基于AIoT技術對垃圾處理系統的智能化改造

陳申銳　陳正銘　陳垠吉

關鍵詞：人工智能；物聯網；垃圾分類；垃圾轉運

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0088-03

隨著我國經濟不斷發展，城市化進程不斷加快，生活垃圾對于城市環境造成了越來越大的危害。城市環境的問題正面臨著群眾垃圾分類意識薄弱、垃圾處理不及時、環保工作上的費時費力、異味和細菌四處彌漫等諸多問題。面對這些不容忽視的問題，仍然采用的是普通的集中投遞和人工清運的方式來處理垃圾。故在垃圾處理的整個流程系統中，亟須對其進行優化改造。本研究基于以上問題，通過調查問卷數據分析得出AIoT技術運用于垃圾處理系統的可行性，探討運用AIoT技術實現垃圾處理系統智能化改造。

1 AloT概述

AIoT（Artificial Intelligence&Internet of Things），即“智能互聯網”，是以人工智能（Artificial Intelligence，AI） 和物聯網（Internet of Things，IoT） 技術為核心，兩者協同應用、彼此關聯的“共同體”。在AI迅猛發展與IoT持續積累的情況下，AIoT技術不斷創新，新的服務概念層出不窮、核心內涵也愈加豐富，并在近年成為新時代的技術浪潮，備受資本關注[1]，智慧城市的美好藍圖已可預見。

1.1 人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI） 技術，即通過對計算機進行“人性化”賦能，使其模擬、延伸和擴展人的合理思考與行動能力，達到智能的效果。國務院對人工智能的重大決策部署與《新一代人工智能發展規劃》提出發布后，各省積極建設發展人工智能技術的相關平臺，企業爭相組織開展人工智能技術相關的產業化項目。由此，人工智能技術的理論和應用發展突飛猛進、日新月異，并逐漸被稱為科技進步和產業變革的攻堅力量、核心主力。

1.2 物聯網

物聯網（Internet of Things，IoT） 技術，即將各類傳感器和現有的互聯網相互連接的一項技術。該技術自很早被提出以來就不斷發展，并被大量應用，如：智能家居、共享單車、ETC收費等，為大眾生活帶來了巨大便利和深遠影響。物聯網技術發展至今已具備相當成熟的技術和完善的理念，并且隨著時代發展還在不斷進步。

2 傳統垃圾處理系統的現實困境與破解之道

2.1 源頭——市民垃圾分類意識不強，垃圾分類知識欠缺

“投放”是垃圾分類第一步，源頭沒做好會極大增加后期處理困難。而當前市民存在“支持垃圾分類概念者多，而真正做到垃圾分類工作者少”“缺乏垃圾分類知識，因而無法正確分類并養成習慣”的問題。垃圾分類知識欠缺與習慣意識無法養成形成惡性循環，其中，缺乏一個幫助鼓勵公民進行垃圾分類的統一公共平臺是重要原因，國家垃圾分類制度[2]推行多年但效果遠遠不夠的部分也在于此。通過完善系統化平臺，從日常中滲透普及垃圾分類知識，幫助公民簡單高效垃圾分類，才能有效降低公民在自己查詢學習垃圾分類相關知識的復雜工作中產生的倦怠與消極心理，進而有效幫助提高公民參與的積極性、垃圾分類源頭的準確性。

2.2 途徑——垃圾分類運輸過程不完善，垃圾分類設施不夠先進

“運輸”是垃圾分類到垃圾處理的重要中間步驟，其途徑沒做好則會導致前功盡棄甚至二次污染。而目前國內智能化垃圾分類裝置設施還不夠完善[3]，垃圾分類運輸仍以定點定時、人工處理為主，存在“日常垃圾收集的運輸與人工成本積羽沉舟，且工作繁復落后”“普通垃圾桶、垃圾車處理不及時，導致垃圾堆積散發異味影響居民環境”的問題。要從根源處解決垃圾分類收集轉運的問題，升級垃圾分類收集設施、完善垃圾分類運輸方式是有效方式。完善收集設備消滅異味細菌、機器規范過程杜絕“先分后混”、賦予智能化降低全程人工成本，從而做到高效收集、有效運輸。

3 AIoT 對垃圾處理系統智能化改造的意義

3.1 垃圾分類常態化，打造垃圾分類新風尚

結合AIoT技術，打造垃圾分類系統化平臺與流程，能夠明確垃圾分類識別算法、抓拍違規投放、通過個人身份綁定來落實獎懲分類制度、配合智能語音或視頻科普垃圾處理知識等相關功能，切實指導和監督市民養成垃圾分類習慣、鼓勵和激發市民參與熱情，有效達成垃圾減量化和投放精準化、處置規范化，促進垃圾分類常態化，積極營造“新風尚”。

3.2 探索實現垃圾分類的區域協同協作與跨區域統籌協調

利用AIoT技術，創新垃圾分類轉運設施，使智能垃圾箱與地下真空管道結合，搭建城市地下實時垃圾分類運輸網，即能夠升級垃圾分類收集設施、完善垃圾分類運輸方式，高效銜接分類投放端和分類處理端，提高處理效果、降低處理成本。此外通過地下垃圾管道運輸系統，不僅能探索建立區域協同協作機制，合理地規劃好垃圾處理設施區域化的管理，還有望解決生活垃圾跨區域化轉移處置的制度難題。

