— Teaming Strategies
1. 问题的综述
1.1 英文原文及中文描述
Problem E: Drowning in Plastic 问题E：淹死在塑料中
Since the 1950s, the manufacturing of plastics has grown
exponentially because of its variety of uses, such as food packaging,
consumer products, medical devices, and construction. While there are
significant benefits, the negative implications associated with
increased production of plastics are concerning. Plastic products do not
readily break down, are difficult to dispose of, and only about 9% of
plastics are recycled[1]. Effects can be seen by the approximately 4-12
million tons of plastic waste that enter the oceans each year[1,2].
Plastic waste has severe environmental consequences and it is predicted
that if our current trends continue, the oceans will be filled with more
plastic than fish by 2050[2]. The effect on marine life has been
studied[3], but the effects on human health are not yet completely
understood[4]. The rise of single-use and disposable plastic products
results in entire industries dedicated to creating plastic waste. It
also suggests that the amount of time the product is useful is
significantly shorter than the time it takes to properly mitigate the
plastic waste. Consequently, to solve the plastic waste problem, we need
to slow down the flow of plastic production and improve how we manage
plastic waste.
自1950年代以来，由于其用途广泛，例如食品包装，消费品，医疗设备和建筑业，塑料制造业呈指数增长。尽管有很大的好处，但与增加塑料生产相关的负面影响值得关注。塑料产品不易分解，难以处置，只有约9％的塑料可回收[1]。每年大约有4-12百万吨塑料废物进入海洋[1,2]。塑料废料将对环境造成严重后果，如果我们当前的趋势继续下去，预计到2050年[2]海洋中的塑料将要比鱼类更多。对海洋生物的影响已有研究[3]，然而对人类健康的影响尚未完全了解[4]。一次性塑料产品的兴起导致整个行业致力于制造塑料废料。这也表明产品可用的时间明显少于适当减轻塑料垃圾问题所需的时间。因此，为了解决塑料废物问题，我们需要减少塑料的生产，并改善我们处理塑料废物的方式。
Your team has been hired by the International Council of Plastic
Waste Management (ICM) to address this escalating environmental crisis.
You must develop a plan to significantly reduce, if not eliminate,
single-use and disposable plastic product waste.
您的团队已被国际塑料废物管理理事会（ICM）聘用，以解决这一日益严重的环境危机。您必须制定一个计划，以减少，甚至消除一次性和一次性使用的塑料产品垃圾。
Task 1. Develop a model to estimate the maximum levels of single-use
or disposable plastic product waste that can safely be mitigated without
further environmental damage. You may need to consider, among many
factors, the source of this waste, the extent of the current waste
problem, and the availability of resources to process the waste.
开发一个模型，以估算可以安全减少的一次性或一次性使用的塑料垃圾的最大量，且不会造成进一步的环境破坏。在许多因素中，您可能需要考虑这种废物的来源，当前废物问题的严重程度以及处理废物的资源的有效性。
Task 2. Discuss to what extent plastic waste can be reduced to reach
an environmentally safe level. This may involve considering factors
impacting the levels of plastic waste to include, but not limited to,
sources and uses of single-use or disposable plastics, the availability
of alternatives to plastics, the impact on the lives of citizens, or
policies of cities, regions, countries, and continents to decrease
single-use or disposable plastic and the effectiveness of such policies.
These can vary between regions, so considering regional-specific
constraints may make some policies more effective than others.
讨论塑料废物达到环境安全水平要减少的程度。这可能涉及考虑影响塑料废料水平的因素，包括但不限于一次性或一次性塑料的来源和用途。塑料替代品的可用性，对公民生活的影响或城市，地区，国家和大洲，以减少一次性塑料政策的有效性。这些会因地区而异，因此请考虑特定区域的限制可能会使某些政策比其他政策更有效。
Task 3. Using your model and discussion, set a target for the minimal
achievable level of global waste of single-use or disposable plastic
products and discuss the impacts for achieving such levels. You may
consider ways in which human life is altered, the environmental impacts,
or the effects on the multi-trillion-dollar plastic industry.
利用您的模型讨论，为一次性塑料产品在全球范围内可达到的最低丢弃量设定目标，并讨论达到此水平的影响。您可能会考虑改变人类生活的方式，环境影响或对价值数万亿美元的塑料工业的影响。
Task 4. While this is a global problem, the causes and effects are
not equally distributed across nations or regions. Discuss the equity
issues that arise from the global crisis and your intended solutions.
How do you suggest ICM address these issues?
