（环境科学专业论文）基于arena的生活垃圾收集过程仿真研究.pdf

将验证过程与后续的仿真实验结合起来。 在仿真模型经过初步的检验之后，设计了6 个基本的运行情景来进行系统实 验。前4 个情景用于观察系统在一般季节和高峰季节期间、在一年之内和常年运 行的作业用时，包括每日作业总用时、收集车作业用时、收集路线用时，转运站 队列长度及等待时间，转运设施利用率等三个方面的性能参数；后2 个情景着重 观察一天之内转运站队列的变化和机动车到达时间间隔规律。仿真结果表明，该 模型输出的系统性能评估值大多在工程设计的经验范围之内，该模型可以在一定 程度上反映出真实系统的运行情况。 本次研究最后归纳的结论是：仿真在生活垃圾收集系统( 或者更广泛的固体 废物管理系统) 规划、设计、运营中应用可以归纳为如下几个方面。 ( 1 ) 在仿真研究中，对收集系统所做的系统分析有助于更深入地了解系统 组成、工作流程，各环节之间、各决策变量之间的相互联系，由此获取的知识有 助于改进、优化收集系统。 ( 2 ) 通过模拟系统实际运行，分析、评价、比较各种收集系统设计方案， 验证解析方法的求解结果，同时可以将系统运行过程可视化，提供直接观察系统 运行情况的机会。 ( 3 ) 在收集管理系统尚未建立之前，或者在决定改变已有系统之前，模拟 系统运行，分析研究各种可能出现的情况，预先制定各种对策。相对于实际建设 的费用以及因为决策失误所造成的损失来说，这种模拟研究的成本是很低的。 ( 4 ) 仿真研究所建立的模型还可以作为可视化工具用于固体废物管理系统 的管理者和相关人员的培训学习。 关键词：生活垃圾，收集，仿真，离散事件仿真，觚n a i i s i m u l a t i o no fm u n i c i p a ls o l i dw a s t ec o l l e c t i o nw i t ha r e n a m 萄o r ：e n v i r o m e n t a ls c i e n c e n 锄e ：w e iy u j i a s u p e r v i s o r ：c h e nb i n 9 1 ua s s o c i a t ep r o f e s s o r a b s t r a c t m u l l i c i p a ls o l i dw a s t ec o l l e c t i o ni st 1 1 em o s ti i i l p o r t a n t 锄dc o m p l e xp a r to ft h et o t a l w a s t em a n a g e m e n ts y s t e m ，m o r et 1 1 a 1 15 0 o fm es y s t e mc o s ti s s p e n to nt m s c o l l e c t i o np h a s e m r e 盯ei o t so fd e c i s i o nv 耐a b l e si l lt h i sp h a s e ，m l u d i n gt h c 够p e s o fc o l l e c t i o ns y s t e m s ，c o l l e c t i o n 缸q l l e n c ya i l dt i m e ，s e l e c t i o no fc o l l e c t i o nv e l l i c l e s ， l a b o rr e q u i r e m e n ta s s o c i a t e d ，a i l dd e s i g no fc o l l e c t i o nr o u t e s t h et i m es p e n to n c o l l e c t i o ni sm eb a s i cm e a s u r eo fh o we 妇陪c t i v ea n de m c i e n tc o l l e c t i o np r o c e s si s ， w h i c hd 酏e m l i n e st h eo p e r a t i o nc o s t d u m gt h ed e s i g no fw a s t ec o l l e c t i o ns y s t 锄，i t i sr e q u i r e dt 0m a l ( ed e c i s i o no nt h ea f o r e m e n t i o n e dv a r i a b l e si i lt e r n l so fr e a l i 锣a 1 1 dt 0 e v a l u a t ed i 虢r e mp l a i l s i o p t i i i l i 捌i o no fc o l l e c t i o ns y s t 锄h a sb e e n 晰d e l ys 砌i e da b r o a d n l ea 1 1 a l y t i c a l m 甜l o dh a sr e c e i v e dn l em o s t 甜e m i o n a i l d 晰d e l y 印p l i