基于ABMS的智慧城市建筑废弃物综合管理系统仿真

丁志坤，　王翌飞，　吴金闯

(深圳大学　土木工程学院， 广东　深圳　518060)



基于ABMS的智慧城市建筑废弃物综合管理系统仿真

丁志坤，王翌飞，吴金闯

(深圳大学土木工程学院， 广东深圳518060)

摘要：为了探讨不同调控政策下的建筑废弃物综合管理效益问题，本文采用Agent建模仿真技术对深圳市建筑废弃物管理现状进行了系统分析，并借助智慧城市信息化数据平台构建了深圳市建筑废弃物综合管理系统仿真模型。利用Repast Simphony仿真平台模拟了不同政策情景下政策调控对系统运作效益的影响，研究表明各利益相关者对于建筑废弃物管理的态度及各利益相关者之间的交互作用对于建筑废弃物的有效管理起着重要作用；同时，以深圳市2012年基本政策为基准，从经济层面看，实施宣传教育政策效益最佳，如果考虑环境层面，则同时实施分类分拣、从量收费及宣传教育三种政策效益最佳。研究成果可为政府制定相关管理政策提供一定的理论与技术支撑。

关键词：建筑废弃物；智慧城市；Agent建模仿真技术；Repast Simphony

智慧城市是城市管理革命和发展模式的创新，是现代化城市整合发展的更高形态，通过综合应用现代科学技术(如大数据技术、计算机仿真技术等)、整合信息资源(如城市公共信息平台、政务服务平台、数字空间信息平台等)、统筹城市核心运行系统(如人、政务/业务、交通、环境、能源等)，升级城市规划、建设与管理(如管理创新、制度创新、技术创新等)，推动更全面、更协调、可持续的城市发展[1]。建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流，绿色城市、生态城市、低碳城市等已成为智慧城市可持续发展的必然选择，然而对于智慧城市背景下建筑废弃物管理的探索则刚刚起步，具有很大的开拓空间。

据统计，我国每年建筑废弃物的产生量已经占到城市垃圾总量的40%左右，每年产生量高达3亿t以上，成为继城市生活垃圾之后的第二大固体废弃物[2]。建筑废弃物具有产生量大、毒害大、降解难等特点，加之当前对其回收利用程度很低，绝大多数建筑废弃物则采用露天堆放或填埋方式进行处置，而每堆积1万t则需要消耗能源1758 kW·h、占用土地空间6000 m3、排放二氧化碳90.72 kg[3]，由此造成大量资源消耗，且对环境造成严重污染，极大阻碍智慧城市的建设。由此可见，如何借助当前智慧城市信息化优势探索科学有效的城市建筑废弃物综合管理政策已成为智慧城市建设过程中亟待研究的课题。

目前，对于建筑废弃物的定性、定量做了相关研究。Lu等[4]针对深圳四个在建工程基于现场分类进行了废料率的测算，并比较了不同国家废料率的计算方法。李景茹等[5]基于建筑材料的质量守恒原则提出了计算单位建筑面积的废弃物产出量量化模型。上述研究为采用仿真方法定量预测建筑废弃物数量奠定了基础，但以上研究只考虑了影响废弃物产生的客观因素，而对其主观影响因素缺乏分析。对于利益主体态度与行为研究方面，Al-Sari等[6]研究表明人的因素对于建筑废弃物的产生具有重要的作用。基于计划行为理论与问卷数据，李景茹等[7]建立结构方程模型，发现施工现场利益主体的建筑废弃物减排控制认知对行为有直接显著的影响。Knoeri等[8]基于案例研究及层次分析法，发现相关利益主体的决策行为主要源于不同利益主体之间的交互作用。上述研究表明各利益主体的行为交互对于废弃物管理的影响已逐渐引起学者的重视，但以上研究未从系统层面将建筑废弃物涉及到的各类利益主体进行全面的考虑。对于宏观政策研究则主要集中于经济和管理政策上。大量研究均表明通过从量收费[9]、提倡分类分拣、宣传教育[10]等政策措施可以促进建筑废弃物有效管理，但实施相关政策究竟会带来怎样的量化效果，却无从验证，在现实世界又无法进行实验。因此，迫切需要一种能够量化政策执行效果的仿真平台。同时，《国家智慧城市试点指标体系》中对于智慧管理与服务下的政府服务指标明确要求建立支撑政府决策的信息化手段，以期为政府提供决策支持，因此，建立建筑废弃物综合管理系统仿真模型更是成为助推城市智慧发展的必然要求，从而达到模拟-政策调控-知识涌现-模拟的良性循环。

