（环境科学与工程专业论文）城市生活垃圾收运系统的优化管理研究.pdf

独创性声明 川i j jjfjjifjj i f f i i i 川j j i f 舢 y 17 8 7 8 9 1 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 关于论文使用授权的说明 日期：翔坦：么! l 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：。丛 导师签名：越 日期：塑坠垒：! j1 l r 摘要 摘要 随着垃圾问题的同益严峻，人们对城市生活垃圾的管理也不断加强，已经贯 穿到垃圾的整个生命周期。然而在垃圾的整个管理系统中，消耗在垃圾收运上的 费用在整个垃圾处理费用中占有相当大的比例。因此，研究垃圾收运系统的优化 对降低垃圾处理成本具有重要的现实意义。 本文从分析目前垃圾收运现状入手，分析了垃圾收运系统的相关环节及收运 系统的相关影响因素。在分析城市生活垃圾收运系统特征的基础上，根据目前的 城市生活垃圾收运方式，提出了垃圾收运车辆路线优化问题。并且明确垃圾收运 线路优化问题实际上是一类车辆路线问题( v e l l i c l er o u t i n gp r o b l e m ，v r p ) ，它们 有本质上的共同点。参照解决v i 冲的数学模型，我们首先建立了基本的垃圾收 运线路的优化模型，它可以解决对垃圾收运车辆比较单一的情况下的垃圾收运问 题，也是建立多车型垃圾收运模型的基础。随后在基本数学模型中，加入车型的 选择，建立多车型的垃圾收运模型。 在模型的算法实现过程中，本文采用了目前被广泛应用于解决组合优化问题 上的蚁群算法，作为一种新兴仿生优化算法，蚁群算法具有正反馈机制、分布式 计算和鲁棒性强等优点，但也存在着一些缺点。通过分析算法的特点和相关参数 对算法性能的影响等方面，结合垃圾收运具体问题，对算法进行改进，得到了适 合本文的垃圾收运的优化算法。并且在通过对北京市某区的垃圾收运线路进行优 化，得到的优化线路比原来的行驶线路缩短了一半以上，耗油量也大大降低。从 而说明，本文对垃圾收运线路优化系统的研究是成功的，改进的蚁群算法应用在 垃圾收运问题上是可行性的，为垃圾管理工作者的决策提供了参考意见。同时， 也为解决目前的多车型的物流问题提供了新的思路。 关键词垃圾收运：车辆线路问题( v r p ) ；优化；蚁群算法 i i v j 0 一 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i c 伊o 、v t ha n dp o p u l “o ne x p a n s i o n ，m o r e 锄dm o r em u n i c i p a l s o l i dw a s t e s ( m s w ) a r en 啪w n a w a y ，c a u s i n gm a n ys o c i a la n de n v i r o r u n e n tp r o b l e m s i nm em e a n t i m e ，m em u m c i p a ls o l i dw a s t em a n a g e m e n th a sb e e ne i l l l a n c e dal o ta n d t h e1 1 1 t e 伊a t e dm u i l i c i p a ls o l i dw a s t em a n a g e m e n t ( i m s w m ) i i l c l u d e sa j l 1 e e l e m e n t s 丘o m 也e 、懈t eg e n e r a t i o nt i nm cd i s p o s a l 舡肌e l e m e n to fm s w m a l l a g e m e n ts y s t e m ，m s wc o l l e c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh o l d sa ni m p o r t a n t r o l e ，w h o s ec o s ta c c o u n t sf o ras u b s t a n t i a lp e r c e n t a g eo ft h et o t a lw a s t em a n a g e m e m o n e s t h e r e f o r e ，t l l eo p t i m i z a t i o no fm s wc o l l e c t i o na u l