e d r e s e a r c hi i lc l l i n af o c u s e s m o r eo nt h ei n t e 铲a t e dp r o c e s so fc o l l e c t i o na 1 1 d 仃a n s p o n a t i o 玛锄dm o s to p t i m i z 撕o n s n l d i e s 位唱e tt h el o c a t i o na i l dd e s i 鳃o f 仃a l l s f e rf a c i l i t i e sa n dn 锄s p o r t a t i o nr o u t i n g t 1 1 i st 1 1 e s i sa t t e r n p tt 0a p p l ys i i l l u l a t i o nf o rd e s i 鲥n ga 1 1 de v a l 哪i o no fw 习吼e c o l l e c t i o ns y s t e m t h es a i l i t a t i o np l a no fo n et o w ni su s e da st h es i m l d a t i o nc a s e t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hb e g i i l s 而n lm ea 1 1 a l y s i so ft 1 1 ep l 锄e ds y s t e m e a c h p a r ta i l dd e c i s i o nv a r i a _ b l e sa r ei d e n t i f i e da 1 1 dt h e nt h el o g i c a lm o d e lo ft h es y s t e mc a n b ee s t a b l i s h e d n l ef 0 1 l o w i i l gi st 0d e s c r i b et l l es y s t e m 洫t e n n so fd i s c r e t ee v e n t d ”l a = m i cs i m u l a t i o nm e t l l o d o l o g y ，觚dt 0 缸a 1 1 s f o n nt ：h el o g i c a lm o d e li i l t os i i i l u l a t i o n m o d e l t h ed e s c r i p t i o no fs i m u l a t i o nm o d e li sd i v i d e di n t 0e n t i 哆a r l da s s o c i a t e d a t t r i b u t e ，s y s t e mv a r i a b l e ， e x p r e s s i o i l ，p h y s i c a ls t a t i o n ， s e i c er e s o u r c ea n d a l s s o c i a t e ds t a t e ，s e q u e n c e ，s e t s ，d i s t a n c e f i n a l l yt h es h u l a t i o nm o d e li sc o n s t m c t e d 晰t l ls i m u l a t i o ns o f h v a r ea r e n a b e c a u s eo fl a c ko fr e a l i 西d a t 钆n l es i m u l a t i o nm o d e l i c a r m o tb ec o m p l e t e l yv a l i d a t e df o rt h em o m e n t ，a n di ti so n l yv e r i f i e dw i t he x p e r i e n c e f r o me n g i n e e r i n gp r a c t i c e i nt h i st h e s i s ，t h ev a l i d a t i o nc o 瑚【b i n e sw i t ht h ef o l l o w i n g s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a r e rv e r i f i c a t i o n ，6b a s i co p e r a t i o ns c e n a r i o sa r ed e s i g n e dt oe x p e r i m e n to nm e s y s t e m t h ef i r s tf o u ra r eu s e dt 0o b s e r v e l o w t 1 1 es y s t e mo p e r a t e sd u r i n gn o m l a la n d p e a ks e a s o n s ，o n ey e a