（环境工程专业论文）基于系统动力学的城市生活垃圾管理系统研究以重庆市为例.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：礁噩白颠；。2 11 垄：丝：f 了 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 王盒赤 导师( 签名) ：墨峨篇 摘要 城市生活垃圾具有无主性，分散性，危害性等特性。生活垃圾伴随着人类 的活动应运而生，其产生和排放对人们生产和生活产生不便，危害人体健康。 国内外许多国家，尤其是发展中国家，在追求经济快速发展的同时，又被“垃 圾围城 所困扰。因此，建立并完善城市生活垃圾管理系统，对生活垃圾进行 科学地管理，对人类、社会和环境都具有重大的意义。 建立城市生活垃圾管理系统，首先要明确系统的边界以及系统内部结构。 本文通过查阅城市生活垃圾管理的相关文献确定了管理系统内部影响因素，并 分析各因素相互间的动态行为关系，最后用系统动力学方法对整个城市生活垃 圾管理系统进行模型梅造。系统动力学采用模拟技术定性与定量地分析研究系 统。一反过去常用的功能模拟( 也称黑箱模拟法 ，从系统的内部结构入手建模， 构造系统的摹本结构，进而模拟与分析系统的动态行为。 用v e n s i m - - p l e 软件韵仿真技术，以重庆市为例，通过分析重庆市城市生 活垃圾的特点，构造了5 个子系统，分别为人口子系统、生活垃圾产生子系统、 生活垃圾收集子系统、生活垃圾回收子系统和生活垃圾处理子系统，并将各子 系统合并成寸个完整的重庆市生活垃圾管理系统，以重庆市2 0 0 7 年数据为基准 数据，结合对重庆市九龙坡某小区的生活垃圾调研数据，对模型进行理论和历 史性检验。 用系统动力学方法建立城市生活垃圾管理系统，最主要的旨的是通过其计 算机仿真功能，对未来政策进行模拟分析，决策者就可以借助计算机豹仿真技 术在专家群体的协助下，对城市生活垃圾管理系统的相关闷题进行定性与定量 研究和决箫。 城市生活垃圾管理系统是个复杂的系统，基于现实影响因素，本文只选择 了5 个重霸的子系统韵变量对其进行分析，系统还需进一步完善，才能跟现实 系统完全吻合。 关键词：系统动力学，生活垃圾，管理系统，模拟仿真 a b s t r c a t w a s t e ( m s w ) h a dt h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：o w n e r l e s s ， a n ds oo n w i t hh u m a na c t i v i t i e s ，i tw a se m e r g e d ，i t s p r o d u c t i o n 砒l de m i s s i o nm a d ep e o p l e sp r o d u c t i o na n dl i f ei n c o n v e n i e n ta sw e l la s t h eh u m a nh 占a l t l lh a r m f u l a th o m ea n da b r o a di nm a n yc o u n t r i e s ，e s p e c i a l l y d e v e l o p i n gc o , r e t r i e s ，w h i l ei nt h ep u r s u i to fr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b u ta l s o w e r eo b s e s s e dw i t h j u n ks i e g e ”t h e r e f o r e ，i tw a so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rh u m a n b e i n g s ，s o c i e t ya n de n v i r o n m e n tt o e s t a b l i s ha n dp e r f e c tm s wm a n a g e m e n ts y s t e m a n dm a n a g em s w s c i e n t i f i c a l l y t oe s t a b l i s hm s wm a n a g e m e n ts y s t e m ，w em u s tf i r s tc l e a rt h eb o u n d a r ya s w e l la st h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m f i r s t l y , t h ea r t i c l ed