現代生活垃圾物流信息化管理技術

張 靜

（上海市綠化和市容管理信息中心，上海 200040）

1 研究背景

目前物聯網技術、電子計量、GPS、GIS、人工智能以及現代物流相關技術在許多城市生活垃圾管理中得到應用，并幫助提高了環衛管理效率。但生活垃圾收集、運輸、處置以及計量收費等全過程的信息化管理以及上述多種技術的集成應用還較少。在上海生活垃圾收運與處理過程中，具有相應的技術基礎，其中包括應用計量技術實現生活垃圾的計量；運用車輛監管技術，實現生活垃圾物流過程監管與管理；運用計量信息采集與相關通訊、信息技術，建立生活垃圾管理與結算平臺，實現生活垃圾的信息化管理［1］。

在此基礎上進一步研究運用RFID讀卡、GPS等衛星定位、車載計量、壓力稱重等傳感器測量等各種M2M技術的技術集成，從生活垃圾收運源頭進行信息采集與技術管理，將運輸車輛、垃圾站、中轉站、各類分類處置場所等垃圾分類計量采集數據進行系統集成，以GPRS、3G無線數據通訊網絡為基礎，研究構建基于物聯網的特大城市生活垃圾物流管理平臺，從而實現對生活垃圾從源頭分類收集、運輸、中轉到處置全過程每個環節的監管。

同時進一步研究生活垃圾分類管理內容、管理流程與整個生活垃圾的管理體系，從生活垃圾源頭管理入手，建立生活垃圾源頭建檔、定量考核、收運處理全程監控、處置過程實時監管的生活垃圾全程監管體系，通過生活垃圾的源頭申報、收運過程的物流管理，采集信息的統計分析與資金結算，實現生活垃圾的信息流、物流與資金流的一體化管理，建立相應的日常管理與應急處置機制，為生活垃圾的輔助決策提供數據支持。

2 生活垃圾物流管理體系的研究

2.1 產生單位源頭建檔

這里主要研究產生單位的生活垃圾，其中包括餐廚垃圾與廢棄油脂。總結各類餐飲場所以及企事業單位、學校食堂產生的餐廚垃圾、廢油脂的收集及無害化處理管理現狀，對源頭分類責任的落實是工作的重點和難點之一，目前亟需建立餐廚垃圾、廢油脂、地溝油產生單位“一戶一檔”，管理檔案的建立，將有利于餐廚垃圾、廢油脂的規范管理，進一步維護城市整潔，保障市民身體健康。

“一戶一檔”的建立，首先需要對全市各區鎮、街道餐廚垃圾、廢油脂產生單位開展地毯式排摸登記，建立全市餐廚垃圾、廢油脂產生單位的管理檔案。產生單位主要包括食品加工單位、飲食經營單位、單位食堂等餐廚垃圾產生單位（包括個體戶）。

產生單位管理檔案主要包含單位類別、單位聯系人及聯系方式、資質收運服務單位名稱、合同收運量（包括日均量、全年量）、收運時間及頻率、存放地和收運車量等內容。

待完整檔案建立后，市容環衛部門既可以對登記在冊單位的餐廚垃圾的申報量、收集量以及處置量進行物流情況的監控，又可以進行精細化的統計。

2.2 生活垃圾收運計量

隨著政府對垃圾量監管力度的加大，建立精準、高效、智能的動態稱重系統勢在必行。采用基于物聯網技術與計量技術相結合的車載稱重系統，實時掌握居民小區內所有的垃圾收運車輛裝運垃圾的質量及收集原始數據，并與垃圾處理廠計量設備聯網監管、協同運營。通過收運計量可以掌握每個產生單位、居民小區的生活垃圾源頭產生量，通過數據積累，可以實現對源頭垃圾分類情況、分類效果進行考量，可以用于對各產生單位、居民小區、街道進行定量化的考核與管理，并結合相應的管理措施進行生活垃圾減量化管理，提升垃圾減量的控制手段與管理措施。為進一步建立環境補償機制、經濟結算機制、市場化管理機制提供技術與數據支撐［2-3］。

2.3 收運過程全程監管

收運過程的全程監管包括對收運車輛的源頭收運、小壓站的源頭中轉、中轉站的垃圾轉運，以及部分垃圾分揀點、粗加工點的過程監管；收運過程的全程監管是生活垃圾物流環節的重要管理措施，沒有過程的監管無法實現從源頭到處置過程連接，餐廚垃圾、廢棄油脂的管理漏洞往往產生于收運過程的監管缺位導致中間過程的流失。

