基于智能校園垃圾分類回收系統(tǒng)的路徑優(yōu)化研究
——以肇慶學(xué)院為例

馬 俊，張繼琨

(1.肇慶學(xué)院，廣東 肇慶 526000；2.內(nèi)蒙古克什克騰旗交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，內(nèi)蒙古 克什克騰旗 025350)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，人員聚集帶來(lái)了城市的活力與欣欣向榮，也使垃圾數(shù)量急劇增加，如何高效的處理垃圾已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題。學(xué)校是城市的重要組成單元，當(dāng)前校園垃圾的處理方式仍是傳統(tǒng)方式，由人工分區(qū)域進(jìn)行處理，再由垃圾車在垃圾集中點(diǎn)清運(yùn)。目前我國(guó)已有46個(gè)城市成為垃圾分類的試點(diǎn)城市，垃圾分類是垃圾處理的未來(lái)趨勢(shì)，在這種大趨勢(shì)下，校園垃圾由人工分區(qū)域處理將垃圾運(yùn)送到校園垃圾集中點(diǎn)再由垃圾車統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)膫鹘y(tǒng)模式難以實(shí)行，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法預(yù)知垃圾桶的狀態(tài)，可能存在垃圾溢出造成二次污染。由此，有必要建立一個(gè)校園垃圾箱與校園垃圾回收中心、校園垃圾回收車之間的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)校園內(nèi)各垃圾箱填充狀態(tài)，并根據(jù)需要調(diào)動(dòng)校園垃圾處理車以最優(yōu)路線對(duì)需要清理的垃圾箱進(jìn)行清運(yùn)。在此系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)每次清運(yùn)的最高效率是本文需要研究的內(nèi)容。

2 校園垃圾分類回收管理系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)功能分析

在分析校園垃圾分類回收系統(tǒng)的基本需求后，確定該系統(tǒng)需要具備以下幾個(gè)基本功能。

2.1.1 垃圾箱的自檢功能

校園垃圾箱應(yīng)該具有監(jiān)測(cè)自身容量是否充滿的功能，垃圾箱設(shè)置兩個(gè)閾值，當(dāng)容量達(dá)到第一閾值時(shí)向校園垃圾回收中心發(fā)送信息，請(qǐng)求清運(yùn)，當(dāng)達(dá)到第二閾值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉垃圾投放口直到垃圾清運(yùn)車到來(lái)再次開(kāi)啟，防止由于垃圾溢出產(chǎn)生二次污染。

2.1.2 定位功能

垃圾箱與垃圾清運(yùn)車?yán)帽倍废到y(tǒng)進(jìn)行定位，將位置信息發(fā)給校園垃圾回收中心，由回收中心通過(guò)計(jì)算確定最優(yōu)路徑。垃圾清運(yùn)車由北斗系統(tǒng)導(dǎo)航根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算得到的最優(yōu)清理順序開(kāi)始對(duì)需要清運(yùn)的垃圾箱逐一清理[1]。

2.1.3 通訊功能

通過(guò)垃圾箱與校園垃圾回收中心的通信，匯報(bào)自身狀態(tài)。利用垃圾車與校園垃圾回收中心的通信，接收校園垃圾回收中心發(fā)來(lái)的清理信息以及清理路徑，匯報(bào)自身的行駛路徑，運(yùn)行狀態(tài)。垃圾箱與垃圾車之間的通訊，當(dāng)垃圾車到達(dá)垃圾箱處時(shí)，發(fā)出到達(dá)信號(hào)，垃圾箱切換到打開(kāi)模式，便于垃圾傾倒[2]。

2.1.4 校園垃圾回收中心的數(shù)據(jù)處理以及控制功能

校園垃圾回收中心在接收到垃圾箱發(fā)出的清理信息后，根據(jù)垃圾箱所處地點(diǎn)計(jì)算出最優(yōu)路徑，將計(jì)算好的路徑發(fā)送給需要前往清理的垃圾車。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，校園垃圾分類回收管理系統(tǒng)主要由三部分組成：校園垃圾清運(yùn)車(北斗模塊、通訊模塊、避障模塊、機(jī)械模塊、顏色識(shí)別模塊)，校園垃圾箱(北斗模塊、通訊模塊、自檢模塊、機(jī)械模塊)和校園垃圾回收中心(數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊)。

