固體廢物管理系統(tǒng)的構(gòu)建范文

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摘要：

針對目前城市固體廢物管理中的主要問題，利用“智慧城市”概念構(gòu)建了智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)。闡述了智慧城市固體廢物管理的概念，分析了智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的需求，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建了智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的體系框架。對系統(tǒng)的主要服務(wù)功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并以城市固體廢物運(yùn)輸路線設(shè)計(jì)決策為例，介紹智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：

智慧城市；城市固體廢物管理；智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市固體廢物產(chǎn)生量迅速增長。2013年，全國城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)17238.6萬噸，一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量327701.94萬噸[1]，危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量3156.89萬噸，呈不斷增長趨勢[2]。大量的城市固廢需要及時(shí)清理運(yùn)輸和妥善處理處置，如果對固體廢物進(jìn)行不適當(dāng)?shù)墓芾砗吞幹脤?dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染[3]：（1）通過滲濾液污染地表水和地下水；（2）通過焚燒廢棄物污染土壤；（3）污染空氣；（4）由不同載體傳播疾病；（5）堆填區(qū)的臭氣味；（6）厭氧分解釋放出的甲烷。城市固體廢物已成為顯性化社會問題的一部分，成為當(dāng)今社會的一大挑戰(zhàn)。目前存在的問題主要有：（1）固廢收集和處置點(diǎn)分布不盡合理，固廢難以得到及時(shí)清運(yùn)；（2）固廢系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀況不能獲取，清運(yùn)安排與處置缺乏靈活性；（3）固廢系統(tǒng)運(yùn)行低效，成本較高；（4）信息化水平低，大部分停留于簡單的辦公自動化水平。由IBM于2008年提出的“智慧城市”概念[4]，可被作為解決這類“城市病”的有力手段。“智慧城市”利用新一代信息技術(shù)更好地實(shí)現(xiàn)城市公共資源高效運(yùn)營，優(yōu)化城市資源配置[5]，已在諸多領(lǐng)域得到實(shí)踐應(yīng)用[6][7][8][9]。利用“智慧城市”概念構(gòu)建城市固體廢物管理系統(tǒng)，即將物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）、云計(jì)算（CloudComputing）、虛擬化和大數(shù)據(jù)（BigData）等技術(shù)以“三網(wǎng)融合”構(gòu)建智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)，促進(jìn)城市固廢產(chǎn)生、運(yùn)輸和處理整個(gè)生命周期智慧地感知、分析、集成和應(yīng)對，實(shí)現(xiàn)管理決策的科學(xué)化和高效化，從而以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理城市固廢，維護(hù)良好環(huán)境，提高生活質(zhì)量。

1智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的需求分析

1.1智慧城市固體廢物管理的概念城市固體廢物管理是為了環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、社會可接受的目標(biāo)，把固廢流、固廢收集和處理方式有機(jī)結(jié)合的決策過程。它涵蓋固廢生命周期的各方面，各環(huán)節(jié)內(nèi)容復(fù)雜、相互聯(lián)系，是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，城市固體廢物管理模型如圖1所示。固廢的生命周期與各種信息要素相關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)要素可歸為三類：環(huán)境因素、經(jīng)濟(jì)因素和社會因素。為科學(xué)有效地處理好關(guān)聯(lián)要素之間的關(guān)系，智慧城市固體廢物管理需要滿足以下目標(biāo)：（1）固廢管理的信息化。決策需要信息，城市固廢管理涉及大量、多種、多源的信息，包括以上三類關(guān)聯(lián)因素的信息。組織相關(guān)固廢管理信息并建立集成的信息平臺加以有效利用，實(shí)現(xiàn)固廢管理的信息化，是智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（2）生活便捷化。城市固廢管理系統(tǒng)的建立應(yīng)使相關(guān)利益者生活更加方便快捷，需要復(fù)雜繁冗程序的系統(tǒng)不會被相關(guān)利益者接受，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行低效或失敗。（3）環(huán)境維護(hù)自動化。目前的環(huán)境維護(hù)過程缺乏互聯(lián)互通，信息流通緩慢，導(dǎo)致效率較低。建立的城市固廢管理系統(tǒng)使環(huán)境維護(hù)信息流通順暢，便于相關(guān)的人員準(zhǔn)確快速得到有關(guān)信息，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境維護(hù)自動化，提高適應(yīng)性和效率。（4）社會管理自動化。城市固廢管理與固廢生產(chǎn)者、收集者、運(yùn)輸者、交易者、處理者和周圍居民等人員均密切相關(guān)。如何處理這些相關(guān)利益者的關(guān)系，平衡維護(hù)各方權(quán)益，提高生活質(zhì)量，是建立城市固廢管理系統(tǒng)須解決的重要課題。智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)是以固廢管理信息化、生活便捷化、環(huán)境維護(hù)自動化和社會管理自動化為目標(biāo)，以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、虛擬化和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)為手段的固廢信息處理中心，目的是實(shí)現(xiàn)城市固體廢物管理的智慧運(yùn)行。