dt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi s v e 巧i m p o n a n ti ni m p r 0 v i n gm eo p e r a t i o ne 伍c i e n c yo fi n t e g r a t e ds o l i dw 嬲t e m a n a g e m e n t i nt l l i sp a p e r b a s e do nt h ed e e pa n a l y s i so fc n r r e n t l yc o l l e c t i o ns y s t e m ，a l lt l l e e l e m e n t sa n di m p a c tf a c t o r si i lc o l l e c t i o ns y s t e ma r ef i r s ta n a l y z e d t h e nt l l em s w c o l l e c t i o nv e l l i c l er o u t i n gp r o b l e mi sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gc o l l e c t i o n m o d e lo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e t h em s wc o l l e c t i o nv e l l i c l er o u t i n gp r o b l e mi s s i m i l a rt ov e l l i c l er o u t i n gp r o b l e m i 心) t h e r e f o r eab a s i cm o d e lo fm s wc o l l e c t i o n a n d t r a j l s p o r l m i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt l l em o d e l so f v r p i tc a ns o l v e t h ep r o b l e mo fm es i n g l e v e m c i ec o l l e c t i o na 1 1 da l s ob em eb a s i sf o rs o l v i r 培t h e m u l t i v e h i c l ep r o b l e m f i n a l l yam u l t i v e i l i c l ec 0 1 l e c t i o na 1 1 dt 眦s p o r t a t i o nm o d e lh 嬲 b e e no b t a i n e db y a d d i n gt h ev e l l i c l es e l e c t i o nt 0t h eb a s i cm o d e l t i l r o u 曲t h ec o m p a r a t i v ea i l a l y s i so fm eo p t i m a la l g o r i t l l s ，m ea n tc o l o r l y a l g o r i t h mh a sb e e ns e i e c t e di i lo r d e rt oa c h i e v et h em o d e lo fm s w c o l l e c t i o na 1 1 d t r a n s p o r t a t i o n a san e wb i o m co p t i m i z a t i o na l g o r i t h ，a n tc o l o i l ya l g o r i t i m lh a sm e c h a r a c t e r i s t i c so fp o s i t i v ef e e d b a c k ，d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，s e l f - o r g 锄j z a t i o i l ，e t c a n d h a sb e e na p p l i e di nav 撕o u s 印p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r ，m ea n tc o l o n ya 1 9 0 r i t h mi s i m p r o v e db ya 1 1 a l