隔离病区生活垃圾智能回收装置设计研究

韩 旭，杨梓晗，胡 绮 Han Xu &Yang Zihan &Hu Qi

(湖北工业大学工业设计学院，湖北武汉 430068）

为应对新型冠状病毒感染的肺炎疫情，生态环境部于2020年1月28日印发《新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗废物应急处置管理与技术指南（试行）》（以下简称《指南》），指导各地及时、有序、高效、无害化处置肺炎疫情医疗废物，规范肺炎疫情医疗废物应急处置的管理与技术要求。《指南》明确了肺炎疫情医疗废物应急处置管理要求，以设区的市为单位，规范肺炎疫情医疗废物应急处置活动，防止疾病传染和环境污染，及时发布应急处置信息[1]。

1 研究背景

疫情防控常态化之后，医学化及医疗行为的增加，直接造成了“大量需求—大量生产—大量消费—大量废弃”链条末端的医疗废弃物产生现状[2]。鉴于现实国情和医院生活垃圾回收与管理尚需提升的现状，隔离病区生活垃圾的管理存在以下问题：生活垃圾物流系统未形成一体化的管理；生活垃圾物流系统活动组织匹配不高，呈现散乱分布的状态；生活垃圾物流系统的信息管理、智能化建设程度不足。基于上述背景，本研究试图设计一款可以应用于隔离病区的自动化生活垃圾回收装置，减少人与医院隔离病区的垃圾接触，降低感染风险。

2 隔离病区生活垃圾的管理机制调研

疫情期间，隔离病区中的病人和工作人员会产生各种生活垃圾。为研究隔离病区生活垃圾的具体产生流程和收集方法，本研究对某传染病医院隔离病区进行了实地调研，明确隔离病区的基本情况，获取相应的调研数据作为生活垃圾智能回收装置设计的依据。

2.1 调研范围与目标

为了提高数据的合理性，本研究选择某传染病医院为主要调研对象，并对其他医院的隔离病区进行了补充调研。选择传染病医院为主要调研对象，是由于传染病医院能代表较高的传染病医疗服务水平和隔离病房建设规模，隔离病区的常年常态化运行，是本设计产品的主要应用场景，为之后的设计研究提供参考。此外，调研对象还包括院隔离病区内的管理人员、医疗护理人员、保洁工作人员以及病人，调研内容包括隔离病区的基本情况、生活垃圾的产生量、生活垃圾的主要内容、生活垃圾桶的清理次数和目前生活垃圾收集存在的问题等。

2.2 设计点分析

2.2.1 隔离病区生活垃圾回收存在问题

对隔离病区生活垃圾回收的调研问卷进行统计,隔离病区生活垃圾回收存在的具体问题分为以下三方面：（1）即时回收难保障:保洁人员无法实时知道现存容量,无法在垃圾桶满时即时回收，隔离病区内的工作人员无法即时联系保洁人员清理垃圾桶；（2）回收工作强度大：隔离病区垃圾多，工作人员需穿着防护服，工作强度很大；（3）定时回收垃圾桶需求难以满足：无法实时知道垃圾桶容量，保洁人员需定时查看垃圾情况，增加了感染风险。

为了解决隔离病区生活垃圾回收的问题，需要针对性提出解决方法，使隔离病区的生活垃圾回收更加高效，同时减少非医疗工作人员的数量，降低工作人员感染风险。本研究提出以智能小车的智能产品设计，减少人工接触的智能回收，使其不仅作为垃圾回收产品而存在，也作为一种医护人员工作的辅助性工具，增加工作效率和为人服务[3]。

2.2.2 垃圾智能回收的现实需求

生活垃圾智能回收相较传统人工回收方式有着显著的优点：高效地回收隔离病区中的生活垃圾；维持干净整洁的隔离病区医疗环境；减少非医疗工作人员数量，降低感染风险。目前医院隔离病区的生活垃圾回收主要采用人工回收的处理方式，增加了生活垃圾回收的工作量，造成了人力资源的消耗，同时增加了感染风险。面向未来疫情常态化的可能性，生活垃圾智能回收装置应用有较大的需求。

