城市生活垃圾收运路线优化研究

用研究进展［ Ｊ］ ． 环境卫生工程， ２００５， １３ （ ６） ： ５２－ ５６． ［ ６］ 李秀金． “ 生 物 反 应 器 型 ” 垃 圾 填 埋 技 术 特 点 和 应 用 前 景［ Ｊ］ ． 农 业 工 程学报， ２００２， １８ （ １） ： １１１－ １１５． ［ ７］ 朱 向 荣 ， 王 朝 晖 ， 方 鹏 飞 ． 杭 州 天 子 岭 垃 圾 填 埋 场 扩 容 可 行 性 研 究
问题， 利用已经矿化的垃圾是完全有可能的［ ５］ 。 是一个现实的课题， 也需要随时应用新的技术解
３． ２ 发展生物反应器型垃圾填埋技术
决生产中遇到的多方面问题。
研究证明， 生物反应器型垃圾填埋场比常规
参考文献
垃 圾 卫 生 填 埋 场 消 纳 能 力 和 使 用 寿 命 高 １２． ６％。 ［ １］ 闵庆文， 裴晓菲， 余卫东． 我国城市垃圾及其处理的现状、问题与对策
表 ３ 各收运点的垃圾收运量 （ ｔ／ｄ） 收运点 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ １４ １５ １６ １７ １８ １９ 垃圾收运量 ５ １１ ３ ９ ５ １１ ６ ４ ４ １１ ８ １１ ４ ４ １１ ６ ８ ３ ８
１９
１５
１４
１６ １３ １８
１２
１７ １１
填埋场
１０
７８
对大气的污染［ ６］ 。所需土地也比常规填埋场少。这 ［ ３］ 邵考峰， 龚利华． 垃圾处理的方向［ Ｊ］ ． 环境卫生工程， １９９９， ７ （ １） ：
对北京市这样人口密集、土地紧张的大城市有重 ２９－ ３１．
［ ４］ 陈泽智， 刘 涛 ， 唐 秋 萍 ， 等． 垃 圾 填 埋 气 产 量 的 估 算 与 测 试［ Ｊ］ ． 太 阳
适用于大区域、复杂的垃圾收运系统的计算求解。
１． ３ 垃圾收运综合路线长度
垃圾收运过程中的环境污染主要是噪声与大
气污染； 社会问题主要是交通拥挤［ ４］ 。在此， 利
用噪声影响权重、大气污染影响权重及交通状况
权重对实际收运路线长度进行修正， 得到综合路
线长度公式为：
Ｘ＝!１!２!３ＸＳ。
（ １）
其中： Ｘ 为综合路线长度， ｋｍ； ＸＳ 为实际路
新的当前解。为了避免对已搜索过的局部最优解 ｋｍ， 标准偏差仅为 ９％， 说 明 运 算 结 果 具 有 良 好
的重复， 禁忌搜索算法使用禁忌表记录已搜索的 的稳定性。另外， 该方法 １０ 次求解的平均运算时
局部最优解的历史信息， 这使得算法可在一定程 间仅为 １． ６６ ｓ， 运算效率较高。
度上避开局部最优点， 从而开辟新的搜索区域［ ７］ 。
ｒｉ＝ ∧ｘ 。
（ ２）
ｘｉ
其中： ｒｉ 为 ｉ 区的权重值； ∧ｘ 为标准中的最
小值； ｘｉ 为 ｉ 区的标准值。
噪声与空气标准值分别取自城市区域环境噪
声标准与环境空气质量标准， 得到各区的权重见
表 １。
表及终止规则。 １） 解的表示： 根据车辆路线问题的特点， 采
用直接排列的解的表示方法， 即直接产生互不重 复的自然数的排列， 表示垃圾产生点顺序， 然后 按照车辆路线问题的约束条件， 依次将解的元素 划入各条收运路线中。
２． １ 禁忌搜索算法原理
２５６ ＭＢ 的计算机上进行了仿真实验， 对实例随机
利用禁忌搜索算法求解问题时， 首先按照随 求解 １０ 次， 得到的运算结果见表 ４。
机方法产生一个初始解作为当前解， 然后在当前
从表 ４ 可以看出： 用禁忌搜索算法的 １０ 次运
解的邻域中搜索若干个解， 取其中的最好解作为 算都得到了质量很高的解， 解的平均值为 １５７． ９
线长度， ｋｍ； !１ 为噪声影响权重； !２ 为大气影响
权重； !３ 为交通状况权重。
噪声与大气污染权重可分别根据路线经过区
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环境卫生工程
第 １６ 卷
域所属的噪声功能分区与环境空气质量功能区相 ２． ２ 车辆路线问题的禁忌搜索算法设计［ ６］
对指标值确定， 公式为：
算法设计包括： 解的表示、领域结构、禁忌
表 ２ 语气算子与权重的对应关系
收运区， 见图 １， 各点垃圾收运量见表 ３。
语气算子 同样 稍稍 略为 较为 明显 显著
权重 １． ０００ ０． ８１８ ０． ６６７ ０． ５３８ ０． ４２９ ０． ３３３
语气算子 十分 非常 极其 极端
无可比拟
权重 ０． ２５０ ０． １７６ ０． １１１ ０． ０５３ ０． ０００
只 需 ６￣１０ ａ 即 可 达 稳 定 状 态 。 填 埋 场 稳 定 时 间 短， 可减少填埋气体的逸散机会， 减少填埋气体
