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建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离

申报人：杨万晖 申报日期：2024-05-31

基本情况

2024年批次
建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本项目拟通过研究可变风量、变风压风选机自适应可拓智能控制技术、高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术、城镇建设装修垃圾处置专用系列筛分装备、建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离装备等，一方面解决建筑废弃物资源化利用率不足5%，导致“垃圾围城”成为典型的环境问题；另一方面应用方面还没有完整的人工智能技术可以代替人工对城市建筑垃圾进行分选，为环境保护“保驾护航”
曾作为负责人负责校级立项大创一项
参与区级立项大创两项
互联网+大赛获区级银奖两项
参与专利两项
作为第一发明人发表专利一项在审
[1]授权发明专利:一种聚丙烯纤维珊瑚混凝土及其制备方法(ZL201410388707.4)发明人:王磊，易金，熊祖菁
[2]易金，刘超，王磊.聚丙烯纤维增强珊瑚混凝土抗冲击性能试验研究[J.科学技术与工程，2019,19(4):244-248.
[3]易金，王磊，毛亚东，李矗.疲劳荷载对锈蚀钢筋混凝土梁刚度影响的试验研究[]
广西大学学报( 自然科学版)，2017,42(1):45-51.
[4] Wang Lei *, Yi Jin, Xia Hailong, Fan Lei. Experimental study of a pull-out test of corroded steel and concrete using the acoustic emission monitoring method. Construction and Building Materials[, 2016(122):163-170.
[5] Wang L*,Li C,Yi J. An Experiment Study on Behavior of Corrosion RC Beams with Different Concrete Strength, Journal of Coastal Research, 2015,73(sp1):259-264.
[6]王磊，易金，邓雪莲，李佳怡.纤维增强珊瑚混凝土的力学性能研究及破坏形态分析[J].河南理工大学学报(自然科学版),2016,35( 5):713-718.
1）为项目组提供翔实、全面、细致的技术指导；
2）为项目组开展试验提供场地和仪器设备；
3）为项目组开展试验提供配套的研究经费。
国家级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
杨万晖 土木工程学院 土木工程 2021 总负责
崔恬祎 材料科学与工程学院 高分子材料与工程（创新班） 2023 材料研究
郑锦桂 土木工程学院 土木工程 2021 设备维护
刘团国 土木工程学院 土木工程 2023 产品研发
卢小江 计算机科学与工程学院 人工智能 2022 系统更新

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
安邦国 校团委、创新创业学院 否
张继旺 土木工程学院 否

立项依据

经济社会迅速发展和城市化进程快速推进，给中国现代化建设带来了巨大的红利和便利，但建设开发产生了大量建筑垃圾，引发了诸多问题。据中国科学院研究报告显示，我国每年产生的建筑废弃物量占城市垃圾总量40%，据估计，我国未来十年平均每年仍将产生20亿吨以上建筑废弃物，然而，我国建筑废弃物资源化利用率不足5%，导致“垃圾围城”成为典型的环境问题之一。因此，研制新型设备和装备，开发新技术以应对建筑垃圾资源化程度低的迫切度越来越高。
