Разработка методики планирования перевозок твердых коммунальных отходов автомобильным транспортом

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРЕВОЗОК ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

СЕВЕРОВА Евгения Сергеевна

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре «Организация перевозок, управления и безопасности на автомобильном транспорте» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель - доктор экономических наук, доцент Горев Андрей Эдливич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лукинский Валерий Сергеевич,

кандидат технических наук, доцент Егоров Александр Борисович

Ведущая организация - Институт проблем транспорта РАН, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «19» декабря 2006г. в 15⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 198103, С.-Петербург, Курляндская ул. 2/5, ауд. 340-К.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «17» ноября 2006г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент С.В. Репин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В России для удаления твердых коммунальных отходов (ТКО) широко применяется специализированный автомобильный транспорт различных типов, в зависимости от применяемой технологии вывоза. Существующие на сегодняшний день технологии вывоза ТКО можно разделить на баковую и контейнерную. Последняя, в свою очередь, может быть прямой или двухэтапной. Баковая технология вывоза ТКО подразумевает применение автомобильного транспорта, осуществляющего перегрузку отходов в оснащенный системой прессования кузов из баков непосредственно в местах накопления отходов. Контейнерная технология основана на применении сменных кузовов-контейнеров, устанавливаемых для сбора отходов на специализированных площадках. Применение контейнерной технологии сопряжено с использованием большего количества транспортных средств, большими пробегами в транспортной системе вывоза ТКО, большей загруженностью улиц городов и пригородных дорог, но отказ от нее невозможен ввиду ее высокой эффективности для заказчика - накопителя отходов.

В последние годы в мировой и отечественной практике наблюдается тенденция замены прямого вывоза ТКО двухэтапным с использованием мусороперегрузочных станций (МПС). Эта технология особенно активно внедряется в городах, в которых полигоны ТКО расположены на значительном расстоянии от города.

Преимущества, которые дает применение МПС, зависят от решения ряда технических и организационных вопросов. В их числе: определение места расположения МПС, ее производительности и определения количества таких станций для города или обслуживаемого района.

Таким образом, на сегодняшний день существует острая необходимость разработки методики, позволяющей усовершенствовать контейнерную систему вывоза ТКО с использованием МПС, которая позволит в значительной мере сократить связанные с процессом транспортировки издержки, уменьшить негативное воздействие на экологию, сократить нагрузку на улично-дорожную сеть и повысить качество предоставляемой услуги для конечного потребителя. Эта методика должна учитывать все основные характеристики и особенности рассматриваемой транспортной системы и позволять производить необходимые расчеты при помощи широко распространенных программных продуктов, нашедших широкое применения в области решения сходных задач.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики планирования перевозок ТКО автомобильным транспортом.

Для достижения указанной цели необходимо осуществить решение следующих задач:

1. Провести анализ существующей системы планирования удаления ТКО в крупных городах автомобильным транспортом;

2. Проанализировать возможность планирования перевозок ТКО при помощи существующих на сегодняшний день методов проектирования транспортно-логистических сетей;

3. Определить структуру затрат, связанных с удалением ТКО и систему критериев для оптимизации потоков отходов;

4. Разработать методику проектирования транспортно-логистической сети вывоза ТКО, включающую:

· модель оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за пунктами размещения и утилизации,

· модель оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за МПС и МПС за пунктами размещения и утилизации,

· модель определения оптимального расположение одной МПС на транспортной сети, модель добавления МПС на транспортной сети к уже имеющейся,

· алгоритм определения координат требующегося количества МПС на транспортной сети.

5. Провести оценку экономической эффективности предлагаемой методики;

6. Разработать программное обеспечение для проведения расчетов в рамках предлагаемой методики.

Объектом исследования являются перевозки ТКО автомобильным транспортом.

Предметом исследования являются методы оптимизации транспортных потоков при осуществлении транспортировки ТКО с использованием или без использования МПС, как терминального комплекса, применяемого в коммунальном хозяйстве.

Общая методология исследования базируется на принципах теории логистики, системного анализа, моделирования, и позволяет рассмотреть проблему эффективности функционирования транспортно-логистической сети с точки зрения вывоза ТКО.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке модели оптимального планирования перевозок ТКО, включающей: транспортный отходы автомобильный мусороперегрузочный

· Модель оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за пунктами размещения и утилизации, позволяющая значительно сократить пробеги в транспортно-логистической системе вывоза ТКО;

· Модель оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за МПС и МПС за пунктами размещения и утилизации, позволяющая сократить пробеги транспорта малой и большой грузоподъемности, осуществляющего перевозку ТКО;

· Модель определения оптимального расположения одной МПС на транспортной сети, позволяющая сформировать такую транспортно-логистическую систему вывоза ТКО, которая сможет значительно разгрузить улично-дорожную сеть от большегрузного транспорта и сократить пробеги в системе вывоза ТКО в целом;

· Модель добавления МПС на транспортной сети к уже имеющейся, позволяющая развить транспортно-логистическую сеть вывоза ТКО, добавив еще одну МПС в том случае, когда имеющихся на сети МПС недостаточно;

· Алгоритм определение координат требующегося количества МПС на транспортной сети, позволяющий сформировать транспортгно-логистическую сеть вывоза ТКО с необходимым количеством МПС, которая позволит значительно сократить пробеги транспорта и нагрузку на улично-дорожную сеть города.

