垃圾分类处理与清运方案设计

题目：垃圾分类处理与清运方案设计

一．摘要：

城市生活垃圾是人们生活中产生的固体废弃物.在收集、运输和处理处置过程中，

垃圾中所含有的和产生的有害成份，会对大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响城

市环境质量，而且威胁人类身体健康，成为社会公害之一.如何解决城市垃圾问题，还

城市乡居民一个健康洁净的生存环境。本文就A题给出的深圳市南山区垃圾分类处理与

清运方案设计的问题进行研究，展开讨论，分析和建立数学模型，并求解。

对于问题一：从以下两点进行研究。

一、垃圾中转站的位置与数量已定，但厨余垃圾处理中心的位置与数量不确定。

二、为了确定厨余垃圾处理中心的数量与位置。

1）我们选用集合覆盖模型求出待选处理中心位置后；

2）利用整数规划建立整个垃圾清运系统总费用现值最小模型，确定最优组合。

对于问题二：在问题一确定垃圾处理中心基础上求解垃圾清运路线问题，类似于

物流线路优化问题。我们参考周期多车场车辆路径问题（PeriodicMulit-depotVehicle

RoutingProblem，PeriodicMDVRP），因为VRP问题已被证明为NP（小大厨余垃圾处

理中心）问题，通过普通计算数据量大并很难求出有效解。本文运用遗传模拟退火算法

进行求解。并利用仿真实验证明该算法具较好的搜索性能与全局并行性。

关键词：集合覆盖深圳市南山区生活垃圾人工神经网络模型数据预处理

启发式算法收运系统优化模型遗传模拟退火算法二．问题的提出：

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：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，简述如下：

1）橱余垃圾可以使用脱水干燥处理装置，处理后的干物质运送饲料加工厂做原料.不

同处理规模的设备成本和运行成本（分大型和小型）见附录1说明.

2）可回收垃圾将收集后分类再利用.

3）有害垃圾，运送到固废处理中心集中处理.

4）其他不可回收垃圾将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，1）

和2）两项中，经过处理，回收和利用，产生经济效益，而3）和4）只有消耗处理费

用，不产生经济效益.

本项研究课题旨在为深圳市的垃圾分类化进程作出贡献.为此请你们运用数学建

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，请为问题1）的目标重新设计.

