AR識別智能垃圾分類機器人

王秀麗 劉靜 李恩榮 周培郁 王帥超 張衡

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，國內(nèi)的垃圾也在增加，但是垃圾分類和處理卻不令人滿意。20世紀90年代后，中國一直推行垃圾分類收集制度，但是一直效果甚微。通過與AR識別技術的組合，智能垃圾分類機器人發(fā)揮了垃圾分類的效果，不僅降低了垃圾收集的成本，提高了玻璃收集的效率，更是避免了長期積累造成的環(huán)境污染。

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards， domestic garbage is also increasing， but garbage classification and treatment is not satisfactory. Since the 1990s， China has been implementing the garbage classification and collection system， but the effect has been very little. Through the combination with AR recognition technology， the intelligent garbage classification robot plays a role in garbage classification， which not only reduces the cost of garbage collection， improves the efficiency of glass collection， but also avoids the environmental pollution caused by long-term accumulation.

關鍵詞：智能機器人;AR識別;垃圾分類;分類方式

Key words： intelligent robots;AR identification;garbage sorting;classification way

中圖分類號：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0162-03

0? 引言

隨著生活水平的提高和城市化的加速，我國城市生活垃圾的生產(chǎn)量逐漸增加，許多地區(qū)垃圾處理太慢，環(huán)境問題越來越明顯，一定程度上限制了新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展。因此，垃圾能否減量化、資源化、無害化已經(jīng)成為我們面臨的一大問題。習主席在中央財經(jīng)領導小組第十四次會議上提出了加快配送系統(tǒng)、分類收集、分類運輸、分類處理的確立，構建基于法律制度的垃圾分類制度的提案，由政府推進，加入全國人民、自治城市和農(nóng)村地區(qū)，適應地方情況，努力改善垃圾分類系統(tǒng)。

近年來增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱AR）發(fā)展迅速，作為眾多學科交叉集成的技術手段，AR的關鍵組成部分是依托計算機視覺和機器學習的圖形識別與追蹤技術。在日常生活中，能經(jīng)常接觸到AR的主要用途的是智能手機和平板電腦等終端，他們會根據(jù)AR的特性和需求更新硬件構成，為內(nèi)容開發(fā)構建更好的環(huán)境。

1? 國內(nèi)外對于垃圾分類的情況

1.1 國外對于垃圾分類的成功經(jīng)驗

德國在垃圾分類回收利用方面走在了世界的前列，比如德國有較為完善的法律法規(guī)，如《廢棄物處理法》、《廢物分類包裝條例》、《循環(huán)經(jīng)濟與廢棄物處理法》、《可再生能源法》等，并強化配套相關實施條例。另外，德國從垃圾回收到其循環(huán)利用都是通過私營公司完成的，由于法規(guī)的嚴格限制和適當?shù)膶嵤?，德國通過垃圾分類獲得了垃圾資源的最大回收。此外，在金融政策方面，私營企業(yè)參與了回收再利用，得到極大的利潤，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、資源再利用和德國私營企業(yè)盈利的多次勝利。

在每年的年初，漢堡的地方主管機構將會對新的一年的垃圾清運時間即垃圾分類說明發(fā)放到每家每戶，使得居民可以按照條例嚴格執(zhí)行。每個生活社區(qū)也會有各種專門收集輕型包裝物、廢舊紙殼、各色玻璃瓶的回收箱，居民還可以按照地方所發(fā)布的時間表將舊報紙和一次性紙袋捆綁好放置在街道旁，回收公司將會排除專車及時收取。而對于金屬易拉罐和一次性飲料瓶等回收率低的垃圾，則實行押金制度，居民可以單獨收集這類垃圾，并到指定地點進行垃圾回收。

日本是世界上將垃圾分類工作做得很好的一個國家之一，日本從小對孩子除了進行地震相關的安全知識傳授以外，也很看重對垃圾分類的教育，所以國民的垃圾分類意識已經(jīng)成為了他們生活中的一部分。當然，日本也擁有完善的法律體系，每個個體與企業(yè)都很配合，積極參與到生活垃圾的分類行列當中，之后的大量具體工作則有政府承擔。在日本，垃圾分類最成功的經(jīng)驗是在政府、企業(yè)、市民之間形成協(xié)調(diào)的治理體系，嚴格的刑罰制度和規(guī)章制度，以及有效的支援和獎勵政策。

1.2 我國垃圾分類制度的情況

中國生活垃圾分類的推廣工作已經(jīng)持續(xù)了許多年，在上世紀90年代中期，北京就開始提出了對生活垃圾的分類，鼓勵居民對生活垃圾進行分類。2000年建設部下發(fā)《關于公布生活垃圾分類收集試點城市的通知》（建城環(huán)[2000]12號），將北京、上海、廣州、深圳、杭州、南京、廈門、桂林8個城市確定為生活垃圾分類收集的試點城市。2016年，國家發(fā)改委、住建部發(fā)布《垃圾強制分類制度（征求意見稿）》，提出建立城鎮(zhèn)生活垃圾強制分類制度。到2020年底，那些實施了生活垃圾強制分類的城市，其生活垃圾分類收集覆蓋需率達到90%以上，生活垃圾回收利用率達到35%以上。

