基于生態(tài)設(shè)計的城市水上垃圾清理船設(shè)計研究

張智源 常明堂 宋佳運 張文亮 張澤林

摘 ? 要：在現(xiàn)代化社會進程的發(fā)展下，人們的生活水平得到很大程度的改善，與此同時，生活中產(chǎn)生的垃圾量逐年增加，水上漂浮的垃圾逐漸引起社會大眾的重視。而當前人工清理垃圾的方式一方面效率較低，另一方面也存在很大的安全隱患?；诖?，本文主要研究水上垃圾清理船的設(shè)計，分析其功能結(jié)構(gòu)，并對當前水上垃圾清潔器發(fā)展水平和現(xiàn)狀進行闡述，以期實現(xiàn)對水上漂浮垃圾的高效處理，保護城市生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：生態(tài)設(shè)計 ?水上垃圾 ?清理船

中圖分類號：TM61 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（b）-0108-02

隨著我國現(xiàn)代化進程的加快，垃圾產(chǎn)量大量增加，水上漂浮垃圾的數(shù)量也日益增多。城市生態(tài)環(huán)境在很大程度上受到水域環(huán)境的影響，保障水域環(huán)境的環(huán)保無污染是建設(shè)生態(tài)城市的重要基礎(chǔ)。在這種形勢下，小型便捷的城市水上垃圾清潔器設(shè)計的訴求應(yīng)運而生。這類設(shè)計要求在功能上體現(xiàn)出當前時代最新科技水平，滿足水域環(huán)保清理的要求。

1 ?水上垃圾清潔船的功能與機構(gòu)

水上垃圾清潔船可以實現(xiàn)全自動智能化的清理作用，在無人操作的情況下對垃圾進行處理。從結(jié)構(gòu)上來說，水上垃圾清理船主要由四個模塊組成。第一個是船體主控模塊，采用微控制器，借助GPS進行定位，由雙螺旋漿對船體的前進方向進行調(diào)整，實現(xiàn)船體的自主巡航;第二個是動力模塊，這一模塊的供電模式為蓄電池供電，通過H橋電路驅(qū)動直流電機對航行速度進行控制;第三個是垃圾識別模塊，也就是通過攝像頭對垃圾進行識別，并在超聲波傳感器的測量作用下判定船體與垃圾之間的航行距離;第四個是垃圾收集模塊，主要在葉輪的帶動下，傳送帶進行響應(yīng)運用，將垃圾收集到船體后方的垃圾收集器，這一垃圾收集的過程將保持循環(huán)狀態(tài)。

2 ?水上垃圾清潔器發(fā)展水平和現(xiàn)狀

目前我國已經(jīng)用于實踐的水上垃圾清理設(shè)備包括清理機器人、清理船和環(huán)保型垃圾清理收集船等。其中水上垃圾清理機器人在水域面積較小的景區(qū)或者小型水庫中更為適用。能打撈大部分水面上正在漂浮的垃圾，比如樹葉和包裝物等。由于無線電遙控技術(shù)的操作流程較為簡單，且具備較好的機動性，在公園或景區(qū)水域面積小的環(huán)境中能達到良好的垃圾清理效果。在使用過程中，只需要將其運送到工作地點，吊放入水，由操作人員在岸上進行遠程遙控，完成垃圾清理后再利用吊放裝置回收即可，流動使用，方便快捷。也可以將清理器放置在固定水域，定期進行垃圾清理，從而簡化運輸環(huán)節(jié)。水上垃圾清理船更適用于在江河湖泊中對水面垃圾進行清潔，能收割打撈水生植物，操作過程靈活性強，能有效清理死角，高效收集水面垃圾，且垃圾的聚攏和打撈都保持自動化。環(huán)保型水面垃圾清理收集船主要適用于小型河流和湖泊，或者在水上游樂場所進行水面垃圾的機械化清理。在雙船體的設(shè)計下，船體在收集垃圾作業(yè)中的行走阻力得到分散，同時增強了工作過程中的穩(wěn)定性。環(huán)保型水面垃圾清理收集船主要設(shè)置太陽能電池完成蓄電池的持續(xù)充電，在工作過程中能保持無聲狀態(tài)，且不會產(chǎn)生廢氣，真正做到環(huán)保，具有較強的實用性。系列化環(huán)保型水面垃圾清理收集船的推廣能實現(xiàn)水面垃圾清理的機械化和自動化，在很大程度上提高垃圾清掃效率和作業(yè)質(zhì)量，同時又起到對水面環(huán)境的維護保障功能[1]。

