城市生活固廢中轉站選址優化模型

（武漢理工大學，湖北 武漢 430063）

1 引言

隨著中國城市化的速度逐漸加快，經濟快速發展,人們的生活水平日益提高，導致城市生活固廢的量也逐年增長，城市固廢的處理也就成為各國重點關注的問題。本文基于可持續發展理論，從生活固廢、節約成本以及環境友好等要素出發，建立了城市固廢中轉站的選址優化模型。

本文建立的城市固廢選址模型的重要性主要表現在以下兩個方面：

（1）十九大以來，生態經濟理念越來越深入人們的觀念和生活，所以建立合適的生活固廢物流系統是有效解決城市資源和環境等問題的重要手段之一。

（2）城市生活固廢中轉站這類設施并不受人們的歡迎，因為中轉站如果距離居民區太近，其產生的氣味、蚊蟲等對居民生活環境造成很多不利影響，所以考慮到這方面的因素，中轉站設置應盡量遠離居民居住區，但若距離居民區太遠，又會增加不必要的物流成本，因此對中轉站的選址優化十分重要[1]。

2 國內外研究現狀

城市固廢是指在生產、生活和其他活動過程中產生的喪失原有利用價值或者雖未喪失利用價值但被拋棄或者放棄的固體，其中生活固廢包括了居民生活垃圾和街道清掃廢物以及居民生活產生的生活污水等。生活固廢日常的清理也是最令人費心的環節[1]。Hu[2]以危險貨物的逆向物流為專門研究對象，以運營成本最小為目標建立了線性分析模型，結合案例分析，驗證了該模型的有效性。ReVelle和Eiselt[3]以城市固廢為研究對象，以改善固體廢棄物處理作業為目標，構建了多目標選址優化模型。Araz Ceyhun,Selim Hasan,Ozkarahan Irem[4]以普通固體廢棄物為研究對象，建立了可以回收利用和包裝運輸的新的回收物流系統。梁川[5]針對固體廢棄物的回收物流系統，利用層次分析法進行選址優化，但是只考慮了初始成本，其實從實際意義上來說運營成本更為重要。任春玉[6]等針對物流系統選址問題進行研究，得出選址問題存在物流節點較多等問題。而啟發式算法能夠很好地得到最優值以及解決類似這些問題。

3 城市生活固廢中轉站選址模型構建

3.1 城市生活固廢中轉站選址優化的影響因素

很多因素會影響設施的選址決策，見表1。

表1 城市生活固廢中轉站選址優化的影響因素

在假定外部因素后，對于生活固廢中轉站的選址，重點從內部因素進行分析，主要是物流設施成本，包括中轉站的建設成本以及產生點到中轉站的運輸成本。

3.2 城市生活固廢中轉站選址的目標

（1）總成本最小化。城市生活固廢中轉站選址問題，重點分析的是在某一個特定的城市區域內，在完成了收集任務之后，使建設的總成本最小，而整體的物流網絡效益最大化。主要要求包括：需要符合本地的法律法規政策以及優惠措施；重點分析規模要求、運輸能力和運輸距離等方面的影響。定性分析因素包括了選址應當安排在交通便利、易于安排清運線路的地方。中轉站的總成本由中轉站的建設成本及廢棄物的產生點到中轉站的運輸成本構成。

（2）環境負效應最小化。中轉站這類設施在居民生活中有著不可或缺的作用，但由于中轉站可能會有異味、蚊蟲等衛生問題，會對一些商業店鋪、商業中心、房產等產生一些消極影響，隨著中轉站容量的增大，它的消極影響也會增大，所以對于普通居民來說，都不太愿意讓中轉站設在自己的居住地附近。若是距離居民區太遠又會增加不必要的物流成本，因此，政府決策部門必須對建站地址及建站容量等級等因素加以考慮，實現環境負效應最小化。

3.3 模型的建立

3.3.1 基本假設。為了更加方便的建立簡潔實用的數學模型，本文做出如下假設和說明：

（1）選取的各備選點已經經過了相關檢驗，符合當地的相關政策和法規，而且對附近的居民居住環境已經事先做過可行性調查。

（2）建立的物流系統網絡只包含產生點和中轉站雙層次系統。

（3）各生活固廢產生點產生的廢棄物的量在一定時期內保持不變，且已知。

（4）生活固廢的運輸費用與運輸距離成簡單的線性關系。

（5）單位生活固廢單位距離的運輸費用已知且固定。

（6）固廢運輸車輛所行駛的道路狀況是確定的，即不考慮擁堵等問題，而且不考慮車輛本身故障的情況。

3.3.2 參數定義和模型建立。模型的參數定義如下：

i：生活固廢產生點的下標，i=1,2,…，I;

m：生活固廢中轉站備選點的下標，m=1,2,…，M;

