汉中市城市生活垃圾收运路线优化研究

唐欣

摘要：随着城市化进程不断推进，城市生活垃圾数量剧增，生活垃圾处理问题就成为社会各界关注的焦点。论文主要以汉中市汉台区垃圾收运为研究对象，以经济最优化为目标，对垃圾收集与运输路线现状进行调研分析，构建在一定条件下路线优化模型，运用蚁群算法在matlab软件中进行仿真测试，求解车库—各个垃圾收集點—江北垃圾处理中心的垃圾收运最短路线方案，对优化结果进行分析总结后，得出在最短路径下的成本方案，并实现预期经济目标。

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.

关键词：城市生活垃圾;经济最优化;收运路线寻优;蚁群算法

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

中图分类号：TU993.3                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0079-04

0  引言

随着生活质量提高的同时生活垃圾数量也随之剧增，居住环境质量和生活垃圾处理问题就成为了民众和政府关注的重点。垃圾对环境的破坏主要表现在对土地等自然环境地侵染、垃圾随处堆放对水资源地污染，从而对城市中的居民健康问题构成威胁，面对这些层出不穷的问题，人们意识到要对其进行全面管控。

在垃圾收运工作中科学选择收运路线尤为重要。传统的收运方式中，存在收运时间长、行车距离远、整个收运过程效率低下等缺点。研究表明，合理的收运线路可以有效节省收运时间提高收运效率和降低燃料成本，减少车辆的运输成本，提高各个环节的工作效率。因此，以经济最优化为目标，对城市生活垃圾收运路线进行优化分析会产生巨大的经济效应与环境效应。

在路线优化研究方面，20 世纪80 年代，C.e等人提出适用地区运输网络模型的两阶段法以及三阶段随机动态复合整数线性运输模型，以寻找最优路径;Chang等人在1996年合理分配收运系统中生活垃圾在处理终端和中转站之间的比例;在中国，早期付乾从技术、经济和环境效益角度出发等方面论述3 种垃圾运输模式;黄媛媛以重庆市城区为研究对象，通过spss软件采用聚类分析方法进行讨论。国内对生活垃圾路线优化研究较多，主要利用遗传算法、神经元理论等，近年来又结合物联网技术通过建模软件对收运路线进行优化分析讨论。

1  汉中市垃圾收运现状与内容分析

1.1 城区的垃圾收运现状

生活垃圾收集与运输体系包括收集、运输和转运三个模块。经调查，目前城市生活垃圾收运过程中存在两种收运模式：一种为转运站到垃圾处理站的点对点模式;另一种为包括垃圾压缩车的多点集收运。本文的研究对象为包括压缩车的多点集收运：

垃圾车的工作路线可以简化为：各个垃圾收集点—中转压缩站—垃圾处理中心。

具体过程可描述为：垃圾收运车首次从车库出发，此时车辆为空闲状态，经由垃圾收集点收集垃圾，装载满后直接驶向垃圾处理中心，此为第一次收运;在垃圾处理中心卸空垃圾后返回垃圾收集点进行第二次装载，完成装载后驶向垃圾处理中心进行第二次卸货;若还存在未收集垃圾点的区域，则返回未收集网点继续收集，直至清空所有垃圾，最后收运车由垃圾处理中心工作完成后返回车库，此为最后一次行程。过程见图1。

汉中作为陕南地区的一个交通要道在近几年得到了大力发展，目前主要推行混合模式对垃圾进行收运。垃圾收运车分为两种：摆臂车和拉臂车，其中摆臂车的限载量为8m3，拉臂车的限载量为16m3，目前投入使用的摆臂车32辆，拉臂车15辆。垃圾收运路线指环保部门通过收运车从各个公共区域收集生活垃圾后运送到垃圾收集點，由摆臂车将收集点的垃圾运输到垃圾压缩站，固体生活垃圾经过压缩处理后，最后由拉臂车运往江北垃圾处理厂。其中，收集站点大约为35个，主要的五个大型站点分别位于桥北广场、饮马池市场、崔家营、明珠小区以及陕西理工大学南门。