大量建筑垃圾对我国带来了严重的环境问题，但建筑垃圾蕴含着巨大的价值，通过一定技术处理，可通过回收利用其除有毒害物质外的大部分资源，可实现从“垃圾”到再生资源的转化，因此合理利用建筑垃圾，通过高效城市建筑垃圾定向处理设备，不仅有利于避免城市建筑垃圾堆存占地和环境污染问题，还可将建筑垃圾制成建筑骨料，降低建筑材料使用成本，形成利益闭环，同时有利于减少自然石场开采导致的水土流失问题，加速城市建筑垃圾定向处理技术的更新迭代，是利国利民的趋势所在。2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上承诺到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，实现“碳达峰”，努力争取2060年前实现“碳中和”；根据世界气候组织的测算，中国100万吨级建筑废弃物资源化利用项目可减碳33万吨。
国内对建筑垃圾资源化利用装备主要是在借鉴碎石、砂料等矿山处理设备的基础上发展起来的，主要包括筛分+破碎设备，在建筑垃圾特性及装备组成特点的基础上，将较大的混凝土块加工成骨料进行回收利用。国外发达国家在破碎筛分处理方面研究较多，如山特维克公司、洛克斯特公司、特雷克斯公司等先进建筑机械制造厂家均在大力开发研究破碎筛分站对固废材料进行现场就地加工处理，方便灵活。建筑垃圾资源化利用过程中涉及的技术及装备较多，各技术及装备在处置中具备不同效率及特点。
而我们通过调研中国各地区城市建筑垃圾的分拣产业线，发现我国目前拥有的建筑垃圾分拣技术还不够成熟，应用方面还没有完整的人工智能技术可以代替人工对城市建筑垃圾进行分选。城市建筑垃圾成分复杂，物体的体积、粒径、破损程度、色彩差异、材料材质等一系列物理因素无法得到确定；而潮湿物料带来的黏结问题，物体相互叠加掩盖问题也无法得到妥善的解决，传统的机器视觉识别算法无法对需要识别的物体的物理属性作出有效判断。
目前国内建筑垃圾资源化利用的主要途径是采用人工分拣+破碎筛分工艺或直接采用矿山设备进行处理，再生循环利用率不足10%，远低于发达国家90%以上的水平，并且普遍存在源头减量设备缺乏；有机、无机物料分选困难；再生材料成分复杂、品质较低；需要依赖大量的人工分拣，分选设备人工智能化程度较低，分选效率低、处理量小、检修维护成本高等缺点，严重制约了我国建筑垃圾资源化利用，因此，研究适应我国建筑垃圾特征的智能精细分选关键技术和成套装备，形成建筑垃圾减量化、无害化、资源化利用一体化解决方案与推广模式，建立集成示范基地，全面引领提升我国建筑垃圾资源化科技支撑与保障能力，最终形成环境友好、低成本、高效分离效果的关键技术及成套装备，对城市建筑垃圾中需要提取的目标物达到98%的目标物提取率。
最后根据城市建筑垃圾回收处置要求，开发满足“绿色工厂”、智能控制功能集于一体的建筑垃圾回收再利用处置系统，且进行工程示范。
①可变风量、变风压风选机自适应可拓智能控制技术
1）研发风选机及其主要部位结构，进行沉降室、回风口、均料滚筒、回风管道、吹风管道等主要零部件选型及参数确定
2）进行风选机物料测试，确定最优设计
②高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术
1）研发高效智能分选阶梯筛，进行主要零部件计算、选型以及风机参数的确定
2）进行阶梯筛的优化设计，创新升级，提高筛分效率，有效降低单机成本
③城镇建设装修垃圾处置专用系列筛分装备
1）研发复合张驰筛，进行筛网分析、激振力分析、筛箱设计、夹持座的设计、并确定主要零部件参数
2）进行复合张驰筛的优化设计，根据工艺要求，修改网格筛网，增加不同规格的耐磨板筛板，满足互换性，经济适用
④建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离装备
1）优化多机械手的智能协同分拣技术，对夹爪以及桁架本体做有限元分析，研发全新的Z/R双轴一体结构，使重型机器人分选率达到95%以上
国内外科学家对建筑垃圾的智能识别做出了以下努力：
黄惠玲等结合建筑垃圾的特点，基于ＨＳＶ的阈值分割算法和Ｋ均值聚类算法对不同颜色的建筑垃圾进行识别。