城市建筑废弃物一直是困扰我国社会经济发展和环境治理的重大城市问题。智慧城市要可持续发展，必须用系统科学、复杂性科学的观点考虑问题、指导社会经济发展战略和计划的制定。本文以复杂适应系统理论为理论依据，利用Agent建模仿真技术(Agent-based Modeling and Simulation, ABMS)，借助Repast Simphony计算机仿真平台，构建了深圳市建筑废弃物综合管理系统仿真模型，并以深圳市新建工程住宅项目为例，探索分析了建筑废弃物政策调控如何影响建筑废弃物综合管理效果。

1建筑废弃物综合管理系统分析

1.1建筑废弃物综合管理系统分析与Agent识别

结合深圳市实际情况和本文研究目的，可以提炼出建筑废弃物综合管理系统包括以下4个子系统：建筑废弃物排放子系统、综合处理子系统、管理政策子系统、环境经济评价子系统，其相互关系及每一类子系统所包含的Agent如图1所示，这些子系统即为建筑废弃物综合管理系统仿真模型的系统边界。

图1　深圳市建筑废弃物综合管理系统分析

1.1.1建筑废弃物排放子系统

从理论上讲，从事建设活动的行为人都是该子系统中的主体，但考虑到设计人员与施工人员对建筑废弃物管理具有关键影响，因此，本研究主要考虑设计人员(Designer Agent)和施工人员(Constructor Agent)两类主体以及建设工程项目(Project Agent)本身。另外，数据收集人员负责统计系统中的宏观指标，如不同设计人员进行减量化设计的源头减废率的平均值等。

1.1.2建筑废弃物综合处理子系统

从现有文献研究来看，收集的废弃物经分类分拣后主要通过再利用、回收利用以及填埋场填埋等方式处置。不同处理方式对应不同的Agent，此处主要分为建筑废弃物收集、分类、再利用、回收利用、填埋等主体，考虑到模型的简洁性，将收集、分类分拣行为赋予施工人员(Constructor Agent)来执行，而再利用、回收利用、填埋行为赋予处置人员(Disposal Agent)来执行。

1.1.3建筑废弃物管理政策子系统

政府作为行政监督职能部门，可通过政策手段或制定相关法规来监督建设活动，惩罚非法倾倒行为，通过补贴减税等措施激励设计单位和施工单位积极推进减量化管理。为了规范建筑废弃物管理，深圳市政府先后颁布了《深圳市建筑废弃物减排与利用条例》、《建筑废弃物减排技术规范》等法规，有效促进了深圳市建筑废弃物管理。本文将政府职能赋予政府主体(Government Agent)，执行修订改善法律法规、监督执法、制定填埋场从量收费价格、资源化厂财政补贴标准等行为。

1.1.4建筑废弃物环境经济评价子系统

在该子系统中，评估主体(Evaluation Agent)负责计算建筑废弃物综合管理的环境效益和经济效益。根据Yuan等[11]研究，建筑废弃物综合管理所获得的经济效益引用经济学中机会成本的概念，本文把相比正常情况下，建筑废弃物由产生到最终处理所需要耗费的总成本的节省值定义为废弃物综合管理的经济效益。根据建筑废弃物排放子系统和综合处理子系统的废弃物物质流向，可以将废弃物管理划分为以下八个阶段，各阶段成本变量如表1所示。同理，把正常情况下建筑废弃物由产生到处理所带来环境负荷的减少定义为建筑废弃物综合管理的环境效益。根据高永强[12]的研究，建筑废弃物综合管理环境效益评价体系主要包括能源消耗、资源消耗、全球变暖以及填埋空间四大类，同时各阶段对应产生的环境影响见表2。

