垃圾分類之自動識別技術探索

張秀芳 ，龔小梅 ，占小洋 ，夏康順 ，梁曉偉 ，賓曉蓓

（1.新安潔環境衛生股份有限公司武漢研發中心，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070）

1 我國垃圾分類現狀

隨著經濟的持續穩步發展，我國的人均可支配收入持續增加，根據國家統計局數據，2019年全國居民人均可支配收入達到30733 元。這也意味著居民的消費能力在持續提升，人們的消費需求日益多元化、消費規模日益增加，隨之而來的一個負面結果就是，我國每年產生的垃圾數量持續增加，給我們的生存環境帶來了嚴峻挑戰。因此，推行垃圾分類，提升垃圾處理效率，改善人類居住環境，已是我們共同的必然選擇。

1.1 垃圾分類的意義

商品從研發、生產、銷售到最后來到消費者手中，在整個過程中，產生了大量不同種類的垃圾與廢棄物，其大致可以分為四大類：可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾。其中可回收垃圾與廚余垃圾均可用于回收再利用，以可回收垃圾為例：可回收垃圾包括紙類、金屬、塑料、玻璃等，如果能通過有效的方式處理回收利用，可以減少污染，節省資源。如每回收1 噸廢紙可造好紙850 公斤，節省木材300公斤，比等量生產減少污染74%；每回收1 噸塑料瓶可獲得0．7 噸二級原料；每回收 1 噸廢鋼鐵可煉好鋼 0．9 噸，比用礦石冶煉節約成本47%，減少空氣污染75%，減少97%的水污染和固體廢鐵。而有害垃圾和其他垃圾則需要采用特殊方法處理，否則會對環境造成極大且難以恢復的污染，例如“白色污染”。

垃圾分類的意義在經濟發展過程中，已經凸顯諸多益處。首先，垃圾分類能夠減少土地侵蝕，去掉可回收、不易降解的物質，進而減少對土地的危害；其次，垃圾分類有助于變廢為寶，可回收垃圾的循環使用，既環保，又能節省資源；再次，垃圾分類有利于提升垃圾處理效率，加速資源轉化，如食品、草木和織物可以堆肥生產有機肥料。因此垃圾分類可以有效減少垃圾對環境的污染，最終能夠改善我們的生活環境、保障人類的健康。

1.2 垃圾分類現行政策及實施現狀

1.2.1 我國垃圾分類政策情況

2017年3月，國家發改委、住建部發布《生活垃圾分類制度實施方案》，要求在全國46 個城市先行實施生活垃圾強制分類。方案要求，到2020年底，基本建立垃圾分類相關法律法規和標準體系，形成可復制、可推廣的生活垃圾分類模式，在實施生活垃圾強制分類的城市，生活垃圾回收利用率達到35%以上。同時要求，2020年底前，部分重點城市的城區范圍內先行實施生活垃圾強制分類。

2019年6月，住建部、發改委、生態環境部等九部門聯合印發《住房和城鄉建設部等部門關于在全國地級及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》。通知要求，到2020年，46 個重點城市基本建成生活垃圾分類處理系統，其他地級城市實現公共機構生活垃圾分類全覆蓋，至少有1個街道基本建成生活垃圾分類示范片區。到2022年，各地級城市至少有1 個區實現生活垃圾分類全覆蓋，其他各區至少有1 個街道基本建成生活垃圾分類示范片區。到2025年，全國地級及以上城市基本建成生活垃圾分類處理系統。

1.2.2 我國垃圾分類實施現狀

2019年7月1 日，上海率先實施垃圾分類，出臺《上海市生活垃圾管理條例》，上海開始普遍推行強制垃圾分類，其他地區的政策正在陸續出臺。住建部公布，將在全國46個重點城市推行垃圾分類。46 個重點城市中的北京、上海、太原、長春、杭州、寧波、廣州、宜春、銀川九個城市已出臺生活垃圾管理條例，明確將垃圾分類納入法治框架，其中北京是首個立法城市。

