基于病毒防控背景下的自助加油站消毒設(shè)施設(shè)計(jì)

韓碩一，金可言

基于病毒防控背景下的自助加油站消毒設(shè)施設(shè)計(jì)

韓碩一，金可言

（米蘭理工大學(xué)，米蘭 20161，意大利）

在病毒防控的背景下，針對(duì)自助加油站的加油槍所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的消毒設(shè)施，使每一位自助加油站的用戶在不改變?cè)械氖褂昧鞒糖疤嵯陆佑|到清潔無(wú)毒的加油槍，從而在最大限度上阻止病毒在加油站公共區(qū)域的交叉?zhèn)鞑ァ＠米贤饩€消毒技術(shù)，將加油槍的外表面充分地消毒殺菌，并在每一次用戶使用過(guò)后都重復(fù)該流程，使得加油槍時(shí)刻保持無(wú)毒無(wú)菌的狀態(tài)，從而阻絕了病毒在用戶之間的傳播。經(jīng)過(guò)計(jì)算和推演，該設(shè)計(jì)可以有效的消除加油槍表面的病菌，有效阻隔了病毒的傳播途徑，與此同時(shí)新型設(shè)備的介入并沒(méi)有影響到用戶原有的自助加油使用流程，保留了原有的使用體驗(yàn)。該設(shè)計(jì)在公共衛(wèi)生領(lǐng)域起到了阻隔病毒傳播的作用，對(duì)病毒的防御有著深刻而廣泛的作用。

自助加油；加油槍；消毒設(shè)施；人機(jī)交互

勞動(dòng)力成本的增加和人們對(duì)高效工作的追求，使自助加油成為人們?cè)絹?lái)越普遍的加油方式，與此同時(shí)，自助加油站缺乏工作人員連續(xù)執(zhí)行清潔加油設(shè)備的工作，使加油站存在著嚴(yán)重的病菌寄存及環(huán)境污染的問(wèn)題。其中主要有以下幾點(diǎn)：意外泄漏和溢出、加油站污染違規(guī)、加油站污染物等。

在自助加油站的眾多設(shè)備中，加油槍是污染最嚴(yán)重的也是最關(guān)鍵的病毒傳播媒介[1]。一方面由于司機(jī)都需要使用它來(lái)給汽車加油；另一方面加油作為一個(gè)例行過(guò)程[2]，司機(jī)每月大約會(huì)加油5～6次，加油后加油槍上的病原體會(huì)進(jìn)入車內(nèi)。根據(jù)金伯利克拉克專業(yè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)氣泵拭子的研究，氣泵手柄平均包含2 011 970個(gè)菌落形成單位，這個(gè)數(shù)量是馬桶座圈細(xì)菌和病毒污染數(shù)量的11 000倍。因此，本文將消毒清潔的目標(biāo)放在自助加油站的加油槍上，希望通過(guò)限制這個(gè)重要的病毒傳播媒介，最大限度地阻止用戶之間及加油站與汽車之間的病毒和細(xì)菌傳播[3]，從而在這個(gè)公共空間中保障使用者的衛(wèi)生安全。

1 加油槍的污染種類

1.1 生物污染

超過(guò)70%的加油槍攜帶有高風(fēng)險(xiǎn)的細(xì)菌并可能發(fā)展為嚴(yán)重的疾病[4]。這些細(xì)菌中有50%被稱為“革蘭氏陽(yáng)性球菌”，它們會(huì)引發(fā)皮膚不良狀況，甚至是中毒性休克。

1.2 化學(xué)污染

苯占汽油成分的1%，是人類癌癥的公認(rèn)原因[5]。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)已將苯列為威脅人類的第一類致癌物。國(guó)際化學(xué)品安全計(jì)劃發(fā)現(xiàn)苯通過(guò)吸入、皮膚和食入被人體吸收。但在加油的過(guò)程中用戶需要握住被汽油殘留物污染的加油槍手柄幾分鐘，其皮膚表面可能殘留少量苯。

2 自助加油站消毒設(shè)施的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1.1 針對(duì)環(huán)境及病原體

