利用产能过剩生活垃圾转运站建设大件垃圾集散设施选址研究*

曹方琼，陈海滨，苗 雨，吕 露，汪俊时，高章龙，朱 斌，欧阳秀莉，阮 滨，谢宗汉，段盼盼

（1.华中科技大学，湖北 武汉 430074；2.武汉华曦科技发展有限公司，湖北 武汉 430070）

1 引言

垃圾分类收运处理系统的顺利运行既需要在源头对垃圾进行有效分类，也有赖于后续配套完善的收运处理设施［1］。随着垃圾分类制度的推进以及分类效率的不断提升，垃圾已由原来的混合垃圾流转变为分类后的多分支垃圾流，高价值可回收物重新回收利用，有害垃圾、厨余垃圾单独收运处理。厨余垃圾约占城市生活垃圾总量的40%～60%［2-3］。目前大部分城市采用直收直运的收运处理方式，部分大型城市采用集散转运的收运处理方式［4］。厨余垃圾转运设施建设要求较高、选址较难，不便进行较多选址，可在大型转运站的部分多余坑位进行统一改建。因此，传统生活垃圾转运站逐步只需转运可回收物和其他垃圾，将会面临严重转运能力过剩的问题，部分转运站甚至空闲。

随着社会经济的迅猛发展，现今社会上“新兴垃圾”产生量急剧增加，包括大件垃圾、园林垃圾、装修垃圾等。受历史原因的制约，传统垃圾转运系统并没有考虑新兴垃圾的收运需求。由于大件垃圾体积和质量较大、整体性强、不易压缩，故运输效率较低，需要进行拆解或破碎处理。选择部分合适的生活垃圾转运站建设为大件垃圾集散设施是解决传统生活垃圾转运站产能过剩问题及其不能适应新的分类发展需求问题的有效途径。

大件垃圾有“预约+集约直运”和“集散转运”两种收运模式。“预约+集约直运”指的是大件垃圾产生者电话或网上预约后，由收运公司直接将大件垃圾统一运往大件垃圾处理厂。“集散转运”是指通过产生者自运、预约或定时定点收集将大件垃圾运输至大件垃圾集散设施，经简单拆解后统一运往大件垃圾处理厂。这两种大件垃圾收运模式如图1 所示。

图1 大件垃圾收运模式

本研究从经济、环境和社会3 个方面着手建立多目标模型，采用层次分析法和专家打分法确定各单目标权重，着力解决将产能过剩的传统生活垃圾转运站建设为大件垃圾集散设施的选址问题。

2 选址方案模型构建

2.1 模型建立

2.1.1 模型变量及参数描述

I：大件垃圾集散设施备选点i 的集合（i∈I，i=1，2，…，n）。

J：大件垃圾处理设施集合（j∈J）。

n：大件垃圾集散设施备选点的个数。

q：选中的大件垃圾集散设施的个数，q≤n。

mi：第i 个大件垃圾集散设施所配备的集散转运车辆数。

pi：第i 个大件垃圾集散设施所有车辆单日累计运输次数。

Ui：第i 个大件垃圾集散设施设计规模。

V：每辆转运车单次运输量。

Uin：收集到该地区大件垃圾集散设施的总垃圾量。

Lij：第i 个大件垃圾集散设施至第j 个大件垃圾处理设施间的距离。

LCi：第i 个大件垃圾集散设施的土地成本，由集散设施的面积大小和土地价格综合确定。

EC：处理单位大件垃圾设施设备成本，一般仅考虑拆解功能，不考虑破碎功能。

OC：处理单位大件垃圾运行成本，包括设施设备维修保养费用、工作人员薪酬、水电费等。

TC：将大件垃圾从集散设施运输至处理设施的单位运输成本。单位运输成本与运输车辆的性能、司机薪资、车辆折旧、油费有关，在运输大件垃圾车型相同的情况下，单位运输成本为定值。

