魏昌海 唐真

摘要：在城市化过程中，垃圾箱分布不合理、城市垃圾量骤增、分类错误等问题日渐凸显，智能垃圾箱的研发为解决上述问题提供可能。文章对web of science核心数据库、中国知网数据库中近20年来智能垃圾箱的国内外相关文献进行梳理，归纳其研究热点主要在于四方面：一是回收管理和材料收集的动态优化;二是循环利用方案设计纳入居民的参与度与接受度;三是产品语意学概念和以合适的奖惩机制引导正确投放;四是智能垃圾分类研究偏向单片机、红外探测、无线接收，利用卷积神经网络配合机械臂完成分拣作业。在此基础上，文章根据研究热点趋势提出具有适用性、持续性和引导性的设计建议。

关键词：智能垃圾箱;智能化分类;投放奖惩机制

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2022）01-00-03

美国现代景观大师哈普林认为，“一个城市的街道家具数量和质量透露着这座城市对景观的关注力度”。城镇化进程加快，城市生活垃圾日产量骤增，垃圾分类错误、垃圾箱分布不合理等问题日渐凸显。垃圾分类化管理、可回收物等资源的回收再利用为解决垃圾产量剧增、改善居民生活环境提供了一定的策略。城市中智能垃圾箱出现与使用不仅可以提高垃圾分类回收工作的效率，还可以减少清洁工人垃圾分拣与运输的工作量。

智能垃圾箱的推广与应用在某种意义上是从源头出发，解决了垃圾分类与回收、运输与再利用的问题，对减少城市环境的垃圾污染与降低垃圾处理等各个环节的成本发挥了重要作用。文章运用计量可视化分析软件，对比分析近20年来国内外智能垃圾箱发展脉络、研究热点及趋势，以探讨智能垃圾箱未来的优化方向。

1 研究方法及数据来源

国外智能垃圾箱相关文献以国外核心数据库作为数据来源，检索式主题设置为垃圾箱设计、回收箱设计、回收箱、智能回收箱、公共垃圾箱，语种选择英文，文档类型选择文章，共检索出386篇相关文献并进行除重。

国内以中国知网作为数据库来源，检索条件设置为主题：“智能回收箱”“智能垃圾箱”“智能垃圾分类”“智能分类”，中间用或含，并链接勾选同义词扩展选项，共检索出1 335篇相关文献，对其进行数据转换除重。

2 研究热点关键词分析

在国外智能垃圾箱相关研究中，出现频次较高的关键词有“回收、管理、行为、废物管理”等。其中“废物管理、行为”是高突现词，“回收”是高爆发关键词，表明在国外智能垃圾箱相关研究中，与回收相关的研究数量为一个峰值。在高频关键词对应年份中，“回收、管理、废物管理和行为”等词出现年份接近，分别是2006年、2010年、2008年和2009年，“可持续和物联网”等词出现年份较晚，分别在2015年和2017年出现。通过关键词引用历史，寻找高被引相关文章。

在垃圾分类方面，安吉诺菲关注的是回收管理和材料收集的动态优化，以控制变量法建立以状态变量为特征的动态决策模型，状态变量对应每天每个垃圾箱的垃圾量[1];智能垃圾箱设计方面，科拉米佐格鲁研究影响参与态度的因素，建议设计循环利用方案，以便最大限度地提高公众接受度[2];垃圾分类投放引导标识方面，安德鲁斯根据称重实验得出不同类型和不同位置垃圾桶中可回收材料的占比存在较大差异，更改标牌对于改善垃圾投放类型影响较小[3]。

分析国内研究热点关键词发现，“垃圾分类、智能分类、智能垃圾箱、垃圾分类回收、垃圾箱、垃圾桶、物联网”等词既是高频词又是突现词，且中心性均高于0.1。其中“垃圾分类”与“垃圾箱”的中心性高达0.72与0.57，足以表明其重要性。

研究关键词对应高被引文献发现，在单片机发展方面，周慧珺提出一种红外探测、无线接收的方式，使垃圾箱自动开合，取代手动[4]。在垃圾分类方面，赵一提出可自主分拣的智能垃圾箱通过多层神經网络和视觉系统深度学习，搭配机械分拣手臂模仿人类分拣垃圾的动作方式[5]。在智能垃圾箱设计方面，何侃采取一种可语音识别的算法，通过验证发现，成功率较低且伴随较大噪音，需要进一步的完善[6];傅晓芸通过借鉴国外公共垃圾箱的设计方法，分别从产品语义层级、投放引导语义以及参与操作语义三个方面探索，为垃圾箱的更新与发展提供新的设计思路[7]。

