基于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)研究與分析

張紅亮，吳 兢，龔青山，吳 琪，陳如云

（1. 湖北省國(guó)瑞智能裝備股份有限公司，湖北 十堰 442000；2. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北 十堰442000； 3. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 44200）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)在人們的衣食住行中的作用日漸增加，生活中幾乎每個(gè)地方都有大數(shù)據(jù)的使用。大數(shù)據(jù)是在合理時(shí)間內(nèi)，對(duì)信息進(jìn)行拾取、管理、處理，并整理成為決策的依據(jù)?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)源于2008 年《Nature》雜志推出的“大數(shù)據(jù)”專欄；Viktor Mayer-Sch?nberger將大數(shù)據(jù)應(yīng)用商業(yè)中，此舉引發(fā)了商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ髷?shù)據(jù)方法的廣泛思考和探討。

如今大數(shù)據(jù)在很多方面都有研究和應(yīng)用，如交通、醫(yī)療、電子商務(wù)等。在城市環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的應(yīng)用中，田琦等認(rèn)為運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+智慧環(huán)衛(wèi)管控體系可以讓環(huán)衛(wèi)作業(yè)更加符合科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)衛(wèi)管理及監(jiān)管模式也更為科學(xué)；Kang等基于物聯(lián)網(wǎng)建立了垃圾收集過(guò)程的應(yīng)用程序模型；某公司基于超聲波傳感器開(kāi)發(fā)收集垃圾桶狀態(tài)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，可以直接了解垃圾桶的承載狀態(tài)。

文章針對(duì)城市的智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析。在國(guó)外的許多國(guó)家一直在對(duì)智慧城市和智慧環(huán)衛(wèi)進(jìn)行研究。 IBM于2008年在智慧城市建設(shè)方面提出了“智慧地球”的概念，并在2009年參加了首個(gè)智慧城市的建設(shè)；美國(guó)也在2010年開(kāi)始發(fā)展智能智慧基礎(chǔ)設(shè)施和智能應(yīng)用，通過(guò)智慧城市帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

智慧環(huán)衛(wèi)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了社會(huì)化、信息化、智能化、平臺(tái)化、生態(tài)化五個(gè)階段，在目前許多國(guó)家已經(jīng)發(fā)展到了高端生態(tài)化水平，這些國(guó)家不是一步到位的，而是每個(gè)階段都經(jīng)歷過(guò)，他們將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)融入智慧環(huán)衛(wèi)的建設(shè)中，使環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)高效化、生態(tài)化。

國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為，智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)是智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的創(chuàng)建，目前，智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)面臨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用不足、平臺(tái)耦合度低、生命周期管控信息集成度低、環(huán)衛(wèi)信息化管理不到位等問(wèn)題。文章針對(duì)智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)目前面臨的問(wèn)題做了相關(guān)研究，并提出了智慧環(huán)衛(wèi)管控系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)基于云計(jì)算提出了多功能智慧環(huán)衛(wèi)管控系統(tǒng)，其可以根據(jù)需求安排資源調(diào)用量，節(jié)約了資源和經(jīng)濟(jì)成本，且效率較高。

該智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)有三方面優(yōu)點(diǎn)：①采用Faster RCNN目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行垃圾分類處理，分類效率較高；②利用蒲公英算法完成區(qū)域資源分配，通過(guò)GA算法優(yōu)化收運(yùn)路徑，找到最優(yōu)收運(yùn)路線，節(jié)約收運(yùn)成本；③通過(guò)建設(shè)智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)作業(yè)、人事資源管理和資源虛擬化。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 主要內(nèi)容

該系統(tǒng)是基于智慧環(huán)衛(wèi)“1+5”城市環(huán)衛(wèi)模式來(lái)開(kāi)發(fā)環(huán)衛(wèi)智慧管控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括大數(shù)據(jù)決策中心、環(huán)境監(jiān)管可視化、治理流程數(shù)字化、安全管理預(yù)警化、管理決策智慧化和指揮調(diào)度平臺(tái)化。其中大數(shù)據(jù)決策中心在智慧環(huán)衛(wèi)管控中起主要的作用。智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)方案示意圖如圖1所示。

圖1 智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)方案示意圖

環(huán)衛(wèi)智慧管控系統(tǒng)整體包括展示、應(yīng)用、統(tǒng)計(jì)、分析、報(bào)表等，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能一體化，滿足不同功能需求。該系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)交換體系數(shù)據(jù)接口，且預(yù)留了充足的數(shù)據(jù)交互、聯(lián)動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島的互動(dòng)。在安全防護(hù)體系中，采用了多種加密手段，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對(duì)安全。

