垃圾分类处理与清运方案设计

1垃圾分类处理与清运方案设计摘要：本文通过对南山区各种垃圾分类处理的情况特别是厨余垃圾的处理进行分析，以选取经济效益最优处理模式下的厨余垃圾处理中心（下称“处理中心”）的分布和转运站的分布，和各个处理中心的厨余垃圾处理设备（下称“处理设备”）的安排，以及各种垃圾转运的车辆调度。对于问题一，文中通过较为合理的假设，将各个转运站坐标化，然后利用运筹学上约束规划，形成0—1规划模型对其求解，以解出待建处理中心位置坐标和其所属转运站。其中用到了灰色模型预测未来（假设的处理设备的寿命年限内，下同）全区垃圾量，用简单的车辆调度算法安排了每个转运站到各自的厨余垃圾处理中心的转运情况。对于问题二，由于个小区到转运站的距离我们无从得知，我们分别从人口数和转运站两个角度的权衡，对转运站分布设计，然后借助第一问的程序再对厨余中心进行设计。关键词：0—1规划约束规划集合覆盖启发式算法指标函数一、问题重述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：2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：1)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）说明。2)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。二、模型假设1）大、小型厨余设备的寿命均为10年2）假设垃圾已在转运站分好类，即只将厨余垃圾转运到处理中心，其他类型的垃圾分别运往各自处理（回收）的地方3）司机每天有效工作时间为t=4小时4）一个小型处理中心可以同时包含多个小型处理设备，即可以看成多个小型处理设备的组合，大型处理设备和小型处理设备在不同的处理中心5）拖车的平均速度为20/kmh，汽车的平均速度为30/kmh6）处理设备在未来不因设备故障停运7）垃圾转运的路程为横纵坐标差的绝对值的和8）在转运站设计时不考虑对周围环境的影响3三、符号约束M表示大型橱余垃圾处理设备的个数；m表示小型橱余垃圾处理设备的个数；表示现有南山区总人数表示南山区现有垃圾总吨数a表示小型设备垃圾处理中心的个数b表示大型设备垃圾处理中心的个数L表示每天厨余垃圾的处理产生的总费用(1)(1)iixy（，）表示第i个小型垃圾处理中心的坐标(2)(2)iixy（，）表示第i个大型垃圾处理中心的坐标(,)iixy表示第i个垃圾转运站的坐标iW表示第i个垃圾转运站的厨余垃圾吨数il表示第i个转运站的箱数(1)ijd表示第i个转运站到第j个小型设备垃圾处理中心的路程(2)ijd表示第i个转运站到第j个大型设备垃圾处理中心的路程D表示将所有的厨余垃圾转运到各自的处理中心的总路程(1)ijs0-1变量表示第i个转运站是否向第j个小型设备垃圾处理中心运送垃圾，是则为1，不是则为0(2)ijs0-1变量表示第i个转运站是否向第j个小型设备垃圾处理中心运送垃圾，是则为1，不是则为0小区的满意度4转运站的承载度,iSS分别表示深圳市南山区的子集和深圳市南山区全集P总南山区总人数iT最小覆盖集中第i个转运站的转运的吨数iP最小覆盖集中的第i个转运站的所含人数四、问题分析问题一中，分两小问：1）大、小型处理中心的个数和分布设计；2）在目前的运输装备条件下给出清运路线的具体方案。在第一小问中，我们分别根据供需关系和费用约束，通过合理的假设，将设备成本、设备运营费用、和转运路程产生的油费与司机工资形成的总费用消耗，加上题中与实际垃圾处理过程中的各种约束，利用运筹学上约束规划，形成0—1规划模型对其求解，以解出待建处理中心位置坐标和其所属转运站。其中大、小型处理中心的个数文中分别根据总的垃圾量，给出几组较为可能的组合，一一对其求解，然后选取最优组合予以相应设计。对于清运路线，文中仅仅按照总的转运距离给出了需要拖车和司机的个数以及分别所辖转运站，考虑到各地道路分布的特殊性，司机只需按照主观意愿走最近的路线即可，因此文中不予列出。问题二中，要求对垃圾转运站重新设计。按照常理，在设计转运站时，应考虑小区到转运站的距离，找到最小距离从而使运费最小，因此找到了转运站位置。但是由于要找小区的具体位置工作量实在是太大，所以我们换了一个角度考虑问题。建立了人的相对满意率指标和转运站承载度指标，利用这两个指标确定转运设计的个数和位置。五、模型建立5.1、数据整理5.1.1、两种处理设备每天处理厨余垃圾的花费。包括处理设备的运行成本和处理设备的初始投资。（其中小型设备处理能力取250公斤/天）大型设备：投资成本：4500万元/3650天=12328.77元/天运行成本：150元/吨·天5小型设备：投资成本：28万元/3650天=76.71元/天运行成本：200元/吨·天5.1.2、均公里转运费用。转运垃圾的过程中平均每公里的燃油、司机费用消耗。由模型假设中，拖车平均速度为20km/h,每个司机每天有效工作时间4小时，燃油费用为7.51元/升。因此燃油费用：（27.5升/1百公里）*7.51元/升=2.07元/公里司机费用：（3500元/月）*［1公里/（20公里/小时）］/（4小时*30天）=1.46元/公里。由此得，均公里转运费用为：3.56元/公里5.1.3、各转运站的三种垃圾含量垃圾量和箱数。