Rác từ nguồn thải (WTS): Node nguồn i:
1 chiều đi tới Trạm trung chuyển / Bãi
chôn lấp;
Trạm trung chuyển (WTS): Node chuyển giao j: nhiều chiều tới từ 1 hoặc nhiều WTS và 1 chiều đi tới bãi chôn lấp;
Bãi chơn lấp: Node đích k: nhiều chiều tới từ 1 hoặc nhiều nguồn thải WPN và 1 hoặc
nhiều trạm trung
Do rác ở quận Ba Đình được chuyển tới các trạm trung chuyển trước khi đưa tới bãi rác ở Đông Anh, nên công tác thu gom ở đây được kể đến là thu gom rác thải tới trạm trung chuyển trước khi vận chuyển rác đã được ép tới bãi rác Đông Anh. Để phân tích giải pháp cho việc nâng cao chất lượng công tác thu gom và vận chuyển rác, hai khối công việc này được tách biệt theo thứ tự để thuận tiện cho việc lập mơ hình và khơng gian hóa. Hơn nữa, cơng việc điều phối xe chuyên chở rác và thu gom rác được quản lý bởi công ty TNHH Một thành viên Môi trường Đô thị Hà Nội nên việc tách biệt hai hợp phần này tạo thuận lợi cho công tác quản lý sau này.
Nhằm thu gom rác thải tối đa, trước hết cần xem xét hệ thống phân bố các thùng rác và các điểm tập kết rác trong thành phố. Đối với rác thải đường phố, vị trí thùng rác đặt thùng rác tại vị trí thuận tiện, khoảng cách thuận lợi để người dân đi đổ rác là 200m tính từ vị trí đặt thùng rác.
Xác định vị trí các thùng rác
Angeloli và Speranza đã phát triển một mơ hình để tạo ra một tập hợp các giải pháp cho các thùng rác và đưa ra lịch trình ngẫu nhiên bằng cách thực hiện một thuật tốn tìm kiếm có điều kiện.
Illeperuma and Samarakoon đưa ra giải pháp nhằm tối ưu vị trí các thùng rác. Vị trí các thùng rác là các nút giao giữa đường phố trong mạng lưới đường bộ sử dụng mơ hình P-median. Khoảng cách tối thiểu từ trung tâm P-median để yêu cầu các node (nút) => rác thải từ các nơi mang đến vị trí thùng rác vị trí các thùng rác đa phần ở gần với các node. [42]
Thu gom rác
Hơn nữa, nhiều thành phố đã xem xét và thiết kế tuyến thu gom trên cơ sở cân nhắc các yếu tố như ảnh hưởng đến mơi trường, phân tích chi phí lợi ích, khả năng tiêu thu năng lượng của phương tiện chuyên chở và vị trí thích hợp của thùng chứa rác.
Chang and Wei đưa ra mơ hình tuyến tính mờ đa đối tượng dưới hướng tiếp cận đặc trưng văn hóa, địa lý, nhân khẩu, kinh tế và xã hội.
El-Hamour cho thấy việc thiết kế hệ thống quản lý chất thải rắn để giảm thiểu chi phí cho ta thấy được tần xuất xuất hiện và lịch trình của tuyến thu gom. Khi dó vị trí các thùng rác được tái phân bố và giảm thiểu được tuyến đường vận chuyển.
Tuyến thu gom rác:
Thu gom và vận chuyển rác hiệu quả phụ thuộc vào vị trí đặt thùng rác tương ứng với lượng rác phát sinh [38-39].
Sharholy et all sử dụng Arcgis để tạo cơ sở dữ liệu không gian phục vụ quản lý rác thải sinh hoạt đơ thị, bao gồm: tuyến đường, vị trí xả thải và vị trí bãi rác [37].
Ghose et all bổ sung thêm một số yếu tố khi đưa ra mơ hình tuyến đường chuyên chở rác nhằm xác định khoảng cách và giá thành.
Tuyến đường thu thập được dựa trên thực tế và qua thí nghiệm bằng các phương pháp trực quan. Shasholy et all đã kết hợp mơ hình tốn học và GIS để tối ưu hóa tuyến đường thu gom rác và đưa ra được lịch trình của nó [37].
Chang et al đã ứng dụng mơ hình lập trình hướng đối tượng cùng với khả năng phân tích khơng gian của GIS để phân tích và trực quan hóa con đường tối ưu nhất phân bổ xe thu gom và lao động trong một mạng lưới thu gom và vân chuyển rác thải [39].
