基于SEM模型和物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾分類(lèi)及垃圾桶配置研究

鄭思晗 楊徐昕 袁文霞 申婷 董仙娜

摘 要：隨著我國(guó)電子商務(wù)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入居民生活的各個(gè)方面。本文通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查以及分析國(guó)內(nèi)外的垃圾分類(lèi)趨勢(shì)，基于SEM模型和物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾分類(lèi)，來(lái)研究智能垃圾桶的配備。垃圾桶將仿照自動(dòng)售賣(mài)機(jī)的設(shè)計(jì)，將我國(guó)目前的便捷收付端與垃圾分類(lèi)處理機(jī)器結(jié)合，使其具有節(jié)能化、環(huán)保化、集約化、智能化等特點(diǎn)。在提高人們對(duì)于垃圾分類(lèi)投放主動(dòng)性的同時(shí)，可以加速我國(guó)的信用城市建設(shè)速度，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的目的。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能垃圾分類(lèi)；SEM模型；便捷收付

中圖分類(lèi)號(hào)：TU993.3；TP391.44；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）02-0052-03

Research on Intelligent Garbage Classification and Trash

Configuration Based on SEM Model and Internet of Things

ZHENG Sihan YANG Xuxin YUAN Wenxia SHEN Ting DONG Xianna

（Mathmatics and Computational Science， Hunan First Normal University， Changsha Hunan 410205）

Abstract： With the rapid development of e-commerce in China， the Internet of Things has gone deep into all aspects of civilian life. Based on the SEM model and IOT intelligent garbage classification， this paper studied intelligent garbage classification and trash cansequipment through the questionnaire survey and analysis of domestic and foreign trends in the classification of garbage. Trash will be modeled on the vending machine design， the current convenience of Chinas cashier and waste sorting processing machines combine to make it with energy-saving， environmental protection， intensive， intelligent and so on. While improving peoples initiative for sorting garbage， we can speed up the construction of Chinas credit city so as to achieve the goal of protecting the environment and saving resources.

Keywords： IOT；smart garbage classification；SEM model；convenient payment

自黨的十九大召開(kāi)以來(lái)，生活垃圾分類(lèi)的推廣力度之大前所未有。由于人們對(duì)于垃圾分類(lèi)知識(shí)的理解存在不全面性，以及垃圾桶配置問(wèn)題（太密集或太稀疏、分類(lèi)指示不明確）、政府部門(mén)回收利用監(jiān)督力度不夠、垃圾分類(lèi)的處理鏈斷裂（分類(lèi)的后期處理依然是焚燒或填埋）等原因，導(dǎo)致推廣分類(lèi)的過(guò)程效果不明顯，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目的。本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出將物聯(lián)網(wǎng)與垃圾桶結(jié)合，實(shí)現(xiàn)垃圾桶的智能化。利用支付寶和微信平臺(tái)的便捷支付性和普及性，給人們普及垃圾分類(lèi)知識(shí)，同時(shí)將支付寶的螞蟻積分與垃圾分類(lèi)獎(jiǎng)懲制度相結(jié)合，建立垃圾分類(lèi)社會(huì)征信體制，從而加速我國(guó)的信用城市建設(shè)速度[1]。

1 垃圾桶配備及投放口分類(lèi)研究

1.1 配備研究

由于存在智能垃圾桶配置成本較高以及居民對(duì)于垃圾分類(lèi)的短期不適應(yīng)性而產(chǎn)生懶惰心理兩方面原因，為了確保方案的實(shí)施可行性及經(jīng)濟(jì)可行性，在研究機(jī)器設(shè)計(jì)時(shí)首先要確保實(shí)現(xiàn)垃圾桶的優(yōu)化配置。

