考慮負(fù)面影響的城市固體廢棄物收運(yùn)系統(tǒng)構(gòu)建研究

馬洪偉　金鳳花　富立友

摘 要：如何正確處理城市生活固體廢棄物，已成為制約城市發(fā)展的重要問(wèn)題之一。文章從城市生活固體廢棄物的收集、處理及運(yùn)輸路徑安排著手，從收運(yùn)系統(tǒng)的角度，考慮固體廢棄物對(duì)生活環(huán)境和城市交通的影響，建立了城市生活固體廢棄物收運(yùn)系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型，確定固體廢棄物回收站與處理站的選址，安排運(yùn)輸路線。最后以算例驗(yàn)證了所提模型的可行性及應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：固體廢棄物；收運(yùn)系統(tǒng)；飽和度；雙層規(guī)劃

中圖分類號(hào)：F252.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： How to dispose the solid waste in the city properly has become an important issue constraining urban development. This paper focuses on the collection， processing and transport routes arrangements for solid waste， from the perspective logistics system， considering the living environment and urban traffic， establishes a bi-level programming model for urban solid waste logistics system to determine the waste recycling and treatment station location， arrange transportation routes. Finally， numerical example demonstrates the feasibility and application value of the model proposed by this paper.

Key words： solid waste； collection and transportation system； saturation； bi-level programming

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，大量人口涌入城鎮(zhèn)，加劇了諸如交通擁堵、環(huán)境惡化等問(wèn)題。城市的發(fā)展要依靠交通與環(huán)境資源的綜合利用，良好的生活環(huán)境是城市發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是人民生活的前提。然而，目前我國(guó)城市環(huán)境問(wèn)題特別是城市生活固體廢棄物問(wèn)題日益凸顯，已經(jīng)影響到城市居民的生存與發(fā)展。在存放、運(yùn)輸與處理過(guò)程中，城市生活固體廢棄物逐步分解所產(chǎn)生的某些有害物質(zhì)能夠?qū)χ車h(huán)境造成重大污染，嚴(yán)重影響城市生活環(huán)境質(zhì)量，并對(duì)居民的身心健康造成威脅。正確處置城市生活中產(chǎn)生的固體廢棄物，保障城市健康發(fā)展是我國(guó)和諧社會(huì)建設(shè)必須認(rèn)真思考的問(wèn)題。

有關(guān)資料表明，從2004年起，我國(guó)城市垃圾生產(chǎn)量就超過(guò)美國(guó)成為世界第一，我國(guó)城市居民每年人均制造生活垃圾440千克，且年增長(zhǎng)幅度超過(guò)10%，因固體垃圾堆積占用的土地面積約為5億平方米，我國(guó)城市中的三分之二已經(jīng)被包圍在垃圾群中，這些垃圾不僅僅是公害，更是浪費(fèi)資源。近幾年，在年產(chǎn)1.5億噸的垃圾中，存在高達(dá)250億元的“可再生資源”。要想正確的處理巨大的城市垃圾，必須提前做好固體廢棄物的收集、分類、整理、運(yùn)輸和處理，加強(qiáng)城市生活固體廢棄物的管理工作，同時(shí)為了避免浪費(fèi)，就要進(jìn)行廢棄物的再利用和產(chǎn)業(yè)化，多年的經(jīng)驗(yàn)表明，工藝技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)效益高、適合我國(guó)國(guó)情的資源回收利用方法，是處理城市垃圾根本之路。對(duì)于城市生活固體廢棄物管理工作的充分重視，既能促進(jìn)城市固體廢棄物的正常流動(dòng)，對(duì)城市物流業(yè)、環(huán)保衛(wèi)生事業(yè)、生態(tài)建設(shè)都具有積極的推動(dòng)作用。于是，廢棄物的管理逐漸成為理論界和社會(huì)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

