ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА В СФЕРЕ ОБРАЩЕНИЯ С ТВЕРДЫМИ КОММУНАЛЬНЫМИ ОТХОДАМИ

USING INFORMATION SYSTEMS AND ARTIFICIAL INTELLIGENCE IN MUNICIPAL SOLID WASTE MANAGEMENT

Gordeev Ivan Ivanovich

Associate Professor, PhD in Physics and Mathematics, Associate Professor of the Information Security Department, V.N. Tatishchev Astrakhan State University, Russia, Astrakhan

Gordeeva Olga Ivanovna

Master's Student, Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Astrakhan

Sadchikov Pavel Nikolaevich

Associate Professor, PhD in Engineering, Associate Professor of the Computer-Aided Design and Modeling Systems Department, Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering, Russia, Astrakhan

Аннотация. В статье приводится обзор российских и зарубежных информационных систем в сфере обращения с твердыми коммунальными отходами. Обсуждаются вопросы применения искусственного интеллекта в сфере обращения с твердыми коммунальными отходами.

Abstract. This article provides an overview of Russian and international information systems for municipal solid waste management. The application of artificial intelligence in municipal solid waste management is discussed.

Ключевые слова: искусственный интеллект, информационные системы, твердые коммунальные отходы, обращение с отходами.

Keywords: artificial intelligence, information systems, municipal solid waste, waste management.

Введение. В современном мире проблема обращения с твёрдыми коммунальными отходами (ТКО) становится всё более актуальной. Ежегодно в Российской Федерации образуется более 60 миллионов тонн твердых бытовых отходов [12], и эта величина растет с каждым годом примерно на три процента [16]. Региональные операторы, отвечающие за сбор, транспортировку, переработку и утилизацию отходов, сталкиваются с рядом сложностей, таких как недостаточное финансирование, устаревшие технологии и неэффективное управление. В связи с этим возникает необходимость внедрения инновационных подходов и технологий для оптимизации работы операторов и улучшения экологической ситуации в регионах.

Одним из перспективных направлений является использование искусственного интеллекта (ИИ). ИИ позволяет автоматизировать процессы сбора и обработки данных, прогнозировать объёмы образования отходов, оптимизировать маршруты движения мусоровозов и контролировать качество услуг по обращению с ТКО.

Другим важным направлением становится обработка информации, полученной с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). БПЛА позволяют провести сканирование мест размещения ТКО для создания их цифровых двойников. Проект в этом направлении проводит Геоскан по заказу Российского экологического оператора [29].

Актуальность темы обусловлена необходимостью решения экологических проблем, связанных с обращением с ТКО, а также потребностью в повышении эффективности управления отходами и использовании современных технологий для этих целей. В частности, внедрение информационной системы по обращению с ТКО с помощью искусственного интеллекта позволит автоматизировать процессы сбора, обработки и анализа данных, что приведёт к сокращению времени на принятие решений и улучшению качества услуг по обращению с ТКО.

Обзор зарубежных источников. В зарубежных источниках встречается много публикаций, посвященных применению искусственного интеллекта в сфере мониторинга и отслеживания отходов. Достаточно подробный обзор зарубежного опыта был проделан Фангом и др., группой соавторов из Китая, Великобритании, Японии и Египта [2].

Технологии искусственного интеллекта могут использоваться для содействия более эффективной и действенной классификации и переработке отходов. Чен из Университетского колледжа Лондона отмечает, что методы машинного обучения могут использоваться для определения типа отходов, таких как пластик, металлы, бумага и другие материалы, для более точной и эффективной переработки [1]. Системы на основе искусственного интеллекта также могут контролировать процесс переработки на предмет аномалий, таких как неправильная классификация материалов или загрязнение материалов, и предупреждать персонал о необходимости принятия корректирующих мер.

Как замечают Пуянфар и др., группа соавторов из Ирана, Турции и США, искусственный интеллект может оптимизировать процесс переработки, анализируя данные, полученные в ходе процесса переработки, и предлагая улучшения [6]. Греческие авторы Понис и др. утверждают, что искусственный интеллект может быть необходим для измерения и отслеживания отходов [5], позволяя обеспечить наиболее эффективную и действенную переработку материалов. Искусственный интеллект может значительно повысить эффективность получения информации о загрязнении окружающей среды. С развитием технологий больших данных применение искусственного интеллекта может быстро повысить эффективность получения информации. Искусственный интеллект обладает мощными возможностями восприятия, которые могут более эффективно определять источник экологической информации и делать выводы о текущей экологической ситуации. Искусственный интеллект может также помочь достичь хорошего управления окружающей средой. Установив интеллектуальные терминалы в каждом мусорном баке, можно получать различную информацию о его состоянии в режиме реального времени, а затем анализировать и обрабатывать ее. Например, группа китайских авторов Пан и др. [4], а также группа филиппинских авторов Рабано и др. [7] предлагают с помощью датчиков определять, заполнен ли мусорный бак, и использовать газовые датчики для классификации отходов на категории перерабатываемых и неперерабатываемых. Это может снизить затраты на рабочую силу и повысить эффективность классификации.

