现代生活垃圾物流信息化管理技术

张 静

（上海市绿化和市容管理信息中心，上海 200040）

1 研究背景

目前物联网技术、电子计量、GPS、GIS、人工智能以及现代物流相关技术在许多城市生活垃圾管理中得到应用，并帮助提高了环卫管理效率。但生活垃圾收集、运输、处置以及计量收费等全过程的信息化管理以及上述多种技术的集成应用还较少。在上海生活垃圾收运与处理过程中，具有相应的技术基础，其中包括应用计量技术实现生活垃圾的计量；运用车辆监管技术，实现生活垃圾物流过程监管与管理；运用计量信息采集与相关通讯、信息技术，建立生活垃圾管理与结算平台，实现生活垃圾的信息化管理［1］。

在此基础上进一步研究运用RFID读卡、GPS等卫星定位、车载计量、压力称重等传感器测量等各种M2M技术的技术集成，从生活垃圾收运源头进行信息采集与技术管理，将运输车辆、垃圾站、中转站、各类分类处置场所等垃圾分类计量采集数据进行系统集成，以GPRS、3G无线数据通讯网络为基础，研究构建基于物联网的特大城市生活垃圾物流管理平台，从而实现对生活垃圾从源头分类收集、运输、中转到处置全过程每个环节的监管。

同时进一步研究生活垃圾分类管理内容、管理流程与整个生活垃圾的管理体系，从生活垃圾源头管理入手，建立生活垃圾源头建档、定量考核、收运处理全程监控、处置过程实时监管的生活垃圾全程监管体系，通过生活垃圾的源头申报、收运过程的物流管理，采集信息的统计分析与资金结算，实现生活垃圾的信息流、物流与资金流的一体化管理，建立相应的日常管理与应急处置机制，为生活垃圾的辅助决策提供数据支持。

2 生活垃圾物流管理体系的研究

2.1 产生单位源头建档

这里主要研究产生单位的生活垃圾，其中包括餐厨垃圾与废弃油脂。总结各类餐饮场所以及企事业单位、学校食堂产生的餐厨垃圾、废油脂的收集及无害化处理管理现状，对源头分类责任的落实是工作的重点和难点之一，目前亟需建立餐厨垃圾、废油脂、地沟油产生单位“一户一档”，管理档案的建立，将有利于餐厨垃圾、废油脂的规范管理，进一步维护城市整洁，保障市民身体健康。

“一户一档”的建立，首先需要对全市各区镇、街道餐厨垃圾、废油脂产生单位开展地毯式排摸登记，建立全市餐厨垃圾、废油脂产生单位的管理档案。产生单位主要包括食品加工单位、饮食经营单位、单位食堂等餐厨垃圾产生单位（包括个体户）。

产生单位管理档案主要包含单位类别、单位联系人及联系方式、资质收运服务单位名称、合同收运量（包括日均量、全年量）、收运时间及频率、存放地和收运车量等内容。

待完整档案建立后，市容环卫部门既可以对登记在册单位的餐厨垃圾的申报量、收集量以及处置量进行物流情况的监控，又可以进行精细化的统计。

2.2 生活垃圾收运计量

随着政府对垃圾量监管力度的加大，建立精准、高效、智能的动态称重系统势在必行。采用基于物联网技术与计量技术相结合的车载称重系统，实时掌握居民小区内所有的垃圾收运车辆装运垃圾的质量及收集原始数据，并与垃圾处理厂计量设备联网监管、协同运营。通过收运计量可以掌握每个产生单位、居民小区的生活垃圾源头产生量，通过数据积累，可以实现对源头垃圾分类情况、分类效果进行考量，可以用于对各产生单位、居民小区、街道进行定量化的考核与管理，并结合相应的管理措施进行生活垃圾减量化管理，提升垃圾减量的控制手段与管理措施。为进一步建立环境补偿机制、经济结算机制、市场化管理机制提供技术与数据支撑［2-3］。