1.2智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的需求良好的城市固體廢物管理需考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會等多因素，盡力滿足多方利益訴求。針對公眾、企業(yè)和政府等不同的使用對象，智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)主要有以下需求，如表1所示。另外，從系統(tǒng)實(shí)施和運(yùn)行情況角度看，還具有安全、穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)等需求。

2智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)體系架構(gòu)

根據(jù)智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和需求分析，其體系架構(gòu)如圖2所示。（1）基礎(chǔ)設(shè)施層基礎(chǔ)設(shè)施層是智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境，包含物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（如GPS、RFID、各種傳感器等）以及服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)固廢源狀態(tài)、固廢轉(zhuǎn)運(yùn)站狀態(tài)等的感知，獲取固廢生命周期的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會方面的信息要素內(nèi)容。（2）虛擬資源層虛擬資源層是利用物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem,CPS）、計(jì)算系統(tǒng)虛擬化等技術(shù)，將基礎(chǔ)設(shè)施層中的計(jì)算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等軟硬件資源形成虛擬資源池，降低物理資源和資源應(yīng)用的強(qiáng)耦合依賴關(guān)系，以支持資源的按需使用、高可靠性、高安全性、高可用性和普適性的系統(tǒng)服務(wù)環(huán)境。（3）數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層作為固廢信息要素內(nèi)容的存儲倉庫，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、共享數(shù)據(jù)以及包含歷史數(shù)據(jù)和城市固廢管理系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是城市固廢管理系統(tǒng)中的各種屬性數(shù)據(jù)以及用于相關(guān)服務(wù)功能的數(shù)據(jù)，各種屬性數(shù)據(jù)如固廢源類型、固廢源編號、收運(yùn)人員信息、收運(yùn)車輛信息、固廢處理企業(yè)信息等，用于相關(guān)服務(wù)功能的數(shù)據(jù)如人口數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、收運(yùn)處理成本、環(huán)境影響評價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。GIS數(shù)據(jù)包含系統(tǒng)相關(guān)的空間地理信息，如固廢源分布點(diǎn)、收運(yùn)車實(shí)時(shí)位置、收運(yùn)路線等。業(yè)務(wù)邏輯是系統(tǒng)提供服務(wù)的規(guī)則和流程，包括領(lǐng)域?qū)嶓w（如固廢收集點(diǎn)、醫(yī)療固廢處理企業(yè)、熱解氣化焚燒爐等對象）、業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)完整性規(guī)則及工作程序。共享數(shù)據(jù)是其他信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，如環(huán)保行政部門提供的危險(xiǎn)固廢產(chǎn)生企業(yè)跨省轉(zhuǎn)移信息、固體廢物進(jìn)口數(shù)據(jù)等。（4）基礎(chǔ)支撐層基礎(chǔ)支撐層為系統(tǒng)的安全性、可靠性和高效性提供保障，通過虛擬資源的建模定義、封裝／注冊／、實(shí)例化和部署管理、智能搜索管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬資源的合理分配與自適應(yīng)動態(tài)調(diào)度，以及提供信息系統(tǒng)的系統(tǒng)管理、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)集成支持中間件、高性能與高可靠性支持等四項(xiàng)基礎(chǔ)支撐。其中，系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、監(jiān)控調(diào)度管理及主機(jī)系統(tǒng)管理。應(yīng)用開發(fā)環(huán)境為應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)提供軟件開發(fā)環(huán)境（如Java、.Netframework等）。系統(tǒng)集成支持中間件為分布式應(yīng)用軟件在不同技術(shù)之間共享資源而提供平臺和通信機(jī)制（如XML、ODBC、JDBC等），實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用之間的互連互通與互操作。高性能與高可靠性支持包括用于多目標(biāo)多約束優(yōu)化調(diào)度的動態(tài)優(yōu)化管理、用于評估服務(wù)質(zhì)量的QoS評價(jià)管理以及故障恢復(fù)與集群技術(shù)等。（5）應(yīng)用支撐層應(yīng)用支撐層為智慧城市固廢管理系統(tǒng)的應(yīng)用軟件提供輔助支撐，簡化應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，提高開發(fā)效率，具體包括電子表單、工作流、通信服務(wù)、集成管理、即時(shí)通信和信息交換等。（6）應(yīng)用層應(yīng)用層是系統(tǒng)的核心部分，通過數(shù)據(jù)交換和執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，提供包括公共服務(wù)、決策支持、指揮調(diào)度、經(jīng)濟(jì)核算、執(zhí)法管理和規(guī)劃管理等城市固廢管理系統(tǒng)的多種服務(wù)，具體功能分析與設(shè)計(jì)見第3小節(jié)。（7）展現(xiàn)層展現(xiàn)層是通過互聯(lián)網(wǎng)、移動客戶端、APP應(yīng)用等多種媒介為公眾、企業(yè)和政府直接展示呈現(xiàn)系統(tǒng)的服務(wù)內(nèi)容。