［ Ｊ］ ． 城市环境与城市生态， ２００２， １５ （ ６） ： ５１－ ５４． ［ ２］ 张振营， 陈云敏． 城市垃圾填埋场沉降模型的研究［ Ｊ］ ． 浙江大学学报， ２００４， ３８ （ ９） ： １１６２－ １１６５．
此 外 ， 将 仿 真 计 算 结 果 与（ 下转第 １５ 页）
第１期
路 鹏， 等 北京市垃圾填埋场的运行现状及发展方向
·１５·
填埋场的土地再利用问题也逐渐提上议事日程， 相当长的时间内还会继续存在。如何使这些设施
采用何种方式进行填埋场的再利用是值得思考的 延长使用寿命提高功效， 同时降低对环境的影响
２ 基于禁忌搜索算法的优化路线解决方法 作为车辆路线问题， 收运路线优化在算法复
杂性上是一个非多项式时间的难题 （ ｎｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎ－ ｉｓｔｉｃ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｈａｒｄ， ＮＰＨ） ， 即 随 着 垃 圾 产 生 点 的增加， 可选的方案将以指数速度急剧增长。以 求解 ２０ 个客户的优化问题为例， 客户的全排列数 多达 ２． ４３３×１０１８ 个， 受计算时间的限制， 用穷举
９
５
６
１
３ ４２
图 １ 填埋场及垃圾收运点分布示意
法根本无法求解。于是提出了启发式算法， 即在 ３． ２ 程序实现及结果
允许范围内求解优化问题的次优解。禁忌搜索算
用 Ｃ 语言程序实现了改进模型的禁忌搜索算
法即是这种算法中的一种［ ６］ 。
法， 在主频为 Ｉｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ Ｍ／１ ４００ ＭＨｚ、内存为
收稿日期： ２００７－０７－２３
约束条件： １） 每条收运路线上垃圾清运量之和不
超过车辆的载质量； ２） 每个垃圾产生点的垃圾必
须完全清运； ３） 所需车辆数不超过限定车辆数。
１． ２ 收运路线优化改进模型
垃圾收运路线优化问题不仅要经济成本最低，
而是要实现经济、环境与社会综合效益最优化。
在此， 利用多目标问题转化为单目标时常采用加
３） 禁忌表： 以每次迭代得到的最好解作为禁 忌对象； 禁忌长度应根据问题规模确定。
４） 终止规则： 采用迭代指定的终止准则。 ３ 实例分析 ３． １ 区域背景
山东某沿海城市 ， 面 积 ２２０． ８ ｋｍ２， 人 口 １５ 万人， 垃圾日清运量 １２２ ｔ。该地区的卫生填埋场 位于中部， 周边地区距其 １０￣１５ ｋｍ， 无 中 转 站 。 分析垃圾污染源分布特点， 可将该区划分为 １９ 个
第 １６ 卷第 １ 期 ２００８ 年 ２ 月
环境卫生工程 Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓａｎｉｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．１６ Ｎｏ．１
Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８ ·１１·
城市生活垃圾收运路线优化研究
宋 薇， 刘建国， 聂永丰
（ 清华大学 环境科学与工程系， 北京 １０００８４） 摘 要： 提出了一种新的垃圾收运路线优化问题解决方案： 首先， 建立收运路线优化改进模型， 以单目标优化模 型实现经济、环境与社会多目标优化的作用； 再设计禁忌搜索算法求解模型。该方案的实际应用结果证明了它的适用 性与可行性。 关键词： 城市生活垃圾； 收运路线优化； 禁忌搜索 中图分类号： Ｘ７９９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００５－ ８２０６ （ ２００８） ０１－ ００１１－ ０３
要意义， 也可以加快垃圾填埋场二次开发的速度。 能学报， ２００６， ２７ （ ３） ： ２５５－ ２５８．
３． ３ 现有垃圾填埋场的增容
［ ５］ 詹艳慧， 王里奥 ， 林 建 伟． 生 活 垃 圾 堆 放 场 及 填 埋 场 矿 化 垃 圾 综 合 利
对于一些老的垃圾填埋场， 如杭州天子岭垃 圾填埋场， 已经有了增容的尝试， 并取得了初步 成果［ ７］ 。而对于北京市多为平原型的垃圾填埋场
