Проблема, связанная с бытовыми отходами в Российской Федерации, на сегодняшний день стоит крайне остро. Так, например, общая площадь полигонов хранения твердых бытовых отходов (ТБО) занимает порядка 4 млн га, а по прогнозам к 2030 г. эта цифра возрастет в два раза [1]. В то же время переработке подвергается минимальная часть бытовых отходов, что существенно сказывается на экологии населенных пунктов, особенно в крупных городах.
Однако политика государства по решению проблемы бытовых отходов достаточно «своеобразна»: либо увеличивается число полигонов хранения ТБО, так, например, в Белгородской области, в Губкинском городском округе строится дополнительный полигон для захоронения ТБО, по причине того, что существующего полигона не хватает для обслуживания двух близлежащих городов с суммарным населением около 300 тыс. чел. [2]. Это приводит к ухудшению экологической ситуации в регионах, так как в бытовых отходах большой процент занимает пластик, а также другие материалы, которые при гниении выделяют токсичные вещества [3].
Другой путь – строительство мусоросжигающих заводов. Данный подход позволяет убрать часть полигонов ТБО, но в то же время, каким бы ни был современным мусоросжигающий завод и каким бы высокотехнологичным оборудованием он ни был оснащен, в любом случае такие заводы являются экологически небезопасными [4].
Третий наиболее экономически выгодный путь – переработка отходов. Общая схема процесса переработки отходов приведена на рис. 1 [5].
Рис. 1. Процесс работы с отходами с целью переработки и продажи вторсырья
Главными элементами в процессе, представленном на рис. 1, являются сортировка отходов и доставка этих отходов в сортировочные центры с целью дальнейшей досортировки и продажи вторсырья на переработку.
Однако в данном процессе возникает ряд нерешенных задач, а именно:
1. Российские граждане не сортируют бытовые отходы в должной мере. По мнению автора, данная задача вполне решаема, если пропагандировать пользу сортировки и вводить какие-то механизмы поощрения и наказания.
2. В России количество мусороперерабатывающих заводов и сортировочных заводов порядка 300 [6]. В условиях быстро растущей урбанизации, а также отходов населения подобное количество заводов недостаточное для внедрения всеобщей системы сортировки бытовых отходов. Вследствие этого возрастают транспортные расходы на доставку отходов в сортировочные центры или в центры для продажи вторсырья.
3. Инфраструктура городов Российской Федерации не оптимизирована на снижение транспортных затрат, связанных с вывозом отходов из жилых районов. На сегодняшний день компании, занимающиеся вывозом отходов, работают строго по графику, независимо от того, заполнен ли мусорный контейнер или нет. Это приводит к тому, что вывоз отходов с последующей утилизацией, переработкой, сортировкой или захоронением, является не оптимальным с позиции соотношения графика вывоза мусора и наполняемостью мусорных контейнеров.
Для решения вышеприведенных задач в западных странах и Российской Федерации предлагается ряд решений по контролю ТБО. В ходе предварительного анализа западных и отечественных аналогов было выявлено, что в большинстве случаев подобные решения состоят из информационной системы мониторинга заполняемости мусорных контейнеров, а также необходимых датчиков, GSM-модулей и контроллеров, которые устанавливаются в уже существующие контейнеры [7–9]. Либо предлагаются собственные контейнеры, но которые не поделены на секции по типу бытовых отходов [9–11]. Плюсы подобных решений заключаются в том, что если устанавливать датчики веса, уровня и т.д. в готовые контейнеры, то это существенно снижает конечную стоимость продукта. Минусы заключаются в том, что существующие контейнеры не продуманы для установки подобных электронных компонент, не имеют антивандальной защиты и не имеют модулей автоматической разгрузки. Также существующие контейнеры не поделены на секции по типу отходов. Западные и отечественные информационные системы отслеживания мусорных контейнеров позволяют только определять статус контейнера (насколько он заполнен) и формировать график сбора отходов из заполненных контейнеров, но не позволяют вести статистику по жителям жилых районов, например, кто и когда выбросил мусор, вес мусора и т.д. [10–12].
Задачи исследования: для решения вышеперечисленных задач и устранения недостатков в существующих решениях, которые были приведены выше, необходимо определить концепцию разработки программно-аппаратного комплекса контроля ТБО в жилых районах.
Основная идея решения заключается в том, что предлагается комплекс, который будет полезен и для управляющих компаний, и для покупателей вторсырья, и для транспортных компаний, которые осуществляют вывоз отходов. То есть предлагается уйти от жесткой схемы, представленной на рис. 1. Предлагаемое решение будет позволять отслеживать статус контейнера, например, на сколько контейнер заполнен отходами, что позволит не только оперативно вывозить отходы, а также вывозить нужный класс бытовых отходов (стекло, пластик и т.д.) сразу из жилого района, а не дожидаться, пока отходы попадут на мусоросортировочный завод или на полигоны захоронения ТБО.
В статье применены теоретические методы исследования, в частности анализ литературных источников. Для решения поставленной задачи предлагается использовать такие технологии, как RFID [13], а также стандартные средства проектирования и разработки информационных систем. В качестве аппаратных средств, а именно микроконтроллеров, датчиков и т.д., предлагается использовать стандартные решения, представленные на рынке.
Предлагаемый аппаратно-программный комплекс состоит из двух компонент:
1. Автоматизированный мусорный контейнер.
2. Информационная система управления и отслеживания мусорных контейнеров.
На рис. 2, приведена схема предлагаемого комплекса.
