基于ABMS的智慧城市建筑廢棄物綜合管理系統仿真

丁志坤，　王翌飛，　吳金闖

(深圳大學　土木工程學院， 廣東　深圳　518060)

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基于ABMS的智慧城市建筑廢棄物綜合管理系統仿真

丁志坤，王翌飛，吳金闖

(深圳大學土木工程學院， 廣東深圳518060)

摘要：為了探討不同調控政策下的建筑廢棄物綜合管理效益問題，本文采用Agent建模仿真技術對深圳市建筑廢棄物管理現狀進行了系統分析，并借助智慧城市信息化數據平臺構建了深圳市建筑廢棄物綜合管理系統仿真模型。利用Repast Simphony仿真平臺模擬了不同政策情景下政策調控對系統運作效益的影響，研究表明各利益相關者對于建筑廢棄物管理的態度及各利益相關者之間的交互作用對于建筑廢棄物的有效管理起著重要作用；同時，以深圳市2012年基本政策為基準，從經濟層面看，實施宣傳教育政策效益最佳，如果考慮環境層面，則同時實施分類分揀、從量收費及宣傳教育三種政策效益最佳。研究成果可為政府制定相關管理政策提供一定的理論與技術支撐。

關鍵詞：建筑廢棄物；智慧城市；Agent建模仿真技術；Repast Simphony

智慧城市是城市管理革命和發展模式的創新，是現代化城市整合發展的更高形態，通過綜合應用現代科學技術(如大數據技術、計算機仿真技術等)、整合信息資源(如城市公共信息平臺、政務服務平臺、數字空間信息平臺等)、統籌城市核心運行系統(如人、政務/業務、交通、環境、能源等)，升級城市規劃、建設與管理(如管理創新、制度創新、技術創新等)，推動更全面、更協調、可持續的城市發展[1]。建設智慧城市已成為當今世界城市發展不可逆轉的歷史潮流，綠色城市、生態城市、低碳城市等已成為智慧城市可持續發展的必然選擇，然而對于智慧城市背景下建筑廢棄物管理的探索則剛剛起步，具有很大的開拓空間。

據統計，我國每年建筑廢棄物的產生量已經占到城市垃圾總量的40%左右，每年產生量高達3億t以上，成為繼城市生活垃圾之后的第二大固體廢棄物[2]。建筑廢棄物具有產生量大、毒害大、降解難等特點，加之當前對其回收利用程度很低，絕大多數建筑廢棄物則采用露天堆放或填埋方式進行處置，而每堆積1萬t則需要消耗能源1758 kW·h、占用土地空間6000 m3、排放二氧化碳90.72 kg[3]，由此造成大量資源消耗，且對環境造成嚴重污染，極大阻礙智慧城市的建設。由此可見，如何借助當前智慧城市信息化優勢探索科學有效的城市建筑廢棄物綜合管理政策已成為智慧城市建設過程中亟待研究的課題。

目前，對于建筑廢棄物的定性、定量做了相關研究。Lu等[4]針對深圳四個在建工程基于現場分類進行了廢料率的測算，并比較了不同國家廢料率的計算方法。李景茹等[5]基于建筑材料的質量守恒原則提出了計算單位建筑面積的廢棄物產出量量化模型。上述研究為采用仿真方法定量預測建筑廢棄物數量奠定了基礎，但以上研究只考慮了影響廢棄物產生的客觀因素，而對其主觀影響因素缺乏分析。對于利益主體態度與行為研究方面，Al-Sari等[6]研究表明人的因素對于建筑廢棄物的產生具有重要的作用。基于計劃行為理論與問卷數據，李景茹等[7]建立結構方程模型，發現施工現場利益主體的建筑廢棄物減排控制認知對行為有直接顯著的影響。Knoeri等[8]基于案例研究及層次分析法，發現相關利益主體的決策行為主要源于不同利益主體之間的交互作用。上述研究表明各利益主體的行為交互對于廢棄物管理的影響已逐漸引起學者的重視，但以上研究未從系統層面將建筑廢棄物涉及到的各類利益主體進行全面的考慮。對于宏觀政策研究則主要集中于經濟和管理政策上。大量研究均表明通過從量收費[9]、提倡分類分揀、宣傳教育[10]等政策措施可以促進建筑廢棄物有效管理，但實施相關政策究竟會帶來怎樣的量化效果，卻無從驗證，在現實世界又無法進行實驗。因此，迫切需要一種能夠量化政策執行效果的仿真平臺。同時，《國家智慧城市試點指標體系》中對于智慧管理與服務下的政府服務指標明確要求建立支撐政府決策的信息化手段，以期為政府提供決策支持，因此，建立建筑廢棄物綜合管理系統仿真模型更是成為助推城市智慧發展的必然要求，從而達到模擬-政策調控-知識涌現-模擬的良性循環。