Использование искусственного интеллекта в переработке отходов получило широкое применение. Это включает в себя оптимизацию маршрутов мусоровозов, идентификацию объектов по управлению отходами, моделирование процесса преобразования отходов и интеграцию различных технологий, таких как радиочастотная идентификация, обсуждаемая соавторами из Франции и США [10], глобальная система позиционирования, рассматриваемая соавторами из Эквадора и Испании [3] и географическая информационная система для мониторинга грузовиков и контейнеров для сбора твердых отходов, предлагаемая авторами из Эфиопии [9]. В исследовании авторов из Бразилии методы машинного обучения и обработки изображений были объединены с этими технологиями для автоматического определения уровня заполненности контейнеров [8]. Однако, необходимы дальнейшие исследования для изучения интеграции технологий дистанционного зондирования и искусственного интеллекта. С одной стороны, необходимо использовать технологии дистанционного зондирования для быстрого обновления данных о бытовых отходах и реализовать динамическое планирование управления городскими бытовыми отходами с помощью информационной системы, которая может постоянно обновляться и работать в течение длительного времени. Кроме того, важно и дальше интегрировать в систему опыт, накопленный специалистами в этой области, для достижения интеллектуальной поддержки принятия решений по управлению мусором.

Быстрое развитие искусственного интеллекта позволило его применению для мониторинга отходов стать новым направлением исследований. Разработка платформ искусственного интеллекта для мониторинга отходов является весьма востребованной темой исследований. Платформа искусственного интеллекта получает данные, собранные датчиками, которые затем передаются на сервер искусственного интеллекта. Данные используются для обучения, оптимизации и прогнозирования на платформе путем генерации интеллектуальных моделей прогнозирования управления отходами. Эти модели могут улучшить качество и эффективность отслеживания загрязнения и решения экологических проблем.

Анализ российского законодательства в сфере обращения с ТКО. Основные понятия, касающиеся учета бытовых отходов, их транспортировки и переработки, сформулированы в Федеральном законе Российской Федерации от 24.06.1998 № 89-ФЗ (ред. от 23.03.2026) «Об отходах производства и потребления» [27]. Основным понятиям посвящена статья 1 данного закона.

Основные понятия, встречающиеся в Федеральном законе, можно условно разделить на четыре группы:

1. Понятия, касающиеся объектов, связанных с отходами: отходы производства и потребления, объекты размещения отходов, вид отходов, лом и отходы цветных и (или) черных металлов, твердые коммунальные отходы, объекты хранения отходов, группы однородных отходов, отходы от использования товаров и (или) упаковки, вторичные ресурсы.
2. Понятия, касающиеся процессов, связанных с отходами: обращение с отходами, размещение отходов, хранение отходов, захоронение отходов, утилизация отходов, сбор отходов, транспортирование отходов, накопление отходов, обработка отходов, утилизация отходов от использования товаров.
3. Понятия, касающиеся субъектов, связанных с отходами: оператор по обращению с твердыми коммунальными отходами, региональный оператор по обращению с твердыми коммунальными отходами, российский экологический оператор.
4. Понятия, касающиеся нормативов, связанных с отходами: лимит на размещение отходов, норматив накопления твердых коммунальных отходов, экологический сбор.

Согласно закону [27], городские территории надлежит регулярно очищать от отходов в соответствии с требованиями санитарного, экологического и иного характера. При этом организовывать деятельность по обращению с отходами на территориях поселений должны органы местного самоуправления в соответствии с российским законодательством. Ими же определяется порядок сбора отходов, предусматривающий их разделение на виды, в соответствии с санитарными, экологическими и иными требованиями в области охраны здоровья человека и окружающей среды.

Анализ российских программных продуктов в сфере обращения с ТКО. Для оптимизации обращения с отходами могут использоваться различные программные и технические средства, в частности, автоматизированные информационные системы (АИС), предлагаемые различными разработчиками.

