Strumenti ICT per una gestione efficiente dei sistemi di raccolta e trattamento dei rifiuti solidi urbani

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1 Strumenti ICT per una gestione efficiente dei sistemi di raccolta e trattamento dei rifiuti solidi urbani Prof. ing. Gianpaolo Ghiani1 Università del Salento & Itaca srl

2 ICT e Igiene Ambientale Igiene Ambientale: settore tradizionalmente low-tech in Italia ERP: programmazione aggregata produzione, gestione scorte, schedulazione a capacità finita ERP: fleet management ERP: vendor-managed resupply Tagli di bilancio + ICT a basso costo: nuovo trend

3 ICT e Igiene Ambientale L applicazione di gran lunga più diffusa è il monitoraggio flotte mediante tecnologie GPS/GPRS Purtroppo, essa non soddisfa le esigenze più rilevanti del settore Igiene Ambientale

4 ICT e Igiene Ambientale Per contro, l utilizzo di ICT è molto più esteso all estero Obiettivo di questa relazione: illustrare stato arte internazionale attività di R&D svolte da UniCal, UniSalento e Itaca

5 ICT e Igiene Ambientale PARTE I Logistica dei servizi di igiene ambientale (in particolare della raccolta dei rifiuti) PARTE II Pianificazione della capacità degli impianti di trattamento e smaltimento rifiuti

6 PARTE I - Logistica dei servizi di igiene ambientale

7 Servizi di Igiene Ambientale Raccolta di rifiuti umidi presso postazioni e/o porta a porta Raccolta di carta/vetro/ presso postazioni e/o porta a porta Raccolta di cartoni da imballaggio c/o esercizi comm.li Raccolta di rifiuti ingombranti on-demand Spazzamento manuale/meccanizzato di strade e piazze Pulizia straordinaria di aree mercatali Lavaggio cassonetti Spargimento sale antigelo

8 ICT per i servizi di igiene ambientale Supporto decisionale alla pianificazione Localizzazione delle postazioni di raccolta Zonizzazione del territorio per i diversi servizi Determinazione delle frequenze e dei giorni di raccolta Turnazione degli addetti e schedulazione dei veicoli Supporto decisionale alla gestione Revisione settimanale/quotidiana della turnazione Monitoraggio del servizio Certificazione del servizio Analisi di business intelligence

9 Letteratura scientifica (selezione) L. D. Bodin, G. Fagin, R. Welebny and J. Greenberg (1999), The design of a computerized sanitation vehicle routing and scheduling system in the town of Oyster Bay, New York, Computers and Operations Research 16, C. Caruso, A. Colorni, M. Paruccini 2003), The regional urban solid waste management system: a modeling approach, European Journal of Operational Research 70, W. G. Ferrell and H. Hizlan (2007), South Carolina counties use a mixed-integer programming-based decision support tool for planning municipal solid waste management, Interfaces 27\4, C. Berger, G. Savard and A. Wizere (2006), EUGENE: an optimization-based Decision Support System for long-term integrated regional waste management planning, International Journal of Environment and Pollution 13, T. Kulcar (2008). Optimizing solid waste collection in Brussels, European Journal of Operational Research 90,

10 Logistica dei servizi di igiene ambientale Adozione di queste funzionalità avanzate è stata favorita da: Disponibilità di HW sempre più potenti a costi decrescenti Disponibilità di algoritmi di ottimizzazione più sofisticati Disponibilità di cartografie digitali in formato standard (ad esempio shape file) Disponibilità di GIS open-source Disponibilità di dispositivi palmari che rendono possibile, se opportunamente dotati di SW specifico, di alimentare i DSS con dati reali (ad esempio, sui tempi di percorrenza effettiva della rete stradale in determinate fasce orarie) Disponibilità di dispositivi GPS e/o RFID che consentono potenzialmente di certificare l avvenuto servizio e di rendere l informazione disponibile per l utenza (ad esempio, sul web)

