[논문 리뷰] Water Care: Water Surface Cleaning Bot and Water Body Surveillance System

Harsh Sankar Naicker, Yash Srivastava외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 24.

Water Quality Monitoring Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 컴퓨터 시각을 사용하여 부유하는 플라스틱 쓰레기를 탐지하고 수거하는 태양광 구동 로봇 수면 청소 및 감시 시스템을 제시한다. 이 시스템은 가상의 울타리 기술을 활용해 오염 시도를 경고함으로써 예방적 조치를 취한다. 실시간 모니터링을 위한 모바일 앱과 웹 대시보드를 통합하여 수면 오염으로부터 수체를 청소하고 보호하는 이중적 예방 및 치료적 솔루션을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인도의 강과 호수에서 특히 심각한 플라스틱 오염 문제를 해결하고, 이는 아직 충분히 인식되지 않은 중요한 문제이다.
• 부유 쓰레기를 탐지하고 수거할 수 있는 자율 주행 태양광 구동 로봇을 개발한다.
• 실시간으로 불법 오염 활동을 탐지하고 관계자에게 경고하는 감시 메커니즘을 구현한다.
• 로봇과 수체 상태를 원격으로 모니터링할 수 있는 웹 및 모바일 인터페이스를 통합한다.
• 쓰레기 수거(치료적)와 오염 방지(예방적)를 동시에 구현하는 지속 가능한 이중 기능 솔루션을 창출한다.

제안 방법

• 현장 카메라를 이용해 실시간으로 수면에 떠 있는 쓰레기 덩어리 탐지를 위한 컴퓨터 시각 알고리즘을 활용한다.
• 로봇에 물리적 수거 장치를 장착하여 부유 쓰레기를 수거하고 전용 공간에 보관한다.
• 제한 구역에 가까이 접근하는지 감시하는 가상의 울타리 알고리즘을 도입하여 무단 접근이나 오염이 의심될 경우 경고를 발동한다.
• 장기적인 지속 가능성과 낮은 환경 영향을 확보하기 위해 태양 에너지를 공급원으로 사용한다.
• 로봇의 위치, 상태 및 감시 데이터를 실시간으로 추적할 수 있도록 중앙 집중식 웹 애플리케이션과 모바일 앱에 연결한다.
• 쓰레기 탐지에는 엣지 처리를, 데이터 로깅과 경고 기능은 클라우드 기반으로 처리하는 하이브리드 시스템 아키텍처를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자율 로봇은 자연 수역에서 부유 플라스틱 쓰레기를 효과적으로 탐지하고 수거할 수 있는가?
• RQ2 컴퓨터 시각 알고리즘이 동적인 반사성 수면에서 쓰레기를 얼마나 정확하게 식별할 수 있는가?
• RQ3 가상의 울타리 시스템은 수역 내 불법 오염 활동을 효과적으로 억제하고 탐지할 수 있는가?
• RQ4 태양광 구동 로봇 시스템은 실제 환경 조건에서 지속 가능한 운영을 유지할 수 있는가?
• RQ5 모바일 및 웹 플랫폼을 통한 실시간 모니터링 통합이 수역 청소 운영의 확장성과 관리 용이성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 실시간 컴퓨터 시각 기술을 활용해 부유 플라스틱 쓰레기를 성공적으로 탐지하고 수거함으로써 지속적인 수면 청소가 가능하다.
• 가상의 울타리 알고리즘이 잠재적 오염 사건을 효과적으로 식별하고 관계자에게 경고함으로써 예방적 모니터링 능력을 향상시켰다.
• 태양광 구동 설계 덕분에 에너지 지속 가능성이 확보되어 외부 전원 공급원에 대한 의존도가 감소했다.
• 모바일 앱과 웹 대시보드 통합을 통해 로봇과 수역 상태를 실시간으로 추적하고 운영 전반을 감시할 수 있었다.
• 이 시스템은 쓰레기 수거와 오염 방지를 동시에 구현하는 확장 가능한 이중 기능 솔루션을 입증하여 수역 보존에 기여했다.
• 이 솔루션은 RIACT 2021에서 발표되었으며, 스프링거 특별호에 게재될 만한 기술적·실용적 관련성을 입증했다.