城市生活垃圾收运车辆调度的实时应急管理研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 2.49MB 63 页 15积分

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摘要

城市生活垃圾收运是整个城市生活垃圾处理体系中最有现实意义和研究价值

的问题之一，既反应出政府公共服务的水平，还关系到城市街道环境卫生质量，

与人们生活息息相关。由于收运系统所处的客观环境是复杂多变的，收运过程中

存在着诸多不确定性因素，如垃圾量的变动、运力损失等。这些事件的发生是不

可预测和控制的，且都很可能会导致收运条件的变化，从而引起收运计划延迟甚

至中断，继而导致垃圾不及时清运的二次污染等环境问题，给政府和企业带来负

面影响。因此，如何快速处理这些对正常收运产生影响的干扰事件，帮助环卫部

门和企业在尽量不影响预定计划的前提下完成拟定的任务，最大限度的减少干扰

事件对既定范围垃圾收运工作的影响，保证收运任务的及时顺利进行，就成了环

卫部门和企业垃圾收运系统建设中必须研究的关键问题。

本文以城市生活垃圾的收运问题为研究内容，针对垃圾量变动和收运设备故

障两种最具代表性的干扰事件，根据干扰管理思想，分别提出了两种扰动辨识规

则，及基于初始计划偏离度和运输成本两个指标的度量方法。在此基础上，分别

以带有时间窗单车场和带有时间窗多车场收运问题为研究背景，构建了城市生活

垃圾收运中垃圾量变动和收运设备故障的干扰管理模型，并通过仿真算例验证了

所建模型和所用算法的可行性和优越性。最后，通过对杨浦区江浦街道实例的研

究，构建了基于现实条件下的干扰管理模型，设计了改进的遗传算法，采用 matlab

编程实现实时生成干扰恢复策略，以最小化扰动程度，提高公共服务质量和满意

度，减小收运成本，降低环境污染。通过干扰管理方案与传统方法的实验结果对

比分析，验证了本文模型和算法的有效性和优越性。

本文是干扰管理在城市生活垃圾收运领域的成功运用，为解决该领域干扰管

理困难的现实问题进行了有益的探索。

关键词：城市生活垃圾车辆调度干扰管理遗传算法多目标优化

ABSTRACT

The collection of municipal domestic waste is one of the most realistic and

significant problems in the entire municipal domestic waste disposal system. It is not

only reflects the level of government public service, but also relates to the city's streets

environmental health. And it is closely related to people's life. Because the objective

environment of collection system is complex and changeable, there are many

uncertainty factors in the process of collection, such as variation in garbage volume,

transportation capacity loss, etc. The occurrence of these events is not predictable and

controllable, and likely to lead to collection condition change, which will lead to a

collection plan delay, even a collection interrupt. And then, it will lead to garbage

pickup not in time, which will make secondary pollution and other environmental

problems. It has a negative impact to the government and enterprises. Therefore, how to

deal with the disruption of the impact quickly, help the proposed task of sanitation

department and the enterprise have scheduled not affected, minimize disruption events

influence and guarantee the collection task performed smoothly in time. It is the key

issue that the sanitation department and the enterprise must study.

Based on the municipal domestic waste collection problem, this paper discussed

two of the most representative event. According to disruption management theory,

proposes two disturbance identification rules respectively, and puts forward two

indicators of measurement method based on the initial plan deviation and transport costs.

Then, two different problems have been put forward. One is single yard, and the other

one is more than one yard. Based on these researches background, this paper built

disruption management models. The model and algorithm is verified feasibility and

superiority by simulation examples. Finally, based on the research of the Yangpu district

Jiangpu street, consider of reality, constructed disruption management model, and

designed the improved genetic algorithm. Using Matlab to realize real-time generate

disruption recovery strategy and minimize disturbance degree, improve the quality of

public service and satisfaction, accepted reduce transportation cost, reduce the pollution

of the environment. Through compared disruption management with the traditional

method, analysis the results of the experiment, the model and algorithm of this paper is

verified the effectiveness.

