Сортировка мусора: зрение с интеллектом
Российская компания Nevlabs успешно сортирует мусор при помощи искусственного интеллекта
Уже около пяти лет Nevlabs (резидент «Сколково») разрабатывает и производит промышленные сортировщики отходов на базе искусственного интеллекта. А начиналась компания с разработки сайтов и интернет-магазинов, создания программного обеспечения на заказ.
Здесь работают не люди в спецовках, а сверточная нейронная сеть
Фото: Предоставлено Nevlabs
Здесь работают не люди в спецовках, а сверточная нейронная сеть
Фото: Предоставлено Nevlabs
К 2011 году сложилась команда знающих специалистов, имеющая хорошие наработки в области искусственного интеллекта. Можно было перестать работать на стороннего заказчика и перейти к созданию собственного продукта. Но в каком направлении двигаться?
Как работает мусоросортировочный завод
Сначала мусор попадает в устройство под названием «разрыватель пакетов», потом проходит этап предварительной сортировки, когда выбирают крупногабаритные отходы типа унитазов, деталей мебели и т. п. Это делают люди. Оставшиеся отходы поступают на грохот — простыми словами, сито, где остатки продуктов питания и мелкие фракции, как правило, меньше 70 мм, отделяются от других отходов. На этом этапе отсеивается большая часть органики.
После этого наступает очередь первого оптического сортировщика, который из этого потока отходов выбирает все пластики. Отобранный пластик попадает на следующий сепаратор, баллистический, который отделяет 3D-пластик, в том числе бутылки из-под воды, молока, йогуртов и других напитков, флаконы для косметики и шампуней, канистры, бутылки из-под моющих, чистящих, косметических средств, от 2D-, то есть двухмерных, материалов, таких как пакеты, пленка и т. д.
Конечный контроль осуществляет человек, однако доля ручного труда при использовании таких сортировщиков не превышает 10%.
Решить этот вопрос помогла случайность. Как-то во время поездки по Германии Александр Неволин, основатель и директор Nevlabs, зашел в ИКЕА. Магазин ничем не отличался от того, который работал тогда в подмосковных Химках, вот только контейнеров для сбора мусора там было не два и не три, а целых семь! «Я понял, что такое серьезное отношение к бытовым отходам рано или поздно придет в Россию, и решил заняться этой проблемой»,— вспоминает Александр. Тут-то и пригодились компетенции в области искусственного интеллекта.
Дельта-робот
Когда начали погружаться в проблему, выяснилось, что на Западе для сортировки мусора чаще всего используются оптические сортировщики. Мусор распознается методом спектрального анализа в инфракрасном диапазоне. Сортировщик легко отличает бумагу от пластика, один тип пластика от другого и т. д. Отходы едут по скоростному конвейеру, в конце которого стоит ряд форсунок. Когда мусор доезжает до конца конвейера, нужная форсунка активируется и сжатым воздухом отстреливает «свой» вид мусора в определенный контейнер.
Но оптический сортировщик достаточно сложно внедрять, объясняет директор Nevlabs. Его сложно установить на работающем предприятии — завод должен быть изначально спроектирован под его использование, поскольку ему нужно много места, нужен особый конвейер, большой и специально подготовленный объем отходов.
«И мы решили, что куда перспективнее сортировка с помощью промышленных роботов-манипуляторов,— рассказывает Неволин.— В мире это направление как раз начало развиваться, и у Nevlabs была возможность идти в ногу с новейшими западными разработками. Сначала мы планировали купить робота и установить на нем наше ПО, но единственный российский производитель долго не мог нам его продать, на именитые бренды из Германии и Японии денег не было, качество китайских изделий вызывало сомнения, и мы подумали — а давайте мы сами сделаем, вроде все просто выглядит».
Для сортировки отходов лучше всего подходит дельта-робот. Он состоит из трех систем рычагов, прикрепленных к основанию, а рабочим органом выступает присоска, которой он захватывает мусор, перетаскивает и выбрасывает в бак. Эта операция называется pick and place — «возьми и положи». «Наш дельта-робот способен выполнять до двух перекладок в секунду,— рассказывает Неволин.— Мы испытали его на нескольких заводах, и в целом он работал неплохо, но при сортировке мусора с ним возник ряд технических проблем, например, мусор сложной формы плохо присасывается, присоска довольно быстро забивается. В результате получилось, что один робот заменил всего одного человека, а срок его окупаемости составил пять лет. Поэтому тема с роботами на сортировке мусоре не пошла».
Зато им нашлось другое применение. Сегодня дельта-роботы «Экстремум» успешно трудятся в пищевой промышленности — укладывают конфеты, сосиски и другую продукцию.