ra 1 1 d f i v ey e a r s ，a n dt h es y s t e mm e a s u r e si n c l u d ed a i l y c o l l e c t i o nt o t a lt i m e ，v e l l i c l ec o l l e c t i o nt i m e ，r o u t et i m e ，q u e u el e n g t ha n dw a i t t i m ea t t r a n s f e rs t a t i o n ，t m s f e rf a c i l i 够u t i l i z a t i o nr a t e t h el a s tt w oa r eu s e dt oo b s e r v et l l e q u e u ea 1 1 dv e m c l ei n t e r - a r r i v a lt i m ea tt r a n s f e rs t a t i o nd u r i n go n ed a 吵t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mm e a s u r e so u t p u _ t t e d 丘o mt l l es i m u l a t i o nm o d e lb a s i c a l l y c o n f o mt ot h ee n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e s ，a i l dm em o d e lc a ns i m l d a t em eo p e r a t i o no f r e a ls y s t e mt 0s o m ed e g r e e f i n a l l y ，t h ec o n c l u s i o n s 丘o mt h i ss i m u l a t i o nr e s e a r c ha r et h a tt 1 1 ea p p l i c a t i o no f s i m u l a t i o ni np l 砌n g ，d e s i g i l i n ga n do p e r a t i o no fm u i l i c i p a ls o l i d 、糯t ec o l l e c t i o n s y s t e m ，o rm o r eg e r 圮r a l l ms o l i dw a s t em a r m g e r n e n ts y s t e m ，c 趾b es u m m a r i z e da s f o u o 、v s ： ( 1 ) d u r i n gs i m u l a t i o nr e s e a r c ks ys t e m 觚a l y s i so fr e s e a r c ho b j e c th e l p sp e o p l e t ou n d e r s t a l l dt h es y s t e mo 培a 1 1 i z a t i o n ，p r o c e s s ，血ei n t e r r e l a t i o nb e t 、v e e nd i 矗e r e n t p 缸sa n dd e c i s i o nv a r i a b l e s n l ei n f i o m a t i o na o q u i r e ( 1i sh e l p 如lt oi m p f o v ea n d o p t i m i z et h es y s t e m ( 2 ) w i t l ls i n l u l a t i o no fs y s t e mo p e r a t i o n ，i ti sp o s s i b l et oa i l a l y z e ，e v a l u a t ea 1 1 d c o m p a r cd i 脑r e mp l a l l s ，t 0e v a l 似e 廿l er e s u l t s 砌n e dv i aa 1 1 a l 州c a lm e t h o d ，a 1 1 d a l s ot ov i s l l a l i z et h es y s t e mp r o c e s s ，p r o v i d i n ga l lo p p o r t u l l i t ) ，o fo b s e r v i i l gn l es y g t e m i n w o r k ( 3 ) b e f o r ee s t a b l i s l l i n e n to fm ew a s t ec o l l e c t i o no rm a l l a g e m e n ts y s t e m ，o r d e c i d i n gt o 仃a n s f o mt h e ：e x i s t i n gs y s t e m ，i ti sp o s s i b l et 