“双碳”政策背景下垃圾收运系统的路径优化与碳核算模型体系

“双碳”政策背景下垃圾收运系统的路径优化与碳核算模型体系

马骁腾

天津市城市规划设计研究总院有限公司 天津市 300190

摘要：当前我国正在加快实现生产生活方式绿色变革，加快“碳达峰、碳中和”政策的落地实施，力争在2030年前达到碳达峰，2060年前达到碳中和，在此背景下进行的经济发展方式转型升级方兴未艾；同时为实现人口资源环境协调发展的“无废城市”政策在全国的广泛推广，“垃圾分类、循环经济”等绿色发展概念已深入人心。生活垃圾收运系统包含收集和转运车辆、转运站设施等，运行过程消耗汽柴油、电等能源，是城市温室气体排放源之一，之前对于传统收运模式成本、时间等要素的路径优化数学模型研究已十分深入。本文将探讨新形势下，建立与分类收运、新能源车辆、碳排量等新要素耦合的全生命周期碳核算模型新体系，以期为未来环卫收运体系规划提供参考。

关键词：无废城市、垃圾分类、路径优化、碳核算模型、全生命周期分析（LCA）

引言

我国提出了“碳达峰、碳中和”的重大战略决策，以期实现资源高效利用和绿色低碳发展基础上的经济结构转型升级，这将是一次覆盖各领域、各地区、各行业的深刻的“绿色变革”，在今年10月24日国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》中，明确提出了“碳达峰十大行动”，其中“城乡建设碳达峰行动、交通运输绿色低碳行动、循环经济助力降碳行动”赫然在列。

近年来，随着我国城市化的快速发展与市民物质消费能力的日渐提高，城市垃圾量增长迅速，因此产生的城市固体废弃物治污防污挑战十分严峻，加之相关基础设施建设资金、技术研发等投入不足，导致了十分严峻的“垃圾围城”问题[1]。垃圾总量的快速增加、城市居民对生活环境的高标准要求、愈发拥堵的城市交通现状等均使得现有城市垃圾收运体系运行的时间窗口愈发紧张；全国各大试点城市垃圾分类体系的逐步建立要求“不同种类垃圾分开收运”、全国各地方财政预算的压力、国家对碳排放总量的控制要求均导致单纯增加收运车辆的模式必然不现实。因此迫切需要一套综合了垃圾分类、时间窗口、碳排放总量、路径优化、运行成本等多要素的模型体系，为环卫、固废等专项规划编制提供数据库和辅助决策工具。

1.国内外研究进展

1.1 国内外关于收运车辆路径优化的研究进展

对垃圾收运车辆路径优化的研究始于求得载重量有限条件下的能覆盖所有垃圾点位的最佳收运路径[2]；S.Kim等人针对收运时间对生活垃圾处理的影响，研究了带有时间窗口的垃圾收运路径问题，以时间惩罚成本、等待时间最短为目标建模[3]；Masoud等人提出了一个多车型、带隔仓、隔间大小不同、混合开闭的车辆路径模型[4]；针对新兴的电动汽车路径优化问题的研究早在2011年就已经开始[5]；为适应电动车辆载重量、时间窗、行驶里程、充电需求、行驶速度等特性的新变化，建立了以总成本最小为目标的数学模型，并提出了满足动态需求的电动车配送方案实施更新策略[6]。

1.2 国内外关于车辆全生命周期碳排放的研究进展

当前对于EV（电动汽车）、HEV（混合动力汽车）、FCV（燃料电池汽车）及化石能源基燃料驱动的传统ICE（内燃机）汽车等的碳排放量研究已十分深入，目前国际成熟的车用能源技术路线评估方法为“车用燃料/车辆制造的GHG（温室气体）的LCA（全生命周期分析）”，国内外学者较早就开始了研究，并建立起了专门的模型，如GREET和LEM模型，清华大学在此基础上，开发建立了清华大学中国车用能源全生命分析模型-TLCAM：该模型采用中国实际参数数据，建立起包含燃料周期WTW（从矿井到车轮）和车辆周期，囊括资源开采、运输、车辆全产业链生产及报废全周期的模型分析方法[7]。

