Quy hoạch tổng thể quốc gia đề ra chỉ tiêu phấn đấu đến năm 2030, tỷ lệ chất thải rắn sinh hoạt đô thị được thu gom, xử lý theo tiêu chuẩn, quy chuẩn đạt 95%. Đối với quản lý môi trường đô thị, việc xã hội hóa công tác thu gom và vận chuyển đã ảnh hưởng tích cực đến tỷ lệ thu gom và vận chuyển CTRSH. Theo Bộ tài nguyên và Môi trường, tỷ lệ thu gom CTRSH đã có cải thiện qua các năm, trung bình từ 78% (năm 2008) tăng lên 92% (năm 2019). Trong đó, tỷ lệ thu gom CTRSH khu vực nội thành các đô thị đặc biệt, đô thị loại I rất cao, từ 95,5% (Cần Thơ) đến 100% (TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng). Bên cạnh đó, dịch vụ thu gom đã được mở rộng tới các đô thị loại V. Tại các đô thị, đơn vị chức năng tổ chức thu gom tại nhà, thu gom theo cụm dân cư và thu gom tại các vị trí công cộng.
Mặc dù, người dân có đóng phí vệ sinh môi trường định kỳ, tuy nhiên khoảng phí này chỉ đủ chi trả khoảng 20 - 25% chi phí thu gom và vận chuyển chất thải rắn sinh hoạt đô thị, phần còn lại từ ngân sách của địa phương, do Ủy ban nhân dân các tỉnh, thành phố xem xét, quyết định, thường từ 48 – 55% chi phí dịch vụ công ích đô thị. Tuy nhiên, vẫn tồn tại hiện tượng mỗi địa phương ban hành một mức phí vệ sinh môi trường khác nhau tạo sự thiếu đồng bộ, thống nhất. Việc áp dụng định mức giá dịch vụ thu gom bằng cơ giới thấp hơn nhiều so với thủ công đã không khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư đổi mới công nghệ, thiết bị hiện đại để tăng năng suất, giảm lao động nặng nhọc cho công nhân. Thông thường, tại các khu vực thu nhập thấp, chi phí thu gom, vận chuyển CTRSH thường chiếm 70 – 90% chi phí quản lý CTR đô thị. Do đó, để tăng năng suất, giảm chi phí hoạt động, việc tối ưu hóa các lộ trình thu gom là việc cần thiết đối với đơn vị thu gom, vận chuyển.
Việc tối ưu hóa lộ trình đã được áp dụng rộng rãi đối với ngành dịch vụ vận tải, tuy nhiên đối với công tác thu gom CTR đô thị thì vẫn còn hạn chế. Hiện tại, các đơn vị thu gom trên địa bàn thành phố xây dựng lộ trình còn thủ công, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người lao động, và họ cần am hiểu địa hình, tình hình giao thông tại khu vực phụ trách. Người lao động tự xác định lộ trình làm việc theo thói quen và điều chỉnh dần nên mất nhiều thời gian và không có cơ sở. Mục tiêu chung trong việc quy hoạch lộ trình thu gom là giảm số chuyến (cắt giảm phương tiện, nhân công) cũng như giảm quãng đường di chuyển (tiết kiệm thời gian, nhiên liệu). Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa lộ trình thu gom sẽ cải thiện đáng kể năng suất lao động, tiết kiệm thời gian và công sức, tăng tính cạnh tranh giữa các đơn vị thu gom. Các phương pháp tối ưu sử dụng phổ biến như GIS, hoặc đồ thị mô hình có trọng số. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là tối ưu hóa lộ trình thu gom sơ cấp chất thải rắn sinh hoạt tại Quận Sơn Trà, Thành phố Đà Nẵng bằng mô hình đồ thị có trọng số.
1. Giải quyết vấn đề
1.1. Phương pháp nghiên cứu
1.1.1. Khu vực nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành tại quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng, phạm vi nghiên cứu được lựa chọn là các khu dân cư có lộ trình thu gom sơ cấp chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) được Xí nghiệp môi trường (XNMT) Sơn Trà (thuộc URENCO Đà Nẵng) quản lý. Hoạt động thu gom CTRSH tại các quận thực hiện qua các phương thức chính bao gồm: thu gom tại cụm dân cư (thùng rác đặt cố định trên đường phố, thùng rác đặt theo giờ), thu gom tại nhà (xe ba gác, xe cuốn ép). Tổng khối lượng chất thải rắn thu gom trên địa bàn quận Sơn Trà khoảng 185 tấn/ngày. Chất thải rắn thu gom ở các phường An Hải Đông, An Hải Bắc, Nại Hiên Đông, Mân Thái trên 24 tấn/ngày, đặc điểm ở các phường này là mật độ dân cư đông, nhiều cơ sở kinh doanh dịch vụ lớn và chợ. Phường An Hải Tây, Phước Mỹ, Thọ Quang có lượng chất thải rắn thu gom dưới 20 tấn/ngày. Tại thời điểm tiến hành nghiên cứu (tháng 3 năm 2023), XNMT Sơn Trà đang quản lý 28 công nhân phụ trách 247 lộ trình thu gom sơ cấp CTRSH hàng ngày.
