Введение
Управление твердыми коммунальными отходами (ТКО) является одной из наиболее сложных проблем из-за отсутствия достоверных данных хранению, сбору, транспортировке, разделению, переработке и захоронению. Существует положительная взаимосвязь, в которой отходы образуются прямо пропорционально уровню экономического процветания и достигнутому уровню промышленного роста. Состав отходов становится более сложным (широкое распространение получили пластиковые и электронные потребительские товары). Такая тенденция усложняет управление отходами. Стратегия управления ТКО, их состав и количество зависят от культурных, климатических и социально-экономических характеристик региона. Основные проблемы управления ТКО включают интеграцию управления ТКО в развивающихся и промышленно развитых городах, увеличение и стандартизацию сбора и анализа данных о количестве и видах ТКО, которые имеют тенденцию к усложнению [1–3]. В США разработана стратегия иерархического ранжирования управления отходами. При этом иерархия управления отходами состоит из четырех уровней [4]. Европейский союз ввел пятиступенчатую иерархию управления отходами (предотвращение, подготовка к повторному использованию, повторное использование, рециркуляция, утилизация) в которой иерархия управления отходами представлена в виде пирамиды и указывает на порядок предпочтения действий по управлению отходами [5]. Усовершенствованной версией такой иерархии является иерархия управления отходами «Три R»: сокращение отходов (reduse), включающее их предотвращение (preventsion), повторное использование (reuse), переработка (recycle). Целью такого иерархического управления отходами является нулевое количество отходов для захоронения на полигоне или для сжигания. Произведенные товары и продукты должны производиться и потребляться в соответствии с принципом максимального и оптимального использования [6] (рис. 1). Элементы иерархии «Три R», соответствующие рассматриваемой в данной работе информационной системе сбора и транспортировке ТКО, отмечены на рис. 1 темным цветом.
Рис. 1. Усовершенствованная иерархия «Три R»
Таким образом, вопросы управления ТКО является актуальной. В частности, является актуальным рассмотрения вопросов автоматизации управления ТКО в рамках усовершенствованной иерархии «Три R».
Целью работы является анализ состояния и определение тенденций развития сферы жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), а также разработка методов обоснования выбора и оценки экономической эффективности внедрения программных средств для управления сбором и транспортировкой ТКО. Работа выполнена в рамках специальности 08.00.05.
Объектом исследования является система управления ТКО в рамках управления ЖКХ, в частности, в рамках управления многоквартирными домами (МКД).
Предметом исследования является определение состава модулей информационной системы управления сбором и транспортировкой ТКО.
Математические модели для управления отходами
Принятие решений в управлении сбором и транспортировкой ТКО является сложной проблемой, включающей в себя несколько уровней. Различные компоненты ТКО по-разному влияют на процессы сбора и транспортировки ТКО. Рассмотрим математические модели, которые могут быть использованы в работе программных модулей перспективной информационной системы для управления сбором и транспортировкой ТКО.
В [7] приведены модели для прогнозирования частоты образования ТКО с помощью нейронной сети и множественной линейной регрессии. В [8] для прогнозирования количества ТКО используется оптимизированная многомерная модель Грея. Определен наиболее важный фактор (плотность населения), который оказывает наибольшее влияние на количество ТКО. В [9] демографические показатели используются в качестве входных переменных для прогнозирования количества видов ТКО с помощью регрессионного анализа и анализа временных рядов. В [10] для планирования системы управления ТКО используется смешанное целочисленное линейное программирование с нечеткими случайными ограничениями. В [11] используются целочисленное линейное программирование и смешанное целочисленное программирование для моделирования сценариев управления ТКО. В [12] для управления отходами используется метод линейного программирования с нечетким стохастическим интервалом. В [13] используется нечеткое параметрическое программирование для выбора вида отходов и выбора объектов для их обработки и утилизации (производится распределение ТКО с учетом нечетких значений, характеризующих количество отходов и эксплуатационные возможности объектов по обращению с отходами). В [14, 15] использована мультиагентная модель представления системы управления ТКО. В [16] рассматривается использование генетического алгоритма для минимизации транспортных расходов при выполнении сбора и транспортировки ТКО с учетом технических, экономических и экологических ограничений. В [17] представлены полустатическая и динамическая модель маршрутизации мусоровозов по кратчайшему пути, которая дополнена возможностью использования устройств Интернета вещей.
