垃圾回收物流仿真系统设计.docx

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1、第十一章 垃圾回收物流仿真系统设计11.1 垃圾回收物流系统介绍城市某一区域，共有7个居民小区，每个小区有一个固定垃圾投放处，两个垃圾箱分别投放完全废弃垃圾和可回收利用垃圾；每天有专门公司（垃圾处理公司）派运输车收集垃圾，将垃圾从居民区运送之中转站，再由中转站运至目的地垃圾处理中心。仿真程序研究如何设计物流系统，能够使收集系统在满足时间约束、载重约束的条件下，使垃圾处理公司的物流总成本最低。系统配置的项目主要有车辆载重量、随车工作人员数、客户满意度。本节内容可以参看随书光盘models/垃圾回收仿真文件夹下的dumpreversesim.mod，模型运行结果参看此目录下的reverse.xls

2、文件。11.2 数据信息 仿真系统涉及的数据信息如下：11.2.1 地理及需求信息各个收集点所有的人口数、距离垃圾转运站、公司停车场的距离信息如表11.1所示。各收集点之间以及停车场和转运站之间的距离信息如表11.2所示。表11.1 收集点信息收集点名称收集点居民数people(i)(千人)距离停车场距离distance(ip)（km）距离垃圾转运站距离distance(it)(km)Dump0011.5616Dump0021.451627Dump0031.652624Dump0041.853836Dump0051.42826Dump0062.051614Dump0071.6108表11.2

3、点间距离路径起点路径终点距离（km）符号Tran_stationCorp park11Distance(pt)Dump001Dump00210Distance(12)Dump002Dump00310Distance(23)Dump003Dump00412Distance(34)Dump004Dump00510Distance(45)Dump005Dump00612Distance(56)Dump006Dump0076Distance(67)11.2.2 与收集车辆有关的信息l 固定成本price(i)：收集车辆的购买费用；l 可变成本cost(i)：车辆的行驶费用、维护费用和雇员工资；l 行驶

4、速度：分为空车行驶速度unloadspeed(i)和载重行驶速度loadspeed(i)；l 收集时间loadtime(i)：在垃圾收集点收集垃圾所需的时间l 卸载时间unloadtime(i)：在转运站卸载垃圾所需的时间具体信息如表11.3所示：表11.3 收集车辆信息车辆名称载重t固定成本万元可变成本元/km载重速度km/h空载速度km/h人员人人员工资元/天.人收集时间min卸载时间min车1X12+ X1X16072P1603+y*6/ P13+ X1*6/ P1车2X22+1.2* X2X26072P2602+y*8/ P22+ X2*6/ P2说明：车1用来收集不可回收垃圾；车2用

5、来收集可回收利用垃圾；X1，X2为现有两种车的吨位数，X1取值：3，4或5吨；X2取值：1.5；2；2.5；y为每次收集的垃圾量，单位-吨；P1，P2为两种车可配备的随车工作人员数（可以是1，2，3）。11.2.3 与垃圾相关的信息 l 人均垃圾量：平均每人每天产生的垃圾数量；l 垃圾比例：各种垃圾成分所占比例。假设人均垃圾量服从均值为1.2kg/天的埃尔郎分布，垃圾成分分为两类：一类为可重复利用资源，一类为无用需销毁垃圾，两者比例为1：2。11.3 收集垃圾的成本函数现在假设仿真一年365天的垃圾回收工作，决定两种型号的车配置何种吨位以及随车工作人员数，垃圾回收物流成本（Total Logi

6、stic Cost，TLC）最低。TLC=车1成本车2成本车I所耗成本=I的固定成本+I的可变成本+I的服务时间成本+I的人员成本即：TLC=CC1+CC2CCi=Xi+Vi+Si+Pi*365*60Si=(runtimei-240)*mSi为垃圾回收的服务时间成本，m为收集时间对服务时间成本的惩罚因子。垃圾回收公司在十二点之前收集完毕，社会效应好，给予奖励；在十二点后完成，社会满意度低，影响公司信誉，成本增加。runtimei为垃圾车将垃圾全部回收完成的最终时间，也即垃圾车每天的运行时间；11.4 系统逻辑结构此垃圾回收物流系统的逻辑结构分为五个子模块：垃圾产生模块、叫车模块、收集模块、收工

