[論文レビュー] Water Care: Water Surface Cleaning Bot and Water Body Surveillance System

Harsh Sankar Naicker, Yash Srivastava+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2021

Water Quality Monitoring Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、コンピュータビジョンを用いて浮遊プラスチックごみを検出し収集するとともに、仮想フェンスを活用して汚染行為の試みを警戒する太陽光発電式のロボット型水面清掃・監視システムを提案する。本システムはリアルタイム監視が可能なモバイルアプリとウェブダッシュボードを統合し、水体のプラスチック汚染に対する予防的および治療的（除去的）な二重対策を提供する。

ABSTRACT

Whenever a person hears about pollution, more often than not, the first thought that comes to their mind is air pollution. One of the most under-mentioned and under-discussed pollution globally is that caused by the non-biodegradable waste in our water bodies. In the case of India, there is a lot of plastic waste on the surface of rivers and lakes. The Ganga river is one of the 10 rivers which account for 90 percent of the plastic that ends up in the sea and there are major cases of local nalaas and lakes being contaminated due to this waste. This limits the source of clean water which leads to major depletion in water sources. From 2001 to 2012, in the city of Hyderabad, 3245 hectares of lakes dissipated. The water recedes by nine feet a year on average in southern New Delhi. Thus, cleaning of these local water bodies and rivers is of utmost importance. Our aim is to develop a water surface cleaning bot that is deployed across the shore. The bot will detect garbage patches on its way and collect the garbage thus making the water bodies clean. This solution employs a surveillance mechanism in order to alert the authorities in case anyone is found polluting the water bodies. A more sustainable system by using solar energy to power the system has been developed. Computer vision algorithms are used for detecting trash on the surface of the water. This trash is collected by the bot and is disposed of at a designated location. In addition to cleaning the water bodies, preventive measures have been also implemented with the help of a virtual fencing algorithm that alerts the authorities if anyone tries to pollute the water premises. A web application and a mobile app is deployed to keep a check on the movement of the bot and shore surveillance respectively. This complete solution involves both preventive and curative measures that are required for water care.

研究の動機と目的

• インドの川や湖における特に認識が不足しているプラスチック汚染問題に対処すること。
• 浮遊ごみを検出し収集できる自律的で太陽光発電式のボートを開発すること。
• リアルタイムで違法な汚染活動の検出と警報を可能にする監視メカニズムを実装すること。
• ボットおよび水体状況のリモート監視が可能なウェブおよびモバイルインターフェースを統合すること。
• ごみ除去（治療的）と汚染防止（予防的）の二重機能を組み合わせた持続可能なソリューションを構築すること。

提案手法

• 搭載されたカメラを用いて、リアルタイムで水面に浮遊するごみのパッチをコンピュータビジョンアルゴリズムで検出する。
• ボートに物理的収集機構を設け、浮遊ゴミを特定されたコンpartmentに収集・貯蔵する。
• 制限区域への接近を監視する仮想フェンスアルゴリズムを導入し、不正アクセスや汚染が検出された場合に警報を発動する。
• 長期的な持続可能性と環境への影響を低減するため、太陽光エネルギーで稼働する。
• 中央集約型ウェブアプリケーションおよびモバイルアプリに接続し、ボートの位置、ステータス、監視データをライブで追跡する。
• エッジ処理によるごみ検出とクラウドベースのデータログ記録・警報発動を統合したハイブリッドシステムアーキテクチャを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自律ロボットは、自然水体の浮遊プラスチックごみを効果的に検出し収集できるか？
• RQ2 動的な反射性の高い水面において、コンピュータビジョンアルゴリズムがごみをどれほど正確に同定できるか？
• RQ3 仮想フェンスシステムは、水体における違法汚染活動の抑止および検出にどの程度効果的か？
• RQ4 太陽光発電式ロボットシステムは、現実の環境条件下でも運用の持続可能性を維持できるか？
• RQ5 モバイルおよびウェブプラットフォームによるリアルタイム監視の統合は、水体清掃作業のスケーラビリティおよび管理性をどのように向上させるか？

主な発見

• リアルタイムコンピュータビジョンを活用した本システムは、連続的な水面清掃が可能であり、浮遊プラスチックごみの検出と収集に成功した。
• 仮想フェンスアルゴリズムは、潜在的な汚染イベントの同定と当局への警報発動に効果的に機能し、予防的監視を強化した。
• 太陽光発電設計によりエネルギーの持続可能性が確保され、外部電源への依存が低減した。
• モバイルアプリとウェブダッシュボードの統合により、ボートおよび水体状況のリアルタイム追跡と運用監視が可能になった。
• 本システムは、水体保護のためのスケーラブルで二重機能（ごみ除去と汚染防止）を有するアプローチを示した。
• 本ソリューションは RIACT 2021 で発表され、Springer の専門特集号に掲載選定されたことから、技術的・実用的妥当性が裏付けられた。