基于物联网的环卫作业计划与实时调度模型研究Word格式.doc
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基于物联网的环卫作业计划与实时调度模型研究Word格式.doc
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英文摘要
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofurbaneconomicconstruction,therapidgrowthofpopulation,urbanappearanceandenvironmentalsanitation,especiallythecitycleaningworkhasbecomethefocusofpeople’sattention,ithasbecomeanimportantissueofurbandevelopmentthatmustbeaddressed.Citycleaningisoneofthemostbasiccitymanagementwork,itisadirectreflectionoftheurbanlandscapeandprojectmanagementlevelwindow,andisveryimportantandfar-reachingsignificancetoestablishtheimageofthecity.However,traditionalsanitationmanagementfacesmanyproblems,itisnecessaryproposeawisdomsanitationsolutions.Thesanitationworkplanandreal-timeschedulingmodelofurbansanitationplaysaveryimportantroleasakeytechnologyofintelligentmanagementplatformforthedevelopmentofintelligenturbansanitation.Achievingsmartremovalroutescangreatlyimprovecitizensatisfactionfortheentireurbansanitationsystem.Therefore,studyingacomprehensive,logicalworkplanandreal-timeschedulingmodelisparticularlyimportant.
Thisthesisstudiesthedesignandimplementationofsanitationworkplanandreal-timedispatchmodelbasedonInternetofThingsrelyingonthegeneticalgorithm.FirstlyelaboratethekeytechnologiesoftheInternetofThingsandthesensetothesanitationjobscheduling,thenintroducethesingleandmultiplayerpostmanproblemsandtheirsolutions,whileseveralcommonlyusedmeta-heuristicalgorithmselection,chosetherelativeperformancestable,scalable,easytocombinewithothergeneticalgorithmssanitationoperationsasreal-timeschedulingalgorithmmodelusedinthemodel.ProjectusesGPStechnologytoobtainreal-timelocationinformation,RFIDtechnologyandGPStechnologyforreal-timeinteractiveremovalinformationforschedulingmodelprovidesreal-timeandreliabledata.
