“雙碳”政策背景下垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的路徑優(yōu)化與碳核算模型體系

雙碳”政策背景下垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的路徑優(yōu)化與碳核算模型體系摘要：當(dāng)前我國正在加快實現(xiàn)生產(chǎn)生活方式綠色變革，加快“碳達(dá)峰、碳中和”政策的落地實施，力爭在2030年前達(dá)到碳達(dá)峰，2060年前達(dá)到碳中和，在此背景下進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)型升級方興未艾；同時為實現(xiàn)人口資源環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的“無廢城市”政策在全國的廣泛推廣，“垃圾分類、循環(huán)經(jīng)濟(jì)”等綠色發(fā)展概念已深入人心。生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)包含收集和轉(zhuǎn)運(yùn)車輛、轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)施等，運(yùn)行過程消耗汽柴油、電等能源，是城市溫室氣體排放源之一，之前對于傳統(tǒng)收運(yùn)模式成本、時間等要素的路徑優(yōu)化數(shù)學(xué)模型研究已十分深入。本文將探討新形勢下，建立與分類收運(yùn)、新能源車輛、碳排量等新要素耦合的全生命周期碳核算模型新體系，以期為未來環(huán)衛(wèi)收運(yùn)體系規(guī)劃提供參考。關(guān)鍵詞：無廢城市、垃圾分類、路徑優(yōu)化、碳核算模型、全生命周期分析（LCA）引言我國提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的重大戰(zhàn)略決策，以期實現(xiàn)資源高效利用和綠色低碳發(fā)展基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，這將是一次覆蓋各領(lǐng)域、各地區(qū)、各行業(yè)的深刻的“綠色變革”，在今年10月24日國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動方案》中，明確提出了“碳達(dá)峰十大行動”，其中“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動、交通運(yùn)輸綠色低碳行動、循環(huán)經(jīng)濟(jì)助力降碳行動”赫然在列。近年來，隨著我國城市化的快速發(fā)展與市民物質(zhì)消費能力的日漸提高，城市垃圾量增長迅速，因此產(chǎn)生的城市固體廢棄物治污防污挑戰(zhàn)十分嚴(yán)峻，加之相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資金、技術(shù)研發(fā)等投入不足，導(dǎo)致了十分嚴(yán)峻的“垃圾圍城”問題。垃圾總量的快速增加、城市居民對生活環(huán)境的高標(biāo)準(zhǔn)要求、愈發(fā)擁堵的城市交通現(xiàn)狀等均使得現(xiàn)有城市垃圾收運(yùn)體系運(yùn)行的時間窗口愈發(fā)緊張；全國各大試點城市垃圾分類體系的逐步建立要求“不同種類垃圾分開收運(yùn)”、全國各地方財政預(yù)算的壓力、國家對碳排放總量的控制要求均導(dǎo)致單純增加收運(yùn)車輛的模式必然不現(xiàn)實。因此迫切需要一套綜合了垃圾分類、時間窗口、碳排放總量、路徑優(yōu)化、運(yùn)行成本等多要素的模型體系，為環(huán)衛(wèi)、固廢等專項規(guī)劃編制提供數(shù)據(jù)庫和輔助決策工具。國內(nèi)外研究進(jìn)展國內(nèi)外關(guān)于收運(yùn)車輛路徑優(yōu)化的研究進(jìn)展對垃圾收運(yùn)車輛路徑優(yōu)化的研究始于求得載重量有限條件下的能覆蓋所有垃圾點位的最佳收運(yùn)路徑［2］；S.Kim等人針對收運(yùn)時間對生活垃圾處理的影響，研究了帶有時間窗口的垃圾收運(yùn)路徑問題，以時間懲罰成本、等待時間最短為目標(biāo)建模［3］；Masoud等人提出了一個多車型、帶隔倉、隔間大小不同、混合開閉的車輛路徑模型［4］；針對新興的電動汽車路徑優(yōu)化問題的研究早在2011年就已經(jīng)開始［5］；為適應(yīng)電動車輛載重量、時間窗、行駛里程、充電需求、行駛速度等特性的新變化，建立了以總成本最小為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，并提出了滿足動態(tài)需求的電動車配送方案實施更新策略［6］。國內(nèi)外關(guān)于車輛全生命周期碳排放的研究進(jìn)展當(dāng)前對于EV（電動汽車）、HEV（混合動力汽車）、FCV（燃料電池汽車）及化石能源基燃料驅(qū)動的傳統(tǒng)ICE（內(nèi)燃機(jī)）汽車等的碳排放量研究已十分深入，目前國際成熟的車用能源技術(shù)路線評估方法為“車用燃料/車輛制造的GHG（溫室氣體）的LCA（全生命周期分析）”，國內(nèi)外學(xué)者較早就開始了研究，并建立起了專門的模型，如GREET和LEM模型，清華大學(xué)在此基礎(chǔ)上，開發(fā)建立了清華大學(xué)中國車用能源全生命分析模型-TLCAM:該模型采用中國實際參數(shù)數(shù)據(jù)，建立起包含燃料周期WTW（從礦井到車輪）和車輛周期，囊括資源開采、運(yùn)輸、車輛全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)及報廢全周期的模型分析方法［7］。