張紅亮，吳 兢，龔青山，吳 琪，陳如云

（1. 湖北省國瑞智能裝備股份有限公司，湖北 十堰 442000；2. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北 十堰442000； 3. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 44200）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)在人們的衣食住行中的作用日漸增加，生活中幾乎每個地方都有大數(shù)據(jù)的使用。大數(shù)據(jù)是在合理時間內(nèi)，對信息進(jìn)行拾取、管理、處理，并整理成為決策的依據(jù)?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)源于2008 年《Nature》雜志推出的“大數(shù)據(jù)”專欄；Viktor Mayer-Sch?nberger將大數(shù)據(jù)應(yīng)用商業(yè)中，此舉引發(fā)了商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ髷?shù)據(jù)方法的廣泛思考和探討。

如今大數(shù)據(jù)在很多方面都有研究和應(yīng)用，如交通、醫(yī)療、電子商務(wù)等。在城市環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的應(yīng)用中，田琦等認(rèn)為運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)+智慧環(huán)衛(wèi)管控體系可以讓環(huán)衛(wèi)作業(yè)更加符合科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)衛(wèi)管理及監(jiān)管模式也更為科學(xué)；Kang等基于物聯(lián)網(wǎng)建立了垃圾收集過程的應(yīng)用程序模型；某公司基于超聲波傳感器開發(fā)收集垃圾桶狀態(tài)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，可以直接了解垃圾桶的承載狀態(tài)。

文章針對城市的智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析。在國外的許多國家一直在對智慧城市和智慧環(huán)衛(wèi)進(jìn)行研究。 IBM于2008年在智慧城市建設(shè)方面提出了“智慧地球”的概念，并在2009年參加了首個智慧城市的建設(shè)；美國也在2010年開始發(fā)展智能智慧基礎(chǔ)設(shè)施和智能應(yīng)用，通過智慧城市帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

智慧環(huán)衛(wèi)的發(fā)展歷程經(jīng)歷了社會化、信息化、智能化、平臺化、生態(tài)化五個階段，在目前許多國家已經(jīng)發(fā)展到了高端生態(tài)化水平，這些國家不是一步到位的，而是每個階段都經(jīng)歷過，他們將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)融入智慧環(huán)衛(wèi)的建設(shè)中，使環(huán)衛(wèi)產(chǎn)業(yè)高效化、生態(tài)化。

國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為，智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)是智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的創(chuàng)建，目前，智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)面臨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用不足、平臺耦合度低、生命周期管控信息集成度低、環(huán)衛(wèi)信息化管理不到位等問題。文章針對智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)目前面臨的問題做了相關(guān)研究，并提出了智慧環(huán)衛(wèi)管控系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)基于云計算提出了多功能智慧環(huán)衛(wèi)管控系統(tǒng)，其可以根據(jù)需求安排資源調(diào)用量，節(jié)約了資源和經(jīng)濟(jì)成本，且效率較高。

該智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)有三方面優(yōu)點(diǎn)：①采用Faster RCNN目標(biāo)檢測算法進(jìn)行垃圾分類處理，分類效率較高；②利用蒲公英算法完成區(qū)域資源分配，通過GA算法優(yōu)化收運(yùn)路徑，找到最優(yōu)收運(yùn)路線，節(jié)約收運(yùn)成本；③通過建設(shè)智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)作業(yè)、人事資源管理和資源虛擬化。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 主要內(nèi)容

該系統(tǒng)是基于智慧環(huán)衛(wèi)“1+5”城市環(huán)衛(wèi)模式來開發(fā)環(huán)衛(wèi)智慧管控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括大數(shù)據(jù)決策中心、環(huán)境監(jiān)管可視化、治理流程數(shù)字化、安全管理預(yù)警化、管理決策智慧化和指揮調(diào)度平臺化。其中大數(shù)據(jù)決策中心在智慧環(huán)衛(wèi)管控中起主要的作用。智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)方案示意圖如圖1所示。

圖1 智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)方案示意圖

環(huán)衛(wèi)智慧管控系統(tǒng)整體包括展示、應(yīng)用、統(tǒng)計、分析、報表等，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能一體化，滿足不同功能需求。該系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)交換體系數(shù)據(jù)接口，且預(yù)留了充足的數(shù)據(jù)交互、聯(lián)動接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島的互動。在安全防護(hù)體系中，采用了多種加密手段，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對安全。