1.1.2. Phương pháp khảo sát
Phương pháp thu thập dữ liệu được thực hiện bằng việc khảo sát trực tiếp tại khu vực nghiên cứu. Dựa trên kế hoạch sản xuất của Xí nghiệp môi trường Sơn Trà, nhóm nghiên cứu liên hệ với công nhân phụ trách để thu thập thông tin liên quan đến thời gian, địa điểm làm việc tại các lộ trình khảo sát. Bắt đầu lộ trình thu gom, điều tra viên sẽ di chuyển theo công nhân bằng phương tiện cá nhân, sử dụng ứng dụng Locus map trên điện thoại thông minh để ghi lại các thông tin liên quan bao gồm: lộ trình khảo sát, tọa độ điểm tập kết (ĐTK), tọa độ điểm bắt đầu (ĐBĐ), tọa độ điểm kết thúc (ĐKT). Mỗi lộ trình thu gom bao gồm 03 giai đoạn:
Di chuyển đến: bắt đầu từ “điểm tập kết” di chuyển đến “điểm thu gom đầu tiên”.
Thu gom: Bắt đầu từ “điểm thu gom đầu tiên” đến “điểm thu gom cuối cùng”.
Di chuyển về: Bắt đầu từ “điểm thu gom cuối cùng” đến “điểm tập kết”.
Thời gian khảo sát từ tháng 12 năm 2022 đến tháng 3 năm 2023. Mỗi lộ trình được tiến hành khảo sát lặp lại 3 lần vào các thời điểm khác nhau nhằm đảm bảo tính đại diện.
1.1.3. Phương pháp xây dựng bản đồ
Thông tin mỗi bản ghi bao gồm lộ trình khảo sát, hình ảnh điểm bắt đầu lộ trình, điểm bắt đầu thu gom, điểm kết thúc thu gom, điểm kết thúc lộ trình, tọa độ GPS, chú thích được lưu dưới định dạng *.JSON (Javascript Object Notation). JSON có định dạng đơn giản, dễ dàng sử dụng và truy vấn hơn XML nên được sử dụng phổ biến để tạo các bản lưu trong cơ sở dữ liệu. Trong nghiên cứu này, hệ tọa độ VN-2000, múi chiếu 3 độ, kinh tuyến trục 107o45’ được sử dụng tương ứng với khu vực thành phố Đà Nẵng.
Dữ liệu thông tin được xử lý trên QGIS, khoảng cách, thời gian, vận tốc di chuyển ứng với mỗi giai đoạn được phân tích theo dữ liệu thu thập tại hiện trường. Từ kết quả lộ trình thu thập được trên bản đồ QGIS, nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng đồ thị có trọng số bao gồm các đỉnh, khoảng cách giữa các đỉnh để phục vụ cho quá trình tối ưu hóa. Kết quả xử lý trên nền QGIS của dữ liệu khảo sát ngày 26/2/2023 tại khu vực phường Thọ Quang.
1.1.4. Phương pháp phân tích số liệu
Kết quả phân tích được trình bày với giá trị trung bình và độ lệch chuẩn (Mean ± SD). Phép kiểm định so sánh từng cặp (Paired sample t-Test) được áp dụng để phân tích ảnh hưởng của khối lượng CTRSH đến vận tốc di chuyển đến và đi, cũng như phân tích hiệu quả của việc tối ưu hóa lộ trình thu gom đến quãng đường di chuyển. Để so sánh tốc độ di chuyển giữa giai đoạn di chuyển và giai đoạn thu gom, tác giả sử dụng phương pháp phân tích phương sai. Phương pháp phân tích phương sai cũng được sử dụng để so sánh chiều dài, thời gian, vận tốc của các lộ trình thuộc các phường.
1.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là lộ trình thu gom sơ cấp CTRSH bằng xe thô sơ tại quận Sơn Trà, thành phố Đà Nẵng.
1.3. Phương tiện nghiên cứu
Điều tra viên sử dụng điện thoại thông minh có kết nối 4G, có camera, có GPS và được cài đặt phần mềm Locus map để thu thập dữ liệu tại hiện trường. Dữ liệu lộ trình khảo sát, vị trí điểm tập kết, điểm bắt đầu, điểm kết thúc được lưu trữ trong bộ nhớ của điện thoại, sau đó được kết nối với máy tính để tiếp tục xử lý trên QGIS. Dữ liệu về lộ trình, tọa độ được phân tích và trực quan hóa trên phần mềm QGIS. Nhóm nghiên cứu xử lý sơ bộ số liệu với phần mềm MS Excel, sau đó phân tích tương quan và phân tích phương sai trên phần mềm R. Cuối cùng, mô hình tối ưu hóa được thực thi bằng add-ins Open Solver trên phần mềm MS Excel.
