基于人工智能的垃圾分類解決方案的設(shè)計(jì)

郭佳濤　陳申銳　張佳濤　陳正銘　吳秀

關(guān)鍵詞：人工智能；微信小程序；垃圾分類；視覺識別

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0018-03

在我國，隨著城市化進(jìn)程的腳步不斷加快、人們生活水平的提高、居民城鎮(zhèn)化的逐年增長，垃圾產(chǎn)生和堆積的情況日益嚴(yán)重，這嚴(yán)重地阻礙了城市化進(jìn)程。與此同時(shí)，垃圾的來源過于分散，成分過于復(fù)雜，最終導(dǎo)致垃圾分類收集困難的問題發(fā)生。由于城市化的過程中，基礎(chǔ)設(shè)施還未完善，很多地方也只能采取填埋、焚燒的方式進(jìn)行處理，這樣的方式不僅污染環(huán)境，也給環(huán)衛(wèi)部門帶來了巨大的清運(yùn)壓力，同時(shí)還浪費(fèi)了垃圾這種潛在的可利用資源。中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：全國城市生活垃圾年產(chǎn)量超過 1.5 億噸，并且以每年 8%～10%的速度遞增，與此同時(shí)，每年因垃圾造成的資源損失價(jià)值在 250 億～300 億元[1]。因此，生活垃圾被譽(yù)為最具開發(fā)潛力的、永不枯竭的“城市礦產(chǎn)”。而本次垃圾分類運(yùn)輸方案貫徹循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，使用人工智能視覺識別和物聯(lián)網(wǎng)垃圾分類運(yùn)輸系統(tǒng)，提供一種從垃圾根源到垃圾分類，再到垃圾處理，最后的垃圾回收的自動化分類運(yùn)輸方案[2]。

1 分析垃圾分類存在的問題

在垃圾分類問題上可以拆分成三個(gè)子問題：上游—公民的垃圾分類問題，中游—垃圾的收集運(yùn)輸問題，下游—垃圾處理問題。

1.1 上游—公民的垃圾分類問題

由于我國對于垃圾分類制度也是近幾年才確定，所以很多公民垃圾分類的意識都比較淡薄，相關(guān)的知識也比較缺乏，這也導(dǎo)致了即便群眾都非常明確垃圾分類勢在必行，但在實(shí)際垃圾分類的場景中，面對每天產(chǎn)出的各色垃圾，公民常常面臨著因?yàn)椴恢廊绾握_分類而望而卻步，無從下手的問題，因而需要在垃圾分類的上游，也就是公民的垃圾分類問題上下功夫。

1.2 中游—垃圾的收集運(yùn)輸問題

垃圾分類的問題主要圍繞著垃圾收集運(yùn)輸[3]。目前，我國大多數(shù)城市都是采用四色垃圾桶的方式進(jìn)行社區(qū)垃圾的收集，無法保證垃圾收集的準(zhǔn)確性，而運(yùn)輸則是通過垃圾車定點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)輸，有些人流比較大的地點(diǎn)垃圾堆積速度迅速，垃圾得不到及時(shí)處理，需要耗費(fèi)大量清潔人員迅速進(jìn)行清理工作。在垃圾運(yùn)輸過程中，也很容易導(dǎo)致垃圾的二次污染、異味等。同時(shí)因?yàn)槔嚨娜萘渴钟邢?，很多情況下，即便公民進(jìn)行了垃圾分類，最后在運(yùn)輸過程中也不可避免地垃圾被混雜在一起，導(dǎo)致公民垃圾分類失去了意義。所以解決垃圾的收集運(yùn)輸問題也是重中之重。

1.3 下游—垃圾處理問題

現(xiàn)在科技和材料學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于垃圾這種資源，能對其進(jìn)行很好的二次回收，甚至都可以作為一種城市資源，給城市提供一定的能源，這項(xiàng)技術(shù)在很多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，并且非常成熟。因此如果有一個(gè)合理的垃圾回收方案，幫助用戶將垃圾分類環(huán)節(jié)做好，垃圾運(yùn)輸系統(tǒng)將垃圾運(yùn)輸?shù)沫h(huán)節(jié)做好，垃圾回收的問題就能迎刃而解。

