焦新源 王鈺霖 劉厚權(quán) 石羅晶

摘要：近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，社會(huì)上對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，如何處理垃圾成為大眾關(guān)注的問題。傳統(tǒng)垃圾分類已無法適應(yīng)工業(yè)和生活需要，科學(xué)技術(shù)不斷升級(jí)，各類智能垃圾分類系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生?；跈C(jī)器視覺的智能垃圾分揀系統(tǒng)是一種結(jié)合圖像識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)械手臂智能控制和云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)的系統(tǒng)。這幾種技術(shù)的結(jié)合能能共享不同智能機(jī)器人的廢棄物識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類的自動(dòng)化、高效化、智能化。文章針對(duì)基于機(jī)器視覺的智能垃圾分揀系統(tǒng)的工作原理，通過分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)擁有高智能化、資源高回收化以及節(jié)約人力成本等明顯優(yōu)勢(shì)，具有商業(yè)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：垃圾分類;機(jī)器視覺;智能分揀系統(tǒng)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，社會(huì)生產(chǎn)生活過程中不可避免地產(chǎn)生大量的垃圾，如何處理工業(yè)和生活垃圾成為我們?nèi)找骊P(guān)注的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)居民每年排放的生活垃圾達(dá)4億噸，如：各種食品包裝、廚余廢物以及各種快遞包裝等。如果將所有垃圾通過高溫焚化或是簡(jiǎn)單的填埋處理，會(huì)出現(xiàn)土壤和地下水污染的問題，嚴(yán)重的環(huán)境污染會(huì)影響到人們的生活。同時(shí)，廢品回收站的數(shù)量日益減少和可回收垃圾的增加，使得大量紙箱、塑料瓶、易拉罐、玻璃瓶都被直接扔到垃圾桶里，造成了財(cái)富與資源的浪費(fèi)。廢舊塑料、鋁制品和食品類廢物經(jīng)過技術(shù)的處理可以變廢為寶，成為柴油、鋁礦、有機(jī)肥料等資源。2019年，垃圾分類入選“中國(guó)媒體十大流行語”。人們對(duì)垃圾分類等環(huán)保問題的重視，為智能垃圾分揀系統(tǒng)的研究增添了熱度。

一、目前垃圾分揀中存在的問題和原因

我們能在日常生活中看到，越來越多的城市在社區(qū)中引入了分類垃圾桶。然而，根據(jù)調(diào)查報(bào)告顯示，只有52.08%的人會(huì)進(jìn)行可回收和不可回收的垃圾分類，居民對(duì)于垃圾分類的意識(shí)淡薄，極少數(shù)人會(huì)自發(fā)對(duì)垃圾進(jìn)行分類后投放入正確的垃圾桶，通過國(guó)民自發(fā)的分揀在短時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。一些垃圾回收員在收集垃圾時(shí)也沒有分門別類，而是將各種垃圾一并倒入垃圾車中運(yùn)送到垃圾站，前期的分類工作也變得功虧一簣。據(jù)中國(guó)青年網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，上海每天產(chǎn)生的生活垃圾有2萬多噸[1]，大量無序垃圾的產(chǎn)生導(dǎo)致了在垃圾回收站的人工分揀工作難度增加，部分工作人員無法承受在惡劣環(huán)境下的高強(qiáng)度勞動(dòng)，垃圾分揀中心存在長(zhǎng)期的人員短缺問題。垃圾站的人工分揀無法保證高強(qiáng)度下分揀的準(zhǔn)確性，而簡(jiǎn)單地根據(jù)垃圾輕重、磁性、彈性等物理化學(xué)性質(zhì)統(tǒng)一分揀極易造成資源的浪費(fèi)和處理廠環(huán)境的二次污染，難以滿足實(shí)際的需要。

我國(guó)垃圾分類處理效率低、工作難度大、人力資源短缺等問題是由多方面原因引起的，例如缺乏關(guān)于垃圾分類的法規(guī)條例和管理辦法、垃圾分類處理體系不完善、人口紅利逐漸減弱等。隨著機(jī)器人技術(shù)的普及，垃圾分類技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，將機(jī)器人應(yīng)用到垃圾分類領(lǐng)域來代替人工分揀操作是未來行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，這不僅能夠降低人工成本、提高生產(chǎn)效率，還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)的綠色和可持續(xù)性發(fā)展。

