江蘇海洋大學(xué) 高壯壯 申屠留芳（通信作者） 張鵬程

社區(qū)是人們的生活圈，智慧化生活環(huán)境是社區(qū)的建設(shè)目標(biāo)之一，建立智慧社區(qū)智能化服務(wù)平臺(tái)是社區(qū)提高環(huán)境質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量、安全保護(hù)的基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的社區(qū)有很多隱患和不足，智慧社區(qū)打破了傳統(tǒng)社區(qū)的服務(wù)與管理模式，呈現(xiàn)出高度智能化與信息化的新格局，給人們的生活方式帶來更多的便利[1]?；A(chǔ)設(shè)施是否完善，直接關(guān)系到居民的生活質(zhì)量。文章主要研究無人駕駛技術(shù)如何合理應(yīng)用到保潔車設(shè)計(jì)中，期望通過對(duì)保潔車的創(chuàng)新升級(jí)，結(jié)合社區(qū)智能化管理平臺(tái)來提供更便捷、高效的社區(qū)保潔服務(wù)終端。在方案設(shè)計(jì)中汲取學(xué)術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，力求從根本問題出發(fā)，將智能科技賦予保潔車，以此來完善社區(qū)的服務(wù)體系，創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。

1 社區(qū)智能服務(wù)概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的不斷完善，傳統(tǒng)社區(qū)中的很多隱患和不足逐漸顯現(xiàn)，其服務(wù)設(shè)施已經(jīng)不能滿足用戶更高質(zhì)量的生活需求。不過，依據(jù)國(guó)家政策要求，傳統(tǒng)社區(qū)早在2019 年便迎來了現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，經(jīng)過近幾年的轉(zhuǎn)型和改進(jìn)，一種新型管理模式的社區(qū)形式在實(shí)踐中逐漸演變成熟。這類社區(qū)也常被稱之為智慧社區(qū)，作為智慧城市的一個(gè)重要組成部分，可通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)社區(qū)各類信息全面采集；通過人工智能提升居民生活體驗(yàn)，提升社區(qū)安全等級(jí)；通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算為管理部門實(shí)現(xiàn)資源整合、數(shù)據(jù)共享[2]。

智慧社區(qū)充分利用人工智能控制系統(tǒng)，借助互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，打造了一系列智能化服務(wù)設(shè)備，較具代表性的主要包括：智慧門禁、智能停車場(chǎng)、智慧安防系統(tǒng)、智慧家居等。新型社區(qū)門禁系統(tǒng)相比傳統(tǒng)門禁做出了很大升級(jí)，傳統(tǒng)門禁使用需要借助外置設(shè)備如門禁卡、NFC 手環(huán)等，而智慧門禁系統(tǒng)則完全脫離了這些外置設(shè)備，以用戶人臉數(shù)據(jù)為核心，利用互聯(lián)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)人臉數(shù)據(jù)比對(duì)，多場(chǎng)景使用無限制，同時(shí)還會(huì)精準(zhǔn)記錄每個(gè)人在社區(qū)內(nèi)的行動(dòng)軌跡。智能停車系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)無人化管理，智能系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別車輛信息，引導(dǎo)并告知用戶車位位置，通過接入社區(qū)統(tǒng)一管理服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車位資源最大化利用。智慧安防系統(tǒng)則是社區(qū)服務(wù)的重中之重，傳統(tǒng)社區(qū)安防依托攝像頭或保安來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，智慧安防系統(tǒng)則充分利用圖像采集和數(shù)據(jù)比對(duì)措施，通過AI 云端服務(wù)平臺(tái)，綜合利用人工智能和大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析畫面安全隱患內(nèi)容，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)預(yù)警。智慧家居則以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電以及設(shè)備自動(dòng)化，提升了社區(qū)生活的高效性、便捷性與舒適性。