關(guān)于現(xiàn)有收運(yùn)模型研究的不足當(dāng)前，針對城市垃圾碳排放量的研究主要集中在末端處置環(huán)節(jié)，關(guān)于生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)碳排放的定量研究還較為欠缺，尤其是隨著新能源車輛在市政環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域的大規(guī)模運(yùn)用導(dǎo)致的新時代本土化收運(yùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的欠缺和定量監(jiān)測的匱乏使得生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的建設(shè)過程中缺乏相應(yīng)科學(xué)依據(jù)和決策支撐，并未建立全生命周期下的結(jié)合路徑優(yōu)化、車輛碳排量的收運(yùn)系統(tǒng)碳排放核算方法。其次，當(dāng)前生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)普遍欠缺碳排放等環(huán)境影響的考量，也少有從碳排放的角度衡量垃圾分類環(huán)境效益的研究。垃圾收運(yùn)系統(tǒng)模型體系發(fā)展的新趨勢3.1針對新能源垃圾收運(yùn)車輛的路徑模型愈發(fā)受關(guān)注正如當(dāng)前EV（電動汽車）、HEV（混合動力汽車）、FCV（燃料電池汽車）在家用車領(lǐng)域的普及一樣，在環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域也出現(xiàn)了諸如電動清掃車、電動收運(yùn)車大行其道的趨勢；再如前文所述，垃圾分類收運(yùn)模式的新要求不能依靠單純增加環(huán)衛(wèi)營運(yùn)車輛解決的結(jié)論，未來在越來越嚴(yán)苛的碳排放標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營成本考量下，采用新能源的具有分隔艙室的垃圾收運(yùn)車必將迎來廣闊的市場前景，在此預(yù)測下，現(xiàn)有的結(jié)合“時間窗口、運(yùn)行總成本、行駛里程、總載重量、交通擁堵程度等”要素的路徑優(yōu)化模型亟需進(jìn)行升級，在此我提出以下幾點趨勢：首先，在近期環(huán)衛(wèi)車輛必將是傳統(tǒng)燃油車與新能源車型混用的狀態(tài)，兩類車輛特性完全不同，因此需要模擬兩類車輛在不同條件制約下同時運(yùn)行的路徑優(yōu)化；其次，針對帶隔間的收運(yùn)車輛，要對隔間大小、收運(yùn)種類進(jìn)行不同場景下的分析考量；最后一定要根據(jù)城市現(xiàn)狀給出適應(yīng)性強(qiáng)的，能充分體現(xiàn)各要素影響權(quán)重的模型，以期為環(huán)衛(wèi)收運(yùn)體系優(yōu)化提供有借鑒意義的決策工具。針對新能源垃圾收運(yùn)車輛的碳排放模型愈發(fā)受關(guān)注前文所述，當(dāng)前“車用燃料/車輛制造的GHG（溫室氣體）的LCA（全生命周期分析）”已經(jīng)十分成熟，因此在當(dāng)前控制碳排放總量的大背景下，對于產(chǎn)生大量溫室氣體的垃圾收運(yùn)體系進(jìn)行“碳減排”勢在必行，對此需要結(jié)合新能源車輛的相關(guān)特性，建立新的新能源車輛的數(shù)據(jù)庫，以期更加精準(zhǔn)地對體系的碳排量進(jìn)行估算，目前亟需的是針對兩個成熟體系：即路徑優(yōu)化模型、車輛全生命周期分析的精準(zhǔn)耦合，以建立新的數(shù)據(jù)庫和模型，更加準(zhǔn)確的預(yù)測在不同角度考量下的最優(yōu)解。結(jié)語未來垃圾收運(yùn)系統(tǒng)的模型一定是針對帶時間窗的多車型、多路徑的分類收運(yùn)優(yōu)化問題，考慮了車型、載重量、時間成本等各項成本支出等情況，考慮了LCA的碳排放總量，從而確立以總運(yùn)行成本最小或環(huán)境效益(GHG排放)最佳為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，并能從多個角度進(jìn)行方案比選的決策模型。對于政府而言，建立這樣一個模型作為輔助決策工具，既能提高垃圾分類收運(yùn)比例，促進(jìn)資源循環(huán)發(fā)展又能降低碳排放總量，提升環(huán)境質(zhì)量。因此未來在此思路上建立的模型必將會發(fā)揮重大作用。LEHMANNS.Urbanmetabolismandthezero-wastecity:transformingcitiesthroughsustainabledesignandbehaviorchange[M]//LINDFIELDM,STEINBERGF,eds.GreenCities.MandaluyongCity,Philippines:AsianDevelopmentBank,2012:108-135.E.J.Beltrami,L.D.Bodin.Networksandvehicleroutingformunicipalwastecollection[J].Networks,1974,4(1):65-94.KimBI,KimS,SahooS.Wastecollectionvehicleroutingproblemwithtimewindows[J].Computers&OperationsResearch,2006,33(12):3624-3642.MasoudRabbani,HamedFarrokhi-aslandHamedRafiei.Ahybridgeneticalgorithmforwastecollectionproblembyheterogeneousfleetofvehicleswithmultipleseparatedcompartments[J].Journalofintelligent&fuzzysystems.2016,30(3):1817-1830.G.Conrad,M.A.Figliozzi.TheRechargingVehicle