基于人工智能的垃圾分类解决方案的设计

郭佳涛　陈申锐　张佳涛　陈正铭　吴秀

关键词：人工智能；微信小程序；垃圾分类；视觉识别

中图分类号：TP311 文献标志码：A

文章编号：1009-3044（2023）21-0018-03

在我国，随着城市化进程的脚步不断加快、人们生活水平的提高、居民城镇化的逐年增长，垃圾产生和堆积的情况日益严重，这严重地阻碍了城市化进程。与此同时，垃圾的来源过于分散，成分过于复杂，最终导致垃圾分类收集困难的问题发生。由于城市化的过程中，基础设施还未完善，很多地方也只能采取填埋、焚烧的方式进行处理，这样的方式不仅污染环境，也给环卫部门带来了巨大的清运压力，同时还浪费了垃圾这种潜在的可利用资源。中国城市环境卫生协会的统计数据显示：全国城市生活垃圾年产量超过 1.5 亿吨，并且以每年 8%～10%的速度递增，与此同时，每年因垃圾造成的资源损失价值在 250 亿～300 亿元[1]。因此，生活垃圾被譽为最具开发潜力的、永不枯竭的“城市矿产”。而本次垃圾分类运输方案贯彻循环经济理念，使用人工智能视觉识别和物联网垃圾分类运输系统，提供一种从垃圾根源到垃圾分类，再到垃圾处理，最后的垃圾回收的自动化分类运输方案[2]。

1 分析垃圾分类存在的问题

在垃圾分类问题上可以拆分成三个子问题：上游—公民的垃圾分类问题，中游—垃圾的收集运输问题，下游—垃圾处理问题。

1.1 上游—公民的垃圾分类问题

由于我国对于垃圾分类制度也是近几年才确定，所以很多公民垃圾分类的意识都比较淡薄，相关的知识也比较缺乏，这也导致了即便群众都非常明确垃圾分类势在必行，但在实际垃圾分类的场景中，面对每天产出的各色垃圾，公民常常面临着因为不知道如何正确分类而望而却步，无从下手的问题，因而需要在垃圾分类的上游，也就是公民的垃圾分类问题上下功夫。

1.2 中游—垃圾的收集运输问题

垃圾分类的问题主要围绕着垃圾收集运输[3]。目前，我国大多数城市都是采用四色垃圾桶的方式进行社区垃圾的收集，无法保证垃圾收集的准确性，而运输则是通过垃圾车定点进行运输，有些人流比较大的地点垃圾堆积速度迅速，垃圾得不到及时处理，需要耗费大量清洁人员迅速进行清理工作。在垃圾运输过程中，也很容易导致垃圾的二次污染、异味等。同时因为垃圾车的容量十分有限，很多情况下，即便公民进行了垃圾分类，最后在运输过程中也不可避免地垃圾被混杂在一起，导致公民垃圾分类失去了意义。所以解决垃圾的收集运输问题也是重中之重。

1.3 下游—垃圾处理问题

现在科技和材料学技术的发展，对于垃圾这种资源，能对其进行很好的二次回收，甚至都可以作为一种城市资源，给城市提供一定的能源，这项技术在很多年前就已经出现，并且非常成熟。因此如果有一个合理的垃圾回收方案，帮助用户将垃圾分类环节做好，垃圾运输系统将垃圾运输的环节做好，垃圾回收的问题就能迎刃而解。

1.4 系统解决的问题

在垃圾分类的问题上，本方案主要侧重公民垃圾分类和垃圾收集运输两个环节。

2 技术选型

技术选型分成软件设施的小程序和后台系统、硬件设施的人工智能垃圾桶和真空运输管道。

2.1 软件选型

在我国，手机上被安装最多的应用是微信，截至2022年二季度，微信的月活跃用户已经达到了12.99 亿，而后推出的小程序更是涌现出了强大的生命力，用户基数庞大，社区生态完善，小程序方便快捷特性，无须下载，更是让小程序成为用户的首选，因此在面向用户方面，决定选用小程序。同时面对具有横向扩展需求和对系统的稳定安全具有一定保证下，决定使用大型服务器集群系统的成熟技术栈SSM（Spring、SpringMVC、Mybatis） 、SpringBoot，在缓存层使用Re?dis，以及MySQL数据库，辅于市面上成熟的各种监控中间件阿里巴巴的Druid数据库监控工具等。

2.2 硬件设施

面对垃圾收集和垃圾运输的问题， 对传统的垃圾桶来说，最好的办法是优化改造。所以本方案利用硬件之间的协助，对垃圾桶的收集识别、异味散发、安全可控做出了改进，其中使用Android 大屏系统，让操作更加人性化，同时为了垃圾桶的安全性，内置容器传感器、称重传感器、温度传感器、计数传感器，从而推出了智能垃圾桶。同时为了具备垃圾运输的功能，在清扫完垃圾后直接前往投放点，然后进行垃圾处理，人们使用真空垃圾传输管道进行运输垃圾。同时也让后期的运营和管理，变得更加简单，更加智能化。

