面向社区智能服务的保洁车设计研究

江苏海洋大学 高壮壮 申屠留芳（通信作者） 张鹏程

社区是人们的生活圈，智慧化生活环境是社区的建设目标之一，建立智慧社区智能化服务平台是社区提高环境质量、服务质量、安全保护的基础。随着科技的发展，传统的社区有很多隐患和不足，智慧社区打破了传统社区的服务与管理模式，呈现出高度智能化与信息化的新格局，给人们的生活方式带来更多的便利[1]。基础设施是否完善，直接关系到居民的生活质量。文章主要研究无人驾驶技术如何合理应用到保洁车设计中，期望通过对保洁车的创新升级，结合社区智能化管理平台来提供更便捷、高效的社区保洁服务终端。在方案设计中汲取学术经验进行创新设计，力求从根本问题出发，将智能科技赋予保洁车，以此来完善社区的服务体系，创造舒适的生活环境，推动社会发展。

1 社区智能服务概述

随着物联网、云计算和大数据的不断完善，传统社区中的很多隐患和不足逐渐显现，其服务设施已经不能满足用户更高质量的生活需求。不过，依据国家政策要求，传统社区早在2019 年便迎来了现代化转型，经过近几年的转型和改进，一种新型管理模式的社区形式在实践中逐渐演变成熟。这类社区也常被称之为智慧社区，作为智慧城市的一个重要组成部分，可通过物联网实现对社区各类信息全面采集；通过人工智能提升居民生活体验，提升社区安全等级；通过大数据、云计算为管理部门实现资源整合、数据共享[2]。

智慧社区充分利用人工智能控制系统，借助互联网的优势，打造了一系列智能化服务设备，较具代表性的主要包括：智慧门禁、智能停车场、智慧安防系统、智慧家居等。新型社区门禁系统相比传统门禁做出了很大升级，传统门禁使用需要借助外置设备如门禁卡、NFC 手环等，而智慧门禁系统则完全脱离了这些外置设备，以用户人脸数据为核心，利用互联大数据实现人脸数据比对，多场景使用无限制，同时还会精准记录每个人在社区内的行动轨迹。智能停车系统则实现无人化管理，智能系统自动识别车辆信息，引导并告知用户车位位置，通过接入社区统一管理服务平台，实现车位资源最大化利用。智慧安防系统则是社区服务的重中之重，传统社区安防依托摄像头或保安来进行监测，智慧安防系统则充分利用图像采集和数据比对措施，通过AI 云端服务平台，综合利用人工智能和大数据精准分析画面安全隐患内容，实时发现，及时预警。智慧家居则以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电以及设备自动化，提升了社区生活的高效性、便捷性与舒适性。

综合来看，社区服务设施会随着智慧社区的服务管理形式不断升级，未来将充分利用人工智能技术，定制个性化功能以及多功能服务，相比传统社区过于单一的设施服务功能，智慧社区的服务设施将会具备更为灵活性和多样化的发展空间。

2 社区保洁设施的现状与问题

随着社区的智能化转型，众多基础配套服务设施迎来了创新升级。然而在保洁服务方面还是一直不温不火，仍延续着传统社区的保洁模式，具体问题表现为：间歇性保洁工作、清洁不及时、适用性不强、工作效率低且对环境影响大。经过市场调研数据分析，传统社区主要采用与市政一样的保洁车设备，并未针对环境差异化做设备选择或升级改进。传统保洁车早期出现在欧洲的一些工业化程度高的国家，也是通过这些国家的探索研究，才使保洁车得到研发更新。具体来说，其技术发展经历了纯扫式、纯吸式、吸扫式扫路车三个阶段[3]。虽然产品类型众多，但可以根据产品特性分为以下几种类型：手推式、纯扫式、吸扫式、全吸式、吸扫一体式以及全自动式。手推式保洁车是较原始的，其操作方向多变、可人为控制，小巧轻便、噪音较小，但效率相对较低，安全隐患较大。纯吸式保洁车可清扫的垃圾类型较多，可以清扫尘土、积水，同时不易产生粉尘，对环境比较友好，但由于配备了吸尘电机，噪音和体积都相对较大。吸扫一体式保洁车是目前较好的组合形式，其清扫类型全面、适应性强、工作效率较高。不过通过市场保洁车使用数据分析，此类型的保洁车普遍转弯半径较大，维护成本也较高，通常只在市政道路上使用。综合来看，各类保洁车存在以下共性问题：（1）保洁车需要特定的专业人员进行操作，且人工作业时有盲区，存在很多未知安全隐患；（2）传统保洁车体积相对较大，同时转弯半径较大的弊端使得保洁车不能很好地穿梭在人群中作业，更不利于在人群较密集且建筑高度集中的社区场景中使用；（3）传统保洁车自主化性能不高，且受天气影响较大，不能够全天性不间断的工作，清洁效率也不高。

