智能垃圾分類一體化系統(tǒng)構(gòu)建

摘要：當(dāng)前，我國智能垃圾分類及處理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較缺乏，暫未形成完善的智能分類一體化系統(tǒng)，城市垃圾處理技術(shù)總體水平較低。對(duì)此，通過問卷分析等方法，提出能夠自動(dòng)識(shí)別垃圾的智能垃圾箱，輔以App、小程序和相應(yīng)的積分獎(jiǎng)懲機(jī)制，以及垃圾回收處理一體化的想法，進(jìn)行智能分類一體化系統(tǒng)構(gòu)建研究，對(duì)解決垃圾治理難題有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：垃圾治理；智能；垃圾分類；一體化

中圖分類號(hào)：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）11-0113-05

Construction of an Integration Intelligent Garbage Classification System

LU Yuman， WU Zhihao， XIE Jiaxin， YANG Nan

（Guangdong University of Education， Guangzhou 510000， China）

Abstract： At present， China lacks practical experience in intelligent garbage classification and treatment， and has not yet formed a complete integrated intelligent classification system. The overall level of urban garbage treatment technology is relatively low. In this regard， through methods such as questionnaire analysis， an intelligent garbage bin capable of automatically identifying garbage is proposed， supplemented by an App， mini program， and corresponding point reward and punishment mechanism， as well as the idea of integrating garbage recycling and processing. The research on the construction of an intelligent classification integrated system has certain reference significance for solving the problem of garbage treatment.

Keywords： garbage management; intelligence; garbage classification; integration

目前，中國智能垃圾分類體系未完善，技術(shù)水平有待提高，國家對(duì)此十分重視。2021年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)生活垃圾分類工作的若干意見》推進(jìn)分類政策，開展技術(shù)研究[1]；2022年，民政部等部門發(fā)布《關(guān)于深入推進(jìn)智慧社區(qū)建設(shè)的意見》強(qiáng)化智慧社區(qū)建設(shè)[2]。在此背景下，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于垃圾治理做了大量研究，提出了許多治理方案。例如：倪咸林[3]提出垃圾袋實(shí)名制，有利于解決分類中責(zé)任不清的問題；王舸軒等[4]提出具有科普、指引等功能的垃圾分類小程序，有利于緩解垃圾分類難的問題；沈永康等[5]提出將積分制應(yīng)用于垃圾分類，調(diào)動(dòng)居民參與垃圾分類的積極性。然而，這些方案在具體實(shí)踐中或多或少出現(xiàn)一些問題，沒有達(dá)到預(yù)期效果。通過調(diào)查，提出要建立體系，將垃圾治理工作統(tǒng)一管理，從而解決當(dāng)前垃圾治理效率低下等問題，推動(dòng)垃圾治理工作的落實(shí)。垃圾治理的智能化已成為國家戰(zhàn)略，為適應(yīng)新時(shí)代對(duì)垃圾分類的更高要求，智能垃圾分類一體化系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要意義。

1 居民參與垃圾分類的現(xiàn)狀分析

為了解垃圾分類現(xiàn)狀，本研究編寫并發(fā)放問卷，獲知居民對(duì)智能垃圾分類的看法，共發(fā)放問卷606份，收回問卷606份，有效問卷600份。問卷調(diào)查基本數(shù)據(jù)與分析如下。

1.1 居民參與垃圾分類需要外部推動(dòng)

在參與垃圾分類的意識(shí)與行動(dòng)方面，居民對(duì)垃圾分類持積極態(tài)度，69.54%的人認(rèn)為這是每個(gè)公民應(yīng)盡的義務(wù)。然而，實(shí)際行動(dòng)存在落差，僅28.81%的人常進(jìn)行垃圾分類。這表明居民有垃圾分類的意識(shí)，但實(shí)踐動(dòng)力不足。因此，需要有外部推動(dòng)力，將居民的垃圾分類意識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際行動(dòng)，如政策引導(dǎo)、積分獎(jiǎng)懲制度、加強(qiáng)垃圾分類的監(jiān)管力度等。

