数学建模论文(A[1][1].垃圾的分类处理与清运方案)(建议修改处)道县五中__道县教育局

垃圾的分类处理与清运方案1数学建模比赛预选A题：垃圾分类处理与清运方案设计垃圾分类化收集与处理是有利于减少垃圾的产生，有益于环境保护，同时也有利于资源回收与再利用的城市绿色工程.在发达国家普遍实现了垃圾分类化，随着国民经济发展与城市化进程加快，我国大城市的垃圾分类化已经提到日程上来.2010年5月国家发改委、住房和城乡建设部、环境保护部、农业部联合印发了《关于组织开展城市餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点工作的通知》，并且在北京、上海、重庆和深圳都取得一定成果，但是许多问题仍然是垃圾分类化进程中需要深入研究的.在深圳，垃圾分为四类：橱余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾和其他不可回收垃圾，这种分类顾名思义不难理解.其中对于居民垃圾，基本的分类处理流程如下：在垃圾分类收集与处理中，不同类的垃圾有不同的处理方式，简述如下：垃圾的分类处理与清运方案21）橱余垃圾可以使用脱水干燥处理装置，处理后的干物质运送饲料加工厂做原料.不同处理规模的设备成本和运行成本（分大型和小型）见附录1说明.2）可回收垃圾将收集后分类再利用.3）有害垃圾，运送到固废处理中心集中处理.4）其他不可回收垃圾将运送到填埋场或焚烧场处理.所有垃圾将从小区运送到附近的转运站，再运送到少数几个垃圾处理中心.显然，1）和2）两项中，经过处理，回收和利用，产生经济效益，而3）和4）只有消耗处理费用，不产生经济效益.本项研究课题旨在为深圳市的垃圾分类化进程作出贡献.为此请你们运用数学建模方法对深圳市南山区的分类化垃圾的实现做一些研究，具体的研究目标是：1）假定现有垃圾转运站规模与位置不变条件下，给出大、小型设备（橱余垃圾）的分布设计，同时在目前的运输装备条件下给出清运路线的具体方案.以期达到最佳经济效益和环保效果.2）假设转运站允许重新设计，请为问题1）的目标重新设计.仅仅为了查询方便，在题目附录2所指出的网页中，给出了深圳市南山区所有小区的相关资料，同时给出了现有垃圾处理的数据和转运站的位置.其他所需数据资料自行解决.垃圾的分类处理与清运方案3论文题目：垃圾分类处理与清运方案设计姓名1：唐宏庆学号：09090230专业：数学与应用数学姓名1：赵彩仙学号：09090248专业：数学与应用数学姓名1：邓建华学号：08190106专业：计算机科学与技术2011年5月7日垃圾的分类处理与清运方案4一．摘要城市生活垃圾是人们生活中产生的固体废弃物.在收集、运输和处理处置过程中，垃圾中所含有的和产生的有害成份，会对大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响城市环境质量，而且威胁人民身体健康，成为社会公害之一.如何解决城市垃圾问题，还城市乡居民一个健康洁净的生存环境，已引起全社会的高度重视.现在我们以深圳市南山区垃圾的分类处理与清运为研究对象，根据南山区生活垃圾的特性，设计一个科学合理的垃圾的分类处理与清运方案，因此我们需对垃圾车的收运路线进行合理优化，以降低收运系统成本，减少环境污染和社会影响.本文在参考国内外大量文献的基础上,研究了国内外城市生活垃圾收集与运输路线的优化模型与方法,通过各种模型与方法的对比,借鉴已有的研究思路与方法,应用神经网络的理论，找出影响垃圾分类处理与清运的主要因素，采集人工神经网络训练所需的样本并进行数据预处理；设计一套相应的算法并进行计算机实现；分析基于人工神经网络的垃圾的分类处理与清运系统的作用、应用方法与可以推广和改进的地方，从而建立一套有效的垃圾分类处理与清运系统.关健词：生活垃圾人工神经网络模型数据预处理计算机算法收运系统优化模型深圳市南山区垃圾的分类处理与清运方案5二．问题的提出：面对城市生活垃圾泛滥成灾和围剿城市的现实，我们有必要选择科学合理的方案，以还居民一个洁净舒适的生活环境，但同时我们也面临多条线路的选择问题.