2.关于现有收运模型研究的不足

当前，针对城市垃圾碳排放量的研究主要集中在末端处置环节，关于生活垃圾收运系统碳排放的定量研究还较为欠缺，尤其是随着新能源车辆在市政环卫领域的大规模运用导致的新时代本土化收运系统数据的欠缺和定量监测的匮乏使得生活垃圾收运系统的建设过程中缺乏相应科学依据和决策支撑，并未建立全生命周期下的结合路径优化、车辆碳排量的收运系统碳排放核算方法。其次，当前生活垃圾收运系统的规划和建设普遍欠缺碳排放等环境影响的考量，也少有从碳排放的角度衡量垃圾分类环境效益的研究。

3.垃圾收运系统模型体系发展的新趋势

3.1 针对新能源垃圾收运车辆的路径模型愈发受关注

正如当前EV（电动汽车）、HEV（混合动力汽车）、FCV（燃料电池汽车）在家用车领域的普及一样，在环卫领域也出现了诸如电动清扫车、电动收运车大行其道的趋势；再如前文所述，垃圾分类收运模式的新要求不能依靠单纯增加环卫营运车辆解决的结论，未来在越来越严苛的碳排放标准和运营成本考量下，采用新能源的具有分隔舱室的垃圾收运车必将迎来广阔的市场前景，在此预测下，现有的结合“时间窗口、运行总成本、行驶里程、总载重量、交通拥堵程度等”要素的路径优化模型亟需进行升级，在此我提出以下几点趋势：首先，在近期环卫车辆必将是传统燃油车与新能源车型混用的状态，两类车辆特性完全不同，因此需要模拟两类车辆在不同条件制约下同时运行的路径优化；其次，针对带隔间的收运车辆，要对隔间大小、收运种类进行不同场景下的分析考量；最后一定要根据城市现状给出适应性强的，能充分体现各要素影响权重的模型，以期为环卫收运体系优化提供有借鉴意义的决策工具。

3.2 针对新能源垃圾收运车辆的碳排放模型愈发受关注

前文所述，当前“车用燃料/车辆制造的GHG（温室气体）的LCA（全生命周期分析）”已经十分成熟，因此在当前控制碳排放总量的大背景下，对于产生大量温室气体的垃圾收运体系进行“碳减排”势在必行，对此需要结合新能源车辆的相关特性，建立新的新能源车辆的数据库，以期更加精准地对体系的碳排量进行估算，目前亟需的是针对两个成熟体系：即路径优化模型、车辆全生命周期分析的精准耦合，以建立新的数据库和模型，更加准确的预测在不同角度考量下的最优解。

4.结语

未来垃圾收运系统的模型一定是针对带时间窗的多车型、多路径的分类收运优化问题，考虑了车型、载重量、时间成本等各项成本支出等情况，考虑了LCA的碳排放总量，从而确立以总运行成本最小或环境效益（GHG排放）最佳为目标的数学模型，并能从多个角度进行方案比选的决策模型。对于政府而言，建立这样一个模型作为辅助决策工具，既能提高垃圾分类收运比例，促进资源循环发展；又能降低碳排放总量，提升环境质量。因此未来在此思路上建立的模型必将会发挥重大作用。

[1] LEHMANN S. Urban metabolism and the zero-waste city: transforming cities through sustainable design and behavior change[M]//LINDFIELD M, STEINBERG F, eds. Green Cities. Mandaluyong City, Philippines: Asian Development Bank, 2012: 108-135.

[2] E.J. Beltrami, L.D. Bodin. Networks and vehicle routing for municipal waste collection[J].Networks,1974,4(1):65-94.

[3] Kim B I, Kim S, Sahoo S. Waste collection vehicle routing problem with time windows[J]. Computers & Operations Research, 2006, 33(12):3624-3642.

[4] Masoud Rabbani, Hamed Farrokhi-asl and Hamed Rafiei. A hybrid genetic algorithm for waste collection problem by heterogeneous fleet of vehicles with multiple separated compartments[J]. Journal of intelligent & fuzzy systems. 2016, 30(3):1817-1830.

[5] G. Conrad, M. A. Figliozzi. The Recharging Vehicle Routing Problem[J]. Industrial Engineering Research Conference, 2011:1-8.

[6] 邵赛.纯电动物流车运营特性分析及配送路径优化问题研究[D]. 北京交通大学,2017.

[7] 欧训民, 张希良. 中国车用能源技术路线全生命周期分析[M]. 北京：清华大学出版社, 2011.