Практическая значимость результатов исследования заключается в возможности повышения эффективности функционирования транспортно-логистической сети вывоза ТКО за счет оптимального размещения МПС и оптимального планирования потоков ТКО между заказчиками, МПС и пунктами приема и размещения. Для получения практических результатов разработана наглядная схема решения в Microsoft Excel.

Апробация работы. Основные положения исследования излагались на 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, 58-й международной научно-технической конференции молодых ученых.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 4 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 130 страниц текста, состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 74 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ сложившейся на сегодняшний день в России ситуации в области обращения с ТКО, включая их образование, накопление, транспортировку и утилизацию.

В России широко применяется система удаления ТКО, основанная на накоплении отходов в контейнерах или баках различной емкости и дальнейшем их вывозе автомобильным транспортом на усовершенствованные свалки - полигоны или мусороперерабатывающие заводы.

Использование баков осуществляется в домах, оснащенных системой мусоропроводов. Они также устанавливаются на контейнерных площадках в тех случаях, когда объемы накопления являются незначительными. Сбор ТКО осуществляет мусоровозный автомобиль, оснащенный прессовальным механизмом. Загруженные баки перегружаются в кузов автомобиля и возвращаются на место.

При больших объемах образования и накопление ТКО применение баков на контейнерных площадках нецелесообразно ввиду того, что установка большого количества баков требует значительных площадей, а также ввиду большой стоимости самих баков. В этих случаях для накопления ТКО устанавливаются сменные контейнера различной емкости. Эта система нашла широкое применение в Санкт-Петербурге в районах старой застройки, где отсутствуют мусоропроводы, и один контейнер используется для сбора ТКО с нескольких жилых домов, контейнера часто устанавливаются на территориях предприятий, офисных центров, гостиничных комплексов и т.п.

Проведенный анализ показал, что наибольшей эффективностью обладает технология сбора ТКО, при которой накопление отходов производится в установленный у заказчика контейнер. Транспорт малой грузоподъемности осуществляет замену контейнера на месте накопления и перегружает отходы из вывезенного контейнера на мусороперегрузочной станции, где отходы подвергаются сортировке, прессованию и погрузке в контейнер большой емкости, в котором они далее вывозятся на мусороперерабатывающий завод или полигон. Фактически она представляет собой применение терминальной технологии перевозки при обслуживании коммунального хозяйства большого города. Однако важным условием эффективности функционирования МПС является оптимальность ее расположения на транспортно-логистической сети вывоза ТКО.

Существенный вклад в изучение вопросов управления транспортными потоками внесли: Беляев В.М., Горев А.Э., Троицкая Н.А., Чубуков А.Б.; в изучение логистического обслуживания потребителей транспортных услуг: Абалонин С.М., Дыбская В.В., Лукинский В.С., Миротин Л.Б., Сергеев В.И., Смехов А.А.; в изучение вопросов оптимизации транспортных потоков; Авен О.И., Васильева Е.М., Галабурда В.Г., Левит Б.Ю., Леоненков А.В., Лившиц В.Н., Ловецкий С.Е., Моисеенко Г.Е., Кожин А.П.; в изучение вопросов удаление отходов автомобильным транспортом: Алексеев Г.М., Дударев А.Я., А.Н., Мягков М.И., Новиков Г.В., Ольшанский В.А., Разнощик В.В., Скорик Ю.И., Федоров Л.Г., Флоринская Т.М. и другие. Тем не менее, проблеме формирования транспортно-логистической сети вывоза ТКО с применением МПС до сих пор уделялось мало внимания. Существующие на сегодняшний день методики позволяют определить оптимальное расположение одного или нескольких складов на транспортной сети, но они не могут быть применены для определения оптимального расположения МПС и распределения потоков ТКО ввиду ряда характерных особенностей рассматриваемой системы. Такими особенностями являются:

1. Платный прием ТКО на полигонах или мусороперерабатывающих заводах.

2. Уплотнение отходов на МПС и следовательно несоответствие количества отходов вывозимых с мест накопления и завозимых в места приема и размещения, а также возникновение дополнительных затрат на переработку отходов.

3. Отсутствие заданного количества отходов, которое должно быть завезено в каждое из мест приема и размещения. Количество принимаемых отходов ограничивается максимальным объемом переработки на каждом из полигонов или мусороперерабатывающих заводов.

4. При наличии талонов на утилизацию на какой-либо полигон или мусороперерабатывающий завод, предоставляемых городской или районной администрацией, возникает ограничение минимального количества отходов, которые должны быть завезены на этот полигон или завод. Это количество отходов принимается от перевозчика к размещению бесплатно.

В результате проведенного анализа выявлено, что на сегодняшний день существует необходимость разработки методики, позволяющей оптимизировать функционирование транспортной сети вывоза ТКО в части определения оптимального расположения МПС и распределения потоков ТКО, которая лежит в основе данной диссертационной работы. Эта методика должна учитывать существующие на сегодняшний день тенденции развития технологий удаления отходов, в том числе направленные на применение технологии раздельного сбора отходов.