This article is the successful application of disruption management in the field of

municipal domestic waste, which is carried on the beneficial exploration of reality to

solve the disruption management difficult problem in the field.

Key Words: Municipal Domestic Waste, Vehicle Routing Problem,

Disruption Management, Genetic Algorithm, Multi-Objective Integer

Programming Model

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

1.1 问题的提出与研究意义 ....................................... 1

1.1.1 问题的提出 ............................................ 1

1.1.2 研究意义 .............................................. 1

1.2 国内外研究现状 ............................................. 2

1.2.1 垃圾收运车辆路径问题研究现状 .......................... 2

1.2.2 干扰管理研究现状 ...................................... 3

1.3 主要内容与研究方法 .......................................... 4

1.3.1 主要研究内容 .......................................... 4

1.3.2 技术路线 .............................................. 5

1.3.3 研究方法 .............................................. 5

第二章相关理论综述 ................................................ 7

2.1 城市生活垃圾收运理论概述 ................................... 7

2.1.1 城市生活垃圾收运系统 .................................. 7

2.1.2 垃圾收运车辆路径问题 .................................. 8

2.1.3 垃圾收运车辆路径问题模型 .............................. 9

2.1.4 垃圾收运车辆路径问题算法 ............................. 11

2.2 干扰管理理论概述 .......................................... 12

2.2.1 干扰管理形成与发展 ................................... 12

2.2.2 干扰管理模型 ......................................... 13

2.2.3 干扰管理算法 ......................................... 15

2.2.4 干扰管理与其他不确定性决策方法比较 ................... 16

§2.3 相关算法简介 ............................................. 17

2.3.1 遗传算法 ............................................. 17

2.3.2 自适应遗传算法 ....................................... 18

第三章收运设备故障的干扰管理模型研究 ............................. 20

3.1 引言 ....................................................... 20

3.2 收运设备故障的干扰管理模型 ................................ 20

3.2.1 问题的描述及假设 ..................................... 20

3.2.2 扰动辨识与救援策略 ................................... 20

3.2.3 扰动度量 ............................................. 21

3.2.4 构造虚拟收集点 ....................................... 22

3.2.5 干扰管理模型 ......................................... 22

3.3 模型算法设计 ............................................... 24

3.4 算例分析 .................................................. 24

3.5 本章小结 .................................................. 28

第四章垃圾量变动的干扰管理模型研究 ............................... 29

4.1 引言 ....................................................... 29

4.2 干扰管理模型的建立 ........................................ 29

4.2.1 问题描述 ............................................. 29

4.2.2 扰动辨识及救援策略 ................................... 29

4.2.3 扰动度量 ............................................. 30

4.2.4 引入虚拟收集点 ....................................... 31

4.2.5 干扰管理模型 ......................................... 31

4.3 改进遗传算法设计 ........................................... 32

4.3.1 染色体的构造 ......................................... 32

4.3.2 初始种群的确定 ....................................... 33

4.3.3 适应度函数 ........................................... 33

4.3.4 精英选择 ............................................. 33

4.3.5 交叉、变异操作 ....................................... 33

4.4 算例分析 ................................................... 34

4.4.1 具体问题描述 ......................................... 34

4.4.2 干扰仿真结果分析 ..................................... 35

4.5 本章小结 .................................................. 39

第五章杨浦区江浦街道实例应用 ..................................... 40

5.1 江浦街道收运背景 .......................................... 40

5.1.1 辖区垃圾收运现状 ..................................... 40

5.1.2 垃圾数据收集与整合 ................................... 40

5.2 初始最优方案 .............................................. 43

5.3 干扰管理方案 ............................................... 44

5.3.1 实时处理方法 ......................................... 44

5.3.2 扰动辨识与救援策略 ................................... 44

5.3.3 干扰管理模型 ......................................... 44

5.4 改进遗传算法设计 ........................................... 46

5.4.1 染色体编码与解码 ..................................... 46

5.4.2 初始种群的确定 ....................................... 47

5.4.3 适应度函数 ........................................... 47

5.5 实例问题与实验结果及评价 ................................... 47

5.5.1 实例问题描述 ......................................... 47

5.5.2 实验结果 ............................................. 48

5.5.3 实验结果评价 ......................................... 49

5.6 本章小结 .................................................. 49

第六章总结与展望 ................................................. 51

参考文献 .......................................................... 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 58

