Συστήματα διαχείρισης πόρων και λήψης αποφάσεων γεωσχετισμένης πληροφορίας για περιβάλλον διοικητικής μέριμνας

Abstract

It is a fact that nowadays, a serious waste of material resources and human potential is observed, particularly when it comes to applications which deal with problems of large scale and complexity. Such problems are: the Means of Mass Communication and Transport, Production, Distribution and Energy Management Systems, Urban Solid Waste Management Systems, etc. An additional problem is that material resources and/or human potential are - in most of the cases - scarce, while in other cases they are provided in exaggeration. Certainly, it is not easy to detect these Spatial-Temporal needs, or to incorporate the necessary resources (material and personnel) in space and in time, so as to serve the needs of Decision Support Systems in order to sufficiently manage large scale and high complexity problems that arise daily in a logistics environment. The Municipal Solid Waste (MSW) Management problem constitutes, undoubtedly, such a large scale and high complexity problem and it is one of the most important environmental and economical issues in our days. The MSW management begins with the solid waste collection and transport from the waste generation points to the final disposal sites (landfills). The most common way of waste collection and transport used nowadays, is the storage of MSW in kerbside waste bins, their collection and transport by garbage trucks to a transfer station or to the final disposal site (landfill). Consequently, in the present work, an innovative model, part of an Integrated Solid Waste Management System, is developed. The model uses a spatial geodatabase, integrated in a Geographic Information System (GIS) and takes into consideration several parameters of waste generation, such as population density, commercial activities, road characteristics and their influence on the number and the allocation of waste bins. Ground-based analysis was applied for the estimation of the interrelations between the aforementioned factors and the variations in waste generation between residential and commercial areas. Therefore, the proposed model follows a unified categorisation approach for residential and commercial activities and focuses on the dominant factors that determine waste generation in the area under study. One of the most important results of this thesis is an accurate estimation of the optimal number of waste bins and their allocation. A new methodology and an appropriate algorithm have been developed for this purpose in order to facilitate the waste collection and routing. By using these results, any municipality that is aware of social, economical and environmental factors related to waste management, can achieve optimal usage of the existing resources and offer citizens the best possible services. Moreover, four optimisation algorithms are proposed, which have been applied on various problems in order to find the optimum solution, for the identification of the best routes in the case of MSW collection. These algorithms are: the Genetic Algorithms (GA), the Simulated Annealing (SA), the Tabu Search (TS) and the Ant Colony System (ACS). The GIS takes into account all the required parameters for solid waste collection. These parameters include static and dynamic data, such as the location of waste bins, the road network and the related traffic in the area under study. In addition, waste collection schedules, truck capacities and their characteristics are also taken under consideration. Spatio-temporal statistical analysis is used to estimate interrelations between dynamic factors, like network traffic changes in residential and commercial areas. The user of the proposed system is able to define or modify all of the required dynamic factors for the creation of alternative initial scenarios. The objective of the system is to identify the most cost-effective scenario for waste collection, to estimate its running cost and to simulate its application. Finally, the results of the ACS algorithm are compared with the empirical method currently used by the Municipality of Athens.

