بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه عدم درك صحیح از عملیات جمع آوري پسماند و فقدان برنامه اصولی و نظم در اجراي این مقوله موجب اتلاف انرژي و منابع و نیز آلودگی محیط زیست شده است. لذا در این تحقیق یک مدل کامپیوتري مبتنی بر GIS بمنظور تحلیل این عملیات و ارائه راهکارهاي مناسب بسط داده شده است. کارائی و سودمندي مدل مذکور بر روي شهرستان شازند در جنوب غربی استان مرکزي، با حدود 21800 نفر جمعیت و نرخ تولید پسماند روزانه برابر با 13 تن مورد بررسی قرار گرفت و نتایج حاکی از کاهش 43/7 و 18/2 درصدي در زمان و هزینه کل روزانه بود.
1. مقدمه
جمعآوري پسماندهاي جامد شامل جمع کردن این مواد از منابع مختلف، حمل آنها به یک مکان دفع و تخلیه در این مکان میباشد. ویژگیهاي سیاسی، پذیرش از طرف مردم، بهداشت عمومی، اقتصاد، شرایط تاریخی و زیستمحیطی تعداد کمی از عوامل تاثیرگذار بر طرحهاي جمعآوري پسماند هستند. جمعآوريو حمل و نقل پسماند مسئول 70-60 درصد از کل هزینههاي مدیریت پسماند در کشورهاي توسعهیافته، و 90-70 درصد این هزینهها در کشورهاي درحال توسعه میباشد.
[1] از طرفی در اغلب کشورهاي در حال توسعه، درصد عمده ترکیب پسماندهاي جامد شهري از نوع مواد فسادپذیر هستند که عدم جمعآوري صحیح و به موقع، موجب آلودگی محیط زیست و تهدید سلامت انسانها میشود - بعنوان مثال در ایران بطور میانگین 75/3 درصد پسماندها از نوع فسادپذیر میباشد. - [2] از نظر موارد اجتماعی، جمعآوري پسماند فعالیتی است که همیشه تحت موشکافی و بررسی دقیق عموم جامعه بوده است و راندمان این فعالیت، شاخص اصلی یک رویه مدیریت پسماندهاي جامد خوب میباشد.
سیستم جمعآوري پسماند شامل ترکیبی از ظروف ذخیره، وسائل، خدمه و بخش مدیریتی است که بطور ویژه براي یک شرایط محلی خاص تنظیم شده است. بنابراین یک سیستم جمعآوري کارا
شامل طراحی و برنامهریزي صحیح بمنظور جمع کردن پسماندها با توجه به میزان مشخصی از نیروي کار، سرمایه و زمان میباشد که در کاهش هزینه- هاي اجرائی مدیریت پسماندهاي جامد، سلامت انسان و محیط زیست و نیز رضایت عمومی جامعه سهم عمدهائی دارد.[1]
کمیت پسماندهاي جامد در ایران در اثر رشد سریع شهرنشینی، صنعتیسازي و افزایش جمعیت، با رشد جهندهائی درحال افزایش است. علاوه بر این، بعلت کمبود ظروف ذخیره پسماند، عدم تطابق این ظروف با وسائل جمعآوري، محدودیتهاي سرمایهائی، نقص جدي در مهارت و تخصص تکینیکی، عدم وجود و یا ناکافی بودن ایستگاههاي انتقال و حجم ترافیک راندمان سیستم جمعآوري پسماندهاي جامد در اغلب نواحی محدود است.
بنابراین بهینه کردن سیستم موجود و تولید دادهها و تکنیکهائی براي طراحی و ارزیابی سیستمهاي جدید ضروري است. با توجه به مطالب ذکر شده در بالا، هدف اصلی این تحقیق شامل بسط و توسعه یک مدل تحلیلی مبتنی بر GIS بمنظور بهینهسازي مسیر و ناوگان سیستمهاي جمعآوري پسماند است که این مدل بطور صریح پارامترها ومتغیرهاي موثر بر فرآیند جمعآوري پسماند را در نظر میگیرد.
بخصوص اینکه این مدل بر اساس استفاده از توابع و برنامههاي جانبی GIS بمنظور ایجاد پایگاه داده شبکه و انجام عملیات تحلیلی بر روي شبکه می- باشد. کارائی مدل بسط داده شده توسط بکارگیري آن در یک مساله عملی، مورد بررسی قرار گرفته است. مساله عملی مذکور بصورت یک مطالعه موردي بر روي شهرستان شازند در جنوب غربی استان مرکزي، با حدود 21800 نفر جمعیت و نرخ تولید پسماند روزانه برابر با 13 تن میباشد.
