AR識(shí)別智能垃圾分類機(jī)器人

王秀麗 劉靜 李恩榮 周培郁 王帥超 張衡

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)的垃圾也在增加，但是垃圾分類和處理卻不令人滿意。20世紀(jì)90年代后，中國(guó)一直推行垃圾分類收集制度，但是一直效果甚微。通過(guò)與AR識(shí)別技術(shù)的組合，智能垃圾分類機(jī)器人發(fā)揮了垃圾分類的效果，不僅降低了垃圾收集的成本，提高了玻璃收集的效率，更是避免了長(zhǎng)期積累造成的環(huán)境污染。

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards， domestic garbage is also increasing， but garbage classification and treatment is not satisfactory. Since the 1990s， China has been implementing the garbage classification and collection system， but the effect has been very little. Through the combination with AR recognition technology， the intelligent garbage classification robot plays a role in garbage classification， which not only reduces the cost of garbage collection， improves the efficiency of glass collection， but also avoids the environmental pollution caused by long-term accumulation.

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人;AR識(shí)別;垃圾分類;分類方式

Key words： intelligent robots;AR identification;garbage sorting;classification way

中圖分類號(hào)：TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）22-0162-03

0? 引言

隨著生活水平的提高和城市化的加速，我國(guó)城市生活垃圾的生產(chǎn)量逐漸增加，許多地區(qū)垃圾處理太慢，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越明顯，一定程度上限制了新型城鎮(zhèn)化的發(fā)展。因此，垃圾能否減量化、資源化、無(wú)害化已經(jīng)成為我們面臨的一大問(wèn)題。習(xí)主席在中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議上提出了加快配送系統(tǒng)、分類收集、分類運(yùn)輸、分類處理的確立，構(gòu)建基于法律制度的垃圾分類制度的提案，由政府推進(jìn)，加入全國(guó)人民、自治城市和農(nóng)村地區(qū)，適應(yīng)地方情況，努力改善垃圾分類系統(tǒng)。

近年來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）發(fā)展迅速，作為眾多學(xué)科交叉集成的技術(shù)手段，AR的關(guān)鍵組成部分是依托計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的圖形識(shí)別與追蹤技術(shù)。在日常生活中，能經(jīng)常接觸到AR的主要用途的是智能手機(jī)和平板電腦等終端，他們會(huì)根據(jù)AR的特性和需求更新硬件構(gòu)成，為內(nèi)容開(kāi)發(fā)構(gòu)建更好的環(huán)境。

1? 國(guó)內(nèi)外對(duì)于垃圾分類的情況

1.1 國(guó)外對(duì)于垃圾分類的成功經(jīng)驗(yàn)

德國(guó)在垃圾分類回收利用方面走在了世界的前列，比如德國(guó)有較為完善的法律法規(guī)，如《廢棄物處理法》、《廢物分類包裝條例》、《循環(huán)經(jīng)濟(jì)與廢棄物處理法》、《可再生能源法》等，并強(qiáng)化配套相關(guān)實(shí)施條例。另外，德國(guó)從垃圾回收到其循環(huán)利用都是通過(guò)私營(yíng)公司完成的，由于法規(guī)的嚴(yán)格限制和適當(dāng)?shù)膶?shí)施，德國(guó)通過(guò)垃圾分類獲得了垃圾資源的最大回收。此外，在金融政策方面，私營(yíng)企業(yè)參與了回收再利用，得到極大的利潤(rùn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、資源再利用和德國(guó)私營(yíng)企業(yè)盈利的多次勝利。

在每年的年初，漢堡的地方主管機(jī)構(gòu)將會(huì)對(duì)新的一年的垃圾清運(yùn)時(shí)間即垃圾分類說(shuō)明發(fā)放到每家每戶，使得居民可以按照條例嚴(yán)格執(zhí)行。每個(gè)生活社區(qū)也會(huì)有各種專門(mén)收集輕型包裝物、廢舊紙殼、各色玻璃瓶的回收箱，居民還可以按照地方所發(fā)布的時(shí)間表將舊報(bào)紙和一次性紙袋捆綁好放置在街道旁，回收公司將會(huì)排除專車及時(shí)收取。而對(duì)于金屬易拉罐和一次性飲料瓶等回收率低的垃圾，則實(shí)行押金制度，居民可以單獨(dú)收集這類垃圾，并到指定地點(diǎn)進(jìn)行垃圾回收。