3智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的服務(wù)功能

3.1服務(wù)功能智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的主要服務(wù)功能如圖3所示，可分為實(shí)時(shí)監(jiān)控、基本屬性查詢、輔助決策和經(jīng)濟(jì)核算四個(gè)方面。其他功能在此不作詳述，如系統(tǒng)管理、系統(tǒng)權(quán)限和安全、相關(guān)科普和法規(guī)查詢等。（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)時(shí)監(jiān)控可以通過RFID、GPS等物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施獲取固廢收集點(diǎn)、收集車、運(yùn)輸車等城市固體廢物管理系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，是智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)和重要功能。例如，在固廢收集箱貼上RFID標(biāo)簽，通過RFID讀寫器可快速非接觸地采集該固廢收集箱內(nèi)的固廢類型、可納固廢量、上次收集時(shí)間、處置方式和處置單位等信息；采集的信息可通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)庫或者云端。在固廢收集車和運(yùn)輸車上安裝GPS可獲取車輛的實(shí)時(shí)位置、運(yùn)輸軌跡和運(yùn)輸時(shí)間等信息。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控，可獲得固廢從產(chǎn)生、運(yùn)輸、計(jì)量、回收、出入站等全程監(jiān)控和全過程數(shù)據(jù)資料，可有效防止固廢遺失和不當(dāng)處置。（2）基本屬性查詢基本屬性查詢用于城市固體廢物管理系統(tǒng)各組成（相關(guān)設(shè)備、設(shè)施、人員等）的基礎(chǔ)信息查詢。（3）輔助決策輔助決策功能幫助城市固體廢物管理系統(tǒng)的管理者科學(xué)、高效、低成本地做出相關(guān)的決策或?yàn)闆Q策者提供參考資料和決策依據(jù)。輔助決策以城市固體廢物管理系統(tǒng)底層基礎(chǔ)信息、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，在GIS和決策模型支持下，給出決策方案或模擬結(jié)果。例如，對于固廢運(yùn)輸車輛調(diào)度，可根據(jù)底層的路況、運(yùn)輸路線、GPS獲取的車輛位置、RFID獲取的車輛狀態(tài)（運(yùn)輸固廢類型、容量、已納量等），調(diào)用相應(yīng)決策模型和算法（如經(jīng)典的VSP模型[10]、各種啟發(fā)式求解算法），選擇方法，在GIS的支持下安排合理優(yōu)化的車輛調(diào)度方案。（4）經(jīng)濟(jì)核算經(jīng)濟(jì)核算功能以相關(guān)價(jià)格、底層基礎(chǔ)信息、固廢作業(yè)流程與活動工作量、成本效益計(jì)算方法等為根據(jù)，用于城市固體廢物管理系統(tǒng)的成本效益核算和成本管理，并可作為輔助決策的依據(jù)或決策模型的約束條件。

