GIS là công nghệ tích hợp thu thập, lưu, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian. GIS hỗ trợ để chọn vị trí đặt thùng rác, đánh giá khả năng phục vụ của hệ thống các thùng rác và xác định tuyến đường tối ưu để vận chuyển rác.
4 bước thực hiện trong mô hình được mô tả như sau:
+ Tính toán phương thức và thời gian vận chuyển dựa vào lượng rác phát sinh. + Xây dựng cơ sở dữ liệu.
+ Đánh giá vị trí thùng chứa rác.
+ Tính toán về tuyến đường vận chuyển.
2.3.3.1. Tính toán phương thức và thời gian vận chuyển dựa vào lượng CTR phát sinh
Phương trình 5: Số lượng đặt thùng rác
Số lượng đặt thùng rác = (N(số lượng thùng rác) x dung lượng thùng rác
Phương trình 6: Dung lượng thùng rác (tại vùng dân cư)
Dung lượng thùng rác
(tại vùng dân cư) =
Tổng số dân x Lượng rác phát sinh Mật độ rác
Phương trình 7: Dung lượng thùng rác (tại vùng đô thị)
Dung lượng thùng rác
(tại vùng đô thị) =
WG(lượng rác thải phát sinh) x 1,15 x 2 Mật độ rác
Phương trình 8: Dung lượng rác (volume)
Dung lượng rác (volume)
=
Số hộ dân x Phát sinh rác thải theo đầu người Mật độ rác
Phương trình 9: Lượng rác phát sinh tại mỗi hộ gia đình
Lượng rác phát sinh
= ƒ
Dân số, số người
Hộ gia đình Hộ gia đình, thu nhập
Tỷ lệ phát thải CTR = 0,91 kg/người/ngày.
2.3.3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL)
CSDL không gian bao gồm: đường phố, điểm tập kết rác: vị trí lượng rác của thùng rác; chợ, nhà hàng khách sạn lớn; và trạm trung chuyển. Arcgis Network Analysis tạo mạng lưới đường cần phân tích trong CSDL.
Thực hiện bài toán thu gom rác tối ưu yêu cầu thông tin: + Lượng rác phát sinh mỗi ngày (kg/người/ngày);
+ Mật độ rác trong mỗi thùng chứa; + Mật độ dân phố/tuyến phố;
+ Thông tin của tuyến đường (độ rộng, hướng chuyển động cho phép của phương tiện, độ dốc, các điều luật giao thông cần tuân thủ trên tuyến đường).
Các thông tin này sẽ được mô tả dạng thông tin thuộc tính trên CSDL không gian, cụ thể trong ứng dụng này thông tin được tích hợp trong các bản đồ số.
Dữ liệu chuẩn bị cho bài toán tìm tuyến đường tối ưu bao gồm:
Bƣớc 1:Chuẩn bị dữ liệu
a. Lớp dữ liệu Đường phố (street)
Lớp dữ liệu đƣờng phố chứa các tuyến đường mà xe thu gom rác sẽ di chuyển. Lớp này được sử dụng để tạo mạng lưới các đường phố cho bài toán tìm tuyến đi tối ưu cho các xe rác.
Lớp dữ liệu đường phố bắt buộc phải có các trường sau:
Meters: Chiều dài của tuyến phố (tính bằng mét).
FT_Minutes: Thời gian để đi từ đầu phố đến cuối phố (tính bằng công thức: chiều dài tuyến phố * 60/vận tốc của xe rác).
TF_Minutes: Thời gian để đi từ cuối phố đến đầu phố (tính bằng công thức: chiều dài tuyến phố * 60/vận tốc của xe rác).
b. Lớp dữ liệu Thùng rác (bins)
Lớp dữ liệu thùng rác chứa vị trí đặt các thùng rác cùng với các thông số khác như: dung tích thùng rác, lượng rác chứa…(xem hình trên) Lớp dữ liệu thùng rác bắt buộc phải có các trường sau:
Name: Tên của thùng rác.
Demand: Khối lượng rác có trong thùng tại thời điểm thu rác.
ServiceTime: Thời gian cần thiết để thu gom rác từ thùng rác lên xe.