Fmn：在備選中轉點m建立等級為n的中轉站的固定投資；

β：單位生活固廢單位運輸距離的運費；

qi：平均每天固廢產生點i的廢棄物的產生量；

Lim：第i個固廢產生點到第m個中轉站的運輸距離；

Qn：等級為n的中轉站的容量。

決策變量定義如下：

根據以上假設，建立了以下目標函數的模型：

約束條件：

該模型屬于多目標整數規劃模型。目標函數式（1）使得總成本最小，包含了生活固廢中轉站的建設成本以及運輸費用兩部分，其中第一部分是中轉站的建設成本，第二部分是固廢從產生點到中轉站的運輸成本。目標函數式（2）為環境負效應最小。中轉站的環境負效應與中轉站的大小即中轉站的容量成正比，與產生點到中轉站之間的距離成反比。其中的參數θ,ω,?反映了相應系數對效用的影響程度。通常都令它們為1。式（3）表示每個產生點的生活固廢只會運往一個固定的中轉站。式（4）表示一個備選中轉點只能建立一個級別的中轉站。式（5）為中轉站的容量約束，即從產生點運輸的生活固廢的量不能超過其中轉能力。式（6）表示只有建立了中轉站的備選點才能處理從產生點運來的廢棄物。式（7）表示生活固廢的產生量非負。式（8）和式（9）屬于決策變量約束。

對于城市生活固廢中轉站影響因素，本文涉及到的兩個影響因素分別是中轉站建設和運行的總成本以及環境負效應成本，根據國家政策以及城市相關規劃，為了計算方便，對兩個因素分別進行加權。所以得到的加權目標函數為：

其中：

4 算例分析

根據建立的生活固廢中轉站選址模型，結合算例可對模型進行驗證。假設城市生活固廢產生點有5個，每個產生點的序號以及每天的生活固廢產生量qi見表2。

表2 城市生活固廢產生點平均每日生活固廢產生量（q）i

確定了城市生活固廢產生點平均每天的生活固廢產生量，然后根據城市規劃確定備選中轉點有3個，中轉站規劃建設從3個備選點中取1個。根據相關規劃，單位生活固廢單位運輸距離的運費β為35元，根據國家政策以及城市相關規劃，取λ1=0.7，λ2=0.3，各備選點的中轉容量等級Qn和固定投資Fmn見表3，各個備選中轉點到生活固廢產生點的距離即運距見表4。

根據表2-表4和有關數據，基于上述模型的計算過程如下：

（1）假設選擇備選點1：

表3 城市生活固廢備選中轉點中轉容量等級（Qn）和固定投資（Fmn）

表4 城市生活固廢備選中轉點到產生點的距離（Lim）

（2）假設選擇備選點2：

（3）假設選擇備選點3：

分析上述計算結果得知，minZ總=227.4萬元，即選擇備選點2，驗證了模型的可行性。從計算過程中可以得知，若是需要格外重視對環境負效應的影響，則根據計算結果可知Zz1的費用最小。因此根據不同的政策與城市規劃，相應的加權系數不同，則選擇的方案也不同。所以在選擇可行方案時需充分考慮各地的經濟、社會等條件，才能選出較為滿意的方案。

5 結語

本文重點對我國城市生活固廢現狀以及中轉站的選址模型進行分析。在構建模型的同時考慮到由于廢棄物中轉站并不受民眾歡迎，所以考慮了環境因素對民眾的影響。恰當的設置城市固廢中轉站的地點，既不對附近居民生活產生不利的影響，也不會增加不必要的物流成本，是本文重點研究解決的問題，所以本文建立了包括總成本最小和中轉站對居民產生的環境負效用最小的雙目標模型，并且通過算例驗證了模型的可行性。希望能為目前關于生活固廢方面的研究提供參考。

隨著我國城市化的加速，對于城市固廢物流系統的研究雖然還沒有形成整體的研究系統，但是相關的研究理論已經很多了，且對于生活固廢各種目標的研究也足夠完善，因此未來會形成更完善的理論體系。