智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)有著嚴(yán)格的項(xiàng)目管控系統(tǒng)，該管控系統(tǒng)一共分為三層：集團(tuán)管控、多系統(tǒng)交互管控、智能化管控。其中，集團(tuán)管控以集團(tuán)群控為核心，建立群防集團(tuán)管控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)集團(tuán)業(yè)務(wù)縱向和橫向多角度比較，從而指導(dǎo)集團(tuán)發(fā)展方向和優(yōu)化業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)；多系統(tǒng)交互管控系統(tǒng)，建立了集環(huán)衛(wèi)、垃圾分類、收運(yùn)、處置、資源利用于一體的城市生化垃圾管理系統(tǒng)；智能化管控，利用多種傳感器、算法、分析手段，使得監(jiān)管、調(diào)度等工作更加智能化，實(shí)現(xiàn)降低成本、增加效率。項(xiàng)目管控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目管控系統(tǒng)

2.2 垃圾分類系統(tǒng)

目前，許多城市需要運(yùn)用人力資源對(duì)垃圾進(jìn)行分類，這樣的分類方式，效率低且垃圾分類的準(zhǔn)確性較差。該智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)中的垃圾分類系統(tǒng)主要是基于Faster RCNN目標(biāo)檢測(cè)算法，采用視覺(jué)識(shí)別的方法對(duì)垃圾進(jìn)行分類，分類準(zhǔn)確性和效率較高。

首先，當(dāng)垃圾進(jìn)入分類系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)當(dāng)前垃圾生成特征圖片，然后會(huì)將特征圖片與數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的圖片進(jìn)行比對(duì)分析，根據(jù)輪廓識(shí)別、特征識(shí)別、色彩識(shí)別、材質(zhì)識(shí)別等識(shí)別方法來(lái)尋找兩者之間的共同點(diǎn)。 若有共同點(diǎn)的，則系統(tǒng)會(huì)控制舵機(jī)，將該垃圾放入正確的分類區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾的精確分類；若數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)相應(yīng)的圖片與之對(duì)應(yīng)，則系統(tǒng)就會(huì)將拍下來(lái)的圖片上傳與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比分析，以確保垃圾分類的準(zhǔn)確性。視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)流程，如圖3所示。

圖3 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 智慧環(huán)衛(wèi)云平臺(tái)架構(gòu)

基于云服務(wù)和云計(jì)算的智慧環(huán)衛(wèi)管控系統(tǒng)工程，其中云計(jì)算具有高性能、服務(wù)化、彈性伸縮、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為廣泛采用的新型IT基礎(chǔ)設(shè)施。在軟件設(shè)計(jì)中采用B/S架構(gòu)，符合UI設(shè)計(jì)原則。B/S架構(gòu)是瀏覽器和服務(wù)器之間進(jìn)行直接數(shù)據(jù)信息交換的軟件架構(gòu)，隨著Internet網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，B/S架構(gòu)是對(duì)C/S架構(gòu)的發(fā)展和完善。這種新的模式可以使得用戶更加方便地訪問(wèn)到自己所需的信息；同時(shí)，它還具有良好的擴(kuò)展性，能夠根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展。其系統(tǒng)更新的便利性是B/S架構(gòu)成為當(dāng)今最流行的應(yīng)用軟件架構(gòu)的原因之一。

3.2 Faster RCNN目標(biāo)檢測(cè)算法

目標(biāo)檢測(cè)算法有單階段目標(biāo)檢測(cè)算法和雙階段目標(biāo)檢測(cè)算法兩種，雙階段目標(biāo)檢測(cè)算法是先提取候選框區(qū)域，然后根據(jù)建議框?qū)ξ恢眠M(jìn)行分類和回歸，得出最終的檢測(cè)框。雙階段目標(biāo)檢測(cè)算法由R-CNN、Fast R-CNN和Faster-RCNN代表。與單階段目標(biāo)檢測(cè)算法相比較，雙階段目標(biāo)檢測(cè)算法更加復(fù)雜和緩慢，但優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度更高。Faster-RCNN是雙階段目標(biāo)檢測(cè)算法的最佳代表，在檢測(cè)速度和訓(xùn)練速度方面均有提高。

Faster RCNN算法的工作原理是將圖像輸入一個(gè)卷積網(wǎng)絡(luò)，然后提取圖像的相應(yīng)特征圖并將其映射到RPN網(wǎng)絡(luò)，然后由RPN網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)找到目標(biāo)候選區(qū)域。最后，用Softmax分類器區(qū)分目標(biāo)和背景，用回歸框校正目標(biāo)區(qū)域的位置，然后確定目標(biāo)區(qū)域，完成檢測(cè)，并對(duì)垃圾進(jìn)行分類。

3.3 蒲公英算法

蒲公英智能優(yōu)化算法為解決優(yōu)化問(wèn)題提供一種新的基礎(chǔ)算法，模擬蒲公英在繁殖過(guò)程中飄落生長(zhǎng)的植物特性，以彌漫式并行搜索方式對(duì)解空間進(jìn)行搜索，直到找到最優(yōu)解為止。