e t e r m i n e dt h ei m p a c t f a c t o r so ft h ei n t 锄a 1m a n a g e m e n ts y s t e mt h r o u g ha c c e s s i n go fm s wm a n a g e m e n t r e f e r e n c e s s e c o n d l y , i ta n a l y z e dt h ed y n a m i cb e h a v i o rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u s f a c t o r s f i n e l y , i t b u i l tt h ee n t i r em s wm a n a g e m e n ts y s t e mm o d e lu s i n gs y s t e m d y n a m i c s ( s d ) m e t h o d s du s e ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e st oa n a l y z ea n ds t u d yt h e s y s t e mq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y u n l i k ep a s tf u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ( a l s oc a l l e d b l a c k - b o xs i m u l a t i o nm e t h o d ) ，s db u i kt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es y s t e ms t a r t i n gf r o m i n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，t h e ns i m u l a t e da n da n a l y z e dt h ed y n a m i cb e h a v i o ro f t h es y s t e m u s i n gv e n s i m p l es o f t w a r es i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ea r t i c l et o o kc h o n g q i n g f o re x a m p l e b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h o n g q i n gm s w , i tc o n s t r u c t e d f i v es u b s y s t e i ：n s ：t h e y w e r ep o p u l a t i o ns u b s y s t e m ，m s wg e n e r a t i o ns u b s y s t e m ， m s wc o l l e c t i o ns u b s y s t e m ，m s wc o l l e c t i o ns u b s y s t e ma n dm s wd i s p o s a l s u b s y s t e m ，a n dm e r g e dt h e s ef i v es u b s y s t e m si n t oac o m p l e t em s wm a n a g e m e n t s y s t e mi nc h o n g q i n g i tt o o kt h e2 0 0 7d a t ao fc h o n g q i n gm s w f o rr e f e r e n c ed a t a a n dc o m b i n e i lw i t ht h ej i u l o n g p o sm s ws u r v e yd a t at oe x a m i n et h em o d e l t h e o r e t i c a l l y 锄以h i s t o r i c a l l y t h em a i np u r p o s eo fu s i n g s i m u l a t ea n d l a n a l y z e f u t u r ep o l i c y s dt ob u i l dm s w m a n a g e m e n ts y s t e mw a st o t