5G 技術在生活垃圾處置全鏈條中的應用探索

任 詠

（中移（上海） 信息通信科技有限公司，上海 200001）

1 引言

隨著城市的擴張和高速化發展，越來越大的城市規模和急劇增長的人口數量都使得城市生活垃圾的數量與日俱增，對環境和人類的健康造成了較大影響，為此采用了詳盡的收集-運輸-處置的全過程處置，從源頭到終點管控，實現了對城市生活垃圾無害化、資源化、減量化的處置目標［1］。在全鏈條的管控處置過程中，如何能夠針對每個環節提升效率、保障綠色安全生產、加強監管、信息公開、產業鏈協同，打造一個全過程可視化、可監控、可預警的智能生活垃圾處理產業鏈是當前面臨的一個問題和挑戰［2］，是在居民體驗、公共安全和生態環境方面的必要要求，也是當前對環境衛生工程行業的一大挑戰。隨著2019 年第五代移動通信（5G） 全面商用啟動，“萬物互聯”成為可能。本研究綜合國內外最新對環境衛生行業全鏈條數字化和智能化的認識實踐，基于5G 技術耦合云計算、大數據、人工智能等新技術，探索其在生活垃圾處置全鏈條中的應用對行業產生的經濟價值和社會價值。

2 生活垃圾各環節問題現狀和智能化應用目標

1） 針對垃圾分類收集，盡管目前有地方法規引導實施，但監管和引導措施依賴于社區工作人員，無法實現長期合理的技術監督，存在分類監管難、環保意識缺乏、管控效率低等問題。

2） 垃圾運輸轉運，目前以定時、定點路線的收集和轉運為主，依賴人工、整體勞動強度大、工作條件惡劣，隨著自動駕駛等技術的演進，在運輸轉運階段推動少人化/無人化，以及基于實時信息的綜合調度逐步成為可能。

3） 在資源化利用過程中，存在復雜的生物、化學、物理變化，涉及到的多種狀態參數需要依賴充分的狀態感知，確保工藝連續穩定及對周圍環境不產生負面影響，目前已有物聯網技術在此領域的應用，但是如何將采集和存儲的數據充分進行挖掘使用，打破各數據源之間的壁壘，從而指導工藝優化，是當前主要的矛盾點。

4） 在垃圾無害化處置方面，我國生活垃圾組分復雜，對以焚燒為代表的無害化處置工藝干擾大，影響環境污染物排放和正常生產的穩定性、連續性，故對于來料的分揀分類、連續穩定給料都提出了新的挑戰。通過對關鍵工藝設備的實時數據監控、重要污染物排放的自動監控預警，可有效降低或消除源頭組分復雜性帶來的負面作用，也是提升無害化處置效率的重要手段和方向。此外，如何對目前快速增長、廣泛分布的無害化處置裝置全面監控，從生產安全、環境安全角度進行統一管理，也需要更多新技術的應用創新。

針對上述問題，依托5G 技術，融合云計算、物聯網、人工智能、邊緣計算、大數據等技術，旨在推動生活垃圾全鏈條處置數字化和智能化，包括在垃圾收集分類、垃圾運輸轉運、資源化利用、垃圾無害化處置鏈條中，實現對人機料環的數字化信息采集、傳輸、存儲、處理和服務，實現對垃圾、設備、人員、車輛、周圍環境的全面感知、智能分析、科學決策、及時響應［3-4］。如可為垃圾收集分類提供實時動態的監控和周期季節性預測；為運輸轉運能力提供實時轉運能力優化建議并根據源頭情況進行智能調度；為資源化利用和無害化處置廠站提供準確計量、智能控制、實時性全面監管，為城市生活垃圾全鏈條協同聯動提供可能。

3 5G 技術在生活垃圾處置全鏈條的應用

3.1 5G+邊緣計算技術應用

5G 技術具有高帶寬、廣連接、低時延3 大技術特點，并在設計之初即考慮邊緣計算和切片計算兩大新能力。邊緣計算作為5G 新功能，是計算、存儲等資源和能力從中心云向現場邊緣側的延伸，在靠近數據源或用戶的地方提供計算、存儲等基礎服務，解決了中心云計算部署帶來的時延高、帶寬占有高的問題［5］。針對生活垃圾收集分類環節，隨著智能垃圾分類設備能夠對投放量、滿桶狀態、清運記錄、故障記錄等數據進行收集，考慮到大量的廣泛分布收集點，產生的海量數據會對中心云計算產生極大壓力。采用5G 邊緣計算的能力，可以在一定區域中，實現對數據的初始過濾、清洗、轉化，并可根據需要進行運算分析，直接給出決策者可使用的結論和結果；在運輸轉運環節，5G+邊緣計算提供的低時延快速決策是支撐未來向無人駕駛演進的重要技術基礎，也是快速區域實時智能調度的實現路徑；在資源化利用和無害化處置環節，給料智能化控制、處置工藝優化、排放數據實時監控也均是邊緣計算的重要應用。其原理如圖1 所示。