2.3 收运过程全程监管

收运过程的全程监管包括对收运车辆的源头收运、小压站的源头中转、中转站的垃圾转运，以及部分垃圾分拣点、粗加工点的过程监管；收运过程的全程监管是生活垃圾物流环节的重要管理措施，没有过程的监管无法实现从源头到处置过程连接，餐厨垃圾、废弃油脂的管理漏洞往往产生于收运过程的监管缺位导致中间过程的流失。

2.4 处置过程全程监控

生活垃圾的处置过程采用的是工厂化的处置加工方式，监管的目的是防止处理过程中可能产生的二次污染，因此对处置过程的工艺监控，过程监管是处置监管的主要内容，其中包括工艺参数、残渣、废水、废气等各类参量的监控与管理。

3 物联网技术在城市生活垃圾分类收运中的应用

3.1 物流流向监管

建设集全球卫星定位系统GPS、射频识别RFID、地理信息系统GIS以及无线通信技术于一体的综合监管平台，实现对生活垃圾运输车辆的实时监控、调度，对收运垃圾源头小区、街道、小压站的识别。

由安装在车辆上用于采集、测量、上报信息以及提供通信和其他辅助功能的卫星定位终端，为生活垃圾运输车辆管理提供了一个可靠的、强有力的前端平台，结合车辆上安装的无线RFID读写器，读取向各小区门房、小压站操作人员等发放的RFID信息，识别生活垃圾收集点，完成生活垃圾源头收运时间、路线、收集点信息的采集。

再通过无线通信链路，传输的数据包括车辆定位、收运时间、生活垃圾收集点等信息，以及作业指令等信息的传输。生活垃圾运输车辆监控管理通过GPS定位技术，可以了解各类环卫作业车辆的线路轨迹、位置、速度等实时数据，达到对作业、运输过程监督的目的［1］。

最终由特大城市生活垃圾收运与处理管理平台实现对生活垃圾运输车辆的全程跟踪和管理，形成整个生活垃圾收运与处理的物流网络。可以提供对生活垃圾运输车辆的信息化管理，尤其是在处理突发环卫事件之时，能够很好地应对和调度；同时能够实时监控全市生活垃圾从源头收集、中转运输到处理处置的物流流向，利用高科技手段，最大限度地优化生活垃圾物流信息管理。

3.2 物流流量监管

掌握生活垃圾收运处理的物流量，是实现生活垃圾减量化、无害化和资源化的基础，也是建立生活垃圾全过程管理的重要数据支撑，对科学、准确分析垃圾分类收运处理设施的使用效率和制定科学的作业规划发挥积极的作用。

对于生活垃圾源头收运的称重主要采用运输车辆车载计量系统和小压站地平秤称重方式，进行收运量数据的采集，包括以GPS等卫星定位、RFID读卡、压力称重等传感器测量等各种技术设计，以及无线RFID读写器、手持机读写器、车载计量单元和车载计量仪表等构成的计量系统。中转、处置阶段的称重主要以接入中转站、中转码头以及处理处置场所已安装的地磅秤采集的称重数据为主。再通过无线通信链路，传输的数据包括识别车辆信息、收集点信息、称重数据等，主要采用GPRS数据服务方式实现车载及固定点称重计量数据到控制中心的无线传输。

通过车载计量系统的应用，结合在小压站安装的地平秤，各小区干垃圾基本通过小区保洁员直接驳运至小型压缩式收集站，因此，采用IC卡识别技术。各小区保洁员配置专用IC卡，在小型压缩式收集站直接读取地衡计量数据，建立干垃圾收运与小区垃圾清运的对应关系。接入中转站、中转码头、处理处置场所的地磅秤数据，可以及时、准确地掌握各个小区、街道、区县每天的生活垃圾分类收运量，能够为各个区域居民生活垃圾产生量、中转运输量以及分类处置量提供可靠的数据，形成全市生活垃圾物流量的平衡模型，为市容管理部门对于全市生活垃圾车辆的合理调配、中转处置场所的重复利用提供数据指导［4］。

3.3 收运处置全过程监管

综合以上对生活垃圾物流量以及各个环节所采集数据的分析，结合对生活垃圾各个分类收运处理流程的分析，得出对厨余垃圾、其他垃圾、有害垃圾、可回收垃圾以及废油脂、餐厨垃圾收集、运输、中转、处置全过程的物流、信息流监管的流程框图，如图1所示。

