一種智慧社區(qū)垃圾分揀站設(shè)計(jì)

彭建興，盧春，郭貞景，何順洋，蔣萍，熊流水，田金木

（貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

中國目前是世界上垃圾產(chǎn)量最大的國家[1]，更加有效地對垃圾進(jìn)行分選處理，讓生活生產(chǎn)垃圾減量化、資源化和無害化，是中國環(huán)保企業(yè)的一項(xiàng)重大任務(wù)。

經(jīng)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國很多小區(qū)在對垃圾處理方面沒有較好的實(shí)施方案，很多情況下居民將各種類型不同的垃圾丟棄在一個(gè)大垃圾箱里面，由環(huán)衛(wèi)工人將垃圾運(yùn)輸?shù)揭淮卫D(zhuǎn)運(yùn)站，再由工作人員將垃圾運(yùn)輸?shù)酱笮屠无D(zhuǎn)運(yùn)站，最后運(yùn)輸?shù)嚼幚韽S，其過程耗時(shí)、運(yùn)輸成本大并且垃圾在運(yùn)輸過程會(huì)被其他無用垃圾侵蝕和污染，降低可回收垃圾的回收率和循環(huán)使用率。

2018年中國再生資源回收總量2.97億噸[2]，從回收結(jié)果來看并不是那么可觀。垃圾處理廠不能夠?qū)⑷藗儊G棄的垃圾及時(shí)進(jìn)行一個(gè)較為細(xì)化的分類，許多可回收垃圾都隨著不可回收垃圾一起進(jìn)行焚燒或填埋，可回收垃圾資源被浪費(fèi)掉。

2019年，全國地級及以上城市全方位展開生活垃圾分類工作，要求46個(gè)重點(diǎn)城市到2020年底基本完成垃圾分類處理系統(tǒng)[3]。垃圾分類系統(tǒng)的建成就需要在垃圾分類系統(tǒng)技術(shù)及設(shè)計(jì)上做出改進(jìn)，從而高效地為城市垃圾分類做貢獻(xiàn)。

隨著我國城鎮(zhèn)社區(qū)垃圾分類意識的提高[4]，做好區(qū)域衛(wèi)生規(guī)劃是推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要組成部分。在新型城鎮(zhèn)化建設(shè)中，衛(wèi)生資源配置應(yīng)堅(jiān)持四條基本原則，即：堅(jiān)持有“求”先“配”的原則；堅(jiān)持總體適度有所側(cè)重的原則；堅(jiān)持合理配置與優(yōu)化配置相統(tǒng)一的原則；堅(jiān)持衛(wèi)生資源配置的“底線”原則[5]。該項(xiàng)目主要講述的是怎樣合理地將垃圾進(jìn)行分揀和利用，國內(nèi)小區(qū)垃圾一般都是設(shè)置特定垃圾堆放處，再由物業(yè)聯(lián)系垃圾站專業(yè)回收垃圾。國外以日本為例是進(jìn)行垃圾分類再投放到垃圾回收處。國內(nèi)的優(yōu)點(diǎn)是不用自己垃圾分類，缺點(diǎn)是垃圾回收站垃圾分類繁瑣，所耗資源過大。國外缺點(diǎn)是雖然分類回收了，但是需要人工分類。本項(xiàng)目結(jié)合了國內(nèi)外的垃圾分類方式，設(shè)計(jì)一款集合多種識別方式和獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)的垃圾分揀站，實(shí)現(xiàn)在社區(qū)、垃圾分揀站等小型范圍內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行垃圾分類，及時(shí)對垃圾進(jìn)行分類，減少可回收垃圾的損壞，提高可回收垃圾的回收和循環(huán)使用。可以在垃圾產(chǎn)生地就近進(jìn)行垃圾分類，既不用人工分類垃圾，也不用運(yùn)輸?shù)嚼厥照窘y(tǒng)一分類垃圾，在源頭上將垃圾分類，減少分類時(shí)所需的人力物力和財(cái)力，節(jié)約資源并且符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性要求，相較于前兩者，具有研究意義。

1 垃圾分揀站設(shè)計(jì)

本作品的設(shè)計(jì)模型如圖1所示，主要分為三個(gè)部分，分別為投料箱1、分揀機(jī)械人2和四類垃圾箱3（干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾、有害垃圾）。其中，投料箱由分散箱和S型的傳送帶組成。

1.1 投料箱

在其內(nèi)部，設(shè)有圓滾筒式的分散箱4以及S型的傳送帶5。垃圾投入投料口后，投料口自動(dòng)關(guān)閉，這時(shí)垃圾進(jìn)入分散箱中進(jìn)行打散分散，最后導(dǎo)入在履帶上進(jìn)行傳送（圖2）。