h r o u g ht h es i m u l a t i o nf u n c t i o no fc o m p u t e r , i n i i w h i c hd e c i s i o n m a k e r sw i t ht h ea s s i s t a n c eo ft h ee x p e r tg r o u p sr e s e a r c h e da n dm a d e d e c i s i o n sf o rt h er e l a t e dp r o b l e m so fm s wm a n a g e m e n ts y s t e mq u n i t a t i v e l ya n d q u a n t i t a t i v e l y m s w m a n a g e m e n ts y s t e mw a sac o m p l e xs y s t e m ，f o rt h er e a l i t yi n f l u e n c i n g f a c t o r s ；t h i sa r t i c l ec h o s eo n l yf i v ei m p o r t a n ts u b s y s t e m sf a c t o r st ob ea n a l y z e d i n o r d e rt of u l l yw i t hr e a l i t ys y s t e m ，w em u s tp e r f e c tt h es y s t e mc o n s t a n t l y k e yw o r d s ：s y s t e md y n a m i c s ，m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ，m a n a g e m e n ts y s t e m ， s i m u l a t e 目录 摘要i a b s t r c a t i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景和意义1 1 1 1 我国固体废物管理存在问题1 1 1 2 城市生活垃圾管理系统研究的重要性2 1 2 研究现状3 1 2 1 国外研究综述3 1 2 2 国内研究现状6 1 3 研究内容、研究方法7 1 3 1 研究内容7 1 3 2 研究方法一8 第2 章城剞生活垃圾管理系统研究1 5 2 1 研究对象的界定15 2 2 城市生活垃圾管理系统的特点1 6 2 2 1 多日标性1 6 2 2 2 不确定性1 6 2 2 3 动态性1 6 2 3 城市生活垃圾管理系统的影响因素一1 6 2 3 1 内在因素1 7 2 3 2 自然因素1 7 2 3 3 社会因素1 7 2 3 4 个体因素j 8 2 4 城市生活垃圾管理系统模型的选择1 8 2 5 本章小结1 9 第3 章城市生活垃圾管理系统s d 模型设计2 0 3 1 城市生活垃圾管理系统研究框架一2 0 3 2 系统模型设计及结构分析一2 1 3 2 1 人口子系统2 l 3 2 2 生活垃圾产生子系统2 3 3 2 3 生活垃圾收集子系统2 5 3 2 4 生活垃圾回收子系统2 6 3 2 5 生活垃圾处理子系统2 7 3 3 城市生活垃圾管理系统s d 流图的绘制2 8 3 4 模型的分析3 0 3 4 1 模型变量的界定3 0 3 4 2 系统参数的界定31 3 5 本章小结3 9 第4 章s d 模型实证分析以重庆市为例4 0 4 1 调研情况4 0 4 2 模型的检验一4 0 4 2 1 结构、量纲检验4 0 4 2 2 历史性检验4 1 4 3 自然趋势下系统的仿真模拟分析4 l 4 4 政策预测模拟一4 4 4 4 1 控制人口方案4 5 4 4 2 征收生活垃圾费用方案4 5 4 4 3 发展垃圾回收市场方案4 8 4 4 4 生活垃圾源头分类方案5 0 4 4 5 综合调控方案5 量 4 5 方案对比分析5l 4 5 1 生活垃圾产生量5 l 4 5 2 生活垃圾收集总量5 2 4 5 3 生活垃圾回收量5 4 4 5 4 生活垃圾无害化处理量5 4 4 6 本章小结5 8 第5 章结论与建议5 9 5 1 结论5 9 5 2 建议5 9 致谢6 0 v 参考文献6 1 附录6 4 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 我国国体废物管理存在问题 ( 1 ) 管理体制不健全 固体废物的污染控制应该将固体废物作为污染源进行管理。固体废物具有 隐蔽性、滞后性、恢复困难等特点，因此固体废物无害化管理的最终或是最有 效的途径应该是参与社会循环或者生态循环，即所谓的资源化。