图1 收运处置工作流程

4 物联网关键技术与装备的研究

窦蕴平等针对目前北京城区垃圾收集的概况，论述了开发城市生活垃圾分类计量和分类贮存新型设备的必要性和可行性，重点论述了该设备的机械结构组成、工作原理以及控制系统的设计［5］。周良亚以垃圾称重计量的实际应用需求性能指标为前提，设计开发了一套嵌入式车载称重计量系统并在上海长宁区进行了试点［3］。

通过构建车载计量系统的业务模型基础，采集车载计量监控系统的基础数据，建立了符合生活垃圾清运特点的计量及数据分析对象，并通过GIS、GPS等引入，为生活垃圾清运链的管理、监控、调度提供了有效的信息平台。

收运车辆上安装GPS定位终端、车载计量单元、RFID读卡器等M2M硬件设备。GPS终端接收到的卫星定位数据、车载计量单元记录的称重数据以及读卡器识别到的有源射频标签信息，都由终端机对数据进行编码后，通过GPRS模块发送到信息中心机房的中心服务器。中心服务器根据数据的不同做相应的处理，并存储到中心数据库中，为各区县管理单位、废弃油脂单位、中转站、处置场所等管理、应用单位，提供生活垃圾，包括餐厨垃圾的动态物流信息的查询管理的数据支持，实现对生活垃圾分类物流信息的实时监控、业务统计、数据分析、物流管理以及对收运过程的监控等功能。而整个条线部门的各级单位则可以按照系统管理权限的分配，通过Internet网络来共享信息，实现生活垃圾的全过程统一监管。

4.1 称重传感器的研究

在基于物联网的管理平台设计中，称重计量系统尤其是车载计量系统是方案中的设计重点，同时也是技术难点。而称重传感器是称重计量系统的心脏。在车载计量系统中传感器一般安装在车辆箱体外部，长时间暴露在自然环境之中，一般工作条件均很恶劣，如温度年变化量最高可达70℃，在车辆行驶时承受较大的冲击。所以对传感器的选择有温度范围宽、密封防潮、过载能力强、长期稳定可靠等要求。

通过对各类生活垃圾收运车辆结构及载重方式的研究，发现不同载重受力的支撑面或者支撑点的受力情况也有所不同，传感器的安装位置也有相应的调整。所以，在综合考虑性能指标、环境、安装等多种因素后，选择了2款称重传感器，一是悬臂式称重传感器，另一款是马鞍型传感器，分别应用于不同车型的称重计量系统。

悬臂式称重传感器有受力后自动调心好、安装容易、使用方便、互换性好的特性，一般用于制做各种超薄子型电子汽车衡、单轨吊秤、料斗秤等，比较符合侧装式、车箱可卸式垃圾车称重计量系统的设计要求。选用国内很少使用的马鞍型传感器的主要原因有：

1）上下2个结合面为弧面结合，改变了普通传感器的点或面接触的结构，有利于增加受力面积，确保结构的稳定性。弧面接触的优点是当传感器受力大时，接触面就大，当传感器受力小时接触面就小，可以有效地随机增减受力接触面调整车辆的稳定状况。

2）马鞍型传感器在固定安装时，不用靠螺栓和车辆底盘拦截固定，而是用骑马螺栓固定在车辆底盘上，这样就避免了在车辆附梁之上打孔安装传感器对车辆底盘造成的强度影响。同时避免了使用螺栓时带来很大的剪切力对车辆安全性的影响。

3）马鞍型传感器两受力面为弧面结合，受力面之间可以产生相对的转动，这样就可以保证在不同的作业场地上，传感器的受力始终互相垂直。即当车辆在坡道上加载作业时，也可以有效地保证计量数据的准确性。

4）由于该类环卫车辆装载的主要是液态垃圾，因此在车辆行驶的过程中会不断晃动。造成质量的转移，一般会严重影响系统的计量稳定性。而使用马鞍型传感器则能够有效地克服这一问题。在一定的程度上马鞍型传感器可以凭借其独特的受力方式克服承载器内质量转移而对计量造成的影响。

