В данной статье рассмотрена проблема автоматической сортировки мусора с применением нейросетевых технологий и компьютерного зрения. Рассмотрены существующие технологические решения мусорных баков с автоматической сортировкой мусора, проведен сравнительный анализ, выявлены недостатки. Предложено решение в виде аппаратно-программного средства. Описан принцип работы устройства и его технологические особенности.
Ключевые слова: нейронные сети; сортировка мусора; компьютерное зрение; распознавание отходов; баки для автоматической сортировки.
В настоящее время наиболее актуальной проблемой является сортировка и переработка мусора. В 2019 году на саммите ООН, 16-летняя девочка из Швеции своим докладом вызвала огромный резонанс по всему миру [1]. С данной проблемой пытаются бороться во всем мире. Переработка различного типа отходов позволяет существенно экономить как денежные, так и природные ресурсы. В актуальности данной проблемы можно убедиться самостоятельно, взглянув на городскую инфраструктуру, которая оснащена баками для раздельного сбора мусора. Но у всего есть недостатки, и у данного метода решения проблемы они тоже есть. У ручного способа сортировки отходов существует такой недостаток, как человеческий фактор, который не учитывается в первичном разделение отходов в городской среде. Большинство людей, выбрасывающих мусор в специальные контейнеры, даже не задумываются в какой отсек нужно положить отходы, поэтому часто выбрасывают — «куда попало». Остальным гражданам, которым не безразлична данная проблематика, приходится тратить какое-то количество времени, чтобы остановиться, прочитать и подумать в какой отсек выбросить мусор. Именно поэтому данный способ сортировки не является эффективным. Данную проблему можно решить автоматизацией всего цикла сортировки и переработки мусора.
Актуальность представленной темы неоднократно подтверждена, многие развитые страны занимаются разработками для мусороперерабатывающей промышленности. Проанализировав разработки, мы можем увидеть, что сортировочное оборудование создается не только для применения его на мусороперерабатывающих и мусоросжигательных предприятиях, но и для внедрения его в городскую среду в виде специальных мусорных баков с автоматической сортировкой. Конструкция бака представляет собой специальный контейнер, оснащенный несколькими отсеками для разного типа мусора, а также, микропроцессорной системой управления и датчиками для распознавания различных видов мусорных отходов и управления сортировочной платформой.
Принцип работы такого бака заключается в следующем. Человек, который хочет выбросить свой мусор, подходит к данному баку и просто помещает в его в отсек. Далее, система функционирует автоматически. В специальном отсеке находится датчик, который получает информацию об объекте и передает на ее на вычислительное устройство. Это устройство определяет тип мусора и отправляет управляющий сигнал сортировочной платформе, которая перенаправляет объект в необходимый отсек. Главным преимуществом таких баков является то, что на этапе сортировки практически полностью снимается нагрузка с человека.
В связи с развитием технологий компьютерного зрения и нейронных сетей активно расширяются и области их применения. Проанализировав рынок технологических решений, было выделено несколько наиболее перспективных разработок различных специалистов по всему миру. Подробно рассмотрим данные решения.
Компания Cambridge Consultants представила баки для сортировки мусора, работающие с применением технологий машинного обучения и компьютерного зрения [2]. Бак оснащен четырьмя отсеками для разного рода мусора и платформой для его определения. Человек помещает свой объект на данную платформу, далее, система определяет тип мусора и в соответствии с требуемыми категориями, необходимый отсек, в который, человеку нужно переместить свой мусор, подсвечивается зеленым цветом. Главным недостатком данной разработки является то, что человеку все равно приходится тратить какое-то время на сканирование своего мусора и в последствии, перемещения его в необходимый отсек.
