城市生活垃圾分類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以長(zhǎng)汀(原中央蘇區(qū))智能運(yùn)營(yíng)中心垃圾分類專項(xiàng)建設(shè)為例

姜 川，蘇志剛，趙 炫，王 路，賈 佳

(正元地理信息集團(tuán)股份有限公司山東分公司，濟(jì)南 250014)

引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量的提升，生活垃圾產(chǎn)生量也在急速增長(zhǎng)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年200個(gè)大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量為21147.3萬噸，城鎮(zhèn)生活垃圾以每年5%～8%的速度遞增，“垃圾圍城”問題日益突出，垃圾亂堆亂放、污水積聚、蚊蟲滋生等問題已成為老百姓普遍關(guān)心的問題[2～4]。2019年6月3日，習(xí)近平總書記對(duì)垃圾分類工作作出重要指示，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)垃圾分類的好習(xí)慣，為改善生活環(huán)境作努力，為綠色發(fā)展可持續(xù)發(fā)展作貢獻(xiàn)。

近年來，依靠擺放垃圾桶和人工管理的傳統(tǒng)垃圾分類模式，已無法滿足城市垃圾分類工作的需要，各省市都在積極推進(jìn)垃圾分類投放、收集、運(yùn)輸、處置設(shè)施建設(shè)和改造升級(jí)[5～8]，上海、北京等城市已推行生活垃圾強(qiáng)制分類，其他城市也亟待構(gòu)建完善的垃圾分類體系。本文提出的智慧化、高效化、精準(zhǔn)化的城市生活垃圾分類系統(tǒng)是解決垃圾分類問題的有效措施，通過實(shí)時(shí)感知垃圾分類狀態(tài)、監(jiān)督垃圾分類成效，不斷完善垃圾分類處理體系建設(shè)，不斷改善居民的生活環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以長(zhǎng)汀(原中央蘇區(qū))智能運(yùn)營(yíng)中心垃圾分類專項(xiàng)建設(shè)為例，提出軟硬件建設(shè)的思路及總體框架。

1.1 設(shè)計(jì)理念

一是與長(zhǎng)汀(原中央蘇區(qū))智能運(yùn)營(yíng)中心相結(jié)合。在新型智慧城市建設(shè)理念指導(dǎo)下，依托大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)手段，通過繪制一張圖、建設(shè)一張網(wǎng)、進(jìn)行一治理、搭建一平臺(tái)、打造三個(gè)中心、建立兩個(gè)保障體系、推進(jìn)N方面典型應(yīng)用，構(gòu)建“423N”新型智慧城市建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式。長(zhǎng)汀(原中央蘇區(qū))智能運(yùn)營(yíng)中心作為建設(shè)新型智慧城市的核心工程之一，是支撐長(zhǎng)汀縣信息化水平全面提升的重要平臺(tái)和載體。垃圾分類專項(xiàng)建設(shè)作為長(zhǎng)汀(原中央蘇區(qū))智能運(yùn)營(yíng)中心建設(shè)的重要組成，結(jié)合《長(zhǎng)汀縣生活垃圾分類工作實(shí)施方案》的具體要求，以及長(zhǎng)汀縣新型智慧城市頂層設(shè)計(jì)，面向汀州首府試點(diǎn)小區(qū)居民、中航環(huán)衛(wèi)公司清運(yùn)部門、環(huán)衛(wèi)處管理部門，構(gòu)建智慧化生活垃圾分類模式。

二是構(gòu)建連接硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)與附近居民的運(yùn)行服務(wù)體系。小區(qū)居民在附近垃圾分類亭，可以通過手機(jī)掃碼投放生活垃圾、兌換禮品，城市管理部門可以實(shí)時(shí)感知垃圾分類、清運(yùn)、處置狀態(tài)[9-10]，驅(qū)動(dòng)生活垃圾分類向智慧化、精準(zhǔn)化、個(gè)性化模式轉(zhuǎn)型，構(gòu)建出城市生活垃圾分類智能服務(wù)平臺(tái)[11～13]，引領(lǐng)生活垃圾分類新時(shí)尚，創(chuàng)造優(yōu)良的人居環(huán)境。

