پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

مدل بهینه‌سازی یکپارچه ناب جمع‌آوری و جاروب زباله شهری با استفاده از تخصیص ناوگان ناهمگن ظرفیت محدود در پنجره‌های زمانی متفاوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی صنایع، دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران
2 دانشیار، گروه مهندسی صنایع، دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران
3 استاد، گروه مهندسی صنایع، دانشگاه علوم و فنون مازندران، بابل، ایران
چکیده
مدیریت بهینه جمع‌آوری زباله شهری با توجه به رشد جمعیت و افزایش نرخ تولید پسماندها به یکی از چالش‌های اساسی کلان‌شهرها تبدیل شده است به‌طوری‌که نسبت بالای هزینه عملیات جمع‌آوری در قیاس با کل هزینه‌های مدیریت پسماند از یک‌سو و محدودیت‌های زمانی و مکانی و تأثیرات زیست‌محیطی ناشی از جمع‌آوری نامناسب زباله‌ها از سوی دیگر، ضرورت طراحی سیستم‌های کارآمد را نمایان می‌سازد. در این پژوهش، برای بهینه‌سازی هم‌زمان مکان‌یابی مراکز انباشت زباله، مسیریابی ناوگان ناهمگن مشتمل‌بر موتوری (مکانیزه/غیرمکانیزه) و غیرموتوری (پاکبان‌ها) و تخصیص منابع دراختیار، ضمن رعایت ظرفیت محدود ناوگان‌ها و زمان کل در دسترس، پنجره‌های زمانی خدمت و اولویت پاکسازی معابر، با هدف کاهش هزینه‌های عملیاتی، حداقل‌سازی تأخیرها، کاهش فسادپذیری زباله‌ها، افزایش پوشش خدمات و بهبود شاخص‌های ناب، از یک مدل برنامه‌ریزی ریاضی یکپارچه غیرخطی مختلط استفاده شده و با دو رویکرد اپسیلون-محدودیت و برنامه‌ریزی آرمانی حل شده است. نتایج مثال عددی مورد بررسی نشان‌دهنده بهبود 12 درصدی هزینه‌ها، بهبود ۱۷ درصدی نرخ چمع‌آوری زباله و کاهش 35 درصدی فساد ناشی از تاخیر در جمع‌آوری زباله شده است. لذا مدل ارائه شده با درنظر گرفتن اهداف اقتصادی، زیست‌محیطی، اجتماعی و ناب، چارچوبی جامع برای تصمیم‌گیری در سیستم‌های مدیریت پسماند شهری فراهم می‌کند
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

An Integrated Lean Optimization Model of Collection and Sweeping of Urban Wastes Using Limited Capacity Heterogeneous Fleet Allocation In Different Time Windows

نویسندگان English

Milad Rahimi 1
Javad Rezaeian 2
Iraj Mahdavi 3
1 M.Sc., Grad., Industrial Engineering, Mazandaran University of Science and Technology, Mazandaran, Iran.
2 Associate Professor, Industrial Engineering, Mazandaran University of Science and Technology, Mazandaran, Iran.
3 Professor, Industrial Engineering, Mazandaran University of Science and Technology, Mazandaran, Iran.
چکیده English

Efficient management of urban waste collection has emerged as a critical challenge for metropolitan areas due to rapid population growth and increasing waste generation rates. The significant proportion of collection costs within total waste management expenses, combined with spatial and temporal constraints and environmental risks associated with inefficient waste collection, highlights the urgent need for innovative and effective systems. This study introduces an integrated mixed-integer nonlinear programming model designed to optimize the location of waste accumulation centers, the routing of a heterogeneous fleet—including motorized vehicles (mechanized and non-mechanized) and non-motorized workers—and resource allocation, all under limited fleet capacity and restricted time availability. The model incorporates service time windows, prioritization of street sweeping, and aims to achieve multiple objectives: minimizing operational costs, reducing delays, mitigating waste decay, enhancing service coverage, and improving lean efficiency indicators. The proposed model is solved using two optimization approaches, namely epsilon-constraint and goal programming. Numerical results demonstrate significant improvements, including a 12% reduction in operational costs, a 17% increase in waste collection efficiency, and a 35% decrease in waste decay due to collection delays. Consequently, the model provides a robust and comprehensive framework for decision-making in urban waste management systems, addressing economic, environmental, social, and lean performance goals.

