基于智能化學(xué)生食堂餐具回收分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

馮浩然，張鵬飛，梁煒聰，單清陽，劉嘉禧，馮穎

（廣州城市理工學(xué)院，廣東廣州，510800）

1 研究背景與現(xiàn)狀

隨著人們生活水平的提高和政府對(duì)教育事業(yè)的保駕護(hù)航，學(xué)生食堂為師生提供了更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和就餐環(huán)境，保障學(xué)生健康安全。因此，越來越多學(xué)生選擇在食堂就餐，解決飲食問題。但是，學(xué)生食堂在餐具回收上仍存在如下一些問題：一、餐具回收過程慢；二、人工成本高；三、食堂體驗(yàn)感差。不僅如此，目前市面上存在的餐具回收分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能參差不齊，許多餐具回收分類系統(tǒng)只考慮了單一的回收或分類功能，并且在交互層面上智能化普及率不高。但實(shí)際上，智能化系統(tǒng)對(duì)服務(wù)業(yè)的滲透已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，簡言之，智能化對(duì)食堂餐具回收分類系統(tǒng)的發(fā)展有著積極的作用。因此，本研究項(xiàng)目具有一定的可研究性。

2 智能化餐具回收分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與流程

2.1 用戶需求

收集需求信息主要通過問卷、觀察和訪談等方法，搜集用餐者、管理方的改進(jìn)建議，并將調(diào)查得到的情況和數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，作為分析的依據(jù)，并從中尋找和發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的信息，分析現(xiàn)時(shí)學(xué)生食堂回收分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，了解當(dāng)前設(shè)計(jì)可行性和潛力，對(duì)現(xiàn)時(shí)餐具回收分類方式及食堂餐具回收分類系統(tǒng)提出建議列出有價(jià)值的線索。情況歸納如下：未及時(shí)運(yùn)走而堆積的餐具影響美觀，而且裸露外放的廚余垃圾箱更影響食欲；無序的餐具擺放影響回收量及減緩后續(xù)餐具分類；回收過程繁瑣。綜合需求分析總結(jié)得出：（1）餐具回收分類系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)。（2）餐具的回收分類系統(tǒng)一體化。（3）系統(tǒng)結(jié)合智能化。

2.2 確定設(shè)計(jì)策略

2.2.1 提高回收效率

現(xiàn)時(shí)的餐具回收分類系統(tǒng)存在一定的局限性，回收點(diǎn)位置的設(shè)定和回收點(diǎn)數(shù)量直接影響餐具回收效率，再而因?qū)W生排隊(duì)放置餐具排隊(duì)時(shí)間長，餐具無序擺放造成積壓等問題，也是影響后續(xù)回收效率的因素。通過根據(jù)食堂餐桌數(shù)量和距離設(shè)置多個(gè)回收站點(diǎn)解決排隊(duì)時(shí)長問題，改進(jìn)并升級(jí)回收分類裝置，提高餐具流通量，滿足用戶需求，使食堂秩序與人性化體現(xiàn)得到最大化表現(xiàn)。

2.2.2 改善現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前市面上存在的餐具回收分類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能并不全面，許多餐具回收分類系統(tǒng)只考慮了單一的回收或分類功能，并且系統(tǒng)樣式較傳統(tǒng)，創(chuàng)新性不強(qiáng)，缺乏科技感，用戶體驗(yàn)感不佳。因此構(gòu)建完善的分類回收系統(tǒng)，整合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高用戶體驗(yàn)，提升及優(yōu)化系統(tǒng)十分必要。

2.2.3 系統(tǒng)結(jié)合智能化

當(dāng)今智能化概念逐漸滲透到各行各業(yè)及人們的生活之中，現(xiàn)代學(xué)生食堂回收分類系統(tǒng)也該由傳統(tǒng)的人工模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑到y(tǒng)設(shè)計(jì)模式，打造適應(yīng)現(xiàn)代智能技術(shù)的應(yīng)用，增加食堂科技元素。通過智能化技術(shù)，利用智能回收箱與智能運(yùn)輸車代替人工回收分類餐具，減少人員安排從而降低運(yùn)營成本。完善智能化系統(tǒng)信息功能，包括用戶反饋與評(píng)價(jià)渠道，提高用戶體驗(yàn)。