1.2 城区垃圾收运存在问题

本文主要研究汉中市城区即汉台区垃圾收运模式，目前实行的垃圾收运模式为小区、酒店、公园等公共场所将垃圾回收点设置为一个临时投放点，当临时投放点的垃圾收集满后，由环卫工人用垃圾收运车从各个公共区域收集生活垃圾后运送到垃圾收集点，由摆臂车将收集点的垃圾运输到垃圾压缩站，固体生活垃圾经过压缩处理后，最后由拉臂车运往江北垃圾处理厂。在此过程中，汉台区的垃圾收运存在两个问题：垃圾收集站的选址困难，在垃圾收集站处如果不能及时清理垃圾，存在对周围环境的二次污染;当垃圾收运车从各个环节进行收运时，需要环卫工人反复将垃圾装车运输，工作量大。

1.3 研究内容及技术方案

1.3.1 研究主要内容

论文主要以汉中市汉台区的垃圾收运路线为研究对象，以经济最优化为目标，通过对收运路线建模分析，结合群智能优化算法中的蚁群算法，在matlab中进行仿真求解，得到最短路径距离。论文之所以选取蚁群算法来解决汉中市垃圾收运路线优化问题，一方面是因为路径优化问题隶属于旅行商（tsp）问题，蚁群算法具有较好地全局搜索能力;另一方面实际生活中往往需要对多种动态环境进行路径规划，比如地震中有些地区坍塌导致无法行进，蚁群算法可满足多种环境需要。

1.3.2 研究技术方案

蚁群行为来源于自然现象，蚂蚁没有视觉且蚂蚁记忆功能十分有限。之所以能够协同作业，是因为他们之间存在一种重要物质——信息素，以此来进行信息交流，从而展现出群体智能行为。在开始选择路径时，他们随机选择一个方向前进，在前进的同时释放信息素，当下一只蚂蚁继续选择时，就会选择信息素浓度较高的路径，此为距离较短路径。于是形成一个正反馈影响机制：最短路径上的信息素不断累积，而除最短路径之外的其他路径信息素逐渐减退，最终获得最优路径方案。过程见图2。

2  汉中市城市生活垃圾收运路线优化建模

2.1 汉中市收运路线问题描述

将汉中市的垃圾收运路线简化为将垃圾从各个垃圾收集点运输到垃圾处理中心的过程。整个收运过程是从车库—垃圾收集点—垃圾处理中心，垃圾运输车从车库出发的时候是空车，他可以在去的路上先收集七个点，此为一条路径，其中垃圾收集点为35个，那么在整个循环过程中循环四次，也就是四条路径，单向路径为一条，总共为6条路径，求6条路径之和的最小值。收运过程见图3。

2.2 基本假设和符号说明

2.2.1 基本假设

①每个垃圾收集点每天的垃圾收集量相等;

②任意两点间的道路都是畅通无阻的;

③各个收集点的垃圾日产日清;

④垃圾收运车所耗费成本与他所走路程长短成正比关系。

2.2.2 符号说明

当车辆达到满载状态则无法继续收集垃圾;有p辆车，要形成p个最初行程和p个最终行程。最优解中最多有l个行程，则中间行程最多有l-2p个。

2.3 数学建模

3  汉中市城市生活垃圾收运路线优化实证

3.1 相关数据及处理

3.2 实证过程与结果

在matlab中对已经构建的模型进行仿真测试。建模的过程中，假设每个垃圾收集点的垃圾量是相等的都为1吨，每辆垃圾收运车的限载量为7吨，所以一辆车只能够收集7个地方的垃圾，设置35个垃圾点，整个过程就循环5次，有5条循环线路和一条单向线路。根据蚁群算法原理编写代码，其中把垃圾收集点分为5部分，运行代码对事先已设置好的坐标点进行仿真测试，得到了寻优结果。