Среди программных решений, созданных для решения проблем оптимизации обращения с отходами, отдельно следует отметить Программно-аппаратный комплекс комплексная автоматизированная система управления «Управление отходами» (ПАК КАСУ «Управление отходами») и АИС «Редактор территориальных схем обращения с отходами» [11], созданные российской компанией «Большая Тройка».

Другим комплексным решением является автоматизированная информационная система «Отходы» [16], созданная компанией «ТКО-Информ», предлагающей целую линейку автоматизированных информационных систем, ориентированных на разных пользователей. В частности, предлагаются такие автоматизированные информационные системы, как АИС «Отходы-Региональный оператор» [21], АИС «Отходы-Управление доходами» [22], АИС «Отходы-Транспортирование» [19], в которой предусмотрен отдельный модуль «Медицинские отходы» [20], АИС «Отходы-Инфраструктура» [17], АИС «Отходы-Мониторинг» [18], мобильное приложение для общественного контроля по обращению с отходами [26]. Также компания предлагает объединение указанных систем и приложения в единую цифровую платформу АИС «Отходы» [28].

Помимо крупных компаний автоматизированные информационные системы для решения некоторых задач в области управления отходами предлагаются отдельными разработчиками, например, Калининой А. А. и Карякиным Ю. Е. предлагается информационная система учета размещения твердых коммунальных отходов на полигоне твердых бытовых отходов [13, 15]; Ладик А. С. и Маслобоевым А. В. предложена автоматизированная информационная система управления логистикой бытовых отходов [15, 14]. Однако трудно оценить реальные возможности таких систем, так как, если они и были протестированы, то в небольших, муниципальных масштабах.

Далее названные системы рассматриваются подробнее.

АИС «Отходы-Региональный оператор» предназначена для автоматизации и управления процессами на предприятиях, являющихся региональными операторами по обращению с отходами. АИС «Отходы-Региональный оператор» является ключевым звеном в системе АИС «Отходы», организуя все системы в единое целое на уровне региона. АИС «Отходы-Региональный оператор» написана на языке программирования Java, заявленный объем программы — 100 мегабайт [23].

К преимуществам от внедрения АИС «Отходы-Региональный оператор» можно отнести:

· сокращение нарушений в сфере обращения с отходами;

· обеспечение планирования, аналитики и управленческой отчетности;

· возможность обоснования тарифов и повышения достоверности контроля;

· организация, отслеживание и контроль качества вывоза отходов в регионе;

· автоматизация согласования вывоза отходов.

К недостаткам АИС «Отходы-Региональный оператор» можно отнести:

· решение ориентировано на региональных операторов и не рассчитано на небольшие компании;

· внедрение может потребовать определенные затраты на обучение персонала;

· необходимость интеграции с другими компонентами АИС «Отходы».

В целом АИС «Отходы-Региональный оператор» является достаточно мощным инструментом по автоматизации обращения с отходами на уровне регионального оператора, но не предназначено для небольших компаний.

АИС «Отходы-Инфраструктура» предназначена для управления и контроля размещения отходов на инфраструктурных объектах размещения и обработки отходов. Заявляется возможность ведения электронных талонов на размещение отходов, а также автоматической работы с данными о результатах взвешивания, въезде и выезде транспортных средств на объекты размещения твердых коммунальных отходов. Как и все модули АИС «Отходы», написана на Java, а заявленный объем программного обеспечения — 100 мегабайт [24].

АИС «Отходы-Транспортирование» предназначена для автоматизации деятельности организаций, занимающихся сбором, транспортировкой, утилизацией и размещением отходов. Заявляется, что программа не обрабатывает персональные данные. Как и все модули АИС «Отходы», написана на Java, а заявленный объем программного обеспечения — 100 мегабайт [25].

Из преимуществ при внедрении системы называются:

· сокращение общей себестоимости вывоза и затрат на содержание и обслуживание техники;

· оптимизация расходов на персонал;

· минимизация штрафных выплат за нарушения;

· контроль расхода горюче-смазочных материалов.

Из недостатков системы можно назвать необходимость интеграции с АИС «Отходы» и затраты на внедрение и обучение персонала.

В целом АИС «Отходы-Транспортирование» являет собой достаточно специфический программный продукт, предназначенный для узконаправленных задач.