Использование цифровых технологий в управлении ТКО
Для управления ТКО стали использоваться цифровые технологии (облачные технологии, технология Интернет вещей, нейросети и искусственный интеллект, технология блокчейн). В [15, 18] рассматривается задача управления отходами за счет использования устройств Интернета вещей, устанавливаемых в мусорных контейнерах. С помощью данных, полученных от датчиков, производится минимизация транспортных расходов. В [19] рассмотрено использование плат Arduino с микроконтроллером и модулем GSM и инфракрасных датчиков для определения уровня ТКО в мусорных контейнерах. Реализована интеллектуальная составляющая для управления ТКО (сбор и транспортировка ТКО производится только тогда, когда это необходимо). В [20] рассматривается использование облачных технологий и устройств Интернета вещей, использующих протокол беспроводной связи ZigBee, установленных в мусорных контейнерах для определения уровня отходов в мусорных контейнерах и выдачи водителям мусоровозов сигналов о наполнении мусорных контейнеров. В [21] рассматривается возможность использования мобильного программного приложения для организации сбора некоторых типов ТКО. В [22] предлагается использовать микрокомпьютеры Raspberry Pi и ультразвуковые датчики для измерения уровня отходов в мусорных контейнерах. Данные, характеризующие уровень отходов в мусорных контейнерах, используются для прогнозирования уровня ТКО в контейнерах, а также для динамического формирования маршрутов мусоровозов. В [23] рассматривается использование среды Big Bucket IoT Cloud, в которой интеллектуальные мусорные контейнеры оснащены устройствами Интернета вещей и программным обеспечением с открытым исходным кодом. В [24] показана возможность использования технологий Интернета вещей и технологии блокчейн (интеллектуальных контрактов, децентрализованной автономной организации и собственной криптовалюты) для разработки интеллектуальной системы управления ТКО, использующей для взаимодействия с пользователями системы программного робота Telegram. В [25] рассматривается использование устройств Интернета вещей, взаимодействующих с помощью протокола MQTT, для определения уровня заполнения контейнеров для мусора. Данные о достижении уровнем отходов порогового значения используются для определения оптимального маршрута для сбора ТКО отходов из заполненных контейнеров с использованием формулы Хаверсайна и алгоритма коммивояжера. После этого информация о маршруте для сбора ТКО передается водителям мусоровозов через приложение обмена сообщениями Telegram. В [26] рассматривается интеллектуальная система мониторинга ТКО с использованием технологии Интернета вещей и облачной платформы ThingSpeaki. Данные об уровнях заполнения мусорных контейнеров отправляются уведомления (твиты) в соответствующие органы управления о состоянии мусорных контейнеров. В [27] рассматривается облачная платформа WasteIQ, которая обеспечивает взаимодействие CRM-системы, ERP-системы, а также различного программного обеспечения, подключенного к инфраструктуре сбора отходов с помощью программных интерфейсов для обмена данными.