PC：集散设施单位大件垃圾环境污染处理成本，包括粉尘和噪音污染处理成本。

δdu：粉尘污染转化系数。

δnoi：噪音污染转化系数。

RC：治理单位大件垃圾道路运输过程中产生污染物的成本。

RE：第i 个大件垃圾集散设施单个转运车辆主要污染物排放因子总和。机动车尾气排放因子指的是机动车正常行驶过程中单位行驶距离的污染物排放量，单位为g/km。

ρip：第i 个大件垃圾集散设施附近的人口密度。

ρir：第i 个大件垃圾集散设施至大件垃圾处理设施道路附近的人口密度。

θp：集散设施受到社会影响的人员范围。

θr：运输受到社会影响的人员范围。

ζp：大件垃圾集散设施社会当量影响系数。

ζr：运输路径社会当量影响系数。

κp：大件垃圾集散设施社会污染影响系数。

κr：运输路径社会污染影响系数。

2.1.2 确定目标函数

1） 模型经济目标包括土地成本、设施设备成本、集散设施运行成本和运输成本，可表示为：

2） 模型环境目标通过环境污染治理成本来衡量［5］。模型环境目标包括大件垃圾集散设施自身环境影响和大件垃圾集散设施到大件垃圾处理设施运输路径上所产生的环境影响。后者参考COPERT IV 模型，主要考虑运输车辆排放尾气中的有害成分，本研究以分担率较高的CO、NOx、HC 和PM为标准衡量有害程度。模型环境目标可以表示为：

3） 模型社会目标包括大件垃圾集散设施和大件垃圾集散设施到大件垃圾处理设施运输路径上社会影响所造成的居民负面情绪。该模型社会目标可以表示为：

4） 本研究引入权重系数ωec、ωen和ωso来表示3 个目标的重要性，引入社会目标量纲转换因子μ对社会目标进行数学转化，消除数据量纲不一致的影响［6］。根据大件垃圾社会影响程度取μ 为30，将大件垃圾集散设施选址多目标模型转化为单目标模型，转换后的综合目标最小模型如下：

2.1.3 确定约束条件

其中，式（5） 表示第i 个大件垃圾集散设施的垃圾只能运往第j 个大件垃圾处理设施；式（6）表示第i 个生活垃圾转运站最多只能建设1 个大件垃圾集散设施，可不在此处建设；式（7） 表示收集到该地区的大件垃圾集散设施的总垃圾量与各集散设施集散转运至大件垃圾处理设施的垃圾量一致；式（8） 表示收集到该地区大件垃圾集散设施的总垃圾量不超过该地区大件垃圾总集散转运设计量；式（9） 和式（10） 表示第i 个大件垃圾集散设施产生的粉尘、噪音污染应小于该集散设施的粉尘污染治理能力（PTCidu） 和噪音污染治理能力（PTEinoi）；式（11） 表示选中的大件垃圾集散设施个数小于大件垃圾集散设施备选点的个数。

2.2 求解算法

本研究采用禁忌搜索算法对垃圾转运设施布局重构研究中大件垃圾集散设施多目标选址模型进行求解，具体操作步骤如下所示。

1） 编码及初始解的确定。在符合约束条件的基础上，初始解随机产生。本文采用0-1 编码，1表示该垃圾转运站被选中，0 表示该垃圾转运站未被选中。例如，从4 个生活垃圾转运站中选取2 个建设为大件垃圾集散设施，｛0 1 0 1｝ 表示选取第2个和第4 个，而第1 个和第3 个未被选取。

2） 适应度函数的确定。适应度函数是确定当前解的重要依据，将目标函数（4） 作为该模型的适应度函数，适应度函数值越低，所选择的最优解越符合模型需求。

3） 邻域的构造。在移动确定邻域对象时采用两两交换方式，在确定一个当前解后，放弃当前解选取的随机一个大件垃圾集散设施，同时随机选取一个原来未被选取的大件垃圾集散设施备选点作为交换，如｛0 1 0 1｝ 的邻域为｛0 1 1 0｝、｛1 1 0 0｝、｛1 0 0 1｝、｛0 0 1 1｝。一个当前解有q（n-q） 个邻域。

4） 禁忌对象和禁忌长度。禁忌对象是在搜索过程中被禁忌的对象，禁忌长度指的是禁忌表最长移动次数，即对象最多不被选中的次数。如｛0 1 0 1｝ 的新解为｛0 1 1 0｝，表示第3 个大件垃圾集散设施被选取，第4 个大件垃圾集散设施被禁忌成为禁忌对象，除符合特赦准则之外禁忌对象在禁忌长度的移动次数范围内不会被解禁。禁忌长度没有特定要求，需要根据模型的实际情况进行设定。