1.1.1 智能垃圾分類(lèi)的2種方案。方案一，1個(gè)普通垃圾桶+1個(gè)智能垃圾桶。其研究背景為由于投放口的數(shù)量決定了智能垃圾桶的造價(jià)，從節(jié)約成本的角度考慮，普通垃圾桶用于投放除了投放口種類(lèi)之外的垃圾。鑒于此，在學(xué)校附近的居民區(qū)發(fā)放問(wèn)卷，對(duì)數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行線(xiàn)性回歸，找出主要的因素，分析因素對(duì)于方案的重要性，根據(jù)數(shù)據(jù)分析確定各因素的權(quán)重，結(jié)合方案二進(jìn)行基于SEM模型的綜合評(píng)價(jià)排序，選出相對(duì)最優(yōu)方案。

方案二，1個(gè)智能垃圾桶。其研究背景為針對(duì)方案一發(fā)放問(wèn)卷時(shí)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如居民為了省事會(huì)將垃圾全部投入普通垃圾桶，智能垃圾桶有陷入閑置狀態(tài)的可能性。另外，將其他垃圾設(shè)置為智能垃圾桶投放口之一，會(huì)導(dǎo)致智能垃圾桶造價(jià)較高。針對(duì)以上問(wèn)題，重新設(shè)置問(wèn)卷，提出方案二，建模過(guò)程同方案一。

1.1.2 獎(jiǎng)懲制度的2種方案。方案一，獎(jiǎng)懲電子現(xiàn)金。其研究背景為由于便捷支付的興起，人們?cè)絹?lái)越依賴(lài)于便捷支付端的化零為整的功能。鑒于此，人們根據(jù)不同種類(lèi)的垃圾所制定的不同的返金制度得到一定的電子獎(jiǎng)勵(lì)金存于微信錢(qián)包或者余額寶中。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤投放現(xiàn)象時(shí)，將會(huì)扣除相應(yīng)的余額。但是，調(diào)查發(fā)現(xiàn)由于扣除余額時(shí)需要用戶(hù)輸入支付密碼，故會(huì)產(chǎn)生用戶(hù)不配合現(xiàn)象。

方案二，積分返電子現(xiàn)金的獎(jiǎng)懲制度。利用積分制可有效避免用戶(hù)因?yàn)樾枰斎胫Ц睹艽a而產(chǎn)生的不配合現(xiàn)象，即出現(xiàn)錯(cuò)誤投放時(shí)扣除相應(yīng)的積分，以積分兌換現(xiàn)金。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)對(duì)于積分返現(xiàn)制度較為滿(mǎn)意。

1.2 基于SEM模型的智能垃圾分類(lèi)方案綜合評(píng)價(jià)排序

1.2.1 求解步驟。首先，建立符合研究需要的層次分析模型的一般形式，將問(wèn)題分解為3個(gè)層次，依次是目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，通過(guò)以下步驟確立各個(gè)層次之間的權(quán)值，如圖1所示。

圖1 SEM模型

其次，利用多方調(diào)查結(jié)果，結(jié)合Saaty的實(shí)驗(yàn)研究[2]，采用1～9的標(biāo)度方法（這是一種將思維判斷數(shù)量化的方法，是在較簡(jiǎn)單的尺度中最好，也是結(jié)果并不劣于較復(fù)雜的尺度）。標(biāo)度的含義如下：“1”表示兩個(gè)元素相比具有同樣的重要性（一般）；“3”表示兩個(gè)元素相比，一個(gè)元素比一個(gè)元素稍微重要（較好/較差）；“5”表示兩個(gè)元素相比，一個(gè)元素比另一個(gè)元素明顯重要（好/差）；“7”表示兩個(gè)元素相比，一個(gè)元素比另一個(gè)元素強(qiáng)烈重要（很好/很差）；“9”表示兩個(gè)元素相比，一個(gè)元素比另一個(gè)元素極端重要（極好/極差）。

再者，通過(guò)以上標(biāo)度和圖1確立層次變量之間的關(guān)系，方案層P對(duì)于準(zhǔn)則層B的標(biāo)度如下：方案P1對(duì)應(yīng)B1～B3的標(biāo)度為很好、好、好，方案P2對(duì)應(yīng)B1～B3的標(biāo)度為差、極好、差。根據(jù)上述關(guān)系，確立各個(gè)層次之間的權(quán)值。

