漢中市城市生活垃圾收運路線優(yōu)化研究

唐欣

摘要：隨著城市化進程不斷推進，城市生活垃圾數(shù)量劇增，生活垃圾處理問題就成為社會各界關(guān)注的焦點。論文主要以漢中市漢臺區(qū)垃圾收運為研究對象，以經(jīng)濟最優(yōu)化為目標，對垃圾收集與運輸路線現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，構(gòu)建在一定條件下路線優(yōu)化模型，運用蟻群算法在matlab軟件中進行仿真測試，求解車庫—各個垃圾收集點—江北垃圾處理中心的垃圾收運最短路線方案，對優(yōu)化結(jié)果進行分析總結(jié)后，得出在最短路徑下的成本方案，并實現(xiàn)預(yù)期經(jīng)濟目標。

Abstract： With the continuous progress of urbanization， the amount of urban domestic garbage has increased dramatically， and the problem of domestic garbage disposal has become the focus of attention from all walks of life. The thesis mainly focuses on garbage collection and transportation in Hantai District of Hanzhong City， aiming at economic optimization， investigates and analyzes the status of garbage collection and transportation routes， builds a route optimization model under certain conditions， and carries out a simulation test by using ant colony algorithm in matlab software to find the shortest route plan for garbage collection and transportation of garage—various garbage collection points—Jiangbei garbage treatment center. After analyzing and summarizing the optimization results， the cost scheme under the shortest path is obtained and the expected economic goals are achieved.

關(guān)鍵詞：城市生活垃圾;經(jīng)濟最優(yōu)化;收運路線尋優(yōu);蟻群算法

Key words： urban living garbage;economic optimization;optimization of collection and transportation routes;ant colony algorith

中圖分類號：TU993.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0079-04

0? 引言

隨著生活質(zhì)量提高的同時生活垃圾數(shù)量也隨之劇增，居住環(huán)境質(zhì)量和生活垃圾處理問題就成為了民眾和政府關(guān)注的重點。垃圾對環(huán)境的破壞主要表現(xiàn)在對土地等自然環(huán)境地侵染、垃圾隨處堆放對水資源地污染，從而對城市中的居民健康問題構(gòu)成威脅，面對這些層出不窮的問題，人們意識到要對其進行全面管控。

在垃圾收運工作中科學(xué)選擇收運路線尤為重要。傳統(tǒng)的收運方式中，存在收運時間長、行車距離遠、整個收運過程效率低下等缺點。研究表明，合理的收運線路可以有效節(jié)省收運時間提高收運效率和降低燃料成本，減少車輛的運輸成本，提高各個環(huán)節(jié)的工作效率。因此，以經(jīng)濟最優(yōu)化為目標，對城市生活垃圾收運路線進行優(yōu)化分析會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)。

在路線優(yōu)化研究方面，20 世紀80 年代，C.e等人提出適用地區(qū)運輸網(wǎng)絡(luò)模型的兩階段法以及三階段隨機動態(tài)復(fù)合整數(shù)線性運輸模型，以尋找最優(yōu)路徑;Chang等人在1996年合理分配收運系統(tǒng)中生活垃圾在處理終端和中轉(zhuǎn)站之間的比例;在中國，早期付乾從技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境效益角度出發(fā)等方面論述3 種垃圾運輸模式;黃媛媛以重慶市城區(qū)為研究對象，通過spss軟件采用聚類分析方法進行討論。國內(nèi)對生活垃圾路線優(yōu)化研究較多，主要利用遺傳算法、神經(jīng)元理論等，近年來又結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過建模軟件對收運路線進行優(yōu)化分析討論。

1? 漢中市垃圾收運現(xiàn)狀與內(nèi)容分析

1.1 城區(qū)的垃圾收運現(xiàn)狀

生活垃圾收集與運輸體系包括收集、運輸和轉(zhuǎn)運三個模塊。經(jīng)調(diào)查，目前城市生活垃圾收運過程中存在兩種收運模式：一種為轉(zhuǎn)運站到垃圾處理站的點對點模式;另一種為包括垃圾壓縮車的多點集收運。本文的研究對象為包括壓縮車的多點集收運：

