合肥市滨湖新区固体垃圾收运系统优化研究

江 浔, 张 睿, 徐得潜

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省交通规划设计研究院,安徽 合肥 230088)



合肥市滨湖新区固体垃圾收运系统优化研究

江 浔1, 张 睿2, 徐得潜1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽省交通规划设计研究院,安徽 合肥 230088)

作为城市垃圾综合管理系统的一个组成部分,垃圾收运系统占据着重要位置。城市固体垃圾收运费用在垃圾总处理费用中占有较大的比例,研究垃圾收运问题,能有效地节约成本。文章以合肥市滨湖新区垃圾收运系统为例,建立了车辆收运路线、转运站选址优化模型,为实际垃圾收运作业提供决策依据。

垃圾收运;行走路线;转运站选址;分支限界法;扫描算法

0 引 言

城市固体垃圾收运系统是城市垃圾管理体系的重要组成部分,包括收集、运输和中转3个方面的内容，而生活垃圾收集与运输费用占总处理费用的50%～70%[1]。然而在我国城市垃圾管理系统建设中,对于垃圾收运方面的研究相对滞后;在实际操作过程中,垃圾转运站选址较为盲目,环卫部门通常根据经验选址,缺乏合理定量的规划决策[2],加上建设规模不匹配,从而导致转运能力不足,经济性较差[3]。同时,收运路线设计一般不合理，因此,有必要对城市垃圾收运系统进行合理优化,提高工作效率,降低成本。

城市生活垃圾收运路线优化问题可以归结为车辆路径问题(vehicle routing problem,VRP)。文献[4]以单目标优化模型结合遗传算法实现垃圾收运线路的优化;文献[5]依据神经元理论分析了影响收运路线中的垃圾收集频率的因素,在此基础上建立了以收运线路总行程最短为目标函数的数学模型,由于缺乏一定的技术支持,该方法在实际的城市垃圾收运路线优化中尚不能广泛地推广与使用,还需要进一步的验证与发展;文献[6]以收运距离最短为目标建立优化模型;文献[7]基于地理信息系统(geographic information system,GIS)平台对收运路线进行优化。现有的优化算法在一定程度上受限于问题规模,并且随着城市发展该问题将日益凸显,目前对大区域垃圾收运问题关注尚不多。

具体关于城市生活垃圾中转站的选址理论较少,而城市生活垃圾中转站属于城市公共设施,其选址优化理论主要应用的是公共设施选址理论[8]。目前国内外在建立垃圾中转站选址优化模型时,比较常用的方法有模糊综合评判法、层次分析法和线性规划法等。但是,模糊综合评判法和层次分析法建立的模型由于受主观判断的影响都具有一定的局限性,对于环境影响的客观程度和优化结果的好坏不能进行有效的定量分析;采用线性规划法建立的模型,其运算结果较难体现出实际状况[9]。文献[10]建立了以垃圾转运距离最短为目标的优化模型,并采用中心转移算法进行求解;文献[11]以收运系统运行成本最小化为目标建立模型;文献[12]应用集合覆盖模型和整数规划,确定垃圾中转站的选址点。

以往的研究主要集中在收运系统中的某个方面,例如垃圾中转站的选址、垃圾的运输等,缺乏系统性。本文分析了合肥市滨湖新区生活垃圾收运现状,总结其存在的问题,在此基础上进行转运站选址的优化,以转运距离最短为目标函数,应用Matlab中的非线性优化函数确定中转站的最优选址点;并建立大区域垃圾收运路线问题数学模型,将扫描算法、分支限界法、启发式算法中的节约算法结合起来求解大区域VRP问题。

1 合肥市滨湖新区固体垃圾收运现状

目前合肥市滨湖新区日均垃圾产量为1 779.89 t,近期(2020年)为2 419.11 t[13]。滨湖新区已基本建成,各项配套设施正在逐渐完善,居民人数不断增加,生活垃圾已成为主要的固体垃圾种类。滨湖新区垃圾收运采用一级化收运方式,如图1所示[13]。

图1 滨湖新区垃圾收运方式

居民小区物业负责将每个楼道口附近由包河区市容局滨湖新区办公室建议标配的2只240 L的垃圾容器和路边设置的垃圾桶内的垃圾定时倾倒在附近指定的垃圾收集站点,再由每个分区转运站配备的垃圾收集车及时收集运输至生活垃圾转运站和垃圾处理厂。

当前滨湖新区垃圾收运系统也存在一定的问题,主要有:

(1) 流动人口比例较大,生活垃圾分散,给固体垃圾的收运工作带来困难。

(2) 垃圾收集机械化程度还有待提高。

(3) 部分收运路线设计不合理,目前滨湖新区生活垃圾的清运路线多数未进行合理规划与优化,垃圾收运车行走路线比较随意,大多依靠司机的经验与习惯,对城区环境影响较大。