Είναι γεγονός ότι στις μέρες μας, παρατηρείται μεγάλη κατασπατάληση υλικών πόρων καθώς και ανθρώπινου δυναμικού σε δραστηριότητες μη αποδοτικές ιδιαίτερα όταν οι εφαρμογές αφορούν προβλήματα μεγάλης κλίμακας και πολυπλοκότητας. Τέτοια είναι τα Μέσα Μαζικής Επικοινωνίας και Μεταφοράς, η Παραγωγή, Διανομή και Διαχείριση Συστημάτων Ενέργειας, η Διαχείριση Αστικών Στερεών Αποβλήτων, κ.α. Επιπλέον, παρατηρείται ότι σε πολλές από τις περιπτώσεις υπάρχει έλλειψη και αλλού υπερβολή των υλικών πόρων ή/και του ανθρώπινου δυναμικού. Το μόνο σίγουρο είναι ότι δεν είναι εύκολος ο εντοπισμός των Χώρο-Χρονικών αυτών αναγκών, όπως επίσης και η διάθεση των αναγκαίων πόρων (υλικών και έμψυχων) στο χώρο και στο χρόνο, που χρειάζονται. Συστήματα λήψης απόφασης κατάλληλα για να διαχειριστούν προβλήματα μεγάλης έκτασης και πολυπλοκότητας ανακύπτουν καθημερινά σε περιβάλλον διοικητικής μέριμνας. Το πρόβλημα της διαχείρισης των Αστικών Στερεών Αποβλήτων (ΑΣΑ) αποτελεί αναμφισβήτητα ένα πρόβλημα μεγάλης κλίμακας και πολυπλοκότητας και ανάγεται σε ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά και οικονομικά προβλήματα της εποχής μας. Η διαχείριση των ΑΣΑ ξεκινά με τη συλλογή τους από τους χώρους παραγωγής και καταλήγει στην τελική απόθεσή τους. Ο τρόπος συλλογής και μεταφοράς, που χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα, είναι η τοποθέτηση των ΑΣΑ σε κάδους, η συλλογή και η μεταφορά τους από απορριμματοφόρα οχήματα μέχρι ένα σταθμό μεταφόρτωσης ή μέχρι τον Χώρο Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ). Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διατριβής αναπτύχθηκε ένα μοντέλο, το οποίο είναι μέρος ενός εκτεταμένου συστήματος διαχείρισης στερεών αποβλήτων και χρησιμοποιεί μία χωρική βάση δεδομένων, που ενσωματώνεται σε ένα περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ). Λαμβάνει υπόψη διάφορες παραμέτρους της παραγωγής στερεών αποβλήτων, όπως πυκνότητα πληθυσμών, εμπορικές δραστηριότητες, χαρακτηριστικά οδών και την επιρροή τους στη θέση και στην κατανομή των κάδων απορριμμάτων. Εφαρμόστηκαν επίσης επιτόπου αναλύσεις για την εκτίμηση των συσχετίσεων μεταξύ των προαναφερθέντων παραγόντων και των παραλλαγών που εμφανίζονται στην παραγωγή απορριμμάτων μεταξύ κατοικημένων και εμπορικών περιοχών. Επομένως, το προτεινόμενο μοντέλο ακολουθεί μια ενοποιημένη προσέγγιση κατηγοριοποίησης για τις κατοικημένες και τις εμπορικές δραστηριότητες και εστιάζει στους κυρίαρχους παράγοντες που καθορίζουν την παραγωγή στερεών αποβλήτων στην εξεταζόμενη περιοχή. Ένα από τα σημαντικότερα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής είναι η ακριβής εκτίμηση του βέλτιστου αριθμού κάδων απορριμμάτων καθώς και της κατανομής τους σε μία εξεταζόμενη περιοχή. Μια νέα μεθοδολογία και ένας κατάλληλος αλγόριθμος έχουν αναπτυχθεί για αυτόν το λόγο προκειμένου να διευκολύνουν τη δρομολόγηση και την αποκομιδή των στερεών αποβλήτων. Με τη χρησιμοποίηση αυτών των αποτελεσμάτων, οι δήμοι ενήμεροι για τις κοινωνικές, οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις που έχει η διαχείριση των στερεών αποβλήτων, μπορούν να επιτύχουν τη βέλτιστη χρήση των πόρων τους (υλικών και έμψυχων) και να προσφέρουν τις καλύτερες δυνατές υπηρεσίες στους πολίτες τους. Στη συνέχεια, για τον προσδιορισμό των βέλτιστων διαδρομών για τη αποκομιδή των ΑΣΑ χρησιμοποιούνται τέσσερις αλγόριθμοι βελτιστοποίησης, οι οποίοι έχουν εφαρμοστεί σε διάφορα προβλήματα εύρεσης βέλτιστης λύσης. Αυτοί είναι: οι Γενετικοί Αλγόριθμοι (Genetic Algorithms), η Προσομοιωμένη Ανόπτηση (Simulated Annealing), η Αναζήτηση Ταμπού (Tabu Search) και το Σύστημα Αποικίας Μυρμηγκιών (Ant Colony System). Το ΓΣΠ λαμβάνει υπόψη όλες τις απαραίτητες παραμέτρους για την αποκομιδή των στερεών αποβλήτων. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν στατικά και δυναμικά στοιχεία, όπως οι θέσεις των κάδων απορριμμάτων, του οδικού δικτύου και της σχετιζόμενης μ’ αυτό κυκλοφορίας στην εξεταζόμενη περιοχή. Επιπλέον, λαμβάνονται υπόψη τα προγράμματα αποκομιδής των στερεών αποβλήτων καθώς και οι ικανότητες φορτηγών και τα χαρακτηριστικά τους. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται χώρο-χρονικές στατιστικές αναλύσεις για την εκτίμηση των συσχετίσεων μεταξύ των δυναμικών παραγόντων, όπως οι κυκλοφοριακές αλλαγές στις κατοικημένες και εμπορικές περιοχές. Ο χρήστης, στο προτεινόμενο σύστημα, είναι σε θέση να καθορίσει ή να τροποποιήσει όλους τους απαραίτητους δυναμικούς παράγοντες για τη δημιουργία εναλλακτικών σεναρίων. Ο στόχος του συστήματος είναι να προσδιοριστεί το πιο οικονομικά αποδοτικό σενάριο για την αποκομιδή των στερεών αποβλήτων, να υπολογιστεί το τρέχον κόστος του και να προσομοιωθεί η εφαρμογή του. Τέλος, τα αποτελέσματα των τεσσάρων αλγορίθμων συγκρίνονται μεταξύ τους, αλλά και με την εμπειρική μέθοδο που χρησιμοποιείται στην παρούσα περίοδο από το δήμο Αθηναίων.