y z i n gt l l ec h a r a c t e r i s t i c s 龇l dr e l a t e dp 绷e t e r st oi n c r e 嬲em e a l g o r i u np e d o n n a n c ea n dt h es p e c i a la l g o r i t l u i lo n 、a s t ec o h e c t i o nh 嬲 b e e n o b t a i n e da n di se 妇盹c t i v ei i lo p t i m i z i n gt h ec o l l e c t i o nr o u t i n g 1 h r o u g h 印p l y i n gi nm e r e a lc o l l e c t i o ns y s t e mo fad i s t r i c ti i lb e i j i n g ，t h e 锄tc o l o n ya l g o r i t i l mi l a sb e e n p r o g r 猢e dt 0o p t i m i z et 1 1 ec o l l e c t i o nr o u t e c o m p a r e dt 0t 1 1 ee x i s t i n gc o l l e c t i o n r o u t e ，t i l ed i s 伽1 c eo fo p t i m a lr o u t er e d u c e sb y6 7 t h er e s u l ts h o w st h a tt h e o p t i m i z a t i o n m o d e lo fm s wc o l l e c t i o na n d t r a n s p o r t a t i o ni ss u c c e s s m l s i m i l 2 u r l y ，m ei m p r o v e da n tc o l o n ya l g o r i t h mi sf e a s i b l e t os o l v et l l ev e m c l er o u t i n g o p t i m i z a t i o np r o b l e m s o fm s wc o l l e c t i o na u l d i i i 北京t 业大学t 学硕士学位论文 t r a n s p o r t a t i o n t h e r e f - o r et 1 1 ed i s s e r t a t i o nc a j lp r o v i d e sm er e f e r e n c es u g g e s t i o nf o rt h e w a s t em a n a g e r s ，a n dc a np m v i d ea1 1 e ww a yt os o l v et h em u l t i v e m c l e d e l i v e 叮 p r o b l e mf o rr e s e a r c h e r s k e yw o r d sm s wc o l l e c t i o na n dt 啪s p o r t a t i o n ；v e k c l er o u t i n gp r o b l e m ；o p t i m i z a t i o n ； a n tc o l o n ya l g o r i t l m l l v 0 、 v q矿1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 课题背景。l 1 1 1 城市生活垃圾的现状及特点1 1 1 2 城市生活垃圾的管理现状2 1 2 国内外相关研究进展3 1 2 1 收运路线的优化。3 1 2 2 转运站( 处置场) 规模、容量和选址的优化4 1 2 3 垃圾管理优化的研究一5 1 2 4 城市生活垃圾收运系统存在的问题6 1 3 课题研究的目的和意义6 1 4 课题研究的内容和技术路线7 1 5 本章小结9 第2 章城市生活垃圾收运系统的概况。1 1 2 1 城市生活垃圾收运系统的组成1 1 2 2 城市生活垃圾收运模式1 2 2 2 1 垃圾的收集方式1 3 2 2 2 垃圾清运方式1 3 2 2 3 垃圾运输车辆15 2 3 垃圾收运系统设计内容及步骤1 6 2 4 垃圾收运系统的影响因素1 6 2 5 本章小结1 7 第3 章城市生活垃圾收运系统数学模型1 9 3 1 城市生活垃圾收运线路问题概述1 9 3 2 垃圾收运线路问题的界定2 0 3 3 垃圾收运线路优化问题的数学模型2 0 3 3 1 基本数学模型的建立2 1 3 3 2 多车型垃圾收运模型的建立2 2 3 4 模型分析2 4 3 4 1 目标函数的分析2 4 3 4 2 垃圾收运综合路线长度一2 4 3 4 3 多车型问题的分析2 6 3 5 本章小结2 7 第4 章垃圾收运线路优化算法研究2 9 4 1 优化算法的发展2 9 4 2 蚁群算法概述3 0 4 2 1 蚁群算法的原理。