5G 技术在生活垃圾处置全链条中的应用探索

任 咏

（中移（上海） 信息通信科技有限公司，上海 200001）

1 引言

随着城市的扩张和高速化发展，越来越大的城市规模和急剧增长的人口数量都使得城市生活垃圾的数量与日俱增，对环境和人类的健康造成了较大影响，为此采用了详尽的收集-运输-处置的全过程处置，从源头到终点管控，实现了对城市生活垃圾无害化、资源化、减量化的处置目标［1］。在全链条的管控处置过程中，如何能够针对每个环节提升效率、保障绿色安全生产、加强监管、信息公开、产业链协同，打造一个全过程可视化、可监控、可预警的智能生活垃圾处理产业链是当前面临的一个问题和挑战［2］，是在居民体验、公共安全和生态环境方面的必要要求，也是当前对环境卫生工程行业的一大挑战。随着2019 年第五代移动通信（5G） 全面商用启动，“万物互联”成为可能。本研究综合国内外最新对环境卫生行业全链条数字化和智能化的认识实践，基于5G 技术耦合云计算、大数据、人工智能等新技术，探索其在生活垃圾处置全链条中的应用对行业产生的经济价值和社会价值。

2 生活垃圾各环节问题现状和智能化应用目标

1） 针对垃圾分类收集，尽管目前有地方法规引导实施，但监管和引导措施依赖于社区工作人员，无法实现长期合理的技术监督，存在分类监管难、环保意识缺乏、管控效率低等问题。

2） 垃圾运输转运，目前以定时、定点路线的收集和转运为主，依赖人工、整体劳动强度大、工作条件恶劣，随着自动驾驶等技术的演进，在运输转运阶段推动少人化/无人化，以及基于实时信息的综合调度逐步成为可能。

3） 在资源化利用过程中，存在复杂的生物、化学、物理变化，涉及到的多种状态参数需要依赖充分的状态感知，确保工艺连续稳定及对周围环境不产生负面影响，目前已有物联网技术在此领域的应用，但是如何将采集和存储的数据充分进行挖掘使用，打破各数据源之间的壁垒，从而指导工艺优化，是当前主要的矛盾点。

4） 在垃圾无害化处置方面，我国生活垃圾组分复杂，对以焚烧为代表的无害化处置工艺干扰大，影响环境污染物排放和正常生产的稳定性、连续性，故对于来料的分拣分类、连续稳定给料都提出了新的挑战。通过对关键工艺设备的实时数据监控、重要污染物排放的自动监控预警，可有效降低或消除源头组分复杂性带来的负面作用，也是提升无害化处置效率的重要手段和方向。此外，如何对目前快速增长、广泛分布的无害化处置装置全面监控，从生产安全、环境安全角度进行统一管理，也需要更多新技术的应用创新。

针对上述问题，依托5G 技术，融合云计算、物联网、人工智能、边缘计算、大数据等技术，旨在推动生活垃圾全链条处置数字化和智能化，包括在垃圾收集分类、垃圾运输转运、资源化利用、垃圾无害化处置链条中，实现对人机料环的数字化信息采集、传输、存储、处理和服务，实现对垃圾、设备、人员、车辆、周围环境的全面感知、智能分析、科学决策、及时响应［3-4］。如可为垃圾收集分类提供实时动态的监控和周期季节性预测；为运输转运能力提供实时转运能力优化建议并根据源头情况进行智能调度；为资源化利用和无害化处置厂站提供准确计量、智能控制、实时性全面监管，为城市生活垃圾全链条协同联动提供可能。

3 5G 技术在生活垃圾处置全链条的应用

3.1 5G+边缘计算技术应用

5G 技术具有高带宽、广连接、低时延3 大技术特点，并在设计之初即考虑边缘计算和切片计算两大新能力。边缘计算作为5G 新功能，是计算、存储等资源和能力从中心云向现场边缘侧的延伸，在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等基础服务，解决了中心云计算部署带来的时延高、带宽占有高的问题［5］。针对生活垃圾收集分类环节，随着智能垃圾分类设备能够对投放量、满桶状态、清运记录、故障记录等数据进行收集，考虑到大量的广泛分布收集点，产生的海量数据会对中心云计算产生极大压力。采用5G 边缘计算的能力，可以在一定区域中，实现对数据的初始过滤、清洗、转化，并可根据需要进行运算分析，直接给出决策者可使用的结论和结果；在运输转运环节，5G+边缘计算提供的低时延快速决策是支撑未来向无人驾驶演进的重要技术基础，也是快速区域实时智能调度的实现路径；在资源化利用和无害化处置环节，给料智能化控制、处置工艺优化、排放数据实时监控也均是边缘计算的重要应用。其原理如图1 所示。