5） 特赦准则。判断候选解是否符合特赦准则，当邻域的所有候选解都被禁忌时，解禁其中的最优解为当前解；当禁忌了优于当前解的最优解时，特赦其为当前解。

6） 终止准则。将最大迭代次数设置为终止准则终止算法，当搜索次数达到最大迭代次数时，输出搜索后所得到的结果即为最优解。

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禁忌搜索算法具体求解步骤如下：

Step1：输入参数，随机确定初始解为当前解a，使禁忌表为空。

Step2：判断是否符合终止准则，符合则停止算法输出结果，不符合则进入Step3。

Step3：求出邻域解，分析解的函数适应度。

Step4：判断邻域解是否符合特赦准则，若邻域被禁忌对象中包含优于当前解的最优解b 则被特赦为当前解a，若不包含则非禁忌的最优解c 设为当前解a。

Step5：根据当前解调整禁忌表，进入Step2。

3 案例分析

以垃圾分类后的海口市为研究对象，按照收集大件垃圾的70%采用集散转运的运输方式，预测2025 年海口市秀英区、龙华区、琼山区和美兰区建成区的大件垃圾收运集散设施需求量分别为12、28、17、28 t/d。

目前，海口市现有小型生活垃圾转运站74个。通过实地考察，选择未启用、转运垃圾量较少、周围有多余空地便于后期改扩建的43 个生活垃圾转运站作为大件垃圾备选点。其中，秀英区选取12 个，龙华区选取13 个，美兰区选取8 个，琼山区选取10 个。根据海口市环卫设施实际需求，从海口市下设4 个辖区的建成区中各选取3个合适的生活垃圾转运站建设为大件垃圾集散设施，共12 个。

海口市共规划3 座大件垃圾处理厂，现有两座简易大件垃圾处理场（j1、j2）处理规模均为25 t/d，新建大件垃圾处理厂（j3）处理规模为100 t/d，且位置已知，通过调研定位并按照百度地图坐标拾取系统转化的坐标分别为：j1（110.216，20.018）、j2（110.271，19.939）、j3（110.509，19.592）。括号中坐标值依次为定位点的东经和北纬度。模型设定秀英区大件垃圾运往j1大件垃圾处理厂，龙华区大件垃圾运往j2大件垃圾处理厂，琼山区和美兰区大件垃圾运往j3大件垃圾处理厂。

3.1 多目标选址指标体系

3.1.1 建立层次结构

为确保层次结构的合理性，在构建层次分析模型时，设置目标层S 为大件垃圾集散设施选址影响因素，准则层A 为一级影响因素，子准则层C 为二级影响因素，方案层F 为选址的经济目标、环境目标和社会目标。层次结构如图2 所示。

图2 大件垃圾集散设施选址层次结构示意

在子准则层C 中，各二级影响因素［7］的含义如下所示。

1） 自然环境条件C1指气象、地质条件等，大件垃圾集散设施宜建在地势平坦、下风向、环境干净、地面无渗水现象的区域。

2） 环境污染情况C2指在大件垃圾运输过程中排放的汽车尾气会造成空气污染，大件垃圾集散设施拆解大件垃圾过程中易产生噪音和粉尘污染。

3） 改造难度C3包括传统垃圾转运站现有硬件设施、运行情况，以及转运站周围是否有便于改造扩建的多余空地等对改造难度有影响的因素。

4） 固定费用C4包括土建费用、配套设施设备、车辆费用等一次性投入成本。

5） 可变费用C5包括设施设备和车辆的维修费用、工人薪资、水电消耗等运行成本。

6） 运输距离C6不仅影响着大件垃圾收运的经济成本，也影响着运输过程中尾气的排放量和对行人造成的社会影响。

7） 基础设施C7包括大件垃圾集散设施附近交通、通讯、水、电等基础设施条件。

8） 市容适应性C8直接决定了公众满意度的高低，大件垃圾集散设施建设过程中应保持原有市容的协调性。

9） 法律法规C9指应符合建设、环境污染防治等相关法律法规。

10） 城市环卫规划C10指应符合环卫设施用地等相关城市环卫规划。

3.1.2 确定影响因素权重

所选择的专家包括环卫管理部门工作人员、生活垃圾转运站和大件垃圾处理厂作业人员、转运站附近随机选择的调研对象及参加该项科研任务的课题组成员，共12 人。在互不影响的情况下，专家根据各自的工作经验和切身感受对各指标打分，由专人统计确定综合权重并反馈给各专家，专家对权重结果进行第二轮打分，直至各专家对综合权重较为满意为止。

