海上“清道夫”

劉娉婷

藍(lán)天、白云、一望無(wú)垠的碧藍(lán)海面—這本應(yīng)是幅很美的畫(huà)面，但現(xiàn)實(shí)往往是，海面上總會(huì)漂浮著一些海洋垃圾，它們不僅影響美景，實(shí)際上也是殺死眾多海洋生物的元兇之一。比如海龜就常常因?yàn)檎`食塑料袋，導(dǎo)致腸胃堵塞而無(wú)法進(jìn)食，最終只能饑餓地死去。

高達(dá)80%的海洋垃圾來(lái)自于陸地上的廢棄物，其中又以塑料廢棄物居多。根據(jù)美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志統(tǒng)計(jì)，全球每年平均流入海洋的塑料垃圾達(dá)到800萬(wàn)噸，相當(dāng)于每英尺（約合30厘米）海岸線就有5只塞滿廢棄塑料的垃圾袋。

這些塑料垃圾如果得不到及時(shí)處理，就會(huì)沉入海底，如此，再想清理它們就更難了。所以，塑料垃圾還未沉入海底，并在海面上漂浮的時(shí)候，是清理它們的最佳時(shí)機(jī)—不過(guò)即使如此，這項(xiàng)工作也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

在荷蘭的鹿特港，目前就有一位極富耐心的海上“清道夫”，綽號(hào)“垃圾鯊魚(yú)”（Waste Shark）。這其實(shí)是一臺(tái)能夠吞沒(méi)垃圾的機(jī)器，今年剛完成了第一階段測(cè)試。它由南非的企業(yè)家Richard Hardiman帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)耗時(shí)3年研發(fā)。“垃圾鯊魚(yú)的設(shè)計(jì)理念就是讓它能夠持續(xù)清理水面，讓人們不會(huì)看到成堆垃圾出現(xiàn)?！盚ardiman說(shuō)。

所以，垃圾鯊魚(yú)日常的工作就是每天在港口附近的固定區(qū)域巡邏，發(fā)現(xiàn)垃圾，并“吃掉”它們—你可以將其視為一臺(tái)海上掃地機(jī)器人，就像陸地上使用的掃地機(jī)器人一樣。在測(cè)試時(shí)，它一次大約能夠收集180公斤的垃圾。

從外形上看，垃圾鯊魚(yú)像一艘白色的小型電動(dòng)雙體船，其兩側(cè)配備了兩個(gè)浮筒，中間是一個(gè)垃圾儲(chǔ)存箱。底部除了通水口外，還有一只收集垃圾的鏟子，鏟子掠過(guò)水面收集漂浮的垃圾，然后轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存箱內(nèi)。

垃圾鯊魚(yú)由電池驅(qū)動(dòng)。它的身上配置了車載電池和太陽(yáng)能電池板，每次大約能夠行駛3000米。在完成一次巡邏路線后，它就會(huì)自動(dòng)返回到接收站，清空垃圾，并補(bǔ)充電量。人類還能通過(guò)接收站的儀表控制器獲得垃圾鯊魚(yú)的實(shí)時(shí)反饋，隨時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)立即接手控制權(quán)。

如何讓垃圾鯊魚(yú)“識(shí)別”垃圾，是它能勝任這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)。這實(shí)際上就涉及到時(shí)髦的人工智能領(lǐng)域里的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)了。

研發(fā)早期，Hardiman團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)使用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)來(lái)鎖定漂浮物。想要“教會(huì)”機(jī)器識(shí)別物體，先要讓它能夠“看見(jiàn)”物體，即機(jī)器視覺(jué)識(shí)別的第一層：感知層。

Hardiman團(tuán)隊(duì)給無(wú)人機(jī)安上一只三維視覺(jué)傳感器，這個(gè)傳感器由兩只攝像頭組成，就像人類的兩只眼睛。普通的傳感器，比如我們平時(shí)拍照用的攝像頭，只能夠獲得關(guān)于物體長(zhǎng)和寬的二維平面信息，即坐標(biāo)軸里的X軸和Y軸。而三維視覺(jué)傳感器通過(guò)雙目視差原理，能夠測(cè)算出物體上每個(gè)點(diǎn)的距離，即收集Z軸的信息，最后得出物體的形狀、大小和位置。

“三維識(shí)別就是增加了物體深度方面的信息量，可以提高識(shí)別的精確率，進(jìn)一步就能夠做出動(dòng)作識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別。”計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)方案公司圖漾副總經(jīng)理徐韜告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》。

通常我們?cè)谟^察靜物時(shí)，兩只眼同時(shí)睜開(kāi)與單眼分別睜開(kāi)時(shí)看到的靜物位置是不同的，這由兩只眼睛的位置差異造成，這種差別被稱為雙目視差。視差再反饋到我們的大腦中，經(jīng)過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)處理后，讓我們對(duì)觀察到的靜物產(chǎn)生了立體的感覺(jué)。

