隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計研究

韓 旭，楊梓晗，胡 綺 Han Xu &Yang Zihan &Hu Qi

(湖北工業大學工業設計學院，湖北武漢 430068）

為應對新型冠狀病毒感染的肺炎疫情，生態環境部于2020年1月28日印發《新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫療廢物應急處置管理與技術指南（試行）》（以下簡稱《指南》），指導各地及時、有序、高效、無害化處置肺炎疫情醫療廢物，規范肺炎疫情醫療廢物應急處置的管理與技術要求。《指南》明確了肺炎疫情醫療廢物應急處置管理要求，以設區的市為單位，規范肺炎疫情醫療廢物應急處置活動，防止疾病傳染和環境污染，及時發布應急處置信息[1]。

1 研究背景

疫情防控常態化之后，醫學化及醫療行為的增加，直接造成了“大量需求—大量生產—大量消費—大量廢棄”鏈條末端的醫療廢棄物產生現狀[2]。鑒于現實國情和醫院生活垃圾回收與管理尚需提升的現狀，隔離病區生活垃圾的管理存在以下問題：生活垃圾物流系統未形成一體化的管理；生活垃圾物流系統活動組織匹配不高，呈現散亂分布的狀態；生活垃圾物流系統的信息管理、智能化建設程度不足。基于上述背景，本研究試圖設計一款可以應用于隔離病區的自動化生活垃圾回收裝置，減少人與醫院隔離病區的垃圾接觸，降低感染風險。

2 隔離病區生活垃圾的管理機制調研

疫情期間，隔離病區中的病人和工作人員會產生各種生活垃圾。為研究隔離病區生活垃圾的具體產生流程和收集方法，本研究對某傳染病醫院隔離病區進行了實地調研，明確隔離病區的基本情況，獲取相應的調研數據作為生活垃圾智能回收裝置設計的依據。

2.1 調研范圍與目標

為了提高數據的合理性，本研究選擇某傳染病醫院為主要調研對象，并對其他醫院的隔離病區進行了補充調研。選擇傳染病醫院為主要調研對象，是由于傳染病醫院能代表較高的傳染病醫療服務水平和隔離病房建設規模，隔離病區的常年常態化運行，是本設計產品的主要應用場景，為之后的設計研究提供參考。此外，調研對象還包括院隔離病區內的管理人員、醫療護理人員、保潔工作人員以及病人，調研內容包括隔離病區的基本情況、生活垃圾的產生量、生活垃圾的主要內容、生活垃圾桶的清理次數和目前生活垃圾收集存在的問題等。

2.2 設計點分析

2.2.1 隔離病區生活垃圾回收存在問題

對隔離病區生活垃圾回收的調研問卷進行統計,隔離病區生活垃圾回收存在的具體問題分為以下三方面：（1）即時回收難保障:保潔人員無法實時知道現存容量,無法在垃圾桶滿時即時回收，隔離病區內的工作人員無法即時聯系保潔人員清理垃圾桶；（2）回收工作強度大：隔離病區垃圾多，工作人員需穿著防護服，工作強度很大；（3）定時回收垃圾桶需求難以滿足：無法實時知道垃圾桶容量，保潔人員需定時查看垃圾情況，增加了感染風險。

為了解決隔離病區生活垃圾回收的問題，需要針對性提出解決方法，使隔離病區的生活垃圾回收更加高效，同時減少非醫療工作人員的數量，降低工作人員感染風險。本研究提出以智能小車的智能產品設計，減少人工接觸的智能回收，使其不僅作為垃圾回收產品而存在，也作為一種醫護人員工作的輔助性工具，增加工作效率和為人服務[3]。

2.2.2 垃圾智能回收的現實需求

生活垃圾智能回收相較傳統人工回收方式有著顯著的優點：高效地回收隔離病區中的生活垃圾；維持干凈整潔的隔離病區醫療環境；減少非醫療工作人員數量，降低感染風險。目前醫院隔離病區的生活垃圾回收主要采用人工回收的處理方式，增加了生活垃圾回收的工作量，造成了人力資源的消耗，同時增加了感染風險。面向未來疫情常態化的可能性，生活垃圾智能回收裝置應用有較大的需求。