现在拟开发一个解决清运线路选则问题的自助查询计算机系统，要解决的核心问题就是线路的选择的模型和算法实现.需要解决的具体问题如下：1）假定现有垃圾转运站规模与位置不变条件下，给出大、小型设备（橱余垃圾）的分布设计，同时在目前的运输装备条件下给出清运路线的具体方案.以期达到最佳经济效益和环保效果.2）假设转运站允许重新设计，请为问题1）的目标重新设计.三．问题的分析：近年来,随着经济的快速发展,城市人口的迅猛增加以及人们生活水平的不断提高,城市生活垃圾问题成为日渐突出的问题,垃圾的产生量大于清运量,无害化处理量更小,垃圾污染事故频出,严重破坏了城市生态环境系统的平衡.城市生活垃圾已成为制约城市社会经济发展的主要因素之一.城市生活垃圾的运输环节是垃圾处理系统中的重要组成部分,在垃圾处理成本中,收集与运输成本占相当大的比例,如Wilson指出美国每年的垃圾处理费用总额约在200亿美元左右,其中收集运输费用已超过100亿美元[1].因而有必要对垃圾车的收运路线进行合理优化,以降低收运系统成本,减少环境污染与社会影响.因此,如何使城市生活垃圾的收运系统快速化、高效化、合理化、经济化是近年来被广泛关注和研究的一个课题.3.1问题所要考虑的主要因素在研究垃圾分类处理与清运方案和相关算法时，我们有必要考虑问题的主要因素，在保证垃圾能正常合理的转运清运处理下，尽量的节省能源，即里程最短、费用最少、时间尽量少、车队规模尽量小、车辆利用率高等.垃圾的分类处理与清运方案63.2问题的转化与数学描述问题的关键是在一定条件下求出任意两站点之间的投资线路.如果将所有站点看作结点，站点之间用同一趟车转运垃圾（当考虑站点间运送时间时）可以到达看作一条有向边，所花费的时间看作边权，则某一时刻的的公共交通状态便形成了一个网络.因为站点与站点之间可能有多种到达方式，所以该网络是一个多重有向图[2].问题就转化为一个图论问题，即在给定的加权网络图中寻找任意两点之间满足一定权值条件（本题表示为路径最短、耗时最少等）的一条通路.3.3算法选择及其时间复杂度分析在算法的选择上，很自然地想到Dijkstra最短路径算法.因为该算法稳定性好，能适应网络拓扑的变化，同时对系统的内存空间占用少.但在经过试验后，我们发现该算法的数据结构及其实现方法、时间复杂度等方面在本题应用上表现出较大的不足.其一，数据结构复杂.一般而言，无向图可以用邻接矩阵和十字链表表示.但垃圾站节点线路网络拓扑，很难用现有的数据结构加以完整的表示.如果采用该算法分析，其建立的数据结构模型将非常复杂.其二，算法时间长.我们在试验时还只规定最多两次换乘，在大量数据的情况下，计算速度就慢得让人难以忍受，根本达不到实时查询的需要.该算法的时间复杂度为2(,)Omn，其中m表示站点结点数，n表示所有结点数.其三，垃圾站节点转车的特殊性并不一定要求用Dijkstra算法求出一条最短路径.使用Dijkstra算法计算出来的结果可能是需要转乘多次或上十次车才能到达.这样的计算结果是毫无意义的.其次，我们尝试使用了动态规划算法[4]求解.由于数据量大，其运行时间也是很漫长的，中间甚至出现了死机现象.所以也不适宜用来进行实时计算.于是，我们考虑，如果在搜索过程中能够优先考虑靠近终点方向的顶点，即使用启发式搜索，则可以减少算法搜索空间，并大大提高算法搜索效率.目前在关于路径优化问题最流行的启发式搜索算法是弗洛伊德算法.该算法在选择下一个被检查的节点时，对当前节点距离终点的长度（权值）进行估计，评价其处于最优路径上的可能性量度，这样就可以首先搜索可能性大的节点，达到提高搜索效率的目的.考虑到本题特殊情况，我们在搜索过程中考虑了优先级，对弗洛伊垃圾的分类处理与清运方案7德算法选择具有最小估价函数值的节点改为选择具有最大优先级的节点.这一改进应该能够很好地解决上述其他算法遇到的困难.3.4考虑转运站重新设计的情况把转运站所管辖的小区做近似处理，以带点的处理方式，根据题目所给的居民数据，利用计算机进行合理分布.