随着机械化程度越来越高，保洁车的弊端也越多，呈现出后期维护成本较高、统一性和规范性不高等问题，功能丰富的同时并未做出智能化的升级，于是就加大了操作难度，这也使得物业很难雇佣到合适保洁车驾驶员。与此同时，过度的机械化和功能赋予使得保洁车功耗增大，产生了不必要的能源损耗，出现续航时间缩短及充电耗时长等现象。保洁车市场上的产品鱼龙混杂，出现很多不符合标准的产品，这也就使得很多设备零件不能同等替换，产品统一性和规范性不高。总的来说，现有保洁车的优势和劣势比较均衡，未来将具有很大的改进空间。

3 面向社区智能服务的保洁车设计分析

3.1 用户需求分析

面向社区智能化的大环境，人们在享受科技便民性的同时，对生活环境的要求越来越高。传统意义上的道路清扫，仅仅是通过保洁人员和机械垃圾车的配合，清除路面垃圾和扬尘。但这种方法往往难以有效防止可吸入颗粒物进入空气，对环境和人们的健康造成严重威胁。因此，用户需要一款类似于家用扫地机器人的环境保洁车，可以应用于户外开放场景，在智能化的功能基础上可实现环境的净化工作。针对社区人群较为密集情况，保洁车的通过性与安全性，也是用户重点关注的问题。这需要保洁车自身尽可能做到轻量化，保证工程作业的必要性，同时不妨碍社区居民的正常通行。由于社区人群类型较多，不同人群的安全意识也各不相同，因此安全性是保洁车设计的重中之重。需要考虑到保洁车的整体布置，整体化设计可以提高整车的封闭性，减少不必要的机械设备外露，减少人群与设备之间事故的概率。最后，满足居民对于噪音程度的要求，要考虑到设备动力的选择，以及机械结构的优化，尽可能做到低分贝处理。

3.2 场景应用与功能需求

社区场景与市政环境道路清洁有着很大区别，市政道路相对开放宽敞，保洁车具备良好的运行空间。而社区相对集中，路型复杂，需要保洁车具备相对较强的路面适应性，同时可清扫的垃圾类型要适当增多。社区保洁接触人群众多，构建人与机械的交互平台，可赋予保洁车智慧交互功能，增强人与机械之间的亲和力，改变传统保洁车在人们心中冰冷的、机械化的认知。面向社区智能服务，单一的保洁功能已经不能满足社区服务需求，可结合社区其他智能化服务设备，通过物联网技术，实现设备间的智慧联动。充分利用信息资源，增加更为个性化的社区保洁车服务功能[4]。

3.3 设计构想

绿色舒适的环境需求决定了保洁车的设计布局需要全盘考虑，从用户的体验作为第一角度出发，环境保护为辅。未来保洁车将以无人驾驶的形式进入人们社区生活，其具体实现方式为：保洁车在道路上可实现自主化的垃圾捡拾，自行规划清扫路线。通过多种环境感知技术的相互协作，动态识别环境信息，全程无需人员参与便可实现自主清扫，若遇障碍物时可自主做出避让的举措[5]。结合其他智能化服务设施，实现全局无人化管理。此设计构想，在家用扫地机器人上得到了很好展现，只不过无人保洁车相对于清洁机器人考虑的环境因素会很多，但其可行性已经在清洁机器人和无人配送物流车上得到了充分验证。得益于无人驾驶技术的不断完善，无人化保洁将会充分利用5G 时代的优势，基于物联网技术，以车载电脑和无人驾驶的形式，实现远程操控，更多个性化功能将获得广泛运用。

4 社区智能服务保洁车设计实践

4.1 方案设计

社区智能服务保洁车外观造型上倾向于简洁时尚的现代化设计，如图1 所示，流畅的曲面造型贯穿整个车身，相比传统保洁车的机械形式，视觉观感上会更具亲和力。遵循绿色可持续原则，整车体积在保证功能性的前提下尽可能做到轻量化设计，车轮根据概念车型的发展趋势，采取内收设计，除了增强整车的流畅性，还提升了整车的安全性能。除了车顶的全局激光雷达之外，其他环境感知元器件则通过精心布局与车身融为一体。结合未来社区的智能化升级趋势，充分考虑到社区未来的配套设施服务体系，方案将清洁、安防和配送等服务集于一体，充分利用现有科技，将无人驾驶和人工智能紧密结合在一起。