Afterthetechnicalprogramdeterminedbyanalyzingthepre-designed,wecompletedtheimplementationofthemodelandanumericalexampledemonstrates,real-timeschedulingtoachieveagoodresult.Finally,theenvironmentalsanitationprogramandreal-timeschedulingmodelusedinthetrashwarningschedulingDalianEconomicandTechnologicalDevelopmentZone,sothisstudyhasgreaterpracticalvalue.
KeyWords:
IoT;
GeneticAlgorithm;
EnvironmentalSanitation;
Real-timeScheduling
目录
目录
第1章绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 2
1.3国内外研究现状和发展趋势 3
1.4论文研究内容和组织结构 5
第2章相关理论和关键技术 6
2.1物联网技术及其应用 6
2.1.1物联网 6
2.1.2物联网核心技术 7
2.1.3物联网技术对于环卫作业调度的意义 8
2.2邮递员问题 9
2.2.1单人邮递员问题 9
2.2.2多人邮递员问题 11
2.3元启发式算法综述 12
2.3.1启发式算法概述 12
2.3.2蚁群算法 13
2.3.3模拟退火算法 14
2.3.4遗传算法 16
2.4环卫实时调度的算法选择 18
2.5本章小结 19
第3章环卫系统的作业计划和实时调度模型设计 20
3.1遗传算法的执行结构 20
3.2环卫的实时调度模型设计 27
3.2.1调度模型 27
3.2.2算法结构概述 29
3.2.3算法流程 29
3.2.4数据结构设计 30
3.3算例分析 35
3.4本章小结 41
第4章环卫的作业计划和实时调度系统实现 42
4.1城市环卫智能管理平台综述 42
4.1.1环卫智能管理平台概念 42
4.1.2环卫智能管理平台的特点 43
4.1.3环卫智能管理平台的一般构成 45
4.2基于GPS和RFID的数据采集 46
4.2.1数据来源 46
4.2.2数据整理 47
4.3环卫实时调度模型的实现及效果 48
4.4环卫实时调度模型的评价 51
4.5本章小结 52
第5章总结与展望 53
5.1总结 53
5.2展望 54
参考文献 56
攻读学位期间公开发表论文 60
致谢 61
基于物联网的环卫作业计划与实时调度模型研究
第1章绪论
1.1研究背景
城市的经济建设发展迅速,随之都市的人口也在飞速增长,生活垃圾、工业垃圾就产生地愈来愈多,城市市容环境卫生,特别是环卫保洁工作就越来越引起人们的注意,成为人们关注的焦点,也成为城市发展急需处理的重要内容。
城市保洁工作涵盖各行各业,与人民生活密切相关,是各级政府所关心的重要问题,保洁管理工作涉及每一个居住区、每一个活动场所和每一个市民,包括各类企、事业单位。
从城市的保洁工作可以反应出一个都市的市容市貌,因此,要想树立良好的城市形象,必须要重视环卫管理工作。
清洁、优美、和谐、安全的城市形象,是体现“城市,让生活更美好”的主题内容,营造城市清洁环境更是树立城市形象的首要内容[1]。
然而传统的环卫管理方式面临许多难题。
(1)重设备,轻管理,环卫信息化建设相对落后
对比其他方面的投资额度,当前在环卫上的投资占总投资的比重还比较小,而这些投资也基本是被用来买车辆、买设备,环卫信息化建设还比较落后。
如何用管理的手段提升环卫日常作业的水平,提高环卫工人的工作效率,最大程度的发挥清运车辆的作用,还是环卫系统急需解决的主要问题。
同时对生产作业过程中的安全、效率、操作规范等问题缺乏有效的监管手段。
如何规避不规范的方式,比如在环卫作业的工作过程中擅自变化设定的清运线路、随意停放清运车辆或者是不按照要求速度行驶、不及时清运等等,如何避免垃圾运送造成的二次污染,已成为当前环卫管理中的现实问题。
此外,环卫设施与作业设备也缺乏科学的管理方法。