郑龙海等提出了一种机器视觉与称重技术相结合的分类方法，能够有效地将建筑垃圾中常见的木头和砖石进行自动分类并回收利用。
ＺｈｕａｎｇＪｉａｎｇｔｅｎｇ等通过结合颜色特征和纹理特征，使用机器学习算法对灰砖和混凝土图像进行训练和识别。
曾平平等将卷积神经网络应用到水果图像识别上，不仅在数据集上取得了较高的识别准确率，而且避免了人工提取特征的繁琐过程。
陈非予等提出了一种基于深度迁移学习的垃圾图像分类模型，该模型对图像的成像要求比较低，对光照、距离、大小不敏感，具有高稳健性。
而对于具体技术，国内外同样有着不一样的研究现状：
①可变风量、变风压风选机自适应可拓智能控制技术
国外现状：
1）固定风速和固定风压，进行轻、重物质的分离
2）设备能够对轻重物质进行分离，但分离率不够理想。
国内现状：
1）对建筑垃圾风选技术及其设备的研究力度还较为薄弱
②高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术
国内现状：
1）建筑垃圾处理处置普遍较为混乱，管理机制不够完善，资源化、减量化程度较低
2）长条状物料废物的资源回收利用率较低，没有实现真正的回收利用
3）难以解决缠绕问题。
4）分选效率低效果差
③建筑垃圾有机和无机材料智能识别与高效分选技术
1）有机无机分选技术自动化程度较低，分拣效率低
2）国内建筑垃圾种类复杂，分选效果不够理想
发展动态：建筑垃圾智能分选系统以建筑垃圾为研究对象，通过机器视觉技术代替人眼对图像进行实时采集，通过深度学习技术代替人脑实现建筑垃圾的分类，通过脉冲气流喷枪代替人手对建筑垃圾进行分选，将机器视觉技术和深度学习技术综合应用于建筑垃圾分拣行业，实现建筑垃圾的高效分选。
（1）本工艺方案采用“先筛分后破碎”的工艺路线，可保障系统运行的稳定性；
（2）本工艺方案采用人工+机械分拣结合的方式进行原始物料的筛分，采用多级筛分和粒径控制的方式，配备了用于筛分大件干扰物的阶梯筛，用于解决潮湿渣土堵塞问题并能进行多重精细筛分的复合张弛筛，用于高效分离轻重物料的高压密度高压密度分选机，同时配备了智能分拣机器人协同分选可回收资源物，提升产线智能化分选水平，具有适应性强、自动化程度高、易操作等特点，可有效解决现有工艺分拣效率低，人工成本高、工作环境差、设备运行不稳定、检修维护成本高等问题。
（3）本工艺方案通过大件筛分、复合张弛筛分、高压密度风选等设备的优化设计、多重分选机制、工艺耦合作用与布置，以及产线模块化设计和人工智能等分选技术的优化结合，可实现建筑垃圾分选的高效、智能和高度自动化，降低人工成本和运营成本，处理成本降低30%以上。
（4）本工艺方案可实现建筑垃圾有机/无机材料分选率>98%，建筑垃圾资源化利用率>95%，末端产品附加值高。
（5）本工艺方案系统是由各部分模块化组合起来的，可以根据不同的混合建筑垃圾物料组分进行灵活调整，因地制宜，因时制宜的选择科学合理的方案，达到设计最优。
项目特色：
本项目有助于对建筑垃圾中有机/无机材料进行智能化精细高效分选，通过物料智能分选筛分模块和骨料破碎筛分模块的优化组合，得到较为洁净的再生骨料，并充分回收建筑垃圾中其他的资源物，保障建筑垃圾末端产品的高附加值利用，带来良好的环境、社会、经济效益，
技术路线：
针对混合建筑垃圾成分复杂，物料尺寸波动大，含杂率高，物料湿度、粘度不同等难题，如何将建筑垃圾中的大件干扰物、湿黏物料、轻重物料等进行高效分离，是工艺设计是否科学合理和末端再生骨料品质保障的关键。
建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离装备系统技术路线主要包括：
①板链输送机组成的上料模块；
②基于高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术的一级筛分机模块，由基于城镇建设装修垃圾处置专用系列筛分装备的二级筛分机模块；
③基于可变风量、变风压风选机自适应可拓智能控制技术的风选机模块；