1.2 設(shè)計(jì)思路

垃圾分類是一項(xiàng)涉及到“前端、中端、后端”復(fù)雜的系統(tǒng)性工程[14～16]。本文提出基于“前端精準(zhǔn)分類、中端收運(yùn)定位、后端記錄處置”設(shè)計(jì)思路，包含智能硬件設(shè)計(jì)、垃圾袋印制、禮品積分兌換、系統(tǒng)平臺(tái)研發(fā)、軟硬件安裝調(diào)試等過程的技術(shù)方案。按照“全面覆蓋、環(huán)環(huán)相扣、層層監(jiān)管、嚴(yán)格執(zhí)法、人人守則”的要求[17-18]，全面落實(shí)垃圾分類投放、收運(yùn)和處置工作。

一是智能硬件安裝布設(shè)方面。在汀州首府試點(diǎn)小區(qū)新建仿古式垃圾分類亭，布設(shè)廚余垃圾、其他垃圾和有毒有害垃圾箱、四分法可回收垃圾箱、飲料瓶回收機(jī)、積分兌換機(jī)、洗手裝置和視頻監(jiān)控設(shè)備。其中，廚余垃圾和其他垃圾的前端裝置仍采用240L垃圾桶，與普通設(shè)計(jì)方式?jīng)]有區(qū)別。

二是系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行設(shè)計(jì)方面。垃圾分類系統(tǒng)所需計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等各種資源，由云計(jì)算中心、云數(shù)據(jù)中心按需提供服務(wù)資源，所需權(quán)限認(rèn)證、安全控制、地理圍欄、軌跡糾偏等功能，由智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)提供功能服務(wù)。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

城市生活垃圾分類系統(tǒng)分為感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。其中，感知層由可回收垃圾箱、飲料瓶回收機(jī)、積分兌換機(jī)、視頻設(shè)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram

備組成，采用不同類型的傳感器獲取垃圾分類實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。傳輸層主要負(fù)責(zé)通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苓\(yùn)營(yíng)中心。數(shù)據(jù)層主要由回收庫、積分庫、人員庫等組成，實(shí)現(xiàn)垃圾分類回收和兌換數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。應(yīng)用層包括APP端和Web應(yīng)用端，實(shí)現(xiàn)掃碼投遞、垃圾稱重、積分兌換以及垃圾分類的追蹤追溯。

1.4 硬件設(shè)計(jì)

1.4.1 可回收垃圾箱

可回收垃圾箱是一種搭載感應(yīng)開蓋、自動(dòng)稱重、滿溢報(bào)警、異味檢測(cè)、故障報(bào)警等傳感器的智能垃圾分類回收箱，如圖2所示。

圖2 可回收垃圾箱Fig.2 Recyclable trash can

一是掃描二維碼開倉門投遞。在垃圾投放口右側(cè)安裝二維碼掃描模組，自動(dòng)感應(yīng)掃描APP的投遞二維碼，蜂鳴器反饋掃描識(shí)別成功后，控制板發(fā)送請(qǐng)求通過轉(zhuǎn)動(dòng)連桿打開倉門，在倉門關(guān)閉三分之二行程時(shí)觸發(fā)行程開關(guān)延時(shí)關(guān)閉倉門，避免倉門夾手。

二是桶內(nèi)垃圾量滿溢報(bào)警。在垃圾桶頂部正上方安裝超聲波高度傳感器，通過控制板心跳程序發(fā)送脈沖式超聲波信號(hào)，實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前的高度值，按滿溢值計(jì)算公式計(jì)算桶內(nèi)垃圾累計(jì)量，當(dāng)垃圾桶內(nèi)垃圾量達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，通知中航環(huán)衛(wèi)公司安排人員車輛收運(yùn)。垃圾量滿溢值計(jì)算公式為(970mm(240L垃圾桶高度)—實(shí)時(shí)測(cè)量高度)/ 970mm(240L垃圾桶高度)=滿溢值(%)，當(dāng)滿溢值小于50%時(shí)為正常狀態(tài)，等于50%時(shí)為半滿狀態(tài)，大于50%且小于90%為一般滿溢狀態(tài)，大于90%時(shí)為嚴(yán)重滿溢狀態(tài)。