但是由于缺乏 对固体废物管理特点的研究，目前我国采用的固体废物管理制度仍然在很大程 度上延续了废气和废水的末端控制的管理思想。我国固体废物管理缺乏统一、 明确的管理目标【l 】。目前，城市固体废物管理的基本目标是污染控制，由于目标 片面，在体制建立、能力建设方面都存在很大的偏差。另外，我国目前的城市 固体废物管理体制既存在管理重叠现象，同时也存在较大的管理空白，不能适 应固体废物管理的实际需求。 ( 2 ) 缺乏合理的经济政策 城市固体废物处理设施简易，现有的各种固体废物处理方式，填埋为主要 的处理方式。：简易的填埋方式有以下几个特点：不能做到及时覆盖，造成大气 污染；不具备完善的垃圾渗滤液收集、排导和处理设施。垃圾焚烧技术和堆肥 技术还不算成熟。另外，城市固体废物处理投入不足，都制约了固体废物的处 理率和处理量。 固体废物最终的出路应该是以综合利用为主，无论是理论上还是实际上都 应该让固体废物最终返回到社会生产、生活中去或者直接返回到生态环境中去。 因此，固体废物管理的重要思想是鼓励固体废物的综合利用，但是目前对固体 废物综合利用缺乏统一、综合的鼓励政策，经济鼓励政策实施对象有限的几种 固体废物，优惠政策仅限于税收优惠，还没有建立起生态补偿机制，对于经济 价值较低的固体废物综合利用技术和产品难以做到有效的支持，特别是将固体 废物综合利用产品直接无害化返回到环境中去的技术无法推广应用，如生活垃 圾堆肥技术推广困难。 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 3 ) 管理技术自主开发能力不足 技术市场混乱，缺乏有效的技术评价体系，由于沿用末端管理思路，固体 废物处理处置的技术评价仍然以排放标准为主，同时又没有建立技术评价的方 法体系，造成了目前技术市场的混乱。 1 2 城市生活垃圾管理系统研究的重要性 “十二五 全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划中提出：城 镇生活垃圾处理是环境保护、城镇管理的重要部分，关系到人民群众切身 利益。近年来，随着科技的进步以及经济的发展，我国城镇生活垃圾的收 运网络日趋完善，生活垃圾处理设施数量和能力快速增长，城镇环境总体 上有了较大改善。截至2 0 1 0 年底，全国设市城市和县城生活垃圾年清运量 2 2 1 亿吨，生活垃圾无害化处理率6 3 5 ，其中设市城市7 7 9 ，县城 2 7 5 f 2 1 。到2 0 1 5 年，直辖市、省会城市和计划单列市生活垃圾全部实现 无害化处理，设市城市生活垃圾无害化处理率达到9 0 以上，县具备垃圾无 害化处理能力，县城生活垃圾无害化处理率达到7 0 以上，全国城镇新增生 活垃圾无害化处理设施能力5 8 万吨日；到2 0 1 5 年，全国城镇生活垃圾焚 烧处理设施能力达到无害化处理总能力韵3 5 以上，其中东部地区达至哆4 8 以上；到2 0 1 5 年，全面推进生活垃圾分类试点，在5 0 的设区城市初步实 现餐厨垃圾分类收运处理，各省( 区、市) 建成一个以上生活垃圾分类示 范城市 到2 0 1 5 年，建立完善的城镇生活垃圾处理监管体系【2j 。城市生活 垃圾处理，只是城市生活垃圾管理系统的一个子系统，“规划 对生活垃 圾处理的重视也表明城市生活垃圾管理系统的科学管理是至关重要的。 城市生活垃圾管理系统的主要研究对象为生活垃圾，但是在分析其产生、 收集、处理过程及要考虑到社会、经济、人类等影响，因此，它是一个复杂的 系统问题1 3 1 。在分析这类复杂韵问题，就需要选择科学合理的方法。系统动力学， 是一门基于系统，吸取反馈理论与信息论的精髓，并借助计算机的模拟仿真技 术，根据建立模型的参数和方程对模型进行模拟。系统动力学能定性与定量地 分析研究系统。目前，该方法已经应用于循环经济、自然资源、管理等方面。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究综述 1 9 6 8 年，西方国家就将经济分析方法引入城市生活垃圾规划之中。自1 9 8 0 年以来，城市生活垃圾管理系统引入了许多确定性的数学模型：如线性规划、 混合整数线性规划、多目标规划、演变发展的模糊规划以及系统动力学等。 线性规划，城市生活垃圾管理系统的最常见的数学方法。具有简明、易于 理解、操作简单的优点。广泛应用于国防、科技、经济、农业以及环境等各个 研究领域。西方国家在1 9 6 8 年第一次提出了一个基于经济最优化的城市生活垃 圾管理系统的模型。其后的很多固体废物优化模型都是在线性规划的基础上建 立起来的。b a u d 等( 2 0 0 1 ) 利用线性规划的方法，建立了管理模型，着重强调 了公众参与，为决策者制定决策，提供了科学的依据f 4 j 。 整体规划，是1 9 8 5 年由r e 戈莫里提出割平面法的独立分支，后续研究改 进后形成新的方法。