垃圾車的工作路線可以簡化為：各個垃圾收集點—中轉(zhuǎn)壓縮站—垃圾處理中心。

具體過程可描述為：垃圾收運車首次從車庫出發(fā)，此時車輛為空閑狀態(tài)，經(jīng)由垃圾收集點收集垃圾，裝載滿后直接駛向垃圾處理中心，此為第一次收運;在垃圾處理中心卸空垃圾后返回垃圾收集點進行第二次裝載，完成裝載后駛向垃圾處理中心進行第二次卸貨;若還存在未收集垃圾點的區(qū)域，則返回未收集網(wǎng)點繼續(xù)收集，直至清空所有垃圾，最后收運車由垃圾處理中心工作完成后返回車庫，此為最后一次行程。過程見圖1。

漢中作為陜南地區(qū)的一個交通要道在近幾年得到了大力發(fā)展，目前主要推行混合模式對垃圾進行收運。垃圾收運車分為兩種：擺臂車和拉臂車，其中擺臂車的限載量為8m3，拉臂車的限載量為16m3，目前投入使用的擺臂車32輛，拉臂車15輛。垃圾收運路線指環(huán)保部門通過收運車從各個公共區(qū)域收集生活垃圾后運送到垃圾收集點，由擺臂車將收集點的垃圾運輸?shù)嚼鴫嚎s站，固體生活垃圾經(jīng)過壓縮處理后，最后由拉臂車運往江北垃圾處理廠。其中，收集站點大約為35個，主要的五個大型站點分別位于橋北廣場、飲馬池市場、崔家營、明珠小區(qū)以及陜西理工大學(xué)南門。

1.2 城區(qū)垃圾收運存在問題

本文主要研究漢中市城區(qū)即漢臺區(qū)垃圾收運模式，目前實行的垃圾收運模式為小區(qū)、酒店、公園等公共場所將垃圾回收點設(shè)置為一個臨時投放點，當臨時投放點的垃圾收集滿后，由環(huán)衛(wèi)工人用垃圾收運車從各個公共區(qū)域收集生活垃圾后運送到垃圾收集點，由擺臂車將收集點的垃圾運輸?shù)嚼鴫嚎s站，固體生活垃圾經(jīng)過壓縮處理后，最后由拉臂車運往江北垃圾處理廠。在此過程中，漢臺區(qū)的垃圾收運存在兩個問題：垃圾收集站的選址困難，在垃圾收集站處如果不能及時清理垃圾，存在對周圍環(huán)境的二次污染;當垃圾收運車從各個環(huán)節(jié)進行收運時，需要環(huán)衛(wèi)工人反復(fù)將垃圾裝車運輸，工作量大。

1.3 研究內(nèi)容及技術(shù)方案

1.3.1 研究主要內(nèi)容

論文主要以漢中市漢臺區(qū)的垃圾收運路線為研究對象，以經(jīng)濟最優(yōu)化為目標，通過對收運路線建模分析，結(jié)合群智能優(yōu)化算法中的蟻群算法，在matlab中進行仿真求解，得到最短路徑距離。論文之所以選取蟻群算法來解決漢中市垃圾收運路線優(yōu)化問題，一方面是因為路徑優(yōu)化問題隸屬于旅行商（tsp）問題，蟻群算法具有較好地全局搜索能力;另一方面實際生活中往往需要對多種動態(tài)環(huán)境進行路徑規(guī)劃，比如地震中有些地區(qū)坍塌導(dǎo)致無法行進，蟻群算法可滿足多種環(huán)境需要。

1.3.2 研究技術(shù)方案

蟻群行為來源于自然現(xiàn)象，螞蟻沒有視覺且螞蟻記憶功能十分有限。之所以能夠協(xié)同作業(yè)，是因為他們之間存在一種重要物質(zhì)——信息素，以此來進行信息交流，從而展現(xiàn)出群體智能行為。在開始選擇路徑時，他們隨機選擇一個方向前進，在前進的同時釋放信息素，當下一只螞蟻繼續(xù)選擇時，就會選擇信息素濃度較高的路徑，此為距離較短路徑。于是形成一個正反饋影響機制：最短路徑上的信息素不斷累積，而除最短路徑之外的其他路徑信息素逐漸減退，最終獲得最優(yōu)路徑方案。過程見圖2。

2? 漢中市城市生活垃圾收運路線優(yōu)化建模

2.1 漢中市收運路線問題描述

將漢中市的垃圾收運路線簡化為將垃圾從各個垃圾收集點運輸?shù)嚼幚碇行牡倪^程。整個收運過程是從車庫—垃圾收集點—垃圾處理中心，垃圾運輸車從車庫出發(fā)的時候是空車，他可以在去的路上先收集七個點，此為一條路徑，其中垃圾收集點為35個，那么在整個循環(huán)過程中循環(huán)四次，也就是四條路徑，單向路徑為一條，總共為6條路徑，求6條路徑之和的最小值。收運過程見圖3。