該設(shè)備主要針對(duì)病毒防控領(lǐng)域，對(duì)自助加油站的加油槍表面的多種病原體的消毒與清潔。

2.1.2 目標(biāo)用戶

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)用戶是日常接觸自助加油站的司機(jī)（如卡車司機(jī)、公交車司機(jī)、私家車司機(jī)等），其中日常使用自助加油站的司機(jī)每月平均給車加油5～6次[6]，而每次加油的過(guò)程中都會(huì)有病原體被司機(jī)從加油站帶入車內(nèi)。

2.1.3 普遍適用性

全球有許多品牌和種類的加油站，不僅在公司之間存在差異，在品牌內(nèi)部也存在差異。由于加油站的種類繁多，需要針對(duì)不同長(zhǎng)度的加油站設(shè)備合理選擇和調(diào)整產(chǎn)品的尺寸，使本設(shè)計(jì)可以普遍安裝在不同的加油槍設(shè)備之上。

2.1.4 保持原本的使用流程

為防止用戶適應(yīng)新的操作流程，產(chǎn)品安裝到加油站后，應(yīng)保持原有的自助加油流程不變，確保用戶體驗(yàn)的順暢。

2.1.5 消毒原理

本設(shè)計(jì)采用紫外線燈照射的方式對(duì)加油槍的表面進(jìn)行消毒處理。由于紫外線滿足對(duì)殺滅有害病毒的要求[7]，因此這種方式既能滿足產(chǎn)品擺脫人工操作的自動(dòng)化需求，又能對(duì)加油槍設(shè)備的表面進(jìn)行有效的消毒。具體的紫外線技術(shù)細(xì)節(jié)將在后文詳細(xì)論述。

2.1.6 安全性

雖然采用紫外線照射的方式能夠?qū)υO(shè)備有效消毒，但其會(huì)對(duì)設(shè)備周邊的使用者造成危害。因此該設(shè)備在消毒工作的過(guò)程中必須將紫外線與使用者相隔離[8]，以確保用戶的安全。

2.2 設(shè)備概述

如圖1所示為模擬消毒設(shè)備在自助加油站環(huán)境下的安裝效果。設(shè)備被安裝在加油站的自助設(shè)施之上，并將加油槍“包裹”，設(shè)備內(nèi)部配有紅外感應(yīng)裝置和紫外線消毒裝置，每次用戶在使用并放還加油槍時(shí)，設(shè)備便會(huì)自動(dòng)感應(yīng)并關(guān)閉隔離罩，在保護(hù)周圍人員安全的前提下，運(yùn)用紫外線消毒技術(shù)對(duì)加油槍的表面進(jìn)行全方位消毒處理，消毒完成后隔離罩重新打開(kāi)并回歸原始狀態(tài)，以此循環(huán)往復(fù)。下文將對(duì)產(chǎn)品的使用流程及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳述。

圖1 設(shè)備在自助加油站中的安裝及使用

2.3 使用流程

1）加油站及設(shè)備生產(chǎn)方對(duì)具體的自助加油設(shè)備的尺寸進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)數(shù)據(jù)選擇合適規(guī)格的消毒設(shè)備提供給自助加油站。

2）將消毒設(shè)備連接并安裝在自助加油設(shè)備的主體上，使加油槍被消毒設(shè)備“包裹”。

3）用戶使用自助設(shè)備加油之前，消毒設(shè)備處于開(kāi)放狀態(tài)：紫外線隔離板升起，紫外線燈關(guān)閉，加油槍暴露在用戶面前。

4）用戶拿起加油槍使用時(shí)，消毒設(shè)備由內(nèi)部的紅外感應(yīng)裝置控制檢測(cè)到加油槍的位置運(yùn)動(dòng)。

5）用戶放還加油槍后，消毒設(shè)備將關(guān)閉隔離罩，在保護(hù)周圍人員安全的前提下通過(guò)紫外線燈的照射對(duì)加油槍表面進(jìn)行消毒處理。

