基于Python的城市生活垃圾收运物流系统仿真与优化.pdf

兰州大学学报（自然科学版），2 0 2 3，59(3）6 月Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(3)/June基于Python的城市生活垃圾收运物流系统仿真与优化张矢宇，王自由，褚宇航武汉理工大学交通与物流工程学院，武汉4 30 0 6 3摘要：以武汉市杨园街道为例展开调查，使用Python进行程序设计，构建生活垃圾收运物流系统仿真模型.对模型存在的收集线路不合理、系统总运行时间过长、车辆利用率较低等问题，通过构建运输线路规划模型，使用贪心算法对收集车辆的运输线路进行优化；对转运站和车辆收运工作时间安排进行优化调整；对生活垃圾转运车辆的配置方案进行优化.优化后的系统模型仿真结果显示，在完成每天垃圾清运量的前提条件下，系统运行时间下降约1h，运输成本下降约19.54%；收集车辆装载率保持满载的前提下，转运车辆装载率提高约13.0 5%，优化效果显著。关键词：垃圾收运；系统仿真；系统优化；Python；城市生活垃圾中图分类号：U491文献标识码：A文章编号：0 4 55-2 0 59(2 0 2 3)0 3-0 358-0 7D0I:10.13885/j.issn.0455-2059.2023.03.010A simulation of domestic waste collection and transportationlogistics system based on PythonZHANG Shi-yu,WANG Zi-you,CHU Yu-hangSchool of Transportation and Logistics Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,ChinaAbstract:Taking Yangyuan Street in Wuhan City as an example,by means of Python for programming,asimulation model of the domestic waste collection and transportation logistics system was constructed.The simulation results showed that the collection route was unreasonable,total operation time too long,and the utilization rate of vehicles low.In view of the problems with the model,an optimization was car-ried out from the transportation route,collection and transportation plan and vehicle configuration,to con-struct a transportation route planning model,via greedy algorithms,to optimize the transportation route ofdomestic waste collection vehicles and improve domestic waste transfer stations and vehicles.The collec-tion and transportation plan of the company were thus optimized and adjusted and a configuration planof the domestic waste transfer vehicle designed.The simulation results of the optimized system modelshowed that,in completing the daily waste removal and transportation volume,the system running timewas decreased by about 1 h,and the transportation cost decreased by about 19.54%.Under the premisethat the loading rate of collection