國(guó)內(nèi)外智能垃圾箱發(fā)展比較研究

摘要：在城市化過(guò)程中，垃圾箱分布不合理、城市垃圾量驟增、分類(lèi)錯(cuò)誤等問(wèn)題日漸凸顯，智能垃圾箱的研發(fā)為解決上述問(wèn)題提供可能。文章對(duì)webofscience核心數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中近20年來(lái)智能垃圾箱的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，歸納其研究熱點(diǎn)主要在于四方面：一是回收管理和材料收集的動(dòng)態(tài)優(yōu)化;二是循環(huán)利用方案設(shè)計(jì)納入居民的參與度與接受度;三是產(chǎn)品語(yǔ)意學(xué)概念和以合適的獎(jiǎng)懲機(jī)制引導(dǎo)正確投放;四是智能垃圾分類(lèi)研究偏向單片機(jī)、紅外探測(cè)、無(wú)線(xiàn)接收，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配合機(jī)械臂完成分揀作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，文章根據(jù)研究熱點(diǎn)趨勢(shì)提出具有適用性、持續(xù)性和引導(dǎo)性的設(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞：智能垃圾箱;智能化分類(lèi);投放獎(jiǎng)懲機(jī)制美國(guó)現(xiàn)代景觀(guān)大師哈普林認(rèn)為，“一個(gè)城市的街道家具數(shù)量和質(zhì)量透露著這座城市對(duì)景觀(guān)的關(guān)注力度”。城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市生活垃圾日產(chǎn)量驟增，垃圾分類(lèi)錯(cuò)誤、垃圾箱分布不合理等問(wèn)題日漸凸顯。垃圾分類(lèi)化管理、可回收物等資源的回收再利用為解決垃圾產(chǎn)量劇增、改善居民生活環(huán)境提供了一定的策略。城市中智能垃圾箱出現(xiàn)與使用不僅可以提高垃圾分類(lèi)回收工作的效率，還可以減少清潔工人垃圾分揀與運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁?。智能垃圾箱的推廣與應(yīng)用在某種意義上是從源頭出發(fā)，解決了垃圾分類(lèi)與回收、運(yùn)輸與再利用的問(wèn)題，對(duì)減少城市環(huán)境的垃圾污染與降低垃圾處理等各個(gè)環(huán)節(jié)的成本發(fā)揮了重要作用。文章運(yùn)用計(jì)量可視化分析軟件，對(duì)比分析近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外智能垃圾箱發(fā)展脈絡(luò)、研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)，以探討智能垃圾箱未來(lái)的優(yōu)化方向。1研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源國(guó)外智能垃圾箱相關(guān)文獻(xiàn)以國(guó)外核心數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，檢索式主題設(shè)置為垃圾箱設(shè)計(jì)、回收箱設(shè)計(jì)、回收箱、智能回收箱、公共垃圾箱，語(yǔ)種選擇英文，文檔類(lèi)型選擇文章，共檢索出386篇相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行除重。國(guó)內(nèi)以中國(guó)知網(wǎng)作為數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源，檢索條件設(shè)置為主題：“智能回收箱”“智能垃圾箱”“智能垃圾分類(lèi)”“智能分類(lèi)”，中間用或含，并鏈接勾選同義詞擴(kuò)展選項(xiàng)，共檢索出1335篇相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換除重。