Во второй главе произведена разработка методик и алгоритмов, направленных на решение поставленных в данной диссертационной работе задач.

На начальном этапе планирования перевозок ТКО необходимо осуществить выбор ПС, который будет использоваться для транспортировки ТКО на этапе сбора от мест накопления и на этапе магистральной перевозки. Применяемый при данной технологии транспортировки мусоровозный транспорт делится на три категории в зависимости от грузоподъемности: малой грузоподъемности (до 5 т), средней грузоподъемности (до 10 т) и большой грузоподъемности (свыше 10 т).

Транспорт малой и большой грузоподъемности может использоваться для сбора ТКО от мест накопления в контейнерах объемом 6, 8 или 12 м³. Транспорт большой грузоподъемности целесообразно применять для магистральной перевозки спрессованных отходов в контейнерах 20, 27 или 33 м³ Выбор ТС может производиться методом ранжирования с учетом таких характеристик как грузоподъемность ТС, стоимость, соответствие экологическим требованиям и т.п.

На следующем этапе необходимо распределить потоки транспорта, осуществляющего перевозку ТКО, и в случае необходимости, провести планирование транспортной сети удаления ТКО при помощи размещения одной или нескольких МПС. Для этого в данной работе предложены рассматриваемые далее четыре модели и один алгоритм, выбор которых для применения определяется исходными условиями на транспортной сети вывоза ТКО.

Затраты, формирующие себестоимость услуги по вывозу ТКО, включают в себя затраты на транспортировку ТКО, стоимость переработки ТКО на МПС и стоимость утилизации ТКО на полигоне. Определяются эти затраты по формуле:

, (1)

где S_тр - затраты на транспортировку ТКО, руб., S_пер - затраты на переработку ТКО, руб., S_у - затраты на утилизацию ТКО, руб.

В свою очередь, затраты на транспортировку в общем виде представляют собой затраты на выполнение транспортной работы. Как правило, транспортная работа определяется в тонно-километрах. Однако в области обращения с ТКО принято употреблять в качестве единиц измерения не тонны, а кубические метры. Для этого во всех расчетах целесообразно осуществлять перевод тонн в кубические метры при помощи специального коэффициента. То есть затраты на транспортировку определяются следующим образом:

, (2)

где: С_тр - стоимость транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км, руб., Q_т - количество транспортируемых ТКО, т, - коэффициент перевода количества ТКО, измеренного в тоннах в кубические метры, L - длина ездки при транспортировке ТКО, км, N - число оборотов.

Протяженность маршрута определяется исходя из координат пунктов отправления и назначения:

, (3)

где: Х - координаты по оси абсцисс условно выбранной системы координат, Y - координаты по оси ординат условно выбранной системы координат.

По этой формуле определяется расстояние от каждого заказчика до МПС и от МПС до каждого полигона.

Ввиду того, что вывозы ТКО от каждого из заказчиков в зависимости от различных объемов накопления могут производиться с разной интенсивностью все расчеты целесообразно производить не для одного дня, а на достаточно длительный период, например месяц или даже квартал. Соответственно число ездок от заказчика на МПС может не является целым числом и зависит от количества ТКО, подлежащих завозу на МПС от заказчика и объема транспортируемого контейнера. Обе величины, как правило, определяются в кубических метрах.

, (4)

где: q₁ - вместимость контейнера, перевозимого транспортом малой грузоподъемности, м³.

Число ездок с МПС на полигоны также может не является целым числом и зависит от количества ТКО, подлежащих вывозу с МПС на полигоны и объема контейнера, используемого для магистральной перевозки. Сумма ТКО, завезенных на все полигоны, будет меньше суммы всех ТКО, вывезенных от заказчиков, ввиду производимого на МПС уплотнения. При определении количества ездок уплотнение ТКО на МПС учитывается соответствующим коэффициентом, величина которого зависит от используемого на МПС оборудования для прессования отходов.

, (5)

где: q₂ - вместимость контейнера, перевозимого транспортом большой грузоподъемности, м³, г - коэффициент утрамбовки отходов на МПС.

Затраты на утилизацию зависят от установленной на полигоне стоимости утилизации на 1 м³ ТКО и от объема утилизируемых отходов и определяются следующим образом:

, (6)

где: С_у - стоимость утилизации 1 м³ ТКО, руб.

Объем утилизируемых отходов может определяться двумя способами:

1. как объем ТКО завозимых на полигон, в том случае, если ни один из заказчиков не имеет выданных администрацией талонов на утилизацию своих отходов на полигоне и все расходы на утилизацию полностью несет перевозчик;

2. как разница между суммарным завозимым на полигон объемом ТКО и тем объемом, на который заказчики предоставляют выданные администрацией талоны на утилизацию.

Во всех рассматриваемых далее моделях в качестве критерия оптимизации используется себестоимость услуги по вывозу и утилизации ТКО, определяемая по формуле 1.

Первой из рассматриваемых в данной работе моделей является модель поиска оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за пунктами размещения и утилизации. Ее применение актуально для планирования перевозок ТКО на существующей транспортной сети без МПС.