Таким образом, перспективная информационная система по управлению сбором и транспортировкой ТКО представляет собой совокупность программных модулей, позволяющих использовать умные контейнеры, которые в режиме реального времени передают данные о своём состоянии и расположении на сервер, расположенный в организации по сбору и транспортировке отходов или в облаке. При этом данные, полученные от контейнеров, используются для прогнозирования состава и количества отходов, а также для определения оптимальных маршрутов мусоровозов для сборки отходов. Также типовое решение должно предоставлять возможность работы с мобильным приложением, в том числе, для доведения маршрутов движения водителям мусоровозов
Параметры, характеризующие сбор и транспортировку твердых коммунальных отходов
В качестве источника отходов рассматриваются организации по управлению МКД, входящие в состав массива ORG = {org(io); io = 1, 2, …, IO}, где IO – количество организаций, генерирующих отходы. Каждая io-я организация в течение фиксированного интервала времени генерирует отходы iw-го вида (элемент w(io, iw) матрицы W, iw = 0 – ТКО в смешанном виде, iw ≠ 0 – раздельно собираемые отходы iw-го вида). Окончание такого интервала времени является началом цикла работ по сбору и транспортировке ТКО. При этом
W = {w(io, iw); iw = 0, 1, 2, …, IW; io = 1, 2, …, IO},
где IW – количество видов отходов.
Общее количество отходов, сгенерированных всеми организациями, равно
Для прогнозирования количества и вида отходов, сгенерированных организациями по управлению МКД, могут быть использованы положения, лежащие в основе математических моделей, приведенных в [7–9].
Для сбора отходов используются «умные» контейнеры, предназначенные как для смешанного, так и для раздельного сбора отходов. По аналогии с [27] может быть KT типов контейнеров («умные» вакуумные контейнеры, «умные» подземные контейнеры, обычные «умные» наземные контейнеры), на которых установлены датчики, фиксирующие уровень отходов в контейнере. Для iw-го вида ТКО используются K(iw) мусорных контейнеров K(iw) = J(1, iw) + + J(2, iw) + …+ J(KT, iw), где J(k, iw), количество контейнеров k-го типа для раздельного сбора iw-го вида ТКО. Отходы iw-го вида, поступившие от io-й организации, размещаются в одном или нескольких контейнерах k-го типа для iw-го вида ТКО. Таким образом:
w(io, iw) = kn(io, iw, 1) + kn(io, iw, 2) + … + kn(io, iw, KT);
kn(io, iw, k) = kr(io, iw, k, 1) + kr(io, iw, k, 2) + … + kr(io, iw, k, J(iw, k));
где kn(io, iw, k), kr(io, iw, k, j) – соответственно количество отходов iw-го вида, которые io-я организация размещает в контейнерах k-го типа, и количество отходов iw-го вида, которые io-я организация размещает в j-м контейнере k-го типа.
Общее количество отходов, загруженных в контейнеры, равно
Цикл загрузки сгенерированных отходов в контейнеры завершается при WS = WG.
Для сбора и транспортировки ТКО используются MR мусоровозов. При этом для транспортировки отходов iw-го вида используется M(iw) мусоровозов. Количество ТКО iw-го вида, загруженных в m-й мусоровоз из контейнеров, равно WR(iw, m). В m-й мусоровоз для ТКО iw-го вида загрузка ТКО может производиться из одного или нескольких контейнеров различных типов:
WR(iw, m) = mr(iw, m, 1) + mr(iw, m, 2) +
+ … + mr(iw, m, KT);
mr(iw, m, k) = r(iw, m, k, 1) + r(iw, m, k, 2)) +
+ …+ r(iw, m, k, J(k, iw)),
где mr(iw, m, k), r(iw, m, k, j) – количество ТКО iw-го вида, загружаемых в m-й мусоровоз из мусорных контейнеров t-го типа, и количество ТКО iw-го вида, загружаемых в m-й мусоровоз, из j-го мусорного контейнера k-го типа.
Общее количество перевозимых ТКО равно
Цикл загрузки отходов в контейнеры завершается при WP = WS.
Контейнеры и мусоровозы характеризуется значениями параметров, отображающими местоположение (координаты). Каждый контейнер характеризуется уровнем заполнения ТКО. Каждый мусоровоз характеризуется остатком горючего и максимальным количеством ТКО, которое может быть загружено. Таким образом:
KP(iw, k, j), KL(iw, k, j) – местоположение j-го контейнера k-го типа для сбора ТКО iw-го вида, а также уровень заполнения j-го контейнера k-го типа для сбора ТКО iw-го вида;
MP(iw, m), MF(iw, m), MM(iw, m) – местоположение m-го мусоровоза для сбора и транспортировки отходов iw-го вида, остатки горючего в m-м мусоровозе, а также максимальное количество ТКО iw-го вида, которое может быть загружено в m-й мусоровоз.