Рис. 2. Схема предлагаемого комплекса по контролю бытовых отходов
На рис. 3 представлена модель предлагаемого мусорного контейнера для установки в жилых районах с предполагаемыми размерами, а также месторасположением ключевых элементов электроники и необходимых устройств. В отличие от стандартных мусорных контейнеров, предлагаемый контейнер оснащен электронными компонентами и оборудованием.
Контейнер поделен на пять секций, каждая секция предназначена для бытовых отходов определенного типа (пластик, металл, бумага, стекло, органика и прочие отходы). Размер каждой секции выбран на основе статистических исследований по процентному соотношению каждого типа отходов от общего объема [14, 15]. Наибольший объем занимает секция для органических отходов, так как в среднем 60–70 % от общего количества отходов составляют органические отходы, стекло и макулатура – около 8 %, пластик – около 12 %, металлолом – около 2 % [14, 15]. Разделение на секции определенного объема позволяет контейнеру в целом равномерно заполняться, не вызывая переполнения одной из секций раньше других.
Суммарный объем контейнера рассчитывался исходя из установки одного контейнера около девятиэтажного панельного дома, в котором шесть подъездов.
Рис. 3. Прототип предлагаемого мусорного контейнера
Рис. 4. Процесс выброса отходов после внедрения предлагаемого комплекса
Каждая секция контейнера оснащена датчиками веса и уровня, что позволяет определить степень заполненности секции контейнера, считывателем RFID-карт и блоком управления, в который входит микроконтроллер и GSM-передатчик. Вся электронная составляющая и рассмотренные датчики подключены к микроконтроллеру. Микроконтроллер позволяет оказывать управляющее воздействие на магнитные замки, на основе информации полученной с RFID-считывателя. Датчики веса и уровня отслеживают состояние наполняемости секций контейнера и отсылают необходимую информацию на микроконтроллер. Посредством сотовой связи микроконтроллер передает всю необходимую информацию в базу данных информационной системы.
Предлагаемый контейнер имеет в своей конструкции крепления, которые позволяют машине-мусоровозу оснащенным манипулятором грузить данный контейнер. Каждая секция оснащена магнитными замками разгрузки (элементы синего цвета на рис. 3), что позволяет быстро разгружать нужную секцию, как и на сортировочном заводе, так и на месте, в момент погрузки контейнера.
Рассмотрим процесс выброса бытовых отходов более подробно. Каждый житель жилого района получает карту, работающую по технологии RFID, данная карта содержит информацию об адресе, номере квартиры, текущем тарифном плане и т.д. На рис. 4 приведена схема процесса выброса отходов жителями городов после внедрения предлагаемого комплекса.
Горожанин, воспользовавшись картой с RFID-меткой, открывает нужную секцию мусорного контейнера. В этот момент происходит фиксация открытия контейнера микроконтроллером на основе полученных данных с RFID-считывателя, то есть при верном идентификаторе RFID-карты микроконтроллер дает команду на открытие необходимой секции, после чего информация об открытии контейнера отправляется посредством сотовой связи на сервер с базой данных предлагаемой к разработке информационной системы.
На рис. 4 показан сервер управляющей компании УК ЖКХ, однако установка серверной части информационной системы не ограничивается ЖКХ, это могут быть и транспортные компании, и компании, занимающиеся скупкой вторсырья, и т.д.
Как только житель выбрасывает отходы в нужную секцию, фиксируется вес отходов, а также вся необходимая информация: из какой квартиры был выброшен мусор, время, секция контейнера и т.д.
Рассмотрим предлагаемую информационную систему. На рис. 5 приведена ее схема.
Рис. 5. Структура предлагаемой информационной системы
Система выполнена в виде web-приложения, но данная реализация не является принципиальной, система может быть представлена в виде облачного решения, приложения под смартфоны или в виде обычного приложения.
Система имеет в своем решении базу данных, в которой хранится вся необходимая информация о мусорном контейнере, его состоянии, загруженности, дате и времени выброса мусора жильцами и т.д.
Предлагаемая система непрерывно обменивается служебной информацией с каждым из удаленно установленных мусорных контейнеров.
Выводы
Рассмотрев предлагаемый программно-аппаратный комплекс, можно сделать вывод, что данное решение достаточно актуально в современных реалиях, связанных с проблемой ТБО. В дальнейшем планируется разработка предлагаемого комплекса. Предлагаемый программно-аппаратный комплекс контроля бытовых отходов при условии того, что он будет разработан и внедрен, позволит:
1. Решить проблему мониторинга наполняемости мусорных контейнеров, что позволит оптимально составлять графики вывоза отхода и экономить на транспортных расходах, а также сделать цепочку сортировка-продажа вторсырья более гибкой, позволив компаниям скупщика и переработчикам вторсырья самим забирать отсортированный мусор.
2. Вести статистику наполняемости мусорных контейнеров, отслеживать выброс мусора конкретным жильцом и гибко регулировать тарифы на вывоз и захоронение ТБО.
Благодаря реализации подобной схемы, можно в реальном времени отслеживать наполняемость каждого мусорного контейнера и каждой секции, тем самым сделав вывоз отходов транспортными компаниями более гибким и более оперативным. Предлагаемая система также способна контролировать объем и вес выбрасываемого мусора каждыми жителем. Это дает массу возможностей, так, например, в современных реалиях жители платят плату за вывоз мусора по среднему тарифу, независимо от количества выбрасываемого мусора. Предлагаемая же система позволит гибко регулировать подобные тарифы, в зависимости от количества выброшенного конкретным жителем мусора.