城市建筑廢棄物一直是困擾我國社會經濟發展和環境治理的重大城市問題。智慧城市要可持續發展，必須用系統科學、復雜性科學的觀點考慮問題、指導社會經濟發展戰略和計劃的制定。本文以復雜適應系統理論為理論依據，利用Agent建模仿真技術(Agent-based Modeling and Simulation, ABMS)，借助Repast Simphony計算機仿真平臺，構建了深圳市建筑廢棄物綜合管理系統仿真模型，并以深圳市新建工程住宅項目為例，探索分析了建筑廢棄物政策調控如何影響建筑廢棄物綜合管理效果。

1建筑廢棄物綜合管理系統分析

1.1建筑廢棄物綜合管理系統分析與Agent識別

結合深圳市實際情況和本文研究目的，可以提煉出建筑廢棄物綜合管理系統包括以下4個子系統：建筑廢棄物排放子系統、綜合處理子系統、管理政策子系統、環境經濟評價子系統，其相互關系及每一類子系統所包含的Agent如圖1所示，這些子系統即為建筑廢棄物綜合管理系統仿真模型的系統邊界。

圖1　深圳市建筑廢棄物綜合管理系統分析

1.1.1建筑廢棄物排放子系統

從理論上講，從事建設活動的行為人都是該子系統中的主體，但考慮到設計人員與施工人員對建筑廢棄物管理具有關鍵影響，因此，本研究主要考慮設計人員(Designer Agent)和施工人員(Constructor Agent)兩類主體以及建設工程項目(Project Agent)本身。另外，數據收集人員負責統計系統中的宏觀指標，如不同設計人員進行減量化設計的源頭減廢率的平均值等。

1.1.2建筑廢棄物綜合處理子系統

從現有文獻研究來看，收集的廢棄物經分類分揀后主要通過再利用、回收利用以及填埋場填埋等方式處置。不同處理方式對應不同的Agent，此處主要分為建筑廢棄物收集、分類、再利用、回收利用、填埋等主體，考慮到模型的簡潔性，將收集、分類分揀行為賦予施工人員(Constructor Agent)來執行，而再利用、回收利用、填埋行為賦予處置人員(Disposal Agent)來執行。

1.1.3建筑廢棄物管理政策子系統

政府作為行政監督職能部門，可通過政策手段或制定相關法規來監督建設活動，懲罰非法傾倒行為，通過補貼減稅等措施激勵設計單位和施工單位積極推進減量化管理。為了規范建筑廢棄物管理，深圳市政府先后頒布了《深圳市建筑廢棄物減排與利用條例》、《建筑廢棄物減排技術規范》等法規，有效促進了深圳市建筑廢棄物管理。本文將政府職能賦予政府主體(Government Agent)，執行修訂改善法律法規、監督執法、制定填埋場從量收費價格、資源化廠財政補貼標準等行為。

1.1.4建筑廢棄物環境經濟評價子系統

在該子系統中，評估主體(Evaluation Agent)負責計算建筑廢棄物綜合管理的環境效益和經濟效益。根據Yuan等[11]研究，建筑廢棄物綜合管理所獲得的經濟效益引用經濟學中機會成本的概念，本文把相比正常情況下，建筑廢棄物由產生到最終處理所需要耗費的總成本的節省值定義為廢棄物綜合管理的經濟效益。根據建筑廢棄物排放子系統和綜合處理子系統的廢棄物物質流向，可以將廢棄物管理劃分為以下八個階段，各階段成本變量如表1所示。同理，把正常情況下建筑廢棄物由產生到處理所帶來環境負荷的減少定義為建筑廢棄物綜合管理的環境效益。根據高永強[12]的研究，建筑廢棄物綜合管理環境效益評價體系主要包括能源消耗、資源消耗、全球變暖以及填埋空間四大類，同時各階段對應產生的環境影響見表2。