黃錚[1]闡述了城市生活固體廢棄物的含義，針對(duì)垃圾回收問(wèn)題，建立了三層逆向物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，該整數(shù)規(guī)劃模型主要解決回收中心到工廠、回收站到客戶原址所產(chǎn)生的費(fèi)用和路徑，得出最優(yōu)地址和路徑；何波[2]等為了確定回收站和處理站的地址和數(shù)量，考慮了一個(gè)雙層的逆向物流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立了一個(gè)多目標(biāo)的整數(shù)規(guī)劃模型；張韋倩[3]等指出城市固體廢棄物不同的處理模式對(duì)環(huán)境影響等級(jí)，將固體廢棄物資源化引入到處理模式后，環(huán)境影響潛值大大降低，是較理想的處理方式，提出固體廢棄物綜合處理模式，因地制宜地開(kāi)展固體廢棄物資源化管理，以及餐廚垃圾源頭分類收集處理等建議；褚祝杰[4]等把中國(guó)特色的經(jīng)濟(jì)刺激作為一個(gè)因子對(duì)固體廢棄物循環(huán)行為進(jìn)行了實(shí)證分析，確認(rèn)了環(huán)境態(tài)度、便利條件、信息知識(shí)和經(jīng)濟(jì)刺激是我國(guó)城市居民家庭固體廢棄物循環(huán)行為的重要關(guān)聯(lián)因子；劉誠(chéng)[5]分析現(xiàn)有研究考慮的都是在確定性環(huán)境下的廢棄物逆向物流網(wǎng)絡(luò)，難以保證固體廢棄物物流網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，于是構(gòu)建了基于穩(wěn)健優(yōu)化的固體廢棄物逆向物流網(wǎng)絡(luò)；張紅玉等[6]運(yùn)用層次分析法對(duì)比分析結(jié)果表明，完全垃圾填埋的物流模式最差，分類條件下的物流模式最優(yōu)；劉炳凱[7]提出基于GIS的城市生活固體廢棄物物流研究有助于在現(xiàn)有垃圾處理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提高垃圾管理的水平、垃圾運(yùn)輸?shù)男屎唾Y源的回收利用率；Tai-His Wu等[8]對(duì)多周期、多類型的危害廢棄物回收物流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作了系統(tǒng)分析。

從以上對(duì)廢棄物實(shí)際收運(yùn)系統(tǒng)研究綜述中可以看出，目前的研究往往忽略廢棄物在收運(yùn)過(guò)程中，對(duì)環(huán)境和交通的影響，而這兩點(diǎn)也正是制約城市發(fā)展最重要的問(wèn)題之一。本文考慮對(duì)交通和環(huán)境的負(fù)面影響最小為目標(biāo)的同時(shí)，考慮以較低的成本為目標(biāo)構(gòu)建廢棄物收運(yùn)系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型。

1 問(wèn)題描述

1.1 問(wèn)題的定義

在整個(gè)收運(yùn)物流系統(tǒng)中，可以用相聯(lián)結(jié)點(diǎn)和運(yùn)輸路線構(gòu)成的物流網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。在實(shí)際中，固體廢棄物產(chǎn)生點(diǎn)分散在一定的區(qū)域內(nèi)，位置是已知的，此時(shí)需要建立回收站，來(lái)收集居民的固體廢棄物。此外，還需要建立處理站，處理站的主要作用是將回收站運(yùn)過(guò)來(lái)的固體廢棄物進(jìn)行分類、回收、填埋等工作。處理站往往會(huì)對(duì)附近居民的生活環(huán)境帶來(lái)負(fù)效用，并且不同的地方造成的環(huán)境影響也是有差別的。在產(chǎn)生點(diǎn)、回收站以及處理站之間有運(yùn)輸?shù)缆废噙B，通過(guò)道路的運(yùn)輸來(lái)實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的轉(zhuǎn)移，由于固體廢棄物運(yùn)輸?shù)奶厥庑裕瑢?shí)際操作中，該類運(yùn)輸往往是有時(shí)間限制的，并且在城市交通擁堵日益嚴(yán)重的背景下，應(yīng)該盡量減少對(duì)道路擁堵的影響。綜上，要解決的主要問(wèn)題如下：endprint