圖1 5G+邊緣計算應用原理示意

3.2 基于5G 的物聯網與云計算數據應用

收集分類、資源化利用和無害化處置環節，涉及到的設備較多，數據龐大，單純的人工管理和分析無法滿足生產需要［6-7］，而廣泛龐雜的感知元件接入也對傳統的有線數據采集方式提出了挑戰。5G 無線通信網絡支撐下的每平方公里百萬量級的物聯網接入能力，使得對設備、物料、人員、環境的全面感知成為可能，解決了原有數據接入改造成本高、自組網無法便捷連通共享的不利因素。另外，利用云計算基于與主流工業控制系統（DCS 系統、FCS 系統、SCADA 監控系統） 等過程控制層數據打通對接［8］，實現生產實時數據的歸集，發揮云計算的預算能力，針對數據開展存儲、分析、訓練，得到適用于生產決策優化的模型，實現基于經驗自動判斷的監測和控制新模式。特別是對于生活垃圾無害化處置中的泵和風機等高耗能、易損壞的轉動設備，基于物聯網和云計算的大數據應用，可以為設備的運行狀態評分，并針對性地提供分時分項耗能分析、設備故障預警、故障統計和大修編排等決策信息，提高設備使用率、降低生產成本。基于物聯網和云計算的生產實時狀態監控和數據應用示意如圖2所示。

圖2 基于物聯網和云計算的生產實時狀態監控和數據應用示意

3.3 GIS+5G 高精度定位技術應用

基于地理信息系統與高精度定位的應用示意如圖3 所示。

圖3 基于地理信息系統與高精度定位的應用示意

目前整個生活垃圾處置全鏈條已經上下游衍生多個主體，利用地理信息系統（GIS） 技術，可以將從源頭到終端的各環節，用可視化的方式連接起來。針對各個環節中，各收集站點、轉運站點、資源化利用和無害化處置點的位置坐標、額定能力、當前實時狀態等信息，均在一張圖上展示，實現對各基礎數據資源的集中可視化管理。而5G+高精度定位系統能力，能夠將生活垃圾從源頭實現跟蹤，對運輸過程全程監控追溯、直至資源化利用和無害化處置，并能根據實時反饋的轉運需求，進行動態調節。此追溯過程的詳實展示和關鍵數據保障，可切實解決生活垃圾處置過程中信息透明和信息公開的問題，為民眾理解、接納和支撐環境衛生行業提供必要的基礎。此外，基于高精度定位技術的智能輔助駕駛和無人駕駛也是明確的發展方向和趨勢。

3.4 基于5G 的增強現實AR 技術應用

5G 技術的大帶寬和低時延特點大幅提升了增強現實（AR） 技術的體驗和應用效果，AR 技術可以實現初步的數字孿生概念，重新定義了數據可視化與可交互數據的方式。AR 技術可以通過模型疊加方式為員工開展浸入式場景培訓，實現新員工技術導入、復現檢修場景、安全教育等。其依賴5G 無線網絡的高清視頻和音頻的雙向回傳，可以實現現場人員與集控中心專家遠程實時溝通，并通過AR 眼鏡類終端的便攜顯示方式，實現問題識別、可視化指引檢修，此方式能夠有效地解決專業技術專家數量有限、地域不均的稀缺情況，將遠端的真實現場環境數字化，通過AR 的方式展現到專家眼前，利用信息的高效輸送解決。如圖4所示。

圖4 5G+AR 現場指導示意

此外，物聯網和云計算獲取的工業控制系統實時數據可選擇性地推送給現場人員，將生產各系統、設備的整體數字化狀態參數信息與現實中設備和系統的狀態表征疊加，供操作人員作出準確及時的判斷，這也是提高各環節預測性維護及事故預防能力的有效途徑。

