國內外智能垃圾箱發展比較研究

魏昌海 唐真

摘要：在城市化過程中，垃圾箱分布不合理、城市垃圾量驟增、分類錯誤等問題日漸凸顯，智能垃圾箱的研發為解決上述問題提供可能。文章對web of science核心數據庫、中國知網數據庫中近20年來智能垃圾箱的國內外相關文獻進行梳理，歸納其研究熱點主要在于四方面：一是回收管理和材料收集的動態優化;二是循環利用方案設計納入居民的參與度與接受度;三是產品語意學概念和以合適的獎懲機制引導正確投放;四是智能垃圾分類研究偏向單片機、紅外探測、無線接收，利用卷積神經網絡配合機械臂完成分揀作業。在此基礎上，文章根據研究熱點趨勢提出具有適用性、持續性和引導性的設計建議。

關鍵詞：智能垃圾箱;智能化分類;投放獎懲機制

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）01-00-03

美國現代景觀大師哈普林認為，“一個城市的街道家具數量和質量透露著這座城市對景觀的關注力度”。城鎮化進程加快，城市生活垃圾日產量驟增，垃圾分類錯誤、垃圾箱分布不合理等問題日漸凸顯。垃圾分類化管理、可回收物等資源的回收再利用為解決垃圾產量劇增、改善居民生活環境提供了一定的策略。城市中智能垃圾箱出現與使用不僅可以提高垃圾分類回收工作的效率，還可以減少清潔工人垃圾分揀與運輸的工作量。

智能垃圾箱的推廣與應用在某種意義上是從源頭出發，解決了垃圾分類與回收、運輸與再利用的問題，對減少城市環境的垃圾污染與降低垃圾處理等各個環節的成本發揮了重要作用。文章運用計量可視化分析軟件，對比分析近20年來國內外智能垃圾箱發展脈絡、研究熱點及趨勢，以探討智能垃圾箱未來的優化方向。

1 研究方法及數據來源

國外智能垃圾箱相關文獻以國外核心數據庫作為數據來源，檢索式主題設置為垃圾箱設計、回收箱設計、回收箱、智能回收箱、公共垃圾箱，語種選擇英文，文檔類型選擇文章，共檢索出386篇相關文獻并進行除重。

國內以中國知網作為數據庫來源，檢索條件設置為主題：“智能回收箱”“智能垃圾箱”“智能垃圾分類”“智能分類”，中間用或含，并鏈接勾選同義詞擴展選項，共檢索出1 335篇相關文獻，對其進行數據轉換除重。

2 研究熱點關鍵詞分析

在國外智能垃圾箱相關研究中，出現頻次較高的關鍵詞有“回收、管理、行為、廢物管理”等。其中“廢物管理、行為”是高突現詞，“回收”是高爆發關鍵詞，表明在國外智能垃圾箱相關研究中，與回收相關的研究數量為一個峰值。在高頻關鍵詞對應年份中，“回收、管理、廢物管理和行為”等詞出現年份接近，分別是2006年、2010年、2008年和2009年，“可持續和物聯網”等詞出現年份較晚，分別在2015年和2017年出現。通過關鍵詞引用歷史，尋找高被引相關文章。

在垃圾分類方面，安吉諾菲關注的是回收管理和材料收集的動態優化，以控制變量法建立以狀態變量為特征的動態決策模型，狀態變量對應每天每個垃圾箱的垃圾量[1];智能垃圾箱設計方面，科拉米佐格魯研究影響參與態度的因素，建議設計循環利用方案，以便最大限度地提高公眾接受度[2];垃圾分類投放引導標識方面，安德魯斯根據稱重實驗得出不同類型和不同位置垃圾桶中可回收材料的占比存在較大差異，更改標牌對于改善垃圾投放類型影響較小[3]。

分析國內研究熱點關鍵詞發現，“垃圾分類、智能分類、智能垃圾箱、垃圾分類回收、垃圾箱、垃圾桶、物聯網”等詞既是高頻詞又是突現詞，且中心性均高于0.1。其中“垃圾分類”與“垃圾箱”的中心性高達0.72與0.57，足以表明其重要性。