Следующую разработку под названием Bin-e представила компания Interseroh [3]. Данный мусорный бак представляет собой прямоугольную конструкцию, длинной 140 см, высотой 120 см и толщиной 60 см, оснащенную несколькими отсеками для каждого рода мусора и специальной сортировочной платформой. Сортировка мусора происходит посредством данной платформы, которая осуществляет горизонтальное перемещение над контейнерами. Человек помещает объект в специальный отсек, далее, встроенный компьютер получает его изображение и с помощью технологий компьютерного зрения и нейронных сетей обрабатывает и определяет какой объект, находится в отсеке. В результате обработки изображения на сортировочную платформу поступает необходимый управляющий сигнал, посредством которого, происходит перемещение отсека в сторону, где находится требуемый контейнер и сбрасывает в него наш объект. Данный мусорный бак имеет несколько существенных недостатков таких, как стоимость и габариты конструкции. Приблизительная стоимость составляет 5,800 долларов. Чтобы внедрить такие баки в городскую инфраструктуру, государству понадобилось бы потратить значительную часть бюджета. Очевидно, что закупка и обслуживание данной разработки экономически не целесообразно для государства.
Выше было подробно рассмотрено две наиболее перспективные разработки для первичной сортировки отходов в городской среде. На основе проведенного бенчмаркинга, эти и многие другие технологические предложения, была составлена концепция разработки, в которой отсутствуют основные недостатки существующих аналогов.
Основная идея заключалась в том, чтобы реализовать компактное и недорогое решение. Нами предполагается, что конструкция будет представлять собой цилиндрический бак, оснащенный четырьмя отсеками для каждого типа мусора, сортировочной платформой, микрокомпьютером, сервомоторами и камерами. Микрокомпьютер будет получать изображения с камеры и обрабатывать их с целью определения типа мусора. Далее управляющий сигнал будет поступать на сервомоторы, которые начнут вращать платформу на определенный угол для перемещения мусора в необходимый отсек. Модель бака представлена на рисунках 1 и 2. По сравнению с мусорным баком «Bin-e», габариты данной конструкции планируется уменьшить в 1,5 раза. Также, хотелось бы отметить, что на реализацию данного проекта была оказана поддержка с стороны Фонда Содействия Инновациям.
Рис. 1. 3d-модель бака в разобранном виде
Рис. 2. 3d-модель бака в собранном виде
Анализируя рынок предлагаемых решений для сортировки отходов с применением компьютерного зрения и нейронных сетей можно увидеть, что ведутся разработки как для городской среды, так и для мусоросжигательных и мусороперерабатывающих предприятий. На текущий момент сортировка по большей части осуществляется с помощью ручного труда. Из-за тяжелых условий труда, данная работа высоко оплачивается, в связи с чем, государство выделяет большие ресурсы на обеспечение работоспособности таких предприятий. С развитием данных технологий и появлением новых разработок для сортировки отходов с целью внедрения их на предприятия, можно было бы полностью избавится от ручного труда, что привело бы к значительному снижению затрат государства и улучшению экологической обстановки.
На данный момент большая часть разработок направлены на создание автоматических баков. Этому есть несколько объяснений: низкая стоимость комплектующих, простота в реализации для последующей автоматизации всего цикла сортировки и переработки отходов. Ключевая технология заключается в том, чтобы обучить нейронные сети определять тип материала с помощью камеры, что на данный момент, тяжело осуществить.
В заключение мы можем отметить, что из-за большого числа разрабатываемых автоматических баков с применением данных технологий появляется все больше работоспособных образцов. Это свидетельствует тому, что в ближайшие годы мы сможем увидеть реальный продукт на наших улицах в различных городах по всему миру. Данные решения позволят автоматизировать, как минимум, первичную сортировку отходов. Но мы уверены, что это станет отправной точкой для создания нового оборудования для предприятий и, совсем скоро, позволит автоматизировать полный цикл сортировки отходов, что позволит экономить денежные и природные ресурсы.
Литература:
1. Воронин Н. Грета Тунберг обвинила ООН в пустословии. Чем ответил климатический саммит? / Н. Воронин — Текст: электронный // BBC: Интернет-издание. — URL: https://www.bbc.com/russian/features-49800855 (дата обращения: 13.05.2020).
2. Интернет-ресурс: Cambridge Consultants: сайт. — URL: https://www.cambridgeconsultants.com/press-releases/smarter-way-recycle (дата обращения: 13.05.2020) — Текс: электронный
3. Интернет ресурс: interseroh zero waste solutions: сайт — URL: https://www.interseroh.pl/en/services/modern-devices-and-machines/bin-e/ (дата обращения: 13.05.2020) — Текст: электронный.