Известно имеющееся на транспортной сети количество заказчиков, образующих ТКО, и количество полигонов, осуществляющих прием ТКО, лимиты образования отходов для заказчиков и максимальные объемы размещения для полигонов. Известны также стоимости размещения 1 м³ ТКО на каждом из полигонов, стоимости транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км. Необходимо осуществить закрепление заказчиков за полигонами таким образом, чтобы затраты в транспортно-логистической сети были минимальны.

Целевая функция или функция себестоимости в данном случае имеет следующий вид:

, (7)

где: А - заказчики, В- полигоны, n- количество заказчиков, m - количество полигонов, С_о - стоимость транспортировки 1м³ ТКО от заказчика на полигон, руб., L_ij - расстояние между i-м заказчиком и j-м полигоном, км, N_ij -количество ездок от i-го заказчика на j-й полигон, Q_ij -количество ТКО, перевозимых от i-го заказчика на j-й полигон, м³, С_j - стоимость утилизации 1 м³ ТКО на j-м полигоне, руб., Q_j - количество ТКО, размещаемых на j-м полигоне, м³.

Система ограничений включает в себя следующие уравнения:

, (8)

где: Q_jmax - максимальный объем завоза ТКО на j-й полигон, м³.

Первое условие означает, что от каждого заказчика ТКО могут быть завезены на любой из полигонов.

Количество ТКО, перевозимых от каждого из заказчиков на каждый из полигонов, является величиной неотрицательной, второе условие.

Суммарное количество ТКО, вывезенных от всех заказчиков, равно суммарному количеству ТКО, завезенных на все полигоны, третье условие.

Суммарное количество ТКО, завозимых на каждый из полигонов, не превышает его максимальной вместимости, четвертое условие.

При наличии талонов на утилизацию ТКО, выдаваемых администрацией какому-либо из заказчиков в систему ограничений необходимо добавить еще одно условие, гарантирующее, что все выдаваемые администрацией талоны будут реализованы на соответствующем полигоне:

, (9)

где: Q_jо - обязательный объем завоза ТКО на j-й полигон по талонам администрации, м³.

Целевая функция принимает следующий вид:

(10)

Не обходимо отметить, что транспорт движется не по прямой от точки отправления до точки назначения, а в соответствии с улично-дорожной сетью, то есть при решении данной используются расстояния между пунктами, полученные при помощи контрольных замеров маршрутов, а не определяемые по формуле 4.

Второй из рассматриваемых в данной работе моделей является модель поиска оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за МПС и МПС за пунктами размещения и утилизации. Применение этой модели необходимо в том случае, если рассматриваемая транспортная сеть является более сложной и включает в себя МПС, на которой производится перегрузка и уплотнение отходов.

Исходными данными являются количество заказчиков, образующих ТКО, количество МПС и количество полигонов, осуществляющих прием ТКО, на транспортной сети, лимиты образования отходов для заказчиков, максимальные пропускные способности МПС и максимальные объемы размещения для полигонов. Известны стоимости размещения 1 м³ ТКО на каждом из полигонов, стоимость переработки 1 м³ ТКО на МПС, стоимости транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км транспортом малой грузоподъемности от заказчика до МПС и транспортом большой грузоподъемности от МПС до полигонов. Необходимо осуществить такое закрепление заказчиков за МПС и МПС за полигонами, при котором общие затраты в транспортно-логистической системе будут минимальны при условии, что все потоки ТКО от заказчиков на полигоны осуществляются через МПС.

Целевая функция в данном случае имеет следующий вид:

, (11)

где: W - МПС, С_pw - стоимость переработки 1 м³ ТКО на р-й МПС, руб.

Система ограничений:

 , (12)

где k - количество МПС, Q_pmax - максимальный объем переработки ТКО на р-й МПС, м³.

Первое уравнение системы ограничений обеспечивает соответствие между суммарным количеством завезенных на полигоны отходов и суммарным количеством отходов, вывезенных от заказчиков, через достигаемое на каждой из МПС уплотнение.

Суммарное количество ТКО, завозимых на каждый из полигонов, не превышает его максимальной вместимости, второе неравенство системы ограничений.

Суммарное количество ТКО, завозимых на каждую из МПС, не превышает ее максимальной пропускной способности, третье неравенство.

Четвертое условие означает, что от каждого заказчика ТКО могут быть завезены на любую из МПС.

Количество ТКО, перевозимых от каждого из заказчиков на каждую из МПС, является величиной неотрицательной, пятое условие.

Шестое условие означает, что с каждой МПС ТКО могут быть завезены на любой из полигонов.

Количество ТКО, перевозимых с каждой МПС на каждый из полигонов, является величиной неотрицательной, последнее неравенство.

При наличии предоставляемых заказчиком талонов на утилизацию, в систему ограничений добавляется то же условие, что и в предыдущей задаче, формула 9. Целевая функция принимает следующий вид:

(13)

Как и в предыдущей модели, для учета условий улично-дорожной сети, в данном случае целесообразно использовать расстояния между пунктами, взятые из актов обкатки маршрутов, а не определяемые формулой 4.

Третья представленная в данной работе модель необходима для нахождения оптимального расположения одной МПС на транспортной сети. Ее применение наиболее целесообразно на этапе планирования перевозок отходов в проектируемых районах городов.

