Умная мусорка — классификация мусора на фракции

Cуть предложения — WORM-E Smart Bin направлен на создание интеллектуальной системы автоматической сортировки бытового мусора с использованием нейросетевого машинного зрения. Устройство распознает и классифицирует отходы (пластик, металл, стекло, тетрапак, бумага) для эффективной переработки и оснащено камерами, датчиками и компакторами для экономии места.

Введение

Цель проекта WORM-E Smart Bin — разработка инновационного решения для автоматической сортировки бытового мусора, направленного на улучшение экологической обстановки и повышение эффективности переработки отходов. В результате данного проекта будет создано интеллектуальное устройство, способное с высокой точностью и скоростью распознавать и классифицировать различные виды отходов, такие как пластик, металл, стекло, тетрапак и бумага.

Решение состоит из нескольких ключевых компонентов: узел регистрации, обеспечивающий качественную съемку и подготовку изображений мусора; интеллектуальная система классификации, основанная на нейросетевом машинном зрении, для точного распознавания и определения категории отходов; и аппарат для сортировки, включающий камеры, датчики и компакторы для компрессии и экономии места.

Outdoor/Office version of Smart Bin.

Боль-Запрос

Низкий уровень знаний населения о правильной сортировке мусора.

→ Создание устройства, которое автоматически сортирует мусор, уменьшая необходимость знаний о переработке у пользователей.

Низкая мотивация населения к сортировке мусора.

→ Возможность для людей зарабатывать деньги, сдавая отсортированный мусор.

Сложность и трудоемкость ручной сортировки мусора.

→ Разработка автоматизированной системы, которая самостоятельно распознает и классифицирует различные типы отходов.

Разнообразие типов мусора и необходимость точной классификации.

→ Использование нейросетевого машинного зрения для высокой точности распознавания и классификации отходов.

Ограниченное пространство для хранения и сортировки мусора.

→ Включение компакторов для компрессии мусора и экономии места внутри устройства.

Необходимость в качественной и устойчивой предобработке изображений мусора.

→ Разработка узла регистрации с системой подсветки и камер для съемки и цифровой предобработки изображений мусора.

Высокие требования к скорости и точности работы системы классификации.

→ Интеграция современных алгоритмов нейросетевого машинного зрения, обеспечивающих высокую производительность и точность классификации в реальном времени.

Высокие затраты на внедрение и поддержку традиционных систем сортировки мусора.

→ Создание компактного и автономного устройства, которое можно легко интегрировать в существующие инфраструктуры.

Недостаток систем, способных обрабатывать различные виды отходов в одном устройстве.

→ Разработка универсального решения, способного сортировать пластик, металл, стекло, тетрапак и бумагу.

Ограниченные данные для обучения и тестирования моделей нейросетевого машинного зрения.

→ Подготовка большого размеченного набора данных с фотографиями и классами мусора, а также применение методов искусственного расширения выборки.

Необходимость в комплексном решении, включающем как аппаратные, так и программные компоненты.

→ Разработка полного программно-аппаратного комплекса, который включает узел регистрации, систему классификации и аппарат для сортировки и компрессии мусора.

Описание проекта

Проект WORM-E Smart Bin представляет собой разработку уникальной системы автоматической сортировки мусора, направленной на существенное улучшение процессов утилизации отходов.

Цели проекта

Цели проекта:

Создание интеллектуальной системы для автоматической сортировки бытового мусора.
Повышение эффективности переработки отходов.
Разработка устройства для распознавания и классификации различных типов мусора.
Уменьшение сложности процесса сортировки мусора для населения.
Стимулирование сдачи отсортированного мусора через возможность получения дохода.

Выполненные задачи

Исследование и анализ:

— Анализ существующих методов сортировки мусора и их недостатков.
— Изучение возможностей применения нейросетевого машинного зрения для классификации отходов.

Разработка аппаратного модуля:

— Создание узла регистрации, включающего систему подсветки и камеры для съемки мусора в различных спектрах (видимый, ИК, УФ).
— Разработка системы компакторов для компрессии отходов и экономии места внутри устройства.