2.2.3 设计思考

日常生活场景中的垃圾智能回收装置的发展较为完善，由于隔离病区环境的特殊性，目前的产品尚不能直接解决隔离病区生活垃圾回收问题。基于此现状，需要依据调研情况及实际数据为隔离病区生活垃圾智能回收装置的功能、结构及造型进行针对性设计。

3 隔离病区生活垃圾智能回收装置设计分析及方案评价

3.1 设计方案说明

3.1.1 智能垃圾回收装置初步设计方案

隔离病区生活垃圾智能回收装置的内部环境包括功能结构和造型形式两部分，外部环境中的“人”和“环境”两要素是决定产品外部装置的关键因素，具备环保理念的垃圾回收产品设计应考虑以下四方面：使用环保材料、多功能、零部件可更换以及降低运输成本[4]，而模块化的设计理念可以有效延长产品的生命周期，减少医疗生活垃圾智能回收装置的重新再利用、维修以及回收或分解[5]。

3.1.2 车体设计

智能垃圾车和垃圾桶的交互

基于智能垃圾车和垃圾桶的交互进行车体设计，需要研究隔离病区工作人员与垃圾回收装置的互动行为，系统性地开展设计[6]。目前的智能小车按其造型类别可分为车形、圆柱形、方柱形、人形设计（图1）。依据隔离病区为使用场景、智能垃圾车的性能需求和环保垃圾桶的设计调研，人形的智能小车造型不适用于垃圾桶运输要求，应从其他三种造型分类中进行选择。为了判断哪种车体设计更合理，需要采用合适的设计评估方法对设计原型方案进行设计评价，选择较优的原型方案进行后续设计。

图1 智能小车造型分类对比图

3.1.3 智能垃圾车方案设计

鉴于隔离病区的无接触设计原则，智能垃圾车以电能为能源供给，初步确定智能垃圾车和智能充电的整体设计方案。智能垃圾车可分为车体、转向驱动装置、垃圾桶装卸装置、车载控制器、定位导航装置、电源、自动充电装置七个组成部分，这些组成部分系统完成智能垃圾车的运送任务。因此设计方案为车形、圆柱形、正方体形三种。

3.1.4 隔离病区生活垃圾智能回收装置评价模型建立流程

将隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案评价模型建立方案如图2所示。

图2 隔离病区生活垃圾智能回收装置评价模型方案

3.2 隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案评价指标的确定

3.2.1 隔离病区生活垃圾智能回收装置设计因素分析

为了确定隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案评价指标中的关键因素，首先需要分析隔离病区生活垃圾智能回收装置设计过程中各方面的设计因素。将设计过程中的20个设计因素进行整理，见表1。

表1 隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案的评价因素汇总

3.2.2 基于卡片分类法的评价指标模型

基于卡片分类法进行隔离病区生活垃圾智能回收装置评价模型建立需要通过四个步骤来完成，首先需要对卡片分类活动进行宣讲，参与隔离病区生活垃圾智能回收装置评价的志愿者一同进行卡片的分类，志愿者对卡片中的信息进行分组归类，最后总结结论并对数据进行处理与分析。基于卡片分析法进行隔离病区生活垃圾智能回收装置评价模型建立如图3。

图3 基于卡片分析法建模流程

依据上述20个设计因素，将每个设计因素书写在一张卡片上，招募20位志愿者参与评价，其中包括5位工业设计师，10位医护人员和5位保洁人员。在进行卡片分类前，首先需要对具体操作和注意事项进行详细的说明，请志愿者依据以下标准对卡片进行分组：哪些卡片描述的是隔离病区生活垃圾智能回收装置的同一种特征；哪些卡片描述的隔离病区生活垃圾智能回收装置设计因素可以归属到同一组；哪些卡片描述的隔离病区生活垃圾智能回收装置设计因素明显不可能属于一组，等志愿者完成了所有卡片的分组后，请参与评价的志愿者对完成的分组依据该组的特征进行命名[7]。