Комплексная автоматизированная система управления «Управление отходами» (КАСУ «Управление отходами») предназначена для автоматизации деятельности региональных операторов по обращению с отходами. Заявляется поддержка осуществления документооборота между участниками образования и утилизации отходов, оптимизации логистики вывоза, мониторинга вывоза отходов в режиме реального времени при помощи мобильного приложения водителя мусоровоза, работы с автомобильным оборудованием, RFID-метками, системами весового контроля и другим оборудованием.

Во второй версии программы заявлены следующие улучшения по сравнению с предшествующей: поддержка различных видов отходов в работе, онлайн-мониторинг очищения контейнерных площадок, перераспределение в течение рабочего процесса задач между водителями мусоровозов, работа с дебиторской задолженностью, интегрирование с программным комплексом «Инвентаризация стационарных объектов», возможность выбора подрядчиков.

В третьей версии программы также заявлен рефакторинг с сохранением и расширением функциональности. В частности, указано усовершенствование аналитики, визуализация данных, личные кабинеты потребителей услуг и транспортировщиков отходов, автоматическое формирование начислений, ведение претензионной деятельности, интеграция с логистическим модулем КАСУ «Управление отходами». Программа написана на языке программирования Python.

Среди преимуществ от внедрения КАСУ «Управление отходами» называются:

· значительное сокращение количества задействованных мусоровозов за счёт оптимизации логистики;

· повышение эффективности регионального оператора примерно на четверть;

· полный контроль за перемещением отходов и качеством уборки мусора;

· автоматизацию всех бизнес-процессов.

Среди недостатков КАСУ «Управление отходами» можно назвать:

· значительный объем программного обеспечения;

· достаточно большая стоимость внедрения;

· сокращение количества рабочих мест в компании.

В целом, КАСУ «Управление отходами» является достаточно неплохим решением для крупных регионов, однако может потребовать дополнительных затрат при внедрении.

Информационная система учета размещения твердых коммунальных отходов на полигоне твердых бытовых отходов, предложенная Калининой и Карякиным, предназначена для учета размещения твердых коммунальных отходов (ТКО) на полигоне и формирования соответствующей отчетности. Особое внимание уделяется формированию весовых карточек и возможности заключения договора через функционал системы [13].

Программная система информационной поддержки управления логистикой бытовых отходов, предложенная Ладик и Маслобоевым [15, 14], предназначена для информационного сопровождения сбора и транспортирования отходов, контроля и мониторинга транспортирования, автоматизированного формирования маршрутов транспортирования и планирования расписания работы, оценки экологического ущерба и расчета финансовых затрат.

Среди преимуществ от применения программной системы информационной поддержки управления логистикой бытовых отходов называются:

· сокращение финансовых затрат на перевозку отходов за счет оптимизации транспортных маршрутов;

· динамическое планирование затрат времени на сбор и транспортирование твердых бытовых отходов;

· минимизация отрицательного влияния процессов транспортирования на здоровье городского населения и окружающую среду на основе мониторинга экологического ущерба и оценки его показателей.

Среди недостатков программной системы информационной поддержки управления логистикой бытовых отходов можно назвать:

· для хранения координат в базе данных указан тип данных integer (целочисленный тип данных), в то время как реальные географические координаты являют собой число с дробной частью и требуют тип данных double (число с плавающей запятой двойной точности);

· в базе данных не указано хранение никаких данных о водителях мусоровозов и операторах системы;

· неясно, каким образом система осуществляет оптимизацию логистики.

В целом, автоматизированная информационная система управления логистикой отходов, предложенная Ладик и Маслобоевым, представляет собой, по заявлению самих же авторов, всего лишь прототип программной системы [15].

Выводы. Проделан обзор зарубежных источников в области применения искусственного интеллекта для управления обращением с отходами.

Рассмотрен Федеральный закон, касающийся отходов производства и потребления. Выделено более двадцати основных понятий, которые условно разделены на четыре категории.

Проанализированы программные продукты от двух крупных компаний, занимающихся разработкой программного обеспечения, и две программы от отдельных разработчиков. Среди достоинств первых были выделены: комплексность решений и широкий спектр решаемых задач; среди недостатков – большой объем программного обеспечения и необходимость дополнительных затрат при внедрении. Особых достоинств программ от отдельных разработчиков не обнаружено, так как неясно, каким образом ими реализуются заявленные улучшения.

Кроме того, выявлено, что по заказу Российского экологического оператора компанией Геоскан уже создано несколько сотен цифровых двойников полигонов ТКО в различных регионах Российской Федерации, что позволит обеспечить в дальнейшем мониторинг этих полигонов при помощи БПЛА и систем искусственного интеллекта.