1.4. Mô hình đồ thị trọng số
Mô hình đồ thị (Graph, ký hiệu G) có trọng số là một cấu trúc dữ liệu trong đó các cạnh của đồ thị (Edges, ký hiệu E) không chỉ biểu diễn mối quan hệ giữa các đỉnh (Vertices, ký hiệu V) mà còn mang thông tin về mức độ liên kết giữa chúng thông qua trọng số. Trọng số có thể biểu thị các yếu tố như khoảng cách, chi phí, thời gian, hoặc mức độ tương tự giữa các đỉnh. E là tập hợp các cặp (u,v) với u và v là hai đỉnh thuộc V. Bậc của đỉnh v là tổng số cạnh liên thuộc với v và được ký hiệu là deg(v). Trong mạng giao thông, trọng số có thể đại diện cho khoảng cách giữa các địa điểm hoặc thời gian di chuyển giữa chúng. Mô hình đồ thị có trọng số có thể được sử dụng để tối ưu hóa lộ trình di chuyển hoặc dự đoán thời gian đi lại. Để lưu trữ đồ thị và thực hiện các thuật toán, việc biểu diễn, mô tả đồ thị dưới dạng cấu trúc dữ liệu thích hợp là cần thiết, và trong nghiên cứu này ma trận có trọng số được áp dụng.
1.5. Bài toán tối lưu lộ trình thu gom
XNMT Sơn Trà trang bị cho mỗi người công nhân 01 xe thô sơ có thể tích chứa 660L để thực hiện thu gom CTRSH từ các hộ gia đình dọc theo các tuyến đường của quận. Mỗi buổi sáng, xe thu gom xuất phát từ ĐTK, di chuyển đến ĐBĐ để tiến hành thu gom, sau khi đầy xe tại ĐKT, sẽ di chuyển quay về lại ĐTK để hoàn thành một lộ trình. Yêu cầu của bài toán đòi hỏi xe phải đi qua tất cả các con đường có phát sinh CTRSH, và quay về lại ĐTK. Vì vậy, để tiết kiệm chi phí đi lại, bài toán yêu cầu phải quy hoạch được lộ trình di chuyển sao cho quãng đường di chuyển là ngắn nhất.
Bản đồ lộ trình thu gom tại phường Thọ Quang được số hóa bằng ma trận liên thông vô hướng, có trọng số là khoảng cách giữa các đỉnh để biểu diễn các con đường. Các bước tối ưu hóa lộ trình thu gom:
Bước 1: Xác định tất cả các đỉnh bậc lẻ, sử dụng thuật toán Floyed tìm đường đi ngắn nhất giữa mọi cặp đỉnh với nhau.
Bước 2: Xây dựng đồ thị mới là đồ thị đầy đủ với trọng số của mỗi cạnh trên đồ thị đầy đủ là giá trị đường đi ngắn nhất đã tìm được ở Bước 1.
Bước 3: Xác định bộ ghép cực đại có trọng số cực tiểu trên đồ thị đầy đủ.
Bước 4: Sử dụng thuật toán Fleury để kiểm tra chu trình Euler.
2. Kết luận
Nghiên cứu này cho thấy, tiềm năng ứng dụng mô hình đồ thị có trọng số tối ưu hóa lộ trình thu gom sơ cấp chất thải rắn sinh hoạt tại Quận Sơn Trà, Thành phố Đà Nẵng, và kết quả cho thấy, đây là một công cụ để đề xuất thay đổi lộ trình phù hợp hơn so với thực trạng, góp phần cải thiện quãng đường di chuyển, và có thể giảm thiểu chi phí vận hành.
Kết quả phân tích cho thấy, thời gian trung bình của 1 chuyến thu gom là 18,4 ± 4,3 phút, với quãng đường di chuyển trung bình là 2,4 ± 0,3 km. Vận tốc trong quá trình thu gom là 2,3 ± 0,3 km/h, nhỏ hơn rất nhiều so với vận tốc di chuyển đến và về 16,3 ± 4,5 km/h, và sự khác biệt này có ý nghĩa thống kê khi kiểm định bằng phân tích phương sai.
Việc áp dụng mô hình đồ thị có trọng số để tối ưu hóa lộ trình di chuyển giúp cho chiều dài lộ trình thu gom sau khi tối ưu có giá trị trung bình 1,9 ± 0,2 km, thấp hơn 5% - 17% so với quãng đường thực tế là 2,4 ± 0,3 km. Kết quả kiểm định Paired sample t-Test so sánh hai trị trung bình của 2 nhóm khảo sát và tối ưu, kết quả cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê.
Hạn chế của nghiên cứu lần này mới tập trung vào lộ trình thu gom sơ cấp, chưa tính đến các yếu tố có thể ảnh hưởng đến lộ trình thu gom như mật độ giao thông theo thời gian, thói quen sinh hoạt của người dân và cơ sở hạ tầng của lộ trình thu gom thứ cấp. |