城市建筑垃圾臨時性消納場所動態布局

楊 楠，穆 東，鄭 凱

（北京交通大學 經濟管理學院，北京 100044）

1 引言

據《建筑垃圾處理行業2018年度發展報告》[1]顯示，2017年我國產生建筑垃圾量達15.93億t，建筑垃圾量占城市垃圾總量的30%-40%，預計到2020年我國建筑垃圾產生量將突破30億t。隨著環境問題逐漸被重視，對于城市建筑垃圾的治理也變得刻不容緩。2018年住房和城鄉建設部印發的《關于開展建筑垃圾治理試點工作的通知》[2]提出，全國有35座城市被選為建筑垃圾治理試點城市。其中，北京、廣州、深圳等試點城市均提出要對建筑垃圾實施精準化管控。

目前，在建筑垃圾消納環節，消納場所的布局上存在以下不合理之處：（1）固定式消納場所較為偏遠。獲得消納許可證的固定式消納場所規模大、消納能力強、便于監管，但位置偏遠，建筑垃圾的遠距離運輸不符合經濟與安全需求；（2）自發的臨時堆放點管理混亂。施工工地自發地將渣土等建筑垃圾臨時堆放于附近的空地上，是目前比較常見的建筑垃圾處置方式，但大多數臨時堆放點未取得相關資質，且管理混亂；（3）建筑渣土被來回運輸和買賣。施工工地在拆除階段產生渣土，運送到固定式消納場所進行消納，后期又需要購買渣土進行回填，建筑渣土被來回運輸和買賣的方式耗力耗材，不符合經濟性與環保性。

針對上述現實問題，本文提出城市建筑垃圾臨時性消納場所與固定式消納場所相結合的模式，優化現有城市建筑垃圾消納場所類型和分工。將現存處理過程中不合法、不合理的自發性臨時堆放點轉化為布局合理的臨時性消納場所。一方面，臨時性消納場所在施工工地和固定式消納場所之間充當中轉站角色；另一方面，其還在各施工工地之間充當中轉站角色。其次，以經濟成本和環境影響最小為目標，建立城市建筑垃圾臨時性消納場所布局規劃模型，并結合調研獲得的數據進行算例分析，驗證模型的可行性。最后，提出合理化建議，促進我國城市建筑垃圾的循環利用與綜合處理能力。本文提出的建筑垃圾消納場所協同運作模式如圖1所示。

2 文獻綜述

根據2005年6月1日起施行的《城市建筑垃圾管理規定》[3]，建筑垃圾是指建設單位、施工單位新建、改建、擴建和拆除各類建筑物、構筑物、管網等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產生的棄土、棄料及其它廢棄物。對建筑垃圾進行合理消納，能減少其對空氣質量、土壤質量和水資源等產生的影響和危害。在廢棄物設施選址研究方面，文獻[4]介紹了用于垃圾填埋場選址的多目標決策模型，并以成本最小為目標解決垃圾填埋場選址問題。文獻[5]采用地理信息系統和多準則決策分析技術對Coimbatore地區城市固體廢棄物進行選址。文獻[6]建立了以總成本最小和中轉站產生的環境負效用最小為目標的城市生活固廢中轉站選址優化模型，確定城市生活固廢中轉站的合理位置。廢棄物設施選址的研究，主要針對固定設施展開，在生活垃圾設施選址上，有帶中轉設施的三層物流網絡設施選址研究。

圖1 建筑垃圾消納場所運作模式

本文是針對城市建筑垃圾臨時性消納場所展開研究，其在布局上具備不受歡迎屬性[7]和動態屬性。文獻[8]提出了一種考慮風向、風力等因素影響的基于擴散距離的負效應測度方法，并將這種方法應用于帶中轉設施的城市生活垃圾三層物流網絡上，研究其多目標選址問題和周期性選址-路徑問題。不受歡迎屬性研究，一般是建立帶有環境因素影響的多目標模型，此外，由于施工工地不斷發生變化，臨時性消納場所的位置也會隨之改變，因此，城市建筑垃圾臨時性消納場所的位置規劃在本文中稱為布局研究。