vehicles remains full,the loading rate of transfer vehicles would be in-creased by about 13.05%and the optimization effect be significant.Key words:domestic waste collection and transportation;system simulation;system optimization;Python;municipal domesticwaste收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 7修回日期：2 0 2 2-0 5-2 3基金项目：交通运输部 城市绿色货运评估技术要求标准研究”项目作者简介：张矢宇(19 6 9-),女，湖北武汉人，副教授，博士，e-mail:，研究方向为交通运输规划与管理359张矢宇，等：基于Python的城市生活垃圾收运物流系统仿真与优化随着城市化进程的加快，“垃圾围城”正逐渐干扰人们的生活.城市生活垃圾收运物流系统的优化有利于推进整个垃圾物流系统合理化，促进城市节能减排与环境保护.目前对于城市生活垃圾收运物流系统的优化研究主要集中于建立优化模型，进行选址1-4 及运输路线 5-8 优化，评价垃圾收运物流系统的现状，并提出优化措施(9-13物流系统仿真使用的语言和程序目前主要有Flexsiml14-17、Pe t r i 网u8-19、A r e n a 2 0 等.本研究以武汉杨园街道为例，对城市生活垃圾收运物流系统的现状进行调查和流程梳理，采用Python语言构建收运物流系统仿真模型，对收运物流系统的现状进行仿真.针对系统存在的问题，从运输线路、收运时间、车辆配置方面进行优化，并再次对优化后的系统进行仿真，检验优化方案的效果，1收运物流系统网络1.1网络结构城市生活垃圾收运物流网络是由垃圾处理中心、转运站、投放点三层节点以及节点之间的运输线路组成的逆向三级结构：垃圾至投放点一收集车辆收运一转运站处理一转运车辆运输一处理中心最终处理.杨园街道日均生活垃圾产生量约80t，收运物流网络结构见图1.生活垃圾处理中心一级运输线路生活垃圾转运站二级运输线路线路1线路1线路16线路16生活垃圾生活垃圾生活垃圾投放点1投放点5投放点7 8图1杨园街道生活垃圾收运物流网络Fig.1Yangyuan Street municipal domestic waste collectionand transportation logistics network1.22节点杨园街道生活垃圾投放点共计7 8 个，布置十分密集，以行政区域、管理区域为参考，以小区或企事业单位作为投放点进行划分.投放点常见垃圾收集设施为垃圾桶、垃圾箱和临时存放设备等，是生活垃圾收运物流系统中直接与居民对接的基础设施。生活垃圾转运站承担街道或区域的生活垃圾汇集、压缩、转运工作，负责将收集车辆收集的生活垃圾卸载、压缩与暂存，并将压缩后的垃圾装载至转运车辆.杨园街道有生活垃圾转运站1个，站内设有两台垃圾压缩机，垃圾处理和转运能力为8 0 t/d.生活垃圾处理中心是生活垃圾收运物流系统的末环，对生活垃圾进行最终处理，包括填埋、焚烧等.杨园街道垃圾转运站的上级处理中心为武汉市长山口垃圾处理中心，其处理能力为2 7 0 0 t/d.本研究在仿真及优化建模中假设长山口垃圾处理中心的处理能力和时间条件完全满足杨园街道的垃圾清运需求，对杨园街道垃圾收运物流系统的优化不产生约束。1.3运输线路和车辆收运物流网络中的线路第1级为生活垃圾处理中心至垃圾转运站，第2 级为生活垃圾转运站至垃圾投放点.杨园街道生活垃圾收运物流网络1级运输线路只有1条长山口垃圾处理中心至杨园转运站的固定线路，运输距离约4 0 km；2 级运输线路共16 条，为生活垃圾收集车辆运输线路，每条运输线路负责若干投放点的垃圾收运，16 条收运线路总运输距离为14 1.10 km(图2).不同颜色的线条代表不同生活垃圾收集车辆的运输线路图2 生活垃圾收集车辆运输线路Fig.2Transportation lines of domestic garbagecollectionvehicles生活垃圾清运车辆包括收集车辆和转运车辆杨园街道环卫所共有收集车辆16 辆，其中载重量3t的12 辆，1t的4 辆，总载重量4 0 t；转运车辆3辆，其中载重16 t的2 辆，12 t的1辆，总载重量4 8 t.1.4工作流程杨园街道生活垃圾收运物流工作以转运站为中心点，主要围绕“收集”、“压缩”、“转运”环节展开。