2.2.3 設計思考

日常生活場景中的垃圾智能回收裝置的發展較為完善，由于隔離病區環境的特殊性，目前的產品尚不能直接解決隔離病區生活垃圾回收問題。基于此現狀，需要依據調研情況及實際數據為隔離病區生活垃圾智能回收裝置的功能、結構及造型進行針對性設計。

3 隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計分析及方案評價

3.1 設計方案說明

3.1.1 智能垃圾回收裝置初步設計方案

隔離病區生活垃圾智能回收裝置的內部環境包括功能結構和造型形式兩部分，外部環境中的“人”和“環境”兩要素是決定產品外部裝置的關鍵因素，具備環保理念的垃圾回收產品設計應考慮以下四方面：使用環保材料、多功能、零部件可更換以及降低運輸成本[4]，而模塊化的設計理念可以有效延長產品的生命周期，減少醫療生活垃圾智能回收裝置的重新再利用、維修以及回收或分解[5]。

3.1.2 車體設計

智能垃圾車和垃圾桶的交互

基于智能垃圾車和垃圾桶的交互進行車體設計，需要研究隔離病區工作人員與垃圾回收裝置的互動行為，系統性地開展設計[6]。目前的智能小車按其造型類別可分為車形、圓柱形、方柱形、人形設計（圖1）。依據隔離病區為使用場景、智能垃圾車的性能需求和環保垃圾桶的設計調研，人形的智能小車造型不適用于垃圾桶運輸要求，應從其他三種造型分類中進行選擇。為了判斷哪種車體設計更合理，需要采用合適的設計評估方法對設計原型方案進行設計評價，選擇較優的原型方案進行后續設計。

圖1 智能小車造型分類對比圖

3.1.3 智能垃圾車方案設計

鑒于隔離病區的無接觸設計原則，智能垃圾車以電能為能源供給，初步確定智能垃圾車和智能充電的整體設計方案。智能垃圾車可分為車體、轉向驅動裝置、垃圾桶裝卸裝置、車載控制器、定位導航裝置、電源、自動充電裝置七個組成部分，這些組成部分系統完成智能垃圾車的運送任務。因此設計方案為車形、圓柱形、正方體形三種。

3.1.4 隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價模型建立流程

將隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案評價模型建立方案如圖2所示。

圖2 隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價模型方案

3.2 隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案評價指標的確定

3.2.1 隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計因素分析

為了確定隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案評價指標中的關鍵因素，首先需要分析隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計過程中各方面的設計因素。將設計過程中的20個設計因素進行整理，見表1。

表1 隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案的評價因素匯總

3.2.2 基于卡片分類法的評價指標模型

基于卡片分類法進行隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價模型建立需要通過四個步驟來完成，首先需要對卡片分類活動進行宣講，參與隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價的志愿者一同進行卡片的分類，志愿者對卡片中的信息進行分組歸類，最后總結結論并對數據進行處理與分析。基于卡片分析法進行隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價模型建立如圖3。

圖3 基于卡片分析法建模流程

依據上述20個設計因素，將每個設計因素書寫在一張卡片上，招募20位志愿者參與評價，其中包括5位工業設計師，10位醫護人員和5位保潔人員。在進行卡片分類前，首先需要對具體操作和注意事項進行詳細的說明，請志愿者依據以下標準對卡片進行分組：哪些卡片描述的是隔離病區生活垃圾智能回收裝置的同一種特征；哪些卡片描述的隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計因素可以歸屬到同一組；哪些卡片描述的隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計因素明顯不可能屬于一組，等志愿者完成了所有卡片的分組后，請參與評價的志愿者對完成的分組依據該組的特征進行命名[7]。