④基于人工智能领域机器视觉、高光谱成像和三维激光扫描等多传感器融合检测技术，对建筑垃圾表面物理性质、材质、三维形状等信息进行融合分析计算，运用最新的深度学习技术对其进行精细分类与准确识别，从而实现建筑垃圾的智能精细分选的智能分拣机器人模块；
⑤建筑垃圾专用反击式破碎机组成的破碎机模块；
⑥建筑垃圾专用的自卸式电磁选机组成的除铁器模块；
⑦重型圆振筛组成的骨料筛分机模块及搭配组合的人工分拣模块；
各模块之间的物料输送通过皮带输送机模块进行实现，如下图1.1所示。
图1.1 建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离装备系统工艺方案及流程图
（1）混合建筑垃圾经专用运输车运输至原料仓堆放，由装载机上料至重型链板输送喂料机中，物料由输送机输送进入一级筛分机模块。
（2）一级筛分机运用了高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术，能将影响产线稳定运行的大件干扰物（＞450mm的物料）筛分出产线，并将物料充分的打散，物料被筛分成三种粒径的物料，分别为大件干扰物（＞450mm）、筛上物（250mm-450mm）和筛下物（<250mm)，大件干扰物（大块混凝土块、大块红砖、大块木材、大块塑料、大块纸板等，>450mm）直接输送返回至堆场再进行人工预分拣，大块建筑垃圾经镐机破碎后重新上料。
（3）阶梯筛筛上物（250-450mm）由输送机运输至人工+智能分拣机器人分选模块，智能分拣机器人运用人工智能领域机器视觉、高光谱成像和三维激光扫描等多传感器融合检测技术，对建筑垃圾表面物理性质、材质、三维形状等信息进行融合分析计算，运用最新的深度学习技术对其进行精细分类与准确识别。当设备检测到输送带上有垃圾经过时，利用视觉系统扫描垃圾流，识别垃圾的表面特征，然后通过深度学习，分析识别出物体材质、轮廓和抓取点，并根据物体的大小、价值和位置来确定分选的优先级，利用机械手便捷、快速的进行物料分选，降低人工意外风险的发生，并精准的挑选出其中的木材、塑料、石膏板等资源物，实现建筑垃圾智能精细分选。经人工+智能分拣机器人分拣出木材、金属及其他可燃物，落入对应的缓存货格；剩余物为大块建筑垃圾，由输送机运输至后端反击式破碎机直接破碎处理。
（4）阶梯筛筛下物（<250mm）由输送机输送至二级筛分机模块，二级筛分机为复合张弛筛，上层筛面上部采用悬挑式棒条结构，上层筛面下部为格栅式筛网，筛面与水平面呈15°夹角，上层筛网从上到下阶梯式布置，上层筛面长棒条与网格筛面的法向夹角为100°，短棒条与格栅筛面的法向夹角为110°。筛面下部呈格栅布置，横向隔板与格栅筛面的切向夹角为120°。下层筛面为柔性筛网，可针对湿、黏建筑装修垃圾物料具有很好的筛分效果，筛网堵塞情况也明显改善，满足对物料的多重精细筛分要求。
（5）复合张弛筛将物料又筛分成筛上物（60-250mm）、筛中物(20-60mm)、筛下物（<20mm）三种粒径物料，筛上物和筛中物分别由输送机经除铁器模块去除部分铁磁性金属后，分别由输送机输送至高压密度分选机模块，高压密度分选机模块运用了可变风量、变风压风选机自适应可拓智能控制技术，设备在运行过程中通过前段识别，控制系统处理信息并发出指令控制风机运行参数、皮带机机传送速度；通过调整风量分流阀位置、吹风口角度、以及拨料滚筒位置和转速，实现处理物料的动态变化，动态调整，以达到最佳使用效果。同时对后端的目标物进行图像分析比对，对处理效果进行判定并反向调节设备上述各项参数，以达到闭环最佳使用分选效果，实现重物质（水泥块、石材、加气块、陶瓷、玻璃、红砖等）和轻物质（塑料、纸板、织物等）的高效分离。
（6）复合张弛筛筛下物为渣土混合物，颗粒比较小，由输送机直接运输至相对密闭的渣土堆放区后期进行资源化利用。
（7）两台高压密度分选机分选出的重物质（水泥块、陶瓷、玻璃为主）由输送机汇总输送进入人工分拣房设备，进一步剔除物料中的可燃物等轻物质，与两台高压密度分选机分选出的轻物质由输送机汇总输送至可燃物缓存区域暂存。剩余的较纯重物质由输送机输送至建筑垃圾专用反击式破碎机破碎模块，破碎后的物料经除铁器模块进一步去除部分金属后由输送机输送至骨料筛分机模块进行骨料的筛分。