表1　建筑廢棄物綜合管理經濟效益相關成本變量

表2　建筑廢棄物綜合管理環境效益指標及影響階段

1.2建筑廢棄物綜合管理系統數據收集與分析

深圳市作為智慧城市建設的領跑者，充分把握信息科技發展機遇，不斷拓展信息化應用領域，構建了深圳數字空間基礎信息平臺、深圳市住房和建設局數據開放平臺以及政務信息資源交換平臺等數據信息平臺，努力打造智慧深圳?；诖耍疚姆抡婺Ｐ椭兴玫降慕ㄖ畔祿鶃碜陨钲谑袛祿畔⑵脚_(圖2)，為模型構建起到至關重要的數據支撐作用。例如，根據深圳市住建局數據信息服務平臺獲取新建工程住宅項目的總建筑面積、計劃開工日期和計劃竣工日期等，然后以2012年1月1日為基準點折算出具體的施工進度計劃，從而明確了各Project Agent進入模型的時間序列。除此之外，本文還通過文獻分析以及實際調研方法獲取部分基礎數據，例如，Constructor Agent關于建筑廢棄物分類分揀的認知水平、態度、主觀規范等，當前減量化施工管理的應用水平和期望水平，Designer Agent減量化設計技術的應用水平和期望水平，工程項目距離填埋場、回收利用企業的距離等。

圖2　深圳市住房和建設局數據開放平臺公示工程基本信息示例

2建筑廢棄物綜合管理系統建模

根據上述對于建筑廢棄物綜合管理系統的分析及數據收集，可以確定系統中主要研究對象包括Constructor、Designer、Disposal、Evaluation、Government等工程項目各相關利益主體。下面則可以針對各個Agent對象建立可計算模型，并在軟件平臺中編程實現。

2.1建立可計算模型

在建筑廢棄物綜合管理系統中，Agent設計可以從以下四個方面進行，這里以建筑廢棄物排放子系統中Constructor Agent為例來說明。

(1)Agent的目標，不同Agent目標各不相同。Constructor Agent在施工過程中一般以安全第一、質量可靠、進度合理為主，同時追求經濟利益最大化為目標。

(2)Agent的屬性，指特定Agent區別于其他Agent的特征表現，仿真過程中Agent可以根據相應規則不斷更新自身屬性值以更好適應環境。對于Constructor Agent，模型初始化時其實施分類行為具有特定態度值，如果實施后帶來正的經濟或環境效益，則可能促使其態度值增大、更積極地實施分類行為。每個仿真步，Constructor Agent均可權衡實施減量化施工管理技術所花費的成本與獲得收益的大小，從而決定是否改進減廢技術應用水平。

(3)Agent的行為，指Agent的能動性以及適應性的具體表現。Constructor Agent的行為包括完成施工任務、與其他Agent交互、判斷當前非法傾倒風險等。在仿真過程中Constructor Agent在程序中通過調用各種方法來實現自身行為。

(4)Agent的知識，指指導Agent行為的控制信息，可以是科學理論、生產技術、決策方法或者某些交互信息。以Constructor Agent判斷是否進行非法傾倒行為為例，如果實施非法傾倒被執法部門罰款的金額小于將廢棄物運往填埋場的費用，那么則選擇非法傾倒，如果前者大于后者，則考慮運往填埋場填埋。

基于上述分析，Constructor Agent模型見圖3，同理可得其它Agent模型，此處不再贅述。

圖3　Constructor Agent模型

2.2建筑廢棄物綜合管理系統實現

本節在上述系統建?；A上，利用Repast Simphony 2.2開發工具，采用Java編程技術，編程實現深圳市建筑廢棄物綜合管理系統仿真模型。實施正確性校檢，排除程序中的錯誤，保證模型實現的準確性。根據上述建筑廢棄物綜合管理系統分析，本文構建CWMmodel結構如表3所示。