2020年5月1 日，新版《北京市生活垃圾管理條例》開始實施，北京市垃圾分類正式進入法治化、常態化、系統化軌道。

1.3 目前分類試點存在的問題

1.3.1 積極性不高

在實踐中，參與生活垃圾分類的主體主要有兩個，即物業公司和業主。站在物業公司的角度，出于降低運營成本、擔心業主產生抵觸心理等原因，對垃圾分類的積極性不高，也很少有物業公司愿意承擔試點任務。站在業主角度，目前普遍存在垃圾分類意識不高、垃圾分類能力不強等問題，對業主而言，垃圾分類直接帶來的是生活麻煩。因此，垃圾分類主要靠行政部門的強制性要求來推進，各類參與主體的積極性不高。

1.3.2 分類標準不一

有調查指出，接近一半的城鎮居民不懂垃圾分類標準，不管是有垃圾分類意識的居民，還是沒有分類意識的居民，都存在不懂怎么分類的情況，經常將垃圾的種類錯分。

上述問題的出現，與各地垃圾分類“標準”不統一有較大關系。目前，各個城市的分類標準不盡相同，比如，上海市規定垃圾分為濕垃圾、干垃圾、可回收物、有害垃圾，而北京市則分為廚余垃圾、有害垃圾、其他垃圾及可回收物。

1.3.3 分類成本高

“干垃圾、濕垃圾、有害垃圾、可回收垃圾分不清”“趁著夜色混倒垃圾慘遭罰款”“在垃圾桶邊檢索垃圾分類”，上海人簡直被“逼瘋”了。但是，作為“世界垃圾回收廠”，我國并沒有什么高效率的處理方法，幾乎都是靠人工進行垃圾分類。

2 垃圾分類自動識別技術現狀及難點

2.1 現行技術

2.1.1 基于傳感器的垃圾分類識別技術

基于傳感器的垃圾分類識別模塊，主要是通過單片機傳感器的智能分類裝置，運用傳感器模塊、單片機控制模塊、電源模塊等垃圾分集收集模塊的合成，將垃圾投放入垃圾桶中，再通過傳送帶，識別垃圾種類，當垃圾通過傳感器時，傳感器會根據垃圾的類別，自動識別種類和數量，并自動分類，將相關信息傳送給中央處理器，再通過中央處理器發送指令，控制垃圾箱進行轉動，從而把相應的垃圾分入正確的垃圾箱中，完成分類放置的效果[2]。

垃圾分類的早期主要利用單一檢測器進行檢測和識別。比如帶有智能監控裝置的多功能垃圾箱，采用紅外檢測器對垃圾種類進行檢測，然后將檢測的數據傳遞到控制單元，控制單元再通過分類裝置進行分類。

這種利用單一的檢測器進行分類的方法，存在檢測精度不高和無法細分等問題。隨著技術改進，出現了一種垃圾分揀識別裝置，比如獲取超聲波、溫濕度傳感器、接近傳感器、按鈕數據等，由五類傳感器的檢測參數共同判斷垃圾種類，從而提高了識別垃圾的精度[3]。

2.1.2 基于電子標簽的垃圾分類技術

該技術，主要是使用物聯網技術，利用RFID、傳感技術、無線網絡等，實現垃圾分類投放，通過識別垃圾袋上的電子標簽打開對應類別的垃圾桶蓋，垃圾箱中的無線模塊上傳垃圾投放的狀態信息，為實時掌握垃圾動態信息提供有力保障。此類技術是在不同的垃圾載體上定義可標識的不同的電子標簽，利用電子標簽本身的唯一性的特點，通過電子編碼識別垃圾種類[4]。

2.1.3 基于智能學習的垃圾分類技術

現有技術中基于智能學習的垃圾分類技術主要包括圖像識別和語音識別兩種。

（1）非特定物體識別

該技術的關鍵在于，通過建立深度學習圖像分類技術，與基準圖像進行對比，從而實現垃圾分類。

比如通過攝像頭、燈帶等盡可能少的傳感器來提供硬件支持，或者設計多功能的軟件系統，如在移動端和Web端的后臺管理系統，也可以通過設計高效的識別算法，如通過神經網絡識別、條形碼識別等，提高分類識別的效率和準確率，從而提高識別模式的多樣性[5]。