3.2.3 數據分析

將得到的數據從多個層面對志愿者完成的分組信息進行統計與處理。在選擇標準組的名稱時需要注意以下三點要求：組名之間具有一定的近似度[8]；組名之間具有一定的差別；語言的含義與引申。在卡片分組活動中志愿者們對所有的卡片進行了分組與組名的命名，首先對使用到的組名信息進行統計整理，得到的評價因素分組名稱與卡片數據匯總情況見表2。

表2 評價因素分組名稱與卡片數據匯總

調研數據顯示，可靠性、環保性、智能化四個名稱使用的人最多。使用結構安全和材料安全用來描述安全性能的人較少，兩者都屬于安全性范圍，可選擇安全性作為描述該組標準組名；環保材料屬于環保性的范圍，可選用環保性作為組名；準確性和穩定性體現了隔離病區生活垃圾智能回收裝置的可靠性，選用可靠性作為組名；自動化和便捷性，通過隔離病區生活垃圾智能回收裝置的智能性得以實現，選用智能性作為組名。

基于卡片分類法分析研究的結果，得出隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案評價指標的關鍵因素分別為：安全性、可靠性、環保性、智能化四點，如圖4所示。

圖4 隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計關鍵因素

3.3 隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案評價選擇

3.3.1 評價指標權重的確定

上述研究分析了隔離病區生活垃圾智能回收裝置設計方案評價指標中的四個關鍵因素，它們對設計方案的影響程度有所不同，需要對其進行權重分析，更加客觀地對設計方案進行評價[9]。本研究邀請之前參與評價的志愿者對隔離病區生活垃圾智能回收裝置的關鍵設計因素進行權重評分（滿分10分），將各關鍵因素所得的分數之和除以全部因素得分的總和可以獲得該關鍵因素在準則層中的權重系數，見表3。

表3 隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價關鍵因素權重評分統計表

3.3.2 確定模糊評價的評價詞及度量值

對隔離病區生活垃圾智能回收裝置的設計方案進行準確的評價，需確定對應的評價詞和評價詞對應的度量值。本研究確定度量值的依據是李克特量表[10]，基于李克特量表建立隔離病區生活垃圾智能回收裝置五點量表，評語為：差、一般、好、良、優。其中優取值1，每個相鄰的評價等級的差值為0.2[11]。

得到模糊評語度量值集合為：

再次邀請20名志愿者對隔離病區生活垃圾智能回收裝置的三種設計方案進行評價，方案評價結果見表4至表6。

表4 設計方案A評價結果詳情

表5 設計方案B評價結果詳情

表6 設計方案C評價結果詳情

3.3.3 隔離病區生活垃圾智能回收裝置評價結構擇優

（1）設計方案A評價得分

設計方案A各個關鍵因素除以總人數20，得到模糊評判矩陣如下：

可得：

最終得到的隔離病區生活垃圾智能回收裝置A設計方案最終得分E 1為[12]：

（2）設計方案B評價得分

設計方案B各個關鍵因素除以總人數20，得到模糊評判矩陣R2如下：

可得：

最終得到的隔離病區生活垃圾智能回收裝置B設計方案最終得分E 2為：

（3）設計方案C評價得分

設計方案C各個關鍵因素除以總人數20，得到模糊評判矩陣R3如下：

可得：

最終得到的隔離病區生活垃圾智能回收裝置C設計方案最終得分E 3為：

4 隔離病區生活垃圾回收裝置設計

4.1 設計草圖

以評估得出的設計原型為基礎，結合隔離病區生活垃圾智能回收裝置的使用行為，通過行為分析進行邏輯組織關系梳理[14]，得出方案的設計，對設計方案進行快速表達。

4.2 模型的建立

確定隔離病區垃圾回收裝置的設計草圖后，利用犀牛建模軟件完成初始三維模型。垃圾回收裝置作為醫療保健設施產品，設計和美觀不僅影響醫院的能源消耗，還影響員工的表現和患者的心情與康復[15]。充分考量隔離病區的使用場景與需求，進一步細化設計，發現設計流程中存在的問題，不斷修正和優化，進行渲染，得到最終效果圖。