機(jī)器視覺(jué)識(shí)別原理和人眼類似。兩只攝像機(jī)分別拍照后，通過(guò)后端系統(tǒng)軟件的計(jì)算，獲得所拍圖像中每個(gè)點(diǎn)的三維距離，最后確定物體的準(zhǔn)確位置，達(dá)到和人眼看見(jiàn)的畫(huà)面相同的效果。

但垃圾鯊魚(yú)“看見(jiàn)”的物體并非都是垃圾，所以它還要去識(shí)別哪些物體可能是真正的垃圾，這就是機(jī)器視覺(jué)識(shí)別的第二層：應(yīng)用層，這意味著垃圾鯊魚(yú)要學(xué)會(huì)處理外界信息，就像人能夠判斷出看見(jiàn)的物體是什么。

這部分內(nèi)容主要通過(guò)算法完成。隨著計(jì)算能力提升和數(shù)據(jù)量的擴(kuò)大，人類已經(jīng)能提供給機(jī)器大量的圖片幫助其訓(xùn)練。目前，垃圾鯊魚(yú)后臺(tái)圖片庫(kù)的數(shù)量甚至已經(jīng)達(dá)到幾千萬(wàn)張。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)的物體和訓(xùn)練時(shí)的圖片吻合，它就可以確定該物體是它要收集的垃圾了。

然而，機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在水面上使用時(shí)存在一個(gè)缺陷：容易受到水面光的反射和折射干擾，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確—人眼在看水面反光強(qiáng)烈的地區(qū)，也會(huì)出現(xiàn)畫(huà)面的失真。

經(jīng)過(guò)一番測(cè)試，Hardiman放棄了讓無(wú)人機(jī)使用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)在茫茫大海上尋找垃圾的方式，而改用路徑規(guī)劃的方法。

他給垃圾鯊魚(yú)搭載了一款機(jī)載傳感器，植入一套軟件學(xué)習(xí)系統(tǒng)，這能讓它逐漸了解周圍的環(huán)境。這套系統(tǒng)可以根據(jù)潮汐、風(fēng)向、天氣等數(shù)據(jù)，判斷出在特定的環(huán)境下，垃圾最易集中的海域。在類似的環(huán)境發(fā)生時(shí)，它就會(huì)回到特定的地點(diǎn)，再通過(guò)視覺(jué)識(shí)別，收走垃圾，這大大降低了收集垃圾的難度。而在這個(gè)收集過(guò)程中，垃圾鯊魚(yú)還會(huì)逐漸掌握返回收集點(diǎn)的最高效路徑。

垃圾鯊魚(yú)的垃圾收集口能夠替換，讓它不僅僅能夠收集塑料垃圾，還能收集海面上的化學(xué)物質(zhì)。在海洋上常常會(huì)發(fā)生大片的石油泄漏，垃圾鯊魚(yú)能夠聚集到這片區(qū)域中，及時(shí)處理泄漏出的石油。

除了能夠“吞食”垃圾，你可能已經(jīng)注意到，垃圾鯊魚(yú)還具備收集數(shù)據(jù)的功能，諸如水質(zhì)、海洋深度和天氣情況等。這些數(shù)據(jù)的收集可以反饋給港口，用來(lái)提醒人們注意行船的安全。

如何將垃圾鯊魚(yú)固定安排在一片海域工作，而不會(huì)影響到港口繁忙的“交通”，這也是Hardiman團(tuán)隊(duì)需要解決的問(wèn)題。

團(tuán)隊(duì)的辦法是，利用地理圍柵（Geo-fencing）功能，用虛擬的圍柵制造一個(gè)虛擬的地理邊界，當(dāng)垃圾鯊魚(yú)進(jìn)入或者離開(kāi)某個(gè)特定地理區(qū)域，乃至在這片區(qū)域中活動(dòng)時(shí)，它自身可以接收到通知和警告。

目前Hardiman團(tuán)隊(duì)和鹿特港已簽訂了合約，部署4臺(tái)設(shè)備繼續(xù)測(cè)試，為未來(lái)在全球推廣做準(zhǔn)備。

垃圾鯊魚(yú)現(xiàn)在分為Fatboy和Slim兩個(gè)型號(hào)，從名稱上就能看出它們的區(qū)別在于容量的大小。團(tuán)隊(duì)還正在開(kāi)發(fā)一款“巨大型垃圾鯊魚(yú)”，它將單純依靠太陽(yáng)能提供的能源工作，預(yù)計(jì)一次能夠吞食約500公斤的垃圾。

有人可能會(huì)擔(dān)心，垃圾鯊魚(yú)是否會(huì)取代部分人類的工作，讓他們面臨失業(yè)—這也是凡涉及人工智能技術(shù)的領(lǐng)域都會(huì)面臨的問(wèn)題。Hardiman說(shuō)，這種機(jī)器所做的工作，是人力無(wú)法有效勝任的，他希望通過(guò)機(jī)器來(lái)改善人類的生活，而不是導(dǎo)致他們失業(yè)。