从准则层开始，把1～9 作为衡量尺度两两比较同一层级各因素重要程度构建判断矩阵。通过计算判断矩阵的最大特征值得到一致性指标，根据一致性指标和随机一致性指标之比，得到一致性比率CR 进行一致性检验。各层影响因素单层判断矩阵如表1～5 所示。

表1 S-A 判断矩阵

表2 A1-C 判断矩阵

表3 A2-C 判断矩阵

表4 A3-C 判断矩阵

表5 A4-C 判断矩阵

3.1.3 方案层层次总排序

通过专家打分法不断优化，求得子准则层C层各因素对方案层S 层的影响程度，如表6 所示。

表6 影响因素综合权重

3.1.4 目标权重确定

在该多目标选址模型中，各目标的权重如表7所示。由表7 可知，经济目标、环境目标和社会目标的综合权重因子ωec、ωen、ωso分别为0.402 7、0.294 8、0.302 5。

表7 多目标选址模型权重

3.2 确定模型参数

结合海口市各地区经济发展状况、统计年鉴、相关调研数据和经验数据得出该模型参数。

1） 大件垃圾集散设施及道路运输相关参数：海口市统一采用中型运输车运输大件垃圾，车辆载荷5 t/辆，装载系数取0.6，故每辆转运车单次实际最大运输量V 为3 t。大件垃圾集散设施及道路运输相关参数如表8 所示。

表8 海口市大件垃圾集散设施备选位置及道路运输参数

2） 其他参数：①在经济目标中，5 t 的大件垃圾运输车辆单价vc 为25 万元/辆，我国大中型车辆报废里程为4.0×105km，计算得车辆单位折旧费为0.625 元/km；司机薪资为1.1 元/km，油费为1.0 元/km，可计算得到单位运输成本TC，各经济目标参数如表9 所示；②在环境目标中，海口市大件垃圾运输车辆平均行驶速度为30 km/h，各污染物排放因子［8-9］分别确定为RECO=1.306、RENOx=1.427、REHC=0.065、REPM=0.092，各环境目标参数如表10 所示；③在社会目标中，根据大件垃圾在集散设施和运输过程中的影响范围内影响概率和影响程度的不同，确定各社会目标参数［10］如表11 所示。

表9 经济目标参数

表10 环境目标参数

表11 社会目标参数

3.3 求解结果

使用禁忌搜索算法对海口市下辖4 个区分别计算，采用Matlab 软件对模型进行求解，算法运行4 次，设置最大迭代次数为200。求解得秀英区、龙华区、美兰区、琼山区4 个区大件垃圾集散设施位置集合分别为I1｛2，4，11｝、I2｛15，20，21｝、I3｛26，30，33｝、I4｛38，40，42｝，其分布如图3 所示，模型综合加权目标值及各子目标值如表12 所示。由表8 数据可知，各区模型选取的集散设施处理能力皆能满足各区大件垃圾处理需求。从综合目标看，在具备同样处理能力的情况下，美兰区的综合目标值明显高于龙华区；琼山区的处理能力不及龙华区，其综合目标值却高于龙华区。因大件垃圾运输车辆承载率较低，且垃圾运输过程关系到运输成本、道路污染环境治理成本和道路污染对社会的影响等方方面面，所以造成海口市4个区目标值差异的原因除了可能与不同区域的土地成本和人口密度有关外，主要与大件垃圾集散设施至大件垃圾处理厂的运输距离有关。

图3 海口市建成区大件垃圾集散设施布局

表12 模型综合加权目标值及各子目标值

4 结论

1） 根据垃圾分类制度推进现状及发展态势，明确在传统生活垃圾转运系统产能过剩的有利条件下，将生活垃圾转运站建设为大件垃圾集散设施具有重要的现实意义。

2） 通过层次分析法和专家打分法确定在大件垃圾集散设施多目标选址模型中，经济目标、环境目标和社会目标的目标权重分别为0.402 7、0.294 8、0.302 5。

3） 模型分别在海口市下设4 个辖区中成功选择3 个生活垃圾转运站建设为大件垃圾集散设施，选址结果表明对系统综合目标值影响较大的因素主要为大件垃圾集散设施至大件垃圾处理厂的运输距离。