面向垃圾分類應(yīng)用與推廣決策的新型社區(qū)垃圾桶設(shè)計(jì)

王 宇 陸靜怡 朱莞怡 胡俊祥

（1.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué)會(huì)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 背景現(xiàn)狀

就“垃圾分類”關(guān)注度而言，我國(guó)361個(gè)城市對(duì)生活垃圾分類網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度的區(qū)域絕對(duì)差異大，沿海地區(qū)的關(guān)注度普遍高于內(nèi)陸地區(qū)。就執(zhí)行度而言，部分城市有明確的管理?xiàng)l例，如北京、上海等，開(kāi)始時(shí)間早，執(zhí)行度較高，監(jiān)管制度和基礎(chǔ)設(shè)施較完備，但仍有設(shè)施損壞、監(jiān)管沖突等問(wèn)題；起步晚的城市還進(jìn)程緩慢；其他未頒布條例的地區(qū)則是極少數(shù)居民自主開(kāi)展分類活動(dòng)，但因?yàn)榛A(chǔ)設(shè)施缺失，分類行動(dòng)難以順利進(jìn)行。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有公司研發(fā)出了智能垃圾桶的成品。市面上的智能垃圾桶大多具備刷卡，紅外感應(yīng)，語(yǔ)音提示，滿溢監(jiān)測(cè)，人臉識(shí)別等功能。在這基礎(chǔ)上，多數(shù)公司追求垃圾桶的智能特性，如自動(dòng)分類，這類技術(shù)的使用會(huì)讓用戶在思想上對(duì)垃圾分類產(chǎn)生懈怠，與我國(guó)希望提高人民“垃圾分類”意識(shí)的初衷違背。并且這類垃圾桶價(jià)格昂貴，無(wú)法在普通社區(qū)推廣。因此，本文更傾向于設(shè)計(jì)一款新型社區(qū)垃圾桶，包含身份識(shí)別、分類引導(dǎo)、自動(dòng)預(yù)警以及信息采集分析等功能。整體設(shè)計(jì)更人性化，它既能保證居民在投放垃圾過(guò)程中的參與度，又能將大數(shù)據(jù)分析后的信息發(fā)送給有關(guān)部門，提供決策依據(jù)。

2 總體路線

總體路線（如圖1）：核心是智能垃圾桶的設(shè)計(jì)，通過(guò)線上查閱資料收集所在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口密度、社會(huì)風(fēng)俗等信息，線下調(diào)研收集居民對(duì)社區(qū)垃圾分類的意見(jiàn)和需求，整合所獲取的信息完成垃圾桶的外觀、功能設(shè)計(jì)和小型垃圾桶實(shí)物制作。社區(qū)引入這款新型垃圾桶后，居民在使用時(shí)通過(guò)刷門禁卡進(jìn)行身份認(rèn)證，設(shè)備鎖打開(kāi)后即可進(jìn)行投放。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)記錄投放時(shí)間、垃圾類型、投放正確與否這些重要信息，后臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析并以可視化界面呈現(xiàn)給社區(qū)和政府。社區(qū)可以根據(jù)反饋結(jié)果對(duì)居民采取獎(jiǎng)懲措施；政府可以參考數(shù)據(jù)進(jìn)行更科學(xué)的決策。

圖1 總體路線

3 垃圾桶設(shè)計(jì)與功能

3.1 外觀設(shè)計(jì)與功能

垃圾桶外觀設(shè)計(jì)如圖2（a）所示。智能垃圾桶由不同部件構(gòu)成，包括太陽(yáng)能雨棚、觸摸顯示屏、廣告欄（宣傳欄）、洗手池、各類垃圾桶等。太陽(yáng)能雨棚在擋雨的前提下，為整個(gè)系統(tǒng)提供一定的電力，契合環(huán)保主題。觸摸顯示屏是人機(jī)交互的重要模塊，鑒于一般社區(qū)人群年齡跨度大，界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)便，簡(jiǎn)化垃圾分類過(guò)程。屏幕前的平臺(tái)安裝了刷卡裝置，用于啟動(dòng)系統(tǒng)和辨認(rèn)身份信息。右側(cè)設(shè)置的洗手池可以用來(lái)洗手和處理未喝完的奶茶和瓶裝水。在保證互不干擾的情況下，洗手池與有害垃圾區(qū)域結(jié)合，也可根據(jù)實(shí)際使用情況將洗手池改為任意需要的功能區(qū)。廣告欄（宣傳欄）可以按需選擇內(nèi)容。

