基于人工智能的垃圾分類解決方案的設計

郭佳濤　陳申銳　張佳濤　陳正銘　吳秀

關鍵詞：人工智能；微信小程序；垃圾分類；視覺識別

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0018-03

在我國，隨著城市化進程的腳步不斷加快、人們生活水平的提高、居民城鎮化的逐年增長，垃圾產生和堆積的情況日益嚴重，這嚴重地阻礙了城市化進程。與此同時，垃圾的來源過于分散，成分過于復雜，最終導致垃圾分類收集困難的問題發生。由于城市化的過程中，基礎設施還未完善，很多地方也只能采取填埋、焚燒的方式進行處理，這樣的方式不僅污染環境，也給環衛部門帶來了巨大的清運壓力，同時還浪費了垃圾這種潛在的可利用資源。中國城市環境衛生協會的統計數據顯示：全國城市生活垃圾年產量超過 1.5 億噸，并且以每年 8%～10%的速度遞增，與此同時，每年因垃圾造成的資源損失價值在 250 億～300 億元[1]。因此，生活垃圾被譽為最具開發潛力的、永不枯竭的“城市礦產”。而本次垃圾分類運輸方案貫徹循環經濟理念，使用人工智能視覺識別和物聯網垃圾分類運輸系統，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子問題：上游—公民的垃圾分類問題，中游—垃圾的收集運輸問題，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，相關的知識也比較缺乏，這也導致了即便群眾都非常明確垃圾分類勢在必行，但在實際垃圾分類的場景中，面對每天產出的各色垃圾，公民常常面臨著因為不知道如何正確分類而望而卻步，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—垃圾的收集運輸問題

垃圾分類的問題主要圍繞著垃圾收集運輸[3]。目前，我國大多數城市都是采用四色垃圾桶的方式進行社區垃圾的收集，無法保證垃圾收集的準確性，而運輸則是通過垃圾車定點進行運輸，有些人流比較大的地點垃圾堆積速度迅速，垃圾得不到及時處理，需要耗費大量清潔人員迅速進行清理工作。在垃圾運輸過程中，也很容易導致垃圾的二次污染、異味等。同時因為垃圾車的容量十分有限，很多情況下，即便公民進行了垃圾分類，最后在運輸過程中也不可避免地垃圾被混雜在一起，導致公民垃圾分類失去了意義。所以解決垃圾的收集運輸問題也是重中之重。

1.3 下游—垃圾處理問題

現在科技和材料學技術的發展，對于垃圾這種資源，能對其進行很好的二次回收，甚至都可以作為一種城市資源，給城市提供一定的能源，這項技術在很多年前就已經出現，并且非常成熟。因此如果有一個合理的垃圾回收方案，幫助用戶將垃圾分類環節做好，垃圾運輸系統將垃圾運輸的環節做好，垃圾回收的問題就能迎刃而解。

1.4 系統解決的問題

在垃圾分類的問題上，本方案主要側重公民垃圾分類和垃圾收集運輸兩個環節。

2 技術選型

技術選型分成軟件設施的小程序和后臺系統、硬件設施的人工智能垃圾桶和真空運輸管道。

2.1 軟件選型

在我國，手機上被安裝最多的應用是微信，截至2022年二季度，微信的月活躍用戶已經達到了12.99 億，而后推出的小程序更是涌現出了強大的生命力，用戶基數龐大，社區生態完善，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。同時面對具有橫向擴展需求和對系統的穩定安全具有一定保證下，決定使用大型服務器集群系統的成熟技術棧SSM（Spring、SpringMVC、Mybatis） 、SpringBoot，在緩存層使用Re?dis，以及MySQL數據庫，輔于市面上成熟的各種監控中間件阿里巴巴的Druid數據庫監控工具等。

2.2 硬件設施

面對垃圾收集和垃圾運輸的問題， 對傳統的垃圾桶來說，最好的辦法是優化改造。所以本方案利用硬件之間的協助，對垃圾桶的收集識別、異味散發、安全可控做出了改進，其中使用Android 大屏系統，讓操作更加人性化，同時為了垃圾桶的安全性，內置容器傳感器、稱重傳感器、溫度傳感器、計數傳感器，從而推出了智能垃圾桶。同時為了具備垃圾運輸的功能，在清掃完垃圾后直接前往投放點，然后進行垃圾處理，人們使用真空垃圾傳輸管道進行運輸垃圾。同時也讓后期的運營和管理，變得更加簡單，更加智能化。