TimeStart1: Thời gian sớm nhất mà xe rác có thể thu gom rác từ thùng trong ngày.
TimeEnd1: Thời gian muộn nhất mà xe rác có thể thu gom rác từ thùng trong ngày.
c. Lớp dữ liệu Trạm thu gom rác:
Lớp dữ liệu Trạm thu gom rác chứa thông tin về vị trí trạm thu gom rác, đây cũng là nơi mà các xe thu gom xuất phát và đưa rác thu được về đó để xử lý.
Lớp dữ liệu Trạm thu gom rác bắt buộc phải các có trường sau:
Name: Tên trạm thu gom rác.
Bƣớc 2: Thiết lập các tham số a. Tạo network dataset
Trong ArcCatalog, vào dataset BaDinh, chọn Create NetworkDataset.
b. Tạo các lớp dữ liệu phân tích bài toán
Trong thanh công cụ Network Analys, chọn New Vehicle Routing
Problem.
3. . Thiết lập tham số cho lớp thùng rác
Trong cửa sổ Network Analyst, vào lớp Orders, chọn Load Locations, chọn lớp Thùng rác (bins).
Đặt giá trị Name là tên của lớp Thùng rác (Name)
Đặt giá trị ServiceTime là trường ServiceTime
Đặt giá trị TimeWindowsStart1 là trường TimeStart1
Đặt giá trị TimeWindowEnd1 là trường TimeEnd1.
Đặt giá trị DeliveryQuantities là trường Demand
Nhập giá trị default cho trường MaxViolationTime1 là 0.
d. Thiết lập tham số cho lớp trạm thu rác
Trong cửa sổ Network Analyst, bấm chuột phải vào lớp Depots, chọn Load Locations, chọn lớp Trạm thu rác.
Đặt giá trị Name là trường Name của lớp Trạm thu rác.
Nhập giá trị Default Value cho TimeWindowStart1 là thời gian xe thu rác bắt đầu chạy.
Nhập giá trị Default Value cho TimeWindowEnd1 là thời gian xe thu rác nghỉ làm việc.
e. Thiết lập tham số cho các xe vận chuyển rác
Vì quận Ba Đình xe thu gom rác nên ta phải nhập thông số cho 2 xe. Trong cửa sổ Network Analyst, bấm chuột phải vào lớp Routes, chọn Add Item và nhập các thông tin về xe thu gom rác.
Name: Tên xe thu gom rác
StartDepotName: Nơi xe thu gom rác bắt đầu hành trình
EndDepotName: Nơi xe thu gom rác bắt đầu kết thúc hành trình
StartDepotServiceTime: Thời gian cần thiết để lấy rác lên xe
EarliestStartTime: Thời gian sớm nhất xe rác có thể bắt đầu đi
LatestStartTime: Thời gian muộn nhất mà xe rác bắt buộc phải đi
Capacities: Dung lượng của xe rác
CostPerUnitTime: Chi phí vận nhân công cho mỗi phút (0.2$)
CostPerUnitDistance: Chi phí vận hành xe cho mỗi mét (tiền xăng,bảo trì…)(1.5$)
MaxOrderCount: Số lượng thùng rác mà xe thu gom có thể phục vụ
MaxTotalTime: Thời gian lớn nhất mà tài xế có thể làm việc (tính bằng phút)
MaxTotalTravelTime: Thời gian lớn nhất mà xe có thể đi trong một ngày làm việc
MaxTotalDistance: Quãng đường lớn nhất mà một xe có thể đi
trong một ngày.
f. Thiết lập tham số phân tích bài toán
Trên thanh công cụ chọn nút Analysis Layer Properties. Chọn tab Analysis Settings
Trong mục Distance Attribute chọn Meters.
Trong mục Capacity Count chọn là 1 (1 tham số là lượng rác).
2.3.3.3. Đánh giá vị trí thích hợp của thùng chứa rác
Phân tích vùng dịch vụ xung quanh các điểm chứa rác trên mạng lưới đường phố: gồm trạm trung chuyển và các thùng rác: các vị trí này có thể tiếp cận thuận lợi nhất trong phạm vi 300 - 500m.