7、模块、数据处理模块。l 垃圾产生模块 每天收集工作开始时，系统根据小区的人数、人均垃圾量、两种垃圾量的比例，通过爱尔朗随机分布函数，随机产生各个小区的两种垃圾数量，分别存放入各个小区的两个垃圾箱内。l 叫车模块 在垃圾存放入各个小区的两个垃圾箱过程中，根据每种垃圾的总量以及每种垃圾车的载重量，生成叫车的次数。l 收集模块 叫车次数确定之后，车辆根据需求，沿着最短路径依次收集垃圾。在收集过程中，在一个垃圾点，如果垃圾车收集满了或当天的收集工作全部完成，车辆驶向垃圾中转站，进行卸载操作；如果垃圾车未满，则驶向下一最近垃圾收集点继续收集。l 收工模块 当天的收集工作全部完成之后，车辆驶向公司停车场，

8、当天收集工作完毕。l 数据处理模块 每天车辆收工时，11.5 仿真模型的建立根据系统逻辑结构和数据信息，我们建立具有7个垃圾收集点、一个垃圾转运站的WITNESS垃圾回收仿真模型。具体步骤如下：11.5.1 元素定义Difine建立仿真模型时，首先定义仿真模型中所需的元素，并设计它们的可视效果。我们将设计的元素分为两类实体元素和逻辑元素，名称如下。表11.4 实体元素列表：元素名称类型说明dumpa(1) dumpa(7)Part七个小区不可回收的垃圾dumpb(1) dumpb(7)Part七个小区可回收利用的垃圾dumpcart(1)Vehicle专门回收dumpa的垃圾回收车dumpca

9、rt(2)Vehicle专门回收dumpb的垃圾回收车buffera(1) buffera(7)Buffer各小区不可回收垃圾的垃圾箱bufferb(1) bufferb(7)buffer各小区可回收利用垃圾的垃圾箱CorpparkTrack公司停车场，Transfer_stationBuffer垃圾转运站road(i，j)Track由节点实体i向节点实体j方向的道路road(j，i)track由节点实体j向节点实体i方向的道路Geta(1)geta(7)Track车辆将通过它们来进行垃圾a的回收Getb(1)getb(7)Track车辆将通过它们来进行垃圾b的回收表11.5 逻辑元素变量列表

10、：变量名称类型说明people(7)integer各小区的居民数量capacitycart(2)integer两种垃圾车每次可收集的垃圾数量，即载重量ndemand(2)integer每天对两种垃圾车的需求次数labor(2)integer两种垃圾车的随车工作人员数SalaryReal工作人员每天工资price(2)Real两种垃圾车的购买价格costrate(2)Real两种垃圾车的运行费率unloadspeed(2)Real两种垃圾车的空载速度loadspeed(2)Real两种垃圾车的实载速度loadnum（2）integer两车辆到达垃圾收集点可收集的垃圾数量nfree(2)integ

11、er两车辆剩余载重能力Nparts7)integer每一垃圾收集点在特定仿真时点剩余垃圾量loadtime(2)Real两车辆收集垃圾所需的时间unloadtime(2)Real两车辆卸载垃圾所需的时间runtime(2,3)Real存储车辆的时间参数，runtime(k,1)存储仿真钟的当前数值，runtime(k,2)存储车辆k在当天的运行时间，runtime(k,3)存储车辆k在仿真过程中总的运行时间TimeweighReal时间惩罚因子timecost(2)Real时间惩罚成本sumcostReal目标函数objfun中用于统计系统运行的总费用 定义一个实数型逻辑函数objfun()，