圖1 校園垃圾分類回收管理系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中不同類型的垃圾投放的垃圾箱對(duì)應(yīng)的顏色不同，垃圾箱在檢測(cè)到自身容量達(dá)到第一閾值時(shí)，啟動(dòng)通訊模塊向校園垃圾回收中心報(bào)告自己的位置，垃圾類型等信息。校園垃圾回收中心在接收到垃圾箱發(fā)出信息后通過(guò)數(shù)據(jù)已處理模塊判斷需要清理的同類型垃圾箱是否達(dá)到設(shè)定的統(tǒng)一清理最低值，如果低于這一值，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，直到需要清理的同類型垃圾箱達(dá)到統(tǒng)一清理的最低值，垃圾回收中心數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出垃圾車最佳清運(yùn)順序，由通信模塊將清理信息以及路徑信息發(fā)送給相應(yīng)的垃圾車。校園垃圾清運(yùn)車在收到信息后其狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行中，不再接受新的調(diào)度，而后利用導(dǎo)航模塊以及避障模塊按照回收中心設(shè)定的路線，到達(dá)需要清理的垃圾箱處，利用通訊模塊與垃圾箱通信，垃圾箱在接收到信息后打開(kāi)垃圾投放口封閉裝置，垃圾車進(jìn)行清運(yùn)。將所有待清理垃圾箱清理完畢之后，校園垃圾清運(yùn)車回到垃圾回收中心，將垃圾傾倒入對(duì)應(yīng)顏色的垃圾回收箱內(nèi)，再回到初始位置，這時(shí)此垃圾清運(yùn)車的狀態(tài)變?yōu)榭烧{(diào)度，進(jìn)入待命狀態(tài)。

3 垃圾分類回收管理系統(tǒng)最優(yōu)路徑的實(shí)現(xiàn)與仿真優(yōu)化

3.1 螞蟻算法實(shí)現(xiàn)校園垃圾回收路徑的優(yōu)化

垃圾分類回收管理系統(tǒng)的重要組成部分就是工作路徑的優(yōu)化，當(dāng)不同類型的垃圾桶達(dá)到第一個(gè)溢滿提醒值時(shí)，校園垃圾回收中心的數(shù)據(jù)模塊開(kāi)始判斷溢滿垃圾桶是否達(dá)到可以派出垃圾清理車進(jìn)行清理的最低限度。若還未達(dá)到，則垃圾桶繼續(xù)等待垃圾到達(dá)第二個(gè)溢滿限度，自己關(guān)閉垃圾桶投放口。等待同類型溢滿垃圾桶達(dá)到可實(shí)施清理的最低數(shù)量，校園垃圾回收中心派出相應(yīng)的垃圾回收車輛，沿計(jì)算得出的最優(yōu)路徑進(jìn)行清理。本文采用蟻群算法對(duì)垃圾清運(yùn)路線進(jìn)行優(yōu)化。蟻群算法是一種模擬螞蟻覓食過(guò)程的算法。校園垃圾回收車的工作路徑類似于蟻群算法中TSP問(wèn)題的求解[3]。問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是：一輛垃圾回收車要去n個(gè)溢滿待清理的垃圾桶處回收垃圾，如何使得訪問(wèn)所有垃圾桶的總路徑最短。

設(shè)整個(gè)螞蟻群體中螞蟻的數(shù)量為m，城市的數(shù)量為n，城市i與城市j之間的距離為dij(i,j=1,2,…,)，t時(shí)刻城市i與城市j連接路徑上的信息素濃度為τij(t)。初始時(shí)刻，個(gè)城市見(jiàn)連接路徑上的信息濃度相同，設(shè)為τij(t)=τ0。

(1)

針對(duì)螞蟻釋放信息素的問(wèn)題，學(xué)者給出了多種計(jì)算模型，針對(duì)本文所討論問(wèn)題要計(jì)算校園垃圾回收車遍歷所有待清理垃圾桶總路徑的最短長(zhǎng)度，選擇最適合的ant cycle system模型。此模型利用螞蟻經(jīng)過(guò)路徑的整體信息計(jì)算釋放信息素濃度，最適合本文所描述問(wèn)題。

