趙昊裔 余 波 李 蔚

1.中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司

2.武漢市育才第二小學

3.中信建筑設(shè)計研究總院有限公司

0 引言［1-5］

伴隨著城市化和工業(yè)化的推進，人們的生活水平得到了極大的改善，同時，人民對物質(zhì)生活的要求也越來越高。據(jù)統(tǒng)計，我們已經(jīng)列居世界第一，成為垃圾處理回收最為嚴峻的發(fā)展中國家之一。巨大的城鄉(xiāng)垃圾帶來了一系列的環(huán)境污染和資源浪費等潛在問題。當下，我們急需對日常工業(yè)生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的垃圾進行處理和回收。

從政策層面，國家發(fā)布的“十三五”規(guī)劃導則中，對推動生活和生產(chǎn)系統(tǒng)健康循環(huán)，進一步加速生活垃圾以及廢棄物的資源化利用等，已經(jīng)確定為國家的戰(zhàn)略目標。

為了解決處理城市垃圾激增和垃圾二次處理效率低下的問題，國內(nèi)大面積強制推廣垃圾分類回收處理，但隨之而來的是垃圾分類、垃圾清理、垃圾清運和垃圾處理等需要的人力資源也急劇增加。人工智能技術(shù)可以取代垃圾分類回收處理中的一部分人力，進而減小垃圾分類回收處理所需要的人力資源成本。

我國對于智能垃圾分類回收的研究起步較晚，但在國家極力推行智能制造的大環(huán)境下，國內(nèi)智能垃圾分類回收的發(fā)展速度還是較為迅速的。謝川等人于2011年發(fā)明了一款RFID的垃圾協(xié)作系統(tǒng)，該裝置利用RFID智能識別垃圾種類，該系統(tǒng)的回收處理對象是商品類別的垃圾，主要是通過利用在商品上粘貼的RFID標識碼對物體進行識別。該系統(tǒng)主要包括兩個部分：第一個是處于運行動態(tài)用于處理垃圾回收的機器人，該機器人通過RFID識別相應物體并采集；第二個是通過垃圾上粘貼的標記和在表面粘貼的RFID reader來進行識別操作，并最終成功開啟對應的垃圾桶。吳凡等人于2017年發(fā)明了一款自動分類垃圾回收系統(tǒng)，并在垃圾桶內(nèi)加入了傳感器用于檢測箱體是否已滿，當箱體滿時向系統(tǒng)傳遞信息，并調(diào)動附近的垃圾回收車將箱內(nèi)的垃圾清空。周瀅慜于2018年發(fā)明了一款基于視覺的生活垃圾分類分揀裝置，此系統(tǒng)在內(nèi)部用區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為識別算法，當識別成功后利用自動機械臂實現(xiàn)了自動分揀。江蘇常熟當?shù)匮芯咳藛T于2018年研發(fā)了一種垃圾分類管理的提示器。該垃圾分類管理提示器由語音播報和感應裝置組成。該系統(tǒng)由太陽能方式供電，具備環(huán)保、節(jié)能、清潔等優(yōu)點，當該系統(tǒng)感應到有人經(jīng)過時，利用語音播報的方式提醒大家合理地進行垃圾分類。李丞陽、牟代君等人于2019年以物聯(lián)網(wǎng)及人工智能的方法對垃圾分類回收進行了研究，該項研究主要是利用物聯(lián)網(wǎng)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)合的方式對多種可回收的垃圾識別成功后進而用IOT的方式處理垃圾分類的工作。

本文在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上，針對智慧園區(qū)人員密集、垃圾產(chǎn)生量大等特點，并考慮到園區(qū)運營方對園區(qū)企業(yè)的垃圾排放量管理，提出一種應用于智慧園區(qū)的智能垃圾投放及計費控制系統(tǒng)，解決智慧園區(qū)垃圾投放智能化程度不高的困境（見圖1）。

圖1 智能垃圾分類實景圖

1 智能垃圾投放及計費系統(tǒng)組成［6-9］

本文提供的應用于智慧園區(qū)的智能垃圾投放及計費控制系統(tǒng)如圖2、圖3所示。該系統(tǒng)設(shè)置在建筑的各樓層內(nèi)，包括多個類別且對應類別相互連接的垃圾投放口、垃圾傳送管、垃圾中間斗。垃圾傳送管一端與垃圾投放口相連，垃圾傳送管呈一定角度向下傾斜，另一端與垂直設(shè)置的垃圾中間斗相連。各個類別的垃圾傳送管的入口處設(shè)置有垃圾入口檢測傳感器，出口處設(shè)置有垃圾出口檢測傳感器和垃圾傳送管抽風裝置。各個類別的垃圾中間斗的頂部設(shè)置有垃圾中間斗鼓風裝置和垃圾中間斗測距裝置，底部設(shè)置有垃圾中間斗稱重裝置和垃圾中間斗泄漏電磁閥，垃圾中間斗底部連接垃圾管道，通過垃圾管道連接至各個類別的垃圾集中回收站分類存儲箱，垃圾管道的底部設(shè)置有垃圾管道抽風裝置。