3 功能模块设计

本项目基于软件设计的思想，对平台模块进行了如下的规划，将整个系统分成面向使用用户的微信小程序端、面向管理人员的后台管理端和硬件端，其中硬件端的运输部分采用真空管道运输的方式。

3.1 微信小程序端

解决的问题：利用垃圾分类识别，帮助用户进行垃圾分类；同时也能普及垃圾分类的知识，地图页面帮助用户找到对应垃圾桶进行定位；奖励机制鼓励用户进行垃圾分类。

本平台采用微信小程序授权登录，授权成功将进入首页。用户能在首页中使用（语音/图像/文本）识别垃圾分类功能。在资料页面，用户可以拓展垃圾分类的知识，阅读相关板块，并参与答题考试获取积分，最后在商城中进行积分兑换。用户也可以通过在地图页面精准定位附近的垃圾桶，进行定向寻桶导航。在个人中心页面 ，用户可以设置个人信息，绑定住户，获取用户二维码等。微信小程序页面如图5所示。

3.2 后台管理端

解决的问题：管理员进行全局的管控；利用数据采集能对垃圾回收进行预判；和小程序模块进行协作，提供软件支持。

后台管理端针对实际使用提供各种便利的管理模块，方便管理员在不同场景下面进行一定的适配操作。如提供登录、日志管理、用户管理、垃圾识别管理、资料管理、商品管理、用户反馈等管理和设计模块；而针对通过各个分支所反馈的数据信息，能进行采集分析和加工复用，给管理者对垃圾分类的运营方向等提供真实可靠的数据和现实模型。除此之外，后台管理还能管理小程序的各个模块，为小程序保驾护航。

3.3 硬件端

解决的问题：利用硬件之间的协助，将垃圾收集箱的相关信息进行监控，引导用户正确地使用分类垃圾箱；隔离垃圾的异味扩散；及时将垃圾运输；和运输管道协同合作，自动化运输，也避免垃圾中的利器使环卫人员受伤。

硬件端包含Android大屏系统、控制箱体、承装箱体以及管道运输装置四大主要模块。当用户已在小程序上获得打开垃圾箱所需的二维码后，可通过二维码扫描器扫描二维码打开对应垃圾箱；在用户初次使用分类垃圾箱时，Android大屏上的使用事项可以很好地引导用户正确使用分类垃圾箱；而控制箱体中也是设置了很多传感器模块，能够对重量、温度、防火预警等起到监测功能。除此之外，管道运输装置可以让用户投放的垃圾无异味、高效便捷地被运输回收处理好[4]。

3.3.1 垃圾传输管道运输垃圾的具体实现图

解决的问题：重新设计垃圾桶的内部结构；统一式地进行垃圾回收设计，利用后期维护；将垃圾异味进行排除净化。

基于真空管道垃圾收集系统，将传统的用于收集公共垃圾的垃圾桶进行重新设计，创新设计垃圾桶的内部结构，使其增大暂存垃圾的能力，又便于后期修理与维护，并采用环保实用的材料生产。在集流系统的末端安装了一个抽风装置，在该抽风装置的作用下，在该系统中产生了一个负压，使得该系统的内外压力发生了变化，从而将气体抽入到该管道中；同时，垃圾也通过气流进入管道，送入分离机，将其与空气分离；分离出来的废物通过卸料机排出，然后将气体送入除尘器进行净化[5]。

4 系统功能特点

1） 使用成本低。对于用户来说，打开微信小程序就能进行本系统面向用户的全部操作，不需要采用其他額外的设备。

2） 适用场景多。针对不同的垃圾识别场景，可以选择图像识别，语音识别，文字识别的方式进行垃圾识别。而后台会为用户计算积分，也可以获取附近的垃圾桶定位，进行精准定位。操作简单，使用方便。

3） 安全性高。智能垃圾桶会根据桶内传感器传来的信息进行判断，能避免一些烟头等引燃物品而导致事故发生。

4） 高度自动化。智能垃圾桶将运行数据都上传服务器统计、分析。当垃圾桶容量到达阈值，则自动将垃圾运输走，所有过程都由系统自行运行。

5） 系统运行成本低。对于系统维护者来说，设计阶段，就将所有的垃圾收集和垃圾运输都交给机器来执行，降低了人工运营成本。

6） 监控机制完备。系统维护人员则可以通过系统后台进行信息反馈，也有后台对于系统的运行进行监控，保证系统的稳定运行、而管理人员同时可以根据系统的运行状况作为参考。

7） 可扩展性高。采用天生基因上就具有很强的扩展性的服务器技术选型——Java服务端技术体系，后续扩展辅以Redis等中间件进行性能扩展，轻易将流量均匀打散，负载均衡到各服务器，从而系统的qbs （吞吐量）能随着系统的横向扩展提高。

5 结束语

随着时代的不断发展，在垃圾分类的口号越来越大的场景下，社会对于垃圾的分类收集问题愈发重视，使用人工智能视觉技术对垃圾分类工作进行辅助，利用互联网技术进行改造，这项技术仍在慢慢完善，不断尝试。未来定能将垃圾这种潜在的资源进行充分使用，从而让社会的垃圾收集问题不再是问题，而是转化成能为社会提供持续动力的能源。