表1　建筑废弃物综合管理经济效益相关成本变量

表2　建筑废弃物综合管理环境效益指标及影响阶段

1.2建筑废弃物综合管理系统数据收集与分析

深圳市作为智慧城市建设的领跑者，充分把握信息科技发展机遇，不断拓展信息化应用领域，构建了深圳数字空间基础信息平台、深圳市住房和建设局数据开放平台以及政务信息资源交换平台等数据信息平台，努力打造智慧深圳。基于此，本文仿真模型中所用到的建筑信息数据均来自深圳市数据化信息平台(图2)，为模型构建起到至关重要的数据支撑作用。例如，根据深圳市住建局数据信息服务平台获取新建工程住宅项目的总建筑面积、计划开工日期和计划竣工日期等，然后以2012年1月1日为基准点折算出具体的施工进度计划，从而明确了各Project Agent进入模型的时间序列。除此之外，本文还通过文献分析以及实际调研方法获取部分基础数据，例如，Constructor Agent关于建筑废弃物分类分拣的认知水平、态度、主观规范等，当前减量化施工管理的应用水平和期望水平，Designer Agent减量化设计技术的应用水平和期望水平，工程项目距离填埋场、回收利用企业的距离等。

图2　深圳市住房和建设局数据开放平台公示工程基本信息示例

2建筑废弃物综合管理系统建模

根据上述对于建筑废弃物综合管理系统的分析及数据收集，可以确定系统中主要研究对象包括Constructor、Designer、Disposal、Evaluation、Government等工程项目各相关利益主体。下面则可以针对各个Agent对象建立可计算模型，并在软件平台中编程实现。

2.1建立可计算模型

在建筑废弃物综合管理系统中，Agent设计可以从以下四个方面进行，这里以建筑废弃物排放子系统中Constructor Agent为例来说明。

(1)Agent的目标，不同Agent目标各不相同。Constructor Agent在施工过程中一般以安全第一、质量可靠、进度合理为主，同时追求经济利益最大化为目标。

(2)Agent的属性，指特定Agent区别于其他Agent的特征表现，仿真过程中Agent可以根据相应规则不断更新自身属性值以更好适应环境。对于Constructor Agent，模型初始化时其实施分类行为具有特定态度值，如果实施后带来正的经济或环境效益，则可能促使其态度值增大、更积极地实施分类行为。每个仿真步，Constructor Agent均可权衡实施减量化施工管理技术所花费的成本与获得收益的大小，从而决定是否改进减废技术应用水平。

(3)Agent的行为，指Agent的能动性以及适应性的具体表现。Constructor Agent的行为包括完成施工任务、与其他Agent交互、判断当前非法倾倒风险等。在仿真过程中Constructor Agent在程序中通过调用各种方法来实现自身行为。

(4)Agent的知识，指指导Agent行为的控制信息，可以是科学理论、生产技术、决策方法或者某些交互信息。以Constructor Agent判断是否进行非法倾倒行为为例，如果实施非法倾倒被执法部门罚款的金额小于将废弃物运往填埋场的费用，那么则选择非法倾倒，如果前者大于后者，则考虑运往填埋场填埋。

基于上述分析，Constructor Agent模型见图3，同理可得其它Agent模型，此处不再赘述。

图3　Constructor Agent模型

2.2建筑废弃物综合管理系统实现

本节在上述系统建模基础上，利用Repast Simphony 2.2开发工具，采用Java编程技术，编程实现深圳市建筑废弃物综合管理系统仿真模型。实施正确性校检，排除程序中的错误，保证模型实现的准确性。根据上述建筑废弃物综合管理系统分析，本文构建CWMmodel结构如表3所示。