尽管这是一个全球性问题，但其原因和结果在各个国家或地区之间分布不均。
讨论全球危机引起的平等问题以及您打算采取的解决方案。您如何建议ICM解决这些问题？
Write a two-page memo to the ICM describing a realistic global target
minimum achievable level of global single-use or disposable plastic
product waste, a timeline to reach this level, and any circumstances
that may accelerate or hinder the achievement of your target and
timeline. Your submission should consist of:
· One-page Summary Sheet
· Table of Contents
· Two-page Memo
· Your solution of no more than 20 pages, for a maximum of 24 pages with
your summary, table of contents, and two-page memo.
向ICM写两页的备忘录，描述全球一次性或一次性塑料产品废物可达到实际的全球目标最小值的水平，同时为了达到此水平，以及任何可能加速或阻碍您实现目标的情况和时间表。您提交的内容应包括：
· 一页摘要表
· 目录
· 两页备忘录
您的解决方案不超过20页，最多包含摘要，目录和两页备忘录的24页。
Note: Reference List and any appendices do not count toward the page
limit and should appear after your completed solution. You should not
make use of unauthorized images and materials whose use is restricted by
copyright laws. Ensure you cite the sources for your ideas and the
materials used in your report.
注意：参考列表和任何附录不计入页数限制，应在完成解决方案后出现。您不应使用未经版权法限制使用的未经授权的图像和材料。确保您引用了想法的来源和报告中使用的材料。
1.2 参赛状况
1.2.1 选题情况
2020年美赛选题情况为：3852个队伍选A题，2455个队伍选B题，7446个队伍选C题，1889个队伍选D题，2284个队伍选E题，2327个队伍选F题。一如以往，选择C题的队伍数最多。
1.2.2 获奖情况
2020年美赛O奖（Outstanding
Winner）的37支队伍中，MCM（A、B、C）有19支，ICM（D、E、F）有18支；（引自【5】）
其中有33队伍来自中国高校，4支队伍来自美国高校，中国高校获得O奖占比达89%。
MCM参赛队伍中，共19支队伍（<1%）获得O奖，180支队伍(1%)获得F奖，839支队伍(6%)获得M奖，3522支队伍(26%)获得H奖，8941支队伍(65%)获得了S奖。
ICM参赛队伍中，18支队伍获得O奖，234支队伍获得F奖，564支队伍获得M奖，1565支队伍获得H奖，4612支队伍获得了S奖。
在ICM中，O奖不到1%，F奖占3%，M奖占8%，高于MCM；H奖占22%，低于MCM；S奖占比66%。
中国队伍几乎包揽了所有的特等奖，特等奖中中国队伍的占比分别是：A题87.5%，B题100%，C题100%，D题71.4%，D题80%，F题100%。具体特等奖的名单和学校如下所示（仅含MCM）：
2. 问题的背景资料
2.1 问题专业背景
塑料废弃物处理是一个复杂的跨学科问题，相关问题涉及政治、经济、文化、人类生物学、生态学、地质学等学科，不可能对每一种可能的情况都建模。所以，应该做一些合理的假设和简化，忽略部分对结果影响较小的因素。
2.2 问题技术（解法）
评价模型
打分式评价：加权法，熵权法，主成分分析，层次分析法，多元回归模型，逐步回归模型等
预测模型
灰色Verhulst模型，二次指数平滑模型，多元时间序列模型等
3. 本问题常用建模思路
首先，我们需要建立一个考虑多个因素的评估模型，来量化的评估环境（包括人工和自然）对塑料废物的处理能力，或者塑料废物的危害程度。这个模型可以直接建立，也可以选择一个要素来间接评估。例如利用海鸟作为生物指示剂，海鸟的数量可以表示为给定时间内塑料累积量和时间的函数。
其次，需要建立一个模型来评估一个特定的地区对塑料废物的处理能力，或者塑料对环境和社会的影响的综合评估。由于政策不能直接作为影响因素，所以需要选择一些能反映政策的因素，比如税收、民众期望等等。
接着，根据已经建立的模型，再建立一个预测模型来描述塑料废物的变化。
然后，扰动已经建立的模型中的参数，进行后续一些问题的分析。
最后，对于地区间分布不均问题的分析，可以建立一个度量体系，来对不同的地区进行打分与比较，例如使用GE矩阵。然后根据不同地区的处理塑料废物能力，提出一个较公平的解决方案
4. 模型相关介绍
来自Team control number 2008521的解答