其中一个应用领域就是城市生活垃圾管理系统。它能够有 效地解决人口不断增长、经济迅速发展的情况下，垃圾产生量增加所带来的处 理设施亟需扩容的问题。1 9 8 1 年，h a s i t 和w a r n e r 运用动态和静态混合整数线 性规划方法，研究生活垃圾产生源分配方案的长期规划【5 】；c h a n g 和w a n g ( 1 9 9 6 ) 在考虑环境影响的基础上，建立了混合整数的选址模型，重在研究此模型的经 济性【6 】。近年来，整数规划与其他规划方法相结合，建立了固体废物的长期管理 模型，并在很多城市得到了有效应用( h u a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ) 【7 j 。 动态规划，适用于解决多阶段管理问题。1 9 9 1 年，k o o 等通过了废物产生 源分配管理和模糊理论相结合建立了一个动态管理模型【8 】；1 9 9 6 年，c h a n g 和 w a n g 在多目标规划的前提下，主要针对固体废物的收集、回收和焚烧子系统， 构建了非线性动态管理模型【9 】。在大多数固体废物管理问题中，都会存在信息的 不确定性的难题，模糊数学在解决此类问题上有着一定的优势，成为了另一个 研究垃圾管理系统的方法趋势。 系统动力学诞生于2 0 世纪5 0 6 0 年代，初期用于工业企业管理，处理诸如 生产于雇员情况的波动问题，因此也被称为“工业动力学，【1 0 】。2 0 世纪7 0 年代 以后发展壮大，研究了世界范围内人口、自然资源、工业、农业和污染诸因素 的相互联系、制约和作用以及其可能产生的后果【11 1 。2 0 世纪9 0 年代至今，系统 动力学得到了更广泛的传播，不仅在管理领域运用于“最优”计划研究，物流 武汉理工大学硕? l 二学位论文 与供应链领域的研究，在宏观领域，系统动力学也在不断地发展壮大，r o g e re n a i l l 分析国家能源政策的研究【l 引。系统动力学模型往往所需数据少，且可以考 虑各种产生因素记忆相互之问影响的动态特性，更能反映实际系统的特性，因 此适用于解决可利用数据有限、系统环境模糊的情况。系统动力学方法在城市 生活垃圾管理系统中的研究主要有： 1 9 9 3 年，a t in m a s h a y e k h i ，在伊朗德黑兰沙里夫科技大学的实验室，开发 了针对固体废物处理问题的系统动力学模型，并从不同的角度对模型进行模拟 分析【1 引。仿真结果表明：不同处理方式的资金投入相差很大，目前，纽约州的 主要处理方式为填埋，实现处理方式的转变，即从填埋向焚烧转变，需要大量 的资金投入。资料显示目前该州的垃圾处理费用主要由地方税收以及本州的财 政供给。要实现垃圾处理方式的转变，政府需要加大资金的投入，提高处理费 用的预算，并引导居民进行垃圾分类，并通过适当的手段减少居民的生活垃圾 产生量。否则，生活垃圾非法处置的总量以及生活垃圾处理的总费用都会提高。 1 9 9 7 年，以印度理工学院人文社科系的v s u d k f i r 为代表的研究团队。根据 影畸固体废物管理系统的因素，运用系统动力学的方法，建立了固体废物管理 系统的模型，动态地分析了各影响因素伺的相互关系【1 母。制定固体废物管理备选 方案，并分析各个方案运行下的整个管理系统的情况，体现了系统动力学的“政 策实验室”的特点。 2 0 0 2 年，柏林的v a s s i l i o sk a r a v e z y r i s 和k l a a s p e t e rt i m p e 将系统动力学的 方法进行改进，其创新点结合了模糊逻辑的分析方法，建立了城市垃圾管理系 统的模型【i5 1 。该系统涉及了居民回收意愿和政府靠! 定的相关法律法规对整个系 统运行的影响，并进行了定量的分析。这个模型饷特点之一就是结合了模糊理 论，且模糊理论对提供有价值的数据有着无可取代的作用，在分析外生变量中 具有极大的意义，进一步完善了系统动力学在固体废物管理系统中的研究。 2 0 0 3 年，s i l v i au l l i - b e e r ( 瑞士联邦保罗谢尔研究所) ，以瑞士实际城市 为案例，旨在研究居民心理和行为在固体废物整个管理系统中的作用【l q 。主要 研究居民的行为在垃圾回收中的作用，对垃圾回收量的影响。并深入探讨了促 进个人进行垃圾回收的一些激励措施。2 0 0 4 年，又对生活垃圾收费机制进行对 比分析论证。总之，s i t v i au l l i b e e r 将系统动力学运用于基于垃圾循环利用的 城市生活垃圾管理研究之中，强调了分类回收对垃圾减量化的重要性，论证了 诸如垃圾收费制度的刺激居民自觉参与垃圾回收的方法的可行性【l7 1 。 2 0 0 5 年，美国的n i b i nc h a n g 和b r i a nd y s o n ，建立了城市生活垃圾产量预 4 茎坚墨三奎兰堡主堂垡笙茎 测的系统动力学模型【1 8 1 。