12、用于计算和统计系统运行一年365天所花费的总费用。11.5.2 元素显示display各个元素的显示设置如图11.1所示。图11.1 垃圾回收物流仿真系统可视化界面11.5.3 元素详细设计在该子模块中定义随着仿真钟的推进，装载垃圾的逻辑条件。该系统的工作班次制度采用每天工作8小时，每一仿真时间等价于现实时间一分钟。为了实现系统的仿真运行，需要对系统中的元素进行详细设计。l 系统初始化程序设计（initialize actions），通过选择系统菜单model/initialize actions菜单项，得到初始化程序编辑框，输入如下程序：personum (1) = 1.5personum

13、(2) = 1.45personum (3) = 1.65personum (4) = 1.85personum (5) = 1.4personum (6) = 2.05personum (7) = 1.6 !给各小区的人数赋初值，单位：千人FOR num = 1 TO 7meandump (num) = 1.2 * personum (num) * 1000NEXT!分别生成每天七个小区产生垃圾的均值set capacity of dumpcart1 to capacitycart(1)set capacity of dumpcart2 to capacitycart(2)!分别设定两个车辆

14、的载重量，由变量数组capacitycart(1)和capacitycart(2)决定。unloadtime = 0 !卸载时间FOR num = 1 TO 7moddemanda (num) = 0 moddemandb (num) = 0 !决定叫车次数的变量NEXTFOR num = 1 TO 4roadchoicea (num) = 0 roadchoiceb (num) = 0 !最短路径控制变量NEXTFOR num = 1 TO 3runtimea (num) = 0runtimeb (num) = 0 !车辆运行时间控制变量NEXTintervaltime = 1440 !每天

15、的分钟数timeweigh = 5 !时间惩罚因子laborneeda = 1laborneedb = 1 !两辆车随车工作人员数!对变量赋初始值l 各个小区垃圾的详细设计表11.6 垃圾元素详细设计列表NameFirst arrivalInter arrivalLot sizeToDumpa10.00011440ERLANG (meandump (1) / 3,3,1)PUSH to buffera1Dumpa20.00021440ERLANG (meandump (2) / 3,3,2)PUSH to buffera2Dumpa30.00031440ERLANG (meandump (3)

16、 / 3,3,3)PUSH to buffera3Dumpa40.00041440ERLANG (meandump (4) / 3,3,4)PUSH to buffera4Dumpa50.00051440ERLANG (meandump (5) / 3,3,5)PUSH to buffera5Dumpa60.00061440ERLANG (meandump (6) / 3,3,6)PUSH to buffera6Dumpa70.00071440ERLANG (meandump (7) / 3,3,7)PUSH to buffera7Dumpb10.00011440ERLANG (meandum

17、p (1) / 3,3,8)PUSH to bufferb1Dumpb20.00021440ERLANG (meandump (2) / 3,3,9)PUSH to bufferb2Dumpb30.00031440ERLANG (meandump (3) / 3,3,10)PUSH to bufferb3Dumpb40.00041440ERLANG (meandump (4) / 3,3,11)PUSH to bufferb4Dumpb50.00051440ERLANG (meandump (5) / 3,3,12)PUSH to bufferb5Dumpb60.00061440ERLANG

18、(meandump (6) / 3,3,13)PUSH to bufferb6Dumpb70.00071440ERLANG (meandump (7) / 3,3,14)PUSH to bufferb7垃圾名称*一天的分钟数Meandump为通过各小区人数计算出来的变量数组决定垃圾的存放*决定每天各个小区的垃圾依次产生，以便于生产叫车次数。l 运输车辆详细设计表11.7 运输车辆详细设计列表NameUnload speedLoad speedtoDumpcart11210PUSH to corppark(1)Dumpcart21210PUSH to corppark(2)车辆名称空载速度（km

19、/min）实载速度生成时，放入公司停车场的车位l 垃圾箱详细设计设计垃圾放入垃圾箱时的活动，也即每个垃圾箱的“actions on input”中的程序。buffera1.actions on input:IF MOD (NPARTS (buffera1),cartcapacity(1) = 1 CALL dumpcart1, get1, road7_t, 1VSEARCH road0_1, corppark, road1_2, road1_0, road2_3, road3_4, road4_5, road5_6, road6_5, road6_7, road7_t, roadt_7, ro