3 0 4 2 2 蚁群算法的特点3 1 4 2 3 蚁群算法的应用3l v 北京工业大学t 学硕i j 学位论文 4 3 基本蚁群算法模型3 1 4 3 1 基本算法中的常用参数31 4 3 2 基本算法的描述3 2 4 3 3 基本蚁群算法优缺点3 3 4 4 蚁群算法的分析与改进3 4 4 4 1 改进思路与技术路线3 4 4 4 2 信息素更新规则的改进3 5 4 4 3 转移策略的改进3 6 4 4 4 部分参数的改进3 7 4 4 5 解的局部优化3 9 4 4 6 车辆问题的改进3 9 4 5 改进蚁群算法的实现3 9 4 6 改进算法的测试4 2 4 7 本章小结4 3 第5 章优化算法应用实例的背景4 5 5 1 北京市生活垃圾收运现状4 5 5 2 研究区域的现状4 7 5 2 1 垃圾产生情况的分析4 7 5 2 2 收运时间的分析4 8 5 3 垃圾转运站的现状5 0 5 4 问题的提出5 1 5 5 本章小结5 1 第6 章优化算法的实例应用5 3 6 1 实例问题分析5 3 6 2 算法实现5 3 6 2 1 单车型垃圾收运优化模型5 4 6 2 2 多车型垃圾收运优化模型5 8 6 3 优化结果的比较分析6 1 6 3 1 单车型模型优化结果的比较分析6 2 6 3 2 多车型模型优化结果的比较分析6 3 6 3 3 研究实例的优化结果6 4 6 4 本章小结6 5 j ；i 论( ；7 参考文献6 9 攻读学位期间发表的学术论文。7 3 致 射7 5 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 生活垃圾的定义，本文参照我国建设部在环境卫生术语标准中的定义， “生活垃圾是指人类生活活动中产生的垃圾，包括居民生活垃圾、医院生活垃圾 和商业生活垃圾等 。 随着城市规划理念的发展，城市规模的不断扩大，保洁区面积增大，城市生 活垃圾( m u i l i c i p a ls o l i dw a s t e ，m s w ) 的产生量随之增加。同时，由于居民生 活水平的提高，居民消费品数量与类别增加，相应垃圾产生量和成分也越加复杂。 此外，目前已有处理设施随着使用年限的增长正逐步的饱和，m s w 对市容景观 的破坏和对生态环境的污染也已相当严重。由此可见，城市生活垃圾的管理 ( m u n i c i p a ls o l i dw a s t em a n a g e m e n t ，m s w m ) 正面对着巨大的挑战，其中垃圾 收运在整个垃圾管理中尤为重要，此环节运行的好坏直接影响到m s w m 的优劣。 1 1 1 城市生活垃圾的现状及特点 随着城市规模的扩大和居民消费水平的不断提高，城市生活垃圾产生量增长 迅速。2 0 0 8 年世界已有超过5 0 的人口生活在城市，全球年产垃圾超过1 0 0 亿t 。 据统计，发达国家垃圾的年增长率为3 2 4 5 ，发展中国家为2 3 。近 几年我国城市垃圾的产生量也增长迅速。1 9 7 9 2 0 0 4 年，中国城市从2 0 6 座增加 到6 6 l 座。截至2 0 0 7 年底，我国城市年清运垃圾1 7 7 亿t ，年平均增长率达到 8 ，少数城市( 如北京) 达1 5 2 0 【1 1 。据估计，至2 0 1 0 年，我国城市生活 垃圾年产生量将达1 8 亿t 【2 】。而人均垃圾清运量从1 9 8 0 年的0 9 4k g d 增长到2 0 0 4 年的1 7 9k 鲋，2 4 年增长了9 0 3 ，平均每年增长2 7 【3 l 。目前，中国城市现 在每年产生垃圾1 9 亿t ，这一数字到2 0 3 0 年将增加到4 8 亿t ，环保压力增加一 倍【4 j 。许多城市已经不同程度出现了“垃圾围城 的局面。城市垃圾产生量的逐 年增长对人们的生存环境和健康都构成了严重威胁。 