垃圾分類之自動(dòng)識(shí)別技術(shù)探索

張秀芳 ，龔小梅 ，占小洋 ，夏康順 ，梁曉偉 ，賓曉蓓

（1.新安潔環(huán)境衛(wèi)生股份有限公司武漢研發(fā)中心，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 我國(guó)垃圾分類現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，我國(guó)的人均可支配收入持續(xù)增加，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2019年全國(guó)居民人均可支配收入達(dá)到30733 元。這也意味著居民的消費(fèi)能力在持續(xù)提升，人們的消費(fèi)需求日益多元化、消費(fèi)規(guī)模日益增加，隨之而來的一個(gè)負(fù)面結(jié)果就是，我國(guó)每年產(chǎn)生的垃圾數(shù)量持續(xù)增加，給我們的生存環(huán)境帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，推行垃圾分類，提升垃圾處理效率，改善人類居住環(huán)境，已是我們共同的必然選擇。

1.1 垃圾分類的意義

商品從研發(fā)、生產(chǎn)、銷售到最后來到消費(fèi)者手中，在整個(gè)過程中，產(chǎn)生了大量不同種類的垃圾與廢棄物，其大致可以分為四大類：可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾。其中可回收垃圾與廚余垃圾均可用于回收再利用，以可回收垃圾為例：可回收垃圾包括紙類、金屬、塑料、玻璃等，如果能通過有效的方式處理回收利用，可以減少污染，節(jié)省資源。如每回收1 噸廢紙可造好紙850 公斤，節(jié)省木材300公斤，比等量生產(chǎn)減少污染74%；每回收1 噸塑料瓶可獲得0．7 噸二級(jí)原料；每回收 1 噸廢鋼鐵可煉好鋼 0．9 噸，比用礦石冶煉節(jié)約成本47%，減少空氣污染75%，減少97%的水污染和固體廢鐵。而有害垃圾和其他垃圾則需要采用特殊方法處理，否則會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大且難以恢復(fù)的污染，例如“白色污染”。

垃圾分類的意義在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，已經(jīng)凸顯諸多益處。首先，垃圾分類能夠減少土地侵蝕，去掉可回收、不易降解的物質(zhì)，進(jìn)而減少對(duì)土地的危害；其次，垃圾分類有助于變廢為寶，可回收垃圾的循環(huán)使用，既環(huán)保，又能節(jié)省資源；再次，垃圾分類有利于提升垃圾處理效率，加速資源轉(zhuǎn)化，如食品、草木和織物可以堆肥生產(chǎn)有機(jī)肥料。因此垃圾分類可以有效減少垃圾對(duì)環(huán)境的污染，最終能夠改善我們的生活環(huán)境、保障人類的健康。

1.2 垃圾分類現(xiàn)行政策及實(shí)施現(xiàn)狀

1.2.1 我國(guó)垃圾分類政策情況

2017年3月，國(guó)家發(fā)改委、住建部發(fā)布《生活垃圾分類制度實(shí)施方案》，要求在全國(guó)46 個(gè)城市先行實(shí)施生活垃圾強(qiáng)制分類。方案要求，到2020年底，基本建立垃圾分類相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，形成可復(fù)制、可推廣的生活垃圾分類模式，在實(shí)施生活垃圾強(qiáng)制分類的城市，生活垃圾回收利用率達(dá)到35%以上。同時(shí)要求，2020年底前，部分重點(diǎn)城市的城區(qū)范圍內(nèi)先行實(shí)施生活垃圾強(qiáng)制分類。

2019年6月，住建部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部等九部門聯(lián)合印發(fā)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于在全國(guó)地級(jí)及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》。通知要求，到2020年，46 個(gè)重點(diǎn)城市基本建成生活垃圾分類處理系統(tǒng)，其他地級(jí)城市實(shí)現(xiàn)公共機(jī)構(gòu)生活垃圾分類全覆蓋，至少有1個(gè)街道基本建成生活垃圾分類示范片區(qū)。到2022年，各地級(jí)城市至少有1 個(gè)區(qū)實(shí)現(xiàn)生活垃圾分類全覆蓋，其他各區(qū)至少有1 個(gè)街道基本建成生活垃圾分類示范片區(qū)。到2025年，全國(guó)地級(jí)及以上城市基本建成生活垃圾分類處理系統(tǒng)。