有害垃圾桶分為四個(gè)小窗口，上面的窗口設(shè)置為小容量的正方體盒子，用于廢電池等小物件的回收；下面的窗口設(shè)置為大容量的長(zhǎng)方體盒子，用于回收類似燈管的長(zhǎng)形有害垃圾，合理利用空間，同時(shí)保證不同垃圾互不影響。窗口的安排可以根據(jù)所在社區(qū)產(chǎn)生的有害垃圾進(jìn)行調(diào)整。由于社區(qū)產(chǎn)出的可回收垃圾較多且體積較大，可回收垃圾的外桶在設(shè)計(jì)上做了加寬設(shè)計(jì)，可以減緩垃圾桶滿溢速度，減少垃圾運(yùn)輸車的單獨(dú)清理次數(shù)。可回收垃圾一般不會(huì)腐爛，不會(huì)有太多異味，對(duì)觸摸屏和洗手池區(qū)域的影響很小。作為社區(qū)垃圾桶，其他垃圾的垃圾桶承擔(dān)更大的職責(zé)。大部分垃圾是普通居民無(wú)法進(jìn)行精細(xì)區(qū)分的，過(guò)度細(xì)分會(huì)增加分類難度，使居民對(duì)垃圾分類感到疲勞。因此將可回收垃圾、廚余垃圾和有害垃圾以外的垃圾都?xì)w入其他垃圾，提高垃圾分類的容錯(cuò)率。廚余垃圾是日常社區(qū)垃圾的主要部分，并且容易產(chǎn)生異味，污漬極易沾染外桶，因此將其安置于右側(cè)，減輕對(duì)其他部分的污染，尤其是觸摸屏和洗手池這些需要與人接觸的設(shè)備，提高居民使用的舒適度。外桶底座安裝重量檢測(cè)塊，收集信息到的不僅可以用于數(shù)據(jù)分析，也可作為預(yù)警信息，減輕內(nèi)桶的損耗。放置干燥劑和樟腦丸的窗口安放在靠近廚余垃圾的一側(cè)，有針對(duì)性地去潮去味。外桶的門上安裝“J”型鎖扣，可以容納內(nèi)桶踏板的橫桿通過(guò)，未解鎖時(shí)保持圖上的狀態(tài)，居民無(wú)法踩下踏板；解鎖后，鎖扣會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，允許踩下踏板。

內(nèi)桶設(shè)計(jì)如圖2（b）。采用常見(jiàn)的腳踏式開(kāi)蓋垃圾桶，運(yùn)用杠桿原理，可以輕松打開(kāi)垃圾桶蓋，雙手不用接觸垃圾桶，更加干凈衛(wèi)生。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制作簡(jiǎn)便，成本較低。內(nèi)桶是一體化結(jié)構(gòu)，工作人員安裝時(shí)只需將其放入外桶，固定好鎖扣。內(nèi)外桶分離的設(shè)計(jì)，使得它們易清理。桶蓋安裝超聲波探測(cè)器，設(shè)置每次投遞垃圾后檢測(cè)一次。可回收垃圾的滿溢預(yù)警基于余量探測(cè)器探測(cè)到的結(jié)果，防止垃圾桶蓋無(wú)法合上的情況出現(xiàn)，這會(huì)影響鎖扣裝置的運(yùn)行，也會(huì)影響居民投擲垃圾的流程，從而導(dǎo)致信息的缺失。其他垃圾可將余量探測(cè)的結(jié)果當(dāng)作預(yù)警信息，重量與余量檢測(cè)中的任意一項(xiàng)達(dá)到警戒線，都將通知相關(guān)垃圾運(yùn)輸車前往清理。廚余垃圾容易腐爛，達(dá)到規(guī)定時(shí)間就要清理一次，但如遇到極端情況，即任意一個(gè)檢測(cè)指標(biāo)預(yù)警，需要提前處理。

圖2 垃圾桶外觀及內(nèi)桶設(shè)計(jì)

3.2 硬件模塊

屏幕選用10.1英寸迪文科技智能屏寬視角電容式觸摸屏，分辨率為1024*600。屏幕上會(huì)有按鍵對(duì)居民進(jìn)行投擲引導(dǎo)，支持在線搜索垃圾種類，顯示屏如圖3所示。RFID讀卡器選用的是K-0508USB驅(qū)動(dòng)讀卡器，ABS工業(yè)防火阻燃材料。用于在投擲垃圾前刷卡進(jìn)行身份認(rèn)證，便于后期垃圾溯源。重量傳感器選用的是YZC131微型稱重傳感器模塊和小體積HX711模塊。安裝在垃圾桶外桶底部對(duì)垃圾的重量進(jìn)行檢測(cè)，以免超重造成內(nèi)桶損壞。超聲波傳感器選用的是HY-SRF05超聲波模塊，可提供2CM-450CM的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度達(dá)到3mm，用于對(duì)于垃圾桶的余量進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)供電模塊采用100mA多晶硅太陽(yáng)能電池板和TP40561A鋰電池充電板。

圖3 顯示屏

4 信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能

信息采集、可視化展示與大數(shù)據(jù)分析采用感應(yīng)層、網(wǎng)絡(luò)層、組織層、分析層與應(yīng)用層五個(gè)層次組成的架構(gòu)。