Создание программного обеспечения:

— Разработка алгоритмов цифровой предобработки изображений (обрезка, отбор кадров, склейка и нормализация изображений).
— Создание нейросетевой модели компьютерного зрения для распознавания и классификации мусора.

Подготовка данных для обучения:

— Сбор и разметка набора данных, включающего ~1,000 объектов и ~6,000 изображений мусора, распределенных по 6 категориям (пластик, металл, бумага, стекло, тетрапак, остальной мусор).
— Применение методов искусственного расширения выборки данных (data augmentation) для улучшения качества обучения модели.

Обучение и тестирование модели:

— Выбор архитектуры нейросети (EfficientNet) и параметров модели (функции активации, функционал ошибки).
— Обучение модели с использованием фреймворка PyTorch.
— Тестирование модели на точность и скорость работы.

Интеграция системы:

— Интеграция модели компьютерного зрения в общий программный конвейер.
— Объединение аппаратных и программных компонентов в единое устройство.

Проведение испытаний:

— Реальные тестирования устройства в условиях различного мусора и оценка его производительности.
—Внесение необходимых улучшений и корректировок по результатам тестирования.

Длительность проекта

Общая длительность проекта — 3 месяца

Команда

1 Data Science Lead
2 Data Scientists (CV Engineers)
1 backend developer
Команда разметки

Стоимость реализации проекта

Общая стоимость проекта составила ~ 35k USD

Решение

Схема сортировки

В рамках проекта было выполнено следующее

Исследование и подготовка:

— Проведено детальное исследование существующих методов сортировки отходов для выявления их недостатков.
— Проанализированы возможности использования нейросетевых технологий для автоматической классификации мусора.

Аппаратное обеспечение:

— Разработан модуль регистрации, включающий подсветку и камеры, которые снимают мусор в различных спектрах (видимый, ИК, УФ).
— Создана система для прессования отходов, что позволяет экономить пространство внутри устройства.

Программное обеспечение:

— Написаны алгоритмы для обработки изображений, включая кадрирование, фильтрацию, объединение и нормализацию.
— Обучена нейросетевая модель для распознавания и классификации различных типов мусора с использованием машинного зрения.

Подготовка данных:

— Сформирован и размечен большой набор данных, включающий около 1,000 различных объектов и 6,000 изображений мусора, классифицированных по шести категориям (пластик, металл, бумага, стекло, тетрапак, прочий мусор).
— Использованы методы увеличения объема данных (data augmentation) для улучшения качества обучения модели.

Обучение и тестирование:

— Выбрана архитектура нейросети EfficientNet и настроены параметры модели, включая функции активации и методы оценки ошибок.
— Обучение модели выполнено на платформе PyTorch.
— Проведено тестирование модели для оценки её точности и скорости работы.

Интеграция и разработка системы:

— Модель машинного зрения интегрирована в общий программный конвейер устройства.
— Аппаратные и программные компоненты объединены в единое функционирующее устройство.

Испытания и улучшения:

— Проведены полевые испытания устройства в различных условиях, чтобы оценить его производительность в реальных сценариях.
— Внесены корректировки и улучшения на основании результатов тестирования для оптимизации работы системы.

Результат проекта

В рамках проекта WORM-E Smart Bin были выполнены следующие задачи

Разработка аппаратной части:

— Создан узел регистрации, включающий систему подсветки и камеры для съемки мусора в различных спектрах (видимый, ИК, УФ).
— Разработана система компакторов для компрессии мусора, что позволяет экономить место внутри устройства.

Создание программного обеспечения:

— Разработаны алгоритмы цифровой предобработки изображений, включая обрезку, отбор кадров, склейку и нормализацию изображений.
— Создана нейросетевая модель компьютерного зрения для распознавания и классификации мусора.

Подготовка данных для обучения:

— Собран и размечен набор данных, включающий ~1,000 объектов и ~6,000 изображений мусора, распределенных по 6 категориям (пластик, металл, бумага, стекло, тетрапак, остальной мусор).
— Применены методы искусственного расширения выборки данных (data augmentation) для улучшения качества обучения модели.

