基于AIoT技术对垃圾处理系统的智能化改造

陈申锐　陈正铭　陈垠吉

关键词：人工智能；物联网；垃圾分类；垃圾转运

中图分类号：TP18 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）21-0088-03

随着我国经济不断发展，城市化进程不断加快，生活垃圾对于城市环境造成了越来越大的危害。城市环境的问题正面临着群众垃圾分类意识薄弱、垃圾处理不及时、环保工作上的费时费力、异味和细菌四处弥漫等诸多问题。面对这些不容忽视的问题，仍然采用的是普通的集中投递和人工清运的方式来处理垃圾。故在垃圾处理的整个流程系统中，亟须对其进行优化改造。本研究基于以上问题，通过调查问卷数据分析得出AIoT技术运用于垃圾处理系统的可行性，探讨运用AIoT技术实现垃圾处理系统智能化改造。

1 AloT概述

AIoT（Artificial Intelligence&Internet of Things），即“智能互联网”，是以人工智能（Artificial Intelligence，AI） 和物联网（Internet of Things，IoT） 技术为核心，两者协同应用、彼此关联的“共同体”。在AI迅猛发展与IoT持续积累的情况下，AIoT技术不断创新，新的服务概念层出不穷、核心内涵也愈加丰富，并在近年成为新时代的技术浪潮，备受资本关注[1]，智慧城市的美好蓝图已可预见。

1.1 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI） 技术，即通过对计算机进行“人性化”赋能，使其模拟、延伸和扩展人的合理思考与行动能力，达到智能的效果。国务院对人工智能的重大决策部署与《新一代人工智能发展规划》提出发布后，各省积极建设发展人工智能技术的相关平台，企业争相组织开展人工智能技术相关的产业化项目。由此，人工智能技术的理论和应用发展突飞猛进、日新月异，并逐渐被称为科技进步和产业变革的攻坚力量、核心主力。

1.2 物联网

物联网（Internet of Things，IoT） 技术，即将各类传感器和现有的互联网相互连接的一项技术。该技术自很早被提出以来就不断发展，并被大量应用，如：智能家居、共享单车、ETC收费等，为大众生活带来了巨大便利和深远影响。物联网技术发展至今已具备相当成熟的技术和完善的理念，并且随着时代发展还在不断进步。

2 传统垃圾处理系统的现实困境与破解之道

2.1 源头——市民垃圾分类意识不强，垃圾分类知识欠缺

“投放”是垃圾分类第一步，源头没做好会极大增加后期处理困难。而当前市民存在“支持垃圾分类概念者多，而真正做到垃圾分类工作者少”“缺乏垃圾分类知识，因而无法正确分类并养成习惯”的问题。垃圾分类知识欠缺与习惯意识无法养成形成恶性循环，其中，缺乏一个帮助鼓励公民进行垃圾分类的統一公共平台是重要原因，国家垃圾分类制度[2]推行多年但效果远远不够的部分也在于此。通过完善系统化平台，从日常中渗透普及垃圾分类知识，帮助公民简单高效垃圾分类，才能有效降低公民在自己查询学习垃圾分类相关知识的复杂工作中产生的倦怠与消极心理，进而有效帮助提高公民参与的积极性、垃圾分类源头的准确性。

2.2 途径——垃圾分类运输过程不完善，垃圾分类设施不够先进

“运输”是垃圾分类到垃圾处理的重要中间步骤，其途径没做好则会导致前功尽弃甚至二次污染。而目前国内智能化垃圾分类装置设施还不够完善[3]，垃圾分类运输仍以定点定时、人工处理为主，存在“日常垃圾收集的运输与人工成本积羽沉舟，且工作繁复落后”“普通垃圾桶、垃圾车处理不及时，导致垃圾堆积散发异味影响居民环境”的问题。要从根源处解决垃圾分类收集转运的问题，升级垃圾分类收集设施、完善垃圾分类运输方式是有效方式。完善收集设备消灭异味细菌、机器规范过程杜绝“先分后混”、赋予智能化降低全程人工成本，从而做到高效收集、有效运输。

3 AIoT 对垃圾处理系统智能化改造的意义

3.1 垃圾分类常态化，打造垃圾分类新风尚

结合AIoT技术，打造垃圾分类系统化平台与流程，能够明确垃圾分类识别算法、抓拍违规投放、通过个人身份绑定来落实奖惩分类制度、配合智能语音或视频科普垃圾处理知识等相关功能，切实指导和监督市民养成垃圾分类习惯、鼓励和激发市民参与热情，有效达成垃圾减量化和投放精准化、处置规范化，促进垃圾分类常态化，积极营造“新风尚”。

3.2 探索实现垃圾分类的区域协同协作与跨区域统筹协调

利用AIoT技术，创新垃圾分类转运设施，使智能垃圾箱与地下真空管道结合，搭建城市地下实时垃圾分类运输网，即能够升级垃圾分类收集设施、完善垃圾分类运输方式，高效衔接分类投放端和分类处理端，提高处理效果、降低处理成本。此外通过地下垃圾管道运输系统，不仅能探索建立区域协同协作机制，合理地规划好垃圾处理设施区域化的管理，还有望解决生活垃圾跨区域化转移处置的制度难题。