3.2.3 数据分析

将得到的数据从多个层面对志愿者完成的分组信息进行统计与处理。在选择标准组的名称时需要注意以下三点要求：组名之间具有一定的近似度[8]；组名之间具有一定的差别；语言的含义与引申。在卡片分组活动中志愿者们对所有的卡片进行了分组与组名的命名，首先对使用到的组名信息进行统计整理，得到的评价因素分组名称与卡片数据汇总情况见表2。

表2 评价因素分组名称与卡片数据汇总

调研数据显示，可靠性、环保性、智能化四个名称使用的人最多。使用结构安全和材料安全用来描述安全性能的人较少，两者都属于安全性范围，可选择安全性作为描述该组标准组名；环保材料属于环保性的范围，可选用环保性作为组名；准确性和稳定性体现了隔离病区生活垃圾智能回收装置的可靠性，选用可靠性作为组名；自动化和便捷性，通过隔离病区生活垃圾智能回收装置的智能性得以实现，选用智能性作为组名。

基于卡片分类法分析研究的结果，得出隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案评价指标的关键因素分别为：安全性、可靠性、环保性、智能化四点，如图4所示。

图4 隔离病区生活垃圾智能回收装置设计关键因素

3.3 隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案评价选择

3.3.1 评价指标权重的确定

上述研究分析了隔离病区生活垃圾智能回收装置设计方案评价指标中的四个关键因素，它们对设计方案的影响程度有所不同，需要对其进行权重分析，更加客观地对设计方案进行评价[9]。本研究邀请之前参与评价的志愿者对隔离病区生活垃圾智能回收装置的关键设计因素进行权重评分（满分10分），将各关键因素所得的分数之和除以全部因素得分的总和可以获得该关键因素在准则层中的权重系数，见表3。

表3 隔离病区生活垃圾智能回收装置评价关键因素权重评分统计表

3.3.2 确定模糊评价的评价词及度量值

对隔离病区生活垃圾智能回收装置的设计方案进行准确的评价，需确定对应的评价词和评价词对应的度量值。本研究确定度量值的依据是李克特量表[10]，基于李克特量表建立隔离病区生活垃圾智能回收装置五点量表，评语为：差、一般、好、良、优。其中优取值1，每个相邻的评价等级的差值为0.2[11]。

得到模糊评语度量值集合为：

再次邀请20名志愿者对隔离病区生活垃圾智能回收装置的三种设计方案进行评价，方案评价结果见表4至表6。

表4 设计方案A评价结果详情

表5 设计方案B评价结果详情

表6 设计方案C评价结果详情

3.3.3 隔离病区生活垃圾智能回收装置评价结构择优

（1）设计方案A评价得分

设计方案A各个关键因素除以总人数20，得到模糊评判矩阵如下：

可得：

最终得到的隔离病区生活垃圾智能回收装置A设计方案最终得分E 1为[12]：

（2）设计方案B评价得分

设计方案B各个关键因素除以总人数20，得到模糊评判矩阵R2如下：

可得：

最终得到的隔离病区生活垃圾智能回收装置B设计方案最终得分E 2为：

（3）设计方案C评价得分

设计方案C各个关键因素除以总人数20，得到模糊评判矩阵R3如下：

可得：

最终得到的隔离病区生活垃圾智能回收装置C设计方案最终得分E 3为：

4 隔离病区生活垃圾回收装置设计

4.1 设计草图

以评估得出的设计原型为基础，结合隔离病区生活垃圾智能回收装置的使用行为，通过行为分析进行逻辑组织关系梳理[14]，得出方案的设计，对设计方案进行快速表达。

4.2 模型的建立

确定隔离病区垃圾回收装置的设计草图后，利用犀牛建模软件完成初始三维模型。垃圾回收装置作为医疗保健设施产品，设计和美观不仅影响医院的能源消耗，还影响员工的表现和患者的心情与康复[15]。充分考量隔离病区的使用场景与需求，进一步细化设计，发现设计流程中存在的问题，不断修正和优化，进行渲染，得到最终效果图。

