基于生態設計的城市水上垃圾清理船設計研究

張智源 常明堂 宋佳運 張文亮 張澤林

摘 ? 要：在現代化社會進程的發展下，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計，分析其功能結構，并對當前水上垃圾清潔器發展水平和現狀進行闡述，以期實現對水上漂浮垃圾的高效處理，保護城市生態環境。

關鍵詞：生態設計 ?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

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

1 ?水上垃圾清潔船的功能與機構

水上垃圾清潔船可以實現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。從結構上來說，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整，實現船體的自主巡航;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狀態。

2 ?水上垃圾清潔器發展水平和現狀

目前我國已經用于實踐的水上垃圾清理設備包括清理機器人、清理船和環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的操作流程較為簡單，且具備較好的機動性，在公園或景區水域面積小的環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，從而簡化運輸環節。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。在雙船體的設計下，船體在收集垃圾作業中的行走阻力得到分散，同時增強了工作過程中的穩定性。環保型水面垃圾清理收集船主要設置太陽能電池完成蓄電池的持續充電，在工作過程中能保持無聲狀態，且不會產生廢氣，真正做到環保，具有較強的實用性。系列化環保型水面垃圾清理收集船的推廣能實現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質量，同時又起到對水面環境的維護保障功能[1]。

3 ?水上垃圾清潔船設計概述

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域，一方面避免了環衛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，在電動工具設計中，首先需要保障工具使用的安全性，尤其是在水中作業的設備更容易由于進水產生安全故障。因此，本設計中采用水電分離的結構模式，使控制區域與工作區相互隔絕，從而有效防止設備進水。

3.2 工作原理

本次設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，將水上清潔衛士放入水中，打開位于船尾的工作開關，當紅色指示燈亮時，則代表電路系統已經開始進入工作狀態。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，然后調整船體航向，使船體與目標保持在同一直線上。H橋電路驅動直流電機控制航速，雙螺旋漿對船體的航行方向進行調整，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狀態。同時，該垃圾清理器還可以通過GPS定位功能來實現對船體的監測[2]。

3.3 設計特征

本設計的水上垃圾清理船包括船體、船體驅動機構、收集輸送裝置、太陽能板組及控制系統，在船體前端開有相應缺口，缺口后側設有收集箱。船體后下方設置船體驅動機構，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固定，輸送帶通過主動輥和從動輥設在安裝支架上，第二電機輸出端與主動輥一端相連。該設計結構合理，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 ?結語

與傳統的垃圾打撈船相比，本設計的水上垃圾清潔船具備較強的優勢，其與人們的生活和生態環境建設息息相關，是城市水域環境改善的有效輔助工具，對于水文質量的提高具有重要的作用[4]。本設計遵循“以人為本”的原則，結合當前水上垃圾清潔的現狀，設計出能解決當前社會水生態污染問題的水上垃圾清潔船，符合新時代科技發展進步趨勢，更為社會發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.基于光伏發電技術的水上清理機器人動力系統設計[J].科技與創新，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.