[논문 리뷰] Design of a Smart Waste Management System for the City of Johannesburg

Beauty L. Komane, Topside E. Mathonsi|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 25.

Municipal Solid Waste Management인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 IoT 센서, 실시간 모니터링 및 모바일 애플리케이션을 활용하여 요하네스버그의 스마트 쓰레기 관리 시스템을 제안한다. 이 시스템은 데이터 기반 경로 설정과 경고 기능을 통해 수동 수거의 비효율성과 환경 오염을 줄이며, 자원이 제한된 토운십에서 도시 쓰레기 관리의 품질을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Every human being in this world produces waste. South Africa is a developing country with many townships that have limited waste resources. Over-increasing population growth overpowers the volume of most municipal authorities to provide even the most essential services. Waste in townships is produced via littering, dumping of bins, cutting of trees, dumping of waste near rivers, and overrunning of waste bins. Waste increases diseases, air pollution, and environmental pollution, and lastly increases gas emissions that contribute to the release of greenhouse gases. The ungathered waste is dumped widely in the streets and drains contributing to flooding, breeding of insects, rodent vectors, and spreading of diseases. Therefore, the aim of this paper is to design a smart waste management system for the city of Johannesburg. The city of Johannesburg contains waste municipality workers and has provided some areas with waste resources such as waste bins and trucks for collecting waste. But the problem is that the resources only are not enough to solve the problem of waste in the city. The waste municipality uses traditional ways of collecting waste such as going to each street and picking up waste bins. The traditional way has worked for years but as the population is increasing more waste is produced which causes various problems for the waste municipalities and the public at large. The proposed system consists of sensors, user applications, and a real-time monitoring system. This paper adopts the experimental methodology.

연구 동기 및 목표

• 빠른 인구 증가와 부적절한 인프라로 인해 심화되고 있는 요하네스버그 토운십의 쓰레기 관리 위기 해결.
• 비효율적이고 지속 가능하지 못한 전통적인 수동 쓰레기 수거 방식의 한계 극복.
• 실시간으로 쓰레기 수준을 모니터링하고 수거 로직을 최적화할 수 있는 확장 가능한 데이터 기반 시스템 설계.
• 수거되지 않은 쓰레기와 잘못된 폐기로 인한 환경 오염, 질병 확산 및 Greenhouse 가스 배출 감소.
• 개발도상 도시 지역의 기존 쓰레기 관리 프레임워크에 기술을 통합하여 지자체 서비스 제공 향상.

제안 방법

• 선택된 토운십 전역의 쓰레기통에 IoT 기반 적재 수준 센서를 설치하여 실시간 쓰레기 축적량 모니터링.
• 분산된 쓰레기통에서 수집된 센서 데이터를 수신하고 분석하기 위한 중앙집중식 실시간 모니터링 시스템 구현.
• 수거 작업자들이 데이터 기반으로 경로 최적화 및 경고 수신을 위한 모바일 애플리케이션 개발.
• 요하네스버그의 실제 도시 환경에서 시스템 성능 평가를 위한 실험적 방법론 적용.
• 사용자 피드백과 시스템 경고를 통합하여 운영 효율성 향상 및 불필요한 수거 이동 감소.
• 인공지능 및 게임 이론 원리를 적용하여 쓰레기 수거 로지스틱의 의사결정 과정 모델링 및 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IoT 기반 센서는 요하네스버그 토운십과 같은 자원이 제한된 도시 지역에서 쓰레기 수거의 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 실시간 모니터링은 넘치는 쓰레기통 빈도와 관련된 환경적 위험을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ3 모바일 애플리케이션과 데이터 기반 경로 설정은 지방 정부 쓰레기 수거의 운영 비용 절감과 대응 시간 향상에 기여하는가?
• RQ4 스마트 쓰레기 관리 시스템은 비공식 주거지에서 오염과 질병 매개체 감소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 확장성과 지속 가능성 측면에서 전통적인 쓰레기 수거 방식과 데이터 기반 접근 방식은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 실시간 쓰레기 수준 추적 기능을 통해 넘침과 수거되지 않은 쓰레기 발생 가능성을 크게 감소시킨다.
• 데이터 기반 경로 설정을 통해 불필요한 수거 이동을 최소화하여 운영 효율성을 향상시킨다.
• 모바일 애플리케이션 통합으로 인해 쓰레기 작업자들이 경고에 즉각 대응할 수 있어 서비스 대응성 향상.
• 시멘트 및 환경 오염 위험을 줄이며, 토운십 지역의 개방형 폐기 및 페기로 인한 환경 오염과 관련된 건강 위험 감소.
• 실험적 구현 결과, 센서 기반 모니터링이 자원이 제한된 도시 환경에서 지방 정부의 쓰레기 관리 향상에 기여함을 입증.
• 인공지능과 게임 이론 원리의 적용은 쓰레기 수거 로지스틱의 최적화된 의사결정 지원으로 시스템의 확장성 증가.