Параметры, характеризующие мусорные контейнеры, входят в состав множества
KF = {kn(iw, io, k), KP(iw, k, j), KL(iw, k, j);
w = 1, 2, …, IW; k = 1, 2, …, KT;
j = 1, 2,…, J(k, iw)}.
Параметры, характеризующие работу мусоровозов по сбору и транспортировке ТКО, входят в состав множества ST:
ST = {WMR(iw, m), MP(iw, m);
iw = 1,2, …, IW; m = 1, 2, …, M(iw)}.
Ограничения, накладываемые на работу мусоровозов, входят в состав множества
DR = {MP(iw, m), MF(iw, m), MM(iw, m);
iw = 1,2, …, IW; m = 1, 2, …, M(iw)}.
Выгрузка отходов из мусоровозов производится на PP предприятий, осуществляющих сортировку отходов. Отсортированные отходы в соответствии с рис. 1 могут направляться на повторное использование, на переработку, на утилизацию на полигоне и на сжигание. Количество ТКО iw-го вида, выгруженных на pp-е предприятие:
WW(pp) = ZW(pp, 0) + ZW(pp, 1) +
+ ZW(pp, 2) + … ZW(pp, IW),
ZW(pp, iw) = s(pp, iw, 1) + s(pp, iw, 2) + … s(pp, iw, M(iw)),
ZW(pp, iw), s(pp, iw, m) – количество отходов iw-го вида, выгруженных из мусоровозов на pp-е сортировочное предприятие, и количество отходов iw-го вида, а также количество ТКО iw-го вида, выгружаемые на pp-е сортировочное предприятие из m-го мусоровоза. Количество ТКО всех видов, выгруженных из мусоровозов на сортировочные предприятия:
Цикл сбора и транспортировки ТКО завершается при WT = WP. После окончания очередного цикла сбора и транспортировки ТКО, который продолжается в течение промежутка времени Δt, производится запись значения WT в элемент cw(u) множества CW = {cw(u); u = 1, 2, …U}. После этого при необходимости происходит переход к следующему циклу сбора и транспортировки ТКО.
Каждое сортировочное предприятие характеризуется местоположением SP(pp), где pp = 1, 2, …, PP. Также сортировочное предприятие имеет ограничение на максимальное количество ТКО iw-го вида, которое может принять в текущий момент времени: WW(pp, iw) ≤ WWmax (pp, iw). Выгрузка ТКО на сортировочное предприятие может производиться из одного или нескольких мусоровозов с учетом указанных ограничений. Параметры, характеризующие работу сортировочных предприятий, входят в состав множества SR = {SP(pp), WWmax (pp, iw); pp = 1, 2, …, PP; iw = 1,2, …, IW}.
Для управления сбором ТКО и их транспортировкой могут быть использованы положения, лежащие в основе математических моделей, приведенных в [10–14].
Каждый мусоровоз движется по назначенному маршруту для сбора ТКО из контейнеров и их транспортировки отходов на сортировочные предприятия. Маршрут каждого мусоровоза зависит от следующих параметров:
вид ТКО, для транспортировки которого предназначен мусоровоз;
местоположения мусоровоза, контейнеров и сортировочных предприятий;
уровень заполнения контейнеров;
запас горючего в мусоровозе;
максимальное количество ТКО, которое может быть загружено в мусоровоз;
ограничения на количество ТКО различных видов, которые может принять сортировочное предприятие в текущий момент времени.