کلیدواژه‌ها English

Multi Objective Optimization
Time Windows
Lean Municipal Waste Collection
Location Vehicle Routing Problem
Heterogeneous Fleet
-انصاری نسب، مسلم و بیدمال، نجمه (1401). شهر سبز: کنکاشی در مدیریت پسماند و بازیافت مناطق ۲۲ گانه شهر تهران، همایش بین المللی فرصت­های سرمایه گذاری شهر تهران، تهران.
- جبارزاده، آرمین، ظهور فاضلی، هانیه، دریانیان، فرزانه و کامران سرمدی (1398). مکانیابی تسهیلات انتقال پسماند با در نظر گرفتن صف ماشین­های جمع­آوری و ملاحظات زیست محیطی-اجتماعی، مطالعه موردی: شهر تهران.
-آهنگری، فروغ (1396). نقش ایستگا­های انتقال در بخش جمع آوری و حمل و نقل پسماندهای شهری.
-بهرام‌خواه، م. دوستدار، ا. و میرپادیاف س. ی. (1400). بررسی شاخص­های مؤثر بر سیستم مدیریت پسماند با رویکردی بر شیوه­های جمع­آوری و دفع زباله­های شهری. نشریه علمی رویکردهای پژوهشی نوین مدیریت و حسابداری، 5(18)، 125-134.
-تقوی فرد، محمدتقی، موسوی، سیداسماعیل و حیدر، مجتبی و مجتهدی، سیدمحمدحسین (1386). ارائه یک مدل جدید چند هدفه فازی به منظور مکان یابی تسهیلات نامطلوب،پنجمین کنفرانس بین المللی مهندسی صنایع، تهران.
-حجازی، سیداسداله، کرمی، فریبا و حبیب زاده، سایه (1403). ارزیابی مناطق مناسب برای توسعه فیزیکی در شهر ماکو با استفاده از روش تصمیم­گیری الکتره فازی در محیط Arc Gis،
فصلنامه اطلاعات جغرافیایی «سپهر»، 33(129)، 138-121.
doi.10.22131/sepehr.2023.1995613.2966
-رحماندوست، افروز­، حافظ الکتب، اشکان، رحمانی پرچیکلایی، بیژن و عزیزی، امیر (1402). طراحی مدل ریاضی چندهدفه استوار مبتنی بر پایداری برای مسیریابی وسایل نقلیه جمع‌آوری پسماند شهری. مدیریت صنعتی، 15(4),680709.
-رفیعی، رضا، سلمان ماهینی، عبدالرسول، و خراسانی، نعمت اله (1388). ارزیابی محیط زیستی چرخه حیات سامانه مدیریت پسماند شهری (مطالعه موردی: شهر مشهد). علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 16((ویژه نامه 2))، 220-208.
-سیدحسینی، سیدمحمد، کهفی اردکانی، عاطفه، و توکلی مقدم، رضا. (1396). مسائل مکان یابی - مسیریابی: مروری بر مفاهیم، مدل­ها، روش­های حل، کاربردها و شکاف های تحقیقاتی. نشریه مهندسی صنایع (دانشکده فنی دانشگاه تهران)، 51(2 )، 250-223.
-شاهبندرزاده، حمید و کبگانی، محمدحسین  (1403). کاربرد رویکرد استوار فازی به منظور مکانیابی - مسیریابی تسهیلات جمع‌آوری پسماندهای شهری با استفاده از الگوریتم ژنتیک. فصلنامه مهندسی حمل و نقل، 15(3),  3843-3821.