（1）確定回收站位置和數(shù)量，使得構(gòu)建成本最??；

（2）確定處理站位置和數(shù)量，使得構(gòu)建成本最小以及對(duì)環(huán)境的影響最??；

（3）確定運(yùn)輸路線使得廢棄物運(yùn)輸成本最小、對(duì)道路擁堵的影響最小。

本文在考慮對(duì)環(huán)境影響時(shí)，對(duì)不同的選址方案用不同的影響因子來(lái)刻畫(huà)，對(duì)交通擁堵的影響主要考察道路的飽和度。然后，基于選址—路徑的方法，建立了收運(yùn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并求解該模型，最終得到收運(yùn)系統(tǒng)的最優(yōu)方案。

1.2 模型構(gòu)建

在實(shí)際收運(yùn)系統(tǒng)中，回收站的規(guī)模很小，對(duì)環(huán)境的影響也不明顯，所以本文忽略，在考察對(duì)交通影響時(shí)，以道路的飽和度最小為目標(biāo)。鑒于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的復(fù)雜性，在構(gòu)建收運(yùn)物流系統(tǒng)模型時(shí)，提出如下基本假設(shè)和條件[2]：

（1）廢棄物產(chǎn)生點(diǎn)的廢棄物必須經(jīng)過(guò)回收站轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)處理站，而不能直接被運(yùn)至處理站；

（2）各產(chǎn)生點(diǎn)、回收站和處理站的地址是已知的；

（3）廢棄物的運(yùn)距與費(fèi)用成相關(guān)的線性關(guān)系；

（4）各廢棄物產(chǎn)生點(diǎn)的日產(chǎn)生量不得超過(guò)運(yùn)輸車輛的最大載重，且是固定不變的；

（5）廢棄物在各物流環(huán)節(jié)的滴漏等忽略不計(jì)。

參數(shù)和決策變量規(guī)定如下：i∈I：廢棄物產(chǎn)生點(diǎn)；j∈J：廢棄物回收站；k∈K：廢棄物處理站；a ：廢棄物產(chǎn)生點(diǎn)i的廢棄物日產(chǎn)生量；F ：新建回收站j的成本；G ：新建處理站k的成本；B ：回收站j的最大容量；D ：處理站k的處理能力；d ：由產(chǎn)生點(diǎn)i到回收站j之間經(jīng)過(guò)道路s的距離；d ：由回收站j到處理站k之間經(jīng)過(guò)道路t的距離；c ：由產(chǎn)生點(diǎn)i到回收站j之間經(jīng)過(guò)道路s的飽和度；c ：由回收站j到處理站k之間經(jīng)過(guò)道路t的飽和度；m ：為第k個(gè)處理站對(duì)環(huán)境的影響因子；α：?jiǎn)挝粡U棄物在單位距離內(nèi)的運(yùn)輸費(fèi)用；N ：回收站建立最大數(shù)量；N ：處理站建立最大數(shù)量。

決策變量定義如下：X =0，1，X =1表示在j處新建回收站，否則X =0意義相反；Y =0，1，Y =1表示在k處新建處理站，否則Y =0意義相反；Z =0，1，Z =1表示產(chǎn)生點(diǎn)i的廢棄物運(yùn)至回收站j，否則Z =0意義相反；W =0，1，W =1表示回收站j的廢棄物運(yùn)至處理站k，否則W =0意義相反；l =0，1，l =1表示產(chǎn)生點(diǎn)i到回收站j的廢棄物選擇道路s，否則l =0意義相反；l =0，1，l =1表示由回收站j到處理站k的廢棄物選擇道路t，否則l =0意義相反。