3.3 響應國家健全高水平智能可回收物資源化利用設施號召

2021 年 5 月 6 日，中國國家發展改革委、住建部共同頒布了關于印發《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》[4]，其規劃內容中就有通過推廣開發高水平、強代表的可回收物資源化利用項目，落實提供成本資源的轉化利用率。結合AIoT技術服務的智能垃圾分類設備與系統，可以進一步規范可回收物利用產業鏈，推廣智能識別垃圾，自動計算重量，程序自主兌付的智能回收設施，智能分類回收可回收垃圾。在具備條件的區域，可以采取技術或者經濟合作的形式，對分散式的小集項目進行整合統一起來，做到集體加工，批量處置，統一流向的體系。同時能夠完善垃圾處理的全過程監測監管，加快建設全過程管理信息共享平臺。

3.4 為建設可持續發展的智慧城市、打造綠色發展地區提供助力

各大城市正積極順應“互聯網+”“5G”時代大融合大變革趨勢，推進城市治理體系和治理能力現代化，提升社會治理信息化、專業化水平，力爭滿足智慧城市的城市數字化、網絡化、可視化、智能化[5]。垃圾處理是每個城市運轉不可忽視的重要環節，而有效運用AIoT技術，高水平打造智慧系統，幫助城市垃圾處理，則成為實現城市自動化運轉的強勁推動力，也是向集成化、自動化、低運行成本方向的發展進步，加快智慧城市的建設；此外，也為綠色發展地區提供創新可行的參考方案與有力助力。

4 AIoT 技術實現垃圾處理系統智能化改造

針對現有垃圾處理系統的智能化改造問題，開展了整個體系的重構與優化。主要分為軟件技術選型和硬件設施升級，以及各端形成的AIoT式一體化，打造出智能互聯的生態體系。從而發揮出AIoT的技術特色，讓垃圾處理系統的智能化改造問題得以有效解決。

4.1 軟件技術選型

軟件部分整體分為兩個模塊：微信小程序端，后臺管理服務端。

微信小程序端：采用的技術選配是基于前端框架Bootstrap+Jquery、非關系型數據庫MangoDB、集成開發者環境HBuilderX+微信開發者工具，并且使用了Loading、Search、導航、圖片button等組件。其中充分調用組件庫發揮出“一切皆組件”的高級特性，讓開發高效便捷。且前端微信小程序采用MVVM模式設計，使得小程序目錄與層次結構不再成為糾結對象。小程序還可通過對接阿里云接口，實現精準識別垃圾圖像的AI功能。阿里云的視覺識別API接口具有錯誤率小、穩定性高的特點，并且處理訓練模型的速度優化策略相對高效與完善。

后臺管理服務端：采用的技術選配是基于Java語言的核心框架Spring Framework。為了預防系統的交互使用過于頻繁，需要采用關系型數據庫MySQL和中間件緩存技術Redis。這樣可以顯著提高系統響應性能和數據吞吐量，避免數據的重復查詢影響系統性能。此外，結合項目管理Maven、數據監控Druid可以保證系統穩定、安全。其中Spring Framework可以充分實現MVC模式，對不同的數據訪問技術提供了統一的接口。并且后端服務是基于RESTFul API風格的，整體結構層次清晰、復用性好、拓展性強，可以達到各端分離開發互不影響的效果。

4.2 硬件設施升級

對于當下的垃圾處理模式，硬件設施垃圾箱需要采取迭代式升級，不斷進行優化。從打造新型智能垃圾箱和創新式設計內部結構和底部外接運輸管道入手。

智能垃圾桶通過采用主控STM32集成電路芯片和傳感器、電機驅動、電控鎖。其中傳感器包括稱重傳感器、容量傳感器、溫度傳感器等。研究出提供實時監控、智能識碼開鎖、垃圾重量監測、容量監測、溫度監測、避免起火、警報提醒、定位等功能的垃圾箱體。此外箱體底部通過風機抽取空氣到除塵除臭器進行過濾，并形成壓強差后，再通過負壓真空運輸管道的運作將垃圾運輸到小區垃圾集中站。

該硬件設施不僅能幫助居民正確分類投放垃圾，從根源處減少垃圾分類工作量，并且通過地下負壓管道自動運輸還可以解決異味問題，降低人工垃圾處理等成本。

4.3 AIoT 式智能互聯一體化的生態體系

整個生態體系系統劃分為表現層和應用層、平臺層、傳輸層、感知層、反應層。最底層的感知層通過終端裝置感知信號后，將信號接入到傳輸層；同時傳輸層也可以將指令信息發送給反應層，進行對垃圾箱體中電機驅動和電控鎖等裝置的控制。其次傳輸層將對信號進行封裝、傳輸至平臺層的各個服務，并且與應用層的各個功能模塊進行聯動。而用戶或管理人員是通過微信小程序和后臺管理服務端與系統進行交互。其次前四層間的交互都是雙向可達的。

智能化改造后的垃圾處理模式主要流程如圖4。用戶具體操作是用前端微信小程序進行垃圾識別（語音/圖片/文字識別），通過AI算法分析，得出分類引導和指定箱門的開門碼。智能垃圾桶通過識碼開門，待用戶投放垃圾后，通過底部的真空負壓管道運輸到垃圾集中站。整個智能化垃圾處理改造，可以簡便環衛工人清理垃圾的工作，解決堆滿垃圾的垃圾桶不美觀和臭氣熏天的垃圾車穿梭，影響小區、市容環境的問題。

5 結束語

AIoT時代下對垃圾處理模式的智能化改造是信息技術高度發展的產物，是未來城市垃圾處理模式發展的方向，是使人們生活環境質量得到跨越式飛躍的前進路線。該篇研究AIoT的技術發展階段仍有很大的進步空間，同時這也是人們對未來智能化改造城市的美好憧憬留有余白，讓人們大膽創新、賦予AIoT時代更多的可能性。讓AIoT技術成為真正實現智慧城市轉型目標的重要技術。