深圳市南山区垃圾转运站垃圾分类处理与清运方案设计.docx
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深圳市南山区垃圾转运站垃圾分类处理与清运方案设计
深圳市南山区垃圾分类处理模式的优化及评价
——基于多阶段决策模型、多目标优化模型的优化
中南财经政法大学工商管理学院Bachelor队
队员：
郑东杰朱博超李向顺
摘要
随着人类生活水平的不断提高，对环境的形成的压力也迅速上升，主要体现在工业排放和生活排放两方面。
南山区垃圾分类处理模式无疑是目前国内垃圾分类处理模式的典范，但即使是南山区的处理模式，也存在着许多不足，主要体现为垃圾中转站设置（规模及位置）和运输装备的配置不合理。
本队针对该现状用一般统计方法进行了分析，并用整数规划模型求出能够满足橱余垃圾处理需求的大、小型设备配置的帕累托最优解，再根据大、小型设备数目设置橱余垃圾处理中心的位置和数目，然后根据动态规划模型寻找出最优路线策略，在此策略的基础上，从而得到理性决策下垃圾中转站及运输装备的最合理配置；最后，本队采用综合评价方法对以上模型进行评价并总结，从而试图讲南山区垃圾分类处理模式推广至全国，以达到人类和自然和谐共处，共建和谐社会的伟大目标。
关键词：
垃圾分类处理模式动态规划模型整数优化模型综合评价方法和谐社会
Abstract
Withtheimprovementofhumanlife,thepressureonenvironmentalsoraisingrapidly,whichmainlyshowsonthedischargeofindustryandlife.ThegarbageprocessingmodeofNanshandistrictisundoubtedtheparagonofothercitiesofChina.ButeventhemodeofNanshanstillhassomeinsufficiencysuchastheSetups（sizeandposition）ofWastetransferandtheallocationsofTransportationequipments.OurteamusethegeneralstatisticalmethodstoanalysethecurrentsituationsandtrytofindoutaParetooptimalallocationundersituationthattheofprocessingabilitiesofboththebigandsmallfacilitiescouldmeettheneedofCabinetGarbageemissionwithaIntegerProgrammingModel.AccordingtothisallocationwecouldcalculateoutthenumberandlocationoftheProcessingCenter.ThenwetrytogetaoptimalroutestrategybaseontheDynamicProgrammingModel.OnthebasisofthisstrategywecouldgetabestallocationofWastetransferandTransportationfacilitiesundertherestrictionofrationaldecision-making.FinallyweadopttheComprehensiveEvaluationMethodstoevaluatetheabovemodelsandcometoasummarization.InordertoaccomplishthegreatgoalofSocialHarmonyandharmoniouscoexistenceofhumanandnature,westilladdtheextendingofNanshanmodetothewholecountry.
Keywords:
garbageprocessingmodeDynamicProgrammingModelSocialHarmony
IntegerProgrammingModelComprehensiveEvaluationMethods
目录
一、问题提出4
二、问题分析5
三、数据准备6
四、模型建立7
五、模型求解9
六、模型评价12
七、参考文献12
一、问题提出
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：
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，为问题1的目标重新设计。
二、问题分析
（1）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，从而也决定了不同类型垃圾的运输路线和处理场地：
