陳興義 楊錦隴

關(guān)鍵詞：綠色設(shè)計(jì) 分類垃圾桶 模塊化設(shè)計(jì) TRZI 分類運(yùn)輸車(chē)

引言

伴隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，人們生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的垃圾不斷增多，垃圾圍城的現(xiàn)象已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮。據(jù)有關(guān)資料顯示，中國(guó)城市垃圾清運(yùn)量從1979到2015年增長(zhǎng)了七倍多，達(dá)到19142117;5噸，約2/3的城市被垃圾圍城，累計(jì)占用的土地超過(guò)5億平方米，每年造成3000億元的經(jīng)濟(jì)損失。目前，收集之后的垃圾處理方式為填埋、焚燒和回收利用三種方式，其中我國(guó)以垃圾填埋為主。垃圾采用填埋方式會(huì)占用大量的土地資源、污染土壤和地下水，而焚燒會(huì)對(duì)大氣造成污染。理想的處理方式是回收利用，一方面可以減少垃圾處理的總量，另—方面有利于提高資源循環(huán)利用率。目前國(guó)內(nèi)的垃圾分類工作進(jìn)展緩慢，一方面是人們分類意識(shí)差和垃圾分類方式不清晰;另一方面主要是沒(méi)有專門(mén)的垃圾分類運(yùn)輸車(chē)，垃圾隨意混裝造成的結(jié)果是從源頭的垃圾分類將失去其意義。只有站在系統(tǒng)的角度去考慮整個(gè)過(guò)程，才能保證實(shí)施的可能性?；谝陨锨闆r，從提高人們垃圾分類意識(shí)和分類方式辨識(shí)性的角度出發(fā)，提出分類垃圾桶的垃圾分類方式;從解決垃圾分類運(yùn)輸?shù)膶?shí)際問(wèn)題出發(fā)，提出分類垃圾運(yùn)輸車(chē)的設(shè)計(jì)方案和分類運(yùn)輸概念。

一、基于綠色設(shè)計(jì)理念的垃圾回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一種手段，是未來(lái)科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。綠色設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的可持續(xù)發(fā)展模式，是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代制造業(yè)中的體現(xiàn);綠色設(shè)計(jì)是可持續(xù)發(fā)展觀念在設(shè)計(jì)科學(xué)中的合理延伸。要將綠色設(shè)計(jì)的理念融入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用和回收等整個(gè)生命周期中，以減少污染物的產(chǎn)生和節(jié)約資源。綠色設(shè)計(jì)并不是單純的產(chǎn)品材料可回收Ⅲ，簡(jiǎn)化復(fù)雜的機(jī)構(gòu)、提高使用效率和減少不必要的使用功能等都是綠色設(shè)計(jì)的內(nèi)容，針對(duì)目前市場(chǎng)上的垃圾清運(yùn)車(chē)存在的問(wèn)題，結(jié)合垃圾清運(yùn)的實(shí)際情況和垃圾分類運(yùn)輸?shù)男枨?，?duì)現(xiàn)有垃圾清運(yùn)車(chē)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（一）垃圾分類存放方式設(shè)計(jì)

建立需求分析模型，應(yīng)用需求分析方法獲取用戶潛在需求，為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。獲取用戶需求，將用戶需求轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的需求，提高產(chǎn)品的適應(yīng)能力。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查法、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、現(xiàn)有產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)分析等方法，獲取實(shí)際用戶需求，運(yùn)用功能一行為一結(jié)構(gòu)（FBS）進(jìn)行產(chǎn)品需求分析，從而獲得用戶需求的最優(yōu)解。通過(guò)設(shè)計(jì)引導(dǎo)行為而減少后續(xù)的工作，是綠色設(shè)計(jì)理念的重要體現(xiàn)。在垃圾分類回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，由于不同地區(qū)的垃圾種類差別較大，因此要針對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行差別化設(shè)計(jì)，但其設(shè)計(jì)理念基本相同。本研究選取某大學(xué)校園的垃圾分類回收為例，對(duì)垃圾分類回收進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.實(shí)際調(diào)研：現(xiàn)有的大部分垃圾分類方式為分兩類一可回收垃圾和不可回收垃圾，對(duì)用戶進(jìn)行調(diào)查，大部分用戶都會(huì)出現(xiàn)無(wú)法分辨垃圾的種類進(jìn)行準(zhǔn)確投放。此外，對(duì)于廢舊電池、電子產(chǎn)品等的回收沒(méi)有專門(mén)的裝置，易污染環(huán)境。對(duì)垃圾桶內(nèi)的垃圾進(jìn)行種類統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)垃圾隨意混裝，不利于綠色回收，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果和資源回收處理方式如表1。