(2)

圖2是利用螞蟻算法原理解決TSP問(wèn)題的具體迭代步驟。

圖2 蟻群算法的迭代步驟

3.2 建立仿真環(huán)境

分析肇慶學(xué)院主校區(qū)現(xiàn)有垃圾桶布置的情況下，建立肇慶學(xué)院分類垃圾桶放置位置圖，對(duì)各個(gè)垃圾桶位置進(jìn)行標(biāo)號(hào)，建立垃圾桶位置矩陣。利用MATLAB作為仿真平臺(tái)[5]，對(duì)校園垃圾清運(yùn)路線順序進(jìn)行優(yōu)化，每次需要清運(yùn)的垃圾桶數(shù)量、位置不一樣，仿真得到的優(yōu)化后的清運(yùn)路線也不同。因此在每一次清運(yùn)時(shí)，校園垃圾分類回收控制中心都需要根據(jù)反饋的需要清運(yùn)的垃圾桶點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到最優(yōu)清運(yùn)路線。本文隨機(jī)選擇校園內(nèi)31個(gè)垃圾桶位置如圖3所示，模擬當(dāng)這31個(gè)垃圾桶位置點(diǎn)需要清運(yùn)時(shí)，校園垃圾分類回收中心數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。

圖3 仿真中選擇的需要清運(yùn)垃圾桶位置布置

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)?shù)?0多次的時(shí)候，最短距離開(kāi)始保持不變。由仿真實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)選中的肇慶學(xué)院校內(nèi)的31個(gè)垃圾桶需要清理時(shí)，最優(yōu)的清運(yùn)順序如圖4所示，清運(yùn)路程大約4871 m。對(duì)于傳統(tǒng)的清運(yùn)方式，能做到的最大優(yōu)化就是計(jì)算出各垃圾桶之間的最短路，然后清運(yùn)車輛按照既定的路線進(jìn)行清運(yùn)。這種方式只考慮到空間上的最短距離，但是在時(shí)間上不一定是最短。

圖4 螞蟻算法最優(yōu)路徑

3.4 優(yōu)化的螞蟻算法進(jìn)行路徑規(guī)劃

為了使清運(yùn)路線在時(shí)間和空間上都能達(dá)到最短，且不影響高峰期時(shí)，人流的正常運(yùn)動(dòng)，本文對(duì)傳統(tǒng)的螞蟻算法進(jìn)行了優(yōu)化?？紤]到學(xué)校的特殊情況，存在下課、下課、放學(xué)等人流高峰期，且這個(gè)高峰期具有規(guī)律性，本文建立了兩個(gè)垃圾桶之間的距離矩陣，上課期間道路暢通，建立距離矩陣1。在下課期間，第一教學(xué)樓、第二教學(xué)樓，圖書(shū)館之間的人流尤其密集，因此，在這段時(shí)間內(nèi)將海榕路上三個(gè)地點(diǎn)之間共同路段設(shè)為垃圾清運(yùn)車禁止通行路段，由于這樣的限制條件，各個(gè)垃圾桶之間的距離發(fā)生變化，建立人流高峰期距離矩陣2。數(shù)據(jù)中心在收到垃圾桶需要清運(yùn)的信息時(shí)，處理步驟如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心工作流程

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有校園垃圾清理效率低下且難以適應(yīng)勢(shì)在必行的垃圾分類回收模式的問(wèn)題，本文從物聯(lián)網(wǎng)角度出發(fā)提出一種將垃圾箱、垃圾清運(yùn)車、數(shù)據(jù)處理中心組合成一個(gè)小型物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)想。結(jié)合學(xué)校上課下課期間會(huì)存在規(guī)律的人流高峰情況，提出建立人流平峰和高峰兩種距離矩陣，利用螞蟻算法對(duì)垃圾清運(yùn)路線進(jìn)行了優(yōu)化，為未來(lái)校園垃圾回收車的路徑規(guī)劃提出了一種可行的規(guī)劃思路。