基于AIoT技術(shù)對垃圾處理系統(tǒng)的智能化改造

陳申銳　陳正銘　陳垠吉

關(guān)鍵詞：人工智能；物聯(lián)網(wǎng)；垃圾分類；垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0088-03

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，生活垃圾對于城市環(huán)境造成了越來越大的危害。城市環(huán)境的問題正面臨著群眾垃圾分類意識薄弱、垃圾處理不及時(shí)、環(huán)保工作上的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、異味和細(xì)菌四處彌漫等諸多問題。面對這些不容忽視的問題，仍然采用的是普通的集中投遞和人工清運(yùn)的方式來處理垃圾。故在垃圾處理的整個(gè)流程系統(tǒng)中，亟須對其進(jìn)行優(yōu)化改造。本研究基于以上問題，通過調(diào)查問卷數(shù)據(jù)分析得出AIoT技術(shù)運(yùn)用于垃圾處理系統(tǒng)的可行性，探討運(yùn)用AIoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾處理系統(tǒng)智能化改造。

1 AloT概述

AIoT（Artificial Intelligence&Internet of Things），即“智能互聯(lián)網(wǎng)”，是以人工智能（Artificial Intelligence，AI） 和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT） 技術(shù)為核心，兩者協(xié)同應(yīng)用、彼此關(guān)聯(lián)的“共同體”。在AI迅猛發(fā)展與IoT持續(xù)積累的情況下，AIoT技術(shù)不斷創(chuàng)新，新的服務(wù)概念層出不窮、核心內(nèi)涵也愈加豐富，并在近年成為新時(shí)代的技術(shù)浪潮，備受資本關(guān)注[1]，智慧城市的美好藍(lán)圖已可預(yù)見。

1.1 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI） 技術(shù)，即通過對計(jì)算機(jī)進(jìn)行“人性化”賦能，使其模擬、延伸和擴(kuò)展人的合理思考與行動能力，達(dá)到智能的效果。國務(wù)院對人工智能的重大決策部署與《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出發(fā)布后，各省積極建設(shè)發(fā)展人工智能技術(shù)的相關(guān)平臺，企業(yè)爭相組織開展人工智能技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。由此，人工智能技術(shù)的理論和應(yīng)用發(fā)展突飛猛進(jìn)、日新月異，并逐漸被稱為科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)變革的攻堅(jiān)力量、核心主力。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT） 技術(shù)，即將各類傳感器和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相互連接的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)自很早被提出以來就不斷發(fā)展，并被大量應(yīng)用，如：智能家居、共享單車、ETC收費(fèi)等，為大眾生活帶來了巨大便利和深遠(yuǎn)影響。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至今已具備相當(dāng)成熟的技術(shù)和完善的理念，并且隨著時(shí)代發(fā)展還在不斷進(jìn)步。

2 傳統(tǒng)垃圾處理系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)困境與破解之道

2.1 源頭——市民垃圾分類意識不強(qiáng)，垃圾分類知識欠缺

“投放”是垃圾分類第一步，源頭沒做好會極大增加后期處理困難。而當(dāng)前市民存在“支持垃圾分類概念者多，而真正做到垃圾分類工作者少”“缺乏垃圾分類知識，因而無法正確分類并養(yǎng)成習(xí)慣”的問題。垃圾分類知識欠缺與習(xí)慣意識無法養(yǎng)成形成惡性循環(huán)，其中，缺乏一個(gè)幫助鼓勵公民進(jìn)行垃圾分類的統(tǒng)一公共平臺是重要原因，國家垃圾分類制度[2]推行多年但效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的部分也在于此。通過完善系統(tǒng)化平臺，從日常中滲透普及垃圾分類知識，幫助公民簡單高效垃圾分類，才能有效降低公民在自己查詢學(xué)習(xí)垃圾分類相關(guān)知識的復(fù)雜工作中產(chǎn)生的倦怠與消極心理，進(jìn)而有效幫助提高公民參與的積極性、垃圾分類源頭的準(zhǔn)確性。

2.2 途徑——垃圾分類運(yùn)輸過程不完善，垃圾分類設(shè)施不夠先進(jìn)

“運(yùn)輸”是垃圾分類到垃圾處理的重要中間步驟，其途徑?jīng)]做好則會導(dǎo)致前功盡棄甚至二次污染。而目前國內(nèi)智能化垃圾分類裝置設(shè)施還不夠完善[3]，垃圾分類運(yùn)輸仍以定點(diǎn)定時(shí)、人工處理為主，存在“日常垃圾收集的運(yùn)輸與人工成本積羽沉舟，且工作繁復(fù)落后”“普通垃圾桶、垃圾車處理不及時(shí)，導(dǎo)致垃圾堆積散發(fā)異味影響居民環(huán)境”的問題。要從根源處解決垃圾分類收集轉(zhuǎn)運(yùn)的問題，升級垃圾分類收集設(shè)施、完善垃圾分類運(yùn)輸方式是有效方式。完善收集設(shè)備消滅異味細(xì)菌、機(jī)器規(guī)范過程杜絕“先分后混”、賦予智能化降低全程人工成本，從而做到高效收集、有效運(yùn)輸。