1.4 系統(tǒng)解決的問題

在垃圾分類的問題上，本方案主要側(cè)重公民垃圾分類和垃圾收集運(yùn)輸兩個(gè)環(huán)節(jié)。

2 技術(shù)選型

技術(shù)選型分成軟件設(shè)施的小程序和后臺系統(tǒng)、硬件設(shè)施的人工智能垃圾桶和真空運(yùn)輸管道。

2.1 軟件選型

在我國，手機(jī)上被安裝最多的應(yīng)用是微信，截至2022年二季度，微信的月活躍用戶已經(jīng)達(dá)到了12.99 億，而后推出的小程序更是涌現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力，用戶基數(shù)龐大，社區(qū)生態(tài)完善，小程序方便快捷特性，無須下載，更是讓小程序成為用戶的首選，因此在面向用戶方面，決定選用小程序。同時(shí)面對具有橫向擴(kuò)展需求和對系統(tǒng)的穩(wěn)定安全具有一定保證下，決定使用大型服務(wù)器集群系統(tǒng)的成熟技術(shù)棧SSM（Spring、SpringMVC、Mybatis） 、SpringBoot，在緩存層使用Re?dis，以及MySQL數(shù)據(jù)庫，輔于市面上成熟的各種監(jiān)控中間件阿里巴巴的Druid數(shù)據(jù)庫監(jiān)控工具等。

2.2 硬件設(shè)施

面對垃圾收集和垃圾運(yùn)輸?shù)膯栴}， 對傳統(tǒng)的垃圾桶來說，最好的辦法是優(yōu)化改造。所以本方案利用硬件之間的協(xié)助，對垃圾桶的收集識別、異味散發(fā)、安全可控做出了改進(jìn)，其中使用Android 大屏系統(tǒng)，讓操作更加人性化，同時(shí)為了垃圾桶的安全性，內(nèi)置容器傳感器、稱重傳感器、溫度傳感器、計(jì)數(shù)傳感器，從而推出了智能垃圾桶。同時(shí)為了具備垃圾運(yùn)輸?shù)墓δ埽谇鍜咄昀笾苯忧巴斗劈c(diǎn)，然后進(jìn)行垃圾處理，人們使用真空垃圾傳輸管道進(jìn)行運(yùn)輸垃圾。同時(shí)也讓后期的運(yùn)營和管理，變得更加簡單，更加智能化。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目基于軟件設(shè)計(jì)的思想，對平臺模塊進(jìn)行了如下的規(guī)劃，將整個(gè)系統(tǒng)分成面向使用用戶的微信小程序端、面向管理人員的后臺管理端和硬件端，其中硬件端的運(yùn)輸部分采用真空管道運(yùn)輸?shù)姆绞健?/p>

3.1 微信小程序端

解決的問題：利用垃圾分類識別，幫助用戶進(jìn)行垃圾分類；同時(shí)也能普及垃圾分類的知識，地圖頁面幫助用戶找到對應(yīng)垃圾桶進(jìn)行定位；獎勵機(jī)制鼓勵用戶進(jìn)行垃圾分類。

本平臺采用微信小程序授權(quán)登錄，授權(quán)成功將進(jìn)入首頁。用戶能在首頁中使用（語音/圖像/文本）識別垃圾分類功能。在資料頁面，用戶可以拓展垃圾分類的知識，閱讀相關(guān)板塊，并參與答題考試獲取積分，最后在商城中進(jìn)行積分兌換。用戶也可以通過在地圖頁面精準(zhǔn)定位附近的垃圾桶，進(jìn)行定向?qū)ね皩?dǎo)航。在個(gè)人中心頁面 ，用戶可以設(shè)置個(gè)人信息，綁定住戶，獲取用戶二維碼等。微信小程序頁面如圖5所示。

3.2 后臺管理端

解決的問題：管理員進(jìn)行全局的管控；利用數(shù)據(jù)采集能對垃圾回收進(jìn)行預(yù)判；和小程序模塊進(jìn)行協(xié)作，提供軟件支持。

后臺管理端針對實(shí)際使用提供各種便利的管理模塊，方便管理員在不同場景下面進(jìn)行一定的適配操作。如提供登錄、日志管理、用戶管理、垃圾識別管理、資料管理、商品管理、用戶反饋等管理和設(shè)計(jì)模塊；而針對通過各個(gè)分支所反饋的數(shù)據(jù)信息，能進(jìn)行采集分析和加工復(fù)用，給管理者對垃圾分類的運(yùn)營方向等提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)模型。除此之外，后臺管理還能管理小程序的各個(gè)模塊，為小程序保駕護(hù)航。

3.3 硬件端

解決的問題：利用硬件之間的協(xié)助，將垃圾收集箱的相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控，引導(dǎo)用戶正確地使用分類垃圾箱；隔離垃圾的異味擴(kuò)散；及時(shí)將垃圾運(yùn)輸；和運(yùn)輸管道協(xié)同合作，自動化運(yùn)輸，也避免垃圾中的利器使環(huán)衛(wèi)人員受傷。