4.1 假设
- 我们从在线数据库中收集的数据是准确、可靠和相互一致的。
- 因为我们的数据来源都是国际组织的网站，所以是合理的，以保证数据的高质量。
- 在模型验证中，我们忽略的国家的指标数据影响不大
- 生产的塑料量减去回收的塑料量就是塑料垃圾
- 不考虑地区差异，将全国视为一个整体。在这个国家。这个假设是我们进行深入研究的前提。
- 在政策上只考虑了大陆之间的差异
4.2 参数
不同处理方式的百分比 αi
最大水平 M
工业回收率 Ri
塑料产品年产量 AP
塑料产品现存总量 Ci
降解率 γi
政策驱动的塑料影响指数模型 PII
生态程度 ED1
经济程度 ED2
社会程度 SD
环境废物量 WIE
综合影响系数指数 CICI
可持续发展系数 SDC
4.3 函数
Step1 定义
def1: M = R 1 + R 2 + R 3
解决Task1的核心公式
R1,R2,R3分别指工业回收率，焚化效率和降解率（每年的数量）
def2: R 1 = α 1 × AP
年工业回收量，α1为年产塑料产品中工业回收的占比
def3: R 2 = α 2 × AP
年焚化回收量，α2为年产塑料产品中焚化回收的占比
def4: R 3 = γ i × C 1 + γ 2 × C 2
C1指土中现存的塑料总量，C2指海洋中现存的塑料总量，1/γi
分指土中，海洋中塑料的降解时间
公式算出该年直接排入环境中的塑料垃圾量
def5: PPI = (ED 1 +ED 2+SD)/3
PII揭示了与塑料相关的事物破坏我们环境的程度
一个地区的PII得分越高，表现越差
等号右侧的三个参数又有如下的定义： ED１ = (Air+Water+Soil)/3
环境程度用大气，水质，土壤三个指标描述 $Air=\sum_{i=1}^{7}(w_{1ia}+w_{2ia})plasticc_{i}$
求和的７次对应７种运用塑料的行业，例如包装业，纺织业，建筑业等 plasticci指7钟行业各自消耗的塑料总量
w1ia和w2ia分别是描述塑料排放二氧化碳和有毒气体能力的系数，详见参考文献【6】
$Water=\sum_{i=1}^{7}w_{1iw}(1+w_{2iw})plasticc_{i}$
w1iw是根据主流处理方法及成分，描述塑料水污染潜力的系数，w2iw是描述由水污染引发，对人体健康造成危害的可能性
$Soil=\sum_{i=1}^{7}w_{1is}(1+w_{2is})plasticc_{i}$
系数的意义与前一个公式同理
ED2 = 100(Plasticloss−Substituteearn)/PlasticTotalPlasticloss和Substituteearn分别指有塑料工业年经济损失和替代材料工业年经济收益决定的参数
$Plastic_{loss}=\sum_{i=1}^{7}w_{1i}Vale_{i}$
w1i指在该特定工业种类中的经济损失占比
$Substitute_{earn}=\sum_{i=1}^{7}w_{2i}w_{1i}Value_{i}$
w2i描述了替代材料工业讲塑料工业的经济损失转化为收益的潜力
SD = Reliance − Improvement
社会因子 以人均GDP为横坐标，SD为纵坐标，呈现U型曲线
Reliance和Improvement分别指市民对替代塑料的消极情绪和由一次性塑料替代造成的整体社会进步
Reliance = fre(GDP)
Improvement = fim(GDP)
以上两个参数都与人均GDP有关
Step2 计算不进一步破坏环境，可安全减少的塑料垃圾的最大量
代入α1=0.09 α2=0.12
余下0.76的塑料垃圾排入土壤，0.03的垃圾排入海洋
由现存塑料垃圾降解速率和过去塑料年产量数据的模拟，WIE环境垃圾量设为830亿吨
$\frac{1}{γ_{1}}$约为800年，$\frac{1}{γ_{2}}$约为400年 R3 = (0.76γ1+0.03γ2) × WIE
计算得：M=96.77 million tons(the maximum level of single-useor
disposable ability=the amount of both maximum recovery and plastic
production with no further environmental damage)
Step3 加入时间因子，计算全球一次性塑料垃圾可以达到的最低水平
假定生产率（production rate）和回收率(recovery
rate)不随时间改变，而其他包括民众的塑料依赖性及环境质量是随时间改变的。
$CICI(t)=F(t,production,recovery)+\sum_{i=1}^{3}(1-\frac{i}{3})CICI(t-i)$
限制该年的综合影响系数会受到前三年的影响 $CICI(t)=F(t)+\sum_{i=1}^{3}(1-\frac{i}{3})CICI(t-i)$
F(t) = ED1(t) + SD(t)
最低水平与三个参数有关，人均塑料产量，回收率及时间
按控制变量法，固定回收率，讨论CICI水平，年产量和时间之间的关系，作出三维坐标系，找寻最低点
4.4 模型的应用
4.4.1 PII模型的案例分析与政策评估
两类政策：
- 永久禁止非工业塑料进口（1）