表3　CWMmodel模型结构

其中，CWMmodel.Agents包主要为建筑废弃物综合管理各子系统所识别的Agent集合，根据2.1节各Agent目标、属性、行为和知识规则，构建各类Agent的类图，下面以Constructor Agent类图(图3)为例做简要说明：其中Constructor( )为构造函数，用于创建Constructor Agent类对象，step( )函数控制其在二维网格空间中的移动规则，三个calculate...( )函数随着仿真时间步的推进更新相应的属性值，instigate( )函数将Green Constructor怂恿为Constructor而执行Constructor类的相应方法(若为Green Constructor，则此处为educate方法，将Constructor教育成Green Constructor，执行Green Constructor相应方法)，get Attribute( )函数向其它Agent传递Constructor的私有属性值。Constructor类图中各函数方法控制相应行为的规则，以step( )函数为例(见表4)。

表4　Constructor类中Step()方法

3政策仿真分析

3.1仿真工具

Repast Simphony借助Eclipse开发平台，体现友好的图形用户界面(GUI)，建模者可以利用GUI图形用户界面创建数据集，通过Batch-Run功能，输出多次仿真结果，通过数据分析软件统计分析仿真结果。另外，该界面可以根据模型设置显示Agent Display视图，以便动态观察Agent之间的交互作用，并显示相关动态变化图表信息。本文则可以利用GUI窗口实现初始参数的设置、调整、动态显示主体之间的交互关系以及输出数据变化规律，如图4所示。

图4　主要参数输入、Agent演示及数据输出窗口

表5　不同调控政策的参数取值空间

3.2政策仿真

本研究以深圳市建筑废弃物综合管理系统2012年基本政策为参照，针对分类分拣、从量收费和宣传教育三种政策独立执行及组合执行进行重复仿真实验，检验不同政策的管理效果。针对政策执行效果的评估，从经济和环境效益两方面，采用数理统计方法对实验结果进行量化分析，挖掘不同利益主体行为选择与政策调控之间的动态演化关系，找出有效的调控政策。不同调控政策的参数取值空间如表5所示。由于文章篇幅有限，本文仅对建筑废弃物综合管理调控政策模型与基本政策模型相比较，计算出经济效益和环境效益，最后以图表形式输出不同调控政策下的比较结果。

3.2.1建筑废弃物综合管理经济效益分析

根据图5a可知，基本调控政策，单独调控分类分拣、从量收费、宣传教育政策，同时调控分类分拣、从量收费、宣传教育三种政策等五种情况下建筑废弃物综合管理的经济成本随时间的累积值。以基本调控政策为基准，另外四种情况节约的经济成本即为经济效益，具体见图5b。根据图5，当仿真tick=366时(仿真以日为时间步)，单独调控分类分拣政策经济效益为1314.28万元，单独调控从量收费政策经济效益为1.34亿元，单独调控宣传教育政策的经济效益是1.79亿元，同时调控三种政策的经济效益是1.73亿元。经分析可知，单就经济效益而言，单独调控宣传教育政策获得最大经济效益，而同时调控三种政策的组合政策稍显劣势，单独调控从量收费政策次之，单独调控分类分拣政策最差。因此，就经济效益而言，单独调控宣传教育政策经济效益最佳，让主体之间自主交互，通过减量化设计与绿色施工管理技术的传播与扩散，从而改善整个建筑废弃物管理系统中Agent的属性来促进建筑废弃物综合管理，故而建议组织专题研讨会、主题沙龙、岗前培训等措施促进施工方和设计方之间环保理念和建筑废弃物综合管理技术的传播，改进其建筑废弃物减量化设计和绿色施工管理水平等。

图5　不同政策调控下建筑废弃物综合管理经济成本与效益

3.2.2建筑废弃物综合管理环境效益分析

根据仿真结果，同样可以得到不同调控政策下能源消耗量、资源耗竭潜力、二氧化碳排放量以及土地占用空间等指标的环境效益。当仿真tick=366时，不同政策调控下建筑废弃物综合管理环境效益各指标累积值见表6，同时调控三种政策情况下，能源消耗量、资源耗竭潜力、二氧化碳排放量以及土地占用空间等指标的环境效益均比其他调控政策获得的环境效益大，单独调控宣传教育政策略次之，其次是调控从量收费政策，最差是调控分类分拣政策。