日本是世界上將垃圾分類工作做得很好的一個(gè)國(guó)家之一，日本從小對(duì)孩子除了進(jìn)行地震相關(guān)的安全知識(shí)傳授以外，也很看重對(duì)垃圾分類的教育，所以國(guó)民的垃圾分類意識(shí)已經(jīng)成為了他們生活中的一部分。當(dāng)然，日本也擁有完善的法律體系，每個(gè)個(gè)體與企業(yè)都很配合，積極參與到生活垃圾的分類行列當(dāng)中，之后的大量具體工作則有政府承擔(dān)。在日本，垃圾分類最成功的經(jīng)驗(yàn)是在政府、企業(yè)、市民之間形成協(xié)調(diào)的治理體系，嚴(yán)格的刑罰制度和規(guī)章制度，以及有效的支援和獎(jiǎng)勵(lì)政策。

1.2 我國(guó)垃圾分類制度的情況

中國(guó)生活垃圾分類的推廣工作已經(jīng)持續(xù)了許多年，在上世紀(jì)90年代中期，北京就開(kāi)始提出了對(duì)生活垃圾的分類，鼓勵(lì)居民對(duì)生活垃圾進(jìn)行分類。2000年建設(shè)部下發(fā)《關(guān)于公布生活垃圾分類收集試點(diǎn)城市的通知》（建城環(huán)[2000]12號(hào)），將北京、上海、廣州、深圳、杭州、南京、廈門(mén)、桂林8個(gè)城市確定為生活垃圾分類收集的試點(diǎn)城市。2016年，國(guó)家發(fā)改委、住建部發(fā)布《垃圾強(qiáng)制分類制度（征求意見(jiàn)稿）》，提出建立城鎮(zhèn)生活垃圾強(qiáng)制分類制度。到2020年底，那些實(shí)施了生活垃圾強(qiáng)制分類的城市，其生活垃圾分類收集覆蓋需率達(dá)到90%以上，生活垃圾回收利用率達(dá)到35%以上。

2019年7月份，上海開(kāi)始實(shí)行垃圾分類的“四分法”，即被分成可回收、有害、濕垃圾和干垃圾。強(qiáng)制要求上海的居民必須根據(jù)需要嚴(yán)格分類垃圾。頒布條例強(qiáng)制實(shí)行垃圾分類也許有利有弊，但確實(shí)增強(qiáng)了人們對(duì)于垃圾分類的意識(shí)，也部分做到了對(duì)于垃圾的減量化、資源化、無(wú)害化。

同年10月10日，上海公布9月份生活垃圾分類情況，“《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》實(shí)施至今已超過(guò)百日，生活垃圾分類實(shí)效提升遠(yuǎn)超預(yù)期”。據(jù)上海市綠化和市容管理局?jǐn)?shù)據(jù)，三季度居住區(qū)達(dá)標(biāo)率提升至80%，單位達(dá)標(biāo)率總體為87%。

據(jù)可靠數(shù)據(jù)，《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》實(shí)施以來(lái)，居住區(qū)與單位達(dá)標(biāo)率明顯提升。三季度，全市共抽查3724個(gè)居住區(qū)和443個(gè)單位。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，居住區(qū)垃圾分類達(dá)標(biāo)率得到了顯著提高，其三個(gè)季度的垃圾分類達(dá)標(biāo)率已從去年年底的15%提升至80%，大部分居民們都參與其中，進(jìn)行垃圾分類，其中還有部分居住區(qū)的居民已經(jīng)完全習(xí)慣了對(duì)生活垃圾的分類，無(wú)需志愿者去值守。

2? AR識(shí)別智能垃圾分類機(jī)器人的理念

文中所提到的智能垃分類機(jī)器人是對(duì)我們?cè)诠矆?chǎng)所常見(jiàn)的垃圾桶進(jìn)行改造，運(yùn)用AR圖形識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分類存放。傳統(tǒng)的垃圾分類方式是以人工分類為主，人工垃圾分類需要大量的人力資源，費(fèi)用高，其中還存在一定對(duì)人體有危害的物質(zhì)。而AR識(shí)別智能垃圾分類機(jī)器人（如圖1）旨在對(duì)垃圾進(jìn)行隨扔隨分類，省去傳統(tǒng)的人工篩分方式，取而代之的是采用智能化篩選方式，使各類垃圾得到快速分流，大大降低了垃圾分類回收的運(yùn)營(yíng)成本，最大限度地實(shí)現(xiàn)了對(duì)生活垃圾中可循環(huán)利用物質(zhì)的回收利用。