0a n a l y z ed i 盘e r e n ts c e n 撕o s o fo p e r a t i o n sa i l dt of o m u l a t ec o 玎c s p o n d i n gs 1 跏e 西e s 1 1 1 ec o s to fs i m u l a t i o n r e s e a r c hi sm u c h1 0 w e rt h a nt 1 1 er e a le s t a b l i s m e n tc o s tm l dt h el o s tc a u s e db yw r o n g d e c i s i o n ( 4 ) s i m u l a t i o nc a i lb ea l s ou s e da sv i s u a l i z a t i o nt o o lf o r 谢i l i n gt h em a n a g e m e n t a 1 1 do p e r a t o r so fw a s t em a i l a g e m e n ts y g t e m k e y w o r d s ：m u i l i c i p a ls o l i dw a s t e ，c o l i e c t i o n ，s i m u l a t i o n ，d i s c r e t ee v e n ts i m u i a t i o i l ， 触n a i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： l 黟净侈 日期：0 矿番年易月9 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 拗陟 日期：少豸年易月9 日 导师签名： 一屏 x 秒 日期：忉子年易月【1 日 1 1 概述 第1 章引言 城市生活垃圾的收集是指把各居民家的垃圾通过各种收集方式集装到垃圾 收集车上的过程。垃圾的运输是指收集车辆把收集到的垃圾( 有压缩与非压缩之 分) 转运至处置终点、卸载垃圾和返回的全过程。垃圾的收集和运输是整个生活 垃圾管理系统中最为复杂、耗资最大的操作过程，对整个垃圾管理的效率和经济 效益有重要的影响。垃圾收运效率和费用的高低主要取决于垃圾收集方法、收运 车辆数量、装载量、机械化程度、收运次数和时间、劳动定员和收运路线等因素 【l 】 o 垃圾收运费用在整个固体废物管理系统的运行费用中大约占6 0 7 0 【1 ，2 1 ， 收运过程的成本节约对于整个系统的运行和维系有巨大作用。因此国内外有相当 多的研究致力于优化已有的收运系统，降低运营成本。 随着环境卫生行业技术的发展，垃圾收运方式也正在发生变化，衍生出各种 具体的、针对当地情况的模式，同时对现有的收运模式也进行各种不同的变革尝 试。 常规的源头收集方式有保洁工人上门收集和居民自行投放的定点收集【1 1 。上 门收集方式下，通常是街道环卫工人、物业公司的保洁人员、清洁服务公司的保 洁工人等定时上门收集居民住户、商店、企事业单位的生活垃圾，然后送往指定 的集中收集点( 常见的如垃圾收集站) 。定点收集方式下，在居住区、商业区按 照一定的比例和要求设置垃圾收集设施，垃圾产生者定时将生活垃圾投放到这些 设施中，然后由收集车定时将垃圾运至转运站或者处理终端。两种方式均涉及专 门设置的收集点，使得来自大量分散的产生源的垃圾汇集到一定数目的收集点， 这些收集点或者采用固定的建筑设施，或者只是设置一定数目的容器。 当源头产生的垃圾汇集到收集点之后，下一步的运输根据有无中转设施可分 为直接运输和中转运输。直接运输方式下，垃圾收集车同时也是运输车，按照预 定的顺序将所有收集点的垃圾收集装车后直接运至处置终端。中转运输方式下， 垃圾收集车和运输车通常是两种不同的车型，收集车负责将各个收集点的垃圾收 集至中转设施，将垃圾转装至专门的大型容器，再由运输车运至处置终端。是否 采用中转方式取决于运输距离和成本效益分析的结果。 源头收集方式和运输方式的组合可以衍生出各种收运系统，具体采用哪一种 系统方案取决于实际情况。在工程实践当中，当设计好一个收运系统之后，如何 评价这个系统方案，或者更进一步，如何比较、评估各种候选方案，目前多数基 于确定性的、由经验总结出来的方法，即是采用以往统计结果的平均值去估算将 来的情况。典型的做法是参照行业技术规范、标准来设计。 确定型的运筹学方法，如线性规划、整数规划、目标规划等等，也是常用的 设计方法。这些方法通常都是在不考虑随机性和动态变化的前提下对问题进行求 解，所获得的结果在一般情况下也能提供可令人满意的解。当添加了随机因素后， 数学模型或者变得庞大复杂，或者难以求解，通常采用启发式算法来求解，得到 的大多是次优解。 系统仿真是2 0 世纪4 0 年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一 门新兴学科，它建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基 础之上。