2.4 處置過程全程監控

生活垃圾的處置過程采用的是工廠化的處置加工方式，監管的目的是防止處理過程中可能產生的二次污染，因此對處置過程的工藝監控，過程監管是處置監管的主要內容，其中包括工藝參數、殘渣、廢水、廢氣等各類參量的監控與管理。

3 物聯網技術在城市生活垃圾分類收運中的應用

3.1 物流流向監管

建設集全球衛星定位系統GPS、射頻識別RFID、地理信息系統GIS以及無線通信技術于一體的綜合監管平臺，實現對生活垃圾運輸車輛的實時監控、調度，對收運垃圾源頭小區、街道、小壓站的識別。

由安裝在車輛上用于采集、測量、上報信息以及提供通信和其他輔助功能的衛星定位終端，為生活垃圾運輸車輛管理提供了一個可靠的、強有力的前端平臺，結合車輛上安裝的無線RFID讀寫器，讀取向各小區門房、小壓站操作人員等發放的RFID信息，識別生活垃圾收集點，完成生活垃圾源頭收運時間、路線、收集點信息的采集。

再通過無線通信鏈路，傳輸的數據包括車輛定位、收運時間、生活垃圾收集點等信息，以及作業指令等信息的傳輸。生活垃圾運輸車輛監控管理通過GPS定位技術，可以了解各類環衛作業車輛的線路軌跡、位置、速度等實時數據，達到對作業、運輸過程監督的目的［1］。

最終由特大城市生活垃圾收運與處理管理平臺實現對生活垃圾運輸車輛的全程跟蹤和管理，形成整個生活垃圾收運與處理的物流網絡?？梢蕴峁ι罾\輸車輛的信息化管理，尤其是在處理突發環衛事件之時，能夠很好地應對和調度；同時能夠實時監控全市生活垃圾從源頭收集、中轉運輸到處理處置的物流流向，利用高科技手段，最大限度地優化生活垃圾物流信息管理。

3.2 物流流量監管

掌握生活垃圾收運處理的物流量，是實現生活垃圾減量化、無害化和資源化的基礎，也是建立生活垃圾全過程管理的重要數據支撐，對科學、準確分析垃圾分類收運處理設施的使用效率和制定科學的作業規劃發揮積極的作用。

對于生活垃圾源頭收運的稱重主要采用運輸車輛車載計量系統和小壓站地平秤稱重方式，進行收運量數據的采集，包括以GPS等衛星定位、RFID讀卡、壓力稱重等傳感器測量等各種技術設計，以及無線RFID讀寫器、手持機讀寫器、車載計量單元和車載計量儀表等構成的計量系統。中轉、處置階段的稱重主要以接入中轉站、中轉碼頭以及處理處置場所已安裝的地磅秤采集的稱重數據為主。再通過無線通信鏈路，傳輸的數據包括識別車輛信息、收集點信息、稱重數據等，主要采用GPRS數據服務方式實現車載及固定點稱重計量數據到控制中心的無線傳輸。

通過車載計量系統的應用，結合在小壓站安裝的地平秤，各小區干垃圾基本通過小區保潔員直接駁運至小型壓縮式收集站，因此，采用IC卡識別技術。各小區保潔員配置專用IC卡，在小型壓縮式收集站直接讀取地衡計量數據，建立干垃圾收運與小區垃圾清運的對應關系。接入中轉站、中轉碼頭、處理處置場所的地磅秤數據，可以及時、準確地掌握各個小區、街道、區縣每天的生活垃圾分類收運量，能夠為各個區域居民生活垃圾產生量、中轉運輸量以及分類處置量提供可靠的數據，形成全市生活垃圾物流量的平衡模型，為市容管理部門對于全市生活垃圾車輛的合理調配、中轉處置場所的重復利用提供數據指導［4］。

3.3 收運處置全過程監管

綜合以上對生活垃圾物流量以及各個環節所采集數據的分析，結合對生活垃圾各個分類收運處理流程的分析，得出對廚余垃圾、其他垃圾、有害垃圾、可回收垃圾以及廢油脂、餐廚垃圾收集、運輸、中轉、處置全過程的物流、信息流監管的流程框圖，如圖1所示。