二、國(guó)內(nèi)外智能垃圾分類系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r

針對(duì)垃圾分類存在的問題，學(xué)者們聚焦于如何提升垃圾分類的處理效率，將資源利用率最大化。智能垃圾分類系統(tǒng)的出現(xiàn)降低了處理垃圾消耗的成本和造成的環(huán)境污染，同時(shí)解決了勞動(dòng)力短缺的問題。智能垃圾分揀系統(tǒng)可以專項(xiàng)分揀出每一類垃圾，投放入不同類別的垃圾桶中，再利用機(jī)械傳輸帶或機(jī)械臂傳輸至不同的垃圾處理機(jī)械中。對(duì)應(yīng)的垃圾處理機(jī)械中，針對(duì)不同的材料采用適應(yīng)的處理方法，盡較小可能避免資源的浪費(fèi)，也因?yàn)槔謷估鴪?chǎng)采購(gòu)了不同類別的垃圾處理機(jī)械，雖然暫時(shí)的增加了成本，但這些垃圾處理機(jī)械增加了使用率和壽命，由于較高效率的處理垃圾使這些機(jī)械平均使用成本降低。由系統(tǒng)定義的操作可以保證在不同的垃圾流速下分揀的準(zhǔn)確性，大大減少了因?yàn)槠谠斐傻娜斯し謷`差。

國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了各類智能垃圾分類處理技術(shù)，如：英國(guó)恩派特在垃圾分揀上申請(qǐng)了物料剪切撕扯設(shè)備專利、料斗式打包機(jī)專利、油桶壓扁機(jī)專利等等。從工業(yè)應(yīng)用上來看，目前國(guó)內(nèi)在垃圾智能分揀的實(shí)現(xiàn)上大多數(shù)是分類別的垃圾分揀，如攀奇的150全自動(dòng)垃圾分揀機(jī)針對(duì)的主要問題是建筑垃圾、恩派特的垃圾分選機(jī)針對(duì)的主要問題是生活垃圾、輕石的自動(dòng)提升上料系統(tǒng)針對(duì)的則是廚余垃圾。它們因?yàn)榧夹g(shù)原理的不同，每個(gè)設(shè)備僅僅只能基于一類垃圾上進(jìn)行分類，更適應(yīng)小范圍為大量產(chǎn)生固定垃圾的場(chǎng)所，如建筑工地或聚集性的餐飲行業(yè)，針對(duì)這一類垃圾的不同性質(zhì)可以快速的進(jìn)行分揀。與上述工業(yè)垃圾分揀的不同，廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自2014年起投放了一批智能垃圾分類垃圾桶[2]。這種智能垃圾桶是通過人工初步分揀垃圾，再經(jīng)過儀器的識(shí)別判定該分類是否準(zhǔn)確。這種方式可以依托于居民垃圾分類的意識(shí)，通過刷卡開放垃圾桶，同時(shí)記錄下垃圾投放者的身份與投放時(shí)間并自動(dòng)識(shí)別垃圾分類是否準(zhǔn)確，利用數(shù)據(jù)管理垃圾分類。

三、基于機(jī)器視覺的智能垃圾分揀系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺的智能垃圾分揀系統(tǒng)是一種結(jié)合圖像識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)械手臂智能控制和云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)的系統(tǒng)，能共享不同智能機(jī)器人的廢棄物識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合提供圖像到感知學(xué)習(xí)與機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垃圾分類的自動(dòng)化、高效化、智能化。智能垃圾分揀機(jī)器人的工作原理主要如下：