图1 5G+边缘计算应用原理示意

3.2 基于5G 的物联网与云计算数据应用

收集分类、资源化利用和无害化处置环节，涉及到的设备较多，数据庞大，单纯的人工管理和分析无法满足生产需要［6-7］，而广泛庞杂的感知元件接入也对传统的有线数据采集方式提出了挑战。5G 无线通信网络支撑下的每平方公里百万量级的物联网接入能力，使得对设备、物料、人员、环境的全面感知成为可能，解决了原有数据接入改造成本高、自组网无法便捷连通共享的不利因素。另外，利用云计算基于与主流工业控制系统（DCS 系统、FCS 系统、SCADA 监控系统） 等过程控制层数据打通对接［8］，实现生产实时数据的归集，发挥云计算的预算能力，针对数据开展存储、分析、训练，得到适用于生产决策优化的模型，实现基于经验自动判断的监测和控制新模式。特别是对于生活垃圾无害化处置中的泵和风机等高耗能、易损坏的转动设备，基于物联网和云计算的大数据应用，可以为设备的运行状态评分，并针对性地提供分时分项耗能分析、设备故障预警、故障统计和大修编排等决策信息，提高设备使用率、降低生产成本。基于物联网和云计算的生产实时状态监控和数据应用示意如图2所示。

图2 基于物联网和云计算的生产实时状态监控和数据应用示意

3.3 GIS+5G 高精度定位技术应用

基于地理信息系统与高精度定位的应用示意如图3 所示。

图3 基于地理信息系统与高精度定位的应用示意

目前整个生活垃圾处置全链条已经上下游衍生多个主体，利用地理信息系统（GIS） 技术，可以将从源头到终端的各环节，用可视化的方式连接起来。针对各个环节中，各收集站点、转运站点、资源化利用和无害化处置点的位置坐标、额定能力、当前实时状态等信息，均在一张图上展示，实现对各基础数据资源的集中可视化管理。而5G+高精度定位系统能力，能够将生活垃圾从源头实现跟踪，对运输过程全程监控追溯、直至资源化利用和无害化处置，并能根据实时反馈的转运需求，进行动态调节。此追溯过程的详实展示和关键数据保障，可切实解决生活垃圾处置过程中信息透明和信息公开的问题，为民众理解、接纳和支撑环境卫生行业提供必要的基础。此外，基于高精度定位技术的智能辅助驾驶和无人驾驶也是明确的发展方向和趋势。

3.4 基于5G 的增强现实AR 技术应用

5G 技术的大带宽和低时延特点大幅提升了增强现实（AR） 技术的体验和应用效果，AR 技术可以实现初步的数字孪生概念，重新定义了数据可视化与可交互数据的方式。AR 技术可以通过模型叠加方式为员工开展浸入式场景培训，实现新员工技术导入、复现检修场景、安全教育等。其依赖5G 无线网络的高清视频和音频的双向回传，可以实现现场人员与集控中心专家远程实时沟通，并通过AR 眼镜类终端的便携显示方式，实现问题识别、可视化指引检修，此方式能够有效地解决专业技术专家数量有限、地域不均的稀缺情况，将远端的真实现场环境数字化，通过AR 的方式展现到专家眼前，利用信息的高效输送解决。如图4所示。

图4 5G+AR 现场指导示意

此外，物联网和云计算获取的工业控制系统实时数据可选择性地推送给现场人员，将生产各系统、设备的整体数字化状态参数信息与现实中设备和系统的状态表征叠加，供操作人员作出准确及时的判断，这也是提高各环节预测性维护及事故预防能力的有效途径。