20、ad1_0, road3_6, road6_3, road7_0, road0_7, road2_1, geta1, geta2, geta3, geta4, geta5, geta6, geta7, getb1, getb2, getb3, getb4, getb5,getb6,getb7ENDIFmoddemanda (1) = MOD (NPARTS (buffera1),cartcapacity(1)程序解释：第一行：判断当buffera1中的垃圾的数量同车辆1的载重量取余为1时，发生ifendif之间的活动；第二行：叫车dumpcart1，该车将在路径get1上装载垃圾，在路径roa

21、d7_t上卸载垃圾，优先级为1；第三行至第五行：在所有路径上搜索车辆dumpcart1；第七行：汇总非整车垃圾的数量，带到buffera2中继续计算并叫车。Buffera2buffera7的actions on input：IF MOD (moddemanda (i-1) + NPARTS (buffera(i),cartcapacity1) = 1 CALL dumpcart1,geta(i),road7_t,0VSEARCH road0_1, corppark, road1_2, road1_0, road2_3, road3_4, road4_5, road5_6, road6_5, r

22、oad6_7, road7_t, roadt_7, road1_0, road3_6, road6_3, road7_0, road0_7, road2_1, geta1, geta2, geta3, geta4, geta5, geta6, geta7, getb1, getb2, getb3, getb4, getb5,getb6,getb7ENDIFmoddemanda (i) = MOD (moddemanda (I-1) + NPARTS (buffera(i),cartcapacity1)i表示本垃圾箱的序号，为2，3，4，5，6，7；第一行：将其上一个垃圾箱的非整车垃圾数量同本垃

23、圾箱中的垃圾数相加，然后与车辆一的载重量取余，当结果为1时，叫车。 垃圾箱bufferb1bufferb7的“actions on input”同垃圾箱buffera1buffera7的“actions on input”处理逻辑完全一样，只需要将buffera改为bufferb、dumpcart1改为dumpcart2、moddemanda改为moddemandb、geta改为getb即可。l 两点间运输路径上的程序设计下面以road2_3为例，加以说明其逻辑流程。其它路径类似，可以在路径的general detail 中的output to中加以查看。IF VEHICLE (road2_3

24、,1) = dumpcart1IF NPARTS (buffera3) 0PUSH to geta3(1)ELSE PUSH to road3_4ENDIFELSEIF VEHICLE (road2_3,1) = dumpcart2IF NPARTS (bufferb3) 0PUSH to getb3ELSE PUSH to road3_4ENDIFELSE WaitENDIF第一行到第六行：决定车辆dumpcart1到达路径road2_3末端时，它的运行路径。如果此时垃圾箱buffera3中有垃圾，则车辆dumpcart1驶向路径geta3，进行垃圾收集（第二行到第四行）；如果垃圾箱buff

25、era3中没有垃圾，则车辆dumpcart1驶向路径road3_4。第七行到第十二行：决定车辆dumpcart2到达路径road2_3末端时，它的运行路径。如果此时垃圾箱bufferb3中有垃圾，则车辆dumpcart2驶向路径getb3，进行垃圾收集（第八行到第十行）；如果垃圾箱bufferb3中没有垃圾，则车辆dumpcart2驶向路径road3_4。 如果是其他情况，等待（第十三行到第十四行）。l 路径get系列的设置在Get系列（Geta1geta7，Getb1getb7）路径中设置车辆的装载（loading）程序和条件，它们的设定以及程序的处理流程基本相同，下面举geta2加以说明。

26、其中装载数量（loadnum）和装载时间(loadtime)在general detail页的actions on front中设定；装载程序和条件在loading detail页中进行设定。General detail页的actions on front程序如下：IF NFREE (dumpcart1) = NPARTS (buffera2) loadnum = NPARTS (buffera2)ELSEloadnum = NFREE (dumpcart1)ENDIFloadtimea (1) = 3 + loadnum / 1000 * loadindexa / laborneedaday

