20xx年全國大學生數學建模夏令營a題垃圾分類處理與清運方案論文(已修改)

　

【正文】 垃圾分類處理與清運方案設計隨著我國城市生活質量要求的提高及垃圾處理事業的發展，垃圾轉運系統的轉運效率和投資效益在城市環衛建設中起著越來越重要的作用。因此，轉運系統的合理規劃及優化設計，也隨之成為城市環衛規劃中的一個重要課題。本文就A題給出的深圳市南山區垃圾分類處理與清運方案設計的問題進行研究，展開討論，分析和建立數學模型，利用編程進行求解。對于問題一：從以下兩點進行研究。一、垃圾中轉站的位置與數量已定，但廚余垃圾處理中心的位置與數量不確定。二、為了確定廚余垃圾處理中心的數量與位置，我們選用集合覆蓋模型求出待選處理中心位置后，再利用整數規劃建立整個垃圾清運系統總費用現值最小模型，確定最優組合。對于問題二：在問題一確定垃圾處理中心基礎上求解垃圾清運路線問題，類似于物流線路優化問題。我們參考周期多車場車輛路徑問題（Periodic Mulitdepot Vehicle Routing Problem，Periodic MDVRP），因為VRP問題已被證明為NP問題，通過普通計算數據量大并很難求出有效解。本文運用遺傳模擬退火算法進行求解。并利用仿真實驗證明該算法具較好的搜索性能與全局并行性。對于問題三：在問題一基礎上，增加一個更普通條件，即垃圾轉運站和廚余垃圾處理中心的布局也顯不確定性。由于未知量太多，采用常規類似物流中心選址方法模型進行求解已顯得無能為力。本文采用選址路徑三層模型（LAP），此模型的特點為中轉轉于處理中心的位置為未知量。并且在模型中選址與路徑看做整體對待。我們使用遺傳算法對此模型進行求解，通過迭代計算便可以得到中轉站分布于最佳線路組合。我們通過實驗仿真求解證明此模型是高效與可行的。關鍵詞：最優組合 集合覆蓋 周期多車場車輛 遺傳模擬退火算法 背景近年來垃圾包圍城市的問題越來越突出，為了解決這一難題，中國許多大中城市投資興建垃圾填埋場和焚燒場，垃圾處理工藝越來越先進有效，而原有發展多年的城市環衛清掃體系也保證了垃圾的有效收集，但是中轉運輸這一環的發展滯后卻逐漸成為立即處理系統的瓶頸，隨之產生原有收運系統與其不配套的問題，如垃圾處理場遠離市區；城市垃圾收運車噸位又比較小，不適宜遠途運輸等，為了解決這些問題，垃圾分類處理與清運方案設計的問題得到越來越多的人的關注。 對于第一問和第二問，垃圾分為。廚余垃圾，可回收垃圾，有害垃圾和其他不可回收垃圾。所有垃圾將由收集汽車從小區的垃圾站運往附近的垃圾轉運站，在垃圾轉運站進行分類后，由拖車將有害垃圾和不可回收垃圾運往垃圾處理中心，將廚余垃圾運往廚余垃圾處理中心，可回收垃圾就在垃圾轉運站進行分類再利用，顯然，可回收垃圾和廚余垃圾能產生經濟效益，而不可回收垃圾和有害垃圾不能產生經濟效益。 其中相關已知條件如下表所示：廚余設備相關數據類別處理能力投資額運行成本產物價格大型廚余設備200噸/日4500萬元150元/噸10001500元/噸小型廚余設備200300公斤/日28萬元200元/噸10001500元/噸四類垃圾比例類別廚余垃圾可回收垃圾有害垃圾其他不可回收垃圾比例4213可回收垃圾的相關數據類別所占比類回收價格紙類55%1元/公斤塑料35%玻璃6%金屬4%拖車：只拖十噸的大型廂，只用于從轉運站到垃圾中心，每次只拖一個大型廂，平均每公里耗油25L—30L柴油/每公里。柴油單價：。收集車輛：只負責從小區的垃圾站到轉運站運輸，每車耗油20L—35L 70汽油/百公里。司機月薪平均3500元。