Исходными данными является количество заказчиков, образующих ТКО, и количество полигонов, осуществляющих прием ТКО, на транспортной сети. Также заданы лимиты образования отходов для заказчиков и максимальные объемы размещения для полигонов. Известны стоимости размещения 1 м³ ТКО на каждом из полигонов, стоимость переработки 1 м³ ТКО на МПС, стоимости транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км транспортом малой грузоподъемности от заказчика до МПС и транспортом большой грузоподъемности от МПС до полигонов. Необходимо найти такое расположение МПС, при котором общие затраты в транспортно-логистической системе будут минимальны при условии, что все потоки ТКО от заказчиков на полигоны осуществляются через МПС.

Целевая функция при решении данной задачи имеет следующий вид:

 (14)

Система ограничений включает в себя следующие уравнения:

(15)

Первое условие обеспечивает соответствие между суммарным количеством завезенных на полигоны отходов и суммарным количеством отходов, вывезенных от заказчиков.

Количество отходов, завозимых с МПС на каждый из полигонов, должно быть неотрицательной величиной. Это обеспечивается выполнением второго условия.

Суммарное количество отходов вывезенных от заказчиков в соответствии с третьим неравенством системы ограничений не должно превышать максимальную вместимость МПС.

Количество отходов, завозимых с МПС на каждый из полигонов не должно превышать максимальную вместимость полигона, последнее неравенство.

Если при проектировании МПС заранее известно, что часть заказчиков будет предоставлять выданные администрацией талоны на утилизацию ТКО, то оптимизируемая функция принимает следующий вид:

 (16)

В систему ограничений также добавляется условие формулы 9.

Далее рассматривается модель добавления на транспортной сети новой МПС к уже имеющимся.

Эта задача возникает тогда, когда суммарное количество ТКО, образующихся у заказчиков, начинает превышать максимальную вместимость функционирующих на транспортно-логистической сети МПС, или же в планируемом районе одной МПС недостаточно для переработки всего предполагаемого объема отходов. Решение этой задачи, таким образом, целесообразно как на этапе планирования застройки городского района, так и для районов сложившейся застройки.

В качестве исходных данных рассматривается транспортная сеть с заказчиками полигонами и функционирующими МПС. Также известны лимиты образования отходов для заказчиков, максимальные объемы размещения для полигонов, вместимость уже существующих на транспортной сети МПС. Известны стоимости размещения 1м³ ТКО на каждом из полигонов, стоимости переработки 1 м³ ТКО на существующих и проектируемой МПС, стоимости транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км транспортом малой грузоподъемности от заказчика до МПС и транспортом большой грузоподъемности от МПС до полигонов. Суммарный объем лимитов образования ТКО превышает вместимость существующих МПС.

Необходимо найти такое расположение новой МПС, при котором общие затраты в системе будут минимальны. Все потоки ТКО от заказчиков на полигоны осуществляются через МПС.

Решение поставленной задачи по добавлению МПС в существующую сеть приведет к ее изменению, пример которого представлен на рис. 1. В данном случае производится добавление одной МПС к одной имевшейся на сети.

На рис. 1. кружками обозначены заказчики, квадратами - полигоны размещения ТКО, треугольник обозначает существующую на транспортной сети МПС, а пунктирный треугольник - проектируемую. Жирные стрелки это магистральные перевозки ТКО, бледные - сбор ТКО от заказчиков на МПС. В общем виде целевая функция решаемой задачи имеет следующий вид:

, (17)

где: Т - проектируемая МПС.

Рис. 1 Транспортно-логистическая сеть с двумя МПС

Система ограничений:

, (18)

где: r_рТ - расстояние между р-й и проектируемой МПС, км, R - минимально допустимое расстояние между МПС, км.

Первое уравнение системы ограничений обеспечивает соответствие между суммарным количеством завезенных на полигоны отходов и суммарным количеством отходов, вывезенных от заказчиков, через достигаемое на существующей и проектируемой МПС уплотнение.

Количество отходов, завезенных на каждый из полигонов, не должно превышать его максимальную вместимость. Это обеспечивается выполнением условия второго неравенства системы ограничений.

Суммарное количество отходов, вывозимых от заказчиков на существующую МПС, не должно превышать максимальной вместимости данной МПС, третье неравенство. То же относится и к проектируемой МПС, четвертое неравенство.

Все отходы от каждого заказчика вывозятся на существующую и проектируемую МПС, пятое уравнение.

Количество отходов, вывозимых от каждого из заказчиков на существующую или проектируемую МПС является величиной неотрицательной, шестое и седьмое неравенство.

На каждый из полигонов ТКО завозятся с существующей и проектируемой МПС, восьмое уравнение.

Количество ТКО, завозимых на каждый из полигонов с существующей или проектируемой МПС, является величиной неотрицательной, девятое и десятое неравенство соответственно.

Условие одиннадцатого неравенства позволяет ввести минимально допустимое расстояние между уже существующей и проектируемой МПС.

При наличие талонов администрации в систему ограничений добавляется условие 9, а целевая функция в общем виде приобретает следующий вид:

(19)

Последним рассматривается алгоритм определения координат требующегося количества МПС на транспортной сети.

