城市公園垃圾箱智能化設計

唐真 魏昌海

摘要：探究一款適用于城市公園的智能垃圾箱，旨在減輕清潔人員的勞動強度，同時增強游客自主分類意識。將城市公園垃圾箱使用者分為清潔人員、游客兩類人群，對兩者進行觀察、問卷訪談，運用kano模型挖掘2類用戶亟須解決的痛點，為研發設計提供依據。從空間自適應調節、清潔提醒、垃圾分類投放引導三方面進行設計。垃圾箱空間自適應調節通過超聲傳感器、控制模塊調節不同類別垃圾之間的空間比例；清潔提醒由手機移動端、垃圾箱屏幕標識實現；游客分類投放引導包括無接觸感應投放口與動態標識設計。

關鍵詞：智慧城市家具；城市公園垃圾箱；智能化設計；用戶體驗；空間自適應調節

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）05-0107-04

Abstract：To explore a smart dumpster suitable for urban parks，which aims to reduce the labor intensity of cleaning staff and improve the awareness of tourists independent classification. Dumpster users in urban parks are divided into two groups：cleaning staff and tourists. Observation and questionnaire interview are conducted on both groups. kano model is used to dig out the pain points urgently needed to be solved by the two groups of users，so as to provide a basis for research and development design. The intelligent design of dustbins in urban parks was carried out from three aspects：spatial adaptive adjustment，cleaning reminder and garbage classification guidance. Dustbin space adaptive adjustment through ultrasonic sensor，control module to adjust the space proportion between different types of garbage；The cleaning reminder is realized by the mobile phone and the screen identifier of the dustbin. Visitor classification guide includes noncontact induction port and dynamic sign design.

Keywords：Intelligent urban furniture；Urban park dustbins；Intelligent design；User experience；Space adaptive adjustment

引言

城市公園是城市居民休閑、游覽、鍛煉、交往，以及舉辦各種集體文化活動的場所，公園垃圾箱分類設置不合理、垃圾清理不及時、垃圾未正確分類、垃圾箱布局不合理等諸多問題嚴重影響公園環境質量、游客體驗以及清潔人員工作量。2019年7月，上海市率先開展垃圾分類工作，掀起智能垃圾箱研發熱潮。如何利用前沿技術賦能環衛設施，通過合理巧妙的設計有效提高城市公園垃圾回收率，減輕清潔人員的勞動強度，同時增強游客自主分類投放意識，是城市公園智能垃圾箱產品必將面對且亟待解決的難題。本文從游客和清潔人員2類使用人群需求視角出發，試圖探索城市公園垃圾箱的智能化設計。

一、相關研究

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，2016年拓寬智能分類的研究思路，多角度分析智能垃圾箱優化并持續至今。

在智能化設計方面，主要有垃圾智能分類、容量監測系統、垃圾可回收系統、語音交互體驗。胡中艷提出，利用模式識別技術進行垃圾自動分類[1]。黃國維優化垃圾圖像識別技術，通過卷積神經網絡學習以便提高垃圾分類識別結果[2]。吳碧程等人提出采用以樹莓派作為主控模塊，嵌入卷積神經網絡并配合輔助機械結構的方法解決人工垃圾分類低效、成本高的問題[3]。張文瑋結合機械設計、傳感器、物聯網、嵌入式系統設計、深度學習、機器視覺等技術，設計一款自動分類的智能垃圾箱，并提出一種基于深度殘差神經網絡的垃圾圖像分類識別方法[4]。譚淑梅等人設計一種基于單片機為核心的垃圾箱容量監測系統[5]。熊建橋等人利用機械傳動結構結合智能傳感器，實現智能垃圾箱感應開合、檢測與壓縮功能[6]。高士雅等人構建生活垃圾分類回收處理體系，并設計一款智能分類垃圾箱，結構包括樹莓派、Arduino開發板、攝像頭、舵機、光電傳感器、重量傳感器[7]。魏子瑄將運動傳感器、語音識別芯片、播報芯片、舵機等硬件模塊集中在Arduino開發板中實現智能垃圾箱的搭建，并可通過App進行互動[8]。

二、垃圾箱調研分析

城市公園中智能垃圾箱尚未普及，多數仍以傳統垃圾箱為主，而智能垃圾箱多用于城市社區，故需對城市公園垃圾箱、智能垃圾箱兩者的現狀特征進行調研分析。

（一）城市公園垃圾箱現狀調研分析

以上海城市公園為例，垃圾箱具有以下特征（圖1a）：① 傳統垃圾箱多采用雙桶對稱式結構，由內置可抽離的垃圾箱加上金屬外殼組成。② 垃圾分類基本設置兩類，即可回收垃圾、干垃圾。周末、節假日由于垃圾投放量較大，通常又增添了一個或多個可移動的大型單桶干垃圾箱。然而，游客更愿意向大敞口的單桶垃圾桶投放垃圾，造成垃圾混投。③ 垃圾分類標識均符合國標要求，貼紙或噴涂，但總體較小，不便于游客獲取對應信息。