6）經(jīng)后期計(jì)算，消毒時(shí)間將持續(xù)約1 min，隨后隔離罩重新打開(kāi)使消毒設(shè)施回歸原始狀態(tài)，見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備的使用流程

2.4 產(chǎn)品規(guī)格

2.4.1 3種規(guī)格

在設(shè)計(jì)概念的發(fā)展過(guò)程中，消毒產(chǎn)品需要適配不同規(guī)格的自助加油設(shè)備，根據(jù)比較的多種加油站設(shè)備的尺寸，筆者創(chuàng)建了3個(gè)不同大小的對(duì)象，以適應(yīng)不同的設(shè)備。這些設(shè)備的水平寬度分別為200 mm、400 mm和 600 mm，見(jiàn)圖3。

圖3 設(shè)備的3種基礎(chǔ)尺寸

2.4.2 人機(jī)尺寸

如圖4所示，通過(guò)對(duì)用戶身高和使用方式的調(diào)研[9]，使設(shè)備尺寸和安裝尺寸能夠不影響用戶的原有使用流程，在用戶的普遍身高范圍內(nèi)（145 cm～ 187 cm）依然可以觀察到加油槍的位置并順利取用。

2.5 產(chǎn)品細(xì)節(jié)

2.5.1 基本構(gòu)造

設(shè)備的主體框架由折彎和擠壓工藝制成的金屬殼體構(gòu)成，內(nèi)部包含了PCB控制模塊、電源模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、消毒模塊、感應(yīng)模塊等，見(jiàn)圖5。下文將對(duì)關(guān)鍵模塊進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.5.2 隔離罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖6所示，該設(shè)備的主要部件之一是用于打開(kāi)和關(guān)閉隔離罩的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)，筆者分析了電機(jī)和鉸鏈等多種選項(xiàng)，最終選擇使用線性致動(dòng)器。由于內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)，隔離罩的運(yùn)動(dòng)可以順利進(jìn)行，并且速度快無(wú)延遲。此外，為了確保平衡，將隔離罩的兩側(cè)安裝了線性致動(dòng)器。這種機(jī)構(gòu)形成的運(yùn)動(dòng)方式可以使隔離罩以垂直于地面的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滿足了人機(jī)工程學(xué)和操作的便利性。

圖4 設(shè)備的人機(jī)尺寸展示

圖5 設(shè)備爆炸圖

圖6 隔離罩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)

2.5.3 加油槍隔離裝置

如圖7所示，加油槍隔離裝置設(shè)計(jì)安裝在兩個(gè)加油槍之間[10]。裝置內(nèi)部安裝有紫外線燈以及紅外感應(yīng)器，為了獲得最佳的消毒效果，筆者將紫外線燈的位置設(shè)計(jì)成可同時(shí)照射到左右方向的兩個(gè)加油槍的形式。此外，加油槍隔離裝置由螺絲固定在設(shè)備主體下方，并可根據(jù)加油槍的具體位置來(lái)調(diào)整隔離裝置的安裝位置。

2.5.4 紅外感應(yīng)裝置

紅外傳感器可用于檢測(cè)加油槍的位置變化，以便相應(yīng)地啟動(dòng)消毒過(guò)程，見(jiàn)圖8。設(shè)備包含發(fā)射型傳感器和接受型傳感器[11]，通過(guò)傳感器之間的配合來(lái)探測(cè)加油槍的位置變化，進(jìn)而控制設(shè)備的整體工作。對(duì)紅外傳感器的選擇，應(yīng)從尺寸和安裝可行性出發(fā)，選擇適合的傳感器品類。

圖7 隔離裝置的細(xì)節(jié)