- 对塑料产品征收额外的税（2） 作出东亚和欧洲两地区的PII值随政策（1）/(2）实施率的关系曲线（先打点，在拟合）。根据两地区经济水平，人民生活习惯等因素的差异分析政策有效性。 图表见文献【6】page13 Figure 8,page14 Figure 9
4.4.2 按最低塑料水平（CICI最低值）推算对经济，社会，生态的影响
- 社会，生态影响由SD，ED衡量
1
- 经济影响由塑料工业的缩水规模及市值衡量
分别作出上述三个变量随时间的变化关系图（见文献[6]page17 Figure 11）
有如下分析：
- 经济影响:从图表中可以看出，塑料行业规模缩小到最初的55%左右大小。随着市场济环境，在头几年塑料行业暴跌与近每年6%。然而，当替代材料行业发展到顶峰时，这两个行业的市场份额呈现出稳定的趋势。最终，塑料行业失去大约是初始价值的45%，而替代材料行业赚不到那么多，每年约有10%的利润被浪费。
- 社会影响:虽然社会得分总体呈下降趋势，但我们注意到第一个3年的降幅实际上小于第2个和第3个。公民需要时间来适应新的无塑料环境，因此在最初的几年里他们生活在一个纸袋和塑料反复使用的世界里会觉得奇怪。然而，当他们意识到附加的好处时，社会反响会更加积极。
- 生态影响:随着塑料生产的减少和回收的增多，垃圾总量正在减少，环境变得更清洁。随着浪费的减少体积在几年后趋于稳定，环境相应变化，空气质量水质和全球温度恢复正常水平。
4.5 可视化补充——GE矩阵讨论平等问题
GE矩阵一般用来分析企业的竞争力，本题用它来描述国家的可持续发展能力。对横纵坐标做若干条平行线，将第一象限划分为若干个区域，以对应稿企业、国家的现状，同时不同区域也对应着不同的发展模式。
（见文献[6]page18
Figure12）取横坐标为CICI值，变化范围是0到1，取纵坐标为GDP，变化范围是0到1.对原始数据做归一化处理后，在坐标平面上画出不同大洲塑料垃圾情况的对应点。同时，记各对应点与代表点（1,1）之间的举例为该大洲的可持续发展系数SDC。SDC的值越低，该地区的可持续发展力量越强。
5. 对于模型优劣的分析
5.1 模型的优势
该模型采用准确、最新的数据库来保证结果的可靠性。研究结果具有较高的参考价值，可立即应用于实际生活中。
两个模型都量化了塑料废物的水平，从而直观地显示了模型的结果。
该模型对塑料废物的水平进行了综合评价，选择的所有因素都是客观的。通过综合评价，我们的模型可以得到令人信服的结果。在排除主观因素的情况下，该模型在评价过程中更加稳定。
5.2 模型的不足
一些指标缺失。为了得到指数，需要对指标进行额外的加权，这意味着模型有时可能很复杂。
我们假设所有国家或地区都将积极配合我们提出的干预措施。忽略这些被动国家，实际结果可能与我们的预测有一些偏差。
6. 可以继续讨论的问题
- 针对每个国家(而非大洲)的经济水平，人民生活习惯等，拟定减少塑料垃圾的最优政策，并预测对未来经济，社会，生态三大系数的影响
- 引入时间因子以月或天为单位演算（而非年）。尽管加大了计算量，但模拟结果理论上更精确
- 改进函数定义，例如最大水平的计算公式，可引进权重系数（并非简单加和）
- 考虑函数参数之间的互相影响，例ED中对人体健康造成危害的潜力一项系数同时也会作用于社会因子SD
1
7. 参考文献
[1] Geyer, R., Jambeck, J. R., & Law, K. L. (2017). Production,
use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, 3(7),
e1700782.
[2] Jambeck, J. R., Geyer, R., Wilcox, C., Siegler, T. R., Perryman,
M., Andrady, A., … & Law, K. L. (2015). Plastic waste inputs from
land into the ocean. Science, 347(6223), 768-771.
[3] Li, W. C., Tse, H. F., & Fok, L. (2016). Plastic waste in the
marine environment: A review of sources, occurrence and effects. Science
of the Total Environment, 566, 333-349.
[4] Galloway T.S. (2015) Micro- and Nano-plastics and Human Health.
In: Bergmann M., Gutow L., Klages M. (eds) Marine Anthropogenic
Litter.
[5] CSDN.“2020美赛MCM/ICM参赛及获奖分析”Last modified in April 30
,2020. https://blog.csdn.net/qq_41308254/article/details/105853407
[6] Team 2008521.(2020).Less Waste&Better World.2020MCM/ICM
Answer Sheet
修改记录
- 2021-08-10，郑鸿晓粗校
- 2021-?，089组初稿
- 2021-07-19，张嘉乐建立模板