表1 1 1 9 7 9 2 0 0 7 年全国城市垃圾清运量5 1 t a b l e1 1t h e 锄u a lc o l l e c t i o nq u 锄t i 够o fn a t i o n a lm s wf - r o ml9 7 9t 02 0 0 7 年份 1 9 7 91 9 8 01 9 8 l1 9 8 21 9 8 31 9 8 41 9 8 5 1 9 8 61 9 8 7 清运量( 亿吨年) 0 2 5o 3 lo 2 60 3 1o 3 5o 3 8o 4 5o 50 5 4 年份1 9 8 8 1 9 8 91 9 9 01 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 6 清运量( 亿吨年)0 5 8o 6 3 0 6 80 7 60 8 81 0 71 0 81 11 1 3 年份 1 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 清运量( 亿吨年) 1 1 41 1 81 3 51 3 71 4 91 5 51 5 61 4 81 7 7 北京t 业大学t 学硕i ：学位论文 7 0 0 6 0 0 垃 圾5 0 0 清 墨4 0 0 里 蚕3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 _ 垃圾清运量万t + 垃圾年增长率 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 注：数据来自中国统计年鉴【6 】 图1 1 北京历年城市生活垃圾清运量 f i g u r el la n n u a ic o l l e c t i o nq u a n t i 哆o fm s w i nb e i ji n g 表l 一1 为我国1 9 9 7 2 0 0 7 年间城市生活垃圾的清运情况表，图1 1 为我国政 治、经济、文化中心城市北京的历年生活垃圾清运量变化图。可见，我国整体垃 圾清运量在逐年增加，而对于经济发展较快的北京市的垃圾增长速率则更大。 目前，我国城市垃圾产生量不仅增长迅速，而且成分复杂、种类繁多、危害 范围之广，加大了垃圾处理的难度。因此，在城市化建设快速发展期间，生活垃 圾的管理问题已经成为一个不可逾越的障碍。 1 1 2 城市生活垃圾的管理现状 随着垃圾问题的日益严峻，人们对城市生活垃圾的管理的要求也越来越高， 生活垃圾的管理已经定位为一项“基础性公益事业”。主要可分为战略管理、管 理控制、运行控制三个层次【7 j ，有多方面的影响因素，如环境因素、经济因素、 社会因素、技术因素、法律因素以及资源利用因素等等。这些因素在系统中相互 交错，相互联系，使管理系统具有交互性、多目标性、动态性和不确定性。 目前，城市垃圾的管理模式以“垃圾”_ “垃圾处置”一“垃圾一体化管理 _ “资源循环型管理”的层次体系逐步发展【8 】。而资源循环型垃圾管理模式， 是将经济系统和谐地纳入到固体废弃物循环利用的过程中，实现经济活动的生态 型转化。其中，生命周期评估( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，l c a ) 9 】理论构成了循环型 管理的微观技术思路。它不仅限于对废物的处理，而是从废物的产生、收集、运 输、贮存、再利用、处理直至最终处置实旅全过程一体化管理控制，这种系统的 一体化管理观念就是把被动的废物末端处理转移到主动的防止废物产生上来。整 2 垃圾年增长率 加 堰 拍 挖 加 8 6 4 2 o 第l 荦绪论 个管理过程始终依赖于以“减量化( r e d u c e ) 、再利用( r e u s e ) 、再循环( r e c y c l e ) 的行为原则( 3 r 原则) 【l o 】，建立可持续的垃圾管理系统，实现将“废物”变成可 再生的资源，这不仅解决了废物处理处置带来的环境压力，同时使其成为资源的 补充。 在复杂的垃圾管理系统中，垃圾收运系统作为其中的一个组成部分，占据重 要位置。由于城市的发展以及城市规模的不断扩大，垃圾收运系统覆盖的范围越 来越大，而垃圾处理处置设施与城市生活垃圾产生源的距离越来越远，因此，作 为衔接垃圾源头管理系统与最终处置系统的垃圾收运系统就显得尤为重要。同时， 垃圾收运系统所耗费的资金占固体废弃物全过程管理( 包括劳动力成本在内) 所 投入资金的6 0 8 0 【1 1 l 。可见，对现代城市生活垃圾收运系统进行总体优化具 有重要的现实意义，这也是本文的工作重点。 1 2 国内外相关研究进展 随着对固体废物处理、处置问题的日益关注以及计算机的普及与发展，在固 体废物领域的研究中，大量相关模型得到的应用。在2 0 世纪6 0 年代末，a n d e r s o n ( 1 9 6 8 ) 【1 2 j 首次提出固体废物管理系统中经济最优化的概念。目前，对垃圾收 运系统的优化大致可以分为四个层次：收运路线的优化；转运站( 处置场) 规模、容量和选址的优化；转运路线的优化；收运系统的整体优化。 其中，大多模型是以运筹学理论为基础的。