Решение этой задачи может быть очень существенным на этапе проектирования застройки новых районов, или же при полном отсутствии МПС в районах сложившихся застроек.

Пусть задана транспортная сеть с заказчиками и полигонами. Также заданы лимиты образования отходов для заказчиков, максимальные объемы размещения для полигонов, вместимость проектируемых. Известны стоимости размещения 1 м³ ТКО на каждом из полигонов, стоимости переработки 1м³ ТКО на каждой из проектируемых МПС, стоимости транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км транспортом малой грузоподъемности от заказчика до МПС и транспортом большой грузоподъемности от МПС до полигонов.

Необходимо найти такое расположение проектируемых МПС, при котором общие затраты в системе будут минимальны. Все потоки ТКО от заказчиков на полигоны осуществляются через МПС.

Ввиду того, что в этой задаче возникает очень большое количество неизвестных величин, ее решение целесообразно проводить путем сведения к двум предыдущим задачам. Решение производится в два этапа.

На первом этапе определяется расположение первой МПС на транспортной сети. Для этого пропускная способность проектируемой МПС условно приравнивается фактически требуемой величине или же величине заведомо превышающей требуемую. То есть при решении задачи не учитывается та максимальная пропускная способность, которой реально будет обладать проектируемая МПС. После того как решение будет найдено, устанавливается реальная максимальная пропускная способность проектируемой МПС, после чего необходимо перейти ко второму этапу.

На втором этапе производится добавление МПС к уже имеющейся. Для этого, как и на первом этапе, пропускная способность проектируемой МПС условно принимается равной величине заведомо превышающей требуемую. За уже существующей МПС закрепляется ее максимальная пропускная способность. После того, как координаты проектируемой МПС будут определены, а потоки ТКО распределены между МПС и полигонами производится сравнение величины ТКО, приходящихся на вновь созданную МПС с ее максимальной пропускной способностью, не учтенной при решении задачи. Если фактическая величина не превышает максимальной пропускной способности, то задачу можно считать решенной, так как на рассматриваемой транспортно-логистической сети полученное количество МПС является достаточным. В противном случае необходимо вернуться к началу второго этапа, то есть произвести добавление МПС на транспортной сети к уже имеющимся. Повторение второго этапа производится до тех пор, пока количество ТКО, проходящих через последнюю проектируемую МПС не окажется меньше ее максимальной пропускной способности.

В третьей главе приведены решения каждой из рассмотренных ранее моделей и алгоритмов на примере Петроградского района Санкт-Петербурга.

Для решения взята выборка из двенадцати заказчиков, расположенных в Петроградском районе и обладающих значительным объемом накопления ТКО.

В качестве расчетного периода выбран один месяц.

Прием и размещение ТКО производится на трех объектах, далее условно называемых полигонами:

1. ООО «Полигон ТБО», расположенный в деревне Лепсари Всеволожского района, далее Полигон 1;

2. ЗАО «ОЗ МПБО», расположенный в поселке Новоселки, далее Полигон 2;

3. ЗАО "Завод КПО", расположенный по адресу Волхонское шоссе д.109, далее Полигон 3.

В качестве исходной точки в выбранной системе координат взят ЗАО «Завод КПО».

Решение всех поставленных задач осуществляется в программном приложение Microsoft Excel при помощи встроенной функции «Поиск решения».

Поскольку все решения сходны между собой, достаточно рассмотреть решение любой из моделей для понимания общего принципа. В качестве примера в данном случае рассматривается модель добавления МПС к уже имеющейся.

Коэффициенты уплотнения для имеющейся (первой) и проектируемой (второй) МПС составляют 0,7.

Минимальное расстояние между МПС составляет 5 км.

Талоны на утилизацию ТКО, выдаваемые администрацией у заказчиков отсутствуют.

На рис. 2. представлен пример оформления решения задачи в Microsoft Excel.

В диапазонах ячеек H3:H14 и L3:L14 будут определены объемы ТКО, вывозимых от каждого из заказчиков на существующую МПС (МПС 1) и проектируемую МПС (МПС 2), в ячейках B23, C23 - координаты проектируемой МПС.

Рис. 2 Пример оформления задачи определения координат добавляемой МПС на транспортной сети и распределения грузопотоков в Microsoft Excel

В диапазонах ячеек I27:H29 и M27:M29 рис. 2. будут определены объемы ТКО, завозимых на каждый из полигонов с существующей МПС и проектируемой МПС соответственно.

Таблица 1

Исходные данные задачи добавления на транспортной сети новой МПС к уже имеющейся

Исходные данные источников накопления ТКО (заказчиков)	Исходные данные пунктов приема ТКО (полигонов)	Исходные данные МПС
№	Координаты заказчиков	Объемы накопления ТКО за месяц, м3	№	Координаты полигонов	Максимальный объем приема ТКО месяц, м3	Стоимость размещения 1 м3 ТКО, усл.ед.	№	Координаты МПС	Максимальный объем переработки ТКО месяц, м3	Стоимость переработки 1 м3 ТКО, усл.ед.
	X	Y			X	Y				X	Y
1	7	17,5	1200	1	34	35	3000	100	1	8	17	5000	4
2	7	8	600	2	1	33	3500	70	2	-	-	7000	2
3	7	9	900	3	0	0	5000	60	-	-	-	-	-
4	6	16	900	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
5	8	16	600	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
6	8	19	600	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
7	9	18	1200	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
8	9	19	300	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
9	9	16	1200	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
10	6	15	600	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
11	6	20	300	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
12	6	17	600	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
ИТОГО	9000	ИТОГО	11500	-	ИТОГО	12000	-
Стоимость транспортировки 1 куб.м. ТКО на 1 км.	от заказчика на МПС, усл.ед.	0,2
	с МПС на полигон, усл.ед.	0,1

Целевая функция или себестоимость в данном случае имеет следующий вид:

(20)

Накладываемые ограничения:

(21)

Решение осуществляется при помощи функции «Поиск решения», расположенной в разделе меню «Сервис».