Tính lượng rác chứa trong một khu dân cư:
Phương trình 10: Lượng rác chứa trong một khu dân cư
Lượng rác = D C Sf Gr P. . . Trong đó: P: dân số Gr: tỷ lệ phát sinh rác D: mật độ rác thải Sf: tỷ lệ an toàn
C: giá trị cao nhất của hệ số phát sinh rác (tần số: 7 ngày/tuần)
2.3.3.4. Tính toán về tuyến đường vận chuyển
Tuyến đường được xác định:
+ Lớp thông tin điểm đỗ: vị trí thùng rác/vị trí chợ/vị trí nhà hàng khách sạn/vị trí trạm trung chuyển.
+ Thông tin thuộc tính của điểm đỗ: Thời gian thu gom tại mỗi điểm đỗ + Thông tin giới hạn của mạng lưới đường: Điểm không cho phép đi qua + Thông tin của tuyến đường liên quan đến khả năng vận chuyển
Trong đó:
+ Hạn chế về kinh phí đầu tư mới + Biến động sử dụng đất
+ Loại rác thải: HC, TSD
+ Khoảng cách thuận tiện đổ rác (200 - 300m)
+ Môi trường và cảnh quan + Nguồn nước (15m)
2.4. Kết luận chƣơng 2
Luận văn nghiên cứu về CTRSH quận Ba Đình, hệ thống thu gom, vận chuyển CTRSH, đặc biệt là mạng lưới các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt trên địa bàn Quận. Trong đó, mục tiêu đề tài là điều tra, đánh giá hiện trạng CTRS trên địa bàn Quận; xây dựng cơ sở khoa học và áp dụng phương pháp mô hình hóa ứng dụng GIS và tin học môi trường để xây dựng bản đồ khoanh vùng các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt.
Tính toán vị trí tối ưu của mạng lưới các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt theo công thức, phương trình toán học để tối ưu hóa tuyến đường thu gom, vận chuyển. Xác định vị trí đặt các thùng rác, xây dựng cơ sở dữ liệu không gian, tối ưu hóa vị trí thùng rác, tìm đường vận chuyển ngắn nhất, nhanh nhất và chi phí nhỏ nhất ứng dụng với phần mềm phân tích mạng lưới Network analysis: chức năng mở rộng trên phần mềm Arcgis.
Vị trí bãi rác, các điểm tập kết thu gom rác được xác định bằng GPS bên cạnh các thông tin thuộc tính của thùng rác. Mô hình hóa việc thu gom rác sử dụng bài toán VRP và bản đồ để tính và hiển thị các tuyến đường. GIS là công cụ quyết định hiệu quả trong việc giải quyết bài toán thu gom, vận chuyển rác thải sinh hoạt. GIS hỗ trợ để chọn vị trí thùng rác, đánh giá khả năng phục vụ của hệ thống các thùng rác và xác định tuyến đường tối ưu để vận chuyển rác.
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUY HOẠCH CTR SINH HOẠT TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN BA ĐÌNH,
THÀNH PHỐ HÀ NỘI
3.1. Kết quả ứng dụng mô hình quản lý CTR sinh hoạt trên địa bàn quận Ba Đình Ba Đình
Thu gom rác trên đường phố cần dữ liệu về vị trí thùng rác và số liệu rác thải của mỗi thùng được thu thập ở trên địa bàn quận Ba Đình, kết hợp tách chiết dữ liệu từ ảnh vệ tinh, thu thập số liệu thực địa và số liệu từ Công ty TNHH MTV Môi trường đô thị Hà Nội. Trong mô hình tối ưu, công việc thu gom rác trên đường phố được chia thành 3 loại thu gom:
+ Thu gom từ các thùng rác đặt trên đường phố + Thu gom rác từ các chợ
+ Thu gom rác từ các nhà hàng, khách sạn lớn
Hình thức thu gom rác: Theo 2 hình thức chính
a) Thu gom rác thải trên đường phố, và tại các điểm tập kết tạm
Xuất phát: Bãi rác Đông Anh
Kết thúc: Bãi rác Đông Anh
Lộ trình tuyến: Xe chở rác đi thu gom các thùng rác dọc đường phố, sử dụng xe cuốn ép (nhấc thùng rác lên, đổ rác vào xe, trả thùng trở lại, và đi tiếp). Bên cạnh việc thu gom rác tại các thùng trên các phố chính, rác tại ngõ, kiệt hẻm nằm xa trạm trung chuyển được tập trung tại các vị trí tập kết tạm và sau đó được vận chuyển tới bãi rác cùng tuyến xe này.
