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摘要：

針對目前城市固體廢物管理中的主要問題，利用“智慧城市”概念構建了智慧城市固體廢物管理系統。闡述了智慧城市固體廢物管理的概念，分析了智慧城市固體廢物管理系統的需求，運用物聯網等技術構建了智慧城市固體廢物管理系統的體系框架。對系統的主要服務功能進行了設計，并以城市固體廢物運輸路線設計決策為例，介紹智慧城市固體廢物管理系統的應用方法。

關鍵詞：

智慧城市；城市固體廢物管理；智慧城市固體廢物管理系統；物聯網

隨著社會經濟的發展和城市化進程的推進，城市固體廢物產生量迅速增長。2013年，全國城市生活垃圾清運量達17238.6萬噸，一般工業固體廢物產生量327701.94萬噸[1]，危險廢物產生量3156.89萬噸，呈不斷增長趨勢[2]。大量的城市固廢需要及時清理運輸和妥善處理處置，如果對固體廢物進行不適當的管理和處置將導致嚴重的環境污染[3]：（1）通過滲濾液污染地表水和地下水；（2）通過焚燒廢棄物污染土壤；（3）污染空氣；（4）由不同載體傳播疾病；（5）堆填區的臭氣味；（6）厭氧分解釋放出的甲烷。城市固體廢物已成為顯性化社會問題的一部分，成為當今社會的一大挑戰。目前存在的問題主要有：（1）固廢收集和處置點分布不盡合理，固廢難以得到及時清運；（2）固廢系統的實時狀況不能獲取，清運安排與處置缺乏靈活性；（3）固廢系統運行低效，成本較高；（4）信息化水平低，大部分停留于簡單的辦公自動化水平。由IBM于2008年提出的“智慧城市”概念[4]，可被作為解決這類“城市病”的有力手段。“智慧城市”利用新一代信息技術更好地實現城市公共資源高效運營，優化城市資源配置[5]，已在諸多領域得到實踐應用[6][7][8][9]。利用“智慧城市”概念構建城市固體廢物管理系統，即將物聯網（InternetofThings）、云計算（CloudComputing）、虛擬化和大數據（BigData）等技術以“三網融合”構建智慧城市固體廢物管理系統，促進城市固廢產生、運輸和處理整個生命周期智慧地感知、分析、集成和應對，實現管理決策的科學化和高效化，從而以更加精細和動態的方式管理城市固廢，維護良好環境，提高生活質量。

1智慧城市固體廢物管理系統的需求分析

1.1智慧城市固體廢物管理的概念城市固體廢物管理是為了環保、經濟、社會可接受的目標，把固廢流、固廢收集和處理方式有機結合的決策過程。它涵蓋固廢生命周期的各方面，各環節內容復雜、相互聯系，是一個系統性的工程，城市固體廢物管理模型如圖1所示。固廢的生命周期與各種信息要素相關聯，這些關聯要素可歸為三類：環境因素、經濟因素和社會因素。為科學有效地處理好關聯要素之間的關系，智慧城市固體廢物管理需要滿足以下目標：（1）固廢管理的信息化。決策需要信息，城市固廢管理涉及大量、多種、多源的信息，包括以上三類關聯因素的信息。組織相關固廢管理信息并建立集成的信息平臺加以有效利用，實現固廢管理的信息化，是智慧城市固體廢物管理系統的基礎。（2）生活便捷化。城市固廢管理系統的建立應使相關利益者生活更加方便快捷，需要復雜繁冗程序的系統不會被相關利益者接受，從而導致系統運行低效或失敗。（3）環境維護自動化。目前的環境維護過程缺乏互聯互通，信息流通緩慢，導致效率較低。建立的城市固廢管理系統使環境維護信息流通順暢，便于相關的人員準確快速得到有關信息，可以實現環境維護自動化，提高適應性和效率。（4）社會管理自動化。城市固廢管理與固廢生產者、收集者、運輸者、交易者、處理者和周圍居民等人員均密切相關。如何處理這些相關利益者的關系，平衡維護各方權益，提高生活質量，是建立城市固廢管理系統須解決的重要課題。智慧城市固體廢物管理系統是以固廢管理信息化、生活便捷化、環境維護自動化和社會管理自動化為目標，以物聯網、云計算、虛擬化和大數據等新一代信息技術為手段的固廢信息處理中心，目的是實現城市固體廢物管理的智慧運行。