Результатом выполнения функции является заполнение ячеек, в которых содержатся координаты проектируемой МПС, объемы ТКО, завозимых от каждого из заказчиков на каждую из МПС и объемы ТКО, завозимых с каждой МПС на каждый из полигонов.

В четвертой главе описан эффект от применения предлагаемой методики.

Конечным результатом применения предлагаемых моделей для перевозчика является снижение общих затрат на удаление ТКО, осуществляемое двумя путями:

1. Снижение затрат на утилизацию ТКО благодаря оптимальному планированию потоков ТКО;

2. Снижение затрат на перевозку, вызванное снижением пробегов в транспортно-логистической системе вывоза ТКО.

В общем виде затраты на транспортировку можно определить следующим образом:

, (22)

где С_тр - стоимость транспортировки 1 м³ ТКО на 1 км, Q_тр - количество транспортируемых за одну ездку отходов, м³, l - пробег с грузом, км, n_об - число оборотов.

Поскольку в данном случае речь идет о себестоимости заданного объема работ за определенный промежуток времени (месяц), то суммарное количество подлежащих транспортировке отходов и число оборотов являются величинами постоянными. Следовательно, себестоимость перевозки можно считать функцией, напрямую зависящей от пробега. Таким образом, снижение пробегов в результате эффективного проектирования транспортно-логистической сети вывоза ТКО и оптимального планирования потоков ТКО приводит к снижению прямых затрат на транспортировку таких как затраты на заработную плату водителя, затраты на топливо, затраты на горюче-смазочные материалы (ГСМ), затраты на ремонт ПС, затраты на шины и т.д.

Кроме того, снижение пробегов в системе приводит к сокращению времени одного оборота, которое также является функцией пробега, согласно следующей формуле:

 (23)

где V_т - техническая скорость движения, км/ч, t_п-р - время на операции связанные с поднятием автомобилем загруженного и опусканием порожнего контейнера на контейнерной площадке заказчика, а также перегрузкой ТКО на МПС, ч.

Сокращение времени одного оборота позволяет повысить количество оборотов, выполняемых транспортным средством за день:

(24)

где Т_н - время в наряде, ч, t_н - время на нулевой пробег, ч.

Это увеличение числа оборотов приводит к повышению производительности работы одного ТС за рабочий день:

(25)

В свою очередь увеличение производительности за день позволяет сократить количество автомобилей в эксплуатации:

(26)

где Q_т^рд - количество ТКО, которое необходимо перевезти за 1 день, м³.

Сокращение количества автомобилей, необходимых для бесперебойного осуществления работ по вывозу ТКО позволяет сократить общую численность ПС, это позволяет снизить количество инженерно-технических работников и ремонтных рабочих. Таким образом достигается снижение постоянных затрат предприятия, таких как затраты на зарплату ремонтных рабочих, затраты на зарплату инженерно-технических работников, амортизацию ПС и т.д.

Снижение постоянных и переменных затрат позволяет перевозчику добиться снижения тарифа на вывоз и утилизацию ТКО, определяемого следующим образом:

(27)

где R - закладываемая предприятием рентабельность.

Снижение тарифа повышает конкурентоспособность перевозчика на рынке услуг по вывозу ТКО, делая его услуги более привлекательными в глазах конечных потребителей.

В табл.2 представлены финансовые результаты, получаемые при применении модели распределения потоков ТКО между заказчиками и МПС и МПС и полигонами и модели добавления МПС на транспортной сети к уже имеющейся.

Таблица 2

Сравнение затрат в системе вывоза ТКО

Показатель	Величина показателя
	при простом распределении потоков ТКО через 2 МПС	при добавлении МПС к уже имеющейся
Суммарный объем вывоза ТКО, куб.м.	9000	9000
Координаты МПС	взяты произвольно	определены в соответствии с предлагаемыми моделями
Объем завоза с МПС на:	6300	6300
Полигон 1, куб.м.	2000	1050
Полигон 2, куб.м.	3500	500
Полигон 3, куб.м.	800	4750
Затраты в системе, руб.	1 762 149,00	1 355 702,00
Выручка, руб.	3 132 900,00	3 132 900,00
Прибыль, руб.	1 370 751,00	1 777 198,00

Для заказчика существенными критериями выбор перевозчика для вывоза и удаления ТКО являются стоимость предоставляемых услуг и их качество, выражающееся в способности своевременно вывозить накопившиеся отходы согласно графику или заявки и возможности в кратчайшие сроки вернуть контейнер на контейнерную площадку.