根据调查，其中相关数据如下表所示：厨余设备

类别处理能力投资额运行成本产物价格

大型厨余设备200吨/日4500万元150元/吨1000-1500元/

吨小型厨余设备200-300公斤/

日28万元200元/吨1000-1500元/

吨

四类垃圾比例

类别厨余垃圾可回收垃圾有害垃圾其他不可回收垃

圾

比例4213

可回收垃圾的相关数据

类别所占比类回收价格

纸类55%1元/公斤

塑料35%2.5元/公斤

玻璃6%0.5元/公斤

金属4%2.5元/公斤

拖车：

只拖十吨的大型厢，只用于从转运站到垃圾中心，每次只拖一个大型厢，平均每公

里耗油25L—30L柴油/每公里。柴油单价：6.39元/升。

收集车辆：

只负责从小区的垃圾站到转运站运输，60辆2.5吨汽车，每车耗油20L—35L70#汽

油/百公里。

司机月薪平均3500元。三．符号说明和模型假设

3.1符号说明

以下我们就第一个问题和第二个问题分别展开讨论并求解。

对本题所有问题的模型符号说明：

{1,2,...,}Mm，表示有m座垃圾收集站组成的集合；

Ck表示筛选出的第k座垃圾中转站的中转能力；

Xi表示第i座垃圾收集站；

A（K）表示筛选出的第k座垃圾中转站所覆盖的垃圾收集站的集合；

B（i）表示可以覆盖第i座垃圾收集站的中转站的集合；

Wk表示是否启用第k座垃圾中转站；

Uik表示第i座垃圾中转站是否被第k座垃圾中转站覆盖；

T为规划使用年限，建设期为t0年；

r为进行现值转换的贴现率；

Cik为第i座收集站运往第k座中转站单位运输量单位距离的费用；

Xik为第i座收集站运往第k座中转站场口运输垃圾量；

Lik为第i座收集站运往第k座中转站运输距离(km)；

Dkj为第k座中转站运往第j座处理场单位运输量单位距离的费用；

Ykj为第k座中转站运往第j座处理场口运输垃圾量；

Skj为第k座中转站运往第j座处理场运输距离(km)；

fk为规划期内待建中转站的固定投资；

E为中转站的运行成本；

Qmin为中转站建设的最小控制规模；

Qmax为中转站建设的最大控制规模。

kF式为车次k所收集垃圾的总资源含量；

i为点i的垃圾资源含量

D(F)为各车次总资源含量的方差，方差越大，说明各车次资源含量具有明显差别，资

源归类更明确

{0,1,2,...,1...,}Vttmn为道路网络图所有顶点的集合，

n为收集点数，

厨余垃圾处理中心标记为0点，

垃圾转运站标记为1t，

t为总车辆数。

ijkx为0-1整型规划变量，且

ijkx=1ij

0



，到存在边

，否则

ijd为i到j的距离，k为规划车次序数，

m为总车次数。



iiETLT，点i要求的收集时间，

is点i开始时间，

ie为点i结束时间

1C为提前到达收集点的惩罚因子

2C为延迟收集完成收集作业的惩罚因子

3.2模型假设

对于第一个问题的模型条件假设：

（1）厨余垃圾中心的选址仅考虑经济效益，不受地域、环境、政治等条件的限制或

影响；

（2）假设所有运输车辆每天都能正常工作；

（3）每天产生的垃圾总量稳定；

（4）不考虑交通所带来的影响（如：堵车等）；

对于第二个问题的模型条件假设为：

（1）不考虑生活垃圾在经过转运站之后的物质流变化。

（2）居民每天所产生的垃圾都能运往垃圾转运站

（3）假设所有中转站将当天的垃圾都能转运到垃圾处理中心。

（4）小型垃圾收集车行驶的速度恒定，不考虑实际道路交通状况。

四．问题的分析：

这是一个优化问题，要解决大、小厨余设备的最佳分布设计和在一定运输条件下的

最佳运输路线的规划，即所谓的最优化组合，要达到目标，一般来说有如下几个目标是

矛盾的。

1）建立厨余垃圾处理中心越多，投入的成本越大，每天的运行成本也就随之增加，

而且每天用户产生的垃圾一定，过多的处理中心会造成资源的浪费；

2）少建立厨余垃圾中转站会增大拖车的运输距离，每天投入的运输费用便会增多。

所以需要更多的约束条件使这些目标同时达到最优的即所谓的最优决策，我们追求的

是，在用户产生垃圾量一定的情况下，保证在尽量减少运输成本的条件下，少建立厨余

垃圾处理场，产生最大的经济效益，即在这样的思想下，找出最优组合规划。

建立优化问题的模型最主要的是用数学符号和式子表示决策变量、构造目标函数和

确定约束条件。对于本题来讲，建立目标函数，在能处理运输路线和厨余垃圾中心个数

上，找寻一个权衡两者的最优组合。五．数学模型的建立与求解：

5.1数学模型的建立

5.1.1问题一、二中垃圾费用产生关系如下图：

垃圾收运总费

用

垃圾站费用人工费用运输费用

厨建

余设

垃费

圾用

站垃成

圾本

站

运

行工

人

月

薪运

输

车

油

费

5.1.2问题二清运垃圾车线路示意图：

5.1.3南山区垃圾处理中心运行数据

参数（单位）数值垃圾转运站站数M（座）38

大型厨余垃圾处理中心运行成本E（元/吨）150

小型垃圾厨余处理中心运行成本F（元/吨）200

大型垃圾厨余处理中心处理能力Q（吨/日）200

小型垃圾厨余处理中心处理能力L（公斤/日）200-300

大型垃圾厨余处理中心建设成本H（万元/座）4500

小型垃圾厨余处理中心建设成本h（万元/座）28

5.1.4深圳南山区垃圾转运站转运量等情况统计表：

序号垃圾转运站名称位置运营单位厢数垃圾转运

量(吨/

日)

1九街站深南大道南头中

学旁德盈利公司120

2玉泉站玉泉路宝龙路口德盈利公司225

3动物园站西丽湖路旁德盈利公司220

4平山村站南山区平山村内德盈利公司125

5牛城村站南山区牛成村内环卫总站15

6科技园站科苑南路与滨海

大道交汇处西侧环卫总站220

7同乐村站同乐村内环卫总站25

8松坪山（二）站高新北区朗山一

路绿地内环卫总站210

9大新小学站南头街大新小学

旁环卫总站130

10南山村站东滨路与前海路

交汇处环卫总站225

11阳光(白芒关外)站南山区白芒关外德盈利公司110

12月亮湾大道站西部绿化长廊北

端环卫总站440

13光前站龙珠三路光前村

旁环卫总站120

14北头站前海路北头村旁德盈利公司115

15涌下村站桃园路涌下村内德盈利公司120

16白石洲南站白石洲路与石洲

中路交叉东南角环卫总站130

17前海公园站南山区前海公园环卫总站116