1.2 垃圾分類潛力需宣傳和教育激發(fā)

結(jié)合垃圾分類實(shí)施困難的情況，分析了居民教育水平、分類意愿及垃圾分類知識(shí)掌握情況。發(fā)現(xiàn)約70%的居民受過高等教育，具備學(xué)習(xí)能力，且有較高的分類意識(shí)，但僅12.91%完全掌握分類方法。這表明居民對(duì)垃圾分類有潛力，但因分類知識(shí)不足等，實(shí)際貢獻(xiàn)有限。因此，需強(qiáng)化宣傳，提供更多學(xué)習(xí)平臺(tái)，普及垃圾分類教育，以此激發(fā)居民的潛力，推進(jìn)垃圾分類工作。

1.3 提升居民意識(shí)與行動(dòng)力需要優(yōu)化環(huán)保活動(dòng)

在關(guān)于環(huán)保活動(dòng)的問題中，86.92%的人認(rèn)同參與環(huán)保活動(dòng)可提升環(huán)保意識(shí)，但實(shí)際經(jīng)常參與者僅占20.53%，社區(qū)環(huán)保活動(dòng)及學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)也不充足。這表明人們雖然看重環(huán)保，但是參與度低，其原因是宣傳不足、活動(dòng)的時(shí)間安排還需優(yōu)化、缺乏吸引力等。因此，提高活動(dòng)頻次、加強(qiáng)宣傳和趣味性、建立碎片化環(huán)保教育平臺(tái)，對(duì)提升居民的意識(shí)和行動(dòng)力至關(guān)重要。

1.4 垃圾分類需要建立統(tǒng)一體系

問卷調(diào)查結(jié)果顯示，居民參與度低和基礎(chǔ)設(shè)施不足是垃圾分類的主要難題，后續(xù)的垃圾清運(yùn)與處理亦存在眾多問題，64.57%的居民認(rèn)為這減弱了分類積極性。同時(shí)，73.84%的居民支持建立統(tǒng)一管理體系，這反映出垃圾治理工作對(duì)體系化的需求。胡小君[6]認(rèn)為，城市社區(qū)治理雖已趨向多方參與，但面對(duì)總體分散、局部協(xié)作的問題，需政府、組織和居民一體化合作予以優(yōu)化。因此，垃圾治理急需建立完整體系，協(xié)調(diào)各方力量，并改善設(shè)施、加強(qiáng)宣傳教育，以解決體制性問題。

1.5 獎(jiǎng)懲和教育機(jī)制能助推垃圾分類

數(shù)據(jù)顯示，智能垃圾分類App、小程序和積分獎(jiǎng)懲得到超90%的人支持；87.44%的人贊同先教育后予以處罰；而90.79%的人傾向通過積分制推廣分類。這表明積分獎(jiǎng)懲機(jī)制獲得廣泛支持，符合公眾需求且無損利益，能夠提升居民分類意愿，有助于垃圾分類工作的開展。

陳紹軍等[7]提到，獎(jiǎng)懲措施可增強(qiáng)居民垃圾分類意愿和行為，通過建立長(zhǎng)短期激勵(lì)機(jī)制，結(jié)合內(nèi)外部因素，能促進(jìn)分類習(xí)慣的形成和維持。這與問卷一致，表明合理的獎(jiǎng)懲和教育機(jī)制能提升居民的分類意識(shí)和能力，推進(jìn)垃圾分類實(shí)踐。