比如,城市垃圾箱的防盗问题、作业设备和设施的合理维修保养问题等,同样是当前环卫管理中必需面对的问题。
(2)缺乏令人信服的作业质量评估手段
作业质量评估是实施环卫作业质量控制过程中的重要环节。
目前采用的评估手段主要依据检查人员的文字、表格的描述和管理人员的主观判断,评估结果缺乏材料支持而且难以追溯,一旦作业方和检查方出现意见分歧或利益纠纷,自然会对这种评估手段提出质疑。
一种令人信服的作业质量评估手段则至少需要时间、地点(GPS坐标)以及影像资料的支持,目前尚缺乏这种手段。
(3)实时调度和应急指挥能力较低
首先,由于缺乏实时监管作业机械、环卫设施以及清扫保洁质量的有效手段,很难及时掌握城区各种道路清扫保洁作业的工作效率和效果,所以难以对现场紧急情况作出及时响应并作出正确的指挥和调度。
其次,城市的环境建设也需要广大市民的积极参与,目前尚缺乏一种及时可靠的环卫事件举报机制,既能及时准确地反映现场状况,又能尽量避免误报或恶意骚扰造成不必要的人力、机力资源的浪费。
为解决上述问题,需要采用一种更为智慧的管理手段,来降低环卫的作业成本。
1.2研究意义
作为城市环卫智能管理平台的关键技术,作业计划和实时调度模型对城市环卫智能化的发展起到非常重要的推动作用。
针对现如今环卫管理业务存在的问题,提出一套智慧环卫解决方案,运用高科技手段,基于数字化智能环卫管理平台,借助互联网优化城市环卫管理模式和提升监管工作效能,实现“智慧环卫”。
“智慧环卫”不但可以解决传统的环卫管理方式存在的问题,还会借助互联网优化城市环卫管理模式和提升监管工作效能,使得工作人员坐在屋里就能轻松了解全城的卫生情况。
与此同时,环卫作业设施设备,比如垃圾车,它装有智能设备,具有接收GPS数据、3G通讯和RFID读写功能,这样就能随时追踪车辆运行状况,并自动存储相关作业信息,而另一端的工作人员就可以直接通过智能平台,了解到所有清运车辆的信息,包括出车时间、行驶线路、收车时间、工作完成进度等等。
基于日常记录的作业数据和空间信息还可进行大数据分析,不断优化作业方案,提高工作效率,减少重复线路,降低油耗成本。
对于垃圾中转站等重要的环卫设施,还安装有视频监控探头,工作人员可以通过探头实现远程监控,这样,垃圾中转站的实时工作情况就更加直观,更有助于环卫作业的监督和调度。
总之,借助智能平台先进的数据采集、处理和分析能力,将信息化渗透到环卫管理的每一个工作细节中,实现环卫管理精细化。
这种“智慧环卫”平台改变了传统的清运调度方式,提高了工作效率,改善了服务质量。
1.3国内外研究现状和发展趋势
调度问题属于组合优化问题,它的求解相对比较艰巨,难度系数较高,这使得调度问题成为很多学者、专家分析研究的热门。
环卫作业调度问题是调度问题的一个重要分支,但是对环卫作业调度问题的研究还比较少。
主要由于一是人们对环卫工作的重视度不够,二是技术上达不到实现的要求,所以环卫工作一般还是按班次定时定点清扫,重复工作且缺乏效率。
如今,对智能垃圾桶的研究越来越受到重视,相应的硬件方面已经研究成型,国外发达国家的城市生活垃圾收运系统已基本趋于成熟。
(1)国外研究现状
在1954年,Johnson提出对两台机床的流水车间调度问题,由于复杂程度高,求解过程繁琐,引起当时诸多学者的关注[16]。
之后,对调度问题的研究逐渐深入。
在1985年,Yurteri和Siber提出利用线性规划模型的方法,来确定垃圾中转站的位置。
90年代初,IihanOr和KritonCuri、Chin-HuangWang又提出了新的理念,将线性模型改进为混合整数线性规划模型。
紧接着,在1996年,混合整数线性规划模型逐渐得到推广、应用,把比利时首都布鲁塞尔某区作为研究对象,首次使用这一模型,在已知各点收集路线的情况下,得到使运输费用最小的优化结果[17]。
同时在1996年,Vasanthakumar研究出了仿真优化模型,这一模型的目标是减少收运车辆的行驶路程,缩短等待的时间,结合启发式算法,优化垃圾源到各个垃圾处置场的分派,以达到减少收运费用的目的。
2000年后,在垃圾转运站和清运设施的筹算中,国外根据人口和生态环境的状态,确定了多种目标,而不仅仅是要收运费用最小或者是总的行驶路程最短,比如提高回收率、降低填埋量等等。