2.2 基本假設(shè)和符號說明

2.2.1 基本假設(shè)

①每個垃圾收集點每天的垃圾收集量相等;

②任意兩點間的道路都是暢通無阻的;

③各個收集點的垃圾日產(chǎn)日清;

④垃圾收運車所耗費成本與他所走路程長短成正比關(guān)系。

2.2.2 符號說明

當車輛達到滿載狀態(tài)則無法繼續(xù)收集垃圾;有p輛車，要形成p個最初行程和p個最終行程。最優(yōu)解中最多有l(wèi)個行程，則中間行程最多有l(wèi)-2p個。

2.3 數(shù)學(xué)建模

3? 漢中市城市生活垃圾收運路線優(yōu)化實證

3.1 相關(guān)數(shù)據(jù)及處理

3.2 實證過程與結(jié)果

在matlab中對已經(jīng)構(gòu)建的模型進行仿真測試。建模的過程中，假設(shè)每個垃圾收集點的垃圾量是相等的都為1噸，每輛垃圾收運車的限載量為7噸，所以一輛車只能夠收集7個地方的垃圾，設(shè)置35個垃圾點，整個過程就循環(huán)5次，有5條循環(huán)線路和一條單向線路。根據(jù)蟻群算法原理編寫代碼，其中把垃圾收集點分為5部分，運行代碼對事先已設(shè)置好的坐標點進行仿真測試，得到了尋優(yōu)結(jié)果。

3.3 結(jié)論與建議

整個過程中，首先以經(jīng)濟最優(yōu)化建立目標函數(shù)，即收運總成本=垃圾量×單位垃圾處理成本+路徑長度×單位長度成本;在整個過程中，迭代尋找最佳路徑為蟻群算法的核心，蟻群逐個訪問各個垃圾收集點，直至遍歷完所有的垃圾點，形成整個問題的解空間，然后計算各個螞蟻經(jīng)過路徑的長度，經(jīng)過多次迭代后，記錄各條路徑的迭代次數(shù)選擇最佳路徑。最終經(jīng)濟效益也得以實現(xiàn)。通過計算得到，沒有優(yōu)化前漢中市城區(qū)垃圾收運的路徑長度大約為150，優(yōu)化后的路徑為87，假設(shè)每單位距離需要的成本為6，那么優(yōu)化前的收運成本大約為900，優(yōu)化后的收運成本為522。綜上所述，通過對漢中市垃圾收運路線的優(yōu)化，實現(xiàn)了經(jīng)濟最優(yōu)化的目標，大大降低了運輸成本，提高各個環(huán)節(jié)的收運效率，因此，優(yōu)化垃圾收運路線具有重要現(xiàn)實意義。

研究表明，目前對垃圾收運系統(tǒng)的研究存在以下特點：①對垃圾收運路線優(yōu)化時忽略了成本問題，也即經(jīng)濟最優(yōu)化目標;②對運輸路線的選擇與計算機技術(shù)的結(jié)合較少;③對城市垃圾收運路線優(yōu)化結(jié)果不能與城市化進程保持同步，不適合于長期使用。

4? 結(jié)語

本文立足于群智能優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，通過對已有的國內(nèi)外垃圾收運系統(tǒng)現(xiàn)狀進行梳理，對漢中市主城區(qū)垃圾產(chǎn)量、收運方式、處理方式以及垃圾站地理位置進行實地調(diào)研考察，基本完成了對漢中市垃圾收運系統(tǒng)模型建立，最后運用蟻群算法完成了在整個過程中的路線尋優(yōu)，并實現(xiàn)了成本最低的目標。在未來，對城市垃圾收運路線的研究將不斷完善更新：城市中生活固體垃圾的運輸問題將會綜合考慮環(huán)境因素、綜合效益等多個方面，將環(huán)保置于首要位置;現(xiàn)實問題與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來會進行更加準確優(yōu)化的研究;對于城市垃圾收運模式由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)研究，不斷適應(yīng)城市發(fā)展進程;最后，隨著理論知識與實踐基礎(chǔ)的不斷完善無論都會為我國垃圾收運系統(tǒng)優(yōu)化研究提供了更為完備的基礎(chǔ)框架。

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