3 功能模塊設計

本項目基于軟件設計的思想，對平臺模塊進行了如下的規劃，將整個系統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，其中硬件端的運輸部分采用真空管道運輸的方式。

3.1 微信小程序端

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

本平臺采用微信小程序授權登錄，授權成功將進入首頁。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，閱讀相關板塊，并參與答題考試獲取積分，最后在商城中進行積分兌換。用戶也可以通過在地圖頁面精準定位附近的垃圾桶，進行定向尋桶導航。在個人中心頁面 ，用戶可以設置個人信息，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：管理員進行全局的管控；利用數據采集能對垃圾回收進行預判；和小程序模塊進行協作，提供軟件支持。

后臺管理端針對實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計模塊；而針對通過各個分支所反饋的數據信息，能進行采集分析和加工復用，給管理者對垃圾分類的運營方向等提供真實可靠的數據和現實模型。除此之外，后臺管理還能管理小程序的各個模塊，為小程序保駕護航。

3.3 硬件端

解決的問題：利用硬件之間的協助，將垃圾收集箱的相關信息進行監控，引導用戶正確地使用分類垃圾箱；隔離垃圾的異味擴散；及時將垃圾運輸；和運輸管道協同合作，自動化運輸，也避免垃圾中的利器使環衛人員受傷。

硬件端包含Android大屏系統、控制箱體、承裝箱體以及管道運輸裝置四大主要模塊。當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垃圾箱；在用戶初次使用分類垃圾箱時，Android大屏上的使用事項可以很好地引導用戶正確使用分類垃圾箱；而控制箱體中也是設置了很多傳感器模塊，能夠對重量、溫度、防火預警等起到監測功能。除此之外，管道運輸裝置可以讓用戶投放的垃圾無異味、高效便捷地被運輸回收處理好[4]。

3.3.1 垃圾傳輸管道運輸垃圾的具體實現圖

解決的問題：重新設計垃圾桶的內部結構；統一式地進行垃圾回收設計，利用后期維護；將垃圾異味進行排除凈化。

基于真空管道垃圾收集系統，將傳統的用于收集公共垃圾的垃圾桶進行重新設計，創新設計垃圾桶的內部結構，使其增大暫存垃圾的能力，又便于后期修理與維護，并采用環保實用的材料生產。在集流系統的末端安裝了一個抽風裝置，在該抽風裝置的作用下，在該系統中產生了一個負壓，使得該系統的內外壓力發生了變化，從而將氣體抽入到該管道中；同時，垃圾也通過氣流進入管道，送入分離機，將其與空氣分離；分離出來的廢物通過卸料機排出，然后將氣體送入除塵器進行凈化[5]。

4 系統功能特點

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

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，文字識別的方式進行垃圾識別。而后臺會為用戶計算積分，也可以獲取附近的垃圾桶定位，進行精準定位。操作簡單，使用方便。

3） 安全性高。智能垃圾桶會根據桶內傳感器傳來的信息進行判斷，能避免一些煙頭等引燃物品而導致事故發生。

4） 高度自動化。智能垃圾桶將運行數據都上傳服務器統計、分析。當垃圾桶容量到達閾值，則自動將垃圾運輸走，所有過程都由系統自行運行。

5） 系統運行成本低。對于系統維護者來說，設計階段，就將所有的垃圾收集和垃圾運輸都交給機器來執行，降低了人工運營成本。

6） 監控機制完備。系統維護人員則可以通過系統后臺進行信息反饋，也有后臺對于系統的運行進行監控，保證系統的穩定運行、而管理人員同時可以根據系統的運行狀況作為參考。

7） 可擴展性高。采用天生基因上就具有很強的擴展性的服務器技術選型——Java服務端技術體系，后續擴展輔以Redis等中間件進行性能擴展，輕易將流量均勻打散，負載均衡到各服務器，從而系統的qbs （吞吐量）能隨著系統的橫向擴展提高。

5 結束語

隨著時代的不斷發展，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重視，使用人工智能視覺技術對垃圾分類工作進行輔助，利用互聯網技術進行改造，這項技術仍在慢慢完善，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，而是轉化成能為社會提供持續動力的能源。