通過5G 技術對垃圾處置各環節狀態分別感知，統一匯聚到云計算，并開展創新數據應用，實現幾個環節數據的孤島打通，可以對不同環節相關數據進行關聯性優化分析。除了能夠實現各環節的局部最優效果外，還依托5G 技術為中心樞紐的數據互聯特性，實現全鏈條各環節的協同優化，通過數據應用和算法開放得到全鏈條最優效果。將真實世界中以垃圾為中心的業務鏈條轉變為以數據為核心的數字化鏈條。

4 生活垃圾處置全鏈條數字化和智能化的價值潛力

生活垃圾處置全鏈條數字化和智能化將幫助行業各環節挖掘更多價值，包括市場價值、社會價值、生態價值，能夠對行業的發展帶來深遠影響，如垃圾無害化處置設施的數字化和智能化方案將有助于提高周圍住戶體驗，基于對多種排放源和危險源的全面感知、環境監控和智能決策系統，能夠盡可能減少污染，以最大的力度保護環境。從整體發展方向上，除了運行成本之外，生態環境成本也將被納入經濟成本整體考量。

4.1 經濟價值

1） 降低運營成本、提升生產效率。在生活垃圾處理的3 個環節中，均面臨較大的人工、車輛、設備調度和運維成本，生產過程中的耗油、耗電、耗材等數據可以通過5G 網絡的廣泛連接特性實現全面的監控，克服原有監控體系固定、集中式和難以橫向擴展的問題。基于對數據的實時監控以及大數據的挖掘和分析，能夠針對生產環節中的運輸資源調度效率和周轉速度、重點耗能設備、重點耗能工藝環節開展數據優化，與其他資源管理系統協同計算得到日級甚至小時級的綜合運營成本數據，并能夠根據歷史趨勢作出趨勢判斷，在保證服務質量的前提下減少資源消耗，降低運營成本。此外，利用5G 低時延的能力，將部分控制運算的能力集中到云平臺數據能力上來，能使專業的運行人員將精力集中到關鍵工藝優化上來，關注重點問題、重點領域，提高整體生產效率。

2） 盤活現有資產。目前我國的環境衛生行業的發展逐步由“增量市場”向“存量市場”轉型，經過多年的快速發展，生活垃圾處置全鏈條行業已經初步具備了很大的資產規模。以生活垃圾無害化處置行業為例，根據國家統計年鑒，截至2018 年，我國城市已建成生活垃圾無害化處置廠1 091 座，其中衛生填埋場為663 座，焚燒處理廠為331 座，近期每年新增逾70 座［9］。但已有的巨大資產存量（2012 年已超700 座） 伴隨著的現有資產老化，關鍵設備維修、關鍵備品備件更換將進一步增加資產管理的壓力，且鏈條上3 個環節優化的不同步性，將可能導致某個環節資產閑置。通過5G 技術將3 個環境的感知和運行數據收集起來，運用大數據和人工智能預測的方式，能夠從全行業鏈條角度協同管理各環節的資產，通過開展預測性維護、上下游預測性協同等方式，提升資產利用率，提高資產可用性。

4.2 社會價值

人類健康及生態安全是公共事業的首要核心，通過5G 技術為中心的數字化手段，可以在3 個環節提高民眾體驗，保證民眾監控，保障生態環境。收集分類環節除了民眾意識提高和行為的配合，可以通過數字化智能化手段，為分類提供智能指引、反饋正向激勵、記錄不恰當檔案，提高分類工作的可持續性，從源頭促進分類工作開展；運輸轉運環節，可以通過各收集點的垃圾余量和庫存數據的實時監控，實現運輸車輛動態調度，資源優化，確保垃圾及時從收納點清走，提升民眾生活環境質量；垃圾無害化處置點的環境排放監控和公示，能夠消除公眾對垃圾無害化項目的不信任，且綜合污染管控、智能決策和智能控制，能有效降低全生命周期的排放水平。

5 結束語

在生活垃圾收集分類、運輸轉運和無害化處置3 個環節中，5G+邊緣計算能力提供了廣泛的信息獲取和接入；物聯網和云計算數據應用能夠將收集的數據充分發揮功效，挖掘并創新更多的經濟價值和社會價值；GIS+5G 高精度定位技術，實現了對生活垃圾的源頭跟蹤，全程監控追溯；基于5G 的AR 技術的應用，實現了遠程實時溝通，問題識別、可視化指引檢修等。最終可以支撐城市管理者，打造一個各環節協同高效、對各要素實時感知、對最佳運營成效智能化優化決策的系統，助力形成靈活、高效、綠色、安全的環境衛生體系。