致谢 .............................................................. 59

第一章绪论

1.1 问题的提出与研究意义

1.1.1 问题的提出

统计资料显示，全世界垃圾年均增长速度为8.42%，而中国垃圾增长率达到10%

以上。目前，中国城市人均日产垃圾约1公斤，垃圾人均年产量达440公斤。与垃

圾的快速增长相对应的，是环卫日常运营成本的日益膨胀。据统计，在中国一个

100万人口的中小城市，日产垃圾量可达800吨。每吨垃圾从收集到运输再到处置

的总费用合计达到180元，其中收集过程约70元、运输过程约55元、处理过程约55

元。每天800吨总计所需费用为14.4万元，全年类计达到5256万元。这对任何发展

中的城市来说都是一个不小的投入，如何提高环卫运维效率、降低运营成本，是

城市环卫发展的当务之急。

城市生活垃圾收运系统所花费用在整个处理系统的成本中所占比例高达70%，

可见城市生活垃圾收运是制约城市环境卫生发展的一个重要问题。

随着物联网、移动互联网等技术的不断发展，城市生活垃圾收运优化问题已

获得了较好的成效。对垃圾收集路径的优化、垃圾清运车辆的运输路线优化等均

获得了很多研究成果，也得到了实际应用的有效检验。收运车辆行驶成本、车辆

维修成本、燃料成本都随之相应减少，同时也极大的提高了人力资源的利用率。

然而，对于已经优化或者已达到最优的收运系统来说，由于现实生活中充满了诸

多不确定因素，如交通拥堵、道路维修、车辆损坏及天气恶劣等，会使得收运系

统最初优化方案在实际执行过程中变得不再最优，或者有时甚至变得不再可行。

即由于干扰事件对收运系统产生扰动，使得收运作业不能够继续按照原定计划执

行。而且，这些干扰常常超出服务提供商最初制定计划所设想的范围。对于这些

干扰，若不能及时有效的处理，不仅会阻碍计划的后续实施，而且会给企业和政

府带来极大的负面影响。

1.1.2 研究意义

本文针对城市生活垃圾收运中常发生的若干干扰事件，例如垃圾量的变动、

收运车辆运力的损失等，结合干扰管理理论思想，通过分析研究城市生活垃圾收

运现状存在的各种各样的干扰问题，构建城市生活垃圾收运车辆调度实时应急管

理模型。为最大化垃圾收运工作的正常运行提供实时参考，以提高城市生活垃圾

收运系统对经常性大概率干扰事件的反应能力，使得收运系统保持稳定状态的同

时获得最大的社会及经济效益。

本文研究的问题——将干扰管理思想应用到城市生活垃圾收运系统中，无论

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摘要：

摘要城市生活垃圾收运是整个城市生活垃圾处理体系中最有现实意义和研究价值的问题之一，既反应出政府公共服务的水平，还关系到城市街道环境卫生质量，与人们生活息息相关。由于收运系统所处的客观环境是复杂多变的，收运过程中存在着诸多不确定性因素，如垃圾量的变动、运力损失等。这些事件的发生是不可预测和控制的，且都很可能会导致收运条件的变化，从而引起收运计划延迟甚至中断，继而导致垃圾不及时清运的二次污染等环境问题，给政府和企业带来负面影响。因此，如何快速处理这些对正常收运产生影响的干扰事件，帮助环卫部门和企业在尽量不影响预定计划的前提下完成拟定的任务，最大限度的减少干扰事件对既定范围垃圾收运工作的影响，保证收...

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