-شاهبندرزاده، حمید و کبگانی، محمدحسین (1403). کاربرد رویکرد استوار فازی به منظور مکانیابی - مسیریابی تسهیلات جمع آوری پسماندهای شهری با استفاده از الگوریتم ژنتیک.
-شهپری ثانی، داود و ترابی، فاطمه (1404). گذار شهری و عوامل مؤثر بر پویایی آن در آسیا. تداوم و تغییر اجتماعی، 4(1), 66-44.
-شهرداری تهران. (۱۳۹۶). سالنامه آماری شهرداری تهران. سازمان فناوری اطلاعات و ارتباطات شهرداری تهران.
-عیسائی، محمد تقی (1389). بهبود برنامه‌ریزی جمع‌آوری پسماندهای شهری در ابعاد واقعی­) مطالعه موردی: شهر تهران. مهندسی صنایع و مدیریت، 26(2)، 106-99.
-غلامپور ارباستان، هومن و رضایی، مسعود (1403). هوشمندسازی مدیریت پسماندهای عادی در کشور. (19726). ماهنامه گزارش­های کارشناسی مرکز پژوهش های مجلس شورای اسلامی، 32(2)، 19726.
- نیسانی سامانی، نجمه، باقری، کیوان، جلوخانی نیارکی، محمدرضا (1398). مسیریابی وسایل نقلیه جمع­آوری پسماند شهری با ظرفیت محدود نامتقارن و پنجره زمانی، نشریه علوم و فنون نقشه برداری، 9(3)، 85-95.
-نصیری­جان­آقا، محمدرضا (1402). بکارگیری مساله مسیریابی وسایل نقلیه در مکان یابی قرارگیری سطل زباله شهری، دوازدهمین کنفرانس بین المللی مهندسی صنایع، بهره وری و کیفیت.
-نوری سپهر، محمد، حاجی، محمدعلی علیرضا، عرب اسماعیلی، امیر، اسکندری، جواد، رودباری، علی اکبر و زارع زاده، الناز (2021). طراحی و امکان‌سنجی فنی - اقتصادی سیستم جمع‌آوری زیرزمینی پسماندهای خانگی در شهر کرج. مجله دانش و تندرستی در علوم پایه پزشکی، 16(1)، 12-2.
-Abbasi, E., Khosravani, F., Choobchian, S., & Jalili Ghazizade, M. (2023). A comprehensive study on criteria of sustainable urban waste management system: using content analysis. Scientific Reports, 13(1), 22526. doi.org/10.1038/s41598-023-49187-x
-Adamu, M. O., Idowu, G., & Okagbue, H. (2022). Developing a Waste Collection Vehicle Routing Model for a University Environment, [Preprint].
-Asefi, H., & Lim, S. (2017). A novel multi-dimensional modeling approach to integrated municipal solid waste management. Journal of cleaner production, 166, 1131-1143.
-Ayati, A., Naji, H. R., Hashemi, M. M., & Saffar, M. (2025, February). Optimizing location allocation in urban management: A brief review. In 2025 29th International Computer Conference, Computer Society of Iran (CSICC), IEEE. 1-7. doi.org/10.48550/arXiv.2412.06032
-Babaee Tirkolaee, E., Abbasian, P., Soltani, M., & Ghaffarian, S. A. (2019). Developing an applied algorithm for multi-trip vehicle routing problem with time windows in urban waste collection: A case study. Waste Management & Research, 37(1_suppl), 4-13. doi.org/10.1177/0734242X18807001
 -bagheri, K. Neisani Samani, N. jelokhani, M. toomanian, A. and Hajibabai, L. (2021). Estimation of Waste Collection Vehicles' Travel Time Using Spatial-Temporal Artificial Neural Networks Algorithms (Case Study: Tehran City). Geographical Urban Planning Research (GUPR), 9(1), 75-92. doi.10.22059/jurbangeo.2020.305274.1328
-Bihun, R., & Lytvyn, V. (2022). Optimization of garbage removal within a territorial community. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(3), 115.
