海淀區(qū)廚余垃圾收運路線優(yōu)化模型及應(yīng)用研究

任紹娟　孫衛(wèi)東

(北京市海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所，北京　100086)

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海淀區(qū)廚余垃圾收運路線優(yōu)化模型及應(yīng)用研究

任紹娟1孫衛(wèi)東2

(北京市海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所，北京100086)

【摘要】本文在對廚余垃圾組成和現(xiàn)有收運模式研究的基礎(chǔ)上，建立了垃圾分類小區(qū)廚余垃圾收運模型，針對廚余垃圾的收運特點提出了蟻群算法，并以羊坊店街道垃圾分類小區(qū)為例進(jìn)行仿真實現(xiàn)，單車距離明顯縮短，優(yōu)化效果顯著。

【關(guān)鍵詞】廚余垃圾；優(yōu)化模型；蟻群算法

1引言

本文選取了與混合垃圾收運方式有較大區(qū)別的廚余垃圾作為研究對象，探索廚余垃圾收運優(yōu)化的方法，為今后垃圾分類普遍推廣后廚余垃圾快速、高效運輸提供強(qiáng)有力的保障。

2海淀區(qū)廚余垃圾收運現(xiàn)狀

2.1垃圾分類概況

海淀區(qū)自2002年開展企事業(yè)單位、高校及小區(qū)垃圾分類工作以來，經(jīng)過十余年的垃圾分類宣傳及試點，已經(jīng)取得了一定的成效。近年來，海淀區(qū)日趨重視垃圾的源頭分類，逐步建立了生活垃圾分類收集、分類運輸、分類處理的模式。截至目前，開展了645個小區(qū)垃圾分類試點海淀區(qū)60%以上的居住小區(qū)實現(xiàn)垃圾分類達(dá)標(biāo)[1]。

同國外劃分較細(xì)的垃圾分類相比，北京市城鎮(zhèn)地區(qū)生活垃圾分類以“大類粗分”為原則，將原生垃圾(即未進(jìn)行分類和篩分的垃圾)分為可回收物、廚余垃圾和其他垃圾三類，由于可回收物在環(huán)衛(wèi)收集系統(tǒng)中含量較少，垃圾分類主要以“干濕”分類為主，即：分出廚余垃圾(濕垃圾)和其他垃圾(干垃圾)。

2.2廚余垃圾的收運情況

其他垃圾與一般混合生活垃圾收運模式一致；廚余垃圾因具有含水率高、有機(jī)質(zhì)含量、油脂及含鹽量高、易腐敗、容易孳生蚊蠅和病菌、傳播疾病等特殊的理化特性和工程處理特性，在收運中不僅要求及時、快速進(jìn)行清運，更要求實現(xiàn)垃圾桶與密閉式清運車輛的無縫對接，在實際收運中，環(huán)衛(wèi)作業(yè)部門采用密閉性較好的廚余垃圾專用車輛每日進(jìn)行定點收集。

(1)廚余垃圾的源頭收集。居住小區(qū)的居民是廚余垃圾的產(chǎn)生源，為使垃圾分類工作取得實效，海淀區(qū)為部分實行垃圾分類的小區(qū)家庭配備了分類垃圾桶及分類垃圾袋；居民將產(chǎn)生的垃圾按類別自行投入居住小區(qū)設(shè)置的分類垃圾桶中。

(2)廚余垃圾的貯存與收集。居民小區(qū)內(nèi)配備由海淀區(qū)市政市容委員會統(tǒng)一配發(fā)的腳踏式垃圾分類收集桶，分為120L和240L兩種規(guī)格。其中，綠色桶為廚余垃圾收集桶，由所屬物業(yè)定時將小區(qū)內(nèi)廚余垃圾桶集中至固定點。

(3)廚余垃圾的清運。廚余垃圾的負(fù)責(zé)清運單位為海淀區(qū)環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，分別由三個作業(yè)隊完成垃圾的運輸工作。清運中采用密封性較好的專用廚余車運輸。

因目前分類小區(qū)分出的廚余垃圾能達(dá)到綜合處理要求的量較少，每輛收集車一般每日收集一次，且每輛車載重難以達(dá)到車輛的額定載重，一般約為2噸/車次，車輛的空駛、虧載現(xiàn)象普遍存在，車輛的配置及調(diào)度、路線規(guī)劃等工作還處于依靠經(jīng)驗的粗放管理階段。