橱余垃圾：
可以使用脱水干燥处理装置，由垃圾转运站收集分拣后运往厨余垃圾处理中心。
可回收垃圾：
由垃圾转运站收集后分类再利用。
有害垃圾：
由垃圾转运站收集分拣后运送到固废处理中心集中处理。
其它不可回收垃圾：
由垃圾转运站收集分拣后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，橱余垃圾和可回收垃圾两项，经过处理，回收和利用，可产生经济效益，而有害垃圾和其它不可回收垃圾只有消耗处理费用，不产生经济效益。
（2）针对问题一，我们只讨论橱余垃圾处理中心的分布设计及清运最优路线。
处理中心地址的选择需要考虑以下影响因素：
处理中心规模的选择，建设及运营成本，垃圾处理能力；垃圾从各个垃圾转运站运到垃圾处理中心的清运路线及运输成本。
由于问题所求将经济效益优先与环保效益，则橱余垃圾处理中心的分布设计是一个以成本最低，效能最大化为目标的多目标优化问题。
所以在优化模型中，经济效益和环保效益的量化我们分别用净盈利额和模型中垃圾处理能力与垃圾处理能力实际需求的差额来衡量。
在本队对南山区垃圾转运站分布图进行实际测算之后，得到比例尺为1：
5000，此时拖车的每吨每公里成本为，￥2.253/ton·km，再加之本队对边缘城区到中心城区的运输成本和小型设备日运营成本的对比，得出，设备的运营成本显著大于运输成本，故在分步优化模型中，本队在第一步优化，优先考虑大、小设备的配置优化，在第二步中才对橱余垃圾处理中心的位置和规模进行优化。
具体的函数和模型设立详见四、模型建立。
（3）问题二比问题一增加了对垃圾转运站分布的设计过程。
这其实是实在问题一的步骤之前重新进行垃圾中转站的规划，垃圾中转站的规划，则需要根据南山区小区人口分布来建立，此处考虑的因素有，小区橱余垃圾总量（可通过南山区居民数据计算得出），垃圾中转站与各小区距离；两者综合的综合影响，可确定垃圾中转站的位置和数量。
3、数据准备
（1）已提供数据
仅仅为了查询方便，在题目附录2所指出的网页中，给出了深圳市南山区所有小区的相关资料，同时给出了现有垃圾处理的数据和转运站的位置。
其他所需数据资料自行解决。
在附录1.1所提供数据中，已给出大、小型橱余垃圾处理设备的处理能力，初始投资额，运行成本以及橱余垃圾处理后产物价格等数据。
这相当于提供了大、小型橱余垃圾处理设备的生产经济效益的能力，而初始
投资额则属于固定成本，运行成本则属于可变成本。
在附录1.2中，又给出了四大类大垃圾的比例和可回收垃圾的四类划分及其比例，回收价格等；加上附录1.1中给出的橱余垃圾处理后产物价格的数据，这实际上是说明了具有经济效益的橱余垃圾和可回收垃圾的获利情况，而对有害垃圾和其他不可回收垃圾的清运则是不得不付出的成本，这属于交叉补贴。
在附录1.3中，提供了南山区的包括车辆数目以及运输能力的垃圾清运设备情况和车辆耗油及司机工资等情况；前者表现为对垃圾的清运能力，而后者则是为得到这样的清运能力所要付出的可变成本。
在附录二中，我们得知了垃圾转运站垃圾转运量等情况统计表、南山区居民数据和中转站位置图等情况。
（2）自行查询数据
再加之本队自行打印分布图之后按照比例尺对清运车辆的实际行进距离进行测算得出提供的南山区地图比例尺为1：
5000（详见五、模型求解中相关内容），和在网上查找出的柴油￥7.51/L及70#汽油价格￥4.12/L等，便得到了优化模型中目标函数和目标约束的函数参数，以及动态规划的基本数据。
（3）通过对以上两种数据进行整合，得出成本和效益项目各类数据，具体如图3-1；
垃圾转运站垃圾转运量等情况统计表、南山区居民数据和中转站位置图等情况详见附件；车辆行进距离，各小区橱余垃圾总量详见模型求解部分。
成本项目
设备类型
大型设备
小型设备
投资成本
￥45,000,000
￥280,000
运营成本
￥150/ton
￥200/ton
运输成本
拖车
收集车辆
￥2.253/ton·km
￥1.4420/ton·km
￥3500/month
效益项目
设备类型
大型设备
小型设备
橱余垃圾
￥200,000/day
￥200~300/day
可回收垃圾类型
纸类
塑料
玻璃
金属
回收价格
￥1,000/kilo
￥2,500/kilo
￥500/kilo
￥2,500/kilo
图3-1
4、模型建立
（1）基本假设
1.垃圾转运站每日垃圾转运量固定；
2.垃圾转运站的运营公司的不同不会影响整个垃圾处理过程；
3.各类成本和效益项目数据在长期内维持不变；
4.橱余垃圾处理中心的初始投资成本为沉没成本，计算净盈利额时不予考虑。
5.路线设计不考虑除运输成本之外的其他因素，如：
环保因素等。
6.由于深圳南山区中心城区道路近似为垂直街道，故以分布图左上角为原点，横轴为x