2.分類垃圾桶設(shè)計(jì)：國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)垃圾分類方式中分類垃圾桶的研究較多，參考譚巍對(duì)分類垃圾桶的設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際需求，提出分類垃圾桶的垃圾分類方式。其具體方案為依據(jù)垃圾的同類性，不同類垃圾放在不同的桶內(nèi)，按照垃圾桶的種類引導(dǎo)性作用進(jìn)行垃圾分類。以此解決用戶面對(duì)垃圾分類時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確判定垃圾投放位置。其分類方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）同類垃圾同類存放，減少垃圾分揀的工作;（2）由于同類垃圾的處理方式大致相同，減少了挑選分揀的工作量，降低回收利用成本;（3）便于廢棄資源綠色可回收。

（二）垃圾分類運(yùn)輸方式設(shè)計(jì)

垃圾的分類運(yùn)輸按照傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式，出現(xiàn)的結(jié)果為垃圾隨意混裝運(yùn)輸，垃圾從源頭分類將失去其作用。同類垃圾單一運(yùn)輸又會(huì)造成運(yùn)輸效率低、占用大量的運(yùn)輸車(chē)輛;不同類垃圾的運(yùn)輸預(yù)處理方式是存在差異性，此需求將增加運(yùn)輸車(chē)輛的種類?；谝陨闲枨螅瑔我坏倪\(yùn)輸方式不符合綠色設(shè)計(jì)的理念，不利于資源的有效利用。將模塊化設(shè)計(jì)的理念運(yùn)用到垃圾運(yùn)輸車(chē)設(shè)計(jì)中，以不同功能模塊之間的相互組合滿足不同的運(yùn)輸需求，模塊化一般指使用模塊的概念對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和組織。運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理論，按照實(shí)際使用需求進(jìn)行功能模塊的劃分，擴(kuò)展了產(chǎn)品的使用范圍;標(biāo)準(zhǔn)模塊之間的通用性設(shè)計(jì)保準(zhǔn)了功能模塊之間的兼容性，選擇實(shí)際需求的功能模塊可以減少資源的浪費(fèi)和能源的消耗。

1.實(shí)際需求調(diào)查：通過(guò)實(shí)際調(diào)查和訪談的方式是直接獲取用戶需求的方式，而根據(jù)使用功能需求分析可以挖掘和豐富產(chǎn)品功能?！矫鎸?duì)現(xiàn)有垃圾運(yùn)輸車(chē)的使用情況進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)與環(huán)衛(wèi)司機(jī)的訪談，了解產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和不足，如表2。另一方面，結(jié)合分類垃圾桶的垃圾存放方式和資源回收利用的預(yù)處理方式，進(jìn)行使用功能的需求分析，如表3。

2.功能模塊劃分：進(jìn)行功能模塊的劃分，為方案的整體設(shè)計(jì)提供劃分依據(jù)。模塊化設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)目標(biāo)用戶群體進(jìn)行調(diào)研，了解客戶需求，確定產(chǎn)品的總功能，將總功能分解成若干功能元，得到功能結(jié)構(gòu)模型，最后對(duì)模塊進(jìn)行劃分。產(chǎn)品模塊化縮短產(chǎn)品的革新周期，豐富產(chǎn)品種類，減少工業(yè)加工工作量，提高生產(chǎn)效率。在綜合分析表1、表2和表3的基礎(chǔ)上，得出垃圾清運(yùn)車(chē)應(yīng)該具備裝載、粉碎、壓縮、密閉運(yùn)輸?shù)目傮w功能。但存在不同種類的垃圾處理方式也存在差異的問(wèn)題。除此之外，要降低分類垃圾運(yùn)輸車(chē)的總量，實(shí)現(xiàn)一車(chē)多用的要求，滿足多樣化的運(yùn)輸需求?？紤]到以上情況，進(jìn)行分析整理，使這些模塊之間具有良好的兼容性和通用性且具有獨(dú)立的工作能力，得出功能結(jié)構(gòu)模型，如圖1。

類型1只具備裝載功能模塊，運(yùn)輸無(wú)需粉碎和壓縮的垃圾，例如剩飯菜、廢棄玻璃等;