2 智能分類一體化體系構(gòu)建

智能分類一體化通過互動(dòng)機(jī)制和技術(shù)賦能提升城市管理，實(shí)現(xiàn)政府主導(dǎo)下的協(xié)同治理。流程涵蓋一次投放、二次清運(yùn)、終端處理3個(gè)環(huán)節(jié)。一次投放環(huán)節(jié)采用積分獎(jiǎng)懲等措施提高居民分類意識(shí)與能力，為后續(xù)環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)；二次清運(yùn)環(huán)節(jié)利用監(jiān)控系統(tǒng)提高效率；終端處理環(huán)節(jié)實(shí)施精準(zhǔn)分類并針對(duì)化處理，最大化資源回收。該體系能優(yōu)化垃圾全流程管理，提升垃圾處理的規(guī)范性與有效性，流程如圖1所示。

2.1 垃圾一次投放環(huán)節(jié)

為激勵(lì)居民參與，本方案實(shí)行積分獎(jiǎng)懲機(jī)制，初始賦予基礎(chǔ)積分并設(shè)立排行與商城兌換，同時(shí)設(shè)置日積分上限以防刷分行為。分類表現(xiàn)優(yōu)異者可獲獎(jiǎng)勵(lì)，而低分者將面臨扣分警示。鑒于垃圾類型的復(fù)雜性和居民分類水平的不一致性，錯(cuò)誤分類不可避免。因此，對(duì)于居民是否進(jìn)行垃圾分類的界定，也應(yīng)該有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。例如，居民可根據(jù)智能垃圾分類App或小程序提示，或按照自身的垃圾分類知識(shí)，預(yù)分揀后投放至相應(yīng)桶內(nèi)。

在垃圾一次投放環(huán)節(jié)，用戶可以自行分類，或利用智能垃圾分類App或小程序識(shí)別后按標(biāo)準(zhǔn)投放。智能垃圾分類箱將檢測(cè)并評(píng)估居民投放的垃圾分類是否正確，并在屏幕上顯示其分類準(zhǔn)確度等級(jí)。根據(jù)分類準(zhǔn)確性，居民將獲得相應(yīng)積分。同時(shí)，對(duì)于分類錯(cuò)誤的部分，顯示屏?xí)嬷用裾_答案，以便擴(kuò)充居民垃圾分類知識(shí)庫，增強(qiáng)垃圾分類能力。這一積分系統(tǒng)按準(zhǔn)確度授予或扣除積分，并設(shè)A、B、C、D、E共5個(gè)等級(jí)，等級(jí)為D者接受思想教育，等級(jí)為E者予以處罰，以保障垃圾分類方案的順利實(shí)施。此外，各級(jí)政府、公益組織等各主體應(yīng)加強(qiáng)宣傳教育工作，增強(qiáng)居民分類的意識(shí)、能力和對(duì)智能分類的接受度，增強(qiáng)其參與感和主人翁精神。

這些措施能夠?yàn)榫用裉峁W(xué)習(xí)和實(shí)踐垃圾分類的機(jī)會(huì)。居民做出分類行為后，智能垃圾分類箱會(huì)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳至智能垃圾分類App及小程序分析，便于工作人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化措施，推動(dòng)垃圾分類的進(jìn)一步發(fā)展。

2.2 二次清運(yùn)環(huán)節(jié)

垃圾處理體系的完善也是民眾內(nèi)心迫切的需求。如果環(huán)衛(wèi)工人在清運(yùn)階段操作不當(dāng)，導(dǎo)致分類后的垃圾再次混合，會(huì)造成資源浪費(fèi)，降低處理效率，并挫敗民眾分類的積極性。

為防止這種情況，在二次清運(yùn)環(huán)節(jié)，建議利用現(xiàn)有環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)，指派工人負(fù)責(zé)特定區(qū)域。智能垃圾分類箱容量達(dá)80%時(shí)自動(dòng)壓縮并發(fā)信號(hào)給責(zé)任工人進(jìn)行清運(yùn)。清運(yùn)過程則需要利用“垃圾桶與清運(yùn)車聯(lián)合監(jiān)控系統(tǒng)”，通過采集設(shè)備信息和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）數(shù)據(jù)、與物流系統(tǒng)深度集成，實(shí)現(xiàn)車輛與人員的實(shí)時(shí)監(jiān)管，匯總分析日常清運(yùn)情況，將責(zé)任落實(shí)到個(gè)人，有效避免垃圾的二次混裝，優(yōu)化回收路線和垃圾箱布局，提高回收效率，從而實(shí)現(xiàn)垃圾回收處理一體化。