圖1 收運處置工作流程

4 物聯網關鍵技術與裝備的研究

竇蘊平等針對目前北京城區垃圾收集的概況，論述了開發城市生活垃圾分類計量和分類貯存新型設備的必要性和可行性，重點論述了該設備的機械結構組成、工作原理以及控制系統的設計［5］。周良亞以垃圾稱重計量的實際應用需求性能指標為前提，設計開發了一套嵌入式車載稱重計量系統并在上海長寧區進行了試點［3］。

通過構建車載計量系統的業務模型基礎，采集車載計量監控系統的基礎數據，建立了符合生活垃圾清運特點的計量及數據分析對象，并通過GIS、GPS等引入，為生活垃圾清運鏈的管理、監控、調度提供了有效的信息平臺。

收運車輛上安裝GPS定位終端、車載計量單元、RFID讀卡器等M2M硬件設備。GPS終端接收到的衛星定位數據、車載計量單元記錄的稱重數據以及讀卡器識別到的有源射頻標簽信息，都由終端機對數據進行編碼后，通過GPRS模塊發送到信息中心機房的中心服務器。中心服務器根據數據的不同做相應的處理，并存儲到中心數據庫中，為各區縣管理單位、廢棄油脂單位、中轉站、處置場所等管理、應用單位，提供生活垃圾，包括餐廚垃圾的動態物流信息的查詢管理的數據支持，實現對生活垃圾分類物流信息的實時監控、業務統計、數據分析、物流管理以及對收運過程的監控等功能。而整個條線部門的各級單位則可以按照系統管理權限的分配，通過Internet網絡來共享信息，實現生活垃圾的全過程統一監管。

4.1 稱重傳感器的研究

在基于物聯網的管理平臺設計中，稱重計量系統尤其是車載計量系統是方案中的設計重點，同時也是技術難點。而稱重傳感器是稱重計量系統的心臟。在車載計量系統中傳感器一般安裝在車輛箱體外部，長時間暴露在自然環境之中，一般工作條件均很惡劣，如溫度年變化量最高可達70℃，在車輛行駛時承受較大的沖擊。所以對傳感器的選擇有溫度范圍寬、密封防潮、過載能力強、長期穩定可靠等要求。

通過對各類生活垃圾收運車輛結構及載重方式的研究，發現不同載重受力的支撐面或者支撐點的受力情況也有所不同，傳感器的安裝位置也有相應的調整。所以，在綜合考慮性能指標、環境、安裝等多種因素后，選擇了2款稱重傳感器，一是懸臂式稱重傳感器，另一款是馬鞍型傳感器，分別應用于不同車型的稱重計量系統。

懸臂式稱重傳感器有受力后自動調心好、安裝容易、使用方便、互換性好的特性，一般用于制做各種超薄子型電子汽車衡、單軌吊秤、料斗秤等，比較符合側裝式、車箱可卸式垃圾車稱重計量系統的設計要求。選用國內很少使用的馬鞍型傳感器的主要原因有：

1）上下2個結合面為弧面結合，改變了普通傳感器的點或面接觸的結構，有利于增加受力面積，確保結構的穩定性?；∶娼佑|的優點是當傳感器受力大時，接觸面就大，當傳感器受力小時接觸面就小，可以有效地隨機增減受力接觸面調整車輛的穩定狀況。

2）馬鞍型傳感器在固定安裝時，不用靠螺栓和車輛底盤攔截固定，而是用騎馬螺栓固定在車輛底盤上，這樣就避免了在車輛附梁之上打孔安裝傳感器對車輛底盤造成的強度影響。同時避免了使用螺栓時帶來很大的剪切力對車輛安全性的影響。

3）馬鞍型傳感器兩受力面為弧面結合，受力面之間可以產生相對的轉動，這樣就可以保證在不同的作業場地上，傳感器的受力始終互相垂直。即當車輛在坡道上加載作業時，也可以有效地保證計量數據的準確性。

4）由于該類環衛車輛裝載的主要是液態垃圾，因此在車輛行駛的過程中會不斷晃動。造成質量的轉移，一般會嚴重影響系統的計量穩定性。而使用馬鞍型傳感器則能夠有效地克服這一問題。在一定的程度上馬鞍型傳感器可以憑借其獨特的受力方式克服承載器內質量轉移而對計量造成的影響。