“收集”环节：收集车辆自转运站发车，前往各垃圾投放点进行收集装车作业，在完成本车所承担的所有投放点垃圾收集作业后返回转运站，请求卸车作业，若垃圾压缩机状态为“空闲”则立即360兰州大学学报自然科学版），2 0 2 3，59(3)开始卸车，若垃圾压缩机状态为“繁忙”则排队等待，在完成卸车作业后请求清洗消毒作业.所有收集车辆每天需进行两轮作业，在完成第2 轮作业后，全天的垃圾收集作业完成.“压缩”环节：垃圾在转运站内自收集车厢倾倒至垃圾压缩机内进行压缩并暂存，压缩后垃圾量达到转运车辆满载要求时装人转运车辆，两台垃圾压缩机轮流作业.“转运”环节：转运车辆完成装车作业后启程前往长山口垃圾处理中心，到达处理中心完成卸车作业后返回转运站并请求清洗消毒作业，完成清洗消毒作业后该轮作业完成，等待下一轮作业指令.当转运站中所有垃圾全部运至处理中心后，一天的收运工作完成.杨园街道生活垃圾收运物流系统每天0 2:0 0(北京时间，下同)开始作业，收集车辆从转运站按10min间隔依次发车，每天工作两次，第2 次收运作业在11:0 0 开始.转运车辆的作业时间不固定，在转运站的压缩垃圾达到转运车辆满载要求时，即进行装运发车作业，至所有车辆完成作业返回转运站且转运站垃圾存储量为0 时，系统作业完成.受每日收运的生活垃圾总量波动影响，杨园街道生活垃圾收运物流系统每天工作结束时间约在18:00-19:30.2系统仿真建模2.1仿真方法与软件生活垃圾收运物流系统是典型的离散系统，状态变化不连续，仅在离散的时间点上发生变化，符合离散系统的特征.Python第三方库SimPy可以实现离散事件的仿真，利用SimPy可构建完全开源的仿真方案，实现特定的仿真实验需求。2.2仿真对象、事件与参数生活垃圾投放点是系统中的固定实体.杨园街道有7 8 个生活垃圾投放点，生活垃圾桶平均装载率为8 5%，平均装载量为0.1t，平均容量为2 4 0 L，生活垃圾密度为0.4 8 8 t/m生活垃圾转运站是系统中的固定实体.杨园街道设有一个生活垃圾转运站，其坐标由百度地图测量所得，相关参数为实地调查所得(表1).表1生生活垃圾转运站相关参数Table1Parametertableof domestic wastetransferstation参数单位数值转运站坐标(114.346808E,30.610326N)垃圾日处理能力t80收集车辆发车间隔S600转运车辆发车条件满载压缩机服务容量台2工作人员数量位9排队规则先进先出队列容量辆4卸车作业时间SUniform(120,300)装车作业时间SNormal(15,180)压缩作业时间S900清洗消毒作业时间SNormal(30,360)生活垃圾处理中心是系统中的固定实体.转运车辆到达长山口垃圾处理中心后平均等待时间为30 min，卸车作业平均时间为10 min，经过测算等待时间与作业时间符合正态分布，见表2.生活垃圾收集车辆是系统中不断流动的实体，发车时间间隔固定，作业时间与垃圾的质量成正比，单位距离运输成本经实际调查数据估计所得.生活垃圾转运车辆是系统中不断流动的实表2 生活垃圾处理中心及运输车辆相关参数Table2Relevant parameters of domestic waste treatment center and transportation vehicles仿真对象参数单位数值处理中心坐标(114.222064E,30.356005N)排队规则先进先出生活垃圾处理中心处理中心等待时间SNormal(180,1 800)处理中心卸车时间SNormal(60,600)车辆数辆16运行速度m/s4.2生活垃圾收集车辆发车间隔S600生活垃圾投放点作业时间s/t700单位距离运输成本元/m0.0032车辆数辆3运行速度m/s11.1生活垃圾转运车辆发车间隔满载即发车单位距离运输成本元/m0.012361张矢宇，等：十pvthon系统仿真与优化体，单位距离运输成本经实际调查数据估计所得，2.3仿真流程根据垃圾处理工作流程设计的仿真流程见图3.仿真环境配置完成，仿真时钟开始运转后，收集车辆信息以及生活垃圾存储量监控，两进程一并激活.系统在同时满足所有转运车辆作业完成返回转运站和垃圾存储量为0 的条件后，仿真时钟停止运转，仿真完成.