Обучение и тестирование модели:

— Выбрана архитектура нейросети EfficientNet и определены параметры модели, включая функции активации и функционал ошибки.
— Модель обучена с использованием фреймворка PyTorch.
— Проведено тестирование модели на точность и скорость работы.

Интеграция системы:

— Модель компьютерного зрения интегрирована в общий программный конвейер.
— Объединены аппаратные и программные компоненты в единое функционирующее устройство.

Проведение испытаний:

Результаты испытаний проекта WORM-E Smart Bin

Эти результаты демонстрируют улучшение показателей точности, полноты и F1-оценки для большинства категорий мусора после оптимизации модели.

Релевантность

Экологическая устойчивость:

Сортировка и переработка отходов играют критическую роль в снижении негативного воздействия на окружающую среду. Автоматическая система сортировки мусора помогает эффективно перерабатывать отходы, уменьшая объемы полигонов и снижая загрязнение.

Улучшение качества переработки:

Высокая точность и скорость распознавания и классификации мусора, достигаемые с помощью нейросетевого машинного зрения, значительно повышают качество переработки. Это приводит к более чистым и пригодным для переработки материалам.

Снижение нагрузки на людей:

Автоматизация процесса сортировки мусора снижает необходимость ручного труда, что особенно актуально в условиях больших объемов отходов. Это также минимизирует контакт людей с потенциально опасными материалами.

Экономическая выгода:

Возможность для людей зарабатывать деньги, сдавая отсортированный мусор, стимулирует общество к более ответственному отношению к отходам. Это также может способствовать созданию новых рабочих мест в сфере переработки и управления отходами.

Социальная ответственность:

Повышение уровня осведомленности населения о важности сортировки и переработки отходов способствует формированию экологически ответственного поведения. Проект WORM-E Smart Bin вносит вклад в образовательные и социальные инициативы по улучшению экологической культуры.

Технологическое развитие:

Использование передовых технологий, таких как нейросетевое машинное зрение и автоматизация, демонстрирует возможности современных инноваций в решении экологических проблем. Проект способствует развитию и внедрению высокотехнологичных решений в области экологии.

Преимущества продукта

Высокая точность и эффективность сортировки:

Использование нейросетевых моделей компьютерного зрения обеспечивает высокую точность распознавания и классификации различных типов мусора. Это позволяет значительно улучшить качество сортировки и переработки отходов.

Автоматизация процесса:

Полная автоматизация процесса сортировки мусора снижает необходимость ручного труда, что экономит время и усилия пользователей, а также минимизирует контакт с потенциально опасными отходами.

Экономия пространства:

Система оснащена компакторами, которые сжимают мусор, что позволяет значительно экономить пространство внутри контейнера и уменьшить частоту его опустошения.

Стимулирование переработки:

Возможность зарабатывать деньги, сдавая отсортированный мусор, стимулирует людей к участию в программе переработки, повышая общий уровень вовлеченности и ответственности за окружающую среду.

Образовательный эффект:

Проект повышает осведомленность населения о важности сортировки и переработки отходов, способствует формированию экологически ответственного поведения и улучшению экологической культуры.

Универсальность и адаптивность:

Система способна распознавать и сортировать различные типы отходов, включая пластик, металл, бумагу, стекло, тетрапак и другие. Это делает ее универсальной и подходящей для различных условий и мест.

Снижение экологического следа:

Эффективная сортировка и переработка отходов помогают снизить объемы мусора, отправляемого на полигоны, уменьшая загрязнение окружающей среды и способствуя устойчивому развитию.

Технологическое превосходство:

Проект демонстрирует возможности применения современных технологий, таких как нейросетевое машинное зрение и автоматизация, в решении экологических проблем. Это способствует развитию и внедрению высокотехнологичных решений в сфере экологии.

Экономическая выгода:

Эффективное управление отходами и переработка могут привести к снижению затрат на утилизацию и создать новые экономические возможности, такие как продажа переработанных материалов и создание новых рабочих мест.