1.2.2 我國(guó)垃圾分類實(shí)施現(xiàn)狀

2019年7月1 日，上海率先實(shí)施垃圾分類，出臺(tái)《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》，上海開始普遍推行強(qiáng)制垃圾分類，其他地區(qū)的政策正在陸續(xù)出臺(tái)。住建部公布，將在全國(guó)46個(gè)重點(diǎn)城市推行垃圾分類。46 個(gè)重點(diǎn)城市中的北京、上海、太原、長(zhǎng)春、杭州、寧波、廣州、宜春、銀川九個(gè)城市已出臺(tái)生活垃圾管理?xiàng)l例，明確將垃圾分類納入法治框架，其中北京是首個(gè)立法城市。

2020年5月1 日，新版《北京市生活垃圾管理?xiàng)l例》開始實(shí)施，北京市垃圾分類正式進(jìn)入法治化、常態(tài)化、系統(tǒng)化軌道。

1.3 目前分類試點(diǎn)存在的問題

1.3.1 積極性不高

在實(shí)踐中，參與生活垃圾分類的主體主要有兩個(gè)，即物業(yè)公司和業(yè)主。站在物業(yè)公司的角度，出于降低運(yùn)營(yíng)成本、擔(dān)心業(yè)主產(chǎn)生抵觸心理等原因，對(duì)垃圾分類的積極性不高，也很少有物業(yè)公司愿意承擔(dān)試點(diǎn)任務(wù)。站在業(yè)主角度，目前普遍存在垃圾分類意識(shí)不高、垃圾分類能力不強(qiáng)等問題，對(duì)業(yè)主而言，垃圾分類直接帶來的是生活麻煩。因此，垃圾分類主要靠行政部門的強(qiáng)制性要求來推進(jìn)，各類參與主體的積極性不高。

1.3.2 分類標(biāo)準(zhǔn)不一

有調(diào)查指出，接近一半的城鎮(zhèn)居民不懂垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)，不管是有垃圾分類意識(shí)的居民，還是沒有分類意識(shí)的居民，都存在不懂怎么分類的情況，經(jīng)常將垃圾的種類錯(cuò)分。

上述問題的出現(xiàn)，與各地垃圾分類“標(biāo)準(zhǔn)”不統(tǒng)一有較大關(guān)系。目前，各個(gè)城市的分類標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，比如，上海市規(guī)定垃圾分為濕垃圾、干垃圾、可回收物、有害垃圾，而北京市則分為廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾及可回收物。

1.3.3 分類成本高

“干垃圾、濕垃圾、有害垃圾、可回收垃圾分不清”“趁著夜色混倒垃圾慘遭罰款”“在垃圾桶邊檢索垃圾分類”，上海人簡(jiǎn)直被“逼瘋”了。但是，作為“世界垃圾回收廠”，我國(guó)并沒有什么高效率的處理方法，幾乎都是靠人工進(jìn)行垃圾分類。

2 垃圾分類自動(dòng)識(shí)別技術(shù)現(xiàn)狀及難點(diǎn)

2.1 現(xiàn)行技術(shù)

2.1.1 基于傳感器的垃圾分類識(shí)別技術(shù)

基于傳感器的垃圾分類識(shí)別模塊，主要是通過單片機(jī)傳感器的智能分類裝置，運(yùn)用傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、電源模塊等垃圾分集收集模塊的合成，將垃圾投放入垃圾桶中，再通過傳送帶，識(shí)別垃圾種類，當(dāng)垃圾通過傳感器時(shí)，傳感器會(huì)根據(jù)垃圾的類別，自動(dòng)識(shí)別種類和數(shù)量，并自動(dòng)分類，將相關(guān)信息傳送給中央處理器，再通過中央處理器發(fā)送指令，控制垃圾箱進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把相應(yīng)的垃圾分入正確的垃圾箱中，完成分類放置的效果[2]。

垃圾分類的早期主要利用單一檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。比如帶有智能監(jiān)控裝置的多功能垃圾箱，采用紅外檢測(cè)器對(duì)垃圾種類進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳遞到控制單元，控制單元再通過分類裝置進(jìn)行分類。