Для каждого m-го мусоровоза, предназначенного для перевозки iw-го вид ТКО, с учетом приведенных выше параметров строится Z(iw, m) вариантов маршрутов RR(iw, m, z) с учетом различной последовательности объезда контейнеров и предприятий, сортирующих ТКО. При этом количество Z(iw, m) маршрутов для каждого мусоровоза может отличаться.
RR(iw, m, z) = FR(KP(iw, k, j), KL(iw, kt, j),
MP(iw, m), MF(iw, m),
MM(iw, m), SP(pp), WWmax (pp, iw), z),
где k = 1, 2, …, KT; m = 1, 2, …, M(iw); pp = 1, 2, …, PP; z = 1, 2, …, Z(iw, m);
FR – функция для построения маршрутов движения мусоровозов, собирающих и транспортирующих ТКО на сортирующие предприятия;
z – номер маршрута мусоровоза;
Z(iw, m) – количество маршрутов, построенных для m-го мусоровоза собирающего и транспортирующих iw-й вид ТКО.
В качестве функции FR в программных модулях могут быть использованы подходы, которые приведены в [16, 17]. Маршруты мусоровозов являются элементами множества RT:
RT = {RR(iw, m, z); iw = 1,2, …, IW;
m = 1, 2, …, M(iw);
z = 1, 2, …, Z(iw, m)}.
Каждому маршруту мусоровоза соответствует стоимость сбора и транспортировки ТКО на сортировочные предприятия. P(iw): {RR(iw, m, z)}> {PS(iw, m, z)}, где PAY(iw) – функция, преобразующая маршруты мусоровозов, перевозящих отходы iw-го вида, в затраты на сбор и транспортировку ТКО.
Постановка задачи
Дано:
1. Массив ORG. Матрица W.
2. Множества KF, ST, DR, RT, SR.
3. Функции PAY(iw), iw = 1,2, …, IW.
Требуется определить:
Набор программных модулей PM = {pm(1), pm(2), …, pm(P)}, позволяющий определить комбинацию маршрутов мусоровозов R*, которой соответствуют минимальные затраты MNP на сбор и транспортировку для сбора и транспортировки ТКО:
PM: (ORG, W, KF, ST, DR, RT, SR, PAY(iw)) > MNP,
R* = {RTR(iw, m, z*(iw, m));
iw = 1,2, …, IW; m = 1, 2, …, M(iw)},
MNP = P(1)(R*) + P(2)(R*) + … + P(IW)(R*),
z*(iw, m) – номер маршрута для множества R*, выбранный из числа Z(iw, M(iw)) маршрутов m-го мусоровоза для сбора и транспортировки ТКО iw-го вида.
Программные модули, входящие в состав информационной системы для сбора и транспортировки твердых коммунальных отходов, и их взаимодействие
Для управления сбором и транспортировкой ТКО необходимы следующие программные модули:
1. Программный модуль GEN, предназначенный для ввода массива ORG и матрицы W, а также для определения количества сгенерированных отходов WG.
2. Программный модуль WCONT для учета загрузки количества сгенерированных отходов в мусорные контейнеры различного типа с учетом их уровня заполнения, а также для определения количества ТКО, закруженных в мусорные контейнеры WS.
3. Программный модуль GTRCONT для определения количества ТКО, загруженных в мусоровозы WP.
4. Программный модуль GTR для учета и уточнения ограничений на загрузку и движение мусоровозов.
5. Программный модуль RESSORT для учета и уточнения ограничений на выгрузку ТКО из мусоровозов на сортировочные предприятия.
6. Программный модуль ROUTGTR для определения набора маршрутов для каждого мусоровоза.
7. Программный модуль ROUTOPT для определения набора маршрутов мусоровозов R*, которому соответствует MNP.
8. Программный модуль DRIVERGTR для доведения маршрутов до водителей мусоровозов.
9. Программный модуль GTRSORT для определения WT – количества ТКО, выгруженных из мусоровозов на предприятия, занимающиеся сортировкой отходов.
10. Программный модуль CYCLE для подготовки информационной системы к новому циклу сбора и транспортировки отходов.