圖8 紅外感應(yīng)裝置的位置

2.5.5 紫外線照射裝置

紫外線燈分別被設(shè)置在隔離部件內(nèi)及設(shè)備的內(nèi)側(cè)頂部，從而能夠全方位地處理加油槍的外表面，見(jiàn)圖9。紫外線劑量=紫外線強(qiáng)度（W/m2）×曝光時(shí)間（s）。根據(jù)ClorDisys實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究，去除所有微生物和病毒為基礎(chǔ)，使目標(biāo)消毒率達(dá)到99.9%。在這方面，最具抵抗力的病毒表現(xiàn)出最大的存活率，為了破壞病毒，紫外線燈必須達(dá)到1 400（J/m2）的值。研究的第二個(gè)組成部分是曝光時(shí)間，目標(biāo)消毒時(shí)長(zhǎng)大約 60 s。根據(jù)之前的公式，能夠計(jì)算出設(shè)備所需的紫外線燈的強(qiáng)度是23.3（W/m）。經(jīng)過(guò)對(duì)紫外線燈供應(yīng)商的審查，最終選擇了far-UVC 222紫外線燈，如圖10所示。該紫外線燈對(duì)人類眼睛和皮膚較為安全，同時(shí)具有使用壽命長(zhǎng)、設(shè)計(jì)緊湊、無(wú)需預(yù)熱的特點(diǎn)。此外，222 nm波長(zhǎng)不會(huì)穿透眼角膜，因此不會(huì)造成角膜損傷。

圖9 紫外線消毒狀態(tài)的內(nèi)部效果

圖10 所選的紫外線燈的種類及規(guī)格

2.5.6 設(shè)備的安裝方式

該產(chǎn)品使用黏合劑來(lái)連接消毒設(shè)備和加油站設(shè)備。由于消毒設(shè)備的主體采用金屬材料，因此需要黏合劑具有能夠承受壓力和阻力的質(zhì)量[12]。環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯黏合劑最適合在零件上施加壓力的應(yīng)用。在比較了環(huán)氧金屬膠和聚氨酯膠后，得出的結(jié)論是大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂在與金屬相互作用時(shí)，在負(fù)載下表現(xiàn)更好，并且可以在惡劣的天氣條件下保持可靠性。此外，就價(jià)格而言，環(huán)氧樹(shù)脂的成本較低。

基于此，筆者選擇環(huán)氧樹(shù)脂黏合劑，并計(jì)算了需要支撐的重量，從而得到需要的黏合接觸面積。平均 2 300 psi = 15 N/mm2，因此對(duì)每mm2，可以提供1.5 kg 的承受力。消毒設(shè)備整體重量約15 kg，加上普通人的體重為85 kg，因此承受100 kg。因此接觸面積應(yīng)為67 mm2左右，見(jiàn)圖11。

2.5.7 LED指示燈

設(shè)備工作時(shí)隔離罩將會(huì)關(guān)閉，在關(guān)閉消毒期間，設(shè)計(jì)增加了LED指示燈作為提示，提醒用戶此時(shí)設(shè)備的工作狀態(tài)。隨著消毒工作的進(jìn)行，綠色LED燈進(jìn)度條將逐漸全部亮起，消毒完成后，指示燈熄滅，隔離罩抬起，表示消毒完成（見(jiàn)圖12），這個(gè)過(guò)程將持續(xù)1 min[13]，足以在下一個(gè)用戶使用之前完成消毒。

2.6 技術(shù)分析

2.6.1 有限元分析

為了了解該設(shè)備是否能夠承受足夠的外力，筆者使用SolidWorks Simulation進(jìn)行了有限元分析，如圖13所示，當(dāng)機(jī)體材料為鋁時(shí)，如果從側(cè)面施力[14]，整個(gè)機(jī)體的最大變形約為4.9 mm，隔離板的最大變形為4.25 mm，是材料可以接受的范圍。

圖11 設(shè)備背部的安裝位置

圖12 消毒進(jìn)度的反饋效果

2.6.2 失效模式效應(yīng)分析

通過(guò)FMEA（失效模式效應(yīng)分析）的分析，證明產(chǎn)品的組成部件和連接方式是便于重新設(shè)計(jì)的，這主要指對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)或裝備過(guò)程中所產(chǎn)生的錯(cuò)誤能夠進(jìn)行及時(shí)的改良。通過(guò)分析得出，每個(gè)案例的RPN數(shù)量都小于100。分析過(guò)程不僅考慮了制造和裝配層面的重新設(shè)計(jì)，而且包含維護(hù)層面的重新設(shè)計(jì)。通過(guò)以上步驟，結(jié)論是產(chǎn)品各個(gè)部件的翻新和替換工作是相對(duì)簡(jiǎn)易的，這充分滿足了實(shí)際生產(chǎn)和安裝過(guò)程中工作人員的需要，見(jiàn)圖14。