(4) 部分转运站选址点不合理,《合肥滨湖新区公用设施、市政基础设施及“四线”专项规划》[14]参照了广州科学城的建设模式,类比确定垃圾转运站服务区域和规模,如图2所示,然而上述规划中,其转运站服务面积未完全覆盖滨湖新区,存在布点疏密不均、服务面积计算有误等问题。

因此,很有必要对滨湖新区垃圾收运系统进行优化,实现垃圾收运作业的合理性、高效性。

图2 滨湖新区环卫设施规划图

2 研究方法

2.1 垃圾中转站选址优化

垃圾中转站的建设是为了使垃圾收集作业区域和最终处置区域之间的运输更经济、合理。中转站选址应符合城市总体规划和环境卫生专业规划的要求,综合考虑服务区域、转运能力、运输距离、污染控制、配套条件等因素的影响,设在交通便利、易安排清运线路的地方,并需满足供水、供电、污水排放的要求[15]。

2.1.1 问题描述

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。设施区位是在对特定的目标函数(如最小化运输费用、运输总路线最短等)进行优化的情况下确定1个或多个设施位置的问题。

在考虑收集点垃圾量的基础上,以垃圾转运站距离各收集点最近为原则,建立优化模型。已知条件:收集点的垃圾量;中转站备选点到垃圾收集点的距离。

2.1.2 选址优化模型

合肥市滨湖新区为规划用地,并以地块中心点为假设的垃圾收集点,因此1个环卫分区包括多个固定的垃圾收集点和1座中转站,属于网络离散选址问题。

(1) 模型假设。滨湖新区各新建垃圾中转站的建设费用大致相同;运输费用与收集点至中转站的距离成线性关系;垃圾收集须日产日清。

(2) 模型建立。在规划方案大致分区图中建立相对XOY坐标系,读取各分区内不同垃圾产生区域的垃圾收集站点坐标Gi(xi,yi)(i=1,2,…,n),每个垃圾收集点收集量为Mi(i=1,2,…,n),设计区域内转运站坐标为C(X,Y),其中(X,Y)在一定范围内变化。建模原则为每个收集站点垃圾量与站点到分区中转站的距离乘积和为最小,即可代表最小的运输成本,这个最优点的位置区域内可以确定最满意中转站的选址点。

目标函数:

(1)

其中,(X,Y)∈U,U为区域坐标集合,为公建用地坐标区;Zk为变量整数化约束,取值为{0,1}。

(2)

将收集点基础坐标和垃圾产量数据带入(1)式,可将目标函数化简为:

(3)

其中,a、b、c、d、e分别为等价的化简常数,每个分区都不同;x1、x2的约束为各区中转站预设符合要求的公建用地交点X、Y坐标范围。

采用Matlab工具箱约束条件下的非线性优化命令fmincon进行求解。

2.2 行走路线优化

设施点位置选定后,在给出的约束条件(如货物需求量、车辆容量限制等)下,规划设计货物运输路线图,使总运输路线最短或运作成本最低。

2.2.1 问题描述

给定垃圾收集点的数量n、每个收集点的垃圾质量和体积、垃圾收集车的最大载质量和额定容积。要求收集车从中转站环卫停车场出发,前往每片区域的垃圾收集点,并满足质量和体积约束,收集完毕后回到停车场,设计以距离最短为优化目标的最优作业方案。已知条件为:中转站与垃圾收集点之间的距离;收集点数量以及垃圾日产生量;每辆垃圾运输车的载质量。

2.2.2 路线优化模型

参数说明:C={i,j|i,j=0,…,n}为中转站停车场和收集点集合(i,j=0为停车场);V={1,2，…，k}为垃圾收运车辆的集合;dij为收集点i至收集点j的距离;mi为收集点i的日产垃圾质量;vi为收集点i的日产垃圾体积;qk、pk分别为车辆k的额定载质量和额定容积。

目标函数为:

(4)

约束条件如下:

(1) 环卫分区内收集点i垃圾量小于车辆额定载质量时,该收集点只能被访问1次,即

(5)

环卫分区内收集点i垃圾量大于车辆额定载质量时,该收集点能被访问多次,即

(6)

(2) 对每车次的载质量进行限制,不超过额定载质量,即

(7)

(3) 保证每车次的垃圾总体积小于车辆额定容积,即

(8)

(4) 所有收集车必须从中转站停车场出发,即

(9)

(5) 任意收集点h连接路线上必存在上游节点i和下游节点j,即

(10)

(6) 收集车最终从末端收集点返回中转站停车场,即

(11)

(7) 变量整数化约束,即

(12)

(13)

采用扫描算法分区,并运用分支限界法与C-W节约算法[16]，解决大区域行走路线优化问题。

2.3 选址优化与路线优化模型间的联系

2个模型均是在已知各垃圾收集点的垃圾日产生量及它们之间距离的条件下建立的。转运站选址模型以每个收集站点垃圾量与站点到分区中转站的距离乘积和最小为目标函数,来代表运输成本最小,从而确定转运站的最优选址点;而垃圾收集行车路线优化模型是在转运站选址已经确定的基础上建立的,以收运距离最短为目标函数,确定最优行走路线。两者均是在满足相应约束条件下,以距离最短来代表运行成本最小作为目标函数,并通过优化算法进行求解,得到最优结果。