2.3 終端處理環(huán)節(jié)

我國垃圾處理依賴填埋和焚燒，易引發(fā)土地占用和環(huán)境污染等情況，阻礙資源循環(huán)。為改善這一狀況，建議引入智能機(jī)器人進(jìn)行垃圾識(shí)別與分揀，自動(dòng)選擇合適處理方式，并將其分類放置。同時(shí)，通過以下兩種途徑進(jìn)行針對(duì)化處理：第一，將有害和不可回收物使用專門設(shè)施進(jìn)行處理；第二，可回收物則二次利用，以此合理配置資源，提高資源重復(fù)利用率，提高社會(huì)效益。二次利用的措施如下：一是由廢品回收人員和企業(yè)收購可回收物，再出售給資源加工企業(yè)；二是應(yīng)用能源回收技術(shù)，將垃圾轉(zhuǎn)換為電能、熱能等能源；三是通過第三次分配，將舊物品進(jìn)行捐贈(zèng)；四是實(shí)現(xiàn)垃圾再利用，如廚余垃圾制肥、廢紙制漿、金屬及塑料回收，避免填埋有害垃圾。

3 智能分類一體化系統(tǒng)介紹

3.1 智能垃圾分類箱

智能垃圾分類箱作為智能分類一體化系統(tǒng)的核心設(shè)施，在提高垃圾處理效率和居民參與度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其功能包括自動(dòng)識(shí)別垃圾種類、消毒、智能監(jiān)控及自動(dòng)感應(yīng)開關(guān)等，能夠提供環(huán)保且用戶友好的垃圾投放體驗(yàn)。智能垃圾分類箱設(shè)計(jì)集成了多種技術(shù)。例如，利用太陽能板和其他可再生能源確保穩(wěn)定供電，采用耐高溫及防腐蝕材料適應(yīng)各種環(huán)境條件，內(nèi)置紫外線燈定期消毒垃圾箱，以及通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和環(huán)衛(wèi)工人的即時(shí)通知。為提高居民的參與度，它還結(jié)合人臉識(shí)別簡(jiǎn)化驗(yàn)證，以及多媒體宣傳頻普及正確分類知識(shí)。這種交互式的教育和激勵(lì)機(jī)制能提高居民環(huán)保意識(shí)，提升垃圾回收的效率。

智能垃圾分類箱能夠提高垃圾處理效率，減少環(huán)境污染，提升居民參與度。同時(shí)，有利于降低城市管理成本，改善居民生活質(zhì)量，用科技進(jìn)步促進(jìn)環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。

3.2 智能垃圾分類小程序

智能垃圾分類小程序旨在提升公眾的垃圾分類意識(shí)，優(yōu)化投放流程。它能夠提供直觀的用戶界面和豐富的互動(dòng)功能，使垃圾分類更簡(jiǎn)單、有趣，并激勵(lì)更多人投身于環(huán)保事業(yè)。

小程序的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。在技術(shù)選型方面，項(xiàng)目的整體架構(gòu)為前后端分離模式，在微信小程序開發(fā)中，使用了uni-app作為開發(fā)框架，后臺(tái)管理端的前端采用Vue框架，結(jié)合Element Plus和ECharts前端組件庫進(jìn)行開發(fā)。后端采用Spring Boot和Spring Security。

在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，小程序運(yùn)營體系由管理員、智能垃圾分類箱、用戶對(duì)應(yīng)的終端組成，通過數(shù)據(jù)中心互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)多終端協(xié)作，如圖3所示。