在傳統(tǒng)垃圾桶的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造，往地下放置垃圾分類系統(tǒng)，最大化節(jié)省空間。當(dāng)對(duì)智能垃圾分類機(jī)器人供電后，垃圾桶將處于啟動(dòng)休眠狀態(tài)，每當(dāng)行人向垃圾箱的投入口投入一件垃圾后，垃圾將首先通過(guò)投入口進(jìn)入垃圾暫存區(qū)，隨后AR識(shí)別系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并與云端數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)果。于此同時(shí)，處于垃圾暫存區(qū)的垃圾將被逐個(gè)放到傳送帶之上，進(jìn)行垃圾的運(yùn)輸。通過(guò)AR圖形識(shí)別的輸出信號(hào)會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送至垃圾存放桶，使存放桶產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，將與所掃描垃圾所對(duì)應(yīng)的垃圾種類存放桶轉(zhuǎn)至傳送帶末端。這樣，垃圾智能分類運(yùn)算就完成了，每次垃圾分類分類處理結(jié)束，系統(tǒng)內(nèi)的所有工作區(qū)間都會(huì)會(huì)回到原來(lái)的位置，便于接受下一個(gè)垃圾智能分類操作。

智能垃圾分類操作完成后，系統(tǒng)對(duì)距離傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出紙箱中的垃圾內(nèi)容，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向云服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，將其整合、計(jì)算、分析分?jǐn)?shù)，并收集處理后的數(shù)據(jù)集中通知。垃圾車根據(jù)大數(shù)據(jù)和服務(wù)器計(jì)算出的最有效的途徑，去各個(gè)垃圾箱的位置收集垃圾。工作人員還可以通過(guò)對(duì)垃圾箱內(nèi)安置的上位機(jī)對(duì)藍(lán)牙范圍內(nèi)的所有垃圾桶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高對(duì)已分類垃圾的有效回收。（圖2）

3? 垃圾分類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

3.1 AR識(shí)別

AR（Augmented Reality）技術(shù)的全稱是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是將虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái)的新技術(shù)。文章提及的垃圾分類機(jī)器人進(jìn)行垃圾分類的基礎(chǔ)便是AR圖像識(shí)別技術(shù)。

AR識(shí)別技術(shù)的兩個(gè)重要因素是圖像指紋和漢明距離。首先，系統(tǒng)提取目標(biāo)特征，然后通過(guò)感知散列算法對(duì)顏色、亮度、像素灰度等提取的細(xì)節(jié)進(jìn)行合計(jì)，以確定表示為64位數(shù)字的圖像指紋。需要使用目標(biāo)編碼值來(lái)計(jì)算相似性。根據(jù)漢明距離區(qū)域，可以確定不同對(duì)象的哈希值差。一般來(lái)說(shuō)，如果不同比特的數(shù)量小于5，我們可以認(rèn)為他們更類似。當(dāng)然，也可以根據(jù)需要設(shè)定不同的閾值，保持具有高相似性的圖像。

由于位置、角度的變化引起的變形、遠(yuǎn)近、光變化影響靜態(tài)圖形檢測(cè)的應(yīng)用范圍，所以當(dāng)相同目標(biāo)在上面變化時(shí)，可以有效地識(shí)別或掌握相同特征值的物理形態(tài)跟蹤技術(shù)的重要性，想要追蹤移動(dòng)物體的話，需要目標(biāo)檢測(cè)，所有跟蹤都取決于提取和功能值的匹配。SLAM是指在追蹤的基礎(chǔ)上對(duì)于三位環(huán)境的實(shí)時(shí)追蹤，在未來(lái)和AR幾乎成了綁定存在的關(guān)系，AR的深度應(yīng)用離不開(kāi)時(shí)間空間對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立。

3.2 傳送裝置

即傳送帶，一個(gè)根據(jù)垃圾桶大小、容量、位置而不同，且具有合適長(zhǎng)度與速度，使垃圾由足夠的時(shí)間去識(shí)別并輸出信號(hào)使終端的垃圾桶旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)種類垃圾的存放桶處。除此之外，也保證垃圾不會(huì)因?yàn)檫^(guò)分堆積在始端，使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。輸電裝置的能源供給主要由太陽(yáng)能完成，為了太陽(yáng)能發(fā)電，使用半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池（也稱為光伏電池）的太陽(yáng)能發(fā)電效果，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能。由于太陽(yáng)能是零排放的清潔能源，可以進(jìn)一步解決環(huán)境污染問(wèn)題。