2008年,Li等在管理某个城市的垃圾收运问题时,除了考虑到收运成本最小的目标外,还考虑到了要尽量保持各个回收厂收运垃圾量的平衡。
(2)国内研究现状
在环卫设施设备等硬件方面,白志强、范立南研发出了一种以单片机为核心的可以自动感应开盖的智能垃圾桶[18]。
当垃圾桶内的垃圾装满的时候,桶盖长时间处于闭合不上的状态,这时候红外传感器就会感应到这种状态,然后把信号发送给单片机,单片机再把这个无线信号发送给主机,主机利用相关程序会迅速识别出是哪些垃圾桶已满发出了预警信号,然后会通过程序给出相应的提示信息,传送给管理人员,这时候值班的管理人员就会看到主机的提示信息,然后调度相应的设施设备,规划路线,及时清运已满的垃圾桶。
常国强、梁婷把蓄电池和太阳能作为原动力,环保无污染并且更加节约能源。
针对侧开口式垃圾桶不易投掷的缺点,他们在垃圾桶上设计上开盖,减少了垃圾投掷桶外的概率。
除此之外,还在垃圾桶上安装了自动封口装置和换袋装置,解决了原先垃圾桶内垃圾袋封口不严,散发异味污染空气的问题。
在1996年,刘桐武等人以沈阳市五个城区为例,建立了线性规划模型并运用最小元素法和位势法求解,得到了垃圾量分配运输的最优方案,使调运五个城区垃圾量至四个卫生填埋场和一个焚烧厂的运输吨公里最小。
2000年,陈炳禄等人以广州市为例,得出了各个时期各个处理场的比例与数量的优化方案,预测了各个规划期各种设施的需求量,他们主要是运用多目标动态规划这一模型,采用层次分析法进行综合效益的评估取值。
这之后,又把经济收入视为负费用,并从中扣除,得出固体废物流量的优化方案。
此后,在2005年到2007年期间,马晓鹏、张敏、孙开钊等人建立了优化线性模型,通过lingo软件包求解,在生活垃圾排放量、垃圾转运和处理设施的规模、布局和技术类型给定的条件下,得出北京市各县区最优化垃圾调运方案,从而实现清运过程中政府处理补贴最低这一目标。
现如今,我国城市垃圾收运的压力越来越大,这就要求有更加智能的城市垃圾收运系统,所以对智能环卫系统的优化研究越发迫切。
如何将智能垃圾桶应用于环卫系统当中,并设计出最简易的作业路线和实时调度方案,还需要更多的学者的参与和研究。
1.4论文研究内容和组织结构
本文是以城市环卫智能管理平台为项目依托,旨在运用合理的算法以及实现机制来实现环卫作业的智能清运和实时调度功能。
通过给垃圾箱安装芯片、给环卫车辆安装智能设备、在重要环卫设施安装视频监控,建立遗传算法为支持的智能清运路线的设计方案,最终实现城市环卫系统的作业计划和实时调度功能。
本文的组织结构如下:
主要阐述了本文的研究背景和智慧环卫作业计划和实时调度模型的研究意义,以及国内外相关理论的研究趋势。
第2章相关理论和关键技术
主要介绍了物联网的相关理论和技术,以及经典的中国邮递员问题和现有的整数规划模型的解决方案,给出多人邮递员问题的解决思路,最后,对比分析常见的元启发式算法,并对环卫实时调度模型进行了算法的选择。
第3章环卫系统的作业计划和实时调度模型设计
是整篇文章的核心,主要阐述了遗传算法的执行结构,给出基于遗传算法的环卫作业计划和实时调度的模型,并分析了模型的算法结构和流程。
第4章环卫的作业计划和实时调度系统实现
主要介绍了环卫智能管理平台的概念、结构和特点,基于GPS和RFID的数据采集,根据环卫作业计划和实时调度模型的设计,阐述模型是如何实施的,并对具体流程进行了详细阐述,最后,给出对模型的评价。
第5章总结与展望
针对自身研究做出总结,同时指出研究中的不足和今后的研究重点。
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2.1物联网技术及其应用
2.1.1物联网
物联网的概念始于1999年,是由美国麻省理工学院的KevinAshton教授和其同事定义的。
同年,在移动计算和网络国际会议中也指明“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”[19]。
之后在2003年,美国《技术评论》表示传感网络技术将会极大地改变人类未来的工作和生活。
物联网,TheInternetofthings,简称IOT,是指按商定的协议,利用信息传感设备或其它装置,把真实的物品和互联网联系起来,完成相互之间的通信和信息交流,从而来实现对物品的定位、辨别和管理。