四．符号说明和模型假设4.1符号说明iV图的顶点，1,2,i；ijE连接顶点iV和jV的有向边；),,(EVG由顶点集V、边集E和权向量构成的有向多重图；N所查询的始发站至终到站的可行路线方案数；k所查询的始发站至终到站的第k个可行路线方案的转乘次数；ijd从顶点iV到jV的路程；kiFk方案总费用.4.2模型假设H1为简化问题，只考虑垃圾清运系统正常营运的情况；H2假设题中所给数据真实可靠；H3假设居民将垃圾放入垃圾站时，已将垃圾分好类.H4假设任意相邻两个垃圾转运站点之间的距离相同.垃圾的分类处理与清运方案8五．数学模型的建立与求解5.1数学模型的建立城市垃圾收运是由产生垃圾的源头运送至处理处置场的全过程操作，包括3个阶段：①收集———垃圾从产生源到公共贮存容器的过程；②清运———指清运车沿一定路线清除贮存容器内垃圾并将其转运到垃圾转运站的过程（在一定情况下，清运车可直接将垃圾运送至处理处置场）；③中转———指在转运站将垃圾装载至大容量转运车，远途运输至处理处置场.前1个阶段需要对垃圾产生源分布情况、垃圾产生量及成分等进行调查和预测；后2个阶段需要运用最优化技术对清运线路和转运站垃圾分配运输进行优化.5.1.1．城市生活垃圾产生量预测方法城市生活垃圾收运模式的设计是在对生活垃圾产生量作正确预测的条件下进行的，因为设计的收运模式，不仅应满足当前垃圾产生量的需求，而且应该能够应对未来几年的变化.我们运用灰色系统模型分析法进行预测.灰色系统模型GM包含模型的变量维数m和阶数n，记作mnGM,.在生活垃圾产生量预测中普遍使用1,1GM模型.通过对原始的时间序列数据进行累加处理后，数据便会出现明显的指数规律，通过进一步分析，可以进行垃圾产生量预测.在实际应用中，灰色系统模型预测法会产生正误差，而线形回归分析方法的预测结果偏小.因此可以结合2种预测方法的特点，运用2种预测值的加权平均值作为垃圾产生量的推荐值〔2〕.5.1.2．垃圾清运路线优化垃圾物流是一种具有“产生源高度分散、处置高度集中、产生量和品质随季节变化”特点的“倒物流”系统，是从分散到集中的过程；而生活物质供应“正物流”是商品从集中到分散的过程.虽然2种物流在表现上有所区别，但也有本质联系.在环卫作业中采用先进的生活垃圾物流管理环境卫生工程Environmental垃圾的分类处理与清运方案9SanitationEngineeringVol．17No.4August2009第17卷第4期2009年8月·43·环境卫生工程第17卷技术，可以有效提高效率，降低成本.因此垃圾清运车辆选择、路线优化可以参照物流配送系统对运输车辆的优化调度.车辆调度问题一般定义为：对一系列发货点／收货点，组织适当的行车路线，使车辆有序地通过它们，在满足一定的约束条件（如货物需求量、发送量、交发货时间、车辆容量限制、行驶里程限制、时空限制等）下，达到一定的目标（如路程最短、费用极小、时间尽量少、使用车辆尽量少等）〔3〕.比照物流学中车辆调度问题〔4〕，建立垃圾清运的基本模型.用o标志垃圾转运站；设有n个清运点，分别用标志;,,2,1n完成清运任务需要的车辆数为m，每个车辆的载质量为c；每个清运点的垃圾产生量为nigi,,2,1；转运站和各清运点中任意两点之间的运距用njnidij,,2,1,0;,,2,1,0表示；第k辆车的行车路线称为第k条子路径，其包含清运点的数目为kpnk,表示第k条子路径中nk个清运点组成的集合，其中的元素nkipki,,2,1代表第k条子路径中顺序为i的清运点；0kp、1knkp均表示转运站，即010knkkpp.kikiiikpdpnmMinz1111，nnk1，mk,,2,1；（3）nnkmk1；（4）cgpnkki1，;,,2,1,,2,1mknkippkik（5）21kkppΦ；.,,2,1;,,2,1,2121mkmkkk（6）经证明：一般车辆优化调度问题属于组合优化领域的NP-hard问题，通常采用启发式算法进行求解.例如EugêniodeOliveiraS