从优化方法上看，主要有线性规 划、非线性规划、整数规划、动态规划、多目标规划、以及图论与网络流等方法。 从求解的方法看，主要是启发式方法、禁忌搜索算法、遗传算法等。 1 2 1 收运路线的优化 在生活垃圾收运系统中，收集清运工作的科学性、经济性关键就是选择合理 的收运路线。选择合理的垃圾收运车辆的路线，可减少行驶距离，节约时间，可 高效地调度收运车辆，减少投入车辆数，车辆的维修费用、燃油费也相应减少。 同时，人力资源也可发挥更大的效率。因此，通过对垃圾收运车辆行车路线的优 化，可以很大程度的减少收运费用，从而产生巨大的经济和社会效益。 垃圾收运线路可以分为两方面，即垃圾收集线路和垃圾转运线路。对于城市 生活垃圾收运线路优化问题，根据运输模式的不同可以分为：点点间运输问题、 多点间运输问题、单回路以及多回路运输问题。同时，还涉及一些满载问题和非 满载问题、单车库和多车库问题、单车型和多车型问题【2 】。从理论上又可归结为 图论与网络流中的线路优化问题，解决最短路径问题。从目标函数和建模思路方 面来讲，城市垃圾收运路线的优化问题可归属为车辆线路问题( v e m c l er o u t i n g p r o b l e m ，v i 冲) ，属于组合优化问题。其实质是对一系列装货点和( 或) 卸货点， 组织适当的行车线路，使车辆有序地通过它们，在满足一定的约束条件( 如车辆 北京t 业大学工学硕十学位论文 容量限制、行驶里程限制、时间限制等) 下，达到一定的目标( 如路程最短、费 用最少、使用车辆数量尽量少等) 。 国外早在2 0 世纪7 0 年代就开始对垃圾收运系统进行研究。l i e b m a n 于1 9 7 5 年 提出建立多种数学模型来管理固体废物的收运【1 3 】。收运系统的研究重点在于收 运线路和车辆路径问题。y a 腩【1 4 】用物流系统分析评估了转运站运输车辆的等待 时间。2 0 世纪8 0 年代，c h a n g 等人就产生源和目的地合理布置，并且按照效率最 优的条件安排路线的问题，提出了两阶段法( t w 0 p h a s ea l g o r i t ) 的普遍适用地 区运输网络模型和普遍适用的三阶段( t h r e e s t a g e ) 随机动态复合整数线性运输模 型【1 4 】。在2 0 世纪9 0 年代，有学者e v e r e t t 和砌l e y 【1 5 ，1 6 1 提出在垃圾收运系统优化过 程中考虑时间因素，包含全程的运输时间和装运过程中的停滞时间。至2 l 世纪， t u n g 等【i7 j 运用运筹学的理论对垃圾收运系统的收运线路进行定量优化。 a m p o n s a h 针对固体废物的收运和处理等特点，提出采用以最小插入规则和转换 技巧法为基础的启发式算法优化城市垃圾收运路纠1 8 】。随后，b a d r a n 等应用运筹 的方法建立了定性与定量相结合的计算机模型【1 8 】。而a n g e l e l l i 等 1 9 】则通过对不同 的废弃物收集模式研究，提出了带中间设施的周期性车辆路径问题( p e r i o d i c v 曲i c l er o u t i n gp m b l e m1 1 1 t e 眦e d i a t ef a c i l i t i e s ， p v r p i f ) 。 目前，已有学者把空间数据应用到收运模型中，g h o s e 等【2 0 】建立的m s w 最佳 路线收运模型中，考虑了垃圾分类收集、车辆装载限制等因素，并融合来g i s 技 术。v i a n a i i 酬将固体废弃物收集系统的线路优化问题与g i s 相结合，得到更为新型 的路线启发式算法。同时t a v a r e s 等【1 8 】将g i s 的3 d 线路模型软件应用到垃圾的收运 系统，通过使燃料耗费最小化来确定车辆的收集路线，为收运系统的优化提供了 一个新的发展方向。 迄今为止，国内在收运线系统优化问题上的研究为数不多，起步比较晚。贾 学斌等人( 2 0 0 4 ) 1 2 1 1 ，主要针对垃圾收集频率变化问题和收集线路最短路径问 题展开研究，应用神经元理论、搜索技术等，对城市生活垃圾收运系统中的收运 路线进行优化，但在实际城市垃圾收运路线优化中尚不能广泛推广使用。王康乐 ( 2 0 0 5 ) 比r 2 j 建立垃圾收运车辆路线问题的目标函数、约束条件，并求出其最优解中 收集行程数的上界值和下界值，再应用启发式算法( 改进的最小树算法) 来求解 此数学模型车辆收运垃圾路线的近似最优解。王文梅( 2 0 0 5 ) 【2 3 】立足于在车库位置、 车辆类型、收集点和转运站的位置及垃圾量一定的条件下，利用单亲遗传算法从 单纯考虑经济因素和同时考虑经济及环境因素这两个方面出发，对城市垃圾收运 路线进行优化。