綜上所述，采用馬鞍型傳感器支撐可以有效地保證車輛的安全承載性能和行駛穩定性，在保證車輛穩定性的前提下，使得傳感器的受力部位能夠有微量的轉動空間。這樣當車輛行駛在不平的路面或裝載偏載較大的情況下，傳感器也可以準確受力，從而保證了整個系統的計量精度。由于餐廚垃圾車內裝的多是可流動的垃圾，受力點的受力情況比較復雜，采用能夠有一定轉動位移的馬鞍型傳感器可以有效地克服上述問題對計量精度造成的影響。因此在該類車輛上安裝馬鞍型傳感器可以有效地解決很多普通傳感器所無法解決的問題。

4.2 稱重計量系統的研究

4.2.1 車載計量系統

生活垃圾收運車輛車載稱重計量系統，首先需要對收運車輛進行改裝，根據各種收運車輛車型的不同，在支撐面或支撐點上安裝至少四通道的稱重傳感器，通過數據采集模塊采集數據并進行一定的數據處理，數據采集模塊測量結果通過串行接口發送到駕駛室內的終端機。經過數據處理后，存入存儲器，輔以稱重儀表提供友好的人機界面，駕駛員可以通過對稱重儀表的操作實現稱重數據查詢、數據打印、區點選擇、時間日期、重新測量等功能。通過GPRS方式無線傳輸將數據上傳到市局中心機房，存入生活垃圾稱重數據庫，提供遠程用戶的數據查詢，并為生活垃圾物流平衡分析提供收運環節的數據基礎。

4.2.2 箱載計量系統

箱載計量系統可以準確計量每桶垃圾質量，也可以計量大鐵斗的質量，便于對垃圾的規范化收集與收費，為垃圾數據信息管理提供有效的數據源頭。計量系統由稱重傳感器、數據采集器、稱重儀表3部分組成。稱重傳感器負責感知車載質量，負責將傳感器的質量信號進行處理，負責系統的標定，負責數據傳輸，將稱重數據傳給GPS終端進行數據上傳及計量儀表顯示稱重數值。

箱載計量系統的安裝結構，是在原箱式車輛固定支架旋轉處，加裝傳感器模塊，并通過儀表的雙線性感知所稱量的物料對象。其中傳感器采用特殊不銹鋼材質，精度高，抗腐蝕性強，具有良好的抗震性能力，適合惡劣環境下使用?？梢詼蚀_計量每桶垃圾質量，也可以計量大鐵斗的質量。

在試點區域實施過程中，根據各個小區的實際情況不同，分別選用以下2種小區生活垃圾收運量數據采集方案。

其一，可以使用GPS結合電子圍欄來識別上傳的稱重數據歸屬小區。需要在后臺預設置框定監管區域內所有小區的具體范圍，所有的收運車輛安裝GPS衛星定位設備，系統實時接收車輛的位置信息。然后在收運車輛進入或者離開預先框定的某小區電子圍欄范圍時，自動采集并上傳當時的稱重數據，由后臺系統計算，取進出小區稱重數據的差值，即是該小區1次的垃圾收運量。

其二，使用RFID技術識別小區。需要向小區門房發放RFID電子標簽，每個小區都有惟一的識別號記錄到電子標簽內，在收運車輛進入及離開小區時，使用RFID讀卡器讀卡，識別所在的小區，同時上傳車載的稱重數據。然后由后臺系統計算，取進出小區稱重數據的差值，得到指定小區1次垃圾收運量的數據。

4.2.3 底盤稱重計量系統

底盤稱重計量系統采用六點計量的方式，是在車輛底盤上安裝6個傳感器受力點，這樣可以增加車輛底盤的受力點和受力距離，有利于車身受力的均勻分布，同時增加計量數據采集點，便于不同情況下各種受力方式下計量數據的采集。例如當車輛剛開始裝載時，垃圾在車輛的前方裝載位置，這時前4個受力傳感器受力較多，而后2個傳感器受力較少。這樣也可以保證有4個傳感器的采集數據比較準確，供系統使用。保證計量數據的準確性。同時有效地克服了偏載對車輛本身計量的影響。