2研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞分析在國(guó)外智能垃圾箱相關(guān)研究中，出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞有“回收、管理、行為、廢物管理”等。其中“廢物管理、行為”是高突現(xiàn)詞，“回收”是高爆發(fā)關(guān)鍵詞，表明在國(guó)外智能垃圾箱相關(guān)研究中，與回收相關(guān)的研究數(shù)量為一個(gè)峰值。在高頻關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)年份中，“回收、管理、廢物管理和行為”等詞出現(xiàn)年份接近，分別是2006年、2010年、2008年和2009年，“可持續(xù)和物聯(lián)網(wǎng)”等詞出現(xiàn)年份較晚，分別在2015年和2017年出現(xiàn)。通過(guò)關(guān)鍵詞引用歷史，尋找高被引相關(guān)文章。在垃圾分類(lèi)方面，安吉諾菲關(guān)注的是回收管理和材料收集的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，以控制變量法建立以狀態(tài)變量為特征的動(dòng)態(tài)決策模型，狀態(tài)變量對(duì)應(yīng)每天每個(gè)垃圾箱的垃圾量[1];智能垃圾箱設(shè)計(jì)方面，科拉米佐格魯研究影響參與態(tài)度的因素，建議設(shè)計(jì)循環(huán)利用方案，以便最大限度地提高公眾接受度[2];垃圾分類(lèi)投放引導(dǎo)標(biāo)識(shí)方面，安德魯斯根據(jù)稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)得出不同類(lèi)型和不同位置垃圾桶中可回收材料的占比存在較大差異，更改標(biāo)牌對(duì)于改善垃圾投放類(lèi)型影響較小[3]。分析國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞發(fā)現(xiàn)，“垃圾分類(lèi)、智能分類(lèi)、智能垃圾箱、垃圾分類(lèi)回收、垃圾箱、垃圾桶、物聯(lián)網(wǎng)”等詞既是高頻詞又是突現(xiàn)詞，且中心性均高于0.1。其中“垃圾分類(lèi)”與“垃圾箱”的中心性高達(dá)0.72與0.57，足以表明其重要性。研究關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)高被引文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在單片機(jī)發(fā)展方面，周慧珺提出一種紅外探測(cè)、無(wú)線(xiàn)接收的方式，使垃圾箱自動(dòng)開(kāi)合，取代手動(dòng)[4]。在垃圾分類(lèi)方面，趙一提出可自主分揀的智能垃圾箱通過(guò)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和視覺(jué)系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)，搭配機(jī)械分揀手臂模仿人類(lèi)分揀垃圾的動(dòng)作方式[5]。在智能垃圾箱設(shè)計(jì)方面，何侃采取一種可語(yǔ)音識(shí)別的算法，通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，成功率較低且伴隨較大噪音，需要進(jìn)一步的完善[6];傅曉蕓通過(guò)借鑒國(guó)外公共垃圾箱的設(shè)計(jì)方法，分別從產(chǎn)品語(yǔ)義層級(jí)、投放引導(dǎo)語(yǔ)義以及參與操作語(yǔ)義三個(gè)方面探索，為垃圾箱的更新與發(fā)展提供新的設(shè)計(jì)思路[7]。3研究前沿趨勢(shì)分析在國(guó)外智能垃圾箱前沿趨勢(shì)方面，通過(guò)突現(xiàn)關(guān)鍵詞和對(duì)應(yīng)高被引文獻(xiàn)窺探研究分支脈絡(luò)，嘗試推斷后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。在軟件中，將突現(xiàn)詞分析的Γ值設(shè)為0.5，得出國(guó)外21個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞。