Σχεδιασμός και αξιοποίηση ενσωματωμένων συστημάτων στον τομέα του περιβάλλοντος

Abstract

In modern times, the growth of the world population, massive urbanization and the simultaneous increase in the consumption of goods, lead to the ever-increasing production of goods, with the consequence of an increase in urban waste. Municipal Solid Waste (MSW) causes widespread pollution of the environment and the problem will grow if this trend is not reversed as soon as possible. Developed countries have already developed policies and standards for environmental protection and the developing countries are at the beginning of this process. The development of new technologies (ICT) and Internet of Things (IoT) are a key tool for protecting the environment and upgrading life in modern cities. This PhD thesis focuses on the design and utilization of embedded systems (ES) in the field of the environment and specifically aims at better management of solid waste and material recycling. For better analysis of these processes within the framework of the thesis, a methodology was developed that we called "Adaptive Model Z" which we used to create the proposed solutions. Thus, a smart bin made of recyclable materials is presented, which informs the system administrator in real time about the fullness of the bin and its temperature. This information is particularly useful for administrators of the system in order to plan garbage truck routes in the best possible way, saving financial resources and man-hours of work. It can also be used to predict on which specific days or periods more or fewer routes are required, as well as if managers need to add or remove bins at certain points. In addition to saving resources, the phenomenon of overflowing bins is also reduced, a phenomenon that poses health risks. Also, the smart material recycling bin is presented, which, using Artificial Intelligence (AI) and machine vision, perceives the object that enters the bin and sorts it according to the material it is made of. Finally, a high-precision electronic object system has been developed in real-world waste treatment plant (WTP) conditions, leveraging machine vision, artificial intelligence and neural networks. The mixed materials that end up in the waste bins contain large amounts of recyclable materials and require a particularly painful process for their separation, which is not fully automated and requires the participation of the human factor during their separation process, also known as the process of separation in factory. With our contribution, we reduce human involvement in the process and increase automation. By utilizing integrated systems, the environment can be protected, and the quality of modern life can be upgraded. By better managing municipal solid waste and reducing the amount of recyclables thrown away, a better future can be created.

Στη σύγχρονη εποχή η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, η μαζική αστικοποίηση και η ταυτόχρονη αύξηση της κατανάλωσης αγαθών, οδηγούν στην ολοένα και περισσότερο αυξανόμενη παραγωγή προϊόντων, με συνέπεια την αύξηση των αστικών αποβλήτων. Τα Αστικά Στερεά Απόβλητα (ΑΣΑ) προκαλούν εκτεταμένη ρύπανση του περιβάλλοντος και το πρόβλημα θα γιγαντώνεται εφόσον δεν αντιστραφεί αυτή η πορεία το συντομότερο δυνατό. Ήδη οι ανεπτυγμένες χώρες έχουν αναπτύξει πολιτικές και πρότυπα για την προστασία του περιβάλλοντος. Οι αναπτυσσόμενες χώρες βρίσκονται στην αρχή αυτής της διαδικασίας. Η έκρηξη στην ανάπτυξη των νέων τεχνολογιών και η ταχεία ανάπτυξη του Διαδικτύου των Πραγμάτων (ΔτΠ) αποτελούν βασικό εργαλείο για την προστασία του περιβάλλοντος και την αναβάθμιση της ζωής στις σύγχρονες πόλεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή, εστιάζει στον σχεδιασμό και στην αξιοποίηση των ενσωματωμένων συστημάτων (ΕΣ) στον τομέα του περιβάλλοντος και συγκεκριμένα στοχεύει στην καλύτερη διαχείριση των ΑΣΑ και στην ανακύκλωση υλικών. Για την ορθότερη ανάπτυξη αυτών των διαδικασιών στα πλαίσια της διατριβής, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία που ονομάσαμε «Προσαρμοστικό Μοντέλο Ζ» την οποία και χρησιμοποιήσαμε στην ανάπτυξη των προτεινόμενων λύσεων. Έτσι παρουσιάζεται ένας έξυπνος κάδος από ανακυκλώσιμα υλικά, ο οποίος ενημερώνει τον διαχειριστή του συστήματος σε πραγματικό χρόνο για την πληρότητα του κάδου και την θερμοκρασία του. Με αυτό τον τρόπο ο διαχειριστής του συστήματος μπορεί να γνωρίζει ποιοι κάδοι είναι γεμάτοι και πότε. Αυτή η πληροφορία είναι ιδιαίτερα χρήσιμη ώστε να προγραμματίζονται τα δρομολόγια των απορριμματοφόρων με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο, εξοικονομώντας οικονομικούς πόρους και ανθρωποώρες εργασίας. Επίσης, μπορεί να αξιοποιηθεί στο να προβλέπει σε ποιες συγκεκριμένες μέρες ή περιόδους απαιτούνται περισσότερα ή λιγότερα δρομολόγια, καθώς επίσης αν οι διαχειριστές πρέπει σε κάποια σημεία να προσθέσουν ή να αφαιρέσουν κάδους. Εκτός από την εξοικονόμηση πόρων, μειώνεται και το φαινόμενο υπερχείλισης των κάδων, φαινόμενο που εγκυμονεί υγειονομικούς κινδύνους. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο έξυπνος κάδος ανακύκλωσης υλικών, ο οποίος αξιοποιώντας τα ΕΣ και την όραση μηχανής, αντιλαμβάνεται το αντικείμενο που εισέρχεται στον κάδο και το ταξινομεί ανάλογα με το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο. Τέλος, έχει αναπτυχθεί ένα ηλεκτρονικό σύστημα αντικειμένων υψηλής ακρίβειας, σε πραγματικές συνθήκες μονάδας επεξεργασίας απορριμμάτων (ΜΕΑ), αξιοποιώντας τη μηχανική όραση, την τεχνητή νοημοσύνη και τα νευρωνικά δίκτυα. Τα σύμμεικτα υλικά που καταλήγουν στους κάδους απορριμμάτων, περιέχουν μεγάλες ποσότητες ανακυκλώσιμων υλικών και απαιτείται μια ιδιαίτερα δύσκολη διαδικασία για τον διαχωρισμό τους, η οποία δεν είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και απαιτεί την συμμετοχή του ανθρώπινου παράγοντα κατά τη διαδικασία διαχωρισμού τους, γνωστή και ως διαδικασία διαχωρισμού στο εργοστάσιο. Με τη δική μας συμβολή, μειώνεται η συμμετοχή των ανθρώπων στην διαδικασία και αυξάνουμε την αυτοματοποίηση. Με την αξιοποίηση των ενσωματωμένων συστημάτων, το περιβάλλον μπορεί να προστατευθεί και να αναβαθμιστεί η ποιότητα της σύγχρονης ζωής. Με την καλύτερη διαχείριση των αστικών στερεών αποβλήτων και την μείωση των ανακυκλώσιμων υλικών που απορρίπτονται, μπορεί να δημιουργηθεί ένα καλύτερο μέλλον.