3 研究前沿趋势分析

在国外智能垃圾箱前沿趋势方面，通过突现关键词和对应高被引文献窥探研究分支脉络，尝试推断后续发展趋势。在软件中，将突现词分析的Γ值设为0.5，得出国外21个突现关键词。2006年，国外开始研究智能垃圾箱，2006年至2011年之间，研究方向较为保守;2011年至2018年间，众多研究者开始尝试从多角度探索智能垃圾箱的分析研究，如“参与”一词2013年出现，生命周期持续4年;“固体垃圾”一词2014年出现，生命周期持续5年，以及“算法”一词2014年出现，生命周期持续4年。2018年至2021年之间，“系统、循环经济、回收站、优化、民意调查”等词自2018年、2019年提出后，生命周期持续至今，存在持续下去的可能性。

通过突现词关联索引高被引文献，弥补单个突现词不能全面掌控智能垃圾箱发展细节的不足。在突现词对应的高被引文献中，万加尔文提出行为理论和规范激活模型的整合计划，通过验证得出，回收行为主要受回收意愿的影响，政府应提供更多回收箱与举办更多回收相关活动，以此增强居民回收意识[8];里加蒙蒂通过生命周期评估方法定义建立了五个场景，使用场景模型证实了塑料废物管理最佳策略的难度[9];萨尔克介绍已用于废物管理和其他相关工业部门的系统和方法，重点在于未来可用于废物处理厂或机器的系统上，以便更有效地处理废物[10];饮料瓶包装回收的相关研究中，西蒙发现通过有针对性的政策促进消费者参与收集非常重要，路边袋收集是最有利的解决方案[11];在居民回收意识方面，科拉米佐格鲁根据获得的居民见解提出设计回收计划的相关建议，以便提高公众的接受度。

在分析国内智能垃圾箱前沿趋势时，将软件中突现词分析的Γ值设置为0.8，得出国内28个突现关键词。其中“垃圾收集处置、串口屏、分类管理、分类机构、一体机、前沿应用、压缩机构”等词自2000年首次出现后，生命周期持续16年之久且强度较大，表示该组突现词一直是相关学者持续关注的焦点。2013年开始，国内从多方面展开与“智能分类、循环经济、分类投放、物联网”等突现词相关的尝试性探索。近几年的研究趋势偏向“垃圾分类、智能识别、深度学习、语音识别”等方向，这些突现词自2020年出现后持续至今，其中“垃圾分类”一词在该组突现词中强度高达9.11，表示与垃圾分类相关的探索在整个智能垃圾箱的发展中有着举足轻重的研究意义。

此外，分析国内高被引文献发现，研究热点主要集中在垃圾的智能化回收方面。余汉生发现从根本上解决垃圾无害化处理需要前置垃圾分类回收的问题，从垃圾箱的设计出发并结合奖惩理念，改善城市垃圾分类回收系统[12];吴凡等人从硬件和软件两方面结合物联网技术深入研究智能回收系统，通过建立常态化回收奖励机制，促进居民增强垃圾分类意识[13]。

在生活垃圾回收积分制度研究方面，邓宏超通过居民垃圾分类意识、回收积分制度、相关法律法规与以杭州市为例进行实证数据分析，阐述开展垃圾分类是解决垃圾围城的重要方法[14]。除制定回收激励制度以外，改进智能垃圾箱自身技术也是一种方法。魏子瑄通过在开发板中集中运动传感器、语音识别芯片、播报芯片、舵机等硬件实现智能垃圾箱的搭建[15];吴碧程等人为解决人工垃圾分类效率低且劳动成本较高问题，提出采用以树莓派作为主控模块，其中嵌入卷积神经网络并配合辅助机械结构的方法解决相关问题[16];王冰梅认为智能垃圾箱是未来实现垃圾分类的一大趋势，这不仅符合我国国情，同时在探索阶段，政策变化与垃圾处理水平不断提升，智能垃圾箱具备独特的强适应性，极适合大范围应用[17]。

4 结语

在国外智能垃圾箱研究脉络中，2006年初步意识到废电池、废玻璃的回收利用，2007年开始探悉射频技术在垃圾箱上的应用，2014年开始展开对垃圾智能回收相关算法的初步探索，2016年转向单片机、物联网研究;而国内于2000年时开始研究垃圾箱智能化系统，2009年初步探索全自动智能垃圾分类机，2015年开始关注智能分类垃圾箱的探索，2016年、2017年拓宽智能分类的研究思路，从多角度分析智能垃圾箱的优化及改造并持续至今。