通过5G 技术对垃圾处置各环节状态分别感知，统一汇聚到云计算，并开展创新数据应用，实现几个环节数据的孤岛打通，可以对不同环节相关数据进行关联性优化分析。除了能够实现各环节的局部最优效果外，还依托5G 技术为中心枢纽的数据互联特性，实现全链条各环节的协同优化，通过数据应用和算法开放得到全链条最优效果。将真实世界中以垃圾为中心的业务链条转变为以数据为核心的数字化链条。

4 生活垃圾处置全链条数字化和智能化的价值潜力

生活垃圾处置全链条数字化和智能化将帮助行业各环节挖掘更多价值，包括市场价值、社会价值、生态价值，能够对行业的发展带来深远影响，如垃圾无害化处置设施的数字化和智能化方案将有助于提高周围住户体验，基于对多种排放源和危险源的全面感知、环境监控和智能决策系统，能够尽可能减少污染，以最大的力度保护环境。从整体发展方向上，除了运行成本之外，生态环境成本也将被纳入经济成本整体考量。

4.1 经济价值

1） 降低运营成本、提升生产效率。在生活垃圾处理的3 个环节中，均面临较大的人工、车辆、设备调度和运维成本，生产过程中的耗油、耗电、耗材等数据可以通过5G 网络的广泛连接特性实现全面的监控，克服原有监控体系固定、集中式和难以横向扩展的问题。基于对数据的实时监控以及大数据的挖掘和分析，能够针对生产环节中的运输资源调度效率和周转速度、重点耗能设备、重点耗能工艺环节开展数据优化，与其他资源管理系统协同计算得到日级甚至小时级的综合运营成本数据，并能够根据历史趋势作出趋势判断，在保证服务质量的前提下减少资源消耗，降低运营成本。此外，利用5G 低时延的能力，将部分控制运算的能力集中到云平台数据能力上来，能使专业的运行人员将精力集中到关键工艺优化上来，关注重点问题、重点领域，提高整体生产效率。

2） 盘活现有资产。目前我国的环境卫生行业的发展逐步由“增量市场”向“存量市场”转型，经过多年的快速发展，生活垃圾处置全链条行业已经初步具备了很大的资产规模。以生活垃圾无害化处置行业为例，根据国家统计年鉴，截至2018 年，我国城市已建成生活垃圾无害化处置厂1 091 座，其中卫生填埋场为663 座，焚烧处理厂为331 座，近期每年新增逾70 座［9］。但已有的巨大资产存量（2012 年已超700 座） 伴随着的现有资产老化，关键设备维修、关键备品备件更换将进一步增加资产管理的压力，且链条上3 个环节优化的不同步性，将可能导致某个环节资产闲置。通过5G 技术将3 个环境的感知和运行数据收集起来，运用大数据和人工智能预测的方式，能够从全行业链条角度协同管理各环节的资产，通过开展预测性维护、上下游预测性协同等方式，提升资产利用率，提高资产可用性。

4.2 社会价值

人类健康及生态安全是公共事业的首要核心，通过5G 技术为中心的数字化手段，可以在3 个环节提高民众体验，保证民众监控，保障生态环境。收集分类环节除了民众意识提高和行为的配合，可以通过数字化智能化手段，为分类提供智能指引、反馈正向激励、记录不恰当档案，提高分类工作的可持续性，从源头促进分类工作开展；运输转运环节，可以通过各收集点的垃圾余量和库存数据的实时监控，实现运输车辆动态调度，资源优化，确保垃圾及时从收纳点清走，提升民众生活环境质量；垃圾无害化处置点的环境排放监控和公示，能够消除公众对垃圾无害化项目的不信任，且综合污染管控、智能决策和智能控制，能有效降低全生命周期的排放水平。

5 结束语

在生活垃圾收集分类、运输转运和无害化处置3 个环节中，5G+边缘计算能力提供了广泛的信息获取和接入；物联网和云计算数据应用能够将收集的数据充分发挥功效，挖掘并创新更多的经济价值和社会价值；GIS+5G 高精度定位技术，实现了对生活垃圾的源头跟踪，全程监控追溯；基于5G 的AR 技术的应用，实现了远程实时沟通，问题识别、可视化指引检修等。最终可以支撑城市管理者，打造一个各环节协同高效、对各要素实时感知、对最佳运营成效智能化优化决策的系统，助力形成灵活、高效、绿色、安全的环境卫生体系。