3.3 结论与建议

整个过程中，首先以经济最优化建立目标函数，即收运总成本=垃圾量×单位垃圾处理成本+路径长度×单位长度成本;在整个过程中，迭代寻找最佳路径为蚁群算法的核心，蚁群逐个访问各个垃圾收集点，直至遍历完所有的垃圾点，形成整个问题的解空间，然后计算各个蚂蚁经过路径的长度，经过多次迭代后，记录各条路径的迭代次数选择最佳路径。最终经济效益也得以实现。通过计算得到，没有优化前汉中市城区垃圾收运的路径长度大约为150，优化后的路径为87，假设每单位距离需要的成本为6，那么优化前的收运成本大约为900，优化后的收运成本为522。综上所述，通过对汉中市垃圾收运路线的优化，实现了经济最优化的目标，大大降低了运输成本，提高各个环节的收运效率，因此，优化垃圾收运路线具有重要现实意义。

研究表明，目前对垃圾收运系统的研究存在以下特点：①对垃圾收运路线优化时忽略了成本问题，也即经济最优化目标;②对运输路线的选择与计算机技术的结合较少;③对城市垃圾收运路线优化结果不能与城市化进程保持同步，不适合于长期使用。

4  结语

本文立足于群智能优化算法的基础上，通过对已有的国内外垃圾收运系统现状进行梳理，对汉中市主城区垃圾产量、收运方式、处理方式以及垃圾站地理位置进行实地调研考察，基本完成了对汉中市垃圾收运系统模型建立，最后运用蚁群算法完成了在整个过程中的路线寻优，并实现了成本最低的目标。在未来，对城市垃圾收运路线的研究将不断完善更新：城市中生活固体垃圾的运输问题将会综合考虑环境因素、综合效益等多个方面，将环保置于首要位置;现实问题与网络技术结合起来会进行更加准确优化的研究;对于城市垃圾收运模式由静态转向动态研究，不断适应城市发展进程;最后，随着理论知识与实践基础的不断完善无论都会为我国垃圾收运系统优化研究提供了更为完备的基础框架。

参考文献：

[1]李孟霖.基于蚁群tsp算法的路径规划问题研究[A].中国指挥与控制学会.第六届中国指挥控制大会论文集（上册）[C].中国指挥与控制学会：中国指挥与控制学会，2018：7.

[2]王爽瑶，范爽，王健，沈镕荣.基于蚁群算法的物流配送路线优化研究——以重庆市渝中区为例[J].经贸实践，2017（13）：31-32.

[3]姜薇薇.农村生活固体垃圾收运系统选址与路线优化研究[D].曲阜师范大学，2014.

[4]路玉龍，赵扶摇，韩靖，张鸿雁.城市生活垃圾收运路线优化的数学模型与算法[J].环境科学与管理，2010，06：46-50.

[5]王芳芳，秦侠，刘伟.城市生活垃圾收集与运输路线的优化[J].四川环境，2010，04：115-119，130.

[6]潘天洋.城市垃圾运输处理中运输规划的研究现状与方向[J].价值工程，2012，22：299-301.

[7]吴鸿雁.距离和时间双重视角下物流运输路线优化探讨[J]. 商场现代化，2016，11：52-53.

[8]邵凯月，丁根宏，田园.多车型车辆调度问题的优化模型[J].数学的实践与认识，2016，18：1-9.

[9]熊沂铖，王杏，李金龙，秦芃.随机车辆路径问题研究探讨[J].时代农机，2016，10：71-72.

[10]陈曙权.蚁群算法模式下的物流配送车辆路径优化问题[J].科技经济导刊，2016（35）：152.

[11]r. saritha，s. s. vinod chandra. multi dimensional honey bee foraging algorithm based on optimal energy consumption[J]. journal of the institution of engineers （india）： series b，2017，98（5）.

[12]eric papenhausen，klaus mueller. coding ants： optimization of gpu code using ant colony optimization[J]. computer languages， systems & structures，2018，54.