3 智能化學(xué)生食堂餐具回收分類系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建智能化學(xué)生食堂餐具回收分類系統(tǒng)主要是為了能夠以智能化的形式代替人工，在低損耗、低成本的背景下，有效提高餐具回收分類效率和信息傳輸，實(shí)現(xiàn)技術(shù)可靠、產(chǎn)品模塊化、信息化系統(tǒng)整合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要充分利用當(dāng)前社會(huì)資源，通過借助完善的網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢(shì)，快速搭建支撐系統(tǒng)，同時(shí)要充分滿足學(xué)校對(duì)學(xué)生食堂不斷增加的需求。系統(tǒng)信息架構(gòu)設(shè)計(jì)注重完整性和拓展性，相互聯(lián)系的同時(shí)不斷切入可行信息。

3.2 系統(tǒng)信息架構(gòu)設(shè)計(jì)

食堂餐具回收分類系統(tǒng)信息架構(gòu)包括應(yīng)用層、計(jì)算層、互聯(lián)層和感知層。不同層有其不同的規(guī)定性，而其又有一定的聯(lián)系性，相互作用，形成一個(gè)協(xié)同整合的系統(tǒng)。在感知層，智能運(yùn)輸車?yán)米陨淼奈恢眯畔⒉杉?、傳感器和攝像頭去采集行進(jìn)路況和實(shí)現(xiàn)自身定位，并與智能回收箱信號(hào)配對(duì)；在互聯(lián)層，無線網(wǎng)絡(luò)把采集到的數(shù)據(jù)傳輸，具備控制的終端系統(tǒng)與智能回收箱、智能運(yùn)輸車進(jìn)行交互；在計(jì)算層，終端系統(tǒng)集成各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息，分析狀況，為應(yīng)用層的智能回收箱與智能運(yùn)輸車進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、操控及配對(duì)，并及時(shí)給管理方反饋資訊。

3.3 服務(wù)系統(tǒng)模型

為用戶創(chuàng)造服務(wù)價(jià)值和構(gòu)建完善流程是架構(gòu)服務(wù)系統(tǒng)的目標(biāo)要求，以創(chuàng)造完整的餐具回收分類系統(tǒng)為核心，以用戶需求和管理要求為導(dǎo)向，建立如下圖1的智能化學(xué)生食堂餐具回收分類系統(tǒng)的服務(wù)系統(tǒng)模型。主要構(gòu)成要素包括終端系統(tǒng)、管理人員、智能運(yùn)輸車、智能回收箱、清洗區(qū)、就餐者。終端系統(tǒng)起到數(shù)據(jù)收集、信息反饋、指揮傳達(dá)的作用，管理人員也會(huì)將收集到的清洗情況與終端系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)結(jié)合分析，作出進(jìn)一步的操作調(diào)控。智能回收箱與智能運(yùn)輸車是餐具回收和分類的主體要素，就餐者將餐具放入智能回收箱，回收箱完成餐具分類工作并儲(chǔ)存至箱體內(nèi)，當(dāng)智能運(yùn)輸車接收到終端系統(tǒng)信號(hào)后啟動(dòng)回收程序，并與智能回收箱信號(hào)配對(duì)，回收餐具至清洗區(qū)，直至智能回收箱內(nèi)的餐具清空。

圖1 產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)模型

4 智能化學(xué)生食堂餐具回收分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 設(shè)計(jì)原理

4.1.1 智能回收箱

智能回收箱是一個(gè)集回收與分類為一體的智能餐具回收分類裝置。在餐具入口處有三根由壓力傳感器組成的滾軸，餐具輕壓滾軸的同時(shí)聯(lián)動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)的開啟能夠使箱內(nèi)廚余氣味不溢出并過濾掉。不同類型餐具經(jīng)由滾軸進(jìn)入智能回收箱內(nèi)部餐具分類平臺(tái)，分類平臺(tái)上方配備先進(jìn)的形狀識(shí)別系統(tǒng)，能夠自主通過內(nèi)置攝像頭模塊識(shí)別餐具類別，攝像頭將識(shí)別信息轉(zhuǎn)換為信號(hào)傳輸?shù)街悄芑厥障鋬?nèi)部控制系統(tǒng)，而智能回收箱內(nèi)由不同類別的餐具隔層組成，餐具分類平臺(tái)接收信號(hào)按軌道路線移動(dòng)到相應(yīng)餐具隔層前，通過其彈簧伸縮桿控制平臺(tái)前進(jìn)與后退，完成餐具放置與平臺(tái)離開這一系列動(dòng)作后，平臺(tái)自動(dòng)復(fù)位，繼續(xù)下一類別餐具的分類。與此同時(shí)，回收箱顯示屏同步更新相應(yīng)餐具數(shù)量并反饋到終端系統(tǒng)。

