海淀區廚余垃圾收運路線優化模型及應用研究

任紹娟　孫衛東

(北京市海淀區環境衛生科學研究所，北京　100086)

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海淀區廚余垃圾收運路線優化模型及應用研究

任紹娟1孫衛東2

(北京市海淀區環境衛生科學研究所，北京100086)

【摘要】本文在對廚余垃圾組成和現有收運模式研究的基礎上，建立了垃圾分類小區廚余垃圾收運模型，針對廚余垃圾的收運特點提出了蟻群算法，并以羊坊店街道垃圾分類小區為例進行仿真實現，單車距離明顯縮短，優化效果顯著。

【關鍵詞】廚余垃圾；優化模型；蟻群算法

1引言

本文選取了與混合垃圾收運方式有較大區別的廚余垃圾作為研究對象，探索廚余垃圾收運優化的方法，為今后垃圾分類普遍推廣后廚余垃圾快速、高效運輸提供強有力的保障。

2海淀區廚余垃圾收運現狀

2.1垃圾分類概況

海淀區自2002年開展企事業單位、高校及小區垃圾分類工作以來，經過十余年的垃圾分類宣傳及試點，已經取得了一定的成效。近年來，海淀區日趨重視垃圾的源頭分類，逐步建立了生活垃圾分類收集、分類運輸、分類處理的模式。截至目前，開展了645個小區垃圾分類試點海淀區60%以上的居住小區實現垃圾分類達標[1]。

同國外劃分較細的垃圾分類相比，北京市城鎮地區生活垃圾分類以“大類粗分”為原則，將原生垃圾(即未進行分類和篩分的垃圾)分為可回收物、廚余垃圾和其他垃圾三類，由于可回收物在環衛收集系統中含量較少，垃圾分類主要以“干濕”分類為主，即：分出廚余垃圾(濕垃圾)和其他垃圾(干垃圾)。

2.2廚余垃圾的收運情況

其他垃圾與一般混合生活垃圾收運模式一致；廚余垃圾因具有含水率高、有機質含量、油脂及含鹽量高、易腐敗、容易孳生蚊蠅和病菌、傳播疾病等特殊的理化特性和工程處理特性，在收運中不僅要求及時、快速進行清運，更要求實現垃圾桶與密閉式清運車輛的無縫對接，在實際收運中，環衛作業部門采用密閉性較好的廚余垃圾專用車輛每日進行定點收集。

(1)廚余垃圾的源頭收集。居住小區的居民是廚余垃圾的產生源，為使垃圾分類工作取得實效，海淀區為部分實行垃圾分類的小區家庭配備了分類垃圾桶及分類垃圾袋；居民將產生的垃圾按類別自行投入居住小區設置的分類垃圾桶中。

(2)廚余垃圾的貯存與收集。居民小區內配備由海淀區市政市容委員會統一配發的腳踏式垃圾分類收集桶，分為120L和240L兩種規格。其中，綠色桶為廚余垃圾收集桶，由所屬物業定時將小區內廚余垃圾桶集中至固定點。

(3)廚余垃圾的清運。廚余垃圾的負責清運單位為海淀區環境衛生服務中心，分別由三個作業隊完成垃圾的運輸工作。清運中采用密封性較好的專用廚余車運輸。

因目前分類小區分出的廚余垃圾能達到綜合處理要求的量較少，每輛收集車一般每日收集一次，且每輛車載重難以達到車輛的額定載重，一般約為2噸/車次，車輛的空駛、虧載現象普遍存在，車輛的配置及調度、路線規劃等工作還處于依靠經驗的粗放管理階段。

表1　近年廚余垃圾收集量統計

3數學模型

3.1問題描述

廚余垃圾的收運屬于固定容器收集問題，可以表達為在廚余垃圾收集區域內，垃圾管理部門擁有多輛廚余垃圾收集車輛，每輛車從停車場出發后經過收集點進行垃圾收集，在垃圾量達到車輛的最大運輸能力或收運任務完成后開往廚余垃圾處理場，將垃圾清空后再繼續去收集點重復上述的工作，當所有的垃圾都被運往處理場后返回到停車場。

模型目標是廚余車將任務范圍內的垃圾分類收集點全部經過一次，且要求的路徑為所有路徑中的最小值。優化中考慮人們的生活習慣、廚余垃圾收運時間應在上午盡可能早的時間完成。

3.2模型建立

3.2.1前提假設

(1)假設區域內各收集點的垃圾量總量小于廚余垃圾車的載重量。

(2)假設廚余車收集完規定范圍內任務作業時間小于每日工作時間。

(3)廚余垃圾車在選擇路線時，不考慮當日具體的道路擁堵情況。

(4)每個垃圾點只能訪問一次。

3.2.2變量及參數描述

F：廚余垃圾車收集完所有垃圾點后所行駛的路程；

i，j：垃圾收集點；

d：行駛距離，從頂點i到頂點j的行駛距離為dij；

x：判斷變量；

e：代表邊，即垃圾車在兩個垃圾點之間的路線；

S：G的子圖；

V={1，2，…，n}為頂點集；

E={eij=(i，j)}為邊集；

3.2.3建立模型

①

②

③

④

⑤

目標函數①保證廚余車要將任務范圍內的垃圾收集點全部經過一次，且要求的路徑為所有路徑中的最小值。

約束條件②為判斷條件。

約束條件③限定回路上每個頂點僅有一條入邊。

約束條件④限定回路上每個頂點僅有一條出邊。

約束條件⑤限定回路中不出現子回路。

4算法選擇與計算結果分析

4.1算法選擇

國內外學者重點使用近似算法或啟發算法，主要有遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌搜索算法、貪婪算法和神經網絡算法等[2]。從當前可查閱的文獻情況來看，遺傳算法存在著早熟和收斂慢：禁忌搜索算法需要的運行時間較長、效率較低；模擬退火算法則搜索速度慢等缺點，而蟻群算法具有正反饋、本質的并行性和穩定性強、易于與其他方法結合等特點很適合用來求解路徑優化問題[3]，結合本研究廚余垃圾點回收路徑的優化的問題，運用蟻群算法來解決此類問題是可行的，也是本文的創新點之一。