綜上所述，現有研究中對于生活垃圾有帶中轉站性質的設施選址研究，但在建筑垃圾上還處于空白狀態。本文將基于以上提出的建筑垃圾消納場所運作模式，結合臨時性消納場所布局屬性的特點，建立多目標布局規劃模型，根據調研獲得的實際資料進行算例分析，驗證模型的有效性、實用性與穩健性。

3 臨時性消納場所布局模型

3.1 問題描述與模型假設

由于建筑垃圾的固定式消納場所通常地處偏遠，施工工地垃圾處置的經濟性、環保性、安全性和便利性差，因此本文提出建立建筑垃圾臨時性消納場所。即各施工工地就近將產生的建筑垃圾運往臨時性消納場所，建筑垃圾在此進行簡單分類，一部分可直接在臨時性消納場所消納，當施工工地需要渣土回填時，也可直接從臨時性消納場所運輸渣土進行回填；另一部分可收集后再統一運往固定式消納場所進行消納。

本文以臨時性消納場所和施工工地為對象，建立多目標布局規劃，以總成本和環境影響最小為目標，確定臨時性消納場所的布局及容量等級。建立模型之前，給出如下假設：

（1）建筑垃圾產生量超過500t的施工工地附近均有一個臨時性消納場所備選點；

（2）相同容量等級的臨時性消納場所建設期和運營期的固定成本相同；

（3）建筑垃圾運輸費用與距離成線性關系；

（4）臨時性消納場所對環境的影響在各個方向上擴散一致。

3.2 模型中參數與決策變量使用的符號

模型參數：

I—施工工地的集合，i∈I；

J—備選臨時性消納場所集合，j∈J；

K—備選臨時性消納場所容量等級集合，k∈K；

Gi—施工工地i產生的建筑垃圾量；

Qjk—備選地 j容量等級為k的臨時性消納場所的最大容量；

Fjk—在備選地 j建設容量等級為k的臨時性消納場所的固定成本；

Vjk—在備選地 j的容量等級為k的臨時性消納場所的運營成本；

Cij—施工工地i到備選臨時性消納場所 j的運輸費用；

cij—施工工地i到備選臨時性消納場所 j的單位建筑垃圾單位距離的運輸費用；

dij—施工工地i到備選臨時性消納場所 j的距離；

Ejk—在備選地 j建設容量等級為k的臨時性消納場所的環境影響度量；

Rjk—備選地 j建設容量等級為k的臨時性消納場所的環境影響半徑。

決策變量：

3.3 建筑垃圾臨時性消納場所布局模型構建

目標函數：

約束條件：

模型中，目標函數式（1）為總成本最小化，包括建設臨時性消納場所的固定成本、運營成本及建筑垃圾從施工工地到臨時性消納場所的運輸費用，其中Cij=cij×dij；式（2）為環境影響最小化；式（3）表示一個備選點最多只能建立一個某種容量等級的臨時性消納場所；式（4）表示只有開設的臨時性消納場所才能接受運來的建筑垃圾；式（5）表示運到某個臨時性消納場所的建筑垃圾總量不能超過總容量；式（6）定義了環境影響度量，現有文獻[8]大都采用Erkut和Neuman[9]提出的測度函數，該函數表示環境影響與設施容量正相關，與環境影響半徑負相關；式（7）和式（8）為決策變量的取值范圍。

3.4 模型求解

上述模型為帶約束的多目標布局模型，涉及的影響因素較多，施工工地和臨時性消納場所的數量較大，本文采用智能多目標算法中的Pareto檔案多目標粒子群算法進行求解。粒子群算法中每個粒子單獨搜尋的最優解叫做個體極值，粒子群中最優的個體極值作為當前全局最優解，由于多目標優化問題的解并不是單個的解，而是一組Pareto最優解的集合，因此需要用多目標粒子群優化算法。