硬件端包含Android大屏系統(tǒng)、控制箱體、承裝箱體以及管道運(yùn)輸裝置四大主要模塊。當(dāng)用戶已在小程序上獲得打開垃圾箱所需的二維碼后，可通過二維碼掃描器掃描二維碼打開對應(yīng)垃圾箱；在用戶初次使用分類垃圾箱時(shí)，Android大屏上的使用事項(xiàng)可以很好地引導(dǎo)用戶正確使用分類垃圾箱；而控制箱體中也是設(shè)置了很多傳感器模塊，能夠?qū)χ亓?、溫度、防火預(yù)警等起到監(jiān)測功能。除此之外，管道運(yùn)輸裝置可以讓用戶投放的垃圾無異味、高效便捷地被運(yùn)輸回收處理好[4]。

3.3.1 垃圾傳輸管道運(yùn)輸垃圾的具體實(shí)現(xiàn)圖

解決的問題：重新設(shè)計(jì)垃圾桶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；統(tǒng)一式地進(jìn)行垃圾回收設(shè)計(jì)，利用后期維護(hù)；將垃圾異味進(jìn)行排除凈化。

基于真空管道垃圾收集系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的用于收集公共垃圾的垃圾桶進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)垃圾桶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其增大暫存垃圾的能力，又便于后期修理與維護(hù)，并采用環(huán)保實(shí)用的材料生產(chǎn)。在集流系統(tǒng)的末端安裝了一個(gè)抽風(fēng)裝置，在該抽風(fēng)裝置的作用下，在該系統(tǒng)中產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)壓，使得該系統(tǒng)的內(nèi)外壓力發(fā)生了變化，從而將氣體抽入到該管道中；同時(shí)，垃圾也通過氣流進(jìn)入管道，送入分離機(jī)，將其與空氣分離；分離出來的廢物通過卸料機(jī)排出，然后將氣體送入除塵器進(jìn)行凈化[5]。

4 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1） 使用成本低。對于用戶來說，打開微信小程序就能進(jìn)行本系統(tǒng)面向用戶的全部操作，不需要采用其他額外的設(shè)備。

2） 適用場景多。針對不同的垃圾識別場景，可以選擇圖像識別，語音識別，文字識別的方式進(jìn)行垃圾識別。而后臺會為用戶計(jì)算積分，也可以獲取附近的垃圾桶定位，進(jìn)行精準(zhǔn)定位。操作簡單，使用方便。

3） 安全性高。智能垃圾桶會根據(jù)桶內(nèi)傳感器傳來的信息進(jìn)行判斷，能避免一些煙頭等引燃物品而導(dǎo)致事故發(fā)生。

4） 高度自動化。智能垃圾桶將運(yùn)行數(shù)據(jù)都上傳服務(wù)器統(tǒng)計(jì)、分析。當(dāng)垃圾桶容量到達(dá)閾值，則自動將垃圾運(yùn)輸走，所有過程都由系統(tǒng)自行運(yùn)行。

5） 系統(tǒng)運(yùn)行成本低。對于系統(tǒng)維護(hù)者來說，設(shè)計(jì)階段，就將所有的垃圾收集和垃圾運(yùn)輸都交給機(jī)器來執(zhí)行，降低了人工運(yùn)營成本。

6） 監(jiān)控機(jī)制完備。系統(tǒng)維護(hù)人員則可以通過系統(tǒng)后臺進(jìn)行信息反饋，也有后臺對于系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、而管理人員同時(shí)可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況作為參考。

7） 可擴(kuò)展性高。采用天生基因上就具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性的服務(wù)器技術(shù)選型——Java服務(wù)端技術(shù)體系，后續(xù)擴(kuò)展輔以Redis等中間件進(jìn)行性能擴(kuò)展，輕易將流量均勻打散，負(fù)載均衡到各服務(wù)器，從而系統(tǒng)的qbs （吞吐量）能隨著系統(tǒng)的橫向擴(kuò)展提高。

5 結(jié)束語

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，在垃圾分類的口號越來越大的場景下，社會對于垃圾的分類收集問題愈發(fā)重視，使用人工智能視覺技術(shù)對垃圾分類工作進(jìn)行輔助，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行改造，這項(xiàng)技術(shù)仍在慢慢完善，不斷嘗試。未來定能將垃圾這種潛在的資源進(jìn)行充分使用，從而讓社會的垃圾收集問題不再是問題，而是轉(zhuǎn)化成能為社會提供持續(xù)動力的能源。