城市公園已投放使用的智能垃圾箱以可回收物品為主。如上海嶺南公園已引入智能交投回收驛站（圖1b），包括飲料瓶、廢舊衣服、報紙、手機、過期藥品、廢舊燈管和燈泡，配合LED顯示屏、感應投放口、攝像頭等模塊，利用積分換物的方式刺激園內游客投放可回收垃圾，一側還嵌著迷你“無人超市”。形態結構上，采用分離式設計，內部仍為普通垃圾箱，外部輔以智能感應設備，可識別投放垃圾種類的監控設備和底部的可回收物稱重結構。

（二）智能垃圾箱現狀調研分析

智能垃圾箱多以社區垃圾集中服務站的形式出現，分設多個垃圾桶，且以收集可回收物品為主。智能功能點以太陽能供電、感應投放口、LED顯示屏、溢滿檢測、燈光照明或反饋為主。有的為激勵用戶投遞，還會再設立積分兌換的獎品箱。但垃圾集中服務站垃圾類型全，占地面積較大，單個箱體外形尺寸占地面積為0.7m2左右，內置240L普通垃圾桶，不太適用于城市公園中垃圾箱個數用量大的需求，因此，需要調研城市公園常見的垃圾類型，設計出一款適用于城市公園投放需求的垃圾箱。

三、用戶體驗分析

目前，常見智能垃圾箱的功能、結構設計基本僅考慮游客垃圾分類引導與獎勵，并未考慮清潔人員的工作需求。因此，將垃圾箱使用人群劃分為清潔人員、游客，采取觀察記錄和訪談形式探析兩類用戶需求，最后運用kano模型進行需求優先級排序，找出亟待解決的痛點。

（一）清潔人員體驗分析

1.觀察記錄

首先，觀察記錄清潔人員清潔垃圾動作過程，記錄主要節點動作，尋找優化或解決方案。觀察發現，由于垃圾桶內置于垃圾柜中，清潔人員清理過程步驟繁瑣，垃圾混投情況嚴重需再次分揀，并且在清理、擦拭垃圾箱時頻繁彎腰、反復勞作，垃圾桶外觀設計導致棱角處不易清理（表1）。工作量極大，節假日更甚。

通過分析以上問題，設計可嘗試解決優化垃圾清理方式，讓清潔人員無需將內置垃圾箱單獨取出傾倒；優化垃圾桶的人機尺寸，解決清潔不便捷的問題；垃圾箱與用戶接觸的棱角需進行圓滑處理，避免磕碰問題。

2.用戶訪談

通過對多位清潔人員進行訪談找尋需求點。訪談發現，清潔人員的工作要求包括規定清理時間、垃圾傾倒頻次、垃圾箱儲量高度、垃圾箱擦拭頻次等，需要頻繁巡視、清潔，工作低效。工作需求可歸結為4點：①減少工作頻次，降低勞作強度；②及時了解垃圾箱儲量情況，溢滿時及時收到通知；③游客能夠按照規定分類進行投放；④垃圾箱便于清潔。

（二）游客體驗分析

1.觀察記錄

游客在投放垃圾時，視線僅停留在平視區、垃圾分類處，并未觀察下方引導標語，同時存在摸索打開投放口的試錯行為，無法在短時間內投擲。此外，由于垃圾箱高度尺寸設計不合理，投放垃圾需將手部抬高至肩膀高度（表2）。

2.問卷調研與訪談

針對城市公園中的游客，現場共發放350份問卷，回收329份有效問卷，問卷有效率94%，結果分析見表3。城市公園垃圾箱分類不合理，沒有濕垃圾箱，導致游客隨意投放濕垃圾，造成清潔人員二次分揀，甚至無法分揀將可回收垃圾也一起倒入干垃圾中。垃圾箱分布及設置數量也存在問題，超過60%的游客在垃圾溢滿時仍舊繼續投放，不愿尋找其他垃圾箱。

進而隨機抽取5位游客進行用戶訪談，游客需求歸納為以下4點：① 便于找尋垃圾箱；② 及時清理溢滿的垃圾箱；③ 垃圾分類標識需清晰；④ 需增加垃圾種類。

（三）需求優先級分析

整理智能垃圾箱功能和相關用戶需求，借助Kano模型分析功能和屬性優先級。其中潔凈特征、無接觸投放特征屬于必備型需求，表示優先級最高；適宜容量特征、輔助分類特征屬于期望型特征，表示優先級其次；地域特色特征和輔助照明屬于魅力型需求，代表優先級最低。