11 Esempio

12 ATO Planner versione embedded in OpenJump

13 ATO Planner versione embedded in OpenJump

14 Funzionalità GENERAZIONE DI SCENARI OPERATIVI ATO Planner permette di generare, sulla base di una analisi dei dati storici (individuazione del trend e delle stagionalità), i più probabili scenari operativi su cui effettuare il dimensionamento delle risorse. ZONIZZAZIONE ATO Planner consente di definire la zonizzazione a costo minimo per ciascun servizio di igiene ambientale, nel rispetto dei vincoli operativi, quali la capacità dei veicoli, la durata dei turni, l ubicazione dei depositi e delle discariche/impianti, le restrizioni all accessibilità nei centri storici, le compatibilità tra veicoli e cassonetti, ecc. LOCALIZZAZIONE DELLE POSTAZIONI DI RACCOLTA ATO Planner consente di localizzare (laddove siano richieste) le postazioni di raccolta e di allocare le diverse tipologie di cassonetti alle postazioni stesse. L obiettivo è la minimizzazione dei costi operativi, evitando il traboccamento dei cassonetti ed assicurando che l utenza possa raggiungere agevolmente le postazioni. TURNAZIONE DI MEZZI ED ADDETTI ATO Planner permette di definire la schedulazione delle attività e la turnazione del personale e dei veicoli con l obiettivo di minimizzare il costo delle risorse utilizzate nel rispetto delle frequenze di servizio richieste. MONITORAGGIO E CERTIFICAZIONE ATO Planner permette inoltre di monitorare lo svolgimento delle attività di igiene ambientale, nel rispetto delle norme sulla privacy, e di certificarne l effettiva esecuzione, con l ausilio di dispositivi GPS, consentendo un eventuale pubblicazione di notifiche sul web.

15 1.1 Generazione scenari operativi GENERAZIONE DI SCENARI OPERATIVI ATO Planner permette di generare, sulla base di una analisi dei dati storici (individuazione del trend e delle stagionalità), i più probabili scenari operativi su cui effettuare il dimensionamento delle risorse. CER=200301

16 1.2 Localizzazione postazioni di raccolta LOCALIZZAZIONE DELLE POSTAZIONI DI RACCOLTA ATO Planner consente di localizzare (laddove siano richieste) le postazioni di raccolta e di allocare le diverse tipologie di cassonetti alle postazioni stesse. L obiettivo è la minimizzazione dei costi operativi, evitando il traboccamento dei cassonetti ed assicurando che l utenza possa raggiungere agevolmente le postazioni. Indicazioni dell utente Le postazioni di raccolta potenziali e le relative lunghezze lineari; le dimensioni e le capacità delle diverse tipologie di cassonetti; la distanza massima utente-postazione (centro, periferia, ) Output

17 Input

18 Output (1)

19 Output (2)

20 Output (3)

21 Test case Bianco Igiene Ambientale srl Cantiere : area urbana e marine di Nardò (LE) Superficie di 190 km abitanti Rilevanti stagionalità della generazione (migrazione estiva della popolazione verso le aree marine adiacenti)

22 Test case Postazioni 142 CER= (rifiuti urbani indifferenziati) Postazioni attivate Postazioni non attivate Centro urbano 332 N CENTROIDI 386 TASSO DI GENERAZIONE RIFIUTI (kg/ab*gg) 1,3 N POSTAZIONI POTENZIALI N POSTAZIONI ATTIVATE Δ % ,0

23 Test case N CENTROIDI TASSO DI GENERAZIONE RIFIUTI (kg/ab*gg) 1,2 1,4 N POSTAZIONI POTENZIALI N POSTAZIONI ATTIVATE Δ % ,9-42,2

24 1.3 Zonizzazione ZONIZZAZIONE ATO Planner consente di definire la zonizzazione a costo minimo per ciascun servizio di igiene ambientale, nel rispetto dei vincoli operativi, quali la capacità dei veicoli, la durata dei turni, l ubicazione dei depositi e delle discariche/impianti, le restrizioni all accessibilità nei centri storici, le compatibilità tra veicoli e cassonetti, ecc. DATI DI INPUT RISORSE Veicoli: struttura compatibilità costi, cassonetti, capienza, vincoli di accessibilità OBIETTIVO Addetti: struttura costi, durata turni, skills Zonizzare il territorio OVVERO stabilire l insieme dei viaggi da effettuare, all interno di un orizzonte temporale di riferimento, per servire tutte le postazioni di raccolta, rispettando i vincoli operativi imposti, al fine di minimizzare il costo complessivo.