轴，向右为正方向，竖轴为y轴，向下为正方向，则任意两点距离为横坐标之差绝对值加上纵坐标之差绝对值。
（2）符号定义
设有m个垃圾转运站，分别为
，
，…，
；其转运的厨余垃圾量分别为
，
，…，
（吨）。
有n个厨余垃圾处理中心，分别为
，
，…，
；其单日处理量分别为
，
，…，
（吨）。
和
代表了第j个厨余垃圾处理中心设备的规模，当处理中心采用大型设备时，
，
；反之，当处理中心采用小型设备时，
，
x代表大型设备的数量，y代表小型设备的数量。
，
。
处理中心的设备配置成本可表示为
（元），运行成本表示为
（元）。
表示垃圾转运站
到处理中心
的路程，单位为公里。
则单日运输成本可表示为
（元）。
处理中心单日的经济收益可表示为
（元）。
（3）建立方程
（1）
（2）
根据微观经济学理论，厨余垃圾处理中心设立后，初始投资成本为固定成本，可视为沉没成本，在计算经营净盈利额时不纳入考虑范畴。
故运营利润表示
（3）
（4）
5、模型求解
（1）第一步优化模型：
大、小设备的优化配置
利用LINGO程序进行模型求解，结果如下图5-1所示：
结果显示大型设备和小型设备最优的数量组合为：
大型设备2台，小型设备374台。
图5-1
由于初始投资成本已不计入成本，大、小型设备的最有数量组合为大型设备2台，小型设备374台，如果在橱余垃圾处理中心设置如此多的小型设备很不现实，而且小型设备的日垃圾处理量仅为0.2~0.3ton/day，其运营成本又显著高于垃圾运输成本，故在此我们将小型设备分配于收集站内，而橱余垃圾处理中心仅安放两台大型设备，第一步优化模型此时目标为使得小型设备最优化地分配到各收集站内，无法分配小型设备的收集站则将橱余垃圾运送至橱余垃圾处理中心。
1.1在深圳市南山区垃圾转运分布图里可以直观地看出，右上角即红花北路以北地区多为绿地，人口稠密度低，垃圾转运量也较小，如果将这地区里的收集站加入第二步优化模型的运输成本及运输路线的计算中，则会使得橱余垃圾处理中心位置往北便宜，造成规模不经济。
考虑将图中远离中心城区的收集站优先分配小型设备，在小型设备无法满足需求时再考虑用拖车将收集站内橱余垃圾运至中心。
通过人口稠密程度的计算，深圳市南山区人口多集中在龙珠大道和东滨路之间的城区内，那么，优先考虑剔除最外围的收集站，初步剔出结果为：
垃圾站名
垃圾转运量（吨/日）
橱余垃圾转运量
所需小型设备台数
阳光公厕垃圾站
10
4
14
白芒公厕垃圾站
8
3.2
11
牛城村公厕垃圾站
5
2
7
麻勘公测垃圾站
10
4
14
大石勘公厕垃圾站
30
12
40
疏港小区垃圾站
40
16
54
花果路公厕垃圾站
30
12
40
望海路公厕垃圾站
30
12
40
合计
163
65.2
220
（表格中的计算数据皆为小型设备满负荷运行时所需的最少台数，皆取整数。
）
由于此时小型设备仍余157台，所以需进一步剔除边缘垃圾站，二次剔出结果为：
垃圾站名
垃圾转运量（吨/日）
橱余垃圾转运量
所需小型设备台数
长源公厕垃圾站
5
2
7
福光公厕垃圾站
10
4
14
塘朗公厕垃圾站
10
4
14
动物园公厕垃圾站
20
8
27
平山村公厕垃圾站
25
10
34
新围公厕垃圾站
20
8
27
官龙村公厕垃圾站
15
6
20
合计
105
42
143
两次剔除之后尚余小型设备11台，此时注意中心城区左上角同乐村公厕垃圾站的排放量为2，需要7台小型设备。
同乐村站与中心城区距离较远，且转运量小，故也列入剔除列，最终剩下4台小型设备置于橱余垃圾处理中心内，最终余下的收集站为：
垃圾转运站名称
垃圾转运量（吨/日）
橱余垃圾转运量（吨/日）
松坪山
（二）站
10
4
北头站
15
6
深圳大学站
15
6
南光站
15
6
南园站
15
6
龙井
15
6
西丽路站
15
6
前海公园站
16
6.4
九街站
20
8
科技园站
20
8
光前站
20
8
涌下村站
20
8
玉泉站
25
10
南山村站
25
10
松坪山站
25
10
南山市场
25
10
大新小学站
30
12
白石洲南站
30
12
沙河市场站
30
12
大冲站
35
14
月亮湾大道站
40
16
华侨城站
70
28
合计
531
212.4
将小型橱余垃圾处理设备在各垃圾转运站之间进行分配后，剩余橱余垃圾储量主要集中于该区域的中心地带。
在地图上划定该剩余储量集中区域，并分别找出东、南、西、北四个垃圾转运站作为该四边形区域的端点，以四个端点中距离最远的两点连线作为处理中心服务范围的最大半径。
再通过LINGO算法计算出橱余垃圾处理中心所在位置，再将所有未剔除收集站与橱余垃圾处理中心的最短距离标记出来，便完成了题目第一问所求橱余垃圾处理中心规模及位置和转运路线规划优化问题。
六、模型评价
七、参考文献
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