類型2具備裝載功能模塊和壓縮功能模塊，運(yùn)輸無(wú)需粉碎的垃圾，如易拉罐、鋁合金等;

類型3具備裝載功能模塊、粉碎功能模塊和壓縮功能模塊，運(yùn)輸需要經(jīng)過(guò)裝載、粉碎和壓縮的垃圾，如廢棄紙質(zhì)品、塑料瓶等。

3.運(yùn)輸方式劃分：通過(guò)垃圾運(yùn)輸車(chē)的模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了車(chē)輛的用途，同時(shí)也降低了整體運(yùn)輸成本。若垃圾運(yùn)輸量較大或要求清運(yùn)速度快，可以依照各類垃圾的日運(yùn)輸量配備三種類型的垃圾運(yùn)輸車(chē)，劃分依據(jù)為相同處理方式的垃圾同類型垃圾運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸;若垃圾運(yùn)輸量較小或者要求資金投入較小，通過(guò)功能模塊之間的自由組合，實(shí)現(xiàn)“一車(chē)變?nèi)?chē)”的要求，滿足不同處理方式的垃圾運(yùn)輸需求。此外，由于廢舊電池和電子產(chǎn)品的收集量較小，因此在垃圾運(yùn)輸車(chē)的尾部設(shè)置專門(mén)的收集裝置。

二、技術(shù)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

TRIZ為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新思路，主要優(yōu)勢(shì)在于它是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律去研究產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，而不是隨機(jī)的行為。Lee CKM，Tai M J E提出TRIZ是綠色工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有力工具，它消除了猜測(cè)和隨機(jī)產(chǎn)生想法來(lái)解決問(wèn)題的本能行為;Ya-chieh Li，Chen-Yeon Chu指出應(yīng)用TRIZ的主要目的是在概念設(shè)計(jì)階段有效和高效地支持創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。運(yùn)用TRIZ解決方案設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，其主要作用不是提供具體的解決方案，而是為方案的解決提供了方向，有利于方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。把TRIZ理論運(yùn)用到垃圾運(yùn)輸車(chē)的綠色設(shè)計(jì)中，為綠色設(shè)計(jì)提供了新的創(chuàng)新思路。

（一）沖突矛盾解決

1.問(wèn)題描述與問(wèn)題分析

（1）問(wèn)題描述：在粉碎模塊設(shè)計(jì)方面，通過(guò)訪談和實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，若采用傳統(tǒng)的粉碎裝置，粉碎效果好的裝置體積大，不適合車(chē)載使用;采用簡(jiǎn)易的粉碎裝置，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但是其粉碎效果差，粉碎速度慢，對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的物體無(wú)法自行切斷。

在壓縮模塊設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的壓縮方式由于采用整體粗放式的壓縮，造成部分垃圾受到壓縮，而其他未受到壓縮，因此壓縮不徹底。

以上問(wèn)題是此次技術(shù)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中需解決的主要問(wèn)題。

（2）問(wèn)題分析：在粉碎模塊的設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的粉碎裝置在粉碎時(shí)，沒(méi)有考慮到被粉碎物體的形狀對(duì)粉碎效果的影響，造成了粉碎過(guò)程不連續(xù)，另外，有效粉碎接觸面積小造成粉碎效率低;在壓縮模塊的設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的壓縮方式只是考慮到擠壓，沒(méi)有考慮擠壓的程度和方式。因此，提高垃圾運(yùn)輸車(chē)的工作效率，必須改變其原有的工作方式。

2.沖突確定與解決思路

（1）技術(shù)矛盾：為了解決以上問(wèn)題，將TRIZ理論中的矛盾矩陣引入其中，以尋找解決思路。根據(jù)以上問(wèn)題的描述與分析，發(fā)現(xiàn)其粉碎模塊設(shè)計(jì)方面的技術(shù)矛盾雙方為生產(chǎn)率和功率，待改善參數(shù)為39號(hào)（生產(chǎn)率）和惡化參數(shù)為21號(hào)（功率），根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣采用的原理為35、20、10，如表4所示。通過(guò)分析垃圾運(yùn)輸車(chē)的設(shè)計(jì)要求，采用發(fā)明原理20（有效作用的連續(xù)性），其原理解釋為：（1）連續(xù)工作，物體的所有部件均應(yīng)一直滿負(fù)荷工作，（2）消除運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的中間間歇。具體在設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用為，為保證粉碎過(guò)程的連續(xù)性，將原有的粉碎滾子變成三個(gè)，其中兩側(cè)滾子同時(shí)向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在固定位置上與固定不動(dòng)的中間滾輪形成一定的傾斜角即三個(gè)滾輪形成凹型，即有利于垃圾的向下運(yùn)動(dòng)和粉碎，又增加了粉碎的接觸面積，同時(shí)產(chǎn)生切斷力，其具體工作方式如圖2所示。