2006年，國(guó)外開(kāi)始研究智能垃圾箱，2006年至2011年之間，研究方向較為保守;2011年至2018年間，眾多研究者開(kāi)始嘗試從多角度探索智能垃圾箱的分析研究，如“參與”一詞2013年出現(xiàn)，生命周期持續(xù)4年;“固體垃圾”一詞2014年出現(xiàn)，生命周期持續(xù)5年，以及“算法”一詞2014年出現(xiàn)，生命周期持續(xù)4年。2018年至2021年之間，“系統(tǒng)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、回收站、優(yōu)化、民意調(diào)查”等詞自2018年、2019年提出后，生命周期持續(xù)至今，存在持續(xù)下去的可能性。通過(guò)突現(xiàn)詞關(guān)聯(lián)索引高被引文獻(xiàn)，彌補(bǔ)單個(gè)突現(xiàn)詞不能全面掌控智能垃圾箱發(fā)展細(xì)節(jié)的不足。在突現(xiàn)詞對(duì)應(yīng)的高被引文獻(xiàn)中，萬(wàn)加爾文提出行為理論和規(guī)范激活模型的整合計(jì)劃，通過(guò)驗(yàn)證得出，回收行為主要受回收意愿的影響，政府應(yīng)提供更多回收箱與舉辦更多回收相關(guān)活動(dòng)，以此增強(qiáng)居民回收意識(shí)[8];里加蒙蒂通過(guò)生命周期評(píng)估方法定義建立了五個(gè)場(chǎng)景，使用場(chǎng)景模型證實(shí)了塑料廢物管理最佳策略的難度[9];薩爾克介紹已用于廢物管理和其他相關(guān)工業(yè)部門(mén)的系統(tǒng)和方法，重點(diǎn)在于未來(lái)可用于廢物處理廠(chǎng)或機(jī)器的系統(tǒng)上，以便更有效地處理廢物[10];飲料瓶包裝回收的相關(guān)研究中，西蒙發(fā)現(xiàn)通過(guò)有針對(duì)性的政策促進(jìn)消費(fèi)者參與收集非常重要，路邊袋收集是最有利的解決方案[11];在居民回收意識(shí)方面，科拉米佐格魯根據(jù)獲得的居民見(jiàn)解提出設(shè)計(jì)回收計(jì)劃的相關(guān)建議，以便提高公眾的接受度。在分析國(guó)內(nèi)智能垃圾箱前沿趨勢(shì)時(shí)，將軟件中突現(xiàn)詞分析的Γ值設(shè)置為0.8，得出國(guó)內(nèi)28個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞。其中“垃圾收集處置、串口屏、分類(lèi)管理、分類(lèi)機(jī)構(gòu)、一體機(jī)、前沿應(yīng)用、壓縮機(jī)構(gòu)”等詞自2000年首次出現(xiàn)后，生命周期持續(xù)16年之久且強(qiáng)度較大，表示該組突現(xiàn)詞一直是相關(guān)學(xué)者持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)。2013年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)從多方面展開(kāi)與“智能分類(lèi)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、分類(lèi)投放、物聯(lián)網(wǎng)”等突現(xiàn)詞相關(guān)的嘗試性探索。近幾年的研究趨勢(shì)偏向“垃圾分類(lèi)、智能識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、語(yǔ)音識(shí)別”等方向，這些突現(xiàn)詞自2020年出現(xiàn)后持續(xù)至今，其中“垃圾分類(lèi)”一詞在該組突現(xiàn)詞中強(qiáng)度高達(dá)9.11，表示與垃圾分類(lèi)相關(guān)的探索在整個(gè)智能垃圾箱的發(fā)展中有著舉足輕重的研究意義。此外，分析國(guó)內(nèi)高被引文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，研究熱點(diǎn)主要集中在垃圾的智能化回收方面。余漢生發(fā)現(xiàn)從根本上解決垃圾無(wú)害化處理需要前置垃圾分類(lèi)回收的問(wèn)題，從垃圾箱的設(shè)計(jì)出發(fā)并結(jié)合獎(jiǎng)懲理念，改善城市垃圾分類(lèi)回收系統(tǒng)[12];吳凡等人從硬件和軟件兩方面結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入研究智能回收系統(tǒng)，通過(guò)建立常態(tài)化回收獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，促進(jìn)居民增強(qiáng)垃圾分類(lèi)意識(shí)[13]。