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，管理端采用用戶-角色-菜單的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制，客戶端則以家庭為單位記錄用戶答題情況和積分。此外，在Docker容器中部署所有服務(wù)，使服務(wù)部署更輕量化，保證服務(wù)的可移植性、隔離性與可擴(kuò)展性。

智能垃圾分類小程序以先進(jìn)的技術(shù)和人性化設(shè)計(jì)，為垃圾分類教育提供便捷途徑，也為用戶提供了實(shí)用的工具和有趣的互動(dòng)體驗(yàn)。

3.3 智能挑揀機(jī)器人

智能挑揀機(jī)器人是智能分類一體化系統(tǒng)的重要組成部分，它運(yùn)用人工智能算法和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠高效識(shí)別和分揀不同類型的廢棄物。這些機(jī)器人利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確捕捉物品的形態(tài)，并借助高度靈活的機(jī)械臂和抓取裝置，自動(dòng)調(diào)整位置和姿態(tài)進(jìn)行精確抓取和分類，將垃圾準(zhǔn)確放入對(duì)應(yīng)的回收裝置。它們?cè)诶幚砹鞒讨衅鸬街陵P(guān)重要的作用，能夠提高分類精度和操作效率。

智能挑揀機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)包括人工智能算法、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人工智能算法利用大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器人，識(shí)別不同狀態(tài)廢棄物；深度學(xué)習(xí)技術(shù)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）提升了機(jī)器人圖像處理、目標(biāo)識(shí)別等能力；計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)結(jié)合背景差分算法、YOLOv3算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)垃圾識(shí)別和分類；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)賦予機(jī)器人出色的識(shí)別和執(zhí)行能力。

在使用過程中，智能挑揀機(jī)器人通過云端數(shù)據(jù)共享持續(xù)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并不斷對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，從而優(yōu)化識(shí)別和挑揀能力。

整體而言，智能挑揀機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的垃圾分類流程，為降低人力成本、提高資源回收利用率、推動(dòng)環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出重要貢獻(xiàn)。

4 智能分類一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

第一，體系化管理。系統(tǒng)整合多治理主體和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垃圾處理全流程管理。系統(tǒng)具有統(tǒng)籌管理和協(xié)同治理的特點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、優(yōu)化操作及資源配置，提高分類效率。

第二，技術(shù)先進(jìn)性。利用傳感器、圖像識(shí)別等技術(shù)提高分類準(zhǔn)確性。

第三，高社會(huì)效益。增強(qiáng)居民環(huán)保意識(shí)和自我管理能力，減少污染，提高生活質(zhì)量，推動(dòng)綠色可持續(xù)發(fā)展。

第四，凝聚力高。通過積分獎(jiǎng)懲和社區(qū)活動(dòng)激發(fā)居民參與，增強(qiáng)社區(qū)內(nèi)外部互動(dòng)與共治。通過信息共享和透明監(jiān)督凝聚民心。

綜上，智能垃圾分類系統(tǒng)依托先進(jìn)技術(shù)和管理，強(qiáng)化社會(huì)教育和社區(qū)凝聚，支持城市可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

我國城市垃圾分類面臨著居民意識(shí)淡薄、后端處理不足和缺乏有效協(xié)調(diào)機(jī)制等挑戰(zhàn)。為改善現(xiàn)狀，需通過宣傳教育強(qiáng)化居民意識(shí)，普及分類知識(shí)，并構(gòu)建學(xué)習(xí)平臺(tái)，以促進(jìn)知識(shí)的獲取與實(shí)踐。同時(shí)，完善垃圾處理流程，解決體制障礙，如智能分類一體化系統(tǒng)，將垃圾分類分為一次投放、二次清運(yùn)和終端處理3個(gè)環(huán)節(jié)，利用智能化技術(shù)提高效率。此外，加強(qiáng)居民、政府和企業(yè)等多方合作也至關(guān)重要。總之，智能分類一體化系統(tǒng)整合技術(shù)與政策，能夠助力垃圾管理高效環(huán)保，支持可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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