4.1.2 智能運(yùn)輸車

智能運(yùn)輸車也可稱為餐具回收車，因其主要作用為回收智能回收箱內(nèi)的同一類別餐具，并運(yùn)輸至清洗點(diǎn)，而回收同一類別餐具目的是節(jié)省清洗分類時(shí)間，提高效率。智能運(yùn)輸車本體有控制裝置、位置信號(hào)采集器、障礙檢測(cè)裝置、語音提醒裝置、驅(qū)動(dòng)組件及回收箱體結(jié)構(gòu)等機(jī)構(gòu)。當(dāng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間，即用餐高峰后，終端系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)就餐情況向智能運(yùn)輸車發(fā)出回收信號(hào)，智能運(yùn)輸車接收回收信號(hào)并根據(jù)預(yù)定路線前往各智能回收箱回收同一類別餐具，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，障礙檢測(cè)裝置向控制裝置發(fā)送障礙物信號(hào)，繼而控制裝置制止驅(qū)動(dòng)直到障礙物信號(hào)解除或選擇重新規(guī)劃路線，智能運(yùn)輸車移動(dòng)到智能回收箱后方后發(fā)出位置信號(hào)，隨后智能運(yùn)輸車回收艙門與智能回收箱餐具輸出位置對(duì)接后由回收箱內(nèi)餐具隔層的推送機(jī)構(gòu)將餐具輸送至智能運(yùn)輸車內(nèi)，而回收箱體結(jié)構(gòu)為傳輸鏈結(jié)構(gòu)，通過主軸齒輪帶動(dòng)傳輸鏈配合回收箱體循環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)單一回收箱體回收完畢后通過內(nèi)部循環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)使得下一個(gè)回收箱體到達(dá)指定艙門處接收下一智能餐具回收箱的對(duì)應(yīng)餐具，當(dāng)智能運(yùn)輸車完成回收任務(wù)后自主返程充電，由此完成一次完整的工作過程。

4.2 硬件設(shè)計(jì)

智能回收箱和智能運(yùn)輸車如圖2所示。智能回收箱產(chǎn)品硬件造型設(shè)計(jì)上，主體以方塊切割靈感為外型，圓潤的圓角設(shè)計(jì)及富含科技感的外觀，賦予產(chǎn)品干凈的、衛(wèi)生的、包容情感化的形象。依照中國成年人人體尺寸和中國成年人人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的高度、屏幕的大小及按鈕大小和排布位置，使智能回收箱整體造型簡潔、大氣；智能運(yùn)輸車產(chǎn)品硬件造型設(shè)計(jì)上，以簡易長方體為主體，配合以智能底盤和顯示屏構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，使用與智能回收箱相近色調(diào)的外觀，橘色點(diǎn)綴，表面材質(zhì)紋理化處理，使整體造型不失時(shí)尚感和科技感。

圖2 智能設(shè)備及服務(wù)設(shè)計(jì)界面模擬

4.3 服務(wù)界面設(shè)計(jì)

利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)操作服務(wù)界面如圖2所示，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)回收進(jìn)度與回收情況，并能高效地將各流程數(shù)據(jù)反饋給管理人員，作為管理方是否介入操控的依據(jù)。觀察各智能回收車移動(dòng)位置，記錄運(yùn)輸次數(shù)與運(yùn)輸餐具的種類，監(jiān)控其電量使用情況，掌握智能運(yùn)輸車最新進(jìn)展及健康狀況數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)整理各種餐具使用數(shù)量情況數(shù)據(jù)得出大概用餐人數(shù)，由管理方反饋給各商家，商家及時(shí)調(diào)整用餐材料或食材數(shù)目，能夠幫助管理方與商家更好地調(diào)整策略，互利互贏，切實(shí)為用餐者、管理方及商家提供一個(gè)交流、互通的平臺(tái)。

5 結(jié)語

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，智能化系統(tǒng)既是適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，也是智能科學(xué)研究的實(shí)際應(yīng)用。本著以用戶實(shí)際需求為基礎(chǔ)，結(jié)合分析當(dāng)前存在的問題，提出創(chuàng)想與可行性方案，制定智能化學(xué)生食堂餐具回收分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略，設(shè)計(jì)信息架構(gòu)，建立服務(wù)系統(tǒng)模型，并提出一套可行的智能化學(xué)生食堂回收分類系統(tǒng)，為相關(guān)智能化系統(tǒng)提供理論研究和設(shè)計(jì)參考，促進(jìn)智能化系統(tǒng)向更深入研究和發(fā)展。