綜合來看，社區(qū)服務(wù)設(shè)施會(huì)隨著智慧社區(qū)的服務(wù)管理形式不斷升級(jí)，未來將充分利用人工智能技術(shù)，定制個(gè)性化功能以及多功能服務(wù)，相比傳統(tǒng)社區(qū)過于單一的設(shè)施服務(wù)功能，智慧社區(qū)的服務(wù)設(shè)施將會(huì)具備更為靈活性和多樣化的發(fā)展空間。

2 社區(qū)保潔設(shè)施的現(xiàn)狀與問題

隨著社區(qū)的智能化轉(zhuǎn)型，眾多基礎(chǔ)配套服務(wù)設(shè)施迎來了創(chuàng)新升級(jí)。然而在保潔服務(wù)方面還是一直不溫不火，仍延續(xù)著傳統(tǒng)社區(qū)的保潔模式，具體問題表現(xiàn)為：間歇性保潔工作、清潔不及時(shí)、適用性不強(qiáng)、工作效率低且對(duì)環(huán)境影響大。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)社區(qū)主要采用與市政一樣的保潔車設(shè)備，并未針對(duì)環(huán)境差異化做設(shè)備選擇或升級(jí)改進(jìn)。傳統(tǒng)保潔車早期出現(xiàn)在歐洲的一些工業(yè)化程度高的國(guó)家，也是通過這些國(guó)家的探索研究，才使保潔車得到研發(fā)更新。具體來說，其技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了純掃式、純吸式、吸掃式掃路車三個(gè)階段[3]。雖然產(chǎn)品類型眾多，但可以根據(jù)產(chǎn)品特性分為以下幾種類型：手推式、純掃式、吸掃式、全吸式、吸掃一體式以及全自動(dòng)式。手推式保潔車是較原始的，其操作方向多變、可人為控制，小巧輕便、噪音較小，但效率相對(duì)較低，安全隱患較大。純吸式保潔車可清掃的垃圾類型較多，可以清掃塵土、積水，同時(shí)不易產(chǎn)生粉塵，對(duì)環(huán)境比較友好，但由于配備了吸塵電機(jī)，噪音和體積都相對(duì)較大。吸掃一體式保潔車是目前較好的組合形式，其清掃類型全面、適應(yīng)性強(qiáng)、工作效率較高。不過通過市場(chǎng)保潔車使用數(shù)據(jù)分析，此類型的保潔車普遍轉(zhuǎn)彎半徑較大，維護(hù)成本也較高，通常只在市政道路上使用。綜合來看，各類保潔車存在以下共性問題：（1）保潔車需要特定的專業(yè)人員進(jìn)行操作，且人工作業(yè)時(shí)有盲區(qū)，存在很多未知安全隱患；（2）傳統(tǒng)保潔車體積相對(duì)較大，同時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑較大的弊端使得保潔車不能很好地穿梭在人群中作業(yè)，更不利于在人群較密集且建筑高度集中的社區(qū)場(chǎng)景中使用；（3）傳統(tǒng)保潔車自主化性能不高，且受天氣影響較大，不能夠全天性不間斷的工作，清潔效率也不高。

隨著機(jī)械化程度越來越高，保潔車的弊端也越多，呈現(xiàn)出后期維護(hù)成本較高、統(tǒng)一性和規(guī)范性不高等問題，功能豐富的同時(shí)并未做出智能化的升級(jí)，于是就加大了操作難度，這也使得物業(yè)很難雇傭到合適保潔車駕駛員。與此同時(shí)，過度的機(jī)械化和功能賦予使得保潔車功耗增大，產(chǎn)生了不必要的能源損耗，出現(xiàn)續(xù)航時(shí)間縮短及充電耗時(shí)長(zhǎng)等現(xiàn)象。保潔車市場(chǎng)上的產(chǎn)品魚龍混雜，出現(xiàn)很多不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，這也就使得很多設(shè)備零件不能同等替換，產(chǎn)品統(tǒng)一性和規(guī)范性不高?？偟膩碚f，現(xiàn)有保潔車的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)比較均衡，未來將具有很大的改進(jìn)空間。