底盤稱重計量系統實現了對車輛稱重、位置等數據的本地信息處理、監控，以及為信息管理平臺完成前端數據的獲取工作。該設備主要應用于戶外作業現場，其主要功能包括垃圾質量的獲取、保存，車輛裝載率、位置等信息的實時跟蹤，以及通過多種方式將各種相關數據上傳至各級數據中心。關于收運稱重數據所屬小區的識別方案，除了箱載計量系統方案中所介紹的，即支持GPS結合電子圍欄識別以及RFID識別2種方式之外，若選用手持儀表設備，則可以由作業人員在收運稱重時，讀取垃圾箱或垃圾收集點上相關的RFID標簽內的信息，即可識別所在的小區。

4.2.4 平臺秤

針對較為大型擁有獨立垃圾分類房的小區，或者是小壓站等固定的垃圾分類場所，特別是小區到小壓站采取的是小推車運輸，不涉及收運車輛的小區，可以采用固定地磅秤稱重的方式。

方案實施時需要給各個收運作業人員發放RFID電子標簽，在進行生活垃圾分類稱重時，作業人員先刷卡，然后分別對滿載以及空載時的小推車進行稱重，通過GPRS方式上傳數據到中心機房，然后由后臺系統計算去除皮重，得到該小區采集點或者小壓站的實際收運量數據。

4.2.5 地磅秤

目前所有的中轉站、中轉碼頭以及處置場所已經安裝地磅秤，進行出入車輛的整體稱重，實現了中轉量、處置量數據的采集。所以在本方案中，不涉及地磅秤硬件設備的選型及安裝，主要實現地磅秤采集稱重數據的接入及上傳。

中轉站、中轉碼頭以及處置場所使用的地磅秤稱重范圍一般為30～200 t。主要由承重傳力機構、高精度稱重傳感器、稱重顯示儀表3大主件組成，從而實現其稱重功能。承重傳力機構即秤體，將物體的質量傳遞給稱重傳感器的機械平臺，常見有鋼結構及鋼混結構2種型式；高精度稱重傳感器是地磅的核心部件，它的優劣性直接關系到整臺衡器的品質，起著將質量值轉換成對應的可測電信號的作用；稱重顯示儀表用于測量傳感器傳輸的電信號，再通過專用軟件處理顯示質量讀數，并可將數據進一步傳遞至打印機、大屏幕顯示器、電腦管理系統。

現在所使用的地磅秤相對于早期的地磅秤，穩定性能高、操作方便、精度高。一般都已經連接相應電腦管理系統，可以通過管理系統對稱重數據的進一步處理、儲存、傳輸等。本次方案中統一了稱重數據的GPRS傳送方式，同時兼容多種傳輸協議，建立了中間數據庫，統一儲存管理各個中轉站、中轉碼頭以及處置場所上傳的稱重數據。

4.3 生活垃圾物流信息化管理系統

系統平臺充分考慮了本系統部署實施的總體規模大、時間跨度長、系統節點多等特點，因此在系統的整體結構設計上一方面將其作為一個整體集成平臺考慮，以達到資源的充分共享，而另一方面滿足項目實施的分期、分步特點，采用組件化設計，數據無縫對接的模式，支持系統的獨立運行、隨時擴充，滿足項目的實施步驟與業務需求。

構建了車載計量系統的業務模型基礎，通過車載計量監控系統的基礎數據，建立了符合生活垃圾清運特點的計量及數據分析對象，并通過GIS、GPS等引入，為生活垃圾清運鏈的管理、監控、調度提供了有效的信息平臺，從而最終對城市大范圍內的生活垃圾清運信息進行采集分析和處理，滿足領導、專家對數據分析的日常需要，并具備跨業務系統數據比對能力，滿足跨部門業務分析的需要，從而提供對生活垃圾收集清運流程的計量、結算、監管的保障。

［1］陳麗.淺析物聯網技術在生活垃圾收運處置中的應用［J］.環境衛生工程，2011，19（6）：24-25.

［2］厲志飛.高速動態汽車衡在垃圾填埋場中的計量［J］.衡器，2012，41（2）：41-43.

［3］余朝暉，王希，谷尚局.基于車載稱重系統的環衛車輛裝備技術及數字環衛方案探析［J］.衡器，2012，41（6）：34-39.

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［5］竇蘊平，連香姣，張軍.城市生活垃圾分類計量和分類存貯設備的研究［J］.機電產品開發與創新，2012，25（3）：1-2，5.