最后，賦值求解。通過(guò)以上步驟確定成對(duì)比較矩陣，通過(guò)和法步驟后計(jì)算最大特征根：

[λ=1ni=1n（Aω）iωi] （1）

然后根據(jù)：

[CI=λ-nn-1] （2）

[CR=CIRI] （3）

確定特征值是否通過(guò)一致性檢驗(yàn)，其中λ是最大特征根，A是成對(duì)比較矩陣，ω是組合權(quán)向量，CI是一致性指標(biāo)，CR是一致性比率，RI是隨機(jī)一致性指標(biāo)。最后對(duì)算出的組合權(quán)向量進(jìn)行排序，選出最佳方案。

1.2.2 求解結(jié)果。綜合上述所得的結(jié)果，利用MATLAB軟件計(jì)算出基于SEM模型的垃圾桶配備最佳方案，P層次總排序結(jié)果為：P1，1.742 265 74；P2，0.677 486 35。

1.2.3 結(jié)論。依據(jù)計(jì)算結(jié)果和各個(gè)判斷矩陣可知，各層一致性檢驗(yàn)比例CR都小于0.1，可以認(rèn)為：各個(gè)層次之間的成對(duì)比較陣為可以接受的，得到的結(jié)果是符合實(shí)際結(jié)果的[5]?？偟呐判蚪Y(jié)果為P1方案是最佳的基于SEM模型的垃圾桶配備方案，說(shuō)明該方案是可行的。

1.3 智能垃圾桶投放口分類(lèi)

綜合分析我國(guó)現(xiàn)階段垃圾分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和垃圾分類(lèi)現(xiàn)狀，此次研究將垃圾桶投放口分為以下幾種：金屬、玻璃、紙張（不含衛(wèi)生紙）、可腐垃圾、有毒有害垃圾、衣物布料及其他垃圾。

2 垃圾桶設(shè)計(jì)

2.1 外觀設(shè)計(jì)

考慮垃圾箱內(nèi)環(huán)境惡劣、設(shè)計(jì)復(fù)雜，且面向的消費(fèi)人群為普通大眾人群，因此，垃圾箱外側(cè)主要采用不銹鋼材料，顏色為黑色，以長(zhǎng)方體為主體形象。所有垃圾都投放到一個(gè)桶內(nèi)，影響了垃圾的分類(lèi)回收和無(wú)害化處理。

除此之外，垃圾桶投入口附近應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)顯示屏[3]。通過(guò)顯示屏和微信公眾號(hào)雙向提示居民投放垃圾的正確性，以實(shí)現(xiàn)居民投放獎(jiǎng)罰的可視化。

2.2 功能設(shè)計(jì)

在具體應(yīng)用過(guò)程中，垃圾桶的結(jié)構(gòu)是最重要的組成部分。垃圾桶的設(shè)計(jì)不僅要使其具備垃圾分類(lèi)的基本功能，而且要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類(lèi)[4]及獎(jiǎng)懲投放。其中分類(lèi)垃圾桶的形狀、大小、高度等尺寸參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，傳感器設(shè)備的合理布置，能使垃圾桶與整體系統(tǒng)運(yùn)行相匹配，充分發(fā)揮其功效。

投放的獎(jiǎng)懲設(shè)計(jì)則是通過(guò)在投入口內(nèi)部附近安裝紅外感應(yīng)裝置[5]，當(dāng)投入垃圾時(shí)紅外感應(yīng)裝置會(huì)發(fā)出信號(hào)，使垃圾桶內(nèi)部自動(dòng)運(yùn)行，檢驗(yàn)居民對(duì)垃圾的分類(lèi)投放是否正確，從而在系統(tǒng)中進(jìn)行正確有效的獎(jiǎng)罰。經(jīng)過(guò)紅外線(xiàn)檢測(cè)之后，則采取稱(chēng)量或壓縮的方式。