综上所述，采用马鞍型传感器支撑可以有效地保证车辆的安全承载性能和行驶稳定性，在保证车辆稳定性的前提下，使得传感器的受力部位能够有微量的转动空间。这样当车辆行驶在不平的路面或装载偏载较大的情况下，传感器也可以准确受力，从而保证了整个系统的计量精度。由于餐厨垃圾车内装的多是可流动的垃圾，受力点的受力情况比较复杂，采用能够有一定转动位移的马鞍型传感器可以有效地克服上述问题对计量精度造成的影响。因此在该类车辆上安装马鞍型传感器可以有效地解决很多普通传感器所无法解决的问题。

4.2 称重计量系统的研究

4.2.1 车载计量系统

生活垃圾收运车辆车载称重计量系统，首先需要对收运车辆进行改装，根据各种收运车辆车型的不同，在支撑面或支撑点上安装至少四通道的称重传感器，通过数据采集模块采集数据并进行一定的数据处理，数据采集模块测量结果通过串行接口发送到驾驶室内的终端机。经过数据处理后，存入存储器，辅以称重仪表提供友好的人机界面，驾驶员可以通过对称重仪表的操作实现称重数据查询、数据打印、区点选择、时间日期、重新测量等功能。通过GPRS方式无线传输将数据上传到市局中心机房，存入生活垃圾称重数据库，提供远程用户的数据查询，并为生活垃圾物流平衡分析提供收运环节的数据基础。

4.2.2 箱载计量系统

箱载计量系统可以准确计量每桶垃圾质量，也可以计量大铁斗的质量，便于对垃圾的规范化收集与收费，为垃圾数据信息管理提供有效的数据源头。计量系统由称重传感器、数据采集器、称重仪表3部分组成。称重传感器负责感知车载质量，负责将传感器的质量信号进行处理，负责系统的标定，负责数据传输，将称重数据传给GPS终端进行数据上传及计量仪表显示称重数值。

箱载计量系统的安装结构，是在原箱式车辆固定支架旋转处，加装传感器模块，并通过仪表的双线性感知所称量的物料对象。其中传感器采用特殊不锈钢材质，精度高，抗腐蚀性强，具有良好的抗震性能力，适合恶劣环境下使用。可以准确计量每桶垃圾质量，也可以计量大铁斗的质量。

在试点区域实施过程中，根据各个小区的实际情况不同，分别选用以下2种小区生活垃圾收运量数据采集方案。

其一，可以使用GPS结合电子围栏来识别上传的称重数据归属小区。需要在后台预设置框定监管区域内所有小区的具体范围，所有的收运车辆安装GPS卫星定位设备，系统实时接收车辆的位置信息。然后在收运车辆进入或者离开预先框定的某小区电子围栏范围时，自动采集并上传当时的称重数据，由后台系统计算，取进出小区称重数据的差值，即是该小区1次的垃圾收运量。

其二，使用RFID技术识别小区。需要向小区门房发放RFID电子标签，每个小区都有惟一的识别号记录到电子标签内，在收运车辆进入及离开小区时，使用RFID读卡器读卡，识别所在的小区，同时上传车载的称重数据。然后由后台系统计算，取进出小区称重数据的差值，得到指定小区1次垃圾收运量的数据。

4.2.3 底盘称重计量系统

底盘称重计量系统采用六点计量的方式，是在车辆底盘上安装6个传感器受力点，这样可以增加车辆底盘的受力点和受力距离，有利于车身受力的均匀分布，同时增加计量数据采集点，便于不同情况下各种受力方式下计量数据的采集。例如当车辆刚开始装载时，垃圾在车辆的前方装载位置，这时前4个受力传感器受力较多，而后2个传感器受力较少。这样也可以保证有4个传感器的采集数据比较准确，供系统使用。保证计量数据的准确性。同时有效地克服了偏载对车辆本身计量的影响。