城市生活垃圾收运系统是生活垃圾管理的重 要组成部分， 收运费用占垃圾处理处置费用的 ４０％～５０％。而且， 随着城市生活垃圾产生量的迅 速增加， 收运系统对环境及社会系统造成的压力 也日益凸现。因而有必要对垃圾车的收运路线进 行合理优化， 以降低收运系统成本， 减少环境污 染与社会影响。目前常见的优化模型主要考虑收 运的经济因素［ １］ ， 即使有少数考虑环境及社会影 响的模型也因为需要大量的数据［ ２］ ， 不适用于我 国目前环境管理信息与交通运输信息不完善的情 况。为此， 我们从我国环境管理特点出发， 利用 加权法建立可同时实现经济、环境与社会综合效 益最优的收运路线模型， 并利用禁忌搜索算法求 解， 将这一新的解决方案应用于实践。 １ 垃圾收运路线优化改进模型的建立 １． １ 收运路线优化模型
基于收运成本与路线长度之间的近似线性关 系， 收运路线优化模型通常以收运总路线最短作 为优化目标。通过分析垃圾收运系统的特点， 可 将路线优化模型描述为由某一垃圾处理处置地 （ 填埋场、焚烧厂或是转运站） 用多台垃圾车到垃 圾产生点收运垃圾， 每个产生点的位置和清运垃 圾量一定， 每辆车的载质量一定， 要求合理安排 车辆收运路线， 使收运总路线最短， 并满足以下
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｏｕｔｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｄｏｍｅｓｔｉｃ Ｗａｓｔｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒ ａｎｓｐｏｒ ｔａｔｉｏｎ Ｓｏｎｇ Ｗｅｉ， Ｌｉｕ Ｊｉａｎｇｕｏ， Ｎｉｅ Ｙｏｎｇｆｅｎｇ
（ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｎｅｗ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｒｏｕｔｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｆｉｒｓｔ， ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｒｏｕｔｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｆｏｒｍ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ － ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｕｌｔｉ － ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅｃｏｎｏｍｉｃ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ． Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ Ｔａｂｕ Ｓｅａｒｃｈ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｈａｄ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｗａｓｔｅ； ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｒｏｕｔｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； Ｔａｂｕ Ｓｅａｒｃｈ
２） 领域结 构 ： 采 用 ２－ ＯＰＴ 领 域 搜 索 技 术 产
表 １ 功能分区与环境影响权重
生领域解。
分区 ０ 类区 一类区 二类区 三类区 四类区
噪声功能分区 １． ００ ０． ９１ ０． ８３ ０． ７７ ０． ７１
空气质量功能区
１． ００ ０． ８３ ０． ５８
!３ 是利用两两比较得到的语气算子与权重之间 的对应关系得到的， 将交通最拥挤的路段权重定义 为 １， 其它路段拥挤情况与其比较， 并由 １１ 种语 气算子加以描述， 再由表 ２ 转化成相应的权重［ ５］ 。
权方法［ ３］ ， 将环境与社会因素的信息加至上述优
化模型中， 建立包含 ３ 个目标最优的改进模型。
具体而言， 是对实际路线长度进行加权改造 （ 为
便于描述， 将加权后的路线长度称为综合路线长
度） ， 并将综ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ路线长度应用于优化模型， 即为改
进模型。这一改进模型将复杂的多目标规划转化
为单目标线性规划， 意义明确， 便于求解， 特别