表1　近年廚余垃圾收集量統(tǒng)計

3數(shù)學(xué)模型

3.1問題描述

廚余垃圾的收運屬于固定容器收集問題，可以表達(dá)為在廚余垃圾收集區(qū)域內(nèi)，垃圾管理部門擁有多輛廚余垃圾收集車輛，每輛車從停車場出發(fā)后經(jīng)過收集點進(jìn)行垃圾收集，在垃圾量達(dá)到車輛的最大運輸能力或收運任務(wù)完成后開往廚余垃圾處理場，將垃圾清空后再繼續(xù)去收集點重復(fù)上述的工作，當(dāng)所有的垃圾都被運往處理場后返回到停車場。

模型目標(biāo)是廚余車將任務(wù)范圍內(nèi)的垃圾分類收集點全部經(jīng)過一次，且要求的路徑為所有路徑中的最小值。優(yōu)化中考慮人們的生活習(xí)慣、廚余垃圾收運時間應(yīng)在上午盡可能早的時間完成。

3.2模型建立

3.2.1前提假設(shè)

(1)假設(shè)區(qū)域內(nèi)各收集點的垃圾量總量小于廚余垃圾車的載重量。

(2)假設(shè)廚余車收集完規(guī)定范圍內(nèi)任務(wù)作業(yè)時間小于每日工作時間。

(3)廚余垃圾車在選擇路線時，不考慮當(dāng)日具體的道路擁堵情況。

(4)每個垃圾點只能訪問一次。

3.2.2變量及參數(shù)描述

F：廚余垃圾車收集完所有垃圾點后所行駛的路程；

i，j：垃圾收集點；

d：行駛距離，從頂點i到頂點j的行駛距離為dij；

x：判斷變量；

e：代表邊，即垃圾車在兩個垃圾點之間的路線；

S：G的子圖；

V={1，2，…，n}為頂點集；

E={eij=(i，j)}為邊集；

3.2.3建立模型

①

②

③

④

⑤

目標(biāo)函數(shù)①保證廚余車要將任務(wù)范圍內(nèi)的垃圾收集點全部經(jīng)過一次，且要求的路徑為所有路徑中的最小值。

約束條件②為判斷條件。

約束條件③限定回路上每個頂點僅有一條入邊。

約束條件④限定回路上每個頂點僅有一條出邊。

約束條件⑤限定回路中不出現(xiàn)子回路。

4算法選擇與計算結(jié)果分析

4.1算法選擇

國內(nèi)外學(xué)者重點使用近似算法或啟發(fā)算法，主要有遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌搜索算法、貪婪算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等[2]。從當(dāng)前可查閱的文獻(xiàn)情況來看，遺傳算法存在著早熟和收斂慢：禁忌搜索算法需要的運行時間較長、效率較低；模擬退火算法則搜索速度慢等缺點，而蟻群算法具有正反饋、本質(zhì)的并行性和穩(wěn)定性強(qiáng)、易于與其他方法結(jié)合等特點很適合用來求解路徑優(yōu)化問題[3]，結(jié)合本研究廚余垃圾點回收路徑的優(yōu)化的問題，運用蟻群算法來解決此類問題是可行的，也是本文的創(chuàng)新點之一。

4.2算法步驟

運用matlab軟件計算流程如圖1所示。

圖1　蟻群算法流程圖

4.3實例仿真實現(xiàn)

海淀區(qū)廚余垃圾的收運工作由三個不同的作業(yè)隊負(fù)責(zé)完成。環(huán)衛(wèi)五隊因負(fù)責(zé)的區(qū)域全部位于城區(qū)，垃圾分類推廣時間較早，參加垃圾分類的小區(qū)較多，本研究以環(huán)衛(wèi)五隊收運部分路段為對象。

按照收集任務(wù)的區(qū)域，環(huán)衛(wèi)五隊將清運范圍內(nèi)206個垃圾分類小區(qū)劃分為7個收運路段，選取其中一個路段進(jìn)行研究，通過本文探索性研究，為海淀區(qū)廚余垃圾大范圍的優(yōu)化研究提供參考。

4.3.1典型區(qū)域選擇

北京市海淀區(qū)轄22個街道，5個鎮(zhèn)，2個鄉(xiāng)。從各街道分類小區(qū)廚余垃圾的分出情況來看，分出量較少且不穩(wěn)定，有的小區(qū)甚至2-3天才收集一次，研究中，選擇廚余垃圾收集量較為穩(wěn)定的羊坊店街道。其中，參加垃圾分類的社區(qū)為19個，占整個街道社區(qū)總數(shù)的52.6%。

4.3.2計算采用參數(shù)

本文涉及到垃圾運送路線的最短路徑，包括停車場和廚余垃圾處理設(shè)施在內(nèi)，共有21個點，用蟻群算法來計算出從停車地點到廚余垃圾處理場的最短路線，需要測出每兩個點之間的距離。