（8）重型圆振筛骨料筛分机将破碎后的物料筛分成0-5mm、5-10mm、10-31.5mm、>31.5mm四种粒径再生骨料（粒径范围及种类数可根据实际项目情况进行调节，本章节设定的骨料粒径数值仅供参考）。
（9）0-5mm、5-10mm再生骨料粒径较小，直接由输送机输送至对应粒度的骨料仓暂存、10-31.5mm骨料则由输送机经过人工分拣模块进一步巩固剔除杂质提纯后再由输送机输送至对应粒度的骨料仓暂存，>31.5mm骨料通过输送机输送返料经过人工分拣房模块进一步剔除杂质提纯后返料至反击式破碎机中，循环破碎控制粒径，同时也保障末端再生骨料品质，含杂率<2%。
（10）各缓存区域内成品料，采用装载机将物料转运至成品料堆放区，成品料堆放区物料按照容量要求定时清运。
拟解决的问题：
完成建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离的全部流程，可实现将建筑垃圾最终分选成再生骨料，金属，混合渣土，混合可燃物，木材、纸质等其他资源物五大类产物。
预期成果：
通过设备的优化设计、多重分选机制、工艺耦合作用与布置，以及产线模块化设计和人工智能等分选技术的优化结合，可实现建筑垃圾分选的高效、智能和高度自动化，降低人工成本和运营成本，处理成本降低30%。
具体总结了以下几方面成果：
1）研究适用于建筑垃圾识别的深度神经网络模型与算法
2）研究基于数据融合的建筑垃圾分类识别技术
3）进行模型算法验证的优化
4）完成1 套/有机/无机材料分选率达98%以上分离装备
2024年5月-8月：
1）研发风选机及其主要部位结构，进行沉降室、回风口、均料滚筒、回风管道、吹风管道等主要零部件选型及参数确定；
2）进行风选机物料测试，确定最优设计；
2024年8月-10月：
研发高效智能分选阶梯筛，进行主要零部件计算、选型以及风机参数的确定；
进行阶梯筛的优化设计，创新升级，提高筛分效率，有效降低单机成本；
2024年10月-12月：
1）研发复合张驰筛，进行筛网分析、激振力分析、筛箱设计、夹持座的设计、并确定主要零部件参数
2）进行复合张驰筛的优化设计，根据工艺要求，修改网格筛网，增加不同规格的耐磨板筛板，满足互换性，经济适用
2025年12月-2024年4月：
1）优化多机械手的智能协同分拣技术，对夹爪以及桁架本体做有限元分析，研发全新的Z/R双轴一体结构，使重型机器人分选率达到95%以上
2025年1月-5月：
1）整理试验数据，撰写发表小论文，申请发明专利，完成结题报告。
1）项目负责人为土木工程专业大三学生，参加了多个与此相关的科研课题，曾跟随指导老师易金老师做了近一年的建筑垃圾重利用方面的试验，具体扎实的试验功底和分析能力；
2）项目组其他组员来自土木工程、人工智能、高分子材料专业方向学生，经过相关专业得学习，具备了良好的专业功底，并且富有创新能力和吃苦肯干精神；
3）该项目为指导老师主持在研项目的一部分内容，目前已开展了相关的研究工作，为本项目的实施提供了一些有利条件。


项目组所在学校实验室拥有先进齐全的土工实验和材料分析设备，这些试验条件基本可以满足所开展的试验需求。另外，指导老师主持在研的国家自然科学基金项目可为本项目提供配套的试验经费和相关的试验场所、仪器设备等。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 6000.00 无 3000.00 3000.00
1. 业务费 5000.00 无 2000.00 3000.00
（1）计算、分析、测试费 3000.00 试验检测、分析 2000.00 1000.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 2000.00 版面费 0.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 1000.00 实验耗材 1000.00 0.00
结束

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