3.3 响应国家健全高水平智能可回收物资源化利用设施号召

2021 年 5 月 6 日，中国国家发展改革委、住建部共同颁布了关于印发《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》[4]，其规划内容中就有通过推广开发高水平、强代表的可回收物资源化利用项目，落实提供成本资源的转化利用率。结合AIoT技术服务的智能垃圾分类设备与系统，可以进一步规范可回收物利用产业链，推广智能识别垃圾，自动计算重量，程序自主兑付的智能回收设施，智能分类回收可回收垃圾。在具备条件的区域，可以采取技术或者经济合作的形式，对分散式的小集项目进行整合统一起来，做到集体加工，批量处置，统一流向的体系。同时能够完善垃圾处理的全过程监测监管，加快建设全过程管理信息共享平台。

3.4 为建设可持续发展的智慧城市、打造绿色发展地区提供助力

各大城市正积极顺应“互联网+”“5G”时代大融合大变革趋势，推进城市治理体系和治理能力现代化，提升社会治理信息化、专业化水平，力争满足智慧城市的城市数字化、网络化、可视化、智能化[5]。垃圾处理是每个城市运转不可忽视的重要环节，而有效运用AIoT技术，高水平打造智慧系统，帮助城市垃圾处理，则成为实现城市自动化运转的强劲推动力，也是向集成化、自动化、低运行成本方向的发展进步，加快智慧城市的建设；此外，也为绿色发展地区提供创新可行的参考方案与有力助力。

4 AIoT 技术实现垃圾处理系统智能化改造

针对现有垃圾处理系统的智能化改造问题，开展了整个体系的重构与优化。主要分为软件技术选型和硬件设施升级，以及各端形成的AIoT式一体化，打造出智能互联的生态体系。从而发挥出AIoT的技术特色，让垃圾处理系统的智能化改造问题得以有效解决。

4.1 软件技术选型

软件部分整体分为两个模块：微信小程序端，后台管理服务端。

微信小程序端：采用的技术选配是基于前端框架Bootstrap+Jquery、非关系型数据库MangoDB、集成开发者环境HBuilderX+微信开发者工具，并且使用了Loading、Search、导航、图片button等组件。其中充分调用组件库发挥出“一切皆组件”的高级特性，让开发高效便捷。且前端微信小程序采用MVVM模式设计，使得小程序目录与层次结构不再成为纠结对象。小程序还可通过对接阿里云接口，實现精准识别垃圾图像的AI功能。阿里云的视觉识别API接口具有错误率小、稳定性高的特点，并且处理训练模型的速度优化策略相对高效与完善。

后台管理服务端：采用的技术选配是基于Java语言的核心框架Spring Framework。为了预防系统的交互使用过于频繁，需要采用关系型数据库MySQL和中间件缓存技术Redis。这样可以显著提高系统响应性能和数据吞吐量，避免数据的重复查询影响系统性能。此外，结合项目管理Maven、数据监控Druid可以保证系统稳定、安全。其中Spring Framework可以充分实现MVC模式，对不同的数据访问技术提供了统一的接口。并且后端服务是基于RESTFul API风格的，整体结构层次清晰、复用性好、拓展性强，可以达到各端分离开发互不影响的效果。

4.2 硬件设施升级

对于当下的垃圾处理模式，硬件设施垃圾箱需要采取迭代式升级，不断进行优化。从打造新型智能垃圾箱和创新式设计内部结构和底部外接运输管道入手。

智能垃圾桶通过采用主控STM32集成电路芯片和传感器、电机驱动、电控锁。其中传感器包括称重传感器、容量传感器、温度传感器等。研究出提供实时监控、智能识码开锁、垃圾重量监测、容量监测、温度监测、避免起火、警报提醒、定位等功能的垃圾箱体。此外箱体底部通过风机抽取空气到除尘除臭器进行过滤，并形成压强差后，再通过负压真空运输管道的运作将垃圾运输到小区垃圾集中站。

该硬件设施不仅能帮助居民正确分类投放垃圾，从根源处减少垃圾分类工作量，并且通过地下负压管道自动运输还可以解决异味问题，降低人工垃圾处理等成本。

4.3 AIoT 式智能互联一体化的生态体系

整个生态体系系统划分为表现层和应用层、平台层、传输层、感知层、反应层。最底层的感知层通过终端装置感知信号后，将信号接入到传输层；同时传输层也可以将指令信息发送给反应层，进行对垃圾箱体中电机驱动和电控锁等装置的控制。其次传输层将对信号进行封装、传输至平台层的各个服务，并且与应用层的各个功能模块进行联动。而用户或管理人员是通过微信小程序和后台管理服务端与系统进行交互。其次前四层间的交互都是双向可达的。

智能化改造后的垃圾处理模式主要流程如图4。用户具体操作是用前端微信小程序进行垃圾识别（语音/图片/文字识别），通过AI算法分析，得出分类引导和指定箱门的开门码。智能垃圾桶通过识码开门，待用户投放垃圾后，通过底部的真空负压管道运输到垃圾集中站。整个智能化垃圾处理改造，可以简便环卫工人清理垃圾的工作，解决堆满垃圾的垃圾桶不美观和臭气熏天的垃圾车穿梭，影响小区、市容环境的问题。

5 结束语

AIoT时代下对垃圾处理模式的智能化改造是信息技术高度发展的产物，是未来城市垃圾处理模式发展的方向，是使人们生活环境质量得到跨越式飞跃的前进路线。该篇研究AIoT的技术发展阶段仍有很大的进步空间，同时这也是人们对未来智能化改造城市的美好憧憬留有余白，让人们大胆创新、赋予AIoT时代更多的可能性。让AIoT技术成为真正实现智慧城市转型目标的重要技术。