四、城市公園垃圾箱智能化設計

（一）設計構思

根據調研結果，針對清潔人員需求點（減少工作頻次，及時了解園內垃圾箱儲量情況）、游客需求點（分類投放引導），提出以下3個功能創新點解決上述需求問題：①垃圾箱空間自適應調節功能解決工作頻次較高的痛點；②溢滿提醒功能解決不能及時了解垃圾箱儲量情況；③動態化標識功能解決分類投放引導的需求。功能實現離不開對應模塊的組建，邏輯對應關系見圖2。

（二）自適應空間調節

傳統垃圾箱內部容量是一個固定的值。針對清潔人員降低勞作強度的需求，本設計提出智能垃圾箱空間自適應調節的創意理念，測量桶內垃圾含量，調節3種垃圾之間的空間比例，使得箱內垃圾儲量總體高度下降，從而避免單獨分類溢滿、其他分類空箱的情況，最終降低清潔頻率。

1.空間容量比例分配

垃圾箱頂部為太陽能板并安裝超聲波感應模塊測距。基于頂部發出的向下聲波與探測到箱內垃圾的返回聲波之間的時間差值，計算出剩余空間的高度。

城市公園干垃圾需求最大，可回收垃圾次之，濕垃圾最少，故將干垃圾居中，由兩塊可移動擋板調節，兩側分別為濕垃圾、可回收垃圾。在模塊組合方面，可移動擋板經太陽能板充電轉化電力至鋰離子電池，再由鋰離子電池向控制模塊供電，控制模塊下達移動指令，步進電機帶動滑動絲桿轉動。在垃圾儲量較大時，單點受力推動垃圾容易卡機、模塊損壞變形移位，故上下方各采用一組步進電機、滑動絲桿模組。擋板由上下兩組中的步進電機、滑動模塊固定，運動時由1個控制模塊向兩個步進電機發送移動指令（圖3）。

2.容量狀態調節

根據3類垃圾的投放需求，容量分配對應比例初設干垃圾、可回收垃圾、濕垃圾的空間占比為40%、35%、25%。垃圾箱內部空間中可變區域，即擋板移動區域設定為各25%的空間占比。根據3種垃圾分類的投放需求比例，擋板1（濕垃圾箱與干垃圾箱之間的擋板）向左側移動，即擴大干垃圾箱空間、縮減濕垃圾箱空間的值設定最大為15%，向右側移動的空間值設定為最大為10%；擋板2同理。據此移動規則，可推算出干垃圾箱最大容量比例為40%+15%+15%=70%、最小容量比例為40%-10%-10%=20%，可變容量區間為20%～70%；可回收垃圾箱最大容量比例為35%+10%=45%、最小容量比例為35%-15%=20%，可變容量區間為20%～40%；濕垃圾箱最大容量比例為25%+10%=35%、25%-15%=10%，可變容量區間為10%～35%。

實時調節垃圾箱內部空間可能導致儲備電力過度消耗無法運作，以及高頻次工作造成器件磨損過度、加劇老化，故將智能垃圾箱設定2個擋位高度。高度一的值設定為總高度的45%，此時垃圾容量即將過半，需調節擋板位置平衡垃圾總量高度；高度二的值設定為總高度的85%，此時垃圾即將滿載，需再次調節擋板位置平衡垃圾總量高度，并向后端發送清理請求，通知清潔人員及時前來清潔。紅色區域為高度一的范圍，藍色區域為高度二的范圍（圖4）。檢測結果超過高度一、高度二時，控制模塊才會判定擋板需移動，步進電機帶動滑動模塊、擋板做出相應移動指令。

枚舉垃圾箱內部垃圾存量的不同高度情況，得出27種場景分類，編寫數據代碼燒錄至控制模塊即樹莓派模塊。多次模擬學習記錄數據后，空箱狀態時擋板移動至初始狀態位置。例如，當3個測距模塊檢測結果顯示垃圾均未超過高度一時，擋板均不做出反應；當干垃圾對應的感應器檢測垃圾超過高度二，而濕垃圾、可回收垃圾對應的感應器檢測未超過高度一時，擋板1向左移動15%，從而擴大干垃圾箱容量、降低高度得以繼續存放。

（三）垃圾箱清潔提醒

1.溢滿信息移動端遠程提醒

當清潔人員與溢滿垃圾箱位置較遠時，通過垃圾箱頂部嵌有的超聲波模塊檢測箱體內垃圾高度，當檢測箱體內部垃圾超過高度二（85%）時，箱內的識別定位模塊、4G模塊將此刻狀態傳輸至后端管理系統進行信息處理后發送至移動端（圖3）。