3 面向社區(qū)智能服務(wù)的保潔車設(shè)計(jì)分析

3.1 用戶需求分析

面向社區(qū)智能化的大環(huán)境，人們?cè)谙硎芸萍急忝裥缘耐瑫r(shí)，對(duì)生活環(huán)境的要求越來越高。傳統(tǒng)意義上的道路清掃，僅僅是通過保潔人員和機(jī)械垃圾車的配合，清除路面垃圾和揚(yáng)塵。但這種方法往往難以有效防止可吸入顆粒物進(jìn)入空氣，對(duì)環(huán)境和人們的健康造成嚴(yán)重威脅。因此，用戶需要一款類似于家用掃地機(jī)器人的環(huán)境保潔車，可以應(yīng)用于戶外開放場(chǎng)景，在智能化的功能基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)環(huán)境的凈化工作。針對(duì)社區(qū)人群較為密集情況，保潔車的通過性與安全性，也是用戶重點(diǎn)關(guān)注的問題。這需要保潔車自身盡可能做到輕量化，保證工程作業(yè)的必要性，同時(shí)不妨礙社區(qū)居民的正常通行。由于社區(qū)人群類型較多，不同人群的安全意識(shí)也各不相同，因此安全性是保潔車設(shè)計(jì)的重中之重。需要考慮到保潔車的整體布置，整體化設(shè)計(jì)可以提高整車的封閉性，減少不必要的機(jī)械設(shè)備外露，減少人群與設(shè)備之間事故的概率。最后，滿足居民對(duì)于噪音程度的要求，要考慮到設(shè)備動(dòng)力的選擇，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，盡可能做到低分貝處理。

3.2 場(chǎng)景應(yīng)用與功能需求

社區(qū)場(chǎng)景與市政環(huán)境道路清潔有著很大區(qū)別，市政道路相對(duì)開放寬敞，保潔車具備良好的運(yùn)行空間。而社區(qū)相對(duì)集中，路型復(fù)雜，需要保潔車具備相對(duì)較強(qiáng)的路面適應(yīng)性，同時(shí)可清掃的垃圾類型要適當(dāng)增多。社區(qū)保潔接觸人群眾多，構(gòu)建人與機(jī)械的交互平臺(tái)，可賦予保潔車智慧交互功能，增強(qiáng)人與機(jī)械之間的親和力，改變傳統(tǒng)保潔車在人們心中冰冷的、機(jī)械化的認(rèn)知。面向社區(qū)智能服務(wù)，單一的保潔功能已經(jīng)不能滿足社區(qū)服務(wù)需求，可結(jié)合社區(qū)其他智能化服務(wù)設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的智慧聯(lián)動(dòng)。充分利用信息資源，增加更為個(gè)性化的社區(qū)保潔車服務(wù)功能[4]。

3.3 設(shè)計(jì)構(gòu)想

綠色舒適的環(huán)境需求決定了保潔車的設(shè)計(jì)布局需要全盤考慮，從用戶的體驗(yàn)作為第一角度出發(fā)，環(huán)境保護(hù)為輔。未來保潔車將以無人駕駛的形式進(jìn)入人們社區(qū)生活，其具體實(shí)現(xiàn)方式為：保潔車在道路上可實(shí)現(xiàn)自主化的垃圾撿拾，自行規(guī)劃清掃路線。通過多種環(huán)境感知技術(shù)的相互協(xié)作，動(dòng)態(tài)識(shí)別環(huán)境信息，全程無需人員參與便可實(shí)現(xiàn)自主清掃，若遇障礙物時(shí)可自主做出避讓的舉措[5]。結(jié)合其他智能化服務(wù)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)全局無人化管理。此設(shè)計(jì)構(gòu)想，在家用掃地機(jī)器人上得到了很好展現(xiàn)，只不過無人保潔車相對(duì)于清潔機(jī)器人考慮的環(huán)境因素會(huì)很多，但其可行性已經(jīng)在清潔機(jī)器人和無人配送物流車上得到了充分驗(yàn)證。得益于無人駕駛技術(shù)的不斷完善，無人化保潔將會(huì)充分利用5G 時(shí)代的優(yōu)勢(shì)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以車載電腦和無人駕駛的形式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，更多個(gè)性化功能將獲得廣泛運(yùn)用。