2.6.3 工藝與材料

如圖15所示，消毒設(shè)備的主體采用鋁制金屬材料，并采用金屬折彎及擠壓成型工藝，在最大程度上減少了工藝成本。中間的加油槍隔離部件由于主體形態(tài)和內(nèi)部構(gòu)造的限制，最終將其設(shè)計(jì)成以ABS塑料為基本材料并使用塑料注塑工藝，這既能滿足形態(tài)和結(jié)構(gòu)的需求，又能有效降低設(shè)備的質(zhì)量。

圖13 設(shè)備外殼的有限元分析

圖14 FMEA（失效模式效應(yīng)分析）

圖15 設(shè)備各部件的制造工藝

3 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今各類病毒普遍暴發(fā)的背景下，病毒防控逐漸成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，而公共設(shè)施的衛(wèi)生質(zhì)量水平又對(duì)流行性病毒的傳播有著巨大影響。在自助加油站公共區(qū)域應(yīng)時(shí)刻關(guān)注關(guān)鍵設(shè)備的衛(wèi)生狀況，加油槍是該區(qū)域最關(guān)鍵的傳播媒介。因此，確保了自助加油槍時(shí)刻保持在最佳的衛(wèi)生狀態(tài)，也就高效地阻止了病毒在使用者之間的傳播。本文概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是基于此發(fā)展而來(lái)，利用紫外線燈及機(jī)械自動(dòng)化等方式，彌補(bǔ)了工作人員無(wú)法時(shí)刻清潔加油站設(shè)備的弊端，使加油槍設(shè)備在每次被使用后都能被重新消毒，并帶給用戶及時(shí)的工作進(jìn)程反饋，最終在病毒傳播的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上消除了衛(wèi)生安全隱患。隨著自助加油站普及程度的提高，該設(shè)備在未來(lái)的市場(chǎng)上也擁有廣泛的使用基數(shù)和前景；本設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)基于病毒防控背景，對(duì)未來(lái)可能的各類流行病原體的防控具有積極的指導(dǎo)和預(yù)防作用。該設(shè)備作為一款立足于實(shí)際生產(chǎn)和使用的設(shè)備，在文中描述了其基本的操作流程和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的可行性、生產(chǎn)和使用的可操作性，但該設(shè)備能否滿足現(xiàn)階段模擬和推斷過(guò)程的需要，仍然有待實(shí)際的檢驗(yàn)。

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Design of Disinfection Facilities for Self-service Gas Stations in the Context of Virus Prevention and Control

HAN Shuo-yi, JIN Ke-yan

(Politecnico di Milano, Milan 20161, Italy)

The work aims to design and develop a disinfection facility for the nozzles of self-service gas stationsin the context of virus prevention and control, so that every user of the station can have access to clean and non-toxic nozzles without changing the original use process, thus preventing the cross-transmission of viruses in the public area of the station to the greatest extent. The UV disinfection technology was used to fully disinfect and sterilize the external surface of the nozzles, and the process was repeated after the use of each user, so that the nozzles were kept in a non-toxic and sterile state at all times, thus preventing the spread of the virus among users. After calculation and deduction, the design could effectively eliminate the germs on the surface of the nozzles, effectively blocking the transmission of viruses, while the new equipment did not affect the original self-service refueling process of users, retaining the original use experience. The design plays a role in blocking the spread of viruses in the field of public health, and has a profound and extensive effect in the defense of viruses.

self-service refueling; nozzle; disinfection facilities; human-computer interaction

TB472

A

1001-3563(2023)14-0100-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.14.010

2023–02–16

韓碩一（1997—），男，碩士，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)工程。

責(zé)任編輯：陳作