信息包括垃圾箱編號、定位、儲備電量、剩余容量、推薦清潔路線等。清潔人員查看信息，前往清理。垃圾清潔后，超聲波傳感器計算剩余容量，數值歸零。

2. 垃圾箱溢滿動態標識反饋

除發送提示信息外，在垃圾箱顯示屏上也會顯示溢滿動態標識，會根據檢測結果在外屏實時展示儲量信息圖標，不同的圖標對應不同檢測結果。清潔人員可主動查看標識便知垃圾清理的對應分類，游客看到便會停止投放。

本設計采用電子墨水屏顯示技術（EPD）實現標識反饋功能。其電泳式微膠囊型技術可創造更銳利清晰的圖案或文字，視覺感受上類比紙張效果，規避液晶顯示屏在室外因陽光反射無法看清圖案的弊端。

（四）垃圾分類投放引導

1.無接觸感應投放口設計：本設計采用接近感應無接觸自動開啟、閉合式投放口，有效防止垃圾異味擴散或溢滿繼續堆放；3類垃圾的投放口各自設置感應器，避免垃圾混裝。進而進行無接觸投放口的傳感器位置測試與型號選擇。傳感器常設置于投放口上部或側面位置。由于用戶身高或站立位置導致傳感器探測不到，導致尋找投放口，或誤以為智能垃圾箱損壞。因此，經多組測試，控制感應器擺放在垃圾箱底部，用戶在靠近垃圾箱投放時腿部、腳部率先抵達感應器感應范圍，開啟投放口。此外，本設計選用NPN接近傳感器解決智能垃圾箱投放口斷電時無法開啟的問題。

2.動態化標識設計：針對園內游客垃圾分類輔助投放的需求，垃圾箱顯示屏進行動態化標識設計。這不僅可以展示更多分類引導信息，同時在視覺上還可以吸引游客注意力，強化游客正確垃圾分類意識。

垃圾箱動態圖標顯示部分為上下2部分，上部為垃圾分類標識，下部為使用方式動態標識（如感應投放口、分類引導投放、垃圾投放結束后反饋標識），上方被關注的優先級高于下方（圖5、圖6）。圖標對應分類田字形呈現，采用逐幀動態語言、線性動態語言、閃圖動態語言3種動態標識設計語言呈現。接近感應器未探測到用戶投放垃圾時，圖標以閃圖形式動態化顯示，間隔時間為30秒；當探測到有用戶在距離范圍內時，間隔時間設置為3秒。

結語

智能垃圾箱應具備網絡化、智能化、開放化、節能化、易用性的特點。智能垃圾桶是采用微電腦控制芯片、紅外傳感探測裝置、機械傳動部分組成，是集機光電于一體的高科技新產品。本設計切實以清潔人員和游客需求為主導，提出空間自適應調節、溢滿清潔提醒、垃圾分類動態標識引導的解決方案，并搭建各類功能模塊予以實現，以期為公共環境中的智能垃圾箱設計提供思路。城市公園智能垃圾箱需求量大，應做到在具備相應功能的同時降低其生產成本、運輸成本以及維修成本，后期希望優化其設計成本，為更優的生活環境做出貢獻。

基金項目：上海市哲學社會科學規劃青年項目（項目編號：2019ECK010）

參考文獻

[1]胡中艷，曹陽，孫建華.模式識別技術在自動分類垃圾桶概念設計中的應用[J].包裝工程，2008，29（12）：214-216.

[2]黃國維.基于深度學習的城市垃圾桶智能分類研究[D].安徽理工大學，2019.

[3]吳碧程，鄧祥恩，張子憧，等.基于卷積神經網絡的智能垃圾分類系統[J].物理實驗，2019，39（11）：44-49.

[4]張文瑋.智能自動分類垃圾箱算法設計及其嵌入式實現[D].西安理工大學，2021.

[5]譚淑梅，李松.基于單片機的智能垃圾箱的設計與制作[J].大慶師范學院學報，2020，40（03）：96-103.

[6]熊建橋，陸衛，季小涵，等.一種智能分類垃圾桶系統的設計[J].機電產品開發與創新，2016，29（05）：27-29+26.

[7]高士雅，胡曉穎，董景峰.生活垃圾分類回收處理體系及智能分類垃圾箱設計[J].物流技術，2021，40（07）：110-114+135.

[8]魏子瑄，劉小剛，陳真貴，等.基于語音識別技術的智能分類垃圾桶[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（01）：79-82.

圖片來源：文中所有圖表均為作者自制