4 社區(qū)智能服務(wù)保潔車設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 方案設(shè)計(jì)

社區(qū)智能服務(wù)保潔車外觀造型上傾向于簡(jiǎn)潔時(shí)尚的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)，如圖1 所示，流暢的曲面造型貫穿整個(gè)車身，相比傳統(tǒng)保潔車的機(jī)械形式，視覺觀感上會(huì)更具親和力。遵循綠色可持續(xù)原則，整車體積在保證功能性的前提下盡可能做到輕量化設(shè)計(jì)，車輪根據(jù)概念車型的發(fā)展趨勢(shì)，采取內(nèi)收設(shè)計(jì)，除了增強(qiáng)整車的流暢性，還提升了整車的安全性能。除了車頂?shù)娜旨す饫走_(dá)之外，其他環(huán)境感知元器件則通過精心布局與車身融為一體。結(jié)合未來社區(qū)的智能化升級(jí)趨勢(shì)，充分考慮到社區(qū)未來的配套設(shè)施服務(wù)體系，方案將清潔、安防和配送等服務(wù)集于一體，充分利用現(xiàn)有科技，將無人駕駛和人工智能緊密結(jié)合在一起。

圖1 方案效果圖

目前市場(chǎng)上的無人駕駛汽車激光雷達(dá)的布置方式多為外置，原因是激光雷達(dá)的探測(cè)需要足夠的視野。此方案設(shè)計(jì)的主要原則：（1）讓機(jī)器的感知器件與車體本身渾然一體，同時(shí)較大化的獲取激光雷達(dá)的視野，平衡設(shè)計(jì)美學(xué)和機(jī)器視覺的性能，機(jī)器視覺器件內(nèi)置處理，減少過往人群與機(jī)械零部件接觸，更有利于保護(hù)行人安全。（2）利于場(chǎng)景運(yùn)用的拓展，方案在功能上的布局可達(dá)到道路的行駛標(biāo)準(zhǔn)，將來本款保潔車不局限于社區(qū)環(huán)境應(yīng)用，還可以拓展更多的服務(wù)環(huán)境。

4.2 細(xì)節(jié)與結(jié)構(gòu)解析

保潔車運(yùn)用多角度自適應(yīng)邊刷，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)角度調(diào)整，貼邊清掃，保證150 cm 的清掃寬度。針對(duì)日常清潔邊刷會(huì)出現(xiàn)磨損，需要操作人員定期對(duì)邊刷進(jìn)行更換處理且操作流程繁瑣的問題，該設(shè)計(jì)對(duì)清潔邊刷做了可快拆式脫鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣的好處在于無需借用特殊工具，便能直接完成對(duì)清潔邊刷的拆裝處理，操作簡(jiǎn)單快捷，降低操作人員操作難度，如圖2 所示。

圖2 清潔邊刷

環(huán)保電池作為動(dòng)力能源，為了適用更多場(chǎng)景，電池模組采用快速熱拔插設(shè)計(jì)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回充進(jìn)行無線充電，提供兩種使用模式，如圖3 所示。

圖3 尾部電池模塊組

車體前端采用目前無人駕駛車輛內(nèi)置微振鏡激光雷達(dá)，特點(diǎn)是體積小、成本低。同時(shí)配合AI 三目視覺攝像頭來獲得更精準(zhǔn)的物體識(shí)別和探測(cè)。頂部通過配備太陽能光伏發(fā)電板，為車輛持續(xù)提供部分能源。尾部采用流線型貫穿式尾燈，下方安置了狀態(tài)導(dǎo)視交互屏，時(shí)刻顯示車輛運(yùn)行狀態(tài)，提醒過往人群。如圖4、圖5 所示。