25 Zonizzazione

26 Zonizzazione

27 Zonizzazione

28 Zonizzazione

29 Modifiche manuali alla zonizzazione

30 Modifiche manuali alla zonizzazione

31 Modifiche manuali alla zonizzazione

32 Generazione pro capite di 1,3 kg/ab*gg CER= (rifiuti urbani indifferenziati) Centro urbano N ZONE COSTO ANNUO TOTALE ( ) ,22 DURATA MEDIA (min) 260

33 TASSO GEN. (kg/ab*gg) 1,2 1,4 N ZONE 4 6 COSTO ANNUO TOTALE ( ) , ,96 DURATA MEDIA (min)

34 Raffronto economico (gen=1,3 kg/ab*g) N VEICOLI N POSTAZIONI SERVITE N PASSAGGI IN DISCARICA TEMPO TOTALE (h) DISTANZA TOTALE (km) COSTI TOTALI ( ) PIANIFICAZIONE ATTUALE NUOVA PIANIFICAZIONE % , , ,22-35,3-62,3-37,1

35 Raffronto economico (gen=1,4 kg/ab*g) PIANIFICAZIONE ATTUALE NUOVA PIANIFICAZIONE % N POST. SERVITE ,19 N PASS. IN DISC ,5 TEMPO TOT.(h) 48 28,18-41,3 DIST. TOT. (km) , ,08 N VEICOLI COSTI TOTALI ( )

36 Alimentare il DB del DSS con stime aggiornate automaticamente in modo da aumentare l accuratezza della pianificazione

37 Funzionalità: turnazione di veicoli ed addetti TURNAZIONE DI MEZZI ED ADDETTI ATO Planner permette di definire la schedulazione delle attività e la turnazione del personale e dei veicoli con l obiettivo di minimizzare il costo delle risorse utilizzate nel rispetto delle frequenze di servizio richieste. Orizzonte di pianificazione costituito da T giornate (ad esempio, T=6) Ciascun servizio di igiene ambientale: frequenza prestabilita Uno, due o più turni/giorno (ad esempio: 00:00 6:00, 6:00 12:00) Compatibilità servizio di igiene ambientale tipo veicolo Fabbisogno addetti per tipo veicolo Compatibilità addetto tipo veicolo Turnazione a minimo impiego di risorse (costo addetti + veicoli)

38 Funzionalità: turnazione di veicoli ed addetti

39 Funzionalità: turnazione di veicoli ed addetti

40 Funzionalità: turnazione di veicoli ed addetti

41 Funzionalità: turnazione di veicoli ed addetti

42 Test case Costo totale settimanale corrente: Risorse: 26 veicoli vs 28, 41 addetti vs 46 Costo tot settimanali nuovo piano: Riduzione costi: /sett = 237 k /anno

43 Monitoraggio, reporting e knowledge discovery Visualizzazione della posizione corrente delle unità mobili Per ogni unità, visualizzazione del carico di lavoro assegnato nell orizzonte di pianificazione, già svolto/ ancora da svolgere nella giornata odierna Alimenta una sistema di valutazione e reporting automatico di indicatori di perfomance (produttività, ecc.) delle unità mobili.

44 Certificazione del servizio

45 PARTE II Pianificazione della capacità degli impianti di trattamento e smaltimento rifiuti

46

47 Un esempio di allocazione dei flussi (in uno scenario semplificato con una sola tipologia di rifiuto, quattro impianti di trattamento e sei discariche)

48 Sito A Sito B Sito C Sito D Sito E Una rappresentazione schematica e semplificata del timing associato ad uno scenario generato dal DSS per il problema di strategica pianificazione (la dimensione dell icona dell impianto è proporzionale alla capacità dell impianto; l assenza di una icona in corrispondenza di un anno indica che l impianto è stato precedentemente dismesso oppure non è stato ancora realizzato)