圖2中，1為第一類垃圾投放口、2為第二類垃圾投放口、3為第三類垃圾投放口、4為第四類垃圾投放口、5為第一類垃圾傳送管、6為第二類垃圾傳送管、7為第三類垃圾傳送管、8為第四類垃圾傳送管、9為第一類垃圾中間斗、10為第二類垃圾中間斗、11為第三類垃圾中間斗、12為第四類垃圾中間斗、13為第一類垃圾入口檢測傳感器、14為第二類垃圾入口檢測傳感器、15為第三類垃圾入口檢測傳感器、16為第四類垃圾入口檢測傳感器、17為第一類垃圾出口檢測傳感器、18為第二類垃圾出口檢測傳感器、19為第三類垃圾出口檢測傳感器、20為第四類垃圾出口檢測傳感器、21為第一類垃圾傳送管抽風裝置、22為第二類垃圾傳送管抽風裝置、23為第三類垃圾傳送管抽風裝置、24為第四類垃圾傳送管抽風裝置、25為第一類垃圾中間斗鼓風裝置、26為第二類垃圾中間斗鼓風裝置、27為第三類垃圾中間斗鼓風裝置、28為第四類垃圾中間斗鼓風裝置。

圖2智能園區(qū)垃圾投放裝置平面圖

圖3 中，1為第一層垃圾投放口（共四個）、2為第二層垃圾投放口（共四個）、3為第N層垃圾投放口（共四個）、4為第一層垃圾傳送管（共四個）、5為第二層垃圾傳送管（共四個）、6為第N層垃圾傳送管（共四個）、7為垃圾中間斗（共四個）、8為第N層垃圾入口檢測傳感器（共四個）、9為第二層垃圾入口檢測傳感器（共四個）、10為第一層垃圾入口檢測傳感器（共四個）、11為第N層垃圾出口檢測傳感器（共四個）、12為第二層垃圾出口檢測傳感器（共四個）、13為第一層垃圾出口檢測傳感器（共四個）、14為垃圾中間斗測距裝置（共四個）、15為第N層垃圾傳送管抽風裝置（共四個）、16為第二層垃圾傳送管抽風裝置（共四個）、17為第一層垃圾傳送管抽風裝置（共四個）、18為垃圾中間斗鼓風裝置（共四個）、19為垃圾中間斗稱重裝置（共四個）、20為垃圾中間斗泄漏電磁閥（共四個）、21為垃圾集中回收站分類存儲箱、22為垃圾管道抽風裝置（共四個）、23為垃圾管道（共四個）。

圖3 智能園區(qū)垃圾投放裝置A-A剖面圖

如圖4所示，該系統(tǒng)還包括PLC模塊，PLC模塊與垃圾入口檢測傳感器、垃圾出口檢測傳感器、垃圾傳送管抽風裝置、垃圾中間斗鼓風裝置、垃圾中間斗測距裝置、垃圾中間斗稱重裝置、垃圾中間斗泄漏電磁閥、垃圾管道抽風裝置均相連。通過各個類別的垃圾入口檢測傳感器檢測垃圾從垃圾投放口倒入，通過垃圾出口檢測傳感器檢測垃圾倒出，若一定時間內(nèi)未檢測到垃圾倒出，判斷為發(fā)生垃圾擁堵，控制垃圾傳送管抽風裝置運行，使垃圾進入垃圾中間斗。通過各個類別的垃圾中間斗測距傳感器監(jiān)測垃圾中間斗是否裝滿，裝滿時控制垃圾中間斗泄漏電磁閥，進而帶動垃圾中間斗底板開啟，并開啟垃圾中間斗鼓風裝置和垃圾管道抽風裝置，使該類別的垃圾通過垃圾管道進入對應類別的垃圾集中回收站分類存儲箱中。通過垃圾稱重裝置計量與統(tǒng)計每類垃圾的重量，根據(jù)垃圾的重量對每層用戶進行后續(xù)垃圾處理收費。