仿真环境初始化压缩机进行垃圾排队等待进行压缩作业卸车作业资源设置参数监控模块进程激活垃圾存储量监控进行卸车作业否仿真时钟开始运转请求卸车作业垃圾存储量 M返回转运站收集车辆发车压缩机状态是香空闲是请求清洗消毒前往垃圾投放点呼叫转运车辆否是工作人员垃圾装车作业进行卸车作业转运车辆请求装是否空闲杏杏车作业请求清洗消毒否文所有垃圾投否放点作业完成压缩机状态清洗消毒作业工作人员是否空闲是否空闲是是转运车辆作业完成返回转运站是进行装车作业所有转运是否已进行车辆作业完成清洗消毒作业两轮收集工作转运车辆前往处理中心是是文收集车辆作业完成仿真时钟停止运转一是一垃圾存储量=0参数汇报图3仿真系统设计流程Fig.3Simulation system design flow chart3评价指标3.1系统运作时长生活垃圾收运物流仿真系统开始运行的时刻为生活垃圾转运站发出第1辆收集车辆时，结束的时刻为所有转运车辆完成转运工作并回到生活垃圾转运站且垃圾存储量为0.两个时刻的间隔时间即为系统运作时长.优化后的系统运作仿真时长应低于系统现状仿真时长，表明优化方案在系统运作时间方面提高了运行效率，3.2车辆装载率车辆装载率包括收集车辆装载率和转运车辆装载率，即车辆作业时实际装载的垃圾质量与车辆载重量之比.本研究计算的装载率为平均装载率，即所有车次运输的垃圾质量与车辆载重量比值的均值.其中收集车辆装载率按照其返回转运站时的垃圾收集量计算（即在各个投放点收集的垃圾质量总和）.3.3系统成本由于转运站和处理中心短期内不会发生变动，本次建模中网络节点设施、设备成本不变，重点关注运输环节成本.运输成本主要是清运车辆运输所产生的费用.nTQ-ZL.Pe+ZLeb Pr.(1)a=1b=1其中，Q为运输成本，a、b 为收集车辆编号，nc为收集车辆数，LA.为收集车辆运输距离之和，P.为收集车辆单位距离作业成本，n为收集车辆数，L为转运车辆运输距离之和，P为转运车辆单位距离作业成本.3.4现状仿真及问题构建仿真系统，将生活垃圾收运物流现状条件和数据录人并运行，运行的相关信息及结果不断反馈.模型仿真时间6 119 8 s，共运行约17 h.收集车辆装载率为10 0%，转运车辆装载率为8 6.9 5%.收集车辆运输成本为4 51.52 元/d，转运车辆运输成本为6 19 6.4 2 元/d.系统总运输成本为6 6 4 7.9 4元/d，年运输成本为2 4 2.6 3万元仿真结果与杨园街道生活垃圾收运物流系统362兰州大学学报（自然科学版），2 0 2 3，59(3)实际状态基本相符该系统存在的问题主要有：1）系统运行时间过长.垃圾转运站工作人员每天工作时间为0 2:0 0-19:0 0,工作时长约17 h，压力较大.可从收运时间安排和车辆配置方面进行调整，以提高系统运行效率，缩短工作时长。2)收集车辆运输成本偏高.目前垃圾收集车辆运输线路按照工作经验设置，未进行系统优化。由于长山口垃圾处理中心和杨园转运站位置以及两者之间的道路条件(1级运输线路)短期内不会发生变化，故可以优化收集车辆配置及16 条2 级运输线路，降低运输成本，3)转运车辆平均装载率偏低.每天最后一次运输作业中，装载率仅为2 0%，主要原因为转运车辆的数量、载重量与垃圾作业量不匹配.按杨园街道目前转运车辆运作配置，载重量12、16 t的车辆每天需运行1、5次，总运载能力为9 2 t，平均每次装载率为8 6.9 5%，存在一定的资源浪费，可以通过优化转运车辆的车型及数量配置，提高装载率，降低成本，4系统优化与仿真4.1收运时间调整收运车辆运行应避开交通高峰时期.为降低环卫车辆作业对城市交通的影响，目前许多城市出台政策，规定环卫车辆的工作时间应避开城市上、下班的早、晚高峰.杨园街道生活垃圾收运车辆数量较多，若在交通高峰期间作业对城市交通影响较大，故设定收集车辆在每天0 7:0 0-0 9:0 0 和17:00-19:00停止作业.垃圾转运车辆数量少，对交通影响较小，为了尽快完成系统作业，降低系统总作业时长，对其不予限制.优化收集车辆发车时间，目前系统整体运行时间较长，人员和设备工作压力大，为缩短整体运行时间，可将收集车辆第2 轮发车时间提前1h，即从10:0 0 开始发车作业，并将发车间隔缩短至5 min.4.2收集车辆运输线路优化收集车辆的线路优化不同于一般的路径优化，模型中的车辆数量和类型不唯一，且每个生活垃圾投放点可由多台车辆进行收集，各车辆收集的生活垃圾量也不固定.根据以上特性，建立收集车辆运输线路优化模型，见表3.