2. پیشینه موضوع و مروري بر منابع
ریکاردو مینسیارديو همکاران مساله بنیادي جمعآوري پسماندهاي جامد را بصورت یک شبکه جادهائی متشکل از گراف G = - N,A - تعریف می- کنندکه گرافGشامل تعدادي نقاط گرهائی - Nodes - و خیابانها - Arcs - میباشدیک. مجموعه پارامتر نظیرِ زمان مورد نیاز براي عبور و یا زمان مورد نیاز براي جمعآوري پسماند بر روي هر خیابان، در داخل شبکه تعریف میشود. یک تعداد معین وسیله با ظرفیت محدود در اختیار میباشد.
شروع و خاتمه سرویس هر وسیله در یک گره از پیش تعیین شده بنام گاراژ میباشد. هدف این است که تمام پسماندها در حداقل زمان ممکن، جمعآوري گردد در حالیکه نباید از دو قید زمان و ظرفیت تخطی گردد. این مساله، به مساله مسیریابی وسائل نقلیه 1 - VRP - معروف میباشد.[3] با توجه به توضیحات فوق، مساله جمعآوري پسماند بنوعی یک مساله مسیریابی و زمانبندي وسائل نقلیه میباشد و مسیریابی وسیله نقلیه بمنظور بهرهوري حداکثر از تجهیزات جمعآوري، مهمترین فعالیت در طراحی سیستم جمعآوري پسماند میباشد. بنابراین بمنظور تحلیل سیستم جمعآوري باید مسیریابی، زمان- بندي و محل سرویسدهی هر وسیله را مورد بررسی قرار داد.
اولین بار دانتزینگ و رامر مساله مسیریابی وسیله نقلیه را مطرح کردند و یک الگوریتم برنامهریزي خطی براي حل آن ارائه کردند.[4] لیب من اشاره میکند که در مساله مسیریابی که براي جمعآوري پسماندها بکار میرود دو نگرش عمده وجود دارد. اگر مکان تقاضا بر روي نقاط گراف باشد بعنوان - مثال پسماندهاي صنعتی و تجاري - ، مساله بصورت یک مساله مسیریابی نقطهائی مدل میگردد.این مساله معروف به مساله فروشنده دورهگرد میباشد.
[5] مساله عمومی فروشنده دورهگرد از نوعِ 2 NP-hard میباشد یعنی اینکه با افزایش اندازه مساله، زمان حل مساله با یک تابع نمائی افزایش مییابد. لذا بمنظور حل این قبیل مسائل نیاز به استفاده از روشهاي ابداعی است. گولدن و همکاران چندین الگوریتم ابداعی - ابتکاري - براي یافتن راهحلهاي تقریبی براي مساله فروشنده دورهگرد توضیح میدهند.[6] دومین مساله که در آن کمیت تقاضا در امتداد کمانها در یک شبکه اتفاق میافتد، از نوع مساله مسیریابی قوسی است و براي جمعآوري پسماندها از نواحی مسکونی قابل کاربرد است.
[5]این مساله معروف به مساله پستچی چینی است چون اولین راهحل براي این مساله در مجله چینی Mathematics با کاربرد براي مسیریابی تحویل نامههاي پستی حل شد.[7] در مساله پستچی،پیمودنِ تمام کمانهاي شبکه الزامی بود، در حالیکه نوعی مساله پستچی وجود دارد که تنها بخشی از کمانهاي شبکه نیاز به سرویس دارند این نوع مساله به مساله پستچی روستائی معروف میباشد. در اغلب مسائل عملی یک وسیله تکی یا یک پستچی تکی قادر به سرویسدهی به تمام تقاضاها نمیباشد و در واقع محدودیت ظرفیت وجود دارد. در اینحالت پستچی روستائیتبدیل به دستهائی دیگر از مسائل مسیریابی بنام مساله مسیریابی قوسی ظرفیتدار میشود.
گولدن و وانگ در سال 1981 نشان دادند که مساله مسیریابی قوسی ظرفیتدار نیز یک مساله NP-Hard است و فقط مسائل کوچک را میتوان بطور بهینه حل کرد.[8] کوا و هانگ یک مدل ریاضی از نوعِ برنامهریزي با عدد صحیح ترکیبی بمنظور حل کردنِ مساله جمعآوري پسماندها مسکونی در شرقیترین بخش شهر سینچو در تایوان بسط دادهاند. این ناحیه نیاز به 4 وسیله نقلیه داشت و داراي 128 خیابان نیازمند به سرویس بود. زمان لازم براي اخذ جواب نیاز به اجراي برنامه ریاضی به مدت چندین روز بر روي یک کامپیوتر PC داشت.