4.3 设计细节说明

4.3.1 智能垃圾桶支架方案

智能垃圾桶支架主体部分主要采用注塑成型，以满足消毒清洗的外观设计要求。智能垃圾桶支架尺寸为长28 cm，宽28 cm，高34 cm，主体为白色，符合医院病区环境及病人的心理需求。架上包括垃圾桶容量传感器，通过红外感应检测垃圾桶的容量，给隔离病区生活垃圾智能回收装置控制系统发送回收指令，同时提供人工的方式发送回收指令。智能垃圾桶的支架在接到智能垃圾车指令时自动打开前门，协助智能垃圾车完成垃圾桶的自动装载，如图5。

图5 环保垃圾桶方案设计渲染效果图

4.3.2 环保垃圾桶设计方案

环保垃圾桶选用纸质材料，因其加工工艺简单，成本支出小，经济型和环保性远高于塑料材质。此外，国内的纸业产业已形成“以纸养林、以林促纸”的林浆纸一体化战略[16]，纸质材料在环保与可持续方面是较为优秀的材质，杜绝二次回收造成的污染。环保垃圾桶使用方形造型，尺寸为长27 cm，宽22 cm，高34 cm。顶部4个孔为垃圾桶容量传感器的透光口，方柱造型可以解决垃圾桶更换时的透光口定位问题。垃圾桶选用方便堆叠的上粗下细造型，方便存储和运输，装卸卡口设计保证了智能垃圾车对垃圾桶的装卸功能，如图6。

图6 智能垃圾桶支架设计方案渲染图

4.3.3 智能垃圾车方案展示

车身整体使用不锈钢材质作为主框架，保证车体的结构强度。车体部分使用改良抗菌塑料，满足抗菌、清洗消毒的需求。车体主色调为白色，车体中间使用黄色警示条，如图7。每个智能垃圾车每次最多可自动装载4个垃圾桶，增加运输数量的同时提高了智能垃圾车的稳定性；麦克纳姆轮的选择保证了智能垃圾车的全向行驶，方便垃圾桶的装卸；激光雷达和超声波雷达的使用可以大幅度提高避障能力和定位精度；伸缩托盘的巧妙设计解决了垃圾桶的装卸问题；红外定位传感器提高充电时的定位精度，保证智能垃圾车顺利完成自动充电。运送频率为一日2至4次，上下午各1至2次。依据调研结果，该频次能够满足隔离病区每天的垃圾运送量[17]。

图7 智能垃圾车设计方案渲染图

设计结果的完整呈现，证明了设计流程与评估方法的可行性，在一定程度上解决了医院隔离病区生活垃圾回收现存的问题，为医院中垃圾智能回收装置的设计提供了参考。隔离病区生活垃圾智能回收装置整合效果图如图8所示。

图8 隔离病区生活垃圾智能回收装置最终方案整合

5 结语

在新型冠状病毒的流行背景下，着重调研分析了医院隔离病区生活垃圾回收过程与行为，以隔离病区为使用场景，生活垃圾回收为设计对象，基于垃圾桶支架、环保垃圾桶、智能垃圾车为设计载体，解决隔离病区生活垃圾自动化回收为基础，提出了隔离病区生活垃圾智能回收装置的设计方案，并建立隔离病区生活垃圾智能回收装置的功能模块和模块架构，利用卡片分类法和模糊综合分析法对不同设计方案进行了评估，获得了较优的设计结果。通过深入设计研究，完成了隔离病区生活垃圾智能回收装置的设计。但在医院的调研、数据分析和设计过程中获得了一些基础数据和设计成果，设计研究中仍然存在不足之处。面向未来疫情常态化的发展态势，作为设计师，需要重新设计并定义“设计”，从“健康设计”和“可持续发展”的角度，探索设计和设计师全新的角色、职责、使命，进而重筑人类相互关联的未来[18]。以医疗环境为应用场景的产品设计研究的有益探索，是后疫情时代设计师的重要使命。