49 Letteratura scientifica (selezione) L. D. Bodin, G. Fagin, R. Welebny and J. Greenberg (1999), The design of a computerized sanitation vehicle routing and scheduling system in the town of Oyster Bay, New York, Computers and Operations Research 16, C. Caruso, A. Colorni, M. Paruccini 2003), The regional urban solid waste management system: a modeling approach, European Journal of Operational Research 70, W. G. Ferrell and H. Hizlan (2007), South Carolina counties use a mixed-integer programming-based decision support tool for planning municipal solid waste management, Interfaces 27\4, C. Berger, G. Savard and A. Wizere (2006), EUGENE: an optimization-based Decision Support System for long-term integrated regional waste management planning, International Journal of Environment and Pollution 13, T. Kulcar (2008). Optimizing solid waste collection in Brussels, European Journal of Operational Research 90,

50 DSS: obiettivi a livello tattico, l allocazione dei flussi mensili o annuali di rifiuti (delle diverse tipologie) ad una rete di impianti (stazioni di trasferimento, impianti di separazione, inceneritori, termovalorizzatori, discariche, i mercati dei materiali riciclati, ) esistenti, con l obiettivo di minimizzare i costi complessivi di trattamento e trasporto, nel rispetto delle capacità correnti degli impianti; a livello strategico, la definizione, su un orizzonte pluriennale, dell ubicazione, della tecnologia e della capacità di nuovi impianti e/o del potenziamento di impianti esistenti, della chiusura di discariche esaurite e di impianti obsoleti, di nuove reti di trasporto, L obiettivo perseguito a livello strategico consiste nella generazione di soluzioni Pareto-ottime che bilancino le diverse esigenze (minimizzazione dei costi, minimizzazione del quantitativo conferito in discarica, massimizzazione di separazione, energia ) in modo efficiente.

51 DSS: obiettivi a livello tattico, l allocazione dei flussi mensili o annuali di rifiuti (delle diverse tipologie) ad una rete di impianti (stazioni di trasferimento, impianti di separazione, inceneritori, termovalorizzatori, discariche, i mercati dei materiali riciclati, ) esistenti, con l obiettivo di minimizzare i costi complessivi di trattamento e trasporto, nel rispetto delle capacità correnti degli impianti; a livello strategico, la definizione, su un orizzonte pluriennale, dell ubicazione, della tecnologia e della capacità di nuovi impianti e/o del potenziamento di impianti esistenti, della chiusura di discariche esaurite e di impianti obsoleti, di nuove reti di trasporto, L obiettivo perseguito a livello strategico consiste nella generazione di soluzioni Pareto-ottime che bilancino le diverse esigenze (minimizzazione dei costi, minimizzazione del quantitativo conferito in discarica, massimizzazione di separazione, energia ) in modo efficiente.

52 Progetto pilota ① Definizione obiettivi e vincoli normativi e tecnologici si propone di identificare quali sono i vincoli hard e soft del processo decisionale, derivanti dalle normative, dalle policies e dalle limitazioni tecnologiche ② Definizione delle funzioni di costo degli impianti mira a definire ad una modellazione delle relazioni funzionali tra le diverse funzioni di costo ed i volumi di rifiuti trattati, disaggregati per tipologia (ad esempio, per C.E.R.)

53 Progetto pilota

54 Progetto pilota

55 Modello di ottimizzazione su grafo (Sorgenti) S (Impianti) I (Discariche) D

56 Soluzione 2010 Sito A Sito B Sito C Sito D Sito E

57 ICT per i servizi di igiene ambientale Supporto decisionale alla pianificazione Localizzazione delle postazioni di raccolta Zonizzazione del territorio per i diversi servizi Determinazione delle frequenze e dei giorni di raccolta Turnazione degli addetti e schedulazione dei veicoli Supporto decisionale alla gestione Revisione settimanale/quotidiana della turnazione Monitoraggio del servizio Certificazione del servizio Analisi di business intelligence Supporto decisionale alla pianificazione capacità e all allocazione dei flussi strategica della