底盘称重计量系统实现了对车辆称重、位置等数据的本地信息处理、监控，以及为信息管理平台完成前端数据的获取工作。该设备主要应用于户外作业现场，其主要功能包括垃圾质量的获取、保存，车辆装载率、位置等信息的实时跟踪，以及通过多种方式将各种相关数据上传至各级数据中心。关于收运称重数据所属小区的识别方案，除了箱载计量系统方案中所介绍的，即支持GPS结合电子围栏识别以及RFID识别2种方式之外，若选用手持仪表设备，则可以由作业人员在收运称重时，读取垃圾箱或垃圾收集点上相关的RFID标签内的信息，即可识别所在的小区。

4.2.4 平台秤

针对较为大型拥有独立垃圾分类房的小区，或者是小压站等固定的垃圾分类场所，特别是小区到小压站采取的是小推车运输，不涉及收运车辆的小区，可以采用固定地磅秤称重的方式。

方案实施时需要给各个收运作业人员发放RFID电子标签，在进行生活垃圾分类称重时，作业人员先刷卡，然后分别对满载以及空载时的小推车进行称重，通过GPRS方式上传数据到中心机房，然后由后台系统计算去除皮重，得到该小区采集点或者小压站的实际收运量数据。

4.2.5 地磅秤

目前所有的中转站、中转码头以及处置场所已经安装地磅秤，进行出入车辆的整体称重，实现了中转量、处置量数据的采集。所以在本方案中，不涉及地磅秤硬件设备的选型及安装，主要实现地磅秤采集称重数据的接入及上传。

中转站、中转码头以及处置场所使用的地磅秤称重范围一般为30～200 t。主要由承重传力机构、高精度称重传感器、称重显示仪表3大主件组成，从而实现其称重功能。承重传力机构即秤体，将物体的质量传递给称重传感器的机械平台，常见有钢结构及钢混结构2种型式；高精度称重传感器是地磅的核心部件，它的优劣性直接关系到整台衡器的品质，起着将质量值转换成对应的可测电信号的作用；称重显示仪表用于测量传感器传输的电信号，再通过专用软件处理显示质量读数，并可将数据进一步传递至打印机、大屏幕显示器、电脑管理系统。

现在所使用的地磅秤相对于早期的地磅秤，稳定性能高、操作方便、精度高。一般都已经连接相应电脑管理系统，可以通过管理系统对称重数据的进一步处理、储存、传输等。本次方案中统一了称重数据的GPRS传送方式，同时兼容多种传输协议，建立了中间数据库，统一储存管理各个中转站、中转码头以及处置场所上传的称重数据。

4.3 生活垃圾物流信息化管理系统

系统平台充分考虑了本系统部署实施的总体规模大、时间跨度长、系统节点多等特点，因此在系统的整体结构设计上一方面将其作为一个整体集成平台考虑，以达到资源的充分共享，而另一方面满足项目实施的分期、分步特点，采用组件化设计，数据无缝对接的模式，支持系统的独立运行、随时扩充，满足项目的实施步骤与业务需求。

构建了车载计量系统的业务模型基础，通过车载计量监控系统的基础数据，建立了符合生活垃圾清运特点的计量及数据分析对象，并通过GIS、GPS等引入，为生活垃圾清运链的管理、监控、调度提供了有效的信息平台，从而最终对城市大范围内的生活垃圾清运信息进行采集分析和处理，满足领导、专家对数据分析的日常需要，并具备跨业务系统数据比对能力，满足跨部门业务分析的需要，从而提供对生活垃圾收集清运流程的计量、结算、监管的保障。

［1］陈丽.浅析物联网技术在生活垃圾收运处置中的应用［J］.环境卫生工程，2011，19（6）：24-25.

［2］厉志飞.高速动态汽车衡在垃圾填埋场中的计量［J］.衡器，2012，41（2）：41-43.

［3］余朝晖，王希，谷尚局.基于车载称重系统的环卫车辆装备技术及数字环卫方案探析［J］.衡器，2012，41（6）：34-39.

［4］彭斌.浦东新区生活垃圾分类收运体系与信息化监管技术应用试点研究［J］.环境卫生工程，2013，21（1）：30-31，34.

［5］窦蕴平，连香姣，张军.城市生活垃圾分类计量和分类存贮设备的研究［J］.机电产品开发与创新，2012，25（3）：1-2，5.