三是投遞垃圾自動(dòng)稱重。在每個(gè)垃圾桶的底部安裝稱重傳感器，稱重傳感器的敏感元件采用壓電陶瓷，當(dāng)檢測(cè)到垃圾投入后，利用壓電效應(yīng)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出，發(fā)送到FCM-CZ01重量變送器，重量變送器采用24位高精度AD模塊，采集精度0.01%，采樣速率40Hz，通過串口指令校準(zhǔn)重量后，讀取采集的重量值。

1.4.2 有毒有害箱

有毒有害箱正面以代表有害垃圾的紅色為主色調(diào)，采用1mm熱鍍鋅電解冷軋鋼板為基材，整體分為燈管、燈泡、過期藥品、化妝品、殺蟲劑、電子垃圾等，并對(duì)應(yīng)每種有毒有害垃圾的特征設(shè)計(jì)有防盜裝置的投口和儲(chǔ)倉，避免老人和小孩接觸到有毒有害垃圾產(chǎn)生的危險(xiǎn)或傷害。

1.4.3 飲料瓶回收機(jī)

在投入倉門打開后，將PET塑料瓶條碼朝上放入，倉門連接的傳輸帶會(huì)向后傳送飲料瓶，通道上方的一維掃描模組自動(dòng)掃描條碼上傳數(shù)據(jù)，控制板程序識(shí)別為無效瓶，傳送帶向前傳送飲料瓶退回至投瓶口，識(shí)別確認(rèn)其為可回收資源，繼續(xù)向后傳送掉落到回收箱中，計(jì)數(shù)傳感器記錄回收飲料瓶的個(gè)數(shù)，投遞完成后通過屏幕下方的二維碼掃描模組掃描APP的二維碼記錄積分。

1.4.4 積分兌換機(jī)

積分兌換機(jī)柜體設(shè)有6層(高)*9格(寬)共54貨道、取貨口、制冷系統(tǒng)、22寸電容式觸摸屏和二維碼掃描器，集垃圾袋發(fā)放、禮品兌換功能于一體。通過屏幕下方的二維碼掃描模組掃描APP的兌換二維碼，控制板向后臺(tái)系統(tǒng)接口發(fā)送請(qǐng)求，返回當(dāng)前積分和可兌換禮品列表在屏幕上顯示，選擇要兌換的禮品或垃圾袋后貨架上相對(duì)應(yīng)的電機(jī)帶動(dòng)彈簧推送出禮品，掉落在取貨口。

2 系統(tǒng)軟件研發(fā)

2.1 垃圾分類管理系統(tǒng)

通過垃圾分類管理系統(tǒng)對(duì)接可回收垃圾箱、飲料瓶回收機(jī)、積分兌換機(jī)等硬件設(shè)備，實(shí)時(shí)采集汀州首府試點(diǎn)小區(qū)的垃圾分類參與率、投放正確率、積分統(tǒng)計(jì)及兌換情況、垃圾總量及分布情況、垃圾袋發(fā)放情況、垃圾回收量變化情況、垃圾箱滿溢狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)度清運(yùn)車輛的收集運(yùn)輸。

汀州首府小區(qū)居民在投遞可回收物紙張、玻璃、金屬、塑料、飲料瓶時(shí)，前端物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動(dòng)稱重、計(jì)數(shù)，按預(yù)定義規(guī)則產(chǎn)生積分，垃圾分類管理系統(tǒng)會(huì)同步記錄這些投放行為、積分變化、兌換行為等。為了解決垃圾投放后無法跟蹤追溯的問題，在每一個(gè)垃圾袋上印制了唯一標(biāo)識(shí)二維碼，可溯源到這袋垃圾來自哪戶居民、垃圾分類是否準(zhǔn)確，針對(duì)投放情況督導(dǎo)員進(jìn)行上門指導(dǎo)，提高居民投放正確率與參與率。