這種利用單一的檢測(cè)器進(jìn)行分類的方法，存在檢測(cè)精度不高和無法細(xì)分等問題。隨著技術(shù)改進(jìn)，出現(xiàn)了一種垃圾分揀識(shí)別裝置，比如獲取超聲波、溫濕度傳感器、接近傳感器、按鈕數(shù)據(jù)等，由五類傳感器的檢測(cè)參數(shù)共同判斷垃圾種類，從而提高了識(shí)別垃圾的精度[3]。

2.1.2 基于電子標(biāo)簽的垃圾分類技術(shù)

該技術(shù)，主要是使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID、傳感技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)等，實(shí)現(xiàn)垃圾分類投放，通過識(shí)別垃圾袋上的電子標(biāo)簽打開對(duì)應(yīng)類別的垃圾桶蓋，垃圾箱中的無線模塊上傳垃圾投放的狀態(tài)信息，為實(shí)時(shí)掌握垃圾動(dòng)態(tài)信息提供有力保障。此類技術(shù)是在不同的垃圾載體上定義可標(biāo)識(shí)的不同的電子標(biāo)簽，利用電子標(biāo)簽本身的唯一性的特點(diǎn)，通過電子編碼識(shí)別垃圾種類[4]。

2.1.3 基于智能學(xué)習(xí)的垃圾分類技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)中基于智能學(xué)習(xí)的垃圾分類技術(shù)主要包括圖像識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別兩種。

（1）非特定物體識(shí)別

該技術(shù)的關(guān)鍵在于，通過建立深度學(xué)習(xí)圖像分類技術(shù)，與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)垃圾分類。

比如通過攝像頭、燈帶等盡可能少的傳感器來提供硬件支持，或者設(shè)計(jì)多功能的軟件系統(tǒng)，如在移動(dòng)端和Web端的后臺(tái)管理系統(tǒng)，也可以通過設(shè)計(jì)高效的識(shí)別算法，如通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、條形碼識(shí)別等，提高分類識(shí)別的效率和準(zhǔn)確率，從而提高識(shí)別模式的多樣性[5]。

（2）語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)音轉(zhuǎn)文本、語(yǔ)音合成

該技術(shù)是通過光敏傳感器監(jiān)測(cè)，當(dāng)有人投放垃圾時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，控制裝置通過接收到的信號(hào)，確定垃圾種類。這是一種基于語(yǔ)音識(shí)別的自動(dòng)開閉垃圾桶的控制方法。

這種方法以單片機(jī)為智能控制中心，結(jié)合垃圾稱重檢測(cè)模塊、垃圾量檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、語(yǔ)音提示模塊、GPS 定位模塊及其他外圍輔助電路，構(gòu)成了一個(gè)多種檢測(cè)功能為一體的垃圾管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)GPS 定位與數(shù)據(jù)上傳、下載功能，并將數(shù)據(jù)按照一定時(shí)間或事件觸發(fā)上傳到服務(wù)器[6]。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

2.2.1 垃圾分類不夠細(xì)分

現(xiàn)有的專利文獻(xiàn)通常僅將垃圾簡(jiǎn)單分為“可回收垃圾”“不可回收垃圾”和“有害垃圾”，而實(shí)際生活中垃圾的細(xì)分程度要求更高，如上海市垃圾分類管理?xiàng)l例還將垃圾細(xì)分為干垃圾和濕垃圾等。

現(xiàn)有垃圾分類技術(shù)太過粗糙，智能化程度不高，還是要靠人工細(xì)分垃圾類別。比如豬骨頭、粽子葉、化妝品該如何分類，各地分類規(guī)則不同，現(xiàn)有技術(shù)也不能區(qū)分這幾類。

2.2.2 人工智能成本高

智能垃圾分類主要依托于人工智能系統(tǒng)，然而人工智能系統(tǒng)設(shè)備成本高，暫時(shí)無法普及市場(chǎng)。

建立云計(jì)算大數(shù)據(jù)中心，以個(gè)體用戶為單位的節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備只需采集垃圾圖像，然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過計(jì)算能力超強(qiáng)的處理，對(duì)垃圾進(jìn)行分類識(shí)別，然后將識(shí)別結(jié)果回傳給節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程對(duì)圖像傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求較高，隨著我國(guó)5G 網(wǎng)絡(luò)的逐步部署，網(wǎng)絡(luò)問題也會(huì)得到解決。最終主要成本集中在數(shù)據(jù)中心，隨著我國(guó)技術(shù)成熟度的提高，國(guó)內(nèi)大部分云計(jì)算廠商（阿里、百度等）相應(yīng)技術(shù)的開發(fā)及快速發(fā)展，節(jié)點(diǎn)只需調(diào)用云計(jì)算中心的相應(yīng)接口，接收處理的結(jié)果就可以完成垃圾的分類識(shí)別。