3 ?水上垃圾清潔船設(shè)計概述

3.1 使用功能定位

水上垃圾清潔船采用人工遙控，取代了智能搜索識別垃圾的功能。由于水面垃圾的分布通常較為分散，位置變化較大，如果在水域面積廣的情況下，自動搜索垃圾將會消耗大量能源，搜索垃圾的效率較低。而采用人工遙控則可以人為選擇需要清潔的區(qū)域，一方面避免了環(huán)衛(wèi)工人下水操作的危險性，另一方面也使操作過程更為高效。此外，在電動工具設(shè)計中，首先需要保障工具使用的安全性，尤其是在水中作業(yè)的設(shè)備更容易由于進水產(chǎn)生安全故障。因此，本設(shè)計中采用水電分離的結(jié)構(gòu)模式，使控制區(qū)域與工作區(qū)相互隔絕，從而有效防止設(shè)備進水。

3.2 工作原理

本次設(shè)計的水上垃圾清理船由微控制器、攝像頭、超聲波傳感器、蓄電池、機械傳動裝置和葉輪傳送帶等共同組成。在工作過程中，將水上清潔衛(wèi)士放入水中，打開位于船尾的工作開關(guān)，當紅色指示燈亮時，則代表電路系統(tǒng)已經(jīng)開始進入工作狀態(tài)。船體的攝像頭在識別到目標時，會將拍到的圖片進行分析處理，超聲波傳感器對目標與船體之間的距離進行測量，然后調(diào)整船體航向，使船體與目標保持在同一直線上。H橋電路驅(qū)動直流電機控制航速，雙螺旋漿對船體的航行方向進行調(diào)整，逐漸駛向清理目標。當超聲波傳感器測量到船體與清理目標之間的距離為0時，船速減慢，傳送帶在浮葉輪的帶動下將垃圾收集到后方的垃圾收集器中，這一收集過程保持循環(huán)狀態(tài)。同時，該垃圾清理器還可以通過GPS定位功能來實現(xiàn)對船體的監(jiān)測[2]。

3.3 設(shè)計特征

本設(shè)計的水上垃圾清理船包括船體、船體驅(qū)動機構(gòu)、收集輸送裝置、太陽能板組及控制系統(tǒng)，在船體前端開有相應(yīng)缺口，缺口后側(cè)設(shè)有收集箱。船體后下方設(shè)置船體驅(qū)動機構(gòu)，包括三個部分，即螺旋槳、減速機和第一電機。螺旋槳位于船體外部，通過減速機與第一電機連接。收集輸送裝置在船體前側(cè)缺口處安裝，包括安裝直接輸送帶以及第二電機。安裝支架在船體前側(cè)固定，輸送帶通過主動輥和從動輥設(shè)在安裝支架上，第二電機輸出端與主動輥一端相連。該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，且不需要較高的資金投入，取代人工下水打撈的垃圾清理模式，節(jié)省了人力成本和時間成本;安全性較高，操作過程便捷，能有效打撈死角，具有較高的自動化，垃圾清理效率高[3]。

4 ?結(jié)語

與傳統(tǒng)的垃圾打撈船相比，本設(shè)計的水上垃圾清潔船具備較強的優(yōu)勢，其與人們的生活和生態(tài)環(huán)境建設(shè)息息相關(guān)，是城市水域環(huán)境改善的有效輔助工具，對于水文質(zhì)量的提高具有重要的作用[4]。本設(shè)計遵循“以人為本”的原則，結(jié)合當前水上垃圾清潔的現(xiàn)狀，設(shè)計出能解決當前社會水生態(tài)污染問題的水上垃圾清潔船，符合新時代科技發(fā)展進步趨勢，更為社會發(fā)展和城市的美化注入一份力量。

參考文獻

[1] 楊云，張林，劉镕瑋，等.小型水面垃圾清理機器人[J].兵工自動化，2018，37（3）：44-47，59.

[2] 牛永華.淺談水面垃圾清理裝置[J].山西水利科技，2018（4）：77-79.

[3] 孫強，王莎莎，荊世翔，等.基于光伏發(fā)電技術(shù)的水上清理機器人動力系統(tǒng)設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新，2018（14）：122-123.

[4] 占金鋒.40m雙體全自動水上垃圾清掃船的研制[J].江蘇船舶，2018，35（3）：1-3，12，5.