（1）假定現有垃圾轉運站的規模與位置不變的條件下，即38個垃圾轉運站位置確定接收垃圾能力一定。建立數學模型，確定大、小型廚余垃圾設備分布的最優情況以及目前運輸條件下的最優清運路線。（2）在問題（1）中，假設垃圾轉運站的規模與位置隨機，再次建立數學模型，確定大、小型廚余垃圾設備分布的最優情況以及目前運輸條件下的最優清運路線。符號說明對于第一個問題的模型符號說明：，表示有nz座垃圾收集站組成的集合；Ck表示篩選出的第k座垃圾中轉站的中轉能力；Xi表示第Z座垃圾收；A（K）表示篩選出的第k座垃圾中轉站所覆蓋的垃圾收集站的集合；B（i）表示可以覆蓋第Z座垃圾收集站的中轉站的集合；Wk表示是否啟用第k座垃圾中轉站；Uik表示第i座垃圾中轉站是否被第k座垃圾中轉站覆蓋；T 為規劃使用年限，建設期為t0年；r 為進行現值轉換的貼現率；Cik 為第i座收集站運往第k座中轉站單位運輸量單位距離的費用 ；Xik為第i座收集站運往第k座中轉站的口運輸垃圾量；Lik 為第i座收集站運往第k座中轉站運輸距離(km)；Dkj 為第k座中站運往第j座處理場單位運輸量單位距離的費用；Ykj 為第k座中轉站運往第i座處理場口運輸垃圾量；；Fk 為規劃期內待建中轉站的固定投資；E 為中轉站的運行成本；Qmin為中轉站建設的最小控制規模；Qmax 為中轉站建設的最大控制規模。對于第二個問題的模型符號說明： 式為車次k所收集垃圾的總資源含量；為點i的垃圾資源含量D(F)為各車次總資源含量的方差，方差越大，說明各車次資源含量具有明顯差別，資源歸類更明確為道路網絡圖所有頂點的集合，n為收集點數，廚余垃圾處理中心標記為0點，垃圾轉運站標記為，t為總車輛數。為01整型規劃變量，且=為i到j的距離，k為規劃車次序數，m為總車次數。點i要求的收集時間，點i開始時間，為點i結束時間為提前到達收集點的懲罰因子為延遲收集完成收集作業的懲罰因子對于第三個問題的模型符號說明：H{i|i =0,1...m}是停車場和一系列收集點的集合。G{rlr=1,...r}是一系列備選的中轉站。L{p|p=1,...p}對是一系列備選的處理站。S{G}{H}指停車場，所有的備選中轉站和收集點的總和。Fp表示在P處建立處理站的固定成本。Fr表示在r處建立中轉站的固定成本。是從收集點i 到收集點j 的平均單位距離的運輸成本。是從中轉站r到處理站P的平均單位距離的運輸成本是中轉站r到處理站P的距離。 是收集點i到收集點J的距離。是收集點i到收集點r的距離。是收集點i到處理站P的距離為收集點1的垃圾量。為收集車輛容量。為運輸車輛容量。為處理站P的處理容量。 = 模型假設對于第一個問題的模型條件假設：（1）廚余垃圾中心的選址僅考慮經濟效益，不受地域、環境、政治等條件的限制或影響；（2）假設所有運輸車輛每天都能正常工作；（3）每天產生的垃圾總量穩定；（4）不考慮交通所帶來的影響（如：堵車等）；對于第二個問題的模型條件假設為： （1）不考慮生活垃圾在經過轉運站之后的物質流變化。 （2）居民每天所產生的垃圾都能運往垃圾轉運站 （3）假設所有中轉站將當天的垃圾都能轉運到垃圾處理中心。 （4）小型垃圾收集車行駛的速度恒定，不考慮實際道路交通狀況。對于第三個問題的模型假設條件為：（1）設施的層次為三層，收集點、中轉站和處理站，最后選定的處理站數量是確定的，只選其中一個，中轉站個數不確定。 (2)廢棄物只能先運到中轉站，然后由中轉站運送到處理站，不能直接運送到處理站。 (3)中轉站和處理站一旦選定建成，使用年限為10年，