27、loadtimea = dayloadtimea + loadtimea (1)程序解释：第一行至第五行：如果车辆dumpcart1的空余容量NFREE(dumpcart1)不小于垃圾箱buffera2中的垃圾数量，则收集数量loadnum为垃圾箱buffera2中的所有垃圾；否则，收集数量loadnum为车辆的空余容量。第六行：计算本次收集所需的时间loadtimea(1)，它是本次垃圾收集量、随车工作人员数以及收集时间系数的函数。图11.2 路径geta2中的loading详细设计图路径geta2中的loading detail页框的设定如图11.2所示。在选中loading enable

28、d（能够装载）前的复选框后，将会出现该界面上的其他内容。Transfer Mode（装载模式）有三种：if、call、always。我们选择条件模式if，在条件condition:框中输入条件表达式NPARTS(buffera2)0，即当垃圾箱buffera2中的垃圾数量大于零时，能够装载；装载数量等于Quantity to框中的变量loadnum的值；装载的时间需要Time to Load框中的变量loadtimea(1)；装载的源在Input Loading Rule规则中进行设定，为“PULL from buffera2”，从垃圾箱buffera2中收集。l road7_t的设定 车辆每

29、次到达路径road7_t的末端时，都要进行卸载处理，所以对路径road7_t的详细设计项目包括卸载所需的时间，卸载模式等。通过路径road7_t的General detail页的actions on front 中设定卸载所需的时间，程序如下：IF VEHICLE (road7_t,1) = dumpcart1 unloadtime = 3 + 6 * NPARTS (dumpcart1) / 1000 / laborneedadayunloadtimea = dayunloadtimea + unloadtimeELSEunloadtime = 2 + 6 * NPARTS (dumpcar

30、t2) / 1000 / laborneedbdayunloadtimeb = dayunloadtimeb + unloadtimeENDIF程序解释：第一行至第三行，根据函数VEHICLE()的结果，如果到达车辆是dumpcart1，就通过车辆dumpcart1中所装载的垃圾数量NPARTS (dumpcart1)、车辆dumpcart1的随车工作人员数laborneeda来确定卸载时间unloadtime (第二行)，然后统计车辆dumpcart1的总的卸载时间dayunloadtimeb (第三行)。第四行至第七行，否则，也就是到达的车辆是dumpcart2，就通过车辆dumpcart

31、2中所装载的垃圾数量NPARTS (dumpcart2)、车辆dumpcart2的随车工作人员数laborneedb来确定卸载时间unloadtime(第五行)，然后统计车辆dumpcart2的总卸载时间dayunloadtimeb (第六行)。 图11.3是路径road7_t设置中的另一项内容，就是车辆卸载的相关内容。 在选中Unloading Enabled（能够卸载）前的复选框后，该页面上的其他选项将能够被用户设置。卸载模式（Transfer Mode）也有三种模式if、call、always，我们选择模式always，只要车辆到达路径road7_t的末端，就进行卸载活动。卸载数量Qua

32、ntity to 设定为All，就是卸载车辆上的所有垃圾。卸载时间Time to设定为变量unloadtime，决定本次卸载所需要的时间。停车Park设定为公司停车场corppark，决定在当天回收任务完成后，车辆泊放的位置。卸载到什么地方，将由“output unloading rule”中的程序决定，程序为：push to ship，将所有垃圾送出系统。图11.3路径卸载Unloading页框界面11.5.5 数据处理子模块每天车辆完成收集工作完成后，驶向垃圾处理公司停车场停泊时，都将进行一些数据统计和处理活动。这些程序写在路径road7_0的“Actions on Front”中，程序及

33、其说明如下：IF VEHICLE (road7_0,1) = dumpcart1 IF NDemands (dumpcart1) = 0 runtimea (1) = TIMEruntimea (2) = runtimea (2) + 1runtimea (3) = runtimea (1) - 1000 * (runtimea (2) - 1)timecosta = timecosta + timeweigh * (runtimea (3) - 240)daydistance = DISTANCE (dumpcart1) / 10 - lastdaydistancelastdaydistan