2019年7月份，上海開始實行垃圾分類的“四分法”，即被分成可回收、有害、濕垃圾和干垃圾。強制要求上海的居民必須根據(jù)需要嚴格分類垃圾。頒布條例強制實行垃圾分類也許有利有弊，但確實增強了人們對于垃圾分類的意識，也部分做到了對于垃圾的減量化、資源化、無害化。

同年10月10日，上海公布9月份生活垃圾分類情況，“《上海市生活垃圾管理條例》實施至今已超過百日，生活垃圾分類實效提升遠超預期”。據(jù)上海市綠化和市容管理局數(shù)據(jù)，三季度居住區(qū)達標率提升至80%，單位達標率總體為87%。

據(jù)可靠數(shù)據(jù)，《上海市生活垃圾管理條例》實施以來，居住區(qū)與單位達標率明顯提升。三季度，全市共抽查3724個居住區(qū)和443個單位。根據(jù)調(diào)查結果顯示，居住區(qū)垃圾分類達標率得到了顯著提高，其三個季度的垃圾分類達標率已從去年年底的15%提升至80%，大部分居民們都參與其中，進行垃圾分類，其中還有部分居住區(qū)的居民已經(jīng)完全習慣了對生活垃圾的分類，無需志愿者去值守。

2? AR識別智能垃圾分類機器人的理念

文中所提到的智能垃分類機器人是對我們在公共場所常見的垃圾桶進行改造，運用AR圖形識別技術進行分類存放。傳統(tǒng)的垃圾分類方式是以人工分類為主，人工垃圾分類需要大量的人力資源，費用高，其中還存在一定對人體有危害的物質(zhì)。而AR識別智能垃圾分類機器人（如圖1）旨在對垃圾進行隨扔隨分類，省去傳統(tǒng)的人工篩分方式，取而代之的是采用智能化篩選方式，使各類垃圾得到快速分流，大大降低了垃圾分類回收的運營成本，最大限度地實現(xiàn)了對生活垃圾中可循環(huán)利用物質(zhì)的回收利用。

在傳統(tǒng)垃圾桶的基礎上對其進行改造，往地下放置垃圾分類系統(tǒng)，最大化節(jié)省空間。當對智能垃圾分類機器人供電后，垃圾桶將處于啟動休眠狀態(tài)，每當行人向垃圾箱的投入口投入一件垃圾后，垃圾將首先通過投入口進入垃圾暫存區(qū)，隨后AR識別系統(tǒng)對其進行識別并與云端數(shù)據(jù)進行對比得出結果。于此同時，處于垃圾暫存區(qū)的垃圾將被逐個放到傳送帶之上，進行垃圾的運輸。通過AR圖形識別的輸出信號會實時發(fā)送至垃圾存放桶，使存放桶產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，將與所掃描垃圾所對應的垃圾種類存放桶轉(zhuǎn)至傳送帶末端。這樣，垃圾智能分類運算就完成了，每次垃圾分類分類處理結束，系統(tǒng)內(nèi)的所有工作區(qū)間都會會回到原來的位置，便于接受下一個垃圾智能分類操作。

智能垃圾分類操作完成后，系統(tǒng)對距離傳感器進行檢測，檢測出紙箱中的垃圾內(nèi)容，通過互聯(lián)網(wǎng)向云服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，將其整合、計算、分析分數(shù)，并收集處理后的數(shù)據(jù)集中通知。垃圾車根據(jù)大數(shù)據(jù)和服務器計算出的最有效的途徑，去各個垃圾箱的位置收集垃圾。工作人員還可以通過對垃圾箱內(nèi)安置的上位機對藍牙范圍內(nèi)的所有垃圾桶進行實時監(jiān)測，進一步提高對已分類垃圾的有效回收。（圖2）

3? 垃圾分類機器人的結構組成

3.1 AR識別

AR（Augmented Reality）技術的全稱是增強現(xiàn)實技術，是將虛擬和現(xiàn)實結合起來的新技術。文章提及的垃圾分類機器人進行垃圾分類的基礎便是AR圖像識別技術。

AR識別技術的兩個重要因素是圖像指紋和漢明距離。首先，系統(tǒng)提取目標特征，然后通過感知散列算法對顏色、亮度、像素灰度等提取的細節(jié)進行合計，以確定表示為64位數(shù)字的圖像指紋。需要使用目標編碼值來計算相似性。根據(jù)漢明距離區(qū)域，可以確定不同對象的哈希值差。一般來說，如果不同比特的數(shù)量小于5，我們可以認為他們更類似。當然，也可以根據(jù)需要設定不同的閾值，保持具有高相似性的圖像。

由于位置、角度的變化引起的變形、遠近、光變化影響靜態(tài)圖形檢測的應用范圍，所以當相同目標在上面變化時，可以有效地識別或掌握相同特征值的物理形態(tài)跟蹤技術的重要性，想要追蹤移動物體的話，需要目標檢測，所有跟蹤都取決于提取和功能值的匹配。SLAM是指在追蹤的基礎上對于三位環(huán)境的實時追蹤，在未來和AR幾乎成了綁定存在的關系，AR的深度應用離不開時間空間對應關系的建立。