系统仿真以计算机和其他专用物理效应设备为工具，建立系统模型并利 用所建模型对实际存在或假设的系统进行实验研究，并借助于专家的经验知识、 统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策。最初，仿真技术 主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、研发周期长、危险性大、实际系 统试验难以实现的少数领域，后来随着计算机技术的发展逐步发展到电力、石油、 化工、冶金、机械等主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通 运输系统、生态系统等非工程系统领域。从广义上而说，系统仿真适用于任何的 领域，无论是工程系统( 机械、化工、电力、电子等) 还是非工程系统( 交通、 管理、经济、政治等) 【3 】。 城市生活垃圾的收运系统( 或者说更为广泛的固体废物回收网络) 是固体废 物管理体系中最复杂繁琐，也是耗费最多的环节【4 】。合理的系统设计对于降低建 设成本和运营成本有重要意义。收运系统涉及收运模式的选择，基础设施的选址、 设计，收运频率的安排，收集容器和车辆的选择、配置，劳动力的配备，收集路 2 线的设计等等。虽然在设计收运体系时通常遵循一定的先后次序，但是系统中存 在着众多决策变量，变量之间相互影响、制约，要设计出一个最符合实际情况的 方案相当困难。如果考虑动态因素的话，问题就会变得更加复杂。对于这种难题， 系统仿真不失为一种理想的研究方法。通过建立实际存在的或设计中的系统的模 型，在计算机上对系统模型进行各种试验，改变决策变量，观察在某一组设计参 数下系统的运行情况，由此来做出设计和运营方面的决策。同时应用动画显示技 术将系统的运行状况可视化，可以通过直接观看系统运行来发现问题。 1 2 研究背景 1 2 1 研究方法概述 随着人们对资源与能源保护的兴趣和关注日益增加，固体废物管理领域在过 去的几十年间有了长足的发展。相应地，对整个废物管理系统的建模研究一直很 活跃，而对系统内的某一特定环节的研究则相对较少【5 l 。国外研究的方法主要有 运筹学、统计学、仿真模拟，以及近来兴起的生命周期评价。 运筹学，尤其是确定型的优化方法，主要用于从众多可行选择中寻找最优解 的大规模优化问题。早期的最优化模型着眼于成本最小化，使用线性或非线性规 划。稍后的研究广泛采用了混合整数规划方法，同时考虑管理系统的环境目标和 经济制约条件【6 7 ，8 ，9 ，1 0 1 1 1 。这些研究大多在固体废物管理系统的层面上进行，因 而省略了不少细节【5 】。当考虑微观问题时，模型很容易变得庞大复杂而很难求出 解析解，对此多数情况下应用启发式算法求取近似最优解。 用于系统建模的统计方法应用很少，此类方法致力于在系统的关键要素( 例 如收集频次、分类类别) 和运行性能( 例如成本) 之间建立相关性【5 i 。应用于废 物产生量预测的统计方法则是由来己久，时间序列分析、社会经济因子分析等已 有研究报道【1 2 ，1 引。各类统计模型的一个共同缺陷是忽略了所研究的系统内部各 组成部分之间的联系【5 】，当系统或环境发生变化时，统计模型的可靠性会大大降 低。 生命周期评价要求详细地评估所研究的过程，但是实际研究中缺乏有效数据 3 往往导致基于简单的假设和有限的数据来作出评价。生命周期评价的许多应用实 例都提到了这个难题1 5 j 。 仿真方法在众多研究中是较少被采用的，但是它在其它行业领域内的应用却 是越来越受到关注和欢迎，如交通、运输、物流、制造、服务。在仿真模型中， 系统可以由若干关键成分来描述，这些关键成分的响应行为用适当的数学模型来 模仿【5 1 。对于每个成分来说，模型可以简单地构建起来，而且模拟输出结果可以 通过与实际观察数据比较来验证。仿真的这个特点使得研究者可以在相当高的分 辨率下对大型系统进行模拟，而且模型的健壮性较好，可以对系统的行为作出比 较准确的预测【5 1 。 仿真方法的一个缺陷性在于它本身是一种实验方法多于设计方法。因为每次 仿真时只能对一组设定的参数进行研究、观察，要评价所有的可选方案就要进行 大量的仿真实验，这意味着需要大量的运算能力和时间，同时它本身并没有给出 最优解。 1 2 2 国外研究状况 仿真方法的应用早在2 0 世纪6 0 、7 0 年代就有报道。q u o n ，t 觚a l 【a 和c h 锄e s 1 4 j 在1 9 6 5 年发表的一篇论文中第一次在固体废物收集问题中应用仿真技术。他们 的模型可以计算出完成某一给定长度的收集路线所花费的时间。后来q u o n ， 1 h a l ( a 和w e r s a n 又开发了一个相似的模型用于计算在给定工作时间内所能服 务的居民户数。 同时1 m i t t ，l i e b m a n 和i ：3 u s 6 j 也提出了一个分析转运站对收集成本的影响 的仿真模型。 o 啪。和f r a l l k e l 【1 7 】应用仿真技术研究关于居民生活垃圾收集的若干决策问 题：当完成趟来回卸载点后收集员工是否应该返回收集区域；收集员工应该返 回原先的收集点还是另一个收集点；如果当天额定工作日结束时收集车辆尚未满 载，是否加班把垃圾全部清运。他们将这些决策问题数量化，研究如何优化收集 系统的成本曲线，并将这些问题整合到系统的仿真模型中。