以美国一座小城市为例，对未来的生活垃圾产生量与 垃圾的组分进行预测，得到了很好的效果。 2 0 0 6 年，孟加拉的m a s u f i a n 和b k b a l a 建立了城市生活垃圾管理系统， 并以达卡为例进行实证分析【l9 1 。系统中包括生活垃圾产生子系统，生活垃圾收 集子系统和生活垃圾发电子系统。将模型进行模拟仿真的结果表明：各系统都 存在时间积累效应，随着时间的延续，生活垃圾的产生量、收集量以及生活垃 圾的发电能力都会逐渐地增加，主要是因为人口的增加。在研究如何改善环境 质量的结果显示：单纯地提高垃圾收集预算是不能从根本上改善坏境的质量， 综合各方面的影响因素进行调控才是解决环境问题的最优方案。 2 0 0 7 年，以v i k a s ht a l y a n 为代表的印度理工学院的4 为研究者，建立了新 德里在固体废物处理过程中甲烷的排放系统模型，其甲烷排放系统模型见下图 1 一l 【2 0 】。模型中设计了各种控制甲烷产生量的方案，模拟各方案下的结果辨明： 自然趋势下的，甲烷的排放量到2 0 2 5 年高达2 5 4 吨；在最优的方案运行整个 系统的情况- f ，2 0 2 5 年甲烷的排放量可以将到2 0 0 1 年的排放水平。另外，将 可回收的甲烷加以利用，就减少了化石原料的使用，实现了固体废物管理的资 源化、减量化。 图1 1 固体废物管理因果关系图 整个管理系统分为以下4 个子系统：固体废物产生子系统：分析人1 2 1 对垃圾产 生的作用；固体废物收集、回收子系统：分析各影响因子对垃圾的收集量、回 5 武汉理工大学硕士学位论文 收量的作用；固体废物处理子系统：分析固体废物最终处理量的情况；甲烷排 放子系统：分析处理量对甲烷排放量的影响。 1 2 2 国内研究现状 系统动力学在我们国的研究时间不长，在我国的经济、人口、资源的可持 续发展和企业管理方面有较多的研究 2 1 - 2 6 】。 我国将系统动力学应用于城市生活垃圾管理系统中起步较晚，主要是将生活 垃圾系统作为一个子系统，分析对整个系统的影响【27 1 。 1 9 8 5 年，首例将系统动力学运用于城市固体废物管理系统诞生。该项研究 利用了系统动力学的仿真语音d a m o 语言，建立了固体废物的管理模型， 并利用模型及软件预测各种废弃物的产生量f 2 剐。 黄振中等在1 9 9 7 年，将固体废物作为研究要素，嵌入到环境子模块中进行 研究，开发出了中国的可持续发展计算机模型1 o 【2 。 郭怀成等在2 0 0 3 2 0 0 5 期间利用系统动力学的方法，对贵阳市环境经济系 统进行研究，其主要成果是构造了“贵阳市城市环境经济系统动力学模型” 3 0 l 。 该项研究仍是将贵阳市城市生活垃圾处理系统作为一个子模块，分析其在整个 系统中韵作用，并对城市生活垃圾管理规划进行了规划研究【3 。 李勇进等在2 0 0 5 年，利用系统动力学的方法，建立了甘肃省“资源环 境经济系统一的s d 模型。模拟分析了该系统不伺钓运行结果，为甘肃省的 资源、环境、经济可持续发展提供了引导。模型流图见下图1 - 2 t 3 2 】。 单位固废产生量 产出延迟值 年均人口固废产生量 图1 2 固体废物子模块模型流图 2 0 0 7 年，侯燕、王华、毕贵红根据计划行为理论、利用系统动力学的方法， 综合考虑昆明市城市生活垃圾管理现状，构造了源头减量的昆明市城市生活垃 圾s d 模型”1 。通过仿真软件的模拟仿真，比较源头分类对整个生活垃圾管理系 武汉理工大学硕士学位论文 统的影响。例证了生活垃圾源头分类对整个垃圾管理系统的重要意义。同年， 侯燕等人对昆明市生活垃圾管理系统进行研究，分析目前适合昆明市最优的生 活垃圾处理模式【3 4 】。 1 3 研究内容、研究方法 1 3 1 研究内容 本文首先阐述了选题了背景和意义，确定了系统动力学的研究方法，分析 了建立研究模型的具体步骤，根据系统特点，建立了研究系统的s d 模型。根据 对重庆市进行的调研所获得的资料，分析影响重庆市城市生活垃圾管理系统的 因素，并引入系统动力学这种定量与定性相结合解决复杂系统问题的方法，建 立重庆市城市生活垃圾管理系统的s d 模型；并根据重庆市的具体情况，利用仿 真模拟软件v e n s i n - p l e 对模型就行检验和模拟；最后制定了数个可选方案，对 方案进行模拟仿真，最后分析其仿真结果数据，提出重庆市城市生活垃圾管理 系统中最优的管理方案。本文研究的技术路线见图1 - 3 所示。 