1.2智慧城市固體廢物管理系統的需求良好的城市固體廢物管理需考慮環境、經濟和社會等多因素，盡力滿足多方利益訴求。針對公眾、企業和政府等不同的使用對象，智慧城市固體廢物管理系統主要有以下需求，如表1所示。另外，從系統實施和運行情況角度看，還具有安全、穩定、可靠和經濟等需求。

2智慧城市固體廢物管理系統體系架構

根據智慧城市固體廢物管理系統的建設目標和需求分析，其體系架構如圖2所示。（1）基礎設施層基礎設施層是智慧城市固體廢物管理系統的基礎硬件和軟件運行環境，包含物聯網基礎設施（如GPS、RFID、各種傳感器等）以及服務器、操作系統、數據庫管理系統、網絡硬件和網絡協議等。物聯網基礎設施實現固廢源狀態、固廢轉運站狀態等的感知，獲取固廢生命周期的環境、經濟和社會方面的信息要素內容。（2）虛擬資源層虛擬資源層是利用物聯網、信息物理系統統（Cyber-PhysicalSystem,CPS）、計算系統虛擬化等技術，將基礎設施層中的計算資源、存儲資源、網絡資源等軟硬件資源形成虛擬資源池，降低物理資源和資源應用的強耦合依賴關系，以支持資源的按需使用、高可靠性、高安全性、高可用性和普適性的系統服務環境。（3）數據層數據層作為固廢信息要素內容的存儲倉庫，包括基礎數據、GIS數據、業務邏輯、共享數據以及包含歷史數據和城市固廢管理系統運行數據的數據中心。其中，基礎數據是城市固廢管理系統中的各種屬性數據以及用于相關服務功能的數據，各種屬性數據如固廢源類型、固廢源編號、收運人員信息、收運車輛信息、固廢處理企業信息等，用于相關服務功能的數據如人口數據、經濟數據、收運處理成本、環境影響評價基礎數據等。GIS數據包含系統相關的空間地理信息，如固廢源分布點、收運車實時位置、收運路線等。業務邏輯是系統提供服務的規則和流程，包括領域實體（如固廢收集點、醫療固廢處理企業、熱解氣化焚燒爐等對象）、業務規則、數據完整性規則及工作程序。共享數據是其他信息系統提供的數據，如環保行政部門提供的危險固廢產生企業跨省轉移信息、固體廢物進口數據等。（4）基礎支撐層基礎支撐層為系統的安全性、可靠性和高效性提供保障，通過虛擬資源的建模定義、封裝／注冊／、實例化和部署管理、智能搜索管理等技術實現虛擬資源的合理分配與自適應動態調度，以及提供信息系統的系統管理、應用開發環境、系統集成支持中間件、高性能與高可靠性支持等四項基礎支撐。其中，系統管理包括系統安全管理、網絡管理、監控調度管理及主機系統管理。應用開發環境為應用服務的開發提供軟件開發環境（如Java、.Netframework等）。系統集成支持中間件為分布式應用軟件在不同技術之間共享資源而提供平臺和通信機制（如XML、ODBC、JDBC等），實現分布式應用之間的互連互通與互操作。高性能與高可靠性支持包括用于多目標多約束優化調度的動態優化管理、用于評估服務質量的QoS評價管理以及故障恢復與集群技術等。（5）應用支撐層應用支撐層為智慧城市固廢管理系統的應用軟件提供輔助支撐，簡化應用系統開發過程，提高開發效率，具體包括電子表單、工作流、通信服務、集成管理、即時通信和信息交換等。（6）應用層應用層是系統的核心部分，通過數據交換和執行業務邏輯，實現系統的各種功能，提供包括公共服務、決策支持、指揮調度、經濟核算、執法管理和規劃管理等城市固廢管理系統的多種服務，具體功能分析與設計見第3小節。（7）展現層展現層是通過互聯網、移動客戶端、APP應用等多種媒介為公眾、企業和政府直接展示呈現系統的服務內容。