-Caramia, M., & Pizzari, E. (2022). Clustering, location, and allocation in two stage supply chain for waste management: A fractional programming approach. Computers & Industrial Engineering, 169, 108297.
-Erdem, M. (2022). Optimisation of sustainable urban recycling waste collection and routing with heterogeneous electric vehicles. Sustainable Cities and Society, 80, 103785.
-Hajiaghaei-Keshteli, M., Salehi-Amiri, A., Akbapour, N., Gajpal, Y., & Jabbarzadeh, A. (2022). Designing an effective two-stage, sustainable, and IoT based waste management system. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 157, 112031. doi.org/10.1016/j.rser.2021.112031
-Hess, C., Dragomir, A. G., Doerner, K. F., & Vigo, D. (2024). Waste collection routing: a survey on problems and methods. Central European Journal of Operations Research, 32(2), 399-434.
-Komilis, D. P. (2008). Conceptual modeling to optimize the haul and transfer of municipal solid waste. Waste management, 28(11), 2355-2365. doi.org/10.1016/j.wasman.2007.11.004
 
 -Liu, L., & Liao, W. (2021). Optimization and profit distribution in a two-echelon collaborative waste collection routing problem from economic and environmental perspective. Waste Management, 120, 400-414.
-Liu, X., Chen, Y.-L., Por, L. Y., & Ku, C. S. (2023). A Systematic Literature Review of Vehicle Routing Problems with Time Windows. Sustainability, 15(15), 12004.
-Malmir, T., & Tojo, Y. (2016). Municipal solid waste management in Tehran: Changes during the last 5 years. Waste Management & Research, 34(5), 449–456.
-Marks, D. H., & Liebman, J. C. (1971). Location models: solid waste collection example. Journal of the Urban Planning and Development Division, 97(1), 15-30.
-Mihai, F. C., & Grozavu, A. (2019). Role of waste collection efficiency in providing a cleaner rural environment. Sustainability, 11(23), 6855. doi.org/10.3390/su11236855
-Moazzeni, S., Tavana, M., & Darmian, S. M. (2022). A dynamic location-arc routing optimization model for electric waste collection vehicles. Journal of Cleaner Production, 364, 132571.
-Paily, P. P. (2006). Optimal siting of solid waste transfer stations for minimizing haul costs. In Joint International conference on Computing and Decision making in Civil and Building Engineering, Montreal, Canada (June 14-16).
-Pakravan, P. and Behnamian, J. (2019). Undesirable Facility Location under Uncertainty: Modeling and Algorithm. Research in Production and Operations Management, 10(1), 1-23.
-Palar, P. S., & Renganathan, A. (2024). Reliability-oriented Sensitivity Analysis using Shapley Additive Explanations and Polynomial Chaos Expansion. In AIAA SCITECH 2024 Forum­, 0789-0790.
-Rahmanifar, G., Mohammadi, M., Sherafat, A., Hajiaghaei-Keshteli, M., Fusco, G., & Colombaroni, C. (2023). Heuristic approaches to address vehicle routing problem in the Iot-based waste management system. Expert Systems with Applications, 220, 119708.
-Rathore, P., Sarmah, S.P., & Singh, A. (2019). Location–allocation of bins in urban solid waste management: a case study of Bilaspur city, India. Environment, Development and Sustainability, 22, 3309-3331.