Оптический сортировщик: точно такой же, но другой
И в Nevlabs вернулись к идее оптических сортировщиков для распознавания отходов, только решили применять не спектральный анализ, а искусственный интеллект. Этот метод гораздо дешевле, отмечает Неволин. Дело в том, что для спектрального анализа необходимы дорогие гиперспектральные камеры, стоимость которых может составлять две трети всей цены сортировщика, что делает его малорентабельным. Кроме того, в России они не производятся и при этом относятся к продукции двойного назначения, а значит их трудно купить. А искусственный интеллект Nevlabs прекрасно ладит с самой обычной камерой. В результате стоимость оборудования снижается в два раза, а качество распознавания порой превосходит зарубежное. «Это подтверждается внедрением наших сортировщиков, которые на самых разных задачах показывают высокую эффективность, и не хуже, чем у иностранцев»,— подчеркивает гендиректор Nevlabs.
В качестве искусственного интеллекта в разработанном Nevlabs оптическом сортировщике «Эстет» используются сверточные нейронные сети, нацеленные на эффективное распознавание образов. Обучают их на примерах. «Вы делаете обучающую выборку фотографий, руками все размечаете, показывая, где пластиковая бутылка, где бумага, где банка из-под пива, и скармливаете нейронной сети,— рассказывает Неволин.— Если говорить образно, то нейронную сеть учат методом кнута и пряника. Допустим, вы показываете ей картинку кошечки. Какие-то нейроны говорят: это кошечка, а другие считают, что собачка. А поскольку у вас стадия обучения, тем нейронам, которые правильно определили, вы немножко повышаете вес, а тем, которые ошиблись, наоборот, понижаете. Другими словами, если совсем примитивно, голос "правильных" нейронов вы считаете за два, а "неправильных" вообще не считаете, то есть делаете одни нейроны более легитимными, другие — менее легитимными. Таким образом вы даете им обратную связь. Наш с вами мозг похожим образом учится».
Система Nevlabs умеет разделять пластик не только по объему и форме, но и по цветам. А еще может составить конкуренцию вихретоковому сепаратору.
Этот вид сепараторов используется для отделения цветных металлов. Если черные металлы, то есть железо и железные сплавы, можно отобрать магнитом, то цветные металлы не обладают магнитными свойствами. Вихретоковый сепаратор с помощью электромагнитной индукции наводит в них внутренние токи, у них появляется собственное магнитное поле, и тогда их тоже можно «выловить» магнитом. На мусоросортировочных заводах эти сепараторы должны отбирать алюминиевые банки, но на самом деле ловят все, что содержит алюминий: упаковки тетрапак, где есть алюминиевый слой, пакеты из-под чипсов. Приходится ставить на конвейер людей, которые подчищают за вихретоком. «Если же отделять алюминиевую банку оптическим способом, то искусственный интеллект только ее и "увидит", и чистота сырья на выходе будет выше»,— указывает Александр Неволин.
Трудности и возможности
Nevlabs производит свой оптический сортировщик, что называется, под ключ. Не все компоненты собственные, не все отечественные, говорит Неволин. Так, в России не делают камеры машинного зрения, поэтому на сортировщиках могут быть установлены камеры разных производителей. Зато вся электроника управления форсунками собственной разработки, производится в Зеленограде. Конструкцию сортировщика разработали специалисты Nevlabs, и все, что к ней относится, в том числе клапанный блок, корпус и рамы, собирают в Москве. И, конечно, на сортировщик устанавливают собственное ПО. Конвейер делают в России партнеры.
В последнее время Nevlabs пришлось взять шефство над мусоросортировочными заводами, где стоит зарубежное оборудование. «До объявления санкций против России заводы успели закупить достаточно много иностранных сортировщиков, и сейчас они остались без поддержки,— рассказывает Неволин.— У двух немецких машин мы провели полный реверс-инжиниринг. Есть и другой вариант, когда мы берем свой сканер, свой софт и подключаем к форсункам немецкой машины, и она работает, но уже на нашем софте».
«Наше преимущество в искусственном интеллекте,— объясняет Неволин, — но в нем же заключается и проблема, потому что людей очень трудно убеждать в превосходстве инновационных технологий. Куда легче продавать, если вы скопировали иностранные образцы, потому что людям это понятно. А тут какой-то искусственный интеллект! В него мало кто верит, но он работает, и работает лучше привычных технологий».
Тем не менее внедрение сортировщиков Nevlabs на мусоросортировочных заводах идет полным ходом — у компании уже продано десять машин в России. Оборудование установлено в комплексе по переработке отходов (КПО) «Восток» в подмосковном Егорьевске, в КПО «Север» в Сергиевом Посаде, на предприятиях «Спецтранс №1» в Санкт-Петербурге и «Стройинвест» в Удмуртии, на Тверском заводе вторичных полимеров и много где еще.
Есть даже экспортный контракт. «Мы продали наш сортировщик крупнейшему производителю оборудования в Турции,— рассказывает Александр Неволин.— Эта компания снабжает целые заводы, в частности, устанавливает оптические сортировщики немецкого производства. Но на ряде задач немецкие сортировщики не могут справиться, а мы с помощью искусственного интеллекта можем. Они сейчас взяли у нас одну машину на пробу. Если им все понравится, это в дальнейшем обеспечит нам хороший спрос».