2.2.3 技術(shù)落地應(yīng)用難

垃圾分類的相關(guān)技術(shù)企業(yè)和研發(fā)主體單位應(yīng)針對(duì)垃圾分類的市場(chǎng)需求和技術(shù)不足等方面加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，并注重研發(fā)技術(shù)的最終落地使用。只有提升垃圾分類技術(shù)的智能化水平，垃圾分類才會(huì)真正做到簡(jiǎn)單、快捷。

3 垃圾分類自動(dòng)識(shí)別技術(shù)智能化提升探索

3.1 大數(shù)據(jù)

垃圾的分類投放、收集和運(yùn)輸以及末端處置組成垃圾分類的大數(shù)據(jù)，是垃圾分類智能化的技術(shù)依托。通過智能系統(tǒng)，構(gòu)建特定算法，最后利用大數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)垃圾的智能化自動(dòng)化投放、垃圾的高效收集、末端智能化處置提供數(shù)據(jù)支撐。

大數(shù)據(jù)可以提高垃圾分類識(shí)別的精準(zhǔn)度。在沒有利用垃圾分類自動(dòng)識(shí)別垃圾技術(shù)時(shí)，垃圾識(shí)別的精準(zhǔn)度主要取決于人為的主觀判斷，通過大量收集各類垃圾的數(shù)據(jù)并從中提煉出各類垃圾的獨(dú)有特點(diǎn)，最后為自動(dòng)識(shí)別垃圾提供判斷標(biāo)準(zhǔn)。在垃圾分類服務(wù)站部署攝像頭，有人投放垃圾時(shí)，攝像頭會(huì)采集人的外貌信息，自動(dòng)識(shí)別人的身份，做到垃圾來源的可追溯化。我們將垃圾放在裝有自動(dòng)識(shí)別傳感器的分類回收箱中，分類回收箱會(huì)依據(jù)垃圾的特征，判斷垃圾類別，最終自動(dòng)將垃圾投放在相應(yīng)的垃圾回收箱中。

大數(shù)據(jù)可以提高末端垃圾分類處置的效率和準(zhǔn)確性。前端垃圾分類實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回收，會(huì)使末端自動(dòng)處置垃圾更輕松，末端分類處置垃圾裝置可以在干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾、有害垃圾中細(xì)分，比如可回收垃圾中有金屬、塑料、紙殼等，通過金屬傳感器可以區(qū)分出金屬并自動(dòng)分類處理，通過自動(dòng)識(shí)別技術(shù)也可以區(qū)分有害垃圾中的化妝品、電池等，從而分類處理有害垃圾。

3.2 云計(jì)算

設(shè)備端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和控制，通過把一些高計(jì)算量的數(shù)據(jù)上傳到云端，再利用云端高性能的服務(wù)器完成最終的計(jì)算功能，這樣可以極大程度地減少設(shè)備的成本，只需要通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，就可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能。

在我們實(shí)際的垃圾分類中，垃圾種類繁多復(fù)雜，因此從如此紛繁雜亂的數(shù)據(jù)種類中檢索出其相應(yīng)的類型，然后放到云端完成計(jì)算，通過設(shè)備將垃圾的特征信息發(fā)到云端，信息通過服務(wù)器完成檢索，得到相應(yīng)的類型名稱，最終再把結(jié)果下發(fā)到設(shè)備中去。

識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)功能需要，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)進(jìn)程，識(shí)別進(jìn)程和阿里云進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程下又會(huì)運(yùn)行多個(gè)線程，用于完成不同的功能。識(shí)別進(jìn)程負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與用戶和終端交互、語(yǔ)音和圖像識(shí)別以及垃圾分類等功能。阿里云進(jìn)程主要負(fù)責(zé)和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)上報(bào)設(shè)備狀態(tài)和未知信息，并接收來自阿里云的命令，可以用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能。