3 结果与分析

3.1 转运站选址优化结果

滨湖新区垃圾转运站位置与服务半径见表1所列。

表1 滨湖新区垃圾转运站位置与服务半径

以十五里河为滨湖新区南北分区界限,进行北片区和南片区垃圾转运站服务区划分。

(1) 北片区。设置4座垃圾转运站服务滨湖新区以北区域,分别为望湖城、淝河镇、骆岗和包河工业园垃圾转运站,选址沿用“四线”规划的转运站选址。

(2) 南片区。垃圾总量和分布较为均匀,设计4座中型转运站,进行优化选址。

结合模型优化结果和实际转运站选址条件,得出滨湖新区垃圾转运站位置和大致服务半径,如图3所示。

从图3可以看出,与现状相比,优化结果很好地解决了先前转运站布点疏密不均的问题,实现了滨湖新区转运站点全覆盖。

图3 滨湖新区转运站选址及服务半径

3.2 车辆行走路线优化结果

滨湖新区垃圾收运分为8个单元分区。以望湖城转运站(HW-1)2015年为例,优化其行车路线,其他分区的行走路线参照望湖城转运站的优化方法。

环卫区转运量45.44 t/d,常备8 t收集车3辆,日常工作时两两组合排班收集,每辆运输次数为3次或4次[13],根据扫描分区计算,得出分区结果,如图4所示。

图4 HW-1收集车工作范围

片区HW-1-1:共有A、B、C、D、E 5个收集点,垃圾总量24.43 t/d。各收集点垃圾日产量分别为6.38、3.21、4.43、3.52、6.89 t。

片区HW-1-2:共有F、G、H、I、J、K、L、M 8个收集点,垃圾总量21.01 t/d。各收集点垃圾日产量分别为4.62、2.70、1.97、2.85、3.76、2.57、0.76、1.78 t。

从图4中可以看出,1号车工作区域有5个收集点,2号车则有8个之多,前者采用分支限界法,后者采用C-W节约法优化线路。优化结果见表2所列。

表2 优化计算结果

路线2中的4.426 km为满意解,通过分支限界法验证,此解在这种情况下是最优解。由此可见,对望湖城中转站的垃圾收运作业路线进行优化后,结合垃圾收集车的运输次数,2辆收集车的总行驶路线长度为24.74 km。

实际作业中,车辆的作业路线是由司机根据经验规划得出的。调研的2辆垃圾收集车完成作业任务,共收运垃圾45.44 t,其作业路线分别为:

1号线: HW-1→B→D→E→C→A→HW-1,路程3.107 km。

2号线:HW-1→F→G→I→K→M→L→J→H→HW-1,路程4.509 km。

调研区域的2车次总路程为25.96 km,优化后总路程减少了1.22 km,节约了4.70%,一定程度上提高了作业的效率。

4 结 论

(1) 垃圾收运系统是城市垃圾管理问题的关键环节之一,不断地改进和深化城市固体垃圾收运系统,具有重要的意义。

(2) 本文针对垃圾收运系统中的转运站选址、车辆行走路线问题,建立了相应的数学模型,并以合肥市滨湖新区垃圾收运系统为例,提出了转运站优化选址方案,并为车辆收运路线提供了理论上的最优方案。单以望湖城转运站为例,经过优化后为垃圾收运路线节约1.22 km,以1 a计算可以节约445.30 km以及可观的油耗和人力成本,此外对能源和环境也具有积极的意义。这说明建立的研究方法对于大区域城市收运路线优化是可行的、有效的,对实际作业过程具有一定的指导意义。

(3) 垃圾收运是日常化作业,随着城市的发展以及问题规模的扩大,优化的作用将更加明显。

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(责任编辑 张淑艳)

Optimization study of solid waste collection and transportation system of Binhu New District in Hefei City

JIANG Xun1, ZHANG Rui2, XU Deqian1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Transport Consulting and Design Institute, Hefei 230088, China)

As a part of the integrated urban waste management system, the waste collection and transportation system is of importance. The cost of urban solid waste collection and transportation accounts for a large proportion in the total waste treatment cost. It can effectively save cost to deal well with the waste collection and transportation problems. In this paper, taking the waste collection and transportation system of Binhu New District in Hefei City as an example, the optimization models of the vehicle collection and transportation route and transfer station location are established, which can provide a decision-making basis for actual waste collection and transportation operations.

waste collection and transportation; route; transfer station location; branch threshold method; sweep algorithm

2015-07-29；

2016-02-29

江 浔(1990-),男,安徽桐城人,合肥工业大学硕士生; 徐得潜(1960-),男,安徽青阳人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.021

X705

A

1003-5060(2016)11-1543-05