b) Gom và chuyên chở rác từ trạm trung chuyển tới bãi rác
Xuất phát: Bãi rác Đông Anh: vị trí tập kết của xe, và công ty điều phối xe của URENCO
Kết thúc: Bãi rác Đông Anh
Lộ trình tuyến: Xe nâng gấp: Chuyển rác đã được ép thành khối, 1 xe tải chở có dung tích từ 2.5 đến 10 tấn.
3.1.1. Kịch bản 1
Từ hiện trạng sử dụng quản lý các điểm thu gom rác trên quận Ba Đình, ta sử dụng phần mềm ArcGIS 10.1 có kết quả như sau:
Vị trí các điểm cẩu rác: 115 điểm tập kết thu gom rác
Hình 3.1: Vị trí các điểm cẩu rác quận Ba Đình
Khoảng cách vận chuyển từ Bãi rác Đông Anh đến vị trí các điểm cẩu thể hiện dưới hình sau:
Kết quả tính tuyến thu gom rác tối ƣu cho các xe có dung tích khác nhau:
Hình 3.3: Tuyến đƣớng thu gom của các xe chở rác Sơ đồ tuyến thu gom rác cho quận Ba Đình:
- Vị trí 2,3,4,5 – màu xanh lam nhạt là thứ tự xe thu gom rác đi qua.
Hình 3.5: Tuyến đƣờng đi dành cho xe GB ben
Hình 3.7: Tuyến đƣờng đi dành cho xe Hyundai
Hình 3.9: Tuyến đƣờng đi dành cho xe IVECO – 02
Hình 3.11: Tuyến đƣờng đi dành cho xe Mitsubishi – 07
Từ các kết quả trên việc tính toán chi phí cho tuyến đường tối ưu được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.1: Chí phí cho các xe vân chuyển rác
TT Tên chuyến Dung
tích xe Giá nhân công ($/phút) Giá nhiên liệu ($/km) Tổng chi phí ($) Tổng thời gian (phút) Tổng khoảng cách (km) 1 Xe Huyndai 2.5 2500 0.2 1.5 94.06 236.26 46.81 2 Xe W50 1 5000 0.2 1.5 85.72 207.28 44.26 3 Xe W50 2 5000 0.2 1.5 91.50 230.97 45.31 4 Xe GB Ben 5000 0.2 1.5 89.25 225.91 44.07 5 Xe Mercedes 1 5000 0.2 1.5 88.65 226.20 43.41 6 Xe Mercedes 2 5000 0.2 1.5 92.54 231.43 46.26 7 Xe IVECO 1 7270 0.2 1.5 87.09 225.11 42.07 8 Xe IVECO 2 7270 0.2 1.5 89.26 227.12 43.84 9 Xe Hino1 7000 0.2 1.5 91.13 227.60 45.61 10 Xe Hino 2 7000 0.2 1.5 90.79 227.50 45.28 11 Xe Mitsubishi 1 6200 0.2 1.5 91.29 231.56 44.98 12 Xe Mitsubishi 2 6200 0.2 1.5 89.11 228.24 43.46 13 Xe Mitsubishi 3 6200 0.2 1.5 89.71 228.10 44.09 14 Xe Mitsubishi 4 6200 0.2 1.5 89.14 228.02 43.54 15 Xe Mitsubishi 5 6200 0.2 1.5 90.19 230.66 44.06 16 Xe Mitsubishi 6 6200 0.2 1.5 91.56 229.96 45.57 17 Xe Mitsubishi 7 3500 0.2 1.5 91.44 231.82 45.07 18 Xe Daewoo 1 10000 0.2 1.5 83.61 236.85 36.24