对比国内外智能垃圾箱研究脉络，整体而言，国内外智能垃圾箱发展思路大致无异。国外是以射频技术打开智能垃圾箱的探索局面，而国内自始至终都在尝试解决垃圾分类问题。国内智能垃圾箱的设计较多局限于功能性的研究，尝试使用功能改变行为，较少考虑产品的交互性和用户友好层面的设计，而国外学者在关注上述问题的同时也尝试通过行为改变垃圾投放者的意识。

随着科技与时代的进步，不同时期对智能垃圾箱的定义也在发生着变化。在对上述国内外智能垃圾箱进行对比分析后，针对智能垃圾箱的设计，笔者试提出3点优化方向。

一是适用性设计。由于不同时间、不同地点的垃圾投放需求不同，干、湿、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决此类问题，导致环境脏乱或人力、物力浪费，需要增加智能垃圾箱的容量等与提高和使用场景的匹配度，避免各分类垃圾箱不能物尽其用。

二是持续性设计。经济的快速发展带动用户需求变化，产品迭代周期将愈来愈短，智能垃圾箱的设计应遵循绿色环保的持续性原则。智能软硬件应具备迭代可更新的特点，满足用户同一地点不同时期不同的需求，延长使用周期，降低淘汰率。

三是引导性设计。研究发现，用户垃圾投放行为受用户意识的影响，垃圾无害化处理的有效方法是在源头就要着手分类。一方面，颁布与实施相关政策，对用户的垃圾投放实行监管，对没有正确按类投放的用户采用柔性劝导的方法。另一方面，从设计角度出发，设计的本质是为人而设计，提高用户参与度，结合奖惩机制，引导用户正确投放垃圾并予以反馈，增强用户垃圾分类投放意识，积极保护环境。

参考文献：

[1] 安吉诺菲，保卢奇，罗巴，等.固体废物回收利用的动态优化模型[J].废物管理，2013，33（2）：287-296.

[2] 科拉米佐格鲁，萨加拉克.公众参与设计回收计划，以最大限度地提高公众接受度[J].资源节约与循环利用，2013（70）：55-67.

[3] 安德鲁斯，格雷戈尔，拉斯穆森，等.三种回收收集单元回收结果的比较[J].废物管理，2013，33（3）：530-535.

[4] 周慧珺，許锦标.新型智能垃圾桶的设计方案[J].广东工业大学学报，2006（3）：85-88，94.

[5] 赵一，陈震.基于深度学习的智能分类垃圾箱设计方法[J].科技风，2021（32）：1-3.

[6] 何侃，田亚清，李强，等.基于LD3320的语音识别智能垃圾桶设计[J].国外电子测量技术，2015，34（6）：85-88.

[7] 傅晓云，蔡蕊屹.产品语义视角下的公共分类垃圾箱设计研究[J].装饰，2017（4）：102-103.

[8] 万，沈，于.政策措施的有效性在香港回收行为预测中的作用[J].资源、保护和回收，2014（83）：141-151.

[9] 里加蒙蒂，格罗索，格罗索勒，等.塑料废物管理方案的环境评估[J].资源、保护和回收，2014（85）：42-53.

[10] 萨尔克，柯蒂斯，坎德尔鲍尔，等.面向循环经济的废物管理价值链中的数字化和智能机器人技术：综述[J].废物管理，2019（95）：476-492.

[11] 西蒙，阿莫尔，费尔德尼.饮料包装系统的生命周期影响评估：关注消费后瓶子的收集[J].清洁生产杂志，2016（112）：238-248.

[12] 余汉生，陈瑶.智能垃圾分类回收系统设计应用研究[J].包装工程，2018，39（18）：154-159.

[13] 吴凡，孙颖，贾长青.基于物联网的垃圾智能分类回收系统的研究[J].科技与创新，2017（14）：48-50.

[14] 邓宏超.我国城市生活垃圾分类回收积分制度实证研究[D].桂林：广西师范大学，2015.

[15] 魏子瑄，刘小刚，陈真贵，等.基于语音识别技术的智能分类垃圾桶[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（1）：79-82.

[16] 吴碧程，邓祥恩，张子憧，等.基于卷积神经网络的智能垃圾分类系统[J].物理实验，2019，39（11）：44-49.

[17] 王冰梅.我国分类垃圾箱的缺陷及其智能化改造[J].资源节约与环保，2016（1）：78-79.

作者简介：魏昌海（1997—），男，江苏徐州人，硕士在读，研究方向：产品造型艺术与应用实践。

唐真（1985—），女，山东青岛人，博士，副教授，系本文通讯作者，研究方向：风景园林规划设计与评价。