由橱余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾、其他不可回收垃圾比例约为4：2：1：3，求出各转运站厨余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾的吨数如表一。单位：吨最终排序［注①］垃圾转运站名称垃圾转量(吨/日)厨余垃圾iW厨余垃圾箱数il可回收垃圾有害垃圾1麻勘站105.714285712.8571428571.42857142阳光(白芒关外)站105.714285712.8571428571.42857143白芒站84.571428612.2857142861.14285714大石磡站3017.14285728.5714285714.28571435牛城村站52.857142911.4285714290.71428576动物园站2011.42857125.7142857142.85714297平山村站2514.28571427.1428571433.57142868官龙村站158.571428614.2857142862.14285719新围村站2011.42857125.7142857142.857142910福光站105.714285712.8571428571.428571411塘朗站105.714285712.8571428571.428571412长源村站52.857142911.4285714290.714285713西丽路站158.571428614.2857142862.14285716表一：各转运站的三种垃圾含量垃圾量和箱数5.1.4、转运站位置坐标［注②］。比例尺：1cm︰0.617km单位：厘米最终排序位置坐标(,)iixy最终排序位置坐标(,)iixy13.37,16.3020-3.74,0.9220.78,15.6721-0.18,1.1231.30,14.4522-2.46,0.2646.89,13.4023-2.93,-0.585-0.98,12.9224-2.65,-1.5564.90,9.1525-2.30,-2.4674.72,7.8526-3.09,-3.1082.59,8.3727-2.63,-3.4893.00,7.6528-1.85,-3.631010.25,9.3029-4.22,-4.451110.48,8.90301.18,-1.0914同乐村站52.857142911.4285714290.714285715光前站2011.42857125.7142857142.857142916龙井158.571428614.2857142862.142857117松坪山站2514.28571427.1428571433.571428618松坪山（二）站105.714285712.8571428571.428571419月亮湾大道站4022.857143311.428571435.714285720前海公园站169.142857114.5714285712.285714321玉泉站2514.28571427.1428571433.571428622九街站2011.42857125.7142857142.857142923大新小学站3017.14285728.5714285714.285714324涌下村站2011.42857125.7142857142.857142925南山市场2514.28571427.1428571433.571428626北头站158.571428614.2857142862.142857127南园站158.571428614.2857142862.142857128南光站158.571428614.2857142862.142857129南山村站2514.28571427.1428571433.571428630深圳大学站158.571428614.2857142862.142857131科技园站2011.42857125.7142857142.857142932沙河市场站3017.14285728.5714285714.285714333白石洲南站3017.14285728.5714285714.285714334华侨城站70404201035大冲站3520210536疏港小区站4022.857143311.428571435.714285737花果路站3017.14285728.5714285714.285714338望海路站3017.14285728.5714285714.2857143合计————804459.4285763229.7142857114.8571471212.68,9.61311.95,-3.18132.33,5.61326.09,0.5714-1.85,4.55335.56,-1.73155.35,3.953410.35,-0.41167.20,3.55353.60,0.00170.84,3.1236-6.11,-9.50180.60,3.0037-0.50,-9.2519-3.92,1.6538-0.38,-9.99南山垃圾焚烧场-9.09,-9.72罗湖下坪填埋场28.5,7.53表二：转运站位置坐标5.1.5、南山区未来垃圾量的预测。未来垃圾量正比与本区未来人口数。本文用灰色模型预测南山区未来的人口增长。以此得出未来垃圾产量。灰色模型预测方法是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。为了弱化原始时间序列的随机性，在建立灰色预测模型之前，需先对原始时间序列进行数据处理