Errission et all đã phát triển một mơ hình để ước tính tiềm năng giảm tiêu thụ nhiên liệu. Điều này rõ ràng là làm giảm các tác động mơi trường. Mơ hình sử dụng dữ liệu về tốc độ, gia tốc, tải trọng xe và độ dốc của đường. Sharholy et all ứng dụng ArcGIS để thành lập bản đồ quản lý chất thải đô thị bao gồm: tuyến đường thu gom, vị trí các thùng rác, vị trí bãi rác. Ghose et al đề xuất một mơ hình GIS xác định chi phí và đường đi tối ưu. Dữ liệu yêu cầu gồm: mạng lưới giao thơng bộ, vị trí thùng rác, vị trí bãi rác [37].
2.3.2. Tính tốn vị trí tối ưu của mạng lưới các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt thải sinh hoạt
2.3.2.1. Tối ưu hóa tuyến đường vận chuyển rác
Thuật toán được sử dụng:
- Tìm vùng phục vụ cho các điểm cẩu rác - Xác định vị trí tối ưu
- Thiết kế tuyến đường cho 1 đội xe
Để tìm tuyến đường tối ưu: từ điểm tập kết (vị trí các điểm cẩu) tới vị trí đổ rác (Bãi rác Đơng Anh), có nhiều thuật tốn và cơng cụ hiện có.
- Network analyst – Chức năng mở rộng trên phần mềm Arcgis: Yêu cầu độ chính xác cao về dữ liệu đầu vào, hàm chức năng đa dạng, nhưng bài tốn tìm đường ngắn nhất tập trung nhiều hơn vào tối ưu cho thời gian và khoảng cách. Đây là công cụ được đánh giá tốt, mở rộng nhưng giá phần mềm nền Arcgis khá cao (Bản sử dụng trên máy tính cá nhân $27.000/ 1 khóa), trong khi các cơng cụ hỗ trợ GIS thông dụng khác như Mapinfo chỉ $2.000-$5.000 tùy số lượng chức năng lựa chọn.
- Tương tự như các công cụ trên phần mềm Arcgis, các phần mềm nhỏ, chạy trên web, có hỗ trợ hiển thị dữ liệu không gian như Geo blade route và Garbage truck routing. Đối với Geo blade route: Cơng cụ có thể tính tốn cho một hay nhiều tuyến đường với thông số khác nhau như giới hạn tốc độ, hướng đi. Hơn nữa, có thể lập bản đồ về mạng lưới các tuyến đường: ngắn nhất hoặc nhanh nhất. Ứng dụng này có thể giúp việc điều phối xe đi thu gom rác thải. Garbage Truck Routing: Sử dụng thuật tốn tìm đường thơng dụng: người đưa thư - "Chinese postman" / Euler tour.
- Công cụ được đánh giá đơn giản nhất, sử dụng thuật toán nâng cao: của Mr. Jan Dethloff’s và thuật tốn tìm kiếm lân cận cho vùng lớn (ALNS -Adaptive Large Scale Neighborhood Search). Thuật toán Vehicle route planner (VRP solver): ứng dụng trên web và dựa vào hệ thống thông tin địa lý, gọi tắt web-gis, nhằm tính tốn tuyến tối ưu cho các phương tiện xe cơ giới.
Trong phạm vi nghiên cứu này, công cụ Quy hoạch và thiết kế tuyến đường (VRP) và Phân tích mạng lưới (Network analyst) được sử dụng.
Bài toán "Tối ưu hóa tuyến đường" trong nghiên cứu này sử dụng VRP với thông tin giới hạn về thời gian và sử dụng Hệ thống thơng tin địa lý. Bài tốn GIS trong Luận văn này được sử dụng để: đánh giá vị trí đặt thùng rác hiện tại và tuyến thu gom rác tại quận Ba Đình; sau đó đưa ra giải pháp đặt vị trí thùng rác và thiết kế tuyến thu gom tối ưu.
Do vậy, giải pháp "tối ưu" trong bài toán thu gom và vận chuyển rác ở quận Ba Đình được tiếp cận theo:
Phương trình 1: Tối ưu hóa tuyến đường vận chuyển Tối ưu
= Tối ưu chi phí kinh tế + Chi phí mơi trường
= Tối ưu khoảng cách + Tối ưu thời gian + Tối ưu nhiên liệu + Tối ưu về phát thải ra môi trường
Tối ưu hóa tuyến đường: Route optimization: Trong phần này sử dụng một mơ hình có liên quan đến ứng GIS để xác định một mơ hình tối ưu cho quận Ba Đình – Thành phố Hà Nội.