3智慧城市固體廢物管理系統的服務功能

3.1服務功能智慧城市固體廢物管理系統的主要服務功能如圖3所示，可分為實時監控、基本屬性查詢、輔助決策和經濟核算四個方面。其他功能在此不作詳述，如系統管理、系統權限和安全、相關科普和法規查詢等。（1）實時監控實時監控可以通過RFID、GPS等物聯網基礎設施獲取固廢收集點、收集車、運輸車等城市固體廢物管理系統相關設備的實時狀態，是智慧城市固體廢物管理系統運行的基礎和重要功能。例如，在固廢收集箱貼上RFID標簽，通過RFID讀寫器可快速非接觸地采集該固廢收集箱內的固廢類型、可納固廢量、上次收集時間、處置方式和處置單位等信息；采集的信息可通過Zigbee網絡或GPRS網絡傳送到數據庫或者云端。在固廢收集車和運輸車上安裝GPS可獲取車輛的實時位置、運輸軌跡和運輸時間等信息。通過實時監控，可獲得固廢從產生、運輸、計量、回收、出入站等全程監控和全過程數據資料，可有效防止固廢遺失和不當處置。（2）基本屬性查詢基本屬性查詢用于城市固體廢物管理系統各組成（相關設備、設施、人員等）的基礎信息查詢。（3）輔助決策輔助決策功能幫助城市固體廢物管理系統的管理者科學、高效、低成本地做出相關的決策或為決策者提供參考資料和決策依據。輔助決策以城市固體廢物管理系統底層基礎信息、業務邏輯和數據分析為基礎，在GIS和決策模型支持下，給出決策方案或模擬結果。例如，對于固廢運輸車輛調度，可根據底層的路況、運輸路線、GPS獲取的車輛位置、RFID獲取的車輛狀態（運輸固廢類型、容量、已納量等），調用相應決策模型和算法（如經典的VSP模型[10]、各種啟發式求解算法），選擇方法，在GIS的支持下安排合理優化的車輛調度方案。（4）經濟核算經濟核算功能以相關價格、底層基礎信息、固廢作業流程與活動工作量、成本效益計算方法等為根據，用于城市固體廢物管理系統的成本效益核算和成本管理，并可作為輔助決策的依據或決策模型的約束條件。

3.2應用實例以城市固體廢物運輸路線設計決策為例，介紹智慧城市固體廢物管理系統的應用方法，如圖4所示。底層通過固廢智能監測監控方案獲得固廢起運點、轉運點和運輸終點等整個運輸系統的實時數據，存儲與本地或者云端，云端數據定期傳送給本地或在緊急情況下立即傳送。通過固廢源固廢產生量、車輛狀態等實時數據的分析與解讀及數據挖掘等，確定與固廢路線運輸設計相關數據和問題（固廢產生量分布、車輛分布及可納量、可能路線的距離與成本等）。另外，固廢運輸數據需要與原有信息系統集成，以便于獲取工作人員、成本、車輛安排和調度等其他運輸相關數據。在此基礎上，固廢運輸相關信息（如數據分析結果、路況、成本等）需與運輸系統的決策工具集成以支持路線設計和優化改進，一些決策工具如運輸網絡圖、智能優化算法、數據可視化工具和決策支持工具等。優化模型的數據輸入多是固定的或需要估計，而由物聯網基礎設施獲取的數據是實時和真實的，因此可獲得較好的優化結果并可做出及時響應。富有表現力的數據可視化工具，能夠使管理者和工作人員易于使用，方便掌握和評估運輸路線情況，其中借助GIS及與GIS的集成必不可少。最后，從運輸線路圖、車輛安排和運輸節點安排等幾個方面做出固廢運輸路線決策。做出的決策將傳輸給相關車輛和工作人員，指揮運輸車輛按安排的路線運行，此時固廢智能監測監控又在其中發揮作用，這是一個持續監控和改進的過程。使用智慧城市固體廢物管理系統進行固廢運輸路線設計使得固廢運輸方案更加靈活高效，固廢得以及時清運，同時降低了成本。

4結論

城市固體廢物已成為顯性化社會問題的一部分，不適當的管理和處置將導致嚴重環境污染。為實現固廢管理信息化、生活便捷化、環境維護自動化和社會管理自動化的目標，利用“智慧城市”概念構建了智慧城市固體廢物管理系統：（1）從環境、經濟和社會等角度，針對公眾、企業和政府等不同的使用對象，分析了智慧城市固體廢物管理系統的主要需求。（2）運用物聯網等技術構建了智慧城市固體廢物管理系統的體系框架，包括基礎設施層、虛擬資源層、數據層、基礎支撐層、應用支撐層、應用層和展現層。（3）系統的主要服務功能包括實時監控、基本屬性查詢、輔助決策和經濟核算四個方面。

參考文獻

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作者：劉征 劉建福 程慧艷 單位：廈門理工學院環境科學與工程學院