文献查阅 上 相关理论 的介绍 j r 利用系统动力学 律寺s d 模型 上 以重庆市为例 进行实证分析 1r v e n s i m 软件模拟 图1 3 研究路线 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 研究方法 美国麻省理工学院福瑞斯特( j a yf o r r e s t e rw ) 教授于1 9 5 6 年创造了系统动 力学( s y s t e md y n a m i c s 后简称s d ) ，该学科属于系统科学的一个分支，通过建 立流率、流位系的方法研究系统间信息反馈【35 1 。全世界已经在有效地运用系统 动力学进行系统研究，并每年召开一次国际性会议，系统动力学在进行系统研 究方面从微分方程理论出发，建立了具体适合研究复杂系统的技术。 系统动力学提出因果关系及流位、流率系的反馈结构建模方法，具有专用 的便于参数调试的系统动力学仿真语言。用系统动力学研究城市生活垃圾管理 系统问题需进行以下几个步骤。 ( 1 ) 系统分析 关于系统的定义，现有的表述不一。有的把“系统”一次定义为“有组织的 或被组织化的整体”；“结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合”；“由有 规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素的集合”等。 钱学森将“系统”定义为“由相互作用和相互依赖的若干组成部分相结合 的具有特定功能的有机整体”。把组合的整体作为系统的内部，整体以外的部分 称为该系统的环境。在系统内部与环境之间可以勾画出该系统的边界】。见图 2 1 所示。 函圆 图2 - t 系统与环境关系图 一边界 要研究城市生活垃圾管理系统问题，首先要对问题进行系统分析。 收集数据。基础数据是分析整个系统运转的起点，掌握真实、可靠的基础 数据尤为重要，本文的基础数据主要为重庆市的人口基础数据以及生活垃圾收 集、回收以及处理方面的基础数据，这些基础通过文献查阅，主要为重庆市 统计年鉴【35 1 ，并通过相关统计部门进行咨询，结合在重庆市小区进行跟踪调 研的方法获得。 系统边界的界定。由系统的定义可知，系统存在边界，在构造系统前首先 得界定系统边界。其次，弄清楚城市生活垃圾管理系统有哪些部分构成，根据 武汉理工大学硕士学位论文 文献查阅对城市生活垃圾管理系统的了解，以及结合重庆市城市的地域差异性， 将城市生活垃圾管理系统分为5 个子系统，包括人e l 子系统，生活垃圾产生子 系统，生活垃圾收集子系统、生活垃圾回收子系统和生活垃圾处理子系统。 ( 2 ) 结构分析 系统基本结构。一阶反馈回路是由状态、速率( 行动) 与信息组成的，他 们对应于系统的三个组成部分：单元、运动与信息。决策( 行动) 的产生可分 为两种：一种是依靠信息反馈的自我调节( 如图2 1 所示) ；另一种是不依靠信 息的反馈，按照系统本身的某种规律( 如图2 2 所示) ，这种现象存在于非生物 界。一个复杂的系统则是按一定的系统结构由若干相互作用的反馈回路所组成； 反馈回路的交叉、相互作用形成了系统的总功能【3 6 1 。 信息 图2 1 系统的基本结构之一图2 2 系统的基本结构之二 因果反馈关系。系统动力学认为，系统内任意两个要素间都具有相关性， 这种相关可能是正相关、负相关，也可能是零相关。所谓正相关，就是一个要 素a 的增加后引起另一个要素b 的增加，用“+ ”表示( 见图2 - 3 ( a ) 所示) ，所 谓负相关就是要素a 的增加，要素b 反而减少了，用“一”( 见图2 - 3 ( 1 0 ) 所示) 表示，零相关，是要素b 不会因为要素a 的变化而发生变化，这种相关性不用 标注( 见图2 - 3 ( c ) 所示) 。 + a - 国 a _ | l b a - 嚼 abc 图2 - 3 因果链 在分析反馈系统的行为与其内部结构关系时，首先要区别反馈的种类。按 照反馈过程的特点，反馈可自然地划分为正反馈和负反馈两种【l l 】。 正反馈系统的特点是，能产生自身运动的加强过程，在此过程中运动或动 9 武汉理工大学硕：l ：学位论文 作所引起的后果将回授，使原来的趋势得到加强。正反馈起主导作用的系统称 为正反馈系统( 如图2 4 ( a ) 所示) ，该图为人口自然增长过程，若不考虑意外 与人为控制因素的影响，它也呈正反馈的特点，表现出自增强、不稳定的特性。 负反馈起主导作用的系统称为负反馈系统( 如图2 4 ( b ) 所示) ，一旦钟摆受一 推力而偏离其垂直的平衡位置，地球引力就会产生一个垂直分力一恢复力，力 图使钟摆升至一定高度后摆回垂直位置。在此分离的作用下摆在回程中，其速 度逐渐增加，经平衡位置时速度达最大值，因此摆继续运动而产生超调，向另 一方向摆动，摆的位置又上升至相应的高度：此间作用于摆的恢复力又力图将 其拉回垂直的平衡位置，如此重复多次，其摆动的复读逐渐减少，最终返回到 目标位置一垂直平衡位置。因此负反馈回路又可称为稳定回路、平衡回路或自 校正回路。 