Các dữ liệu yêu cầu bao gồm: Số lượng các xe tải, vị trí các thùng, vị trí bãi rác. Phương pháp này được thực hiện theo ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Tạo một mạng lưới đường phố, sử dụng phân tích mạng ArcGIS
- Giai đoạn 2: Tối ưu hóa các xe chở rác, vị trí thùng rác và vị trí bãi rác
- Giai đoạn 3: Tính tốn các tuyến đường ngắn nhất
Thuật tốn về tối ƣu hóa tuyến vận chuyển / Algorithm:
Hình 2.2: Mơ phỏng quá trình vận chuyển rác tại Ba Đình
Tối ưu = Tối ưu chi phí kinh tế + chi phí mơi trường = Tối ưu khoảng cách + tối ưu về thời gian + tối ưu nhiên liệu + tối ưu về phát thải ra môi trường.
Mơ hình hóa trong bài tốn tối ƣu / Models Giai đoạn 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu không gian:
Cơ sở dữ liệu bao gồm các vị trí các thùng rác, vị trí bãi rác, các thuộc tính về đường phố. Sử dụng ArcGIS Network Analyst để tạo ra và phân tích một mạng trong một tập dữ liệu.
Thu gom rác thải đơ thị tối ưu địi hỏi thông tin về: mức độ rác thải (kg/ người dân/ngày); dân số, các thuộc tính đường phố (chiều rộng, chiều, độ dốc, các trạm barries). Thông tin được mô tả trong bảng thuộc tính của dữ liệu khơng gian hoặc các bản đồ số trong ứng dụng này.
Giai đoạn 2: Tối ƣu hóa vị trí các thùng rác
Tìm các dịnh vụ xung quanh vị trí bất kỳ trên mạng lưới giao thơng cho khu vực của các thùng chứa rác và cho các điểm trung chuyển bao gồm tất cả các điểm có thể đặt được trong bán kính 200m và 500m tương ứng. Tính khối lượng các thùng chứa tại vị trí khu dân cư.
Volume = P.Gr.Sf.C / D Volume: Thể tích rác P= Số dân cư GR = Tỷ lệ phát sinh rác thải D = Mật độ rác thải Sf = Hệ số an toàn
C = Hệ số tối đa cho xử lý rác thải, tần xuất, 7 ngày/tuần
Giai đoạn 3: Tính tốn các tuyến đƣờng đi ngắn hơn: tìm đƣờng ngắn nhất, nhanh nhất và chi phí nhỏ nhất. Bao gồm các tính năng sau:
- Stop layer: vị trí thùng chứa rác
- Stop layer property: thời gian để thu thập các thùng chứa
- Barrier feature layer: điểm không thể đi qua
- Route feature layer
Trong đó: giả thiết của bài toán cho việc vận chuyển rác ở thành phố Ba Đình là:
- Loại rác thải: HC, TSD
- Khoảng cách thuận tiện đổ rác (100m)
- Mức độ ưu tiên về tuyến đường
- Môi trường và cảnh quan
Phƣơng pháp tính:
- Phân tích mạng lưới (Arcgis)
- Tìm vùng phục vụ
- Xác định vị trí tối ưu
- Thiết kế tuyến đường cho 1 đội xe
2.3.2.2. Dữ liệu về thu gom rác thải
a. Dữ liệu và yêu cầu dữ liệu
Cơ sở dữ liệu khơng gian sử dụng cho mơ hình "phân tích mạng lưới" gồm: - Dữ liệu nền: Đơn vị hành chính, dân cư, sử dụng đất (xác định các vùng nhậy cảm: nguồn nước, khu trường học, vui chơi, bệnh viện, chùa, nhà thờ)
- Mạng lưới giao thông: Đảm bảo u cầu địa hình, đường phố có các thơng tin về: tốc độ giới hạn, độ rộng đường, phân cấp đường, đường 1 chiều.
- Thông tin về rác thải: vị trí nguồn phát thải (thùng rác, nhà hàng, khách sạn và các khu chợ lớn); vị trí bãi rác; điểm tập kết rác; trạm trung chuyển. Ngoài ra cần bổ sung các thơng tin thuộc tính liên quan đến việc chở rác: phương tiện chuyên chở, nhân công, ngày công, thời gian quy định và lịch làm việc.
Vị trí của bãi rác, trạm trung chuyển và các địa điểm thu gom rác được xác định bằng GPS và ảnh vệ tinh của Google với các thông số: hệ quy chiếu WGS84, múi chiếu 48. Ngoài ra, các thơng tin thuộc tính của các thùng rác (loại thùng, dung tích rác/thùng). Các lớp thơng tin này được tích hợp trong một CSDL khơng gian để phục vụ tính tốn tuyến đường.
Dữ liệu
Ngồi các lớp dữ liệu nền như hành chính, địa hình, các lớp thông tin khác cần được biên tập để thỏa mãn các yêu cầu đầu vào của bài toán ―phân tích mạng lưới‖.