3 AIoT 對垃圾處理系統(tǒng)智能化改造的意義

3.1 垃圾分類常態(tài)化，打造垃圾分類新風(fēng)尚

結(jié)合AIoT技術(shù)，打造垃圾分類系統(tǒng)化平臺與流程，能夠明確垃圾分類識別算法、抓拍違規(guī)投放、通過個(gè)人身份綁定來落實(shí)獎懲分類制度、配合智能語音或視頻科普垃圾處理知識等相關(guān)功能，切實(shí)指導(dǎo)和監(jiān)督市民養(yǎng)成垃圾分類習(xí)慣、鼓勵和激發(fā)市民參與熱情，有效達(dá)成垃圾減量化和投放精準(zhǔn)化、處置規(guī)范化，促進(jìn)垃圾分類常態(tài)化，積極營造“新風(fēng)尚”。

3.2 探索實(shí)現(xiàn)垃圾分類的區(qū)域協(xié)同協(xié)作與跨區(qū)域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)

利用AIoT技術(shù)，創(chuàng)新垃圾分類轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)施，使智能垃圾箱與地下真空管道結(jié)合，搭建城市地下實(shí)時(shí)垃圾分類運(yùn)輸網(wǎng)，即能夠升級垃圾分類收集設(shè)施、完善垃圾分類運(yùn)輸方式，高效銜接分類投放端和分類處理端，提高處理效果、降低處理成本。此外通過地下垃圾管道運(yùn)輸系統(tǒng)，不僅能探索建立區(qū)域協(xié)同協(xié)作機(jī)制，合理地規(guī)劃好垃圾處理設(shè)施區(qū)域化的管理，還有望解決生活垃圾跨區(qū)域化轉(zhuǎn)移處置的制度難題。

3.3 響應(yīng)國家健全高水平智能可回收物資源化利用設(shè)施號召

2021 年 5 月 6 日，中國國家發(fā)展改革委、住建部共同頒布了關(guān)于印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》[4]，其規(guī)劃內(nèi)容中就有通過推廣開發(fā)高水平、強(qiáng)代表的可回收物資源化利用項(xiàng)目，落實(shí)提供成本資源的轉(zhuǎn)化利用率。結(jié)合AIoT技術(shù)服務(wù)的智能垃圾分類設(shè)備與系統(tǒng)，可以進(jìn)一步規(guī)范可回收物利用產(chǎn)業(yè)鏈，推廣智能識別垃圾，自動計(jì)算重量，程序自主兌付的智能回收設(shè)施，智能分類回收可回收垃圾。在具備條件的區(qū)域，可以采取技術(shù)或者經(jīng)濟(jì)合作的形式，對分散式的小集項(xiàng)目進(jìn)行整合統(tǒng)一起來，做到集體加工，批量處置，統(tǒng)一流向的體系。同時(shí)能夠完善垃圾處理的全過程監(jiān)測監(jiān)管，加快建設(shè)全過程管理信息共享平臺。

3.4 為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的智慧城市、打造綠色發(fā)展地區(qū)提供助力

各大城市正積極順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”“5G”時(shí)代大融合大變革趨勢，推進(jìn)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化，提升社會治理信息化、專業(yè)化水平，力爭滿足智慧城市的城市數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、智能化[5]。垃圾處理是每個(gè)城市運(yùn)轉(zhuǎn)不可忽視的重要環(huán)節(jié)，而有效運(yùn)用AIoT技術(shù)，高水平打造智慧系統(tǒng)，幫助城市垃圾處理，則成為實(shí)現(xiàn)城市自動化運(yùn)轉(zhuǎn)的強(qiáng)勁推動力，也是向集成化、自動化、低運(yùn)行成本方向的發(fā)展進(jìn)步，加快智慧城市的建設(shè)；此外，也為綠色發(fā)展地區(qū)提供創(chuàng)新可行的參考方案與有力助力。

4 AIoT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾處理系統(tǒng)智能化改造

針對現(xiàn)有垃圾處理系統(tǒng)的智能化改造問題，開展了整個(gè)體系的重構(gòu)與優(yōu)化。主要分為軟件技術(shù)選型和硬件設(shè)施升級，以及各端形成的AIoT式一體化，打造出智能互聯(lián)的生態(tài)體系。從而發(fā)揮出AIoT的技術(shù)特色，讓垃圾處理系統(tǒng)的智能化改造問題得以有效解決。