（2）語音喚醒、語音轉文本、語音合成

該技術是通過光敏傳感器監測，當有人投放垃圾時，產生觸發信號，控制裝置通過接收到的信號，確定垃圾種類。這是一種基于語音識別的自動開閉垃圾桶的控制方法。

這種方法以單片機為智能控制中心，結合垃圾稱重檢測模塊、垃圾量檢測模塊、溫度檢測模塊、語音提示模塊、GPS 定位模塊及其他外圍輔助電路，構成了一個多種檢測功能為一體的垃圾管理系統。實現GPS 定位與數據上傳、下載功能，并將數據按照一定時間或事件觸發上傳到服務器[6]。

2.2 技術難點

2.2.1 垃圾分類不夠細分

現有的專利文獻通常僅將垃圾簡單分為“可回收垃圾”“不可回收垃圾”和“有害垃圾”，而實際生活中垃圾的細分程度要求更高，如上海市垃圾分類管理條例還將垃圾細分為干垃圾和濕垃圾等。

現有垃圾分類技術太過粗糙，智能化程度不高，還是要靠人工細分垃圾類別。比如豬骨頭、粽子葉、化妝品該如何分類，各地分類規則不同，現有技術也不能區分這幾類。

2.2.2 人工智能成本高

智能垃圾分類主要依托于人工智能系統，然而人工智能系統設備成本高，暫時無法普及市場。

建立云計算大數據中心，以個體用戶為單位的節點上的設備只需采集垃圾圖像，然后通過網絡上傳至數據中心，數據中心通過計算能力超強的處理，對垃圾進行分類識別，然后將識別結果回傳給節點，這個過程對圖像傳輸的網絡質量要求較高，隨著我國5G 網絡的逐步部署，網絡問題也會得到解決。最終主要成本集中在數據中心，隨著我國技術成熟度的提高，國內大部分云計算廠商（阿里、百度等）相應技術的開發及快速發展，節點只需調用云計算中心的相應接口，接收處理的結果就可以完成垃圾的分類識別。

2.2.3 技術落地應用難

垃圾分類的相關技術企業和研發主體單位應針對垃圾分類的市場需求和技術不足等方面加強技術研發，并注重研發技術的最終落地使用。只有提升垃圾分類技術的智能化水平，垃圾分類才會真正做到簡單、快捷。

3 垃圾分類自動識別技術智能化提升探索

3.1 大數據

垃圾的分類投放、收集和運輸以及末端處置組成垃圾分類的大數據，是垃圾分類智能化的技術依托。通過智能系統，構建特定算法，最后利用大數據，為實現垃圾的智能化自動化投放、垃圾的高效收集、末端智能化處置提供數據支撐。

大數據可以提高垃圾分類識別的精準度。在沒有利用垃圾分類自動識別垃圾技術時，垃圾識別的精準度主要取決于人為的主觀判斷，通過大量收集各類垃圾的數據并從中提煉出各類垃圾的獨有特點，最后為自動識別垃圾提供判斷標準。在垃圾分類服務站部署攝像頭，有人投放垃圾時，攝像頭會采集人的外貌信息，自動識別人的身份，做到垃圾來源的可追溯化。我們將垃圾放在裝有自動識別傳感器的分類回收箱中，分類回收箱會依據垃圾的特征，判斷垃圾類別，最終自動將垃圾投放在相應的垃圾回收箱中。

大數據可以提高末端垃圾分類處置的效率和準確性。前端垃圾分類實現自動回收，會使末端自動處置垃圾更輕松，末端分類處置垃圾裝置可以在干垃圾、濕垃圾、可回收垃圾、有害垃圾中細分，比如可回收垃圾中有金屬、塑料、紙殼等，通過金屬傳感器可以區分出金屬并自動分類處理，通過自動識別技術也可以區分有害垃圾中的化妝品、電池等，從而分類處理有害垃圾。