宋薇( 2 0 0 8 ) 【2 4 j 从我国环境管理特点出发，利用加权法建立可同时实 现经济、环境与社会综合效益最优的收运路线模型，并利用禁忌搜索算法求解。 1 2 2 转运站( 处置场) 规模、容量和选址的优化 垃圾中转站( 转运站) 的建设是为了使垃圾收集作业区域和最终处置区域之 4 第l 章绪论 间的运输更经济、更有效、更合理。中转站( 转运站) 作为垃圾产生地和处理地 的结合点起着枢纽作用，既要考虑目前的实际需要，又要考虑日后发展的可能。 中转站选址问题是一类微观的区位问题，它从具体的一个设施的角度来衡量所在 位置的优劣。另外，中转站选址问题的研究涉及到多个领域的知识如运筹学、管 理科学、地理学、经济学、计算机科学、数学、城市规划等。现代设施区位问题 的研究早在1 8 世纪末1 9 世纪初就开始萌芽，其中选址定位问题是当前研究的热 点。 国外在1 9 世纪6 0 年代以前，选址理论的研究工作是在几个不相关的领域内 展开的，因此并没有形成统一的理论。直到1 9 6 4 年，h a l ( i m i l 2 5 j 对选址问题进 行了更加理论化的研究，使得总距离或设施与点之间距离最小，至此选址理论已 有了很大发展，并扩展到很多实际应用中。b r a t l y ( 1 9 8 3 ) 口6 】创建了模拟模型，用 计算机模拟转运系统，从而得到最优的转运方案。y e r t e r i & s i b e r ( 1 9 8 5 ) 田j 关于垃 圾转运站位置的确定建立了具体的线性方程模型，飚r c a 等人( 1 9 8 8 ) 拉剐则建立了 更加精确的数学模型，模型不仅可以提出转运站的位置的确定方案，而且解决了 转运站数量的问题。2 0 世纪9 0 年代，c h a j l g 等【2 9 j 突破传统模型中只考虑经济收 益的问题，在固体废物管理的选址分配模型中综合考虑了环境因素，建立的“混 合整数线性规划模型”最具代表性和影响力，并且在现实中得到应用。 国内对这方面的研究也是最近几年才兴起的，陈朱蕾( 1 9 9 0 ) 采用线性规划的 数学模型来描述转运站垃圾调运及选址问题。蔡临宁从系统研究的角度出发，建 立了垃圾转运站选址一路径规划的p l i 冲i f 模型，盛金良等则用简单的物流方法 和m a t l a b 工具建立了单个转运站位置的确定模型【3 l l 。孙家珊( 1 9 9 8 ) 、陈海滨 ( 2 0 0 3 ) 等根据转运的物流特性提出垃圾转运系统的模块化框架体系。贾传兴等 ( 2 0 0 6 ) 【3 0 】首先应用集合覆盖模型确定垃圾中转站的待选点，再用整数规划模型 从待选点中选出垃圾中转站的最优组合。邓成( 2 0 0 6 ) 【3 i 】用物流系统和线性规划 的方法确定最优转运站数目和转运站规模，用网格法、重心法等分别研究转运站 的具体选址。马艳( 2 0 0 7 ) 【3 2 】在综合运用a h p 法和定量方法的基础上，采用目标满 意度算法，针对具体候选压缩站选址问题进行定性和定量相结合的决策分析。王 金华( 2 0 0 8 ) 【1 3 】在运用徐利民等提出的动态规划技术，以静态选址模型得出的结论 为动态选址分析的基础，找出一个随时间变化的物流网络节点最优化布局变化轨 迹，使得计划期内的累计总成本最低，保证各年的选址都是最优的动态选址方法。 1 2 3 垃圾管理优化的研究 另外，国内许多学者，还在固体废物管理规划上还做了一些研究，如王志刚、 陈新庚等( 2 0 0 1 ) 采用线性规划模型对广州市城市生活垃圾管理系统进行规划，其 中以费用最小为目标函数进行城市生活垃圾流在产生源与各处理设施之间如何 分配的研究。李天威等( 2 0 0 3 ) 根据我国中小城市生活垃圾产生量相对较小等特点， 5 北京t 业大学下学硕上学位论文 提出了我国中小城市生活垃圾管理的区域优化、长期优化和综合处理优化基本原 则，建立了各种处理方法分配生活垃圾的最佳比例优化模型。王桂琴( 2 0 0 8 ) 【3 3 l 以北京市海淀区的生活垃圾收运和分类为例，运用层次分析法( a h p ) 探讨与垃 圾分类趋势相适应的城市生活垃圾收运模式。刘长玮( 2 0 0 7 ) 【2 l 采用运筹学排队论 对城市生活垃圾转运站进行设备优化配置，并借鉴现代物流理论中许多较成熟的 方法，对城市生活垃圾收运系统进行整体化的优化研究。王羽( 2 0 0 2 ) 【3 4 】将地理信 息系统，应用到垃圾收运系统的优化研究中。