3.2應(yīng)用實(shí)例以城市固體廢物運(yùn)輸路線設(shè)計(jì)決策為例，介紹智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的應(yīng)用方法，如圖4所示。底層通過固廢智能監(jiān)測監(jiān)控方案獲得固廢起運(yùn)點(diǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)和運(yùn)輸終點(diǎn)等整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，存儲與本地或者云端，云端數(shù)據(jù)定期傳送給本地或在緊急情況下立即傳送。通過固廢源固廢產(chǎn)生量、車輛狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析與解讀及數(shù)據(jù)挖掘等，確定與固廢路線運(yùn)輸設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)和問題（固廢產(chǎn)生量分布、車輛分布及可納量、可能路線的距離與成本等）。另外，固廢運(yùn)輸數(shù)據(jù)需要與原有信息系統(tǒng)集成，以便于獲取工作人員、成本、車輛安排和調(diào)度等其他運(yùn)輸相關(guān)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，固廢運(yùn)輸相關(guān)信息（如數(shù)據(jù)分析結(jié)果、路況、成本等）需與運(yùn)輸系統(tǒng)的決策工具集成以支持路線設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)，一些決策工具如運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖、智能優(yōu)化算法、數(shù)據(jù)可視化工具和決策支持工具等。優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)輸入多是固定的或需要估計(jì)，而由物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施獲取的數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)和真實(shí)的，因此可獲得較好的優(yōu)化結(jié)果并可做出及時(shí)響應(yīng)。富有表現(xiàn)力的數(shù)據(jù)可視化工具，能夠使管理者和工作人員易于使用，方便掌握和評估運(yùn)輸路線情況，其中借助GIS及與GIS的集成必不可少。最后，從運(yùn)輸線路圖、車輛安排和運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)安排等幾個(gè)方面做出固廢運(yùn)輸路線決策。做出的決策將傳輸給相關(guān)車輛和工作人員，指揮運(yùn)輸車輛按安排的路線運(yùn)行，此時(shí)固廢智能監(jiān)測監(jiān)控又在其中發(fā)揮作用，這是一個(gè)持續(xù)監(jiān)控和改進(jìn)的過程。使用智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)進(jìn)行固廢運(yùn)輸路線設(shè)計(jì)使得固廢運(yùn)輸方案更加靈活高效，固廢得以及時(shí)清運(yùn)，同時(shí)降低了成本。

4結(jié)論

城市固體廢物已成為顯性化社會問題的一部分，不適當(dāng)?shù)墓芾砗吞幹脤?dǎo)致嚴(yán)重環(huán)境污染。為實(shí)現(xiàn)固廢管理信息化、生活便捷化、環(huán)境維護(hù)自動化和社會管理自動化的目標(biāo)，利用“智慧城市”概念構(gòu)建了智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)：（1）從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會等角度，針對公眾、企業(yè)和政府等不同的使用對象，分析了智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的主要需求。（2）運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建了智慧城市固體廢物管理系統(tǒng)的體系框架，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬資源層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)支撐層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層。（3）系統(tǒng)的主要服務(wù)功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、基本屬性查詢、輔助決策和經(jīng)濟(jì)核算四個(gè)方面。

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作者：劉征 劉建福 程慧艷 單位：廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院