圖4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能垃圾投放及計費控制策略［10-12］

本文提供一種應用于智慧園區(qū)的智能垃圾投放及計費控制方法（如圖5和圖6所示），該方法包括以下步驟：

步驟1，系統(tǒng)等待用戶投放垃圾。

步驟2，用戶從垃圾投放口投入垃圾。

步驟3，垃圾入口檢測傳感器檢測到垃圾投入信號，并開始計時。

步驟4，當經(jīng)過一段時間T垃圾出口檢測傳感器檢測到垃圾倒出信號，停止計時，當T>（Tb+3）s時，判斷該垃圾傳送管發(fā)生擁堵；或當經(jīng)過Tb+3 s時垃圾出口檢測傳感器仍沒有檢測到垃圾倒出信號，判斷該垃圾傳送管發(fā)生擁堵；Tb為時間閾值；時間閾值Tb的確定方法為：

其中，Tb是垃圾傳送管在無堵塞情況下傳送的時間閾值，單位為s；L是垃圾傳送管的長度，單位為m；g是重力加速度，單位為m/s2；θ為垃圾傳送管與中間斗之間的水平夾角，單位為o。

步驟5，啟動對應垃圾傳送管的垃圾傳送管抽風裝置并運行一定時間（如圖5所示）。

圖5 垃圾傳送管控制流程圖

步驟6，通過各類別對應的垃圾中間斗測距傳感器監(jiān)測垃圾中間斗是否裝滿，裝滿時控制垃圾中間斗泄漏電磁閥，進而帶動垃圾中間斗底板開啟，并開啟垃圾中間斗鼓風裝置和垃圾管道抽風裝置，使該類別的垃圾通過垃圾管道進入對應類別的垃圾集中回收站分類存儲箱中（如圖6所示）。

圖6 智慧園區(qū)第i層用戶第j類每次垃圾的垃圾增量流程圖

步驟7，通過垃圾稱重裝置計量與統(tǒng)計每類垃圾的重量，根據(jù)垃圾的重量對每層用戶進行后續(xù)垃圾處理收費（如圖7所示）。

圖7 智慧園區(qū)第i層用戶第j類垃圾月收費流程圖

本文的步驟7中對每層用戶的每類垃圾進行收費的計算方法為：

第一步，令智慧園區(qū)第i層第j類垃圾，i∈[1,N],j∈[1,4]，N為樓層數(shù)；當?shù)趇層第j類的垃圾出口檢測傳感器感應到垃圾倒出信號，啟動第j類垃圾中間斗底部稱量裝置進行計量，并用（本次第j類垃圾中間斗底部的垃圾中間斗稱重裝置稱量的重量-上次第j類垃圾中間斗底部的垃圾中間斗稱重裝置稱量的重量）作為本次第i層第j類垃圾的垃圾增量，并將本次第i層第j類垃圾的垃圾增量和本次第j類垃圾中間斗底部的垃圾中間斗稱重裝置稱量的重量存入PLC控制器中，隨后停止第j類垃圾中間斗底部稱量裝置。

第二步，PLC模塊以月為單位累加每次第i層第j類垃圾的垃圾增量，并最終得到第i層第j類垃圾的月垃圾總重量。

第三步，PLC模塊對第i層第j類月垃圾總重量設(shè)定階梯收費標準，按第i層第j類月垃圾總重量總共分三個階梯。

當?shù)趇層第j類垃圾的月垃圾總重量處于第一階梯時：

此時的垃圾單位重量收費為k1，第i層第j類該月收費為：k1＊第i層第j類垃圾的月垃圾總重量。

當?shù)趇層第j類垃圾的月垃圾總重量處于第二階梯時：

此時的垃圾單位重量收費為k2，第i層第j類該月收費為：k2＊第i層第j類垃圾的月垃圾總重量。

當?shù)趇層第j類垃圾的月垃圾總重量處于第三階梯時：

此時的垃圾單位重量收費為k3，第i層第j類該月收費為k3＊第i層第j類垃圾的月垃圾總重量。

3 結(jié)束語［13-17］

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文所述智能裝置的有益效果為：

1）能實現(xiàn)對不同種類垃圾的分類投放，系統(tǒng)全自動運行，不需要人工參與，能夠有效地解決人工分類的人力成本高、分類不徹底的問題。

2）本系統(tǒng)信息化程度高，能夠自動控制、管理，能夠高精度、信息化地應用于智慧園區(qū)的垃圾管理領(lǐng)域。

3）通過自動稱重計費的控制方法，能夠根據(jù)不同的類別垃圾對每層用戶進行收費。現(xiàn)有技術(shù)中沒有采用類似的方案，并且因為智慧園區(qū)中各樓層的企業(yè)經(jīng)營范圍往往區(qū)別很大，對每層用戶收費時，根據(jù)其經(jīng)營范圍的不同，所產(chǎn)生的各類別垃圾的投放量差異很大，根據(jù)各類垃圾投放量進行計費，計費方式更加合理，方便了智慧園區(qū)的垃圾分類收費管理。因此，具有很好的推廣前景。