林逢春( 2 0 0 0 ) 、陶渊等( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 、 王斌( 2 0 0 3 ) 相继对收运系统的相关方面进行了研究，指出了目前我困在垃圾收运 系统研究领域与国外相比较的不足之处，并在此基础上预测今后城市固体废物收 运规划方法研究的发展趋势，为我国城市固体废物管理系统优化问题研究的进一 步深入开展提供了有益的参考。 1 2 4 城市生活垃圾收运系统存在的问题 在我国城市生活垃圾管理系统建没中，长期以来研究重点主要在垃圾的末端 处理处置上面，而对于垃圾收运系统方面的研究相对滞后，缺乏系统的规划和管 理体系。并且，在实际操作过程中，由于基本参照国外发达国家的一些经验，而 较少结合我国城市的特点，使得前端收集容器、垃圾转运站选址较为盲目，建设 规模不匹配，从而导致投资效益低下，转运能力不足，经济性较差，并增加了周 边交通压力。同时，收运路线设计不合理，多种运输方式并存，造成了大量的资 金浪费，也给工作人员及居民的身体健康带来了严重威胁。 再者，尽管国内外学者们在城市垃圾收运系统优化的研究上开展了不少工作 并取得了不少的成果，但仍存在以下主要问题：许多研究工作是在做了大量假 设的情况下进行的，这与实际情况不尽吻合，同时对收集系统的研究也欠深入； 没能充分考虑到城市垃圾收运对周边环境的影响以及广大公众的接受程度； 现有许多优化模型只是考虑物理系统中各个环节的费用，从本质上看，这些模型 仍然是静态的，不能适应费用成本等因素随时间变化的需求。定性与定量相结 合的研究模型较多是停留在两种研究方法的简单叠加，无法克服现有研究中存在 的根本性问题。在求解方法上虽有很大的进步，但由于其方法的复杂性，运算 量大，所以在实际应用中受到一定的限制。 目前国内生活垃圾收运系统正处于逐步完善过程中，但由于缺乏系统理论方 面的指导，可以说，垃圾收运系统已成为垃圾综合管理系统中最薄弱环节，严重 影响了生活垃圾资源化、减量化、无害化目标的实现。 1 3 课题研究的目的和意义 城市垃圾的产生量逐年增长带来的严重问题，已经成为整个城市实现可持续 发展的重点工作。在m s w m s 中，作为城市生活垃圾综合管理系统的一个组成 第l 章绪论 部分，垃圾收集运输系统占据着重要位置。收运系统所耗费的资金占固体废弃物 全过程管理( 包括劳动力成本在内) 所投入资金的超过7 0 1 3 引，因此，对收运 系统合理的优化具有现实意义。 同时在垃圾收运过程中，收运车辆的行驶也会对周围环境带来一定的影响。 分别从以下几个方面进行分析得出，对垃圾收运系统进行优化是非常必要的。 从空气污染角度分析，2 0 0 9 年北京市汽车保有量就突破了4 0 0 万辆，是增 长最快的城市之一。北京城市空气中机动车排放的c o 和n o x 分别占全市各污染 源排放总量的8 3 和4 3 。另外在扬尘浓度分担率中，交通扬尘的比例占到 6 5 【3 6 1 。汽车污染成为北京市区大气污染的主要分担者，成为北京发展可持续交 通面临的环境问题。 从道路交通噪声角度分析，根据市监测中心对市区建成区环境噪声定点监测 结果分析，夜间交通干线道路两侧区域噪声值已超过声环境质量标准 ( g b 3 0 9 6 2 0 0 8 ) 中四类区规定的5 5d b 限值，给人们生活带来严重影响。 从交通能源方面分析，交通部是能源消耗大户，北京市和美国的机动车燃料 消耗具有相似性，以美国机动车燃料消耗的趋势来类比估计北京市未来的交通能 源消耗，到2 0 2 2 年，北京市交通邮电业能源消耗估计为1 4 9 3 5 6 万t 标准煤i ) 7 j 。 纵观各方面的影响，可知对城市生活垃圾收运系统的优化研究是十分必要， 也是迫在眉睫的一项工作。我们应该合理调度垃圾收运车辆，减少使用车辆，缩 短行驶路线，从而降低了收运费用，减轻对环境的影响。 1 4 课题研究的内容和技术路线 本课题研究内容主要为通过对城市生活垃圾收运系统的各个环节进行深入 分析，结合北京市某区的具体垃圾收运管理情况进行现场详细调研，根据目前相 关优化研究的现状，建立垃圾收运线路优化模型，并且根据相应的优化算法得出 优化结果，最后将优化后的收运模型与现有的收运模式进行对比分析，为北京市 某区的垃圾收运工作提出建设性的意见。同时，期望能够探索出一种运算简单， 便于操作，能够充分权衡经济影响和环境影响的一种优化方法，为决策者提供决 策依据寻找一种切实可行的办法，为固体废弃物的管理优化研究提供一些新的方 向。 本课题的研究遵循“收集资料一理论方法研究一模型建立一模型求解模型 应用”的思路开展，基本的技术路线可归纳于图1 2 中所示。 北京t 业大学工学硕十学位论文 图i 2 技术路线图 f i g u r el - 2t h ec h a r to ft e c h n i c a lr o u t e 8 第1 章绪论 1 5 本章小结 随着工业化国家的城市化和居民消费水平不断提高，城市生活垃圾迅速的增 长，直接影