研究關鍵詞對應高被引文獻發現，在單片機發展方面，周慧珺提出一種紅外探測、無線接收的方式，使垃圾箱自動開合，取代手動[4]。在垃圾分類方面，趙一提出可自主分揀的智能垃圾箱通過多層神經網絡和視覺系統深度學習，搭配機械分揀手臂模仿人類分揀垃圾的動作方式[5]。在智能垃圾箱設計方面，何侃采取一種可語音識別的算法，通過驗證發現，成功率較低且伴隨較大噪音，需要進一步的完善[6];傅曉蕓通過借鑒國外公共垃圾箱的設計方法，分別從產品語義層級、投放引導語義以及參與操作語義三個方面探索，為垃圾箱的更新與發展提供新的設計思路[7]。

3 研究前沿趨勢分析

在國外智能垃圾箱前沿趨勢方面，通過突現關鍵詞和對應高被引文獻窺探研究分支脈絡，嘗試推斷后續發展趨勢。在軟件中，將突現詞分析的Γ值設為0.5，得出國外21個突現關鍵詞。2006年，國外開始研究智能垃圾箱，2006年至2011年之間，研究方向較為保守;2011年至2018年間，眾多研究者開始嘗試從多角度探索智能垃圾箱的分析研究，如“參與”一詞2013年出現，生命周期持續4年;“固體垃圾”一詞2014年出現，生命周期持續5年，以及“算法”一詞2014年出現，生命周期持續4年。2018年至2021年之間，“系統、循環經濟、回收站、優化、民意調查”等詞自2018年、2019年提出后，生命周期持續至今，存在持續下去的可能性。

通過突現詞關聯索引高被引文獻，彌補單個突現詞不能全面掌控智能垃圾箱發展細節的不足。在突現詞對應的高被引文獻中，萬加爾文提出行為理論和規范激活模型的整合計劃，通過驗證得出，回收行為主要受回收意愿的影響，政府應提供更多回收箱與舉辦更多回收相關活動，以此增強居民回收意識[8];里加蒙蒂通過生命周期評估方法定義建立了五個場景，使用場景模型證實了塑料廢物管理最佳策略的難度[9];薩爾克介紹已用于廢物管理和其他相關工業部門的系統和方法，重點在于未來可用于廢物處理廠或機器的系統上，以便更有效地處理廢物[10];飲料瓶包裝回收的相關研究中，西蒙發現通過有針對性的政策促進消費者參與收集非常重要，路邊袋收集是最有利的解決方案[11];在居民回收意識方面，科拉米佐格魯根據獲得的居民見解提出設計回收計劃的相關建議，以便提高公眾的接受度。

在分析國內智能垃圾箱前沿趨勢時，將軟件中突現詞分析的Γ值設置為0.8，得出國內28個突現關鍵詞。其中“垃圾收集處置、串口屏、分類管理、分類機構、一體機、前沿應用、壓縮機構”等詞自2000年首次出現后，生命周期持續16年之久且強度較大，表示該組突現詞一直是相關學者持續關注的焦點。2013年開始，國內從多方面展開與“智能分類、循環經濟、分類投放、物聯網”等突現詞相關的嘗試性探索。近幾年的研究趨勢偏向“垃圾分類、智能識別、深度學習、語音識別”等方向，這些突現詞自2020年出現后持續至今，其中“垃圾分類”一詞在該組突現詞中強度高達9.11，表示與垃圾分類相關的探索在整個智能垃圾箱的發展中有著舉足輕重的研究意義。

此外，分析國內高被引文獻發現，研究熱點主要集中在垃圾的智能化回收方面。余漢生發現從根本上解決垃圾無害化處理需要前置垃圾分類回收的問題，從垃圾箱的設計出發并結合獎懲理念，改善城市垃圾分類回收系統[12];吳凡等人從硬件和軟件兩方面結合物聯網技術深入研究智能回收系統，通過建立常態化回收獎勵機制，促進居民增強垃圾分類意識[13]。

