人，C区为353922人。A区域龙珠路；B区域南头村；C区域南山村分别各放一大型设备6.4.2按照比例并参照惯例的席位分配，根据人口数将60辆收集车辆分给A、B、C三个区，按照公式：（各区人数/总人数）*车辆总数A、B、C区分别得到20、23、17辆车。每日支付收集车辆司机总工资 =7000元6.4.3耗费汽油费用(见图四)(1)AJ=13cm(2)AK=15cm(3)AM=17cm(4)AP=13cm各小区到重设的垃圾转运站的总路程= 0.007215公里=0.41847百公里收集车辆总共来回次数=1280/(60*10)*24次=6.69元/升所需汽油