3.2 云計算

設備端負責數據的采集和控制，通過把一些高計算量的數據上傳到云端，再利用云端高性能的服務器完成最終的計算功能，這樣可以極大程度地減少設備的成本，只需要通過簡單的計算，就可以實現非常復雜的功能。

在我們實際的垃圾分類中，垃圾種類繁多復雜，因此從如此紛繁雜亂的數據種類中檢索出其相應的類型，然后放到云端完成計算，通過設備將垃圾的特征信息發到云端，信息通過服務器完成檢索，得到相應的類型名稱，最終再把結果下發到設備中去。

識別系統根據功能需要，系統會同時運行兩個進程，識別進程和阿里云進程，每個進程下又會運行多個線程，用于完成不同的功能。識別進程負責實現與用戶和終端交互、語音和圖像識別以及垃圾分類等功能。阿里云進程主要負責和阿里云物聯網平臺進行數據交互，實時上報設備狀態和未知信息，并接收來自阿里云的命令，可以用于實現擴展功能。

這里涉及到兩大識別系統：語音識別和圖像識別，因為在選擇處理器時考慮到成本原因，并沒有選擇高性能帶AI加速的處理器，所以其本身并不適合處理這些數據。這里，選擇借助當下比較熱門的云計算技術，將這些高計算量的事情放到云端由專門的服務器去完成，設備本身只做一些計算量不大的任務，如：語音喚醒、采集音視頻、人機交互等。

用戶通過識別系統完成識別之后，開啟對應的分類箱蓋子，也可以直接通過按鈕開啟分類箱蓋子，以便用戶完成垃圾投放，剩下的便是垃圾收運管理任務，控制終端會實時采集分類箱的滿溢情況和周圍的環境數據，并將這些數據上發到云平臺，云平臺會收集這些數據，并做處理，例如，當某地區分類箱滿溢值達到閾值后會通知當地環衛部門及時對分類箱執行收運任務，其他數據也可作為當地環境衛生狀況評估的參數。至此，整個系統完成一次作業任務。

3.3 人工智能

利用人工智能技術，創建一個垃圾分類語音助手。在用戶投遞垃圾時，如果無法分辨垃圾的類型，可以通過語音助手，讓用戶提出詢問，語音助手提供垃圾分類小知識，對用戶進行垃圾分類知識的普及，同時幫助用戶進行分類，并通過語音告知用戶，最后幫助用戶打開對應的分類箱蓋子，幫助用戶完成垃圾分類投放過程。

用戶可以通過關鍵字來喚醒語音交互系統或者執行一些特殊的功能，例如：通過說出關鍵字“小白”，隨后只要說出要投放的物品名稱，系統便會將該段語音轉換為文本信息，隨后將包含物品信息的內容交由垃圾分類線程進行分類，在完成分類后再通過語音合成提示音，最后告訴用戶垃圾的類型；用戶還可以通過關鍵字“拍照”來啟動圖像識別，最終效果和語音交互一樣。

這里使用到的開發框架有：Snowboy、Turing robot、Open CV、PyQt5、RaspAP 等。通過以上介紹，可以看出，識別系統類似于我們手機上的語音助手，只不過智能垃圾分類技術更專注于垃圾分類相關的內容。

4 結束語

垃圾自動識別分類技術，初衷就是為了推廣并實行垃圾分類制度，幫助人們解決垃圾分類中的一些困難，讓人們建立起對垃圾進行分類的意識，養成垃圾分類的習慣，利用我們人類有限的資源創造更多的價值，而垃圾分類識別技術的完善和進步，便是為了方便垃圾回收利用，使更多的資源可以在經過處理后重復使用，提高資源的利用率。

針對我國垃圾分類現狀，依托大數據、云計算、人工智能模式，通過機器視覺、深度學習技術，實現垃圾分類的精準化、高效化，改變以人工分類為主的垃圾分類模式，可以有效解決垃圾分類難題、降低垃圾分類成本、提升垃圾處理效率，這一方面可以助力環衛產業的轉型升級，更重要的是，可以助力“綠水青山就是金山銀山”的國家發展戰略貫徹落地，助力我們共建美好的生活家園。