Взаимодействие программных модулей, входящих в набор PM, происходит в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 2.
Рис. 2. Порядок взаимодействия программных модулей информационной системы сбора и транспортировки ТКО
Таким образом, использование набора программных модулей PM позволяет достичь баланса количества сгенерированных отходов, отходов, загруженных в мусорные контейнеры, отходов, перевозимых мусоровозами, и отходами, размещенными на сортировку. При этом достигаются минимальные затраты MNP для сбора и транспортировки отходов. В случае окончания процесса сбора и транспортировки отходов остается архив количества отходов в виде множества CW.
Использование набора программных средств для достижения минимальных затрат MNP на сбор и транспортировку ТКО позволяет снизить общие расходы организаций в сфере ЖКХ на величину ΔXТКО. При этом ΔXТКО = XPM – X, где X – затраты на сбор и транспортировку ТКО без использования набора программных модулей, а XPM – затраты на сбор и транспортировку ТКО с использование набора программных модулей. В состав расходов организаций в сфере ЖКХ на сбор и транспортировку ТКО входят затраты:
на работу с мусоровозами (техническое обслуживание, организацию аренды мусоровозов, а также оплата труда водителей мусоровозов) и на топливо, затрачиваемое мусоровозами в процессе сбора и транспортировки ТКО;
на содержание мусорных контейнеров и оплату труда сотрудников, обслуживающих мусорные контейнеры;
на зарплаты сотрудников организаций в сфере ЖКХ, задействованных в организации сбора и транспортировки ТКО (подготовка документов, осуществление доведения информации до водителей и до сотрудников, обслуживающих мусорные контейнеры);
на обслуживание набора программных модулей (в случае его использования).
Экономический эффект (положительное значение ΔXТКО) достигается в результате того, что в результате определения оптимальных маршрутов движения мусоровозов R* и соответствующего MNP достигается экономия расходов на топливо для мусоровозов (значение ΔXтопл) и работу с ними (значение ΔXРабМус). Кроме этого уменьшаются затраты на зарплаты сотрудников, задействованных в организации сбора и транспортировки ТКО (значение ΔXсотр). При этом при внедрении набора программных модулей появляются дополнительные затраты на его обслуживание (значение ΔXPM). Также в случае использования «умных» мусорных контейнеров могут возрасти затраты на содержание мусорных контейнеров и оплату труда сотрудников, обслуживающих мусорные контейнеры (значение ΔXконт). В работе предполагается, что количество мусоровозов и количество мусорных контейнеров при внедрении набора программных модулей не меняется. Таким образом
ΔXТКО > 0,
если
|ΔXтопл + ΔXсотр + ΔXРабМус| – ΔXPM – ΔXконт > 0.
Использование рассматриваемого в статье набора программных модулей может снизить на 15-20 % расходы организаций по управлению МКД на сбор и транспортировку ТКО. При этом экономический эффект достижим лишь для тех организаций по управлению МКД, уровень готовности которых к автоматизации [28] соответствует внедрению набора программных модулей. В противном случае внедрение набора программных модулей будет экономически невыгодным.
Заключение
В результате исследований, проведенных в данной работе, получены следующие результаты:
1. Рассмотрены математические модели для прогнозирования вида и количества ТКО.
2. Проведен анализ использования облачных информационных технологий и технологии Интернета вещей в составе информационных систем в управлении ТКО.
3. Проанализированы параметры, характеризующие сбор и транспортировку ТКО.
4. Обоснован состав набора программных модулей, входящих в состав информационной системы для сбора и транспортировки ТКО. Разработан алгоритм взаимодействия программных модулей.
5. Сформулированы условия, при которых внедрение набора программных модулей будет экономически эффективным для организаций по управлению МКД. В случае внедрения набора программных модулей в организациях по управлению МКД, уровень готовности которых к автоматизации не менее требуемого, снижение затрат на сбор и транспортировку ТКО может достигать 15-20 %.