4.1 軟件技術(shù)選型

軟件部分整體分為兩個(gè)模塊：微信小程序端，后臺管理服務(wù)端。

微信小程序端：采用的技術(shù)選配是基于前端框架Bootstrap+Jquery、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MangoDB、集成開發(fā)者環(huán)境HBuilderX+微信開發(fā)者工具，并且使用了Loading、Search、導(dǎo)航、圖片button等組件。其中充分調(diào)用組件庫發(fā)揮出“一切皆組件”的高級特性，讓開發(fā)高效便捷。且前端微信小程序采用MVVM模式設(shè)計(jì)，使得小程序目錄與層次結(jié)構(gòu)不再成為糾結(jié)對象。小程序還可通過對接阿里云接口，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識別垃圾圖像的AI功能。阿里云的視覺識別API接口具有錯(cuò)誤率小、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，并且處理訓(xùn)練模型的速度優(yōu)化策略相對高效與完善。

后臺管理服務(wù)端：采用的技術(shù)選配是基于Java語言的核心框架Spring Framework。為了預(yù)防系統(tǒng)的交互使用過于頻繁，需要采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL和中間件緩存技術(shù)Redis。這樣可以顯著提高系統(tǒng)響應(yīng)性能和數(shù)據(jù)吞吐量，避免數(shù)據(jù)的重復(fù)查詢影響系統(tǒng)性能。此外，結(jié)合項(xiàng)目管理Maven、數(shù)據(jù)監(jiān)控Druid可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。其中Spring Framework可以充分實(shí)現(xiàn)MVC模式，對不同的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)提供了統(tǒng)一的接口。并且后端服務(wù)是基于RESTFul API風(fēng)格的，整體結(jié)構(gòu)層次清晰、復(fù)用性好、拓展性強(qiáng)，可以達(dá)到各端分離開發(fā)互不影響的效果。

4.2 硬件設(shè)施升級

對于當(dāng)下的垃圾處理模式，硬件設(shè)施垃圾箱需要采取迭代式升級，不斷進(jìn)行優(yōu)化。從打造新型智能垃圾箱和創(chuàng)新式設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和底部外接運(yùn)輸管道入手。

智能垃圾桶通過采用主控STM32集成電路芯片和傳感器、電機(jī)驅(qū)動、電控鎖。其中傳感器包括稱重傳感器、容量傳感器、溫度傳感器等。研究出提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能識碼開鎖、垃圾重量監(jiān)測、容量監(jiān)測、溫度監(jiān)測、避免起火、警報(bào)提醒、定位等功能的垃圾箱體。此外箱體底部通過風(fēng)機(jī)抽取空氣到除塵除臭器進(jìn)行過濾，并形成壓強(qiáng)差后，再通過負(fù)壓真空運(yùn)輸管道的運(yùn)作將垃圾運(yùn)輸?shù)叫^(qū)垃圾集中站。

該硬件設(shè)施不僅能幫助居民正確分類投放垃圾，從根源處減少垃圾分類工作量，并且通過地下負(fù)壓管道自動運(yùn)輸還可以解決異味問題，降低人工垃圾處理等成本。

4.3 AIoT 式智能互聯(lián)一體化的生態(tài)體系

整個(gè)生態(tài)體系系統(tǒng)劃分為表現(xiàn)層和應(yīng)用層、平臺層、傳輸層、感知層、反應(yīng)層。最底層的感知層通過終端裝置感知信號后，將信號接入到傳輸層；同時(shí)傳輸層也可以將指令信息發(fā)送給反應(yīng)層，進(jìn)行對垃圾箱體中電機(jī)驅(qū)動和電控鎖等裝置的控制。其次傳輸層將對信號進(jìn)行封裝、傳輸至平臺層的各個(gè)服務(wù)，并且與應(yīng)用層的各個(gè)功能模塊進(jìn)行聯(lián)動。而用戶或管理人員是通過微信小程序和后臺管理服務(wù)端與系統(tǒng)進(jìn)行交互。其次前四層間的交互都是雙向可達(dá)的。

智能化改造后的垃圾處理模式主要流程如圖4。用戶具體操作是用前端微信小程序進(jìn)行垃圾識別（語音/圖片/文字識別），通過AI算法分析，得出分類引導(dǎo)和指定箱門的開門碼。智能垃圾桶通過識碼開門，待用戶投放垃圾后，通過底部的真空負(fù)壓管道運(yùn)輸?shù)嚼姓?。整個(gè)智能化垃圾處理改造，可以簡便環(huán)衛(wèi)工人清理垃圾的工作，解決堆滿垃圾的垃圾桶不美觀和臭氣熏天的垃圾車穿梭，影響小區(qū)、市容環(huán)境的問題。

5 結(jié)束語

AIoT時(shí)代下對垃圾處理模式的智能化改造是信息技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，是未來城市垃圾處理模式發(fā)展的方向，是使人們生活環(huán)境質(zhì)量得到跨越式飛躍的前進(jìn)路線。該篇研究AIoT的技術(shù)發(fā)展階段仍有很大的進(jìn)步空間，同時(shí)這也是人們對未來智能化改造城市的美好憧憬留有余白，讓人們大膽創(chuàng)新、賦予AIoT時(shí)代更多的可能性。讓AIoT技術(shù)成為真正實(shí)現(xiàn)智慧城市轉(zhuǎn)型目標(biāo)的重要技術(shù)。