3.2 傳送裝置

即傳送帶，一個根據(jù)垃圾桶大小、容量、位置而不同，且具有合適長度與速度，使垃圾由足夠的時間去識別并輸出信號使終端的垃圾桶旋轉(zhuǎn)至相應種類垃圾的存放桶處。除此之外，也保證垃圾不會因為過分堆積在始端，使整個系統(tǒng)無法工作。輸電裝置的能源供給主要由太陽能完成，為了太陽能發(fā)電，使用半導體和太陽能電池（也稱為光伏電池）的太陽能發(fā)電效果，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。由于太陽能是零排放的清潔能源，可以進一步解決環(huán)境污染問題。

3.3 垃圾存放桶

將傳統(tǒng)垃圾桶的裝填功能放置整個系統(tǒng)的末端，根據(jù)需要可分為2分式、3分式、4分式，每個分區(qū)存放的垃圾種類各不相同。在AR識別之后，經(jīng)過與云端數(shù)據(jù)對比生成所識別垃圾的種類，并給出信號，使垃圾存放桶的中間軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，將垃圾存放桶轉(zhuǎn)至掃描垃圾所對應的分區(qū)，讓傳送帶上的垃圾最后可以準確投放至正確的分類桶中。存放桶也可以通過藍牙范圍內(nèi)的上級計算機實時監(jiān)控，工作人員可以通過藍牙檢測周圍瓶子的剩余容量，以及溫度、濕度和瓶子的其他信息，并根據(jù)情況對垃圾箱進行收集處理。這樣，通過統(tǒng)一管理一定區(qū)域內(nèi)的垃圾桶，可大幅降低垃圾回收的操作成本，大幅提高垃圾回收的效率，也可避免因垃圾長期累積而引起的各種環(huán)境污染問題。

4? 垃圾分類機器人的未來市場

眾所周知，垃圾分類是一項骯臟、枯燥且一定危險的工作。再工作中，垃圾回收工人的受傷人數(shù)是其他工作工人的兩倍，此外，居高不下的死亡率也使垃圾處理成為危險職業(yè)之一。隨著各國環(huán)保政策和理念的推行，全球?qū)Νh(huán)保投入力度不斷增強，加之科學技術不斷向前邁進，將人工智能運用與垃圾分類不僅可以減少如此事件的發(fā)生，同時也提高垃圾有效分類的效率。隨著人臉識別技術的越來越高超，我們隨后可見的智能機都已實現(xiàn)了人臉解鎖，甚至瞳孔解鎖，這便為人工智能應用在垃圾分類工作的發(fā)力點。在不久的將來，人工智能化的垃圾分類必將是垃圾管理的發(fā)展趨勢之一。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2019-2023年中國智能垃圾分類市場可行性研究報告》顯示，人類在過去已經(jīng)生產(chǎn)了超過80億噸的塑料，而其中卻僅有9%被回收利用，剩余12%被焚燒，79%則進了垃圾填埋場;預計到2050年人類將會產(chǎn)生超過120億噸塑料垃圾，智能垃圾垃圾分類機器人將會是提高塑料回收效率的主力軍，擁有極大的潛在應用市場。

自2004年起，中國就已經(jīng)成為世界最大的垃圾生產(chǎn)國。近年來，隨著城鎮(zhèn)化速度加快，我國城市生活垃圾產(chǎn)生量逐年增長，據(jù)可靠數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國城市生活垃圾清運總量達到了2.95億噸，同比2017年共增長800萬噸。在如此的背景下，垃圾的分類擁有著巨大的開發(fā)空間。在未來，城市生活垃圾的分類和處理將向減量化、資源化、無害化和智能化的方向發(fā)展。本文提出的AR識別智能垃圾分類機器人雖然還存在著一些問題，但同樣的也擁有著無限的發(fā)展空間。如實現(xiàn)一個完整的垃圾分類回收系統(tǒng)，結合現(xiàn)有情況來看，擁有完整的配套設備建設，能使垃圾分類效果得到有效提升，讓我國從過去城市生活垃圾處理方面的被動局面得到了顯著改變，也有助于推動我國城市建設的可持續(xù)發(fā)展。

由于智能垃圾分類機器人研發(fā)技術有限，并且垃圾是商品的變異體，現(xiàn)有的智能分類機器人對垃圾的識別率尚不能達到百分之百。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)有的應用于垃圾分類的人工智能并不是很多，已經(jīng)運用在市場上的智能垃圾分類的機器人有加拿大的“奧斯卡”垃圾桶、上海的GPS垃圾回收機器人和日本FANUC視覺分揀機器人。目前，智能垃圾分類機器人尚處于起步階段，市場上幾乎沒有應用于垃圾分類的人工智能機器人，因此智能垃圾分類機器人的研發(fā)空間相當廣闊。

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作者簡介：王秀麗（1982-），女，河南安陽人，講師，研究方向為模塊化設計;李恩榮（通訊作者）（1999-），男，朝鮮族，黑龍江牡丹江人，安徽建筑大學，本科在讀。