投放點(diǎn)的督導(dǎo)員根據(jù)垃圾袋上的二維碼復(fù)核、追溯該袋垃圾對(duì)應(yīng)居民的原理采用區(qū)塊鏈追溯技術(shù)，將小區(qū)居民取袋、投遞和積分累計(jì)全過程信息上鏈，所有數(shù)據(jù)信息記錄在分布式賬本上，每個(gè)區(qū)塊按時(shí)間的順序相連接，鏈上的節(jié)點(diǎn)通過Kafka模式共識(shí)算法，使上鏈數(shù)據(jù)難以篡改。整體架構(gòu)基于Hyperledger Fabric聯(lián)盟區(qū)塊鏈，在數(shù)據(jù)層的區(qū)塊上封裝垃圾袋唯一標(biāo)識(shí)、領(lǐng)用居民、投遞稱重、積分兌換及時(shí)間戳等信息采用CouchDB存儲(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)層將回收機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)建立單獨(dú)channel，在合約層采用Go語言開發(fā)智能合約，在應(yīng)用層采用SpringBoot和VUE開發(fā)包含瀏覽器端和移動(dòng)端的垃圾分類管理系統(tǒng)。

2.2 垃圾分類移動(dòng)端

通過移動(dòng)端完成垃圾分類硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)與附近居民的連接，垃圾分類移動(dòng)端提供掃碼投遞、禮品兌換、分類指南、我的成就等功能，如圖3所示。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)居民垃圾分類的有效引導(dǎo)，同時(shí)與獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制有機(jī)結(jié)合，在掃描投放可回收垃圾后，根據(jù)可回收物的種類和重量獲取積分，積分可兌換禮品，調(diào)動(dòng)居民對(duì)垃圾分類的積極性，培養(yǎng)垃圾分類的良好習(xí)慣。

圖3 垃圾分類移動(dòng)端Fig.3 Mobile garbage sorting

在移動(dòng)端應(yīng)用了動(dòng)態(tài)二維碼技術(shù)，從領(lǐng)取垃圾袋到投放垃圾到禮品兌換都是通過移動(dòng)端的動(dòng)態(tài)二維碼實(shí)現(xiàn)，從而避免被惡意的人用來收集數(shù)據(jù)、盜用積分。在移動(dòng)端發(fā)送動(dòng)態(tài)二維碼請(qǐng)求，后臺(tái)getCode接口獲取包含用戶信息、設(shè)備信息、請(qǐng)求次數(shù)和時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包，然后creatCode接口將數(shù)據(jù)包封裝為第一密鑰，生成偽隨機(jī)數(shù)封裝為第二密鑰，再附加有效時(shí)間形成密文，按QR Code碼制要求每分鐘生成一幅二維碼圖像。現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備掃描到二維碼后，后臺(tái)authenticationCode接口得到某一幀二維碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，先進(jìn)行時(shí)間驗(yàn)證，若掃碼時(shí)間減去生成時(shí)間小于有效時(shí)間，則繼續(xù)驗(yàn)證偽隨機(jī)數(shù)是否一致，而后繼續(xù)驗(yàn)證用戶信息、請(qǐng)求次數(shù)的密文是否正確，任一節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)比對(duì)失敗則驗(yàn)證不通過。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在汀州首府垃圾分類試點(diǎn)小區(qū)配備了垃圾分類督導(dǎo)員現(xiàn)場(chǎng)勸導(dǎo)指導(dǎo)居民如何垃圾分類，如圖4所示。經(jīng)過一個(gè)月的宣傳和試運(yùn)行，驗(yàn)證了小區(qū)居民取袋、掃描投遞、垃圾稱重、積分累計(jì)、禮品兌換、收運(yùn)定位、追蹤溯源等信息準(zhǔn)確無誤，根據(jù)系統(tǒng)后臺(tái)記錄統(tǒng)計(jì)當(dāng)月回收金屬30.2kg、塑料128.01kg、紙類79.85kg、玻璃17.04kg、飲料瓶124個(gè)。

圖4 現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用圖Fig.4 Real-world application diagram

4 結(jié) 語

本文通過建立汀州首府智能化垃圾分類示范點(diǎn)，提出了硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，將小區(qū)居民的垃圾投放行為進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過激勵(lì)和追溯的方式引導(dǎo)居民主動(dòng)分類、自覺投放，養(yǎng)成由隨手“扔”變成隨手“分”的良好習(xí)慣，增強(qiáng)居民垃圾分類回收意識(shí)和參與垃圾分類的積極性，有效提升垃圾分類精細(xì)化管理和智能化服務(wù)水平。