智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)有著嚴(yán)格的項(xiàng)目管控系統(tǒng)，該管控系統(tǒng)一共分為三層：集團(tuán)管控、多系統(tǒng)交互管控、智能化管控。其中，集團(tuán)管控以集團(tuán)群控為核心，建立群防集團(tuán)管控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)集團(tuán)業(yè)務(wù)縱向和橫向多角度比較，從而指導(dǎo)集團(tuán)發(fā)展方向和優(yōu)化業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)；多系統(tǒng)交互管控系統(tǒng)，建立了集環(huán)衛(wèi)、垃圾分類、收運(yùn)、處置、資源利用于一體的城市生化垃圾管理系統(tǒng)；智能化管控，利用多種傳感器、算法、分析手段，使得監(jiān)管、調(diào)度等工作更加智能化，實(shí)現(xiàn)降低成本、增加效率。項(xiàng)目管控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目管控系統(tǒng)

2.2 垃圾分類系統(tǒng)

目前，許多城市需要運(yùn)用人力資源對垃圾進(jìn)行分類，這樣的分類方式，效率低且垃圾分類的準(zhǔn)確性較差。該智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)中的垃圾分類系統(tǒng)主要是基于Faster RCNN目標(biāo)檢測算法，采用視覺識別的方法對垃圾進(jìn)行分類，分類準(zhǔn)確性和效率較高。

首先，當(dāng)垃圾進(jìn)入分類系統(tǒng)后，系統(tǒng)會對當(dāng)前垃圾生成特征圖片，然后會將特征圖片與數(shù)據(jù)庫中保存的圖片進(jìn)行比對分析，根據(jù)輪廓識別、特征識別、色彩識別、材質(zhì)識別等識別方法來尋找兩者之間的共同點(diǎn)。 若有共同點(diǎn)的，則系統(tǒng)會控制舵機(jī)，將該垃圾放入正確的分類區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對垃圾的精確分類；若數(shù)據(jù)庫中無相應(yīng)的圖片與之對應(yīng)，則系統(tǒng)就會將拍下來的圖片上傳與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫對比分析，以確保垃圾分類的準(zhǔn)確性。視覺識別系統(tǒng)流程，如圖3所示。

圖3 視覺識別系統(tǒng)流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 智慧環(huán)衛(wèi)云平臺架構(gòu)

基于云服務(wù)和云計算的智慧環(huán)衛(wèi)管控系統(tǒng)工程，其中云計算具有高性能、服務(wù)化、彈性伸縮、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為廣泛采用的新型IT基礎(chǔ)設(shè)施。在軟件設(shè)計中采用B/S架構(gòu)，符合UI設(shè)計原則。B/S架構(gòu)是瀏覽器和服務(wù)器之間進(jìn)行直接數(shù)據(jù)信息交換的軟件架構(gòu)，隨著Internet網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，B/S架構(gòu)是對C/S架構(gòu)的發(fā)展和完善。這種新的模式可以使得用戶更加方便地訪問到自己所需的信息；同時，它還具有良好的擴(kuò)展性，能夠根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展。其系統(tǒng)更新的便利性是B/S架構(gòu)成為當(dāng)今最流行的應(yīng)用軟件架構(gòu)的原因之一。

3.2 Faster RCNN目標(biāo)檢測算法

目標(biāo)檢測算法有單階段目標(biāo)檢測算法和雙階段目標(biāo)檢測算法兩種，雙階段目標(biāo)檢測算法是先提取候選框區(qū)域，然后根據(jù)建議框?qū)ξ恢眠M(jìn)行分類和回歸，得出最終的檢測框。雙階段目標(biāo)檢測算法由R-CNN、Fast R-CNN和Faster-RCNN代表。與單階段目標(biāo)檢測算法相比較，雙階段目標(biāo)檢測算法更加復(fù)雜和緩慢，但優(yōu)點(diǎn)是檢測精度更高。Faster-RCNN是雙階段目標(biāo)檢測算法的最佳代表，在檢測速度和訓(xùn)練速度方面均有提高。

Faster RCNN算法的工作原理是將圖像輸入一個卷積網(wǎng)絡(luò)，然后提取圖像的相應(yīng)特征圖并將其映射到RPN網(wǎng)絡(luò)，然后由RPN網(wǎng)絡(luò)自動找到目標(biāo)候選區(qū)域。最后，用Softmax分類器區(qū)分目標(biāo)和背景，用回歸框校正目標(biāo)區(qū)域的位置，然后確定目標(biāo)區(qū)域，完成檢測，并對垃圾進(jìn)行分類。

3.3 蒲公英算法

蒲公英智能優(yōu)化算法為解決優(yōu)化問題提供一種新的基礎(chǔ)算法，模擬蒲公英在繁殖過程中飄落生長的植物特性，以彌漫式并行搜索方式對解空間進(jìn)行搜索，直到找到最優(yōu)解為止。