1.2 分散箱

采用滾筒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，內(nèi)部為螺旋式滾筒[7]，有助于將集中成團(tuán)的垃圾打散，并由出料口均勻地將垃圾導(dǎo)到S型傳送帶起始處（圖3）。

1.3 S型傳送帶

采用S型結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省空間，還能讓特殊的未識別到的垃圾再次接受識別，可容納更多垃圾，且垃圾不易重疊，便于分揀車的識別，提高分揀車識別準(zhǔn)確性以及提高工作效率（圖4）。

1.4 四類垃圾箱

在里面裝有信號發(fā)生器，當(dāng)檢測到垃圾裝滿時(shí)，發(fā)送指令到終端，讓運(yùn)輸人清理已經(jīng)分類好的垃圾。

1.5 分揀車

分揀車上設(shè)有機(jī)械臂和各類識別模塊，當(dāng)垃圾由履帶傳送過時(shí)，經(jīng)多類模塊的識別判定，結(jié)合數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息，給出最準(zhǔn)確的判斷，后由機(jī)械臂進(jìn)行對應(yīng)抓取與投放到后方相應(yīng)的垃圾箱內(nèi)。

2 識別方式的設(shè)計(jì)

利用機(jī)器視覺、熱成像分析、物相分析、傳感器分析四種識別方式[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，分別得到分類結(jié)果與收集好的數(shù)據(jù)集進(jìn)行對比，得到垃圾分類結(jié)果。然后對多種識別方式的分類結(jié)果應(yīng)用投票算法，計(jì)算出最符合的判斷結(jié)論。這種綜合多種識別方式結(jié)果考慮的方式，能夠有效提升垃圾分類判斷的精度，提高垃圾分類的結(jié)果的準(zhǔn)確性（圖5）。

當(dāng)四種方式的識別分類結(jié)果與數(shù)據(jù)庫相同時(shí)，可直接獲得分類結(jié)果。而當(dāng)分類結(jié)果不同時(shí)，則引入AHP層次分析法[9]的一種投票算法進(jìn)行表決,計(jì)算出可信度最高的結(jié)果。圖6是垃圾分類的整個(gè)工作流程圖。

3 技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢

3.1 特點(diǎn)

擁有一套成熟的智慧社區(qū)感應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒗M(jìn)行分散處理，避免垃圾識別時(shí)成堆成團(tuán)，同時(shí)擁有四種識別方式，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫對比與投票算法能夠準(zhǔn)確識別各個(gè)種類的垃圾，從而極大程度地提高了識別的準(zhǔn)確率。

3.2 優(yōu)勢

（1）相比于大多數(shù)單一識別技術(shù)來進(jìn)行分類的系統(tǒng)，我們的垃圾分類系統(tǒng)通過四種方式一同進(jìn)行識別和判斷，提高了識別的準(zhǔn)確率。

（2）在源頭處理垃圾，不必像其他分類系統(tǒng)需要專程運(yùn)輸?shù)嚼幚韽S進(jìn)行分類，有效防止可回收垃圾被堆腐物污染，提高回收率與經(jīng)濟(jì)效益。

（3）較小的體型可以投入使用于各類社區(qū)，不會(huì)占用太大的場地。

（4）相對人工分類：我們能更準(zhǔn)確地識別，低于人工的成本。

4 推廣前景

垃圾分類是制約我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一,也是造成環(huán)境污染、資源再利用困難的根源之一[10]。中國智能垃圾分類行業(yè)處于發(fā)展初期階段，分類智能化水平相比已達(dá)到規(guī)?；逃玫娜毡?、芬蘭等國家較低。而且隨著居民生活垃圾量、社會(huì)廚余垃圾量以及智能化垃圾分類技術(shù)的提升，同時(shí)在環(huán)保政策持續(xù)發(fā)布的背景下，中國智慧垃圾處理行業(yè)需求增大，智慧垃圾分揀站將滿足人們垃圾處理的需求，具有良好的發(fā)展前景，值得推廣。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一項(xiàng)智慧社區(qū)垃圾分揀站模型，其各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用多種識別方式對垃圾進(jìn)行分類，分揀機(jī)器人控制機(jī)械臂進(jìn)行對應(yīng)垃圾的抓取和分類。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行模式為模擬人工和機(jī)械控制分類，可以持續(xù)、有條理地進(jìn)行垃圾分類。整個(gè)垃圾分類系統(tǒng)可以在社區(qū)等小型范圍內(nèi)進(jìn)行垃圾分類，及時(shí)高效處理人們產(chǎn)生的垃圾，提高可回收垃圾的回收和循環(huán)利用，避免浪費(fèi)和污染環(huán)境，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。