固 平衡位置 窟毒 图2 4 正、负反回路举例 b ( 3 ) 建立定量钧规范模型 实际系统牛存在下属不同类型的变量【3 7 】： ( a ) 状态变量( 1 e v e lv a r i a b l e ) 状态变量也叫做流位变量，通俗意义上讲，就是随着时间的推移，水池的 水位韵变化，流位变量就类似于水池的作用储存。一个变量是否为状态变 量，是由设计模型的目的和实现的可能性决定的，在图形中是以矩形表示。 ( b ) 速率变量 同样以水池为例，速率变量就相当于水池中水流进( i n f l o w ) 或是流出 ( o u t f l o w ) 的变化情况。在软件建模的过程中速率变量用阀符号表示，并有箭 头的指向确定是流入还是流出。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( c ) 辅助变量等其他变量 除了状态变量和速率变量外，系统建模的过程中还会用到其他的变量。诸 如辅助变量，常量等。在系统建立的时候就已经界定好了这些变量的类型，便 于在建模的时候方程的输入。在建立系统模型的时候有时候会看到用括号表示 的变量，称为外生变量，不受系统内变量变化的影响，这类变量不用对其进行 方程的输入。 ( 4 ) 建立模型 确定模型的影响因子，并先对其进行变量类型的界定。下一步就是对模型 进行构造。整个模型的构造，都是在系统动力学仿真软件v e n s i m - p l e 中实现， 该软件可以对模型进行数据和结构相结合的分析。在上一章已经讲过，系统动 力学方法进行的“建模实际上进行方程的编辑，v e n s i m p l e 采用d y n a m o 语言进行方程的编写【3 引。仿真软件拥有一些专用的方程和函数供建模者使用： ( a ) 状态变量方程 前面已经对状态变量进行了简单的解释，状态变量的表达式为： l ：l e v ( t ) = l e v ( t a t ) + t 水r a t ( t a t ) 式中：l e v ( t ) t 时刻的状态变量 l e v ( t a t ) 距t 时刻的前a t 时刻的状态变量 t 两个状态变量间的时间差 r a t ( t - a t ) 速率变化值 状态变量用l 表示，在仿真软件v e n s i m - p l e 建模的过程中，只需要知道状 态变量的初始值，就可以确定状态变量的方程，因为在d y n a m o 程序里已经建立 了状态变量的方程结构，只需要在方程对话框中输入其初始值即可。 ( b ) 速率变量方程 速率r a t e 的方程用r 表示，其表达式为： rr a t e k l = l e v k * c o n s t 式中：c o n s t 代表其系统内的常数。 ( c ) 辅助变量方程 辅助变量是一个或一个以上具有同一量纲的量的函数，则他们之间的关系 为代数相加或相减，如果辅助变量的量纲不同于组成它的诸因素的量纲，那么 他们之间是乘或除的关系。辅助变量的方程用a 表示，其表达式根据实际意义 所确定。 ( d ) 表函数 武汉理工大学硕士学位论文 表函数属于辅助变量的一种，是以图形表示的方法，规定变量之间的相互 关系。建立表函数应首要遵循的原则是先考虑曲线的走向以及斜率的变化，并 尽可能多地确定特殊点。在仿真软件中表函数可以直接输入，即在i n p u t 和 o u t p u t 里分别输入，并能在图形框里预览，两个变量问的关系变化趋势。可根 据实际情况进行修正。 ( e ) 常数方程 常数方程主要是用于有些辅助变量的输入或是状态变量的初始值输入。 ( 晕) 模拟仿真 整个系统建立完后，利用计算机的仿真技术，对模型进行模拟，进而更深 刻地剖析系统的问题。模型的建立不可能与现实完全一样，只能是与现实系统 不断地逼近，在不断模拟，对比历史数据，修改模型的结构与参数。使用y e n s i m 软件建立仿真模型的具体步骤包括以下几点【3 8 】： ( a ) 开始 在主菜单f i l e 下，选择n e wm o d e l 或是o p e nm o d e l 命名，就可以开始建 立新的模型或是修改已建的模型，v e n s i m p l e 的工作界面见图2 5 所示。 图2 - 5v e n s i m p l e 的工作界面 ( b ) 画流图 在对系统进行分析后，确立流位、流率，运用v e n s i m p l e 软件的画入树 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 和流图工具来建立结构模型。点击剧，工作区窗口单击左键可以建立流位变量， 单击到，并在工作区窗口中单击左键就可以对流率变量进行输入，单击澍可 在绘图工作区的窗口中建立变量( 常数变量，辅助变量等) 。变量名可以为中文或 是英文。 ( c ) 建立流位、流率系各变量的因果关系图 选择a r r o w 箭头工具上_ 可以建立各变量之间的因果连线。 ( d ) 对流图加注释 通过选择画入树和流图工