决策变量的敏感性通 过收集区域、加工时间、员工人数、运输距离、收集车容量等变量来检验。 4 c l a r k 和g i l l e a n 【1 8 ，1 9 1 在研究美国克利夫兰地区的固体废物管理系统时开发了 一个数据获取、分析系统和一个仿真模型，模拟各种决策变量组合( 如收集方式、 员工人数、收集车容量等) 下系统的运营情况。研究结果成功地帮助系统管理者 将年度预算降低了约4 0 ，同时压缩了一半的收集路线，员工规模也缩减了一 半左右。 仿真方法也被应用于国外常见的路边收集方式的成本研究。例如c a r d i l l e 和 v e r h o 俨0 1 使用仿真方法研究收集车辆载重能力的经济性；b o d i l e r ，c a s s e l l 和 a n d r o s 【2 1 1 使用仿真改善收集车辆的路线规划。 从8 0 年代开始，仿真方法几乎无人问津，部分原因是当时简单的确定性方 法可以提供能为大多数收集作业系统所接受的解决方案【4 】。直到9 0 年代中后期， 仿真方法重新得到关注。 e v e r e t t 和s h a i l i 【2 2 ，2 3 硎重新采用仿真方法分析庭院垃圾的路边收集效率。稍 后又有类似的模型用于可回收物的路边收集过程研究( e v e r e t t 和鼬l e y 【2 5 】；e v e r e t t 等【2 6 2 刀) 。e v e r e t t 等人的仿真模型详细地研究居民参与率对收集效率的影响，并 且把路线时间( r o u t et i m e ) 分解为行驶时间、收集作业时间和停顿时间( 例如交 通红灯、路障等) ，其中行驶时间根据观察到的平均速度与停车点之间的经验关 系来估算，收集时间根据收集用时与放置在路边待收集容器的数目之间的线性回 归关系来估算，等待时间由在每一处停顿点的平均等待时间与停顿点数目的乘积 来估算，综合起来得到总的路线时间。在路线时间计算的基础上，模拟研究了对 不同的回收参与率对路边收集系统的影响。 仿真在转运设施车辆拥挤、等待问题的研究中也开始有所应用。b h a t 【2 8 】提出 一个仿真优化模型，用于合理地分配、调度收集车辆到不同的卸载点( 包括焚烧 处理设施、填埋场、转运站) ，目的是减少收集车辆的行驶时间和在卸载点的等 待时间。该模型可以帮助固体废物系统的管理者对废物处置点的数量、容量、位 置，收集路线，收集员工人数等方面做出战略决策，还可以应用于短期运作决策， 例如帮助分析当收集车辆原先指定的卸载点停止运营时，如何重新调度这些车 辆。 【5 ，2 9 ，3 0 】介绍了澳大利亚的第一个仿真模型s w i m ，该模型综合了确定型 和随机型建模的特点，以随机的居民参与率和类似e v e 础的时间研究建模，研 5 究季节波动和随机变化对收集作业效率的影响。s w i m 模型采用人口统计的分区 单元作为设计收集路线的基础，可以较为精确地反映人口实际分布。对于住户的 回收参与率，w a n g 等人采用伯努利分布来描述，而收集车在每一次停车收集之 间的行驶距离时间就可以视作参与率的函数，也是随机变量。根据大量的实际 作业观察，这些概率分布可以用由观察结果得到的经验分布来近似表示。模型将 收集车的作业时间分为出发返回用时、收集用时、行驶用时和卸载用时四部分， 首先采用确定性方法估计收集成本的数量级。然后将模型中的回收参与率和每个 收集点处的垃圾量作为随机变量，并加上垃圾量的季节波动因素和反映每日作业 变化的随机因子，将之前确定性模型转为随机模型。研究结果表明，随机模型能 够反映出系统的潜在缺陷，帮助校正、调整收集系统，而确定性模型可用于评估 在一般运作条件下收集系统的成本。此外该模型还同时对收集车辆的二氧化碳排 放量进行了计算。 随着信息技术的发展，仿真方法也开始应用于实时控制中。j o h 觚s s o n 【3 l j 提 出了一个实现动态调度和路径规划的废物管理系统模型，探讨如何在废物管理中 利用实时信息技术。分布在各处的回收物容器上安装有填充水平实时感应器，可 以获取各个收集容器当前装载量信息。以这些实时反馈为基础，j o i m s s o n 的动 态模型对调度和路径规划、确定型和随机型考虑了四种组合策略，即静态调度加 静态路径规划，动态调度加上满载容器收集路线的动态规划，动态调度加上接近 满载和满载容器收集路线的动态规划，静态规划加上接近满载和满载容器收集路 线的动态规划。仿真结果表明，相对于目前在废物收集中常见的收集路线固定、 收集频率预定的静态策略，车辆调度和路径的动态规划策略能够实现更低的成 本，更短的行驶距离，更少的作业时间。 s i m o n e t t o 和b o r e n s t e i n 【3 2 l 将启发式算法和离散事件仿真方法组合使用，开发 出一个用于固体废物收集作业管理的决策支持系统。在该决策支持系统中，解析 方法用于求解收集车辆的调度和收集路线设计问题，仿真方法用于评估解析方法 所得结果对应中转设施的处理能力。与以往同一领域内的研究的不同之处是，通 过仿真和优化的结合实现对废物在中转设施的贮存和处理的控制。 以往的仿真研究多数着眼于整个废物物流的流向。