由于收集點位較多，有必要對初始數(shù)據(jù)做簡化處理，對距離小于100米的兩個社區(qū)進(jìn)行合并，合并后的收集點再計入停車場及廚余垃圾處理設(shè)施共計18個。因此實際測量距離共18×18=324個數(shù)據(jù)，測量單位為公里，距離測量中考慮立交橋、紅綠燈等實際情況，形成距離矩陣表。

4.3.3計算結(jié)果與分析

本文運用matlab軟件進(jìn)行仿真實現(xiàn)，得出以下結(jié)果。

(1)結(jié)果一：從圖2可知，當(dāng)調(diào)整螞蟻數(shù)量時，蟻群算法所得出的最短路線不盡相同，從最初選取的20只螞蟻所達(dá)到的最短距離39.23公里，到選取900只螞蟻達(dá)到的最短距離38.3公里，這之中縮短了近1公里。

圖2　不同螞蟻數(shù)量下的最短路線距離曲線圖

當(dāng)螞蟻數(shù)量逐漸增多并達(dá)到一定程度時，從圖中可以觀察到，得到的最短路線會趨向于最小值，但同時螞蟻數(shù)量的增多會增加系統(tǒng)的運行時間，并且由于蟻群算法容易陷入局部最優(yōu)的特點，太多的螞蟻數(shù)量最后得出的最短路線也并不一定會達(dá)到全局的最小值，故考慮到此種情況，本文最終選取900只螞蟻數(shù)量來運行，此時得到的最短路線為38.3公里，它已經(jīng)比目前車輛運行的路徑要短，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果。

(2)結(jié)果二：當(dāng)前廚余垃圾車實際路線行駛路程為41.67公里。經(jīng)過優(yōu)化后的最短路線為38.3公里，其行走路線如圖3所示。

綜上所述，優(yōu)化前路徑距離為41.67km，優(yōu)化后

路徑距離為38.3km，距離縮短3.37km，優(yōu)化效果較明顯。優(yōu)化后路線：1-2-3-4-12-16-17-11-10-15-14-13-9-8-7-6-5-18-1。

圖3　最優(yōu)路線下車輛的行車曲線圖

5結(jié)論與建議

本文通過分析廚余垃圾的收運模式，明確了問題的優(yōu)化目標(biāo)，并運用數(shù)學(xué)建模的方法對所提出的問題進(jìn)行了優(yōu)化研究，運用蟻群算法以羊坊店街道為研究對象，進(jìn)行了實例分析。通過對區(qū)域內(nèi)廚余垃圾數(shù)據(jù)的整理、計算，以matlab軟件為計算平臺進(jìn)行編程并運算，結(jié)果表明，優(yōu)化夠的收集路線距離較之前縮短3.37km，并對結(jié)果進(jìn)行誤差分析，達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果。

今后幾年，北京將繼續(xù)在垃圾源頭分類、收集上加大力度，海淀區(qū)廚余垃圾分出率也會隨之逐步提高。在考慮到多車輛、多區(qū)域的廚余垃圾回收的情況下，車輛的運行成本、運行時間以及整個車隊的調(diào)度都將成為有待優(yōu)化的問題，本研究提出的蟻群算法下最短路線的模型，可很好地提供借鑒，同時未來的研究方法也可以以蟻群算法模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行必要的擴(kuò)充和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]2012海淀環(huán)衛(wèi)發(fā)展報告.

[2]許少華.北京市城市生活垃圾收運系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究[J].北京建筑工程學(xué)院，2008.

[3]Dorigo.M蟻群優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Model and Its Application of Kitchen Garbage Removal Route Optimization in Haidian District

REN ShaojuanSUN Weidong

(Haidian Environmental Sanitation Scientific Research Institute of Beijing，Beijing 100086)

Abstract：In this paper，on the basis of kitchen waste composition and mode of operation of existing income research on the establishment of a community kitchen garbage removal garbage classification model for kitchen waste collection，transportation characteristics of ant colony algorithm is proposed，and Yangfangdian street garbage classification simulation cell example，cycling distance was shortened to optimize the effect is significant.

Keywords：kitchen waste；optimization model；ant colony algorithm

中圖分類號：X7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0125-03

作者簡介：任紹娟，高級工程師，注冊咨詢工程師，雙學(xué)士，研究方向主要為環(huán)境衛(wèi)生新技術(shù)研究

引用文獻(xiàn)格式：任紹娟等.海淀區(qū)廚余垃圾收運路線優(yōu)化模型及應(yīng)用研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：125-127.