感應(yīng)層：主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在感應(yīng)層內(nèi)，數(shù)據(jù)的來(lái)源是居民扔垃圾時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)包括：垃圾數(shù)量、垃圾質(zhì)量、投擲時(shí)間、用戶信息等。數(shù)據(jù)獲取主要依靠重力傳感器、超聲波傳感器等智能硬件設(shè)備，從數(shù)據(jù)源中收集不同類型、規(guī)模的大數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的傳送到數(shù)據(jù)收集中心。

網(wǎng)絡(luò)層：借助互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在感應(yīng)、組織、分析、應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)。主要分為兩個(gè)階段，一是原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；二是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸?shù)焦芾硇畔⒌氖謾C(jī)、電腦等設(shè)備。

組織層：組織層的技術(shù)包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲(chǔ)。預(yù)處理是指對(duì)前期獲取的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)清洗、構(gòu)造、集成、冗余清除、關(guān)聯(lián)聚類、特征提取等環(huán)節(jié)，使數(shù)據(jù)源更加標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化。使其質(zhì)量、規(guī)模、形式符合大數(shù)據(jù)分析要求，減少后期大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的任務(wù)量。

分析層：負(fù)責(zé)垃圾大數(shù)據(jù)分析。針對(duì)社區(qū)垃圾分類中存在的問(wèn)題，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問(wèn)題，構(gòu)建解決問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。這一層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和高級(jí)數(shù)據(jù)建模兩個(gè)方面。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析是指利用SQL、Analysis等工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多維度的分析和挖掘。高級(jí)數(shù)據(jù)建模環(huán)節(jié)則是利用遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾問(wèn)題的建模和仿真。

應(yīng)用層：包括信息共享、輔助決策等應(yīng)用功能。信息共享功能在于政府、社會(huì)、社區(qū)三大主體都能通過(guò)app、手機(jī)客戶端連接數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類治理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，且支持在線共同協(xié)商。在決策輔助方面，主要是利用可視化技術(shù)，將模型輸出的結(jié)果與垃圾分類真實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合，形成實(shí)際的見(jiàn)解和建議。

5 工作流程

對(duì)于飲料瓶、食品包裝袋等單一投擲的垃圾，居民首先需要刷門禁卡進(jìn)行身份認(rèn)證，然后在屏幕上點(diǎn)擊所要投擲垃圾的圖標(biāo)和想要解鎖的垃圾桶，如果匹配成功，垃圾桶的指示燈會(huì)亮綠燈同時(shí)垃圾桶解鎖成功；如果匹配失敗，會(huì)提示正確選項(xiàng)，居民可再次點(diǎn)擊。解鎖后腳踏開(kāi)蓋，丟入垃圾。扔完垃圾后旁邊的水池可以洗手消毒。對(duì)于家庭打包式的垃圾袋，居民需要事先在垃圾袋上貼上以家庭為單位的特定標(biāo)簽，然后刷卡進(jìn)行身份認(rèn)證，再在屏幕上點(diǎn)擊要解鎖的垃圾桶，這時(shí)候垃圾桶會(huì)立即解鎖，不會(huì)立即給出選擇正確或是錯(cuò)誤的反饋。隨后進(jìn)行投擲、洗手操作。后期對(duì)垃圾進(jìn)行二次分揀的時(shí)候會(huì)根據(jù)條碼對(duì)應(yīng)用戶，把反饋上傳到信息處理平臺(tái)，整合處理后會(huì)發(fā)送給用戶，并在平臺(tái)上可視化呈現(xiàn)和支持按權(quán)限訪問(wèn)。每戶家庭的賬戶上會(huì)有投擲記錄和反饋信息，以周為單位進(jìn)行匯總。社區(qū)可以對(duì)投擲正確率高的家庭進(jìn)行積分兌換獎(jiǎng)勵(lì)，正確率過(guò)低的家庭需繳納一定量的垃圾處理費(fèi)用和進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)。

6 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)“垃圾分類”政策越來(lái)越受重視，物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的發(fā)展也是大勢(shì)所趨，將三者結(jié)合是時(shí)代發(fā)展的必然。本文設(shè)計(jì)的新型智能社區(qū)垃圾桶，集分類引導(dǎo)、滿溢檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析等功能于一體，兼顧實(shí)用性與智能性。居民信息會(huì)對(duì)應(yīng)投放垃圾的信息，確保垃圾有源可溯；各類檢測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)分類轉(zhuǎn)換為折線圖或餅狀圖等可視化信息，便于顯示現(xiàn)狀與變化，為后續(xù)有針對(duì)性地解決問(wèn)題提供依據(jù)。這款新型社區(qū)垃圾桶在提升民眾參與度的同時(shí)，也能為政府推廣“垃圾分類”提供科學(xué)的決策建議，幫助我國(guó)“垃圾分類”政策更好地推廣實(shí)施。