19 Xe Daewoo 2 10000 0.2 1.5 76.85 213.66 34.12 20 Xe Daewoo 3 10000 0.2 1.5 77.26 211.18 35.02 21 Xe ISUZU 1 10000 0.2 1.5 83.07 234.77 36.12 22 Xe ISUZU 2 10000 0.2 1.5 86.67 237.70 39.13 23 Xe ISUZU 3 10000 0.2 1.5 84.34 235.38 37.27 24 Xe ISUZU 4 10000 0.2 1.5 84.38 224.72 39.43 25 Xe ISUZU 5 10000 0.2 1.5 86.90 239.08 39.08 26 Xe ISUZU 6 10000 0.2 1.5 84.11 220.12 40.08 27 Xe ISUZU 7 10000 0.2 1.5 85.41 222.67 40.88 28 Xe ISUZU 8 10000 0.2 1.5 89.72 228.30 44.06 Tổng 2454.75 6378.17 1179.12 3.1.2. Kịch bản 2
Ta sử dụng chức năng Buffer trong phần mềm ArcGIS 10.1 để xác định được số lượng vị trí điểm tập kết rác tối ưu (Khoảng cách tối đa giữa các điểm thu gom là 300m). Từ đó, ta có kết quả như sau:
Vị trí các điểm cẩu rác:
Sau khi sử dụng chức năng Buffer, thì ta loại bỏ được 33 điểm thu gom rác. Vị trí, tọa độ các điểm thu gom rác không thay đổi, còn lại 82 điểm cẩu.
Hình 3.13: Vị trí các điểm cẩu rác
Hình 3.15: Tuyến đƣờng đi dành cho xe Daewoo – 03
(vị trí 2, 3, 4 – màu xanh lam đậm là thứ tự xe thu gom rác đi qua)
Hình 3.16: Tuyến đƣờng đi dành cho xe GB Ben
Hình 3.17: Tuyến đƣờng đi dành cho xe Hino 2
(vị trí 2, 3, 4 – màu xanh lam đậm là thứ tự xe thu gom rác đi qua)
Hình 3.18: Tuyến đƣờng đi dành cho xe Huyndai 2.5 (vị trí 2, 3 – màu xanh lam đậm là thứ tự xe thu gom rác đi qua)
Hình 3.19: Tuyến đƣờng đi dành cho xe ISUZU – 08
(vị trí 2, 3, 4, 5 – màu xanh lam đậm là thứ tự xe thu gom rác đi qua)
Hình 3.20: Tuyến đƣờng đi dành cho xe IVECO – 02
Từ các kết quả trên việc tính toán chi phí cho tuyến đường tối ưu được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3.2: Chí phí cho các xe vân chuyển rác
TT Tên chuyến Dung tích xe Giá nhân công ($/phút) Giá nhiên liệu ($/km) Tổng chi phí ($) Tổng thời gian (phút) Tổng khoảng cách (km) 1 Xe Huyndai 2.5 2500 0.2 1.5 83.78 190.32 45.72 2 Xe W50 1 5000 0.2 1.5 64.05 151.29 33.79 3 Xe W50 2 5000 0.2 1.5 0.00 0.00 0.00 4 Xe GB Ben 5000 0.2 1.5 82.36 188.39 44.69 5 Xe Mercedes 1 5000 0.2 1.5 82.40 189.19 44.56 6 Xe Mercedes 2 5000 0.2 1.5 0.00 0.00 0.00 7 Xe IVECO 1 7270 0.2 1.5 81.95 187.98 44.36 8 Xe IVECO 2 7270 0.2 1.5 85.53 207.72 43.99 9 Xe Hino1 7000 0.2 1.5 82.13 187.24 44.69 10 Xe Hino 2 7000 0.2 1.5 87.55 208.81 45.79 11 Xe Mitsubishi 1 6200 0.2 1.5 86.13 208.17 44.50 12 Xe Mitsubishi 2 6200 0.2 1.5 82.73 188.37 45.05 13 Xe Mitsubishi 3 6200 0.2 1.5 83.36 191.61 45.04 14 Xe Mitsubishi 4 6200 0.2 1.5 78.86 184.68 41.92 15 Xe Mitsubishi 5 6200 0.2 1.5 0.00 0.00 0.00 16 Xe Mitsubishi 6 6200 0.2 1.5 69.80 170.92 35.62