این امر مشکلات محاسباتی زیادي را ایجاد میکرد و استفاده از روشهاي ابداعی امري اجتنابناپذیر است.[9] مسائل مسیریابی قوسی ظرفیتدار با ناوگان مختلط یکی از مهمترین مولفههاي مسیریابی قوسی ظرفیتدار میباشد. در مساله بنیادي مسیریابی قوسی ظرفیتدار فرض بر این است که ناوگان وسائل همگن است یعنی تمام وسائل همشکل یا همظرفیت هستند،در حالیکه عموما در مسائل عملی ناوگان وسائل ناهمگن - مختلط - میباشد. در این حالت مساله مسیریابی قوسی ظرفیتدار به مساله مسیریابی قوسی ظرفیتدار با ناوگان مختلط تبدیل می- گردد.
در سال 2005 مائورو و همکاران یک روش ابتکاري براي مساله مسیریابی قوسی مختلط بمنظور جمعآوري پسماند در شهر لیسبون پرتغال ارائه کردند. آنها عنوان میکنند که حل این مساله بر روي یک شبکه مرکب پیچیده است به همین دلیل از یک الگوریتم بمنظور تبدیل شبکه مرکب به یک شبکه جهتدار استفاده کردند. بدینترتیب یک مرز پائین ایجاد گردید و یک روش ابداعی بر اساس گراف اویلري و جهتدار بمنظور حل مساله اصلی بکار گرفتند.[10] در سال 2006 بلنگور و همکاران یک مرز پائین براي مسیریابی قوسی مختلط با استفاده از الگوریتم صفحه برش بسط دادند.
آنها از سه الگوریتم ساخت براي ساختن جوابهاي اولیه و از الگوریتم ژنتیک بمنظور جستجوي تصادفی استفاده کردند.[11] با توجه به مطالب فوق، در این تحقیق مساله جمعآوري پسماند بصورت یک مساله مسیریابی فوسی ظرفیتدار با ناوگان مختلط مدل شده است. بمنظور مدلسازي و حل این مساله از یک روش ترکیبی مبتنی بر سامانه اطلاعات جغرافیائی - GIS - استفاده شده است که جزئیات آن در بخش- هاي بعدي ارائه شده است.
3. منطقه مورد مطالعه
محدوده مطالعاتی شازند، در فاصله 30 کیلومتري جنوب غربی اراك، با توجه به پوشش خدمات شهري به دو ناحیه و شش محله تقسیم میشود. بر اساس آمار سرشماري عمومی نفوس و مسکن سال 1383 شهر شازند داراي حدود 20000 نفر جمعیت بوده است. پیشبینی شده است که این جمعیت در سال 1388 با توجه به نرخ رشد جمعیت برابر با 1/68 درصد، به حدود 21800 نفر افزایش یافته است.
در حال حاضر بخش خدمات شهري شهرداري مسئول جمعآوري پسماند در شهر شازند میباشد. پسماندها جمعآوري شده، مستقیما به محل دفن موجود در جاده نورآباد حمل میگردد. طی بررسی آمار بدست آمده از 8 روز وزنکشی پسماندها در این شهر،میانگین نرخِ تولید روزانه پسماند در شهر شازند حدود 13 تن در روز تخمین زده شده است. سیستم جمعآوري در این شهر داراي سه وسیله شامل یک دستگاه ایویکو مجهز به مخزن شیرابه و دستگاه متراکمکننده پسماند با ظرفیت 8 مترمکعب و یک سرویس در روزبمنظورِ پوشش منطقه 5 و 6، یک دستگاه خاور با ظرفیت 5 متر مکعب، دو سرویس در روز در منطقه 1 و 2 و یک دستگاه مان مجهز به مخزن شیرابه و دستگاه متراکمکننده پسماند با ظرفیت 6 مترمکعب و یک سرویس در روز در منطقه 3 میباشد.
پسماندهاي کارخانه پتروشیمی، نیروگاه و پالایشگاه - منطقه - 4 بصورت جداگانه جمعآوري و دفع میگردد. منطقه تحت خدمت هر وسیله در شکل 1 نمایش داده شده است که در آن ناحیه سبز رنگ منطقه خدمت مربوط به خاور، ناحیه زرد رنگ منطقه خدمت مربوط به مان و ناحیه آبی رنگ منطقه خدمت ایویکو را نشان میدهد. هر یک از سه وسیله داراي سه پرسنل - یک راننده و دو خدمه جمعآوري - است و شیفت کاري آنها 6 صبح تا 12 ظهر است که عملا گاهی اوقات حتی تا ساعت 15 ادامه مییابد.