常见的信息传感设备有RFID、红外感应器等。
在物联网时期,通过在各色的物品上安装收发器,这种收发器可以实现短距离的移动通信,使人们在通讯时从人与人之间的沟通扩展至人与物或者是物与物之间的沟通连接,从而能获取到更多的信息[22]。
在物联网的结构中,物联网依赖传感网来实现对物的实时监控和跟进,具体的结构体系如图2.1所示。
图2.1物联网的体系结构
Fig.2.1ThearchitectureofIOT
在环卫作业中,物联网技术体系包含三个部分:
(1)感知层:
身份识别及感知体系。
比如通过RFID、GPS等,构建垃圾清运车辆和垃圾箱以及其它环卫设备等相关要素的唯一化身份认证体系,实现对相关物件的感知,为信息的综合利用创造条件。
(2)网络层:
信息传输及交换体系。
基于互联网、无线通信网、局域网等,实现对清运要素感知信息进行实时传输,并在各种方式之间进行信息的传递和共享。
(3)应用层:
信息综合利用体系。
对信息进行处理,为环卫作业的调度、计划、控制等各类应用提供基础。
2.1.2物联网核心技术
目前对于物联网而言,主要的支撑技术有传感器技术、二维码技术、RFED技术、M2M技术、云计算技术等。
这些技术被运用于不同的领域,并在不同领域实现了信息共享,促进了这些领域的发展[28]。
(1)传感器技术
传感器是物联网中获得信息的主要设备,具备“内在智能”,它使用各种不同的通信技术,在物联网中的作用至关重要。
传感器网络主要是由传感器节点组成,节点之间通过通信联络组成网络,共同协作来监测各种物理量和事件,这其中的每个传感器节点都安装有微处理器和通信单元。
(2)二维码技术
二维码可以存储的信息量是一维码的几十倍,二维码的表达形式是矩阵的形式,也就是可以在横向和纵向两个方向上存储信息。
二维码比一维码更加可靠,而且制作成本也更低,此外,二维码的保密防伪性也很强。
二维码能够整合图像、文字、声音等多种信息,当前,二维码技术被广泛应用于手机和或互联网上,也有的直接印刷在报纸或者宣传单上,用户只需要通过手机的摄像头代替条码扫描仪进行识别,就可以读取条码内容,获取到相关的信息,或者是链接到相应的网站,观看影视、声音等媒体内容。
(3)RFID技术
RFID(RadioFrequencyIdentification)是一种射频辨别技术,它无需和物体直接接触,就可以自动辨认出物体,获得到需要的数据,而不需要人工的操作。
RFID读写器可以在各种恶劣条件的环境中辨认出高速运动的物体和多个标签,速度快,操作简单[27]。
最基本的RFID系统包括3个部分:
①电子标签,它由各种耦合元件和多种芯片组成。
电子标签中存储有目标信息,有的电子标签内还设置有天线,用来和射频天线间进行通信。
②天线,天线是在电子标签和阅读器间传递射频信号的装置,天线可以分为内置天线和外置天线两种类型。
③读写器,是核心部分,读写器主要用来读取或写入标签信息。
读写器对电子标签的操作主要包括辨认和读取用户身份,读取用户数据和写入用户数据。
(4)M2M技术
M2M是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通讯,也就是说机器会根据既定的程序主动进行通信,并根据得到的数据,智能化地做出选择,对相关设备发出正确的指令。
M2M技术让机器不再冰冷,赋予机器“思想”,它把所有的机器都纳入到了一个公共的通信网络中,这样就使得所有的机器都能通信和联动,从而实现机器的自动化、网络化和智能化。
(5)云计算技术
云计算是一种新型的计算模式,拥有大规模数据集,基于数据集向用户提供服务。
它使用大量的普通商用机来构建系统,多台商用机联合完成计算,提供服务,通过冗余存储的方式确保整个系统的可靠性和可用性[30]。
和普通的超级计算机的底层编程原理不同,云系统上因为要支撑数据密集型的运算,采用的是基于Map-Reduce的高级编程模式。
这就把程序员从底层的并行化编程中解放出来,而只需要实现程序的逻辑算法。
2.1.3物联网技术对于环卫作业调度的意义
都市的建设程度不断深入,对城市的市容环境卫生的建设变得愈来愈重要。
环卫保洁工作是改善市容市貌的关键方面,可以有效地维护城市
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