在生活垃圾回收積分制度研究方面，鄧宏超通過(guò)居民垃圾分類(lèi)意識(shí)、回收積分制度、相關(guān)法律法規(guī)與以杭州市為例進(jìn)行實(shí)證數(shù)據(jù)分析，闡述開(kāi)展垃圾分類(lèi)是解決垃圾圍城的重要方法[14]。除制定回收激勵(lì)制度以外，改進(jìn)智能垃圾箱自身技術(shù)也是一種方法。魏子瑄通過(guò)在開(kāi)發(fā)板中集中運(yùn)動(dòng)傳感器、語(yǔ)音識(shí)別芯片、播報(bào)芯片、舵機(jī)等硬件實(shí)現(xiàn)智能垃圾箱的搭建[15];吳碧程等人為解決人工垃圾分類(lèi)效率低且勞動(dòng)成本較高問(wèn)題，提出采用以樹(shù)莓派作為主控模塊，其中嵌入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并配合輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)的方法解決相關(guān)問(wèn)題[16];王冰梅認(rèn)為智能垃圾箱是未來(lái)實(shí)現(xiàn)垃圾分類(lèi)的一大趨勢(shì)，這不僅符合我國(guó)國(guó)情，同時(shí)在探索階段，政策變化與垃圾處理水平不斷提升，智能垃圾箱具備獨(dú)特的強(qiáng)適應(yīng)性，極適合大范圍應(yīng)用[17]。4結(jié)語(yǔ)在國(guó)外智能垃圾箱研究脈絡(luò)中，2006年初步意識(shí)到廢電池、廢玻璃的回收利用，2007年開(kāi)始探悉射頻技術(shù)在垃圾箱上的應(yīng)用，2014年開(kāi)始展開(kāi)對(duì)垃圾智能回收相關(guān)算法的初步探索，2016年轉(zhuǎn)向單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)研究;而國(guó)內(nèi)于2000年時(shí)開(kāi)始研究垃圾箱智能化系統(tǒng)，2009年初步探索全自動(dòng)智能垃圾分類(lèi)機(jī)，2015年開(kāi)始關(guān)注智能分類(lèi)垃圾箱的探索，2016年、2017年拓寬智能分類(lèi)的研究思路，從多角度分析智能垃圾箱的優(yōu)化及改造并持續(xù)至今。對(duì)比國(guó)內(nèi)外智能垃圾箱研究脈絡(luò)，整體而言，國(guó)內(nèi)外智能垃圾箱發(fā)展思路大致無(wú)異。國(guó)外是以射頻技術(shù)打開(kāi)智能垃圾箱的探索局面，而國(guó)內(nèi)自始至終都在嘗試解決垃圾分類(lèi)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)智能垃圾箱的設(shè)計(jì)較多局限于功能性的研究，嘗試使用功能改變行為，較少考慮產(chǎn)品的交互性和用戶(hù)友好層面的設(shè)計(jì)，而國(guó)外學(xué)者在關(guān)注上述問(wèn)題的同時(shí)也嘗試通過(guò)行為改變垃圾投放者的意識(shí)。隨著科技與時(shí)代的進(jìn)步，不同時(shí)期對(duì)智能垃圾箱的定義也在發(fā)生著變化。在對(duì)上述國(guó)內(nèi)外智能垃圾箱進(jìn)行對(duì)比分析后，針對(duì)智能垃圾箱的設(shè)計(jì)，筆者試提出3點(diǎn)優(yōu)化方向。一是適用性設(shè)計(jì)。由于不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的垃圾投放需求不同，干、濕、可回收垃圾箱使用率不一。目前市面上的通用垃圾箱不能解決此類(lèi)問(wèn)題，導(dǎo)致環(huán)境臟亂或人力、物力浪費(fèi)，需要增加智能垃圾箱的容量等與提高和使用場(chǎng)景的匹配度，避免各分類(lèi)垃圾箱不能物盡其用。二是持續(xù)性設(shè)計(jì)。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)用戶(hù)需求變化，產(chǎn)品迭代周期將愈來(lái)愈短，智能垃圾箱的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循綠色環(huán)保的持續(xù)性原則。智能軟硬件應(yīng)具備迭代可更新的特點(diǎn)，滿(mǎn)足用戶(hù)同一地點(diǎn)不同