بعبارتی ساعات کاري هر یک از خدمه روزانه شش ساعت عادي و سه ساعت اضافهکاري میباشد. در ضمن بر اساس اطلاعات اخذ شده از بخش خدمات شهري شازند، مجموع کل هزینه روزانه مربوط به وسیله نقلیه مان، خاور و ایویکو به ترتیب برابر با 83868، 82671 و 89443 تومان بوده است که در مجموع هزینه جمعآوري روزانه پسماندهاي این شهر برابر با حدود 256000 تومان بوده است. مقایسه بین نتایج نمونهگیري خودروها نشاندهنده این بود که نوع و میزان اقلام جمعآوري شده تقریبا مشابه بوده و تفاوت چندانی ندارند. بعبارتی، ترکیب پسماند در قستمهاي مختلف شهر تقریبا همگن میباشد.
4. روش کار
روش کار در این تحقیق بدین صورت است که پس از مطالعه و بررسی تحقیقات مرتبط با موضوع، شاملِ حمل و نقل و برنامهریزي، تحقیق در عملیات و تکنیکهاي بهینهسازي، مهندسی سیستمها و همچنین کارهاي علمی و اجرائی انجام شده، یک مدل مفهومی - صورت مساله - توسعه یافته و پارامترهاي درگیر با مدیریت پسماند و سیستم جمعآوري پسماندهاي شناسائی و تعریف شده است. بمنظور مدلسازي و حل این مدل، از یک روش ترکیبی استفاده شده است.
در این روش با در اختیار داشتن یک تخمین صحیح از کمیت پسماند تولیدي و متعاقب آن تعداد خدمه و وسائل مورد نیاز، منطقه باید به زیرمنطقههائی تقسیم شود تا هر وسیله در یک زیرمنطقه - پارتیشن - سرویسدهی کند و با مشخص شدن محل سرویس هر وسیله، مسیر دقیق عبوري هر وسیله از پارتیشن مربوطه باید تعیین گردد. یکی از مهمترین بخشهاي عملیات ایجاد مدل پایگاه داده شبکه است که در واقع نشانگر تمام اطلاعات مربوط به شبکه معابر شهري میباشد.
مفید آن است که از مدل پایگاه دادهائی استفاده شود که توسط آن بتوان شبکه حمل و نقل را به مناسبترین وجه ممکن خلاصهسازي - رمزبندي - ، ذخیره، بازیابی، اصلاح و تحلیل کرد. صریحا، سامانه اطلاعات جغرافیائی - GIS - براي انجام اینکار بطور وسیع مورد توجه قرار میگیرد، چون این سامانه در زمره بهترین ابزارها بمنظور ذخیره و استفاده از مدلهاي پایگاه داده شبکه مورد توجه قرار میگیرد.[12] لذا در این تحقیق پس از مطابقت فایل اتوکد نقشه کاربري اراضی شهر با نرمافزار GoogleEarth، گراف مربوط به شبکه معابر شهر مطابق شکل 2 ایجاد گردیده سپس اطلاعات توصیفی گردآوري شده حاصل از اطلاعات میدانی به GIS فراخوانی شده و در نهایت مدل پایگاه داده شبکه مربوط در GIS ایجاد گردید.
پس از تکمیل پایگاه مدل داده شبکه، نوبت به مدلسازي و تحلیل عملیات جمعآوري پسماند میرسد. اصولا اولین قدم در تعریف، مدلسازي و حل یک مساله جمعآوري پسماندها، داشتن یک تخمین صحیح از میزان پسماند تولیدي روزانه و تعریف و تخمین بارکاري روزانه میباشد. در مساله مسیریابی قوسی ظرفیتدار، بارِکاري در یک ناحیه عبارت است از تخمینی از کل زمان مورد نیاز براي وسائل نقلیه، تا در این زمان کل ناحیه مربوط را سرویس بدهد. این تخمین از بارکاري به یک تخمین از تعداد وسیله مورد نیاز براي سرویسدهی به ناحیه، تبدیل میگردد. با استفاده از روشهاي قطعی ارائه شده در مرجع [14]، بارکاري روزانه و متعاقب آن تعداد وسائل بدست آمد که با کمی محافظهکاري مطابق با تعداد وسائل موجود در نظر گرفته شد.