随着逆向物流和回收技术 的兴起和发展，仿真技术也开始应用于研究具体某一类或者若干类特定废物的回 6 收网络。k a r a ，r u g m n g r u a i l g 和k a e b e m i c k f 3 3 】采用仿真软件a r e n a ，对悉尼地区 报废产品的逆向物流网络进行仿真。他们首先设计一个包括回收点、转运站、回 收工厂的回收网络，并在觚n a 环境下建立仿真模型，使用悉尼市区白色电子产 品的收集过程来验证模型；然后对回收产品的种类和数量、运输过程的固定和变 动成本、收集车辆的容量、装载和卸载时间、回收工厂的库存成本等进行灵敏度 分析。研究者认为，仿真研究中的发现能够更好地帮助理解系统行为，尤其是通 过仿真可以对系统进行各种情景分析，并找出关键环节来做进一步研究。 1 2 3 国内研究状况 目前国内在相关领域的研究多数着眼于收集运输的整体过程，研究内容主要 是选择合适的收集、运输方式及其组合【3 4 ，3 5 ，3 6 3 7 ，3 8 ，3 9 ，4 0 】，优化转运设施的选址、 设计【4 1 ，4 2 ，4 3 ，镌4 5 ，铡等，采用的方法多数基于行业技术标准、工程实际经验；研 究的结果都是给出一个推荐的设计方案，并没有对该方案做更深一步的分析，即 没有探讨设计中的系统在实际中运行情况如何。 盛金良、曹春华【3 4 j 归纳了城市生活垃圾收运模式的设计要求和步骤，简要 分析了若干种常规收运模式，然后以杭州的一个旅游度假区内生活垃圾收运系统 - 进行初步设计。作者指出收运系统模式设计需要一个反复的过程，通过各种因素 的比较和权衡，最后获得最佳的生活垃圾收运模式。 刘东【3 6 】归纳分析了在垃圾收运系统规划设计中若干方面的问题，包括如何 结合人口因素、经济因素、季节因素合理地估算垃圾产生量，转运设施的设计要 求，收集车辆数目的确定，运输车辆的选择等，主要给出理论上的指导。 贾传兴等人【4 5 】将逆向物流系统的规划选址理念应用于城市生活垃圾收运系 统的设计中，选用集合覆盖模型对中转站的位置进行初步优化；然后运用整数规 划建立整个收运系统的最优化模型，并采用启发式算法求解，由此得出中转站的 最优组合，同时计算出各转运站应当接纳的垃圾量。 国内关于垃圾收集路线的优化研究鲜有报道。贾学斌、刘冬梅和孙酷【4 7 】依 据神经元理论、搜索技术、递归调用理论等优化理论，对收运系统中的主要影响 因素，垃圾收集频率进行分析，提出在不同的垃圾收集点要求不同的收集频率时， 7 优化收集路线的确定性方法。该方法以收集路线总行程最短为目标函数、以各收 集点的收集频率为约束条件建立数学模型，然后应用神经元理论h o p f i e l d 方法求 解。方法的求解效率用研究者设计的试算例子来验证。作者指出，垃圾收集路线 的优化从理论上可以归结为图论中的线路优化问题，应用神经元理论等优化理论 是可行的；但是由于该研究尚属于基础阶段，仅探讨了应用特定优化方法的可行 性，而且在研究中为了使方法具有普遍适用性，对问题做了一部分假设，使得对 实际问题的反映有所限制。 国内采用仿真方法研究废物收集过程的报道目前仅有一例。蔡临宁【3 l 结合一 个具体项目，对一个有8 个收集点、1 个转运站的垃圾收集系统进行建模，介绍 了仿真方法的应用。研究者利用g i s 为仿真提供基础地理信息，在心e n a 环境下 建立仿真模型，并通过v b a 构造模型的输入输出接口。该模型分为派车、收集、 卸载和消亡四个子模块，采用a r e n a 的底层建模工具描述模型的组成元素、运作 流程和统计记录。该模型考虑了垃圾分类同车收集、分车收集两种情景，并在同 车收集情况下考虑不同的车辆容量，观察系统的运作总成本、变动成本、固定成 本、车辆变动成本、转运站变动成本、工作时间等系统性能指标。研究者指出， 仿真结果及得到的结论有助于更好地理解系统的运作，为决策提供支持。 1 3 研究内容和意义 国外应用仿真方法的研究对象以路边收集系统为主，与国内常见的收集体系 有所不同；国内应用仿真方法来分析设计中的收集系统还很少见。通常在废物收 集系统规划中，研究者仅根据行业技术规范、标准、经验提出设计方案，对方案 具体的实施情况并没有更进一步、更直接的理解，而且也缺少比较、评估各种方 案的有效方法。对此本文尝试应用仿真方法研究垃圾收集过程，着重于转运前的 收集阶段；通过建立仿真模型来观察设计中的系统如何运作，搜集关于系统性能 指标的信息，由此分析仿真方法的适用性，为废物收运系统规划设计提供一种不 同的思路，同时也拓宽仿真方法的应用领域。 由于仿真方法不适用于最优化问题，所以它并不能用于寻找最优的废物收集 系统方案。对此本文将从理论上探讨将仿真方法和优化方法结合起来用于系统的 8 优化设计的基本方法，为进一步的研究提供若干思路。 9 第2 章仿真理论与方法 2 1 仿真概述 2 1 1 仿真的本质 仿真( s i m u l a t i o n ) 是对现实世界中各种设施或过程随时间运行的模仿【4 引。 所感兴趣的设施或过程通常称为系统。为了科学地研究这个系统，通常对其做出 一组关于它如何运作的假设，这些假设采用数学、逻辑的关系来表示，构成表示 这个系统的模型【4 引。模型一旦开发出来并通过有效性验证，就可以用于解答现 实世界中关于系统的各种各样“如果会 的问题，由此获取现实系统行 为的信息，并预测内外因素对系统性能的影响。 