這里涉及到兩大識(shí)別系統(tǒng)：語(yǔ)音識(shí)別和圖像識(shí)別，因?yàn)樵谶x擇處理器時(shí)考慮到成本原因，并沒有選擇高性能帶AI加速的處理器，所以其本身并不適合處理這些數(shù)據(jù)。這里，選擇借助當(dāng)下比較熱門的云計(jì)算技術(shù)，將這些高計(jì)算量的事情放到云端由專門的服務(wù)器去完成，設(shè)備本身只做一些計(jì)算量不大的任務(wù)，如：語(yǔ)音喚醒、采集音視頻、人機(jī)交互等。

用戶通過識(shí)別系統(tǒng)完成識(shí)別之后，開啟對(duì)應(yīng)的分類箱蓋子，也可以直接通過按鈕開啟分類箱蓋子，以便用戶完成垃圾投放，剩下的便是垃圾收運(yùn)管理任務(wù)，控制終端會(huì)實(shí)時(shí)采集分類箱的滿溢情況和周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上發(fā)到云平臺(tái)，云平臺(tái)會(huì)收集這些數(shù)據(jù)，并做處理，例如，當(dāng)某地區(qū)分類箱滿溢值達(dá)到閾值后會(huì)通知當(dāng)?shù)丨h(huán)衛(wèi)部門及時(shí)對(duì)分類箱執(zhí)行收運(yùn)任務(wù)，其他數(shù)據(jù)也可作為當(dāng)?shù)丨h(huán)境衛(wèi)生狀況評(píng)估的參數(shù)。至此，整個(gè)系統(tǒng)完成一次作業(yè)任務(wù)。

3.3 人工智能

利用人工智能技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)垃圾分類語(yǔ)音助手。在用戶投遞垃圾時(shí)，如果無法分辨垃圾的類型，可以通過語(yǔ)音助手，讓用戶提出詢問，語(yǔ)音助手提供垃圾分類小知識(shí)，對(duì)用戶進(jìn)行垃圾分類知識(shí)的普及，同時(shí)幫助用戶進(jìn)行分類，并通過語(yǔ)音告知用戶，最后幫助用戶打開對(duì)應(yīng)的分類箱蓋子，幫助用戶完成垃圾分類投放過程。

用戶可以通過關(guān)鍵字來喚醒語(yǔ)音交互系統(tǒng)或者執(zhí)行一些特殊的功能，例如：通過說出關(guān)鍵字“小白”，隨后只要說出要投放的物品名稱，系統(tǒng)便會(huì)將該段語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為文本信息，隨后將包含物品信息的內(nèi)容交由垃圾分類線程進(jìn)行分類，在完成分類后再通過語(yǔ)音合成提示音，最后告訴用戶垃圾的類型；用戶還可以通過關(guān)鍵字“拍照”來啟動(dòng)圖像識(shí)別，最終效果和語(yǔ)音交互一樣。

這里使用到的開發(fā)框架有：Snowboy、Turing robot、Open CV、PyQt5、RaspAP 等。通過以上介紹，可以看出，識(shí)別系統(tǒng)類似于我們手機(jī)上的語(yǔ)音助手，只不過智能垃圾分類技術(shù)更專注于垃圾分類相關(guān)的內(nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

垃圾自動(dòng)識(shí)別分類技術(shù)，初衷就是為了推廣并實(shí)行垃圾分類制度，幫助人們解決垃圾分類中的一些困難，讓人們建立起對(duì)垃圾進(jìn)行分類的意識(shí)，養(yǎng)成垃圾分類的習(xí)慣，利用我們?nèi)祟愑邢薜馁Y源創(chuàng)造更多的價(jià)值，而垃圾分類識(shí)別技術(shù)的完善和進(jìn)步，便是為了方便垃圾回收利用，使更多的資源可以在經(jīng)過處理后重復(fù)使用，提高資源的利用率。

針對(duì)我國(guó)垃圾分類現(xiàn)狀，依托大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能模式，通過機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類的精準(zhǔn)化、高效化，改變以人工分類為主的垃圾分類模式，可以有效解決垃圾分類難題、降低垃圾分類成本、提升垃圾處理效率，這一方面可以助力環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，更重要的是，可以助力“綠水青山就是金山銀山”的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略貫徹落地，助力我們共建美好的生活家園。