Pareto檔案多目標粒子群算法主要包含三方面內容：（1）外部檔案維護；（2）全局最好位置選取；（3）粒子自身最好位置的更新。算法的一般流程如下：

步驟一：設定迭代參數，設置粒子群所有計算參數及初始化每個粒子速度和位置；

步驟二：計算各粒子的適應度值，并將其中的非劣解加到外部檔案中；

步驟三：初始化每個粒子pbest和gbest；

步驟四：通過更新計算，得到粒子新的速度和位置，新舊對比選取粒子的pbest；

步驟五：添加新的非劣解并維護外部檔案，為所有粒子選取gbest；

步驟六：進行反復迭代，若迭代次數達到終止條件，則停止搜索輸出結果，否則轉向步驟四。

具體如圖2所示。

圖2 Pareto檔案多目標粒子群算法流程圖

基于上述Pareto檔案多目標粒子群算法，建筑垃圾臨時性消納場所布局模型的求解步驟表述如下：

步驟一：初始化粒子群參數，每個粒子的控制變量為是否建立臨時性消納場所與臨時性消納場所容量的標志位；

步驟二：初始化群體后，把群體中的非劣解拷貝到檔案集中得到R；

步驟三：進入迭代更新，更新粒子位置，并且采用網格法更新檔案集中的非劣解，從而更新最優粒子；

步驟四：經過多次迭代更新后，得到帕累托最優解集，即優化后的粒子。

4 算例及分析

4.1 算例生成

根據“北京市建筑垃圾綜合管理及循環利用信息共享平臺”中施工工地和消納場所相關數據，提煉生成含有100個施工工地的算例。考慮在一定區域內存在100個施工工地，按照產生的建筑垃圾量將其分為三類：小型施工工地（500t以下）、中型施工工地（500-1 000t）、大型施工工地（1 000t以上），其出現的概率見表1，并假設除小型施工工地以外的施工工地附近，半徑為5單位的范圍內均設置1個臨時性消納場所的備選點。

應用Excel的Crystal Ball進行仿真，模擬在[-5，100]×[-5，100]區域內，隨機生成100個服從均勻分布的施工工地位置坐標，并根據上述假設，通過極坐標函數生成臨時性消納場所備選點位置坐標，如圖3所示。

表1 施工工地類型及出現概率

根據調研獲得的實際比例，本文在65個備選點中選取總目標最優的前30%個備選點作為最終選定的臨時性消納場所。設定總目標為總成本和環境影響度量的綜合結果。為使環境影響度量與總成本度量一致，本文規定：環境影響度量=Qjk/84.76*300。

圖3 施工工地和臨時性消納場所備選點位置示意圖

4.2 結果分析

經過1 000次試驗，結果如圖4所示。從圖中可以看出，前30%的備選點總目標期望值為538 643.32，最終選出目標值低于538 643.32的備選點有27個，其具體的位置坐標和容量信息見表2，位置示意圖如圖5所示。

圖4 CrystalBall仿真結果

從圖5可以看出，最終選擇出來的27個臨時性消納場所布局中左上角施工工地數量多，但臨時性消納場所少。原因是施工工地數量雖多，但是施工量不大，產生的建筑垃圾數量也不多。

表2 臨時性消納場所仿真位置容量信息

圖5 最終選點位置示意圖

5 結語

現有的建筑垃圾消納處置研究中，還沒有針對帶有中轉站性質的臨時性消納場所布局規劃研究。本文在分析城市建筑垃圾消納場所現狀的基礎上，提出合理建立臨時性消納場所的模式構想，構建以成本和環境影響最小為目標的多目標布局規劃模型，并使用Pareto檔案多目標粒子群算法進行求解，最后提煉調研數據生成算例，應用CrystalBall進行仿真，得出以下結論：（1）城市建筑垃圾臨時性消納場所的建設具有現實意義和必要性；（2）本文構建的臨時性消納場所布局模型在理論和實踐上都具有可行性；（3）本文提出的建筑垃圾消納場所模式滿足經濟效益和環境效益。為使該研究能更好地服務于實際，提出以下建議：（1）將臨時性消納場所納入規劃監管范圍；（2）加強建筑行業相關的配套信息系統，對建筑垃圾實施精準化管控；（3）鼓勵循環物流企業發揮積極作用。