本文建立的雙層規(guī)劃模型，上層目標(biāo)函數(shù)（1）式確?？偝杀具_(dá)到最低，其中涵蓋回收站、處理站的建設(shè)成本，以及車輛的運(yùn)輸成本；下層目標(biāo)函數(shù)（2）式收運(yùn)系統(tǒng)對(duì)道路和環(huán)境影響最?。唬?）式確保各產(chǎn)生點(diǎn)的廢棄物只運(yùn)至一個(gè)且僅有回收站；（4）式確?；厥照井a(chǎn)生的廢棄物只運(yùn)至一個(gè)且僅有處理站；（5）式回收站的最大容量約束；（6）式處理站處理能力約束；（7）式回收站數(shù)量要滿足最大數(shù)量約束；（8）式處理站數(shù)量要滿足最大數(shù)量約束。

2 算例分析

某地區(qū)欲建立一個(gè)包括兩個(gè)回收站，一個(gè)處理站的廢棄物收運(yùn)物流系統(tǒng)，規(guī)劃備選方案中有三個(gè)回收站。三個(gè)處理站，如圖1所示。備選方案和相互間的道路信息如表1至表4所示，現(xiàn)從備選方案中選擇較優(yōu)方案使得建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本及對(duì)環(huán)境和道路的影響最小。

根據(jù)本文所提的方法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，求解出最優(yōu)選址方案為：選擇建設(shè)回收站1和3，選擇處理站2。對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方案：產(chǎn)生點(diǎn)1，2，3，6的廢棄物運(yùn)輸?shù)交厥照?，產(chǎn)生點(diǎn)4和5的廢棄物運(yùn)輸?shù)交厥照?；回收站1和3的廢棄物最終運(yùn)輸?shù)教幚碚?。

在此方案中，對(duì)應(yīng)的建設(shè)成本為：17+480=497；

對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸成本包括產(chǎn)生點(diǎn)運(yùn)輸?shù)交厥照镜某杀竞突厥照具\(yùn)輸?shù)教幚碚镜某杀?，最終運(yùn)輸成本為：2×5+3×7+3×6+2×8+4

×10+8×1+15×10=236；

最終建設(shè)總成本為497+236=733；

此方案對(duì)應(yīng)的交通飽和度和對(duì)環(huán)境的負(fù)影響為：0.6+0.5+0.2+0.4+0.3+0.5+0.4+0.5+0.3=3.7。

如果在建設(shè)廢棄物收運(yùn)系統(tǒng)時(shí)只以成本最小為依據(jù)，不考慮對(duì)環(huán)境和交通擁堵的影響，則應(yīng)該采取的方案是：建設(shè)回收站1和2、選擇處理站1。該方案對(duì)應(yīng)的成本是719，顯然此方案花費(fèi)的成本較少，這也說(shuō)明了現(xiàn)實(shí)中降低對(duì)環(huán)境和交通擁堵的的影響可能會(huì)付出更大的成本。

3 結(jié) 論

社會(huì)經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，人口的膨脹和城鎮(zhèn)化速度的加快，城市生活固體廢棄物產(chǎn)生量也在逐年遞增。這也給社會(huì)帶來(lái)了很多問(wèn)題，其中最棘手的問(wèn)題之一便是城市生活固體廢棄物的收集、處理以及運(yùn)輸路徑安排。為了能夠提高城市生活固體廢棄物收運(yùn)物流系統(tǒng)的運(yùn)作效率，減少對(duì)環(huán)境和交通的影響，本文從收運(yùn)物流系統(tǒng)的角度，針對(duì)城市生活固體廢棄物回收和處理站的選址、運(yùn)輸問(wèn)題，建立城市生活固體廢棄物收運(yùn)物流系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型，研究如何在環(huán)境和交通影響最小的前提下，確定廢棄物回收站與處理站的選址，安排運(yùn)輸路線，并使總費(fèi)用最小。最后用算例說(shuō)明了考慮負(fù)面影響的雙層規(guī)劃模型的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，該方法可能會(huì)造成成本的增加，這也是與實(shí)際相符的。

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