表3优化模型中的变量和参数Table3Optimize variables and parameters in the model变量物理意义L总运输距离生活垃圾站点编号（i,j=0,1,，M),第0 点为生i，j活垃圾转运站，第1 N点为生活垃圾投放点各点间运输距离生活垃圾投放点数量(N=78)k收集车辆编号(k=1,2,M)M收集车辆数量(M=16)0-1型决策变量，x=1或0,表示车辆k是否从第i点行驶至第点Wik表示第k辆收集车辆在第i点收集的垃圾量Dwk表示第k辆收集车辆的载重量W表示第i个点的生活垃圾投放量目标函数NNMmin L=(2)i=0j=0k=1约束条件xu1,i=0,1,N;k=1,2,M;(3)w1,j=0,1,N;k=1,2,M;(4)xu=1,i=0;(5)xu=1,j=0;(6)wikDwk;(7)xx=sgn(wi);(8)j-1Mwx=W,i=1,2,N.(9)k-1优化模型中，(2)式表示总运输距离最短；(3)、(4)式表示每辆收集车辆的运输路径上不存在重复的点；(5)式表示所有收集车辆均从0 点(垃圾转运站)出发；(6)式表示所有收集车辆最后均回到0 点(垃圾转运站)；(7)式将收集车辆在各点的作业状态与运输路线相统一；(8)式为载重约束，表示第k辆收集车辆的垃圾收集量需要小于该车的载重量；(9)式为垃圾投放量收集约束，表示各投放点的生活垃圾都要确保收集完全.sgnO为符号函数，当wi0时，sgn(wu)=1,表示收集车辆k在i点进行了生活垃圾的收集作业，需将该点添加至车辆k的运输路线，当wx=0时，sgn(wi)=0,表示收集车辆k并未在i点进行作业。363张矢宇，等：基于Python的城市生活垃圾收运物流系统仿真与优化选用贪心算法对优化模型进行求解，用Python进行算法程序编制，优化结果见图4.不同颜色的线条代表不同生活垃圾收集车辆的运输线路图4 优化后的收运线路Fig.4After optimization of receiving andtransportation route4.3转运车辆配置优化对转运车辆配置方案进行考察，两种车型共计3辆转运车可能的配置方案有5个，配置方案及优化结果见表4.表4转运车辆配置方案及优化结果Table4Transfervehicle configuration plan车辆配置（载重量装载率仿真时转运成本/方案数量次数）/%间/s(元/d)11622.5121186.9561 1986 196.4221613.0121395.2466.3006.196.4231622.5100.0061 6685163.6941615100.0072.6305 163.695121783.33913627229.164.4系统优化后的仿真根据以上优化方案调整后的系统仍以仿真时间、车辆装载率、系统成本作为评价指标，再次进行仿真实验.模型仿真时间为57 4 2 2 s（15.9 5h)优化后的系统自0 2:0 0 开始工作，到18:0 0 完成工作，较优化前工作时长减少约1h，有效缓解系统设备、人员的工作压力.收集车辆优化后的运输路径见图4 b，收集总运输距离为12 4.2 7 km，比优化前缩短16.8 2 km；收集总运输成本为39 7.6 8 元/d，比优化前减少53.8 4 元/d，降幅为13.54%.综合考虑装载率、仿真结束时间和运输成本，转运车辆配置最优化方案为方案3，转运车辆的装载率较优化前提高了13.0 5%；转运总运输成本比优化前下降2 0.0 0%；系统总运输成本下降19.54%，运输成本可节约39.6 6 万元/a.5结论利用Python软件编写系统仿真模型，现状仿真结果与实际状况相符，针对系统运行时间、收集车辆运输线路及转运车辆配置方案进行调整或优化，对优化后的系统再次进行仿真实验，结果显示优化后的收运物流系统在提高运行效率及降低成本方面均有显著提升，验证了优化方案及优化模型的有效性。参考文献1袁京，李国学，张红玉，等.基于转运站满负荷的北京市新东西城区生活垃圾物流优化方案研究 J.环境科学，2013,34(9):3633-3640.2张兰，倪静，宋玉萍.基于Flexsim仿真的逆向物流网络模型优化研究 J.物流科技，2 0 16,39(3):6 2-6 6.3江浔，张睿，徐得潜.合肥市滨湖新区固体垃圾收运系统优化研究 .合肥工业大学学报（自然科学版)，2 0 16,39(11):1543-1547.4秦全德，李丽，程玉荣.城市固体废弃物运输和处理设施选择的鲁棒优化：基于ROME方法 J.管理工程学报,2 0 19,33(3):17 9-18 7.5程建波，李锐.不确定收集量下城市生活废弃物物流网络设计 J.青岛大学学报（工程技术版)，2 0 2 1,36(2)：42-46.6唐欣.汉中市城市生活垃圾收运路线优化研究 .价值工程,2 0 2 0,39(4):7 9-8 2.7张凡.城市生活垃圾分类收运电动车辆路径问题研究 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