Применение предлагаемых методик позволяет удовлетворить оба запроса потребителя за счет внутренних ресурсов перевозчика без ущерба для его интересов.

Для полигона или мусороперерабатывающего завода исключается чрезмерное накопление прибывающего транспорта, что позволяет улучшить процесс сортировки, технологический процесс складирования и переработки ТКО в соответствии с предъявляемыми на сегодняшний день экологическими требованиями.

Применение предлагаемых методик позволяет добиться значительного улучшения санитарно экологического состояния контейнерных площадок предприятий и организаций, домовладений и мест отдыха.

Результатом применения данных методик также является снижение интенсивности движения специализированных транспортных средств по магистралям, городским дорогам и улицам, что приводит к снижению количества заторов, к снижению количества большегрузных транспортных средств, на второстепенных улицах, к снижению количества ДТП, к снижению вредных выбросов выхлопных газов ТС в атмосферу и т.д.

Необходимо отметить, что применение всех рассмотренных методик невозможно исключительно силами перевозчика при отсутствии поддержки городской администрации в области предоставления необходимых для размещения МПС площадок. Поскольку создание МПС требует определенных капитальных вложений, целесообразно создание приоритета для достаточно крупных спецавтопарков, располагающих значительным парком мусоровозного транспорта различной грузоподъемности, и способных полностью обеспечить вывоз отходов из как минимум одного района города. Это очевидно, поскольку создание собственной МПС каждым из более мелких перевозчиков, которых для обслуживания одного района может потребоваться четыре-пять или более, потребует гораздо больших суммарных капитальных вложений и выделения больших площадей.

Выбор перевозчиков может проводиться городской администрацией на тендерной основе. В качестве выносимого на тендер объема работ может рассматриваться вывоз ТКО из одного, двух или трех смежных районов города в зависимости от их географического расположения в части доступности полигонов ТКО.

Частичное бюджетное финансирование или льготные условия на приобретение и право застройки площадей, выбранных для размещения МПС, позволят уменьшить коммунальные расходы, связанные с вывозом ТКО как на этапе проектирования застройки новых районов, так и при реконструкции существующих городских застроек.

Безусловно, второй вариант является гораздо более эффективным, так как не всегда есть возможность внедрения МПС в городской район с уже сложившейся застройкой высокой плотности. В данном случае возможность сделать транспортно-логистическую сеть вывоза ТКО оптимальной отсутствует и можно говорить только об определенном ее улучшении.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Анализ существующей проблемы удаления ТКО в крупных городах показал, что на сегодняшний день существует потребность в разработке методики, позволяющей планировать перевозки ТКО автомобильным транспортом.

2. Анализ существующих на сегодняшний день методов проектирования транспортно-логистических сетей выявил необходимость разработки моделей и алгоритмов проектирования трансорно-логистических сетей вывоза ТКО автомобильным транспортом.

3. Выполненный анализ позволил определить структуру затрат связанных с удалением ТКО и выделить систему критериев для оптимизации потоков ТКО.

4. Разработана методика проектирования транспортно-логистической сети вывоза ТКО, включающая модель оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за пунктами размещения и утилизации, модель оптимального закрепления источников образования и накопления ТКО за МПС и МПС за пунктами размещения и утилизации, модель определения оптимального расположение одной МПС на транспортной сети, модель добавления МПС на транспортной сети к уже имеющейся, алгоритм определения координат требующегося количества МПС на транспортной сети.

5. Проведенная оценка эффективности предложенной методики показала, что ее применение позволяет добиться снижения затрат на транспортирование ТКО, что является одной из целей разрабатываемого закона Санкт-Петербурга о целевой программе Санкт-Петербурга: «Использование твердых бытовых отходов в Санкт-Петербурге на 2006-2014гг.».

6. Для практической реализации разработанной методики создано программное обеспечение на основе Microsoft Excel, которое при наличии необходимой базы данных (включая исходные данные), позволяет решить задачи планирования перевозок ТКО автомобильным транспортом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1) Северова, Е.С. Разработка методики вывоза твердых бытовых отходов в крупных городах / Е.С. Северова // Докл. 62-й науч. конф. профессоров, преподавателей, науч. работников, инженеров и аспирантов ун-та: сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. СПб., 2005. Ч.1. С. 98-100.

2) Северова, Е.С. Разработка методики определения оптимального расположения станции перегруза твердых бытовых отходов на транспортной сети / Е.С. Северова // Актуальные проблемы архитектуры, строительства и транспорта: 58-я Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых: сб. докл. / С.-Петерб. гос. архитектур.-строит. ун-т. СПб., 2005. Ч.1. С. 173-178.

3) Северова, Е.С. Разработка системы транспортного обслуживания коммунального хозяйства Санкт-Петербурга / Е.С. Северова, А.Э. Горев // Сборник научных трудов Автомобильно-дорожного института СПбГАСУ. СПб., 2006. С.

4) Северова, Е.С. Разработка методики планирование перевозок твердых коммунальных отходов автомобильным транспортом / Е.С. Северова // Грузовое и пассажир. автохозяйство. 2006. №11. С.

Размещено на Allbest.ru

...