圖4 前置激光與視覺感知模塊

圖5 導(dǎo)視屏

如圖6 所示，保潔車具體結(jié)構(gòu)包括：激光雷達(dá)1、吸塵電機(jī)20、視覺感知器件模塊15、清掃排刷13、升降裝置11、太陽能板21、清掃邊刷8、垃圾收集倉19、集塵罩10、驅(qū)動(dòng)電機(jī)7、傳感器模塊6、警示燈2、電機(jī)12、可視化人機(jī)交互屏5、控制模塊4、自卸裝置1、支架3、電池模塊16、驅(qū)動(dòng)裝置17、輪子9、輪子保護(hù)罩14。

圖6 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)具體布局方面，通過在車輛頂部設(shè)置激光雷達(dá)，進(jìn)行車輛周圍環(huán)境掃描，建立三維立體信息，相當(dāng)于車輛的眼睛，以此達(dá)到環(huán)境感知的能力。視覺感知器件模塊則安裝在輪子四周保護(hù)罩上，共有四組，每組模塊內(nèi)設(shè)置了雙目視覺攝像頭和紅外傳感器，配合激光雷達(dá)達(dá)到全景感知的效果，精準(zhǔn)識(shí)別以獲得完整的環(huán)境信息，若遇障礙及時(shí)采取制動(dòng)或變向措施，主動(dòng)避障。

考慮到避障因素，清掃排刷設(shè)置了升降裝置，有利于路面特殊避障或空閑無需清掃時(shí)進(jìn)行排刷自動(dòng)收回，提高整車的通過性能。為了增強(qiáng)可持續(xù)性，車輛頂部設(shè)置了太陽能板，置于激光雷達(dá)的下方，補(bǔ)償車輛部分能源損耗。清掃邊刷安裝于車輛前端保險(xiǎn)杠處并與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行軸連接?？紤]到清潔環(huán)境的差異化，清潔邊刷可進(jìn)行多角度的動(dòng)態(tài)調(diào)整，增強(qiáng)清潔能力。前置傳感器模塊安裝在車頭前端，置于交互屏的下方。模塊內(nèi)具體設(shè)置了一個(gè)微振境激光雷達(dá)、一組雙目視覺攝像頭和人體紅外傳感器，組合使用以達(dá)到物體的動(dòng)態(tài)捕捉，人像或行為的智能識(shí)別，做出相應(yīng)的交互或者避障舉措。

保潔車在安防巡邏途中若發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，可做出相應(yīng)警示，及時(shí)提醒人群。通過聯(lián)合社區(qū)安保系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境安全信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。車輛通過設(shè)置自卸和垃圾溢滿探測(cè)裝置，來實(shí)現(xiàn)自主傾倒。輪胎保護(hù)罩則安裝在車子側(cè)身和車輪外側(cè)，具備一定的防撞性能，減少人群或動(dòng)物與車輛接觸，增強(qiáng)整車的安全性能。

5 結(jié)語

文章通過分析得出，無人駕駛技術(shù)的運(yùn)用范疇不局限于道路上的車輛駕駛，還可以依托人工智能系統(tǒng)運(yùn)用到保潔、社區(qū)智能化服務(wù)等更多領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)無人駕駛技術(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)，進(jìn)一步論證了無人化保潔車設(shè)計(jì)的可行性。方案設(shè)計(jì)中也著重考慮到人機(jī)交互的使用體驗(yàn)，以智慧交互屏的形式構(gòu)建人與機(jī)械交流的橋梁，增強(qiáng)人與機(jī)械的親和力，拉近了人與科技的距離。通過社區(qū)配送、安防、信息宣傳等更多智能化服務(wù)的引入，豐富社區(qū)生活，給社區(qū)用戶帶來全新的使用體驗(yàn)，充分體現(xiàn)了智慧社區(qū)的科技便民性。