Dữ liệu được thiết kế gồm các lớp thơng tin sau: Mạng lưới giao thơng:
• Các đối tượng đường phải đảm bảo yêu cầu topology
• Cần đủ thơng tin:
• Tốc độ giới hạn
• Thời gian vận chuyển
• Đường 1 chiều
• Phân cấp đường
Rác thải:
• Thơng tin khơng gian:
• Vị trí thùng rác
• Vị trí bãi rác
• Vị trí các điểm tập kết rác
• Vị trí điểm trung chuyển
• Thơng tin thuộc tính về:
• Phương tiện sẵn có
• Nhân cơng, ngày cơng
• Thời gian quy định, lịch làm việc
Các phép phân tích trên dữ liệu không gian
Các điều kiện được khơng gian hóa trên các lớp dữ liệu về giao thơng, hiện trạng sử dụng đất, vị trí bãi rác, trạm trung chuyển, vị trí thùng rác:
Tính khoảng cách từ ―đất có mặt nước‖: sử dụng cơng cụ Buffer với khoảng cách 500m
Tính khoảng cách từ các vị trí cơng trình văn hóa và công cộng: Buffer với khoảng cách 200m
Thiết lập các thông số về giới hạn cho vận chuyển: đường một chiều, tốc độ: sử dụng lớp giao thông
Lựa chọn loại đường phù hợp: đường có phần loại cấp 1 và cấp 2. Cấp đường tương ứng với độ rộng của đường.
Phân tích vùng dịch vụ cho từng.
Cuối cùng, hàm phân tích đa chỉ tiêu và ―hàm tìm vị trí tối ưu‖ trong cơng cụ Phân tích mạng lưới, phần mềm Arcgis sẽ tìm ra vị trí mới cho các điểm đặt thùng rác khơng phù hợp. Hàm tính đưa ra các mối quan tâm định lượng tới: thứ tự vận chuyển của các xe; lượng rác cần chở cho từng trạm, khả năng chuyên chở của xe tải, Mục đích của bài tốn là tìm ra tập hợp các tuyến đi thích hợp của phương tiện vận chuyển nhằm đảm bảo chi phí tổng thể cho chuyến đi là nhỏ nhất. Trong trường hợp, các phương tiện đều đảm bảo yêu cầu tối ưu theo các yêu cầu đặt ra, giải pháp cân nhắc giữa khoảng cách và thời gian sẽ được kết hợp để tìm kết quả tối ưu nhất về giá thành.
Định mức khoán nhiến liệu: 0,066 lit/tấn/km. x 21800 x 8 = 1438 x 8 = 11.510
b. Thời gian điều hành việc vận chuyển rác và thời gian nâng và đổ rác:
Phương trình 2: Thời gian chở 1 chuyến
Thời gian chở 1 chuyến = Tbốc xếp + Tchun chở + Tbãi Trong đó:
Phương trình 3: Thời gian bốc xếp
Tbốc xếp = Nt x T - bx1 + (Np)/(1 chuyến xe - 1) x Tht.Tg
Trong đó:
Nt: Số xe rác đầy một chuyến Np: Số điểm bốc xếp
Tbx1: Thời gian bốc xếp lên xe Tht: Thời gian hành trình
Phương trình 4: Số xe đầy rác 1 chuyến
Nt =
Thùngrác Vt VxRh
Trong đó:
V: dung tích thùng xe Rh: chỉ số đầm nén
Vt: dung tích xe
f: hệ số sử dụng
Thời gian thu gom rác được áp dụng khác nhau cho 2 loại thu gom rác cơ bản: thu gom tại trạm và thu gom ngoài đường.
c. Phần mềm sử dụng:
Mơ hình hóa việc thu gom rác sử dụng bài tốn VRP và bản đồ để tính và hiển thị các tuyến đường. Phần mềm phân tích mạng lưới (Network analysis): chức năng mở rộng trên phần mềm Arcgis: Yêu cầu độ chính xác cao về dữ liệu đầu vào, hàm chức năng đa dạng, nhưng bài tốn tìm đường ngắn nhất tập trung nhiều hơn vào tối ưu cho thời gian và khoảng cách. Đây là công cụ được đánh giá tốt, có đặc tính vượt trội trong việc sử dụng linh hoạt giữ liệu không gian, mở rộng nhưng giá phần mềm nền Arcgis khá cao.
2.3.3. Mơ hình hóa thu gom và vận chuyển CTR
GIS là cơng nghệ tích hợp thu thập, lưu, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu khơng 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 mơ hình được mơ tả như sau:
+ Tính tốn phương thức và thời gian vận chuyển dựa vào lượng rác phát sinh.