表3　CWMmodel模型結構

其中，CWMmodel.Agents包主要為建筑廢棄物綜合管理各子系統所識別的Agent集合，根據2.1節各Agent目標、屬性、行為和知識規則，構建各類Agent的類圖，下面以Constructor Agent類圖(圖3)為例做簡要說明：其中Constructor( )為構造函數，用于創建Constructor Agent類對象，step( )函數控制其在二維網格空間中的移動規則，三個calculate...( )函數隨著仿真時間步的推進更新相應的屬性值，instigate( )函數將Green Constructor慫恿為Constructor而執行Constructor類的相應方法(若為Green Constructor，則此處為educate方法，將Constructor教育成Green Constructor，執行Green Constructor相應方法)，get Attribute( )函數向其它Agent傳遞Constructor的私有屬性值。Constructor類圖中各函數方法控制相應行為的規則，以step( )函數為例(見表4)。

表4　Constructor類中Step()方法

3政策仿真分析

3.1仿真工具

Repast Simphony借助Eclipse開發平臺，體現友好的圖形用戶界面(GUI)，建模者可以利用GUI圖形用戶界面創建數據集，通過Batch-Run功能，輸出多次仿真結果，通過數據分析軟件統計分析仿真結果。另外，該界面可以根據模型設置顯示Agent Display視圖，以便動態觀察Agent之間的交互作用，并顯示相關動態變化圖表信息。本文則可以利用GUI窗口實現初始參數的設置、調整、動態顯示主體之間的交互關系以及輸出數據變化規律，如圖4所示。

圖4　主要參數輸入、Agent演示及數據輸出窗口

表5　不同調控政策的參數取值空間

3.2政策仿真

本研究以深圳市建筑廢棄物綜合管理系統2012年基本政策為參照，針對分類分揀、從量收費和宣傳教育三種政策獨立執行及組合執行進行重復仿真實驗，檢驗不同政策的管理效果。針對政策執行效果的評估，從經濟和環境效益兩方面，采用數理統計方法對實驗結果進行量化分析，挖掘不同利益主體行為選擇與政策調控之間的動態演化關系，找出有效的調控政策。不同調控政策的參數取值空間如表5所示。由于文章篇幅有限，本文僅對建筑廢棄物綜合管理調控政策模型與基本政策模型相比較，計算出經濟效益和環境效益，最后以圖表形式輸出不同調控政策下的比較結果。

3.2.1建筑廢棄物綜合管理經濟效益分析

根據圖5a可知，基本調控政策，單獨調控分類分揀、從量收費、宣傳教育政策，同時調控分類分揀、從量收費、宣傳教育三種政策等五種情況下建筑廢棄物綜合管理的經濟成本隨時間的累積值。以基本調控政策為基準，另外四種情況節約的經濟成本即為經濟效益，具體見圖5b。根據圖5，當仿真tick=366時(仿真以日為時間步)，單獨調控分類分揀政策經濟效益為1314.28萬元，單獨調控從量收費政策經濟效益為1.34億元，單獨調控宣傳教育政策的經濟效益是1.79億元，同時調控三種政策的經濟效益是1.73億元。經分析可知，單就經濟效益而言，單獨調控宣傳教育政策獲得最大經濟效益，而同時調控三種政策的組合政策稍顯劣勢，單獨調控從量收費政策次之，單獨調控分類分揀政策最差。因此，就經濟效益而言，單獨調控宣傳教育政策經濟效益最佳，讓主體之間自主交互，通過減量化設計與綠色施工管理技術的傳播與擴散，從而改善整個建筑廢棄物管理系統中Agent的屬性來促進建筑廢棄物綜合管理，故而建議組織專題研討會、主題沙龍、崗前培訓等措施促進施工方和設計方之間環保理念和建筑廢棄物綜合管理技術的傳播，改進其建筑廢棄物減量化設計和綠色施工管理水平等。