-Rattanawai, N., Arunyanart, S., & Pathumnakul, S. (2024). Optimizing municipal solid waste collection vehicle routing with a priority on infectious waste in a mountainous city landscape context. Transportation Research Interdisciplinary Perspectives, 24, 101066. doi.org/10.1016/j.trip.2024.101066
-Sadjadi, S. J., Habibi, F., Asadi, E., & Barzinpour, F. (2017). A multi-objective robust optimization model for site-selection and capacity allocation of municipal solid waste facilities: A case study in Tehran. Journal of cleaner production, 166, 816-834. doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.08.063
-Shahbazi, A., Moeinaddini, M., Abdoli, M. A., Hosseinzadeh, M., Jaafarzadeh, N., & Sinha, R. (2023). Environmental Damage of Different Waste Treatment Scenarios by Considering Avoided Emissions Based on System Dynamics Modeling. Sustainability15(23), 16158.
-Shang, C., Ma, L., Liu, Y., & Sun, S. (2022).The sorted-waste capacitated location routing problem with queuing time: A cross-entropy and simulated-annealing-based hyper-heuristic algorithm. Expert Systems with Applications, 201, 117077. doi.org/10.1016/j.eswa.2022.117077
-Shawky, W., Azab, A., & Kassem, S. (2022, June). Solving the Open Route Capacitated Periodic Vehicle Routing Problem with Time Windows to Service Microgrids Powered by Uncertain Renewable Generation. In International Manufacturing Science and Engineering Conference, Vol. 85819, V002T06A001. American Society of Mechanical Engineers.
-Tavares, G., Zsigraiova, Z., Semiao, V., & Carvalho, M. G. (2009). Optimisation of MSW collection routes for minimum fuel consumption using 3D GIS modelling. Waste Management (New York, N.Y.), 29(3), 1176–1185.
-Tirkolaee, E. B., Goli, A., Gütmen, S., Weber, G. W., & Szwedzka, K. (2023). A novel model for sustainable waste collection arc routing problem: Pareto-based algorithms. Annals of Operations Research, 324(1), 189-214.
 -Tirkolaee, E. B., Mahdavi, I., & Esfahani, M. M. S. (2018). A robust periodic capacitated arc routing problem for urban waste collection considering drivers and crew’s working time. Waste Management, 76, 138-146.
-United Nations Human Settlements Programme (UN-Habitat). (2010). Collection of municipal solid waste in developing countries. UNON, Publishing Services Section.
-Wang, Y., Zhe, J., Wang, X., Fan, J., Wang, Z., & Wang, H. (2022). Collaborative multicenter reverse logistics network design with dynamic customer demands. Expert Systems with Applications, 206, 117926.
-Wei, C., Wøhlk, S., & Che, A. (2024). A multi-level capacitated arc routing problem with intermediate facilities in waste collection. Computers & Operations Research, 167, 106671.
-Wright, N., Subedi, D., Pantha, S., Acharya, K. P., & Nel, L. H. (2021). The Role of Waste Management in Control of Rabies: A Neglected Issue. Viruses, 13(2), 225-226.
-Wu, L. (2022). Multiobjective Multidepot Capacitated Arc Routing Optimization Based on Hybrid Algorithm. Journal of Advanced Transportation, 2022(1), 1846681.
-Zabihian-Bisheh, A., Pourrezaie-Khaligh, P., Farrokhi-Asl, H., WT Lim, S. F., Rabbani, M., & Khamechian, M. (2022). Multi-depot green capacitated location routing problem considering uncertainty and in-facility queuing. Cleaner Waste Systems, 2, 100011.doi.org/10.1016/j.clwas.2022.100011
-Zabihian-Bisheh, A., Vandchali, H. R., Kayvanfar, V., & Werner, F. (2024). A sustainable multi-objective model for the hazardous waste location-routing problem: A real case study. Sustainable Operations and Computers, 5, 1-14.
-Zhang, D., Shi, L., Shi, Y., Gao, Y., & Wang, Q. (2025). Reconcile autonomous garbage truck and workload for multiple-period waste pickup schedule considering service frequency for industry 5.0. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 200, 104171. doi.org/10.1016/j.tre.2025.104171