34、ce = DISTANCE (dumpcart1) / 10dayunloadtimea = 0dayloadtimeb = 0ENDIFELSEIF VEHICLE (road7_0,1) = dumpcart2 IF NDemands (dumpcart2) = 0 runtimeb (1) = TIMEruntimeb (2) = runtimeb (2) + 1runtimeb (3) = runtimeb (1) - 1000 * (runtimeb (2) - 1)timecostb = timecostb + timeweigh * (runtimeb (3) - 240)day

35、distancea = DISTANCE (dumpcart2) / 10 - lastdaydistancealastdaydistancea = DISTANCE (dumpcart2) / 10dayunloadtimeb = 0dayloadtimeb = 0ENDIFENDIFFOR num = 1 TO 4IF VEHICLE (road7_0,1) = dumpcart1 roadchoicea (num) = 0ELSEIF VEHICLE (road7_0,1) = dumpcart2 roadchoiceb (num) = 0ENDIFNEXT程序解释：第一行至第十一行，如

36、果即将停泊的车辆是dumpcart1，同时系统此时对车辆dumpcart1的需求是零（第三行）；先统计车辆dumpcart1在当天收集工作的完成时间，并判断是否超过了12点，然后计算当天的时间惩罚成本timecost(第三至第六行)；统计车辆的运行距离(第七至第八行)；对两个变量置零（第九至第十行）。第十二行至第二十二行，统计如果即将停泊的车辆是dumpcart2的一些数据，解释同dumpcart1一样。第二十四行至第三十行，对路径选择变量数组置零。11.5.6 目标函数objfun()中的程序sumcost = 0 !统计总费用的变量置零sumcost = initialcosta + in

37、itialcostb + sumcost ！将车辆的购置成本加到总费用变量中sumcost = (laborneedb + laborneeda) * 60 * (runtimea (2) + 1) + sumcost!将工作人员工资添加到总费用变量sumcost = DISTANCE (dumpcart001) / 10 * permilecosta + DISTANCE (dumpcart002) / 10 * permilecostb + sumcost!将车辆的运行费用添加到总费用变量sumcost = timecosta + timecostb + sumcost！将时间惩罚成本添加

38、到总费用变量RETURN sumcost !返回变量sumcost给目标函数11.6 仿真运行与结果分析我们现在采用如表11.8所示的两种配置，来运行该仿真模型，仿真时间为一年（即365*1440分钟）。表11.8 两种配置方案的异样数据表 项目方案车辆名称载重量（吨）随车人员（人）时间惩罚因子方案一Dumpcart(1)312Dumpcart(2)1.512方案二Dumpcart(1)532Dumpcart(2)2.532其它的元素与数值在两个方案中的值完全相同，参见前面的表格。通过仿真运行后得到统计数据如表11.9。表11.9 垃圾回收仿真系统报表方案运行距离km运行时间h时间成本万元收集

39、时间h卸载时间h可变成本万元固定成本万元人员工资万元总成本万元总成本万元一Dumpcart(1)73691231010.274440722.152.239.566.3Dumpcart(2)7433622639.681321711.23.82.226.8二Dumpcart(1)546571366-1.134215727.376.639.863Dumpcart(2)544891292-23328613.656.623.2 为了更清晰的比较两种方案的成本参数，将上表的数据绘制成直方图，如图11.4所示。图11.4 两种方案的成本参数比较图从成本数据比较图上可以看出，当采用方案二时，车辆吨位数和随车人员的增加，使得固定成本、人员工资都比方案一要大；同时，回收速度要比方案一快的多，使得可变成本和居民满意度较高；时间惩罚成本低于零，即取得了很好的市场评价和公司品牌效应。在这两种方案下，每年方案二的物流成本比方案一要少3.3万元。图11.5 两种方案的运行参数比较图从运行参数比较图上可以看出，两种方案的物流成本差异收集时间、卸载时间、运行时间、运行距离的差异引起的。由于方案一的车辆吨位和随车人员都比方案二要少，所以同是收集等量垃圾，它的收集时间和卸载时间都比方案二长，它的收集次数要比方案二多，即运行距离比方案二长。