圖5　不同政策調控下建筑廢棄物綜合管理經濟成本與效益

3.2.2建筑廢棄物綜合管理環境效益分析

根據仿真結果，同樣可以得到不同調控政策下能源消耗量、資源耗竭潛力、二氧化碳排放量以及土地占用空間等指標的環境效益。當仿真tick=366時，不同政策調控下建筑廢棄物綜合管理環境效益各指標累積值見表6，同時調控三種政策情況下，能源消耗量、資源耗竭潛力、二氧化碳排放量以及土地占用空間等指標的環境效益均比其他調控政策獲得的環境效益大，單獨調控宣傳教育政策略次之，其次是調控從量收費政策，最差是調控分類分揀政策。

表6　不同政策調控下建筑廢棄物綜合管理環境效益

就環境效益而言，當同時調控三種政策時，能源消耗、資源耗竭潛力、二氧化碳排放量及土地占用空間等方面的效益最佳，故建議鼓勵施工方在廢棄物進入處理處置階段前，先進行現場分類分揀，同時提高廢棄物非法傾倒罰款額與衛生填埋的單位價格，降低公眾填埋的單位價格，促進其將廢棄物物質流向循環利用、回收資源化以及公眾填埋等環保型處理處置方式流動，再者提高宣傳教育水平，三種政策共同作用，以提高建筑廢棄物綜合管理的環境效益。

4結論

隨著近年來建筑廢棄物產生量不斷增長，對人們生活環境及社會發展帶來巨大的負面影響，成為智慧城市建設中亟待解決的問題，不僅引起了政府部門的高度重視，而且也成為研究的熱點。本文通過文獻梳理與分析，在前人研究基礎上提出基于Agent建模仿真方法構建深圳市建筑廢棄物綜合管理系統，進行仿真實驗的研究思路。然后以深圳市新建工程住宅項目為例，進行管理政策調控實驗分析，并得出如下結論：

(1)各個利益相關者對于建筑廢棄物管理的態度及各個利益相關者之間的交互作用對于建筑廢棄物的有效管理起著重要的作用。因此，應加強專業知識培訓，改善設計人員減量化設計能力以及施工人員綠色施工技術水平，提高源頭減廢率；加強執法監督力度，提高施工人員環保理念，降低非法傾倒率；組織專題研討活動，促進各相關利益主體的溝通與交流，推動建筑廢棄物綜合管理技術和知識的傳播與擴散，使行業整體提高分類分揀率、循環利用率及回收資源化率等。

(2)以深圳市建筑廢棄物綜合管理系統2012年基本政策為基準，就經濟效益而言，單獨執行宣傳教育政策經濟效益最佳；而就環境效益而言，當三種管理政策同時實行時，能源消耗、資源耗竭潛力、二氧化碳排放量及土地占用空間等方面的效益最佳。因此，應大力推進宣傳教育活動，同時施行從量收費政策，改變相關利益主體的內部決策模塊及外部環境，促使其積極主動地進行建筑廢棄物綜合管理，降低經濟成本，增加環境效益。

參考文獻

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ABMS Based System Simulation on the Integrated Construction Waste Management of Smart City

DingZhi-kun,WangYi-fei,WuJin-chuang

(College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

Abstract:In order to explore the performance of integrated construction waste management (ICWM) under different policies, an agent-based modeling and simulation approach is applied to systematically analysis ICWM, and the simulation model of ICWM is built based on the informatization data platform of Smart City. Then, the system dynamic evolution principles under different policy scenarios are simulated by the Repast Simphony to explore how different policies affect system economic and environmental performance. The results show that the various stakeholders’ attitude to the construction waste management and the interactions between them are critical to the effective ICWM. Based on the strategy for Shenzhen ICWM in 2012 as a benchmark, publicity and education strategy is identified as the best policy in terms of economic benefits while the triangulated policy of source separation, pay-as-you-throw, publicity and education could achieve the best environmental benefits. The findings could provide the theoretical and technical support for the government to develop management policies.

Key words：construction waste; smart city; Agent-based modeling and simulation; Repast Simphony

收稿日期：2015-11-05修回日期： 2015-12-26

作者簡介：丁志坤(1978-)，男，山東萊州人，副教授，博士，研究方向為建筑廢棄物管理、技術創新、知識管理 (Email:ddzk@szu.edu.cn)

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金(71202101)

中圖分類號：X799.1；TU18

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0985(2016)03-0040-07