如果构成系统模型的那些内部逻辑、数学关系比较简单，应用常规的数学方 法( 如代数、微积分、概率等) 就已经可以得到问题的精确解，即“解析方法 。 但是绝大多数的现实系统都是相当复杂，以至于这些系统无法用解析方法来分析 评价，即使能够“解析地 表示出来，也会由于包含了太多的细节问题而导致数 学模型无法精确求解( 如n p 问题) 。在这种情况下，基于计算机的仿真可以有 效地模拟系统随时间变化的行为。在仿真过程中，就像观察真实存在的系统一样， 收集需要的数据，使用统计方法分析数据，得出关于系统性能、行为的结论。 2 1 2 仿真的适用范围 仿真是在运筹学和管理科学领域内应用最为广泛的方法之一。许多学者对仿 真在何种环境下使用才恰当进行了研究，初步归纳出以下情景【4 9 】： 1 仿真使得对复杂系统内部的相互作用和复杂系统的子系统内部的相互作 用的研究和实验成为可能。 2 可以仿真信息、组织及环境的变更，以观察这些改变对模型行为的影响。 3 在仿真模型设计过程中获取的知识可能具有很大的价值，可以对被研究 系统的改进提出建议。 4 改变仿真的输入并观察产生的输出，可以使我们深入了解哪些变量是最 重要的，以及了解变量之间是如何相互作用的。 5 仿真可以作为教学设备来增强解析求解方法学的能力。 6 仿真可以用于在新设计或策略实施前进行实验，以便为可能发生的事情 做好准备。 7 仿真可以用于验证解析解。 8 对机器的不同能力进行仿真有助于确定其需求。 9 设计用于训练的仿真模型使得无需费用及现场指导的学习成为可能。 1 0 动画显示仿真运行中的系统，从而使计划具有可视性( v i s i b i l i t y ) 。 “现代系统( 工厂、晶圆生产厂、服务组织等) 非常复杂，只能通过仿真 来处理其内部的相互作用。 2 1 3 仿真的优缺点 仿真有很多优点，也有一些缺点。p e g d e n ，s h 锄o n ，s a d o w s l ( i f 5 0 】等列出了 这些优缺点，其中一些优点是： 1 新的策略、操作程序、决策规则、信息流、组织程序等的研究可以不干 扰实际系统正在进行的操作。 2 新的硬件设计、物理布局、运输系统等测试可在不具备获得它们的必要 资源的前提下进行。 3 关于某些现象怎样发生或为什么发生的假设可以测试其可能性。 4 可以压缩或扩展时间来加速或减缓被研究的现象。 5 可以获得有关变量的相互作用的深入了解。 6 可以获得变量对系统性能的重要性的深入了解。 7 可以进行瓶颈分析，进而发现在过程、信息、物料等工作中的哪个地方 被过分延迟。 8 仿真研究可以帮助理解系统是如何运行的，而不是一个人去思考系统如 1 2 何运行。 9 可以回答“如果就会 这样的问题，这在系统设计中特别有用。 一些缺点是： 1 建模需要特殊的培训。仿真是一门需要花费时间、需要累积经验来学习 的艺术。 2 仿真结果可能难于解释。大多数仿真输出基本上都是随机变量( 因为它 们通常都是基于随机的输入) ，因此很难区分观察结果是与系统相关的还是随机 的。 3 仿真建模和分析非常耗时，而且成本高，需要占用大量的计算资源。 4 随机仿真模型的一次运行只得到在给定的一组输入参数下模型的真实性 能的一次观测结果。如果需要评价各种可能的参数组合，则需要对每一种组合情 况进行独立的仿真运行。因此仿真并不擅长优化，即不适用于对大量、甚至无限 的候选方案做评价。 这些缺点在仿真的发展过程中已经通过下列方法克服，或者至少已大为改善 【5 0 1 ： 1 仿真软件的开发商主动开发包含模型的软件包，这些模型只需要输入数 据便可运行，这样的模型通常标记为“仿真器 或“模板 。 2 许多仿真软件已经包含了输出分析功能，以进行非常彻底的分析。 3 由于计算机硬件的快速发展，仿真运行时间已经快了很多，而且在将来 还会更快，并且仿真软件更多的先进功能也随硬件发展而不断开发出来。 4 单一的研究方法不能分析实际遇到的大多数复杂系统。因此仿真方法和 解析方法的结合使用是一种更好的选择。 2 2 离散事件动态仿真的原理 2 2 1 系统和系统的模型 系统( s y s t e m ) 是指一组连结在一起的对象，它们以某种规则的相互作用或 相互依赖去实现某种功能或达到某种目的f 4 8 ，4 9 1 。实际中系统的含义取决于研究 的目的。 系统可以划分为离散的或连续的两类。离散系统是指状态变量只在离散的时 间点发生变化的系统。连续系统是指状态变量随时间连续改变的系统。 模型( m o d e l ) 被定义为用于研究目的的系统的表示，是系统的合理的简化。 模型必须足够详细，以便能够对真实的系统得出有效的结论f 4 9 1 。 模型可以分为数学模型和物理模型。数学模型使用符号和数学方程来描述系 统。仿真模型是系统的一种特殊数学模型。仿真模型可以进一步划分为静态的或 动态的、确定型的或随机的、离散的或连续的。 本论文采用的是离散事件系统动态仿真方法，即对状态变量只在一组离散时 间点上发生变化的系统进行建模。仿真模型采用数值方法进行分析，而不是用解 析的方法进行分析。因此仿真模型是“运行”的而不是被解出来的，即系统的人 为演变过程产生于模型假设，然后收集观察数据以分析和估计真实系