3 智能垃圾分類(lèi)投放的獎(jiǎng)懲標(biāo)準(zhǔn)建議

通過(guò)在湖南省長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)、天心區(qū)、芙蓉區(qū)、寧鄉(xiāng)縣4個(gè)不同的區(qū)縣選取垃圾站進(jìn)行調(diào)查，得出不同垃圾回收的價(jià)值（見(jiàn)表1），其中金屬以易拉罐為主。然后，以此數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)得出分類(lèi)投放獎(jiǎng)勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同垃圾的回收價(jià)值

[回收價(jià)值 岳麓區(qū) 天心區(qū) 芙蓉區(qū) 寧鄉(xiāng)縣 金屬（元/kg） 14.0 15.0 16.0 15.0 紙張（元/kg） 2.2 2.0 1.9 1.8 ]

以上例子可推廣至全國(guó)，通過(guò)分類(lèi)投放垃圾獲得對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，在公眾號(hào)中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)顯示出微信好友的得分及排名。還可以查看自己所在地區(qū)的排名，如岳麓區(qū)、長(zhǎng)沙市、湖南省等。

除了對(duì)分類(lèi)投放垃圾有獎(jiǎng)勵(lì)之外，還設(shè)置了檢測(cè)及處罰系統(tǒng)。如果沒(méi)有分類(lèi)就進(jìn)行投放，會(huì)從系統(tǒng)中扣除一定的積分，同時(shí)會(huì)進(jìn)行微信提醒。

4 研究的評(píng)價(jià)與推廣

4.1 評(píng)價(jià)

目前，我國(guó)的垃圾處理多采用衛(wèi)生填埋甚至簡(jiǎn)易填埋的方式，環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，進(jìn)行基于SEM模型和物聯(lián)網(wǎng)的智能垃圾分類(lèi)可以降低處理成本，減少土地資源的消耗，具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)3方面的效益。

此次研究的智能垃圾分類(lèi)具有節(jié)能化、環(huán)保化、集約化、智能化和普及化的優(yōu)點(diǎn)。其中，節(jié)能化是指通過(guò)智能垃圾桶的設(shè)計(jì)，降低了垃圾分類(lèi)的成本，提高了垃圾回收的比率；集約化是指內(nèi)部設(shè)計(jì)將會(huì)對(duì)一些體積大的垃圾進(jìn)行壓縮，節(jié)約垃圾儲(chǔ)存空間；智能化是指通過(guò)紅外線(xiàn)掃描、稱(chēng)量、壓縮、檢測(cè)等；普及化是指利用支付寶和微信平臺(tái)的便捷支付性和普及性，全民普及環(huán)保與垃圾分類(lèi)的知識(shí)，提高居民分類(lèi)投放的主動(dòng)性，通過(guò)把支付寶的螞蟻積分與垃圾分類(lèi)獎(jiǎng)懲制度相結(jié)合，建立垃圾分類(lèi)社會(huì)征信體制，從而加速我國(guó)信用城市的建設(shè)速度。

但是，由于此次研究范圍有限，對(duì)于智能垃圾桶內(nèi)部設(shè)計(jì)只能通過(guò)一些功能建議對(duì)機(jī)器開(kāi)發(fā)者提出期望，對(duì)于環(huán)保部門(mén)垃圾處理鏈的斷裂只能通過(guò)提出一些政策建議來(lái)達(dá)到對(duì)此次研究的補(bǔ)充，如專(zhuān)門(mén)設(shè)立垃圾分類(lèi)回收部門(mén)以加強(qiáng)監(jiān)管等。

4.2 推廣

根據(jù)不同地區(qū)的垃圾特點(diǎn)及回收效益和成本比值標(biāo)準(zhǔn)，本次研究可以進(jìn)行全國(guó)范圍內(nèi)的推廣。比如，可以根據(jù)地區(qū)的適用性對(duì)垃圾桶的設(shè)計(jì)做出不同適應(yīng)性的調(diào)整。其中生活區(qū)可腐垃圾的容量應(yīng)設(shè)置為最大，辦公學(xué)習(xí)區(qū)紙張垃圾桶的容量應(yīng)設(shè)置為最大，各類(lèi)具體容量還需根據(jù)進(jìn)一步實(shí)地調(diào)研的結(jié)果來(lái)確定。

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