4.2算法步驟

運用matlab軟件計算流程如圖1所示。

圖1　蟻群算法流程圖

4.3實例仿真實現

海淀區廚余垃圾的收運工作由三個不同的作業隊負責完成。環衛五隊因負責的區域全部位于城區，垃圾分類推廣時間較早，參加垃圾分類的小區較多，本研究以環衛五隊收運部分路段為對象。

按照收集任務的區域，環衛五隊將清運范圍內206個垃圾分類小區劃分為7個收運路段，選取其中一個路段進行研究，通過本文探索性研究，為海淀區廚余垃圾大范圍的優化研究提供參考。

4.3.1典型區域選擇

北京市海淀區轄22個街道，5個鎮，2個鄉。從各街道分類小區廚余垃圾的分出情況來看，分出量較少且不穩定，有的小區甚至2-3天才收集一次，研究中，選擇廚余垃圾收集量較為穩定的羊坊店街道。其中，參加垃圾分類的社區為19個，占整個街道社區總數的52.6%。

4.3.2計算采用參數

本文涉及到垃圾運送路線的最短路徑，包括停車場和廚余垃圾處理設施在內，共有21個點，用蟻群算法來計算出從停車地點到廚余垃圾處理場的最短路線，需要測出每兩個點之間的距離。

由于收集點位較多，有必要對初始數據做簡化處理，對距離小于100米的兩個社區進行合并，合并后的收集點再計入停車場及廚余垃圾處理設施共計18個。因此實際測量距離共18×18=324個數據，測量單位為公里，距離測量中考慮立交橋、紅綠燈等實際情況，形成距離矩陣表。

4.3.3計算結果與分析

本文運用matlab軟件進行仿真實現，得出以下結果。

(1)結果一：從圖2可知，當調整螞蟻數量時，蟻群算法所得出的最短路線不盡相同，從最初選取的20只螞蟻所達到的最短距離39.23公里，到選取900只螞蟻達到的最短距離38.3公里，這之中縮短了近1公里。

圖2　不同螞蟻數量下的最短路線距離曲線圖

當螞蟻數量逐漸增多并達到一定程度時，從圖中可以觀察到，得到的最短路線會趨向于最小值，但同時螞蟻數量的增多會增加系統的運行時間，并且由于蟻群算法容易陷入局部最優的特點，太多的螞蟻數量最后得出的最短路線也并不一定會達到全局的最小值，故考慮到此種情況，本文最終選取900只螞蟻數量來運行，此時得到的最短路線為38.3公里，它已經比目前車輛運行的路徑要短，達到了預期的優化效果。

(2)結果二：當前廚余垃圾車實際路線行駛路程為41.67公里。經過優化后的最短路線為38.3公里，其行走路線如圖3所示。

綜上所述，優化前路徑距離為41.67km，優化后

路徑距離為38.3km，距離縮短3.37km，優化效果較明顯。優化后路線：1-2-3-4-12-16-17-11-10-15-14-13-9-8-7-6-5-18-1。

圖3　最優路線下車輛的行車曲線圖

5結論與建議

本文通過分析廚余垃圾的收運模式，明確了問題的優化目標，并運用數學建模的方法對所提出的問題進行了優化研究，運用蟻群算法以羊坊店街道為研究對象，進行了實例分析。通過對區域內廚余垃圾數據的整理、計算，以matlab軟件為計算平臺進行編程并運算，結果表明，優化夠的收集路線距離較之前縮短3.37km，并對結果進行誤差分析，達到預期的優化效果。

今后幾年，北京將繼續在垃圾源頭分類、收集上加大力度，海淀區廚余垃圾分出率也會隨之逐步提高。在考慮到多車輛、多區域的廚余垃圾回收的情況下，車輛的運行成本、運行時間以及整個車隊的調度都將成為有待優化的問題，本研究提出的蟻群算法下最短路線的模型，可很好地提供借鑒，同時未來的研究方法也可以以蟻群算法模型為基礎，進行必要的擴充和改進。

參考文獻：

[1]2012海淀環衛發展報告.

[2]許少華.北京市城市生活垃圾收運系統優化設計研究[J].北京建筑工程學院，2008.

[3]Dorigo.M蟻群優化[M].北京：清華大學出版社，2005.

Model and Its Application of Kitchen Garbage Removal Route Optimization in Haidian District

REN ShaojuanSUN Weidong

(Haidian Environmental Sanitation Scientific Research Institute of Beijing，Beijing 100086)

Abstract：In this paper，on the basis of kitchen waste composition and mode of operation of existing income research on the establishment of a community kitchen garbage removal garbage classification model for kitchen waste collection，transportation characteristics of ant colony algorithm is proposed，and Yangfangdian street garbage classification simulation cell example，cycling distance was shortened to optimize the effect is significant.

Keywords：kitchen waste；optimization model；ant colony algorithm

中圖分類號：X7

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0125-03

作者簡介：任紹娟，高級工程師，注冊咨詢工程師，雙學士，研究方向主要為環境衛生新技術研究

引用文獻格式：任紹娟等.海淀區廚余垃圾收運路線優化模型及應用研究[J].環境與可持續發展，2016，41(2)：125-127.