（2）物理矛盾：物理矛盾是指系統(tǒng)為了達(dá)到某種性能，要求子系統(tǒng)應(yīng)該具備某種特性，但同時(shí)出現(xiàn)與該特性相反的特性。在解決壓縮模塊的設(shè)計(jì)方面，壓縮設(shè)備的型號(hào)選用上，一方面想通過(guò)選用更大規(guī)格的壓縮設(shè)備體高壓縮強(qiáng)度，但另—方面不希望壓縮設(shè)備占用太大的車(chē)廂空間，出現(xiàn)“大與小”的矛盾。解決物理矛盾的常用方式為空間分離、時(shí)間分離、條件分離、整體與部分的分離4個(gè)分離原理，解決該問(wèn)題采用整體與部分的分離原理，其原理解釋為：所謂整體與部分分離，是將矛盾雙方在不同的系統(tǒng)級(jí)別分離出來(lái)，已獲得問(wèn)題的解決或降低解決問(wèn)題的難度。傳統(tǒng)的壓縮方式將車(chē)廂作為一個(gè)整體或者將局部作為一個(gè)整體，沒(méi)有考慮到壓縮過(guò)程的體積變化和壓力變化，其具體解決措施為將原來(lái)與車(chē)廂一體的壓縮設(shè)備從車(chē)廂中分離出來(lái)，做成獨(dú)立的壓縮功能模塊安裝在車(chē)廂前部，使“—次壓縮”變?yōu)椤岸啻尉_壓縮”，提高垃圾壓縮的效果。

具體方案設(shè)計(jì)

在TRIZ理論的幫助下，為技術(shù)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了解決思路，結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)方案如圖3、4所示。粉碎功能模塊和壓縮功能模塊的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)即解決了運(yùn)輸效率低的問(wèn)題，又降低了運(yùn)輸過(guò)程中的能源消耗，符合綠色設(shè)計(jì)的理念。

三、垃圾回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）分類垃圾桶

按照分類垃圾桶的設(shè)計(jì)思想對(duì)現(xiàn)有垃圾進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)目的是方便垃圾的清運(yùn)過(guò)程和增強(qiáng)垃圾分類識(shí)別的準(zhǔn)確性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在兩側(cè)增加便于裝載功能模塊夾持的溝槽，其作用是保證垃圾桶在上升和傾倒過(guò)程中的穩(wěn)定性;在分類識(shí)別方面，采用形象、真實(shí)的圖片來(lái)作為垃圾種類的識(shí)別，使其便于接受，增強(qiáng)垃圾分類投放的準(zhǔn)確性。其設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

（二）分類垃圾運(yùn)輸車(chē)

分類垃圾運(yùn)輸車(chē)是在傳統(tǒng)垃圾運(yùn)輸車(chē)的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行功能模塊的劃分和設(shè)計(jì)以需要裝載、粉碎、壓縮的垃圾運(yùn)輸過(guò)程為例，其工作過(guò)程如下：裝載功能模塊自動(dòng)裝載垃圾→粉碎功能模塊粉碎垃圾→壓縮功能模塊壓縮垃圾成塊→密閉運(yùn)輸。整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程只需司機(jī)一個(gè)人就能完成，無(wú)需垃圾中轉(zhuǎn)站二次壓縮，可以直接送往工廠作為原料利用。其設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

總結(jié)

綠色設(shè)計(jì)思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是對(duì)“產(chǎn)品一人一環(huán)境”三者關(guān)系的全局思考，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品生態(tài)型的關(guān)注，其核心思想是符合生態(tài)系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)原理。垃圾的分類回收是對(duì)資源回收利用的重要形式，是綠色設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品生命周期循環(huán)實(shí)現(xiàn)的重要途徑，是可持續(xù)發(fā)展理念在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要體現(xiàn)。采用分類垃圾桶的垃圾分類方式可以引導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)垃圾分類的投放，垃圾分類運(yùn)輸?shù)姆绞接欣谔岣哌\(yùn)輸效率和資源的綜合性利用。本文以校園垃圾回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，盡管尤其局限性，但為其他回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。