表6　不同政策调控下建筑废弃物综合管理环境效益

就环境效益而言，当同时调控三种政策时，能源消耗、资源耗竭潜力、二氧化碳排放量及土地占用空间等方面的效益最佳，故建议鼓励施工方在废弃物进入处理处置阶段前，先进行现场分类分拣，同时提高废弃物非法倾倒罚款额与卫生填埋的单位价格，降低公众填埋的单位价格，促进其将废弃物物质流向循环利用、回收资源化以及公众填埋等环保型处理处置方式流动，再者提高宣传教育水平，三种政策共同作用，以提高建筑废弃物综合管理的环境效益。

4结论

随着近年来建筑废弃物产生量不断增长，对人们生活环境及社会发展带来巨大的负面影响，成为智慧城市建设中亟待解决的问题，不仅引起了政府部门的高度重视，而且也成为研究的热点。本文通过文献梳理与分析，在前人研究基础上提出基于Agent建模仿真方法构建深圳市建筑废弃物综合管理系统，进行仿真实验的研究思路。然后以深圳市新建工程住宅项目为例，进行管理政策调控实验分析，并得出如下结论：

(1)各个利益相关者对于建筑废弃物管理的态度及各个利益相关者之间的交互作用对于建筑废弃物的有效管理起着重要的作用。因此，应加强专业知识培训，改善设计人员减量化设计能力以及施工人员绿色施工技术水平，提高源头减废率；加强执法监督力度，提高施工人员环保理念，降低非法倾倒率；组织专题研讨活动，促进各相关利益主体的沟通与交流，推动建筑废弃物综合管理技术和知识的传播与扩散，使行业整体提高分类分拣率、循环利用率及回收资源化率等。

(2)以深圳市建筑废弃物综合管理系统2012年基本政策为基准，就经济效益而言，单独执行宣传教育政策经济效益最佳；而就环境效益而言，当三种管理政策同时实行时，能源消耗、资源耗竭潜力、二氧化碳排放量及土地占用空间等方面的效益最佳。因此，应大力推进宣传教育活动，同时施行从量收费政策，改变相关利益主体的内部决策模块及外部环境，促使其积极主动地进行建筑废弃物综合管理，降低经济成本，增加环境效益。

参考文献

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ABMS Based System Simulation on the Integrated Construction Waste Management of Smart City

DingZhi-kun,WangYi-fei,WuJin-chuang

(College of Civil Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

Abstract:In order to explore the performance of integrated construction waste management (ICWM) under different policies, an agent-based modeling and simulation approach is applied to systematically analysis ICWM, and the simulation model of ICWM is built based on the informatization data platform of Smart City. Then, the system dynamic evolution principles under different policy scenarios are simulated by the Repast Simphony to explore how different policies affect system economic and environmental performance. The results show that the various stakeholders’ attitude to the construction waste management and the interactions between them are critical to the effective ICWM. Based on the strategy for Shenzhen ICWM in 2012 as a benchmark, publicity and education strategy is identified as the best policy in terms of economic benefits while the triangulated policy of source separation, pay-as-you-throw, publicity and education could achieve the best environmental benefits. The findings could provide the theoretical and technical support for the government to develop management policies.

Key words：construction waste; smart city; Agent-based modeling and simulation; Repast Simphony

收稿日期：2015-11-05修回日期： 2015-12-26

作者简介：丁志坤(1978-)，男，山东莱州人，副教授，博士，研究方向为建筑废弃物管理、技术创新、知识管理 (Email:ddzk@szu.edu.cn)

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金(71202101)

中图分类号：X799.1；TU18

文献标识码：A

文章编号：2095-0985(2016)03-0040-07