在智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的垃圾運(yùn)輸方面，對(duì)于固定運(yùn)輸費(fèi)用問(wèn)題，在考慮與運(yùn)輸有關(guān)的成本外，根據(jù)每個(gè)社區(qū)當(dāng)日的垃圾運(yùn)輸量、歷史作業(yè)量、位置數(shù)據(jù)、路況數(shù)據(jù)、時(shí)間因素等各種約束條件，利用蒲公英算法，自動(dòng)求解和搜索多種資源配置方法，找到最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)合理調(diào)配運(yùn)輸資源，以滿足每個(gè)社區(qū)對(duì)于垃圾運(yùn)輸?shù)男枨?，從而找到運(yùn)輸成本最小的運(yùn)輸方案，降低成本。

3.4 GA算法

GA算法是借鑒達(dá)爾文進(jìn)化論和孟德?tīng)栠z傳學(xué)理論，模擬自然界生物進(jìn)化機(jī)制的一種隨機(jī)全局搜索優(yōu)化方法。其本質(zhì)是一種高效、并行、全局搜索的方法，能在搜索過(guò)程中自動(dòng)獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識(shí)，并自適應(yīng)地控制搜索過(guò)程以求得最佳解。

GA算法需要將車輛路徑優(yōu)化問(wèn)題看成目標(biāo)函數(shù)，將路況數(shù)據(jù)、時(shí)間因素等設(shè)置為約束條件，用染色體編碼方式對(duì)目標(biāo)函數(shù)編碼，然后再利用解碼方法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到車輛運(yùn)輸?shù)淖罴崖窂?，提高作業(yè)效率。

4 智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺(tái)

智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺(tái)包括生產(chǎn)管理駕駛艙、數(shù)據(jù)經(jīng)營(yíng)倉(cāng)、作業(yè)實(shí)時(shí)管理、車輛實(shí)時(shí)管理、報(bào)警管理、電子圍欄、作業(yè)考核、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、作業(yè)優(yōu)化等。其中有主要有日常運(yùn)營(yíng)KPI指標(biāo)、環(huán)衛(wèi)作業(yè)GIS圖以及報(bào)告環(huán)衛(wèi)作業(yè)預(yù)警信息。

日常運(yùn)營(yíng)KPI包括作業(yè)量（車輛作業(yè)量、環(huán)衛(wèi)人員作業(yè)量、清掃垃圾量）、近一周的車輛及人員作業(yè)趨勢(shì)圖、總車輛數(shù)及在崗車輛數(shù)、總環(huán)衛(wèi)工人數(shù)及在崗工人數(shù)等。環(huán)衛(wèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息都可以在智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺(tái)中顯示；環(huán)衛(wèi)作業(yè)GIS圖主要是顯示環(huán)衛(wèi)作業(yè)車輛、人員等實(shí)時(shí)位置，其中不同顏色代表不同類型的車輛和人員；環(huán)衛(wèi)作業(yè)預(yù)報(bào)警信息能夠顯示車輛、人員違規(guī)操作滾動(dòng)播報(bào)信息。例如車輛違規(guī)行駛出電子圍欄、區(qū)域未作業(yè)、人員離崗和人員串崗等，同時(shí)提供違規(guī)時(shí)間、編號(hào)等基本信息，便于進(jìn)一步查詢確定，方便系統(tǒng)對(duì)環(huán)衛(wèi)工作的管理。

數(shù)據(jù)管理倉(cāng)包括環(huán)衛(wèi)GIS地圖（車輛、人員）、環(huán)衛(wèi)作業(yè)實(shí)時(shí)預(yù)警信息、環(huán)衛(wèi)實(shí)時(shí)作業(yè)數(shù)量、環(huán)衛(wèi)作業(yè)趨勢(shì)分析。

作業(yè)實(shí)時(shí)管理能夠?qū)崿F(xiàn)：①實(shí)時(shí)了解車輛軌跡、清運(yùn)過(guò)程、清運(yùn)狀態(tài)；②實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)車輛作業(yè)效果；③實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛油耗；④即時(shí)報(bào)警信息；⑤超時(shí)未清掃報(bào)警和作業(yè)管控等。這樣可以有效快速的對(duì)環(huán)衛(wèi)工作進(jìn)行管理，提高了工作效率。

5 總結(jié)

1）基于云計(jì)算和智慧環(huán)衛(wèi)“1+5”城市環(huán)衛(wèi)模式開(kāi)發(fā)一種多種功能一體化的智慧管控系統(tǒng)，滿足了不同功能需求。

2）在垃圾分類方面，使用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，將所拍的垃圾圖片與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖片比對(duì)，進(jìn)行分類。其次，采用了Faster RCNN目標(biāo)檢測(cè)，提高了垃圾分類的效率，降低了檢測(cè)分類出錯(cuò)的概率。

3）在垃圾運(yùn)輸方面，利用蒲公英算法和GA算法進(jìn)行區(qū)域資源的合理配置和車輛路徑的優(yōu)化，可以降低成本，提高運(yùn)輸?shù)男省?/p>

4）在環(huán)衛(wèi)管理方面，建立了智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺(tái)對(duì)環(huán)衛(wèi)作業(yè)、人員和車輛等進(jìn)行管理，提高了環(huán)衛(wèi)工作的效率。