在生活垃圾回收積分制度研究方面，鄧宏超通過居民垃圾分類意識、回收積分制度、相關法律法規與以杭州市為例進行實證數據分析，闡述開展垃圾分類是解決垃圾圍城的重要方法[14]。除制定回收激勵制度以外，改進智能垃圾箱自身技術也是一種方法。魏子瑄通過在開發板中集中運動傳感器、語音識別芯片、播報芯片、舵機等硬件實現智能垃圾箱的搭建[15];吳碧程等人為解決人工垃圾分類效率低且勞動成本較高問題，提出采用以樹莓派作為主控模塊，其中嵌入卷積神經網絡并配合輔助機械結構的方法解決相關問題[16];王冰梅認為智能垃圾箱是未來實現垃圾分類的一大趨勢，這不僅符合我國國情，同時在探索階段，政策變化與垃圾處理水平不斷提升，智能垃圾箱具備獨特的強適應性，極適合大范圍應用[17]。

4 結語

在國外智能垃圾箱研究脈絡中，2006年初步意識到廢電池、廢玻璃的回收利用，2007年開始探悉射頻技術在垃圾箱上的應用，2014年開始展開對垃圾智能回收相關算法的初步探索，2016年轉向單片機、物聯網研究;而國內于2000年時開始研究垃圾箱智能化系統，2009年初步探索全自動智能垃圾分類機，2015年開始關注智能分類垃圾箱的探索，2016年、2017年拓寬智能分類的研究思路，從多角度分析智能垃圾箱的優化及改造并持續至今。

對比國內外智能垃圾箱研究脈絡，整體而言，國內外智能垃圾箱發展思路大致無異。國外是以射頻技術打開智能垃圾箱的探索局面，而國內自始至終都在嘗試解決垃圾分類問題。國內智能垃圾箱的設計較多局限于功能性的研究，嘗試使用功能改變行為，較少考慮產品的交互性和用戶友好層面的設計，而國外學者在關注上述問題的同時也嘗試通過行為改變垃圾投放者的意識。

隨著科技與時代的進步，不同時期對智能垃圾箱的定義也在發生著變化。在對上述國內外智能垃圾箱進行對比分析后，針對智能垃圾箱的設計，筆者試提出3點優化方向。

一是適用性設計。由于不同時間、不同地點的垃圾投放需求不同，干、濕、可回收垃圾箱使用率不一。目前市面上的通用垃圾箱不能解決此類問題，導致環境臟亂或人力、物力浪費，需要增加智能垃圾箱的容量等與提高和使用場景的匹配度，避免各分類垃圾箱不能物盡其用。

二是持續性設計。經濟的快速發展帶動用戶需求變化，產品迭代周期將愈來愈短，智能垃圾箱的設計應遵循綠色環保的持續性原則。智能軟硬件應具備迭代可更新的特點，滿足用戶同一地點不同時期不同的需求，延長使用周期，降低淘汰率。

三是引導性設計。研究發現，用戶垃圾投放行為受用戶意識的影響，垃圾無害化處理的有效方法是在源頭就要著手分類。一方面，頒布與實施相關政策，對用戶的垃圾投放實行監管，對沒有正確按類投放的用戶采用柔性勸導的方法。另一方面，從設計角度出發，設計的本質是為人而設計，提高用戶參與度，結合獎懲機制，引導用戶正確投放垃圾并予以反饋，增強用戶垃圾分類投放意識，積極保護環境。

參考文獻：

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[17] 王冰梅.我國分類垃圾箱的缺陷及其智能化改造[J].資源節約與環保，2016（1）：78-79.

作者簡介：魏昌海（1997—），男，江蘇徐州人，碩士在讀，研究方向：產品造型藝術與應用實踐。

唐真（1985—），女，山東青島人，博士，副教授，系本文通訊作者，研究方向：風景園林規劃設計與評價。