在智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的垃圾運(yùn)輸方面，對于固定運(yùn)輸費(fèi)用問題，在考慮與運(yùn)輸有關(guān)的成本外，根據(jù)每個社區(qū)當(dāng)日的垃圾運(yùn)輸量、歷史作業(yè)量、位置數(shù)據(jù)、路況數(shù)據(jù)、時間因素等各種約束條件，利用蒲公英算法，自動求解和搜索多種資源配置方法，找到最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)合理調(diào)配運(yùn)輸資源，以滿足每個社區(qū)對于垃圾運(yùn)輸?shù)男枨螅瑥亩业竭\(yùn)輸成本最小的運(yùn)輸方案，降低成本。

3.4 GA算法

GA算法是借鑒達(dá)爾文進(jìn)化論和孟德爾遺傳學(xué)理論，模擬自然界生物進(jìn)化機(jī)制的一種隨機(jī)全局搜索優(yōu)化方法。其本質(zhì)是一種高效、并行、全局搜索的方法，能在搜索過程中自動獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識，并自適應(yīng)地控制搜索過程以求得最佳解。

GA算法需要將車輛路徑優(yōu)化問題看成目標(biāo)函數(shù)，將路況數(shù)據(jù)、時間因素等設(shè)置為約束條件，用染色體編碼方式對目標(biāo)函數(shù)編碼，然后再利用解碼方法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得到車輛運(yùn)輸?shù)淖罴崖窂剑岣咦鳂I(yè)效率。

4 智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺

智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺包括生產(chǎn)管理駕駛艙、數(shù)據(jù)經(jīng)營倉、作業(yè)實(shí)時管理、車輛實(shí)時管理、報警管理、電子圍欄、作業(yè)考核、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、作業(yè)優(yōu)化等。其中有主要有日常運(yùn)營KPI指標(biāo)、環(huán)衛(wèi)作業(yè)GIS圖以及報告環(huán)衛(wèi)作業(yè)預(yù)警信息。

日常運(yùn)營KPI包括作業(yè)量（車輛作業(yè)量、環(huán)衛(wèi)人員作業(yè)量、清掃垃圾量）、近一周的車輛及人員作業(yè)趨勢圖、總車輛數(shù)及在崗車輛數(shù)、總環(huán)衛(wèi)工人數(shù)及在崗工人數(shù)等。環(huán)衛(wèi)數(shù)據(jù)實(shí)時信息都可以在智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺中顯示；環(huán)衛(wèi)作業(yè)GIS圖主要是顯示環(huán)衛(wèi)作業(yè)車輛、人員等實(shí)時位置，其中不同顏色代表不同類型的車輛和人員；環(huán)衛(wèi)作業(yè)預(yù)報警信息能夠顯示車輛、人員違規(guī)操作滾動播報信息。例如車輛違規(guī)行駛出電子圍欄、區(qū)域未作業(yè)、人員離崗和人員串崗等，同時提供違規(guī)時間、編號等基本信息，便于進(jìn)一步查詢確定，方便系統(tǒng)對環(huán)衛(wèi)工作的管理。

數(shù)據(jù)管理倉包括環(huán)衛(wèi)GIS地圖（車輛、人員）、環(huán)衛(wèi)作業(yè)實(shí)時預(yù)警信息、環(huán)衛(wèi)實(shí)時作業(yè)數(shù)量、環(huán)衛(wèi)作業(yè)趨勢分析。

作業(yè)實(shí)時管理能夠?qū)崿F(xiàn)：①實(shí)時了解車輛軌跡、清運(yùn)過程、清運(yùn)狀態(tài)；②實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測車輛作業(yè)效果；③實(shí)時監(jiān)控車輛油耗；④即時報警信息；⑤超時未清掃報警和作業(yè)管控等。這樣可以有效快速的對環(huán)衛(wèi)工作進(jìn)行管理，提高了工作效率。

5 總結(jié)

1）基于云計算和智慧環(huán)衛(wèi)“1+5”城市環(huán)衛(wèi)模式開發(fā)一種多種功能一體化的智慧管控系統(tǒng)，滿足了不同功能需求。

2）在垃圾分類方面，使用視覺識別技術(shù)，將所拍的垃圾圖片與數(shù)據(jù)庫中的圖片比對，進(jìn)行分類。其次，采用了Faster RCNN目標(biāo)檢測，提高了垃圾分類的效率，降低了檢測分類出錯的概率。

3）在垃圾運(yùn)輸方面，利用蒲公英算法和GA算法進(jìn)行區(qū)域資源的合理配置和車輛路徑的優(yōu)化，可以降低成本，提高運(yùn)輸?shù)男省?/p>

4）在環(huán)衛(wèi)管理方面，建立了智慧環(huán)衛(wèi)全生命周期管理平臺對環(huán)衛(wèi)作業(yè)、人員和車輛等進(jìn)行管理，提高了環(huán)衛(wèi)工作的效率。