1. 基于機(jī)器視覺進(jìn)行垃圾分揀。首先，智能垃圾分揀機(jī)器人具有圖像識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以識(shí)別垃圾的不同形態(tài)與系統(tǒng)的圖片庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，在達(dá)到一定對(duì)比度后可以準(zhǔn)確的抓取垃圾放入對(duì)應(yīng)的垃圾回收筐中。機(jī)器視覺的實(shí)現(xiàn)又大致分為以下幾個(gè)步驟：第一步，存入大量圖片，使模型進(jìn)行深度學(xué)習(xí)Tensorflow庫(kù)生成訓(xùn)練結(jié)果。第二步，進(jìn)行圖像處理與識(shí)別，識(shí)別系統(tǒng)通過閾值處理、圖像增強(qiáng)、高斯模糊等圖像預(yù)處理技術(shù)識(shí)別攝像頭拍攝的照片并使用Tensorflow庫(kù)將訓(xùn)練好的模型分析經(jīng)過圖像預(yù)處理后的圖像。給出圖片在庫(kù)中所有圖片的對(duì)比度，將對(duì)比度大于90%的圖片類別認(rèn)定為垃圾分類的類別[3]。視覺分析結(jié)束后機(jī)械臂通過對(duì)應(yīng)類別傳入進(jìn)系統(tǒng)的信號(hào)將垃圾放入不同的垃圾回收框中。

2. 系統(tǒng)的自動(dòng)更新與學(xué)習(xí)。若垃圾分揀過程中出現(xiàn)無法識(shí)別的物體，將由人工再次進(jìn)行判斷，同時(shí)將人工判斷結(jié)果對(duì)未識(shí)別出物體的各個(gè)形態(tài)圖片加入庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的更新。除此，云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)共享不同智能機(jī)器人的廢棄物識(shí)別經(jīng)驗(yàn)，使所有能連接云端的垃圾分揀機(jī)器人實(shí)現(xiàn)資源共享，增添機(jī)器人對(duì)垃圾識(shí)別的經(jīng)驗(yàn)，識(shí)別能力以及準(zhǔn)確度可以大大提升。

3. 機(jī)械手臂的智能控制。針對(duì)垃圾的形態(tài)各異、輕重差異，機(jī)械手臂不僅僅是簡(jiǎn)單的抓用 TB6600驅(qū)動(dòng)器和57步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了垃圾桶的自動(dòng)選擇功能。TB6600是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用TB6600控制機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的正反轉(zhuǎn)控制、旋轉(zhuǎn)角度控制等，且相對(duì)于其他的驅(qū)動(dòng)器TB6600具有振動(dòng)小、噪聲低、速度快等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，控制57步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，將垃圾選擇視覺處理中分析得到的垃圾類別對(duì)應(yīng)的垃圾桶進(jìn)行垃圾自動(dòng)投放[4]。

四、結(jié)語

智能垃圾分類系統(tǒng)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展提高人民生活質(zhì)量的一大應(yīng)用，它能擺脫因人力資源而制約的效率問題，帶來資源再利用、保護(hù)環(huán)境等好處。基于機(jī)器視覺的智能垃圾分揀系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)、圖片識(shí)別等技術(shù)的垃圾分揀系統(tǒng)將垃圾進(jìn)行精確、快速的分類，較人工分揀平臺(tái)回收垃圾的速度和精確性上有了極大的改善。通過智能垃圾分揀系統(tǒng)將垃圾進(jìn)行分類，垃圾的循環(huán)利用變得智能化，也對(duì)人力、環(huán)境資源起到了最大化的利用，實(shí)現(xiàn)垃圾回收工作的無人化和各行各業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。未來，我們將不斷從技術(shù)上升級(jí)，對(duì)智能垃圾分類進(jìn)行更深入的實(shí)踐探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許婧. 上海每天產(chǎn)生生活垃圾2萬多噸，將推分類減量[EB/OL]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1627760129571831217&wfr=spider&for=pc， 2019-03-12.

[2] 王毅. 我國(guó)城市垃圾分類系統(tǒng)工程實(shí)施中的問題與對(duì)策[J]. 城鄉(xiāng)建設(shè)， 2019（23）：4.

[3] 劉旭東， 張艷芬， 趙俊杰. 基于ROS和計(jì)算機(jī)視覺的智能垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子制作， 2020（23）：45-60.

[4] 余驍， 劉碩. 基于深度學(xué)習(xí)與單片機(jī)的智能垃圾分類系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2021， 11（12）：107-109.