4.3 設計細節說明

4.3.1 智能垃圾桶支架方案

智能垃圾桶支架主體部分主要采用注塑成型，以滿足消毒清洗的外觀設計要求。智能垃圾桶支架尺寸為長28 cm，寬28 cm，高34 cm，主體為白色，符合醫院病區環境及病人的心理需求。架上包括垃圾桶容量傳感器，通過紅外感應檢測垃圾桶的容量，給隔離病區生活垃圾智能回收裝置控制系統發送回收指令，同時提供人工的方式發送回收指令。智能垃圾桶的支架在接到智能垃圾車指令時自動打開前門，協助智能垃圾車完成垃圾桶的自動裝載，如圖5。

圖5 環保垃圾桶方案設計渲染效果圖

4.3.2 環保垃圾桶設計方案

環保垃圾桶選用紙質材料，因其加工工藝簡單，成本支出小，經濟型和環保性遠高于塑料材質。此外，國內的紙業產業已形成“以紙養林、以林促紙”的林漿紙一體化戰略[16]，紙質材料在環保與可持續方面是較為優秀的材質，杜絕二次回收造成的污染。環保垃圾桶使用方形造型，尺寸為長27 cm，寬22 cm，高34 cm。頂部4個孔為垃圾桶容量傳感器的透光口，方柱造型可以解決垃圾桶更換時的透光口定位問題。垃圾桶選用方便堆疊的上粗下細造型，方便存儲和運輸，裝卸卡口設計保證了智能垃圾車對垃圾桶的裝卸功能，如圖6。

圖6 智能垃圾桶支架設計方案渲染圖

4.3.3 智能垃圾車方案展示

車身整體使用不銹鋼材質作為主框架，保證車體的結構強度。車體部分使用改良抗菌塑料，滿足抗菌、清洗消毒的需求。車體主色調為白色，車體中間使用黃色警示條，如圖7。每個智能垃圾車每次最多可自動裝載4個垃圾桶，增加運輸數量的同時提高了智能垃圾車的穩定性；麥克納姆輪的選擇保證了智能垃圾車的全向行駛，方便垃圾桶的裝卸；激光雷達和超聲波雷達的使用可以大幅度提高避障能力和定位精度；伸縮托盤的巧妙設計解決了垃圾桶的裝卸問題；紅外定位傳感器提高充電時的定位精度，保證智能垃圾車順利完成自動充電。運送頻率為一日2至4次，上下午各1至2次。依據調研結果，該頻次能夠滿足隔離病區每天的垃圾運送量[17]。

圖7 智能垃圾車設計方案渲染圖

設計結果的完整呈現，證明了設計流程與評估方法的可行性，在一定程度上解決了醫院隔離病區生活垃圾回收現存的問題，為醫院中垃圾智能回收裝置的設計提供了參考。隔離病區生活垃圾智能回收裝置整合效果圖如圖8所示。

圖8 隔離病區生活垃圾智能回收裝置最終方案整合

5 結語

在新型冠狀病毒的流行背景下，著重調研分析了醫院隔離病區生活垃圾回收過程與行為，以隔離病區為使用場景，生活垃圾回收為設計對象，基于垃圾桶支架、環保垃圾桶、智能垃圾車為設計載體，解決隔離病區生活垃圾自動化回收為基礎，提出了隔離病區生活垃圾智能回收裝置的設計方案，并建立隔離病區生活垃圾智能回收裝置的功能模塊和模塊架構，利用卡片分類法和模糊綜合分析法對不同設計方案進行了評估，獲得了較優的設計結果。通過深入設計研究，完成了隔離病區生活垃圾智能回收裝置的設計。但在醫院的調研、數據分析和設計過程中獲得了一些基礎數據和設計成果，設計研究中仍然存在不足之處。面向未來疫情常態化的發展態勢，作為設計師，需要重新設計并定義“設計”，從“健康設計”和“可持續發展”的角度，探索設計和設計師全新的角色、職責、使命，進而重筑人類相互關聯的未來[18]。以醫療環境為應用場景的產品設計研究的有益探索，是后疫情時代設計師的重要使命。