图1 方案效果图

目前市场上的无人驾驶汽车激光雷达的布置方式多为外置，原因是激光雷达的探测需要足够的视野。此方案设计的主要原则：（1）让机器的感知器件与车体本身浑然一体，同时较大化的获取激光雷达的视野，平衡设计美学和机器视觉的性能，机器视觉器件内置处理，减少过往人群与机械零部件接触，更有利于保护行人安全。（2）利于场景运用的拓展，方案在功能上的布局可达到道路的行驶标准，将来本款保洁车不局限于社区环境应用，还可以拓展更多的服务环境。

4.2 细节与结构解析

保洁车运用多角度自适应边刷，实现动态角度调整，贴边清扫，保证150 cm 的清扫宽度。针对日常清洁边刷会出现磨损，需要操作人员定期对边刷进行更换处理且操作流程繁琐的问题，该设计对清洁边刷做了可快拆式脱钩结构设计，这样的好处在于无需借用特殊工具，便能直接完成对清洁边刷的拆装处理，操作简单快捷，降低操作人员操作难度，如图2 所示。

图2 清洁边刷

环保电池作为动力能源，为了适用更多场景，电池模组采用快速热拔插设计，同时也可实现自动回充进行无线充电，提供两种使用模式，如图3 所示。

图3 尾部电池模块组

车体前端采用目前无人驾驶车辆内置微振镜激光雷达，特点是体积小、成本低。同时配合AI 三目视觉摄像头来获得更精准的物体识别和探测。顶部通过配备太阳能光伏发电板，为车辆持续提供部分能源。尾部采用流线型贯穿式尾灯，下方安置了状态导视交互屏，时刻显示车辆运行状态，提醒过往人群。如图4、图5 所示。

图4 前置激光与视觉感知模块

图5 导视屏

如图6 所示，保洁车具体结构包括：激光雷达1、吸尘电机20、视觉感知器件模块15、清扫排刷13、升降装置11、太阳能板21、清扫边刷8、垃圾收集仓19、集尘罩10、驱动电机7、传感器模块6、警示灯2、电机12、可视化人机交互屏5、控制模块4、自卸装置1、支架3、电池模块16、驱动装置17、轮子9、轮子保护罩14。

图6 产品结构图

结构具体布局方面，通过在车辆顶部设置激光雷达，进行车辆周围环境扫描，建立三维立体信息，相当于车辆的眼睛，以此达到环境感知的能力。视觉感知器件模块则安装在轮子四周保护罩上，共有四组，每组模块内设置了双目视觉摄像头和红外传感器，配合激光雷达达到全景感知的效果，精准识别以获得完整的环境信息，若遇障碍及时采取制动或变向措施，主动避障。

考虑到避障因素，清扫排刷设置了升降装置，有利于路面特殊避障或空闲无需清扫时进行排刷自动收回，提高整车的通过性能。为了增强可持续性，车辆顶部设置了太阳能板，置于激光雷达的下方，补偿车辆部分能源损耗。清扫边刷安装于车辆前端保险杠处并与驱动电机进行轴连接。考虑到清洁环境的差异化，清洁边刷可进行多角度的动态调整，增强清洁能力。前置传感器模块安装在车头前端，置于交互屏的下方。模块内具体设置了一个微振境激光雷达、一组双目视觉摄像头和人体红外传感器，组合使用以达到物体的动态捕捉，人像或行为的智能识别，做出相应的交互或者避障举措。

保洁车在安防巡逻途中若发现危险情况，可做出相应警示，及时提醒人群。通过联合社区安保系统，实现对周边环境安全信息的动态监测和预警。车辆通过设置自卸和垃圾溢满探测装置，来实现自主倾倒。轮胎保护罩则安装在车子侧身和车轮外侧，具备一定的防撞性能，减少人群或动物与车辆接触，增强整车的安全性能。

5 结语

文章通过分析得出，无人驾驶技术的运用范畴不局限于道路上的车辆驾驶，还可以依托人工智能系统运用到保洁、社区智能化服务等更多领域。目前国内无人驾驶技术的实验数据表现，进一步论证了无人化保洁车设计的可行性。方案设计中也着重考虑到人机交互的使用体验，以智慧交互屏的形式构建人与机械交流的桥梁，增强人与机械的亲和力，拉近了人与科技的距离。通过社区配送、安防、信息宣传等更多智能化服务的引入，丰富社区生活，给社区用户带来全新的使用体验，充分体现了智慧社区的科技便民性。