3.3 垃圾存放桶

將傳統(tǒng)垃圾桶的裝填功能放置整個(gè)系統(tǒng)的末端，根據(jù)需要可分為2分式、3分式、4分式，每個(gè)分區(qū)存放的垃圾種類各不相同。在AR識(shí)別之后，經(jīng)過(guò)與云端數(shù)據(jù)對(duì)比生成所識(shí)別垃圾的種類，并給出信號(hào)，使垃圾存放桶的中間軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，將垃圾存放桶轉(zhuǎn)至掃描垃圾所對(duì)應(yīng)的分區(qū)，讓傳送帶上的垃圾最后可以準(zhǔn)確投放至正確的分類桶中。存放桶也可以通過(guò)藍(lán)牙范圍內(nèi)的上級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，工作人員可以通過(guò)藍(lán)牙檢測(cè)周圍瓶子的剩余容量，以及溫度、濕度和瓶子的其他信息，并根據(jù)情況對(duì)垃圾箱進(jìn)行收集處理。這樣，通過(guò)統(tǒng)一管理一定區(qū)域內(nèi)的垃圾桶，可大幅降低垃圾回收的操作成本，大幅提高垃圾回收的效率，也可避免因垃圾長(zhǎng)期累積而引起的各種環(huán)境污染問(wèn)題。

4? 垃圾分類機(jī)器人的未來(lái)市場(chǎng)

眾所周知，垃圾分類是一項(xiàng)骯臟、枯燥且一定危險(xiǎn)的工作。再工作中，垃圾回收工人的受傷人數(shù)是其他工作工人的兩倍，此外，居高不下的死亡率也使垃圾處理成為危險(xiǎn)職業(yè)之一。隨著各國(guó)環(huán)保政策和理念的推行，全球?qū)Νh(huán)保投入力度不斷增強(qiáng)，加之科學(xué)技術(shù)不斷向前邁進(jìn)，將人工智能運(yùn)用與垃圾分類不僅可以減少如此事件的發(fā)生，同時(shí)也提高垃圾有效分類的效率。隨著人臉識(shí)別技術(shù)的越來(lái)越高超，我們隨后可見(jiàn)的智能機(jī)都已實(shí)現(xiàn)了人臉解鎖，甚至瞳孔解鎖，這便為人工智能應(yīng)用在垃圾分類工作的發(fā)力點(diǎn)。在不久的將來(lái)，人工智能化的垃圾分類必將是垃圾管理的發(fā)展趨勢(shì)之一。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2019-2023年中國(guó)智能垃圾分類市場(chǎng)可行性研究報(bào)告》顯示，人類在過(guò)去已經(jīng)生產(chǎn)了超過(guò)80億噸的塑料，而其中卻僅有9%被回收利用，剩余12%被焚燒，79%則進(jìn)了垃圾填埋場(chǎng);預(yù)計(jì)到2050年人類將會(huì)產(chǎn)生超過(guò)120億噸塑料垃圾，智能垃圾垃圾分類機(jī)器人將會(huì)是提高塑料回收效率的主力軍，擁有極大的潛在應(yīng)用市場(chǎng)。

自2004年起，中國(guó)就已經(jīng)成為世界最大的垃圾生產(chǎn)國(guó)。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化速度加快，我國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)生量逐年增長(zhǎng)，據(jù)可靠數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)總量達(dá)到了2.95億噸，同比2017年共增長(zhǎng)800萬(wàn)噸。在如此的背景下，垃圾的分類擁有著巨大的開(kāi)發(fā)空間。在未來(lái)，城市生活垃圾的分類和處理將向減量化、資源化、無(wú)害化和智能化的方向發(fā)展。本文提出的AR識(shí)別智能垃圾分類機(jī)器人雖然還存在著一些問(wèn)題，但同樣的也擁有著無(wú)限的發(fā)展空間。如實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的垃圾分類回收系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有情況來(lái)看，擁有完整的配套設(shè)備建設(shè)，能使垃圾分類效果得到有效提升，讓我國(guó)從過(guò)去城市生活垃圾處理方面的被動(dòng)局面得到了顯著改變，也有助于推動(dòng)我國(guó)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

由于智能垃圾分類機(jī)器人研發(fā)技術(shù)有限，并且垃圾是商品的變異體，現(xiàn)有的智能分類機(jī)器人對(duì)垃圾的識(shí)別率尚不能達(dá)到百分之百。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的應(yīng)用于垃圾分類的人工智能并不是很多，已經(jīng)運(yùn)用在市場(chǎng)上的智能垃圾分類的機(jī)器人有加拿大的“奧斯卡”垃圾桶、上海的GPS垃圾回收機(jī)器人和日本FANUC視覺(jué)分揀機(jī)器人。目前，智能垃圾分類機(jī)器人尚處于起步階段，市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有應(yīng)用于垃圾分類的人工智能機(jī)器人，因此智能垃圾分類機(jī)器人的研發(fā)空間相當(dāng)廣闊。

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作者簡(jiǎn)介：王秀麗（1982-），女，河南安陽(yáng)人，講師，研究方向?yàn)槟K化設(shè)計(jì);李恩榮（通訊作者）（1999-），男，朝鮮族，黑龍江牡丹江人，安徽建筑大學(xué)，本科在讀。