Tutto il mondo, le grandi città stanno esaurendo lo spazio per i rifiuti solidi urbani. Le discariche esistenti si stanno rapidamente riempiendo e nessuno vuole un nuovo sito vicino alle proprie case o aziende. Nel frattempo, i contribuenti non sono interessati a costi più elevati per la gestione dei rifiuti di qualità.

Un modo per prolungare significativamente la vita lavorativa dei siti di gestione dei rifiuti esistenti è il riciclaggio. Il riciclaggio può anche fornire occupazione, contribuire a stabilire un'economia circolare o ad avvicinarsi allo zero rifiuti. Ma spesso, le famiglie sono molto resistenti al riciclaggio.

Un recente studio riporta una potente tecnica di intelligenza artificiale (AI) per prevedere i requisiti di discarica per una città a lungo termine. I ricercatori hanno utilizzato l'apprendimento automatico per prevedere i rifiuti solidi urbani in una grande città africana. La previsione mostra quanti rifiuti ci saranno tra 30 anni se i livelli di riciclaggio rimangono gli stessi.

Il dottor Olusola Olaitan Ayeleru e il signor Lanrewaju Ibrahim Fajimi hanno pubblicato la loro ricerca nel Journal of Cleaner Production . Entrambi sono presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università di Johannesburg.

Pianificazione dei rifiuti con fogli di calcolo

Prevedere quando le discariche di una città esauriranno lo spazio è difficile, anche quando sono disponibili informazioni accurate. Però, le previsioni statistiche convenzionali che utilizzano un foglio di calcolo possono essere sufficienti per pianificare 30 anni in anticipo.

Allo stesso tempo, i fogli di calcolo con molte formule e macro regolate manualmente sono difficili da capire. Questi possono anche richiedere molto tempo e difficili da mantenere.

Ma la previsione per diversi scenari di riciclaggio potrebbe non essere possibile sui fogli di calcolo. Prendendo la crescita della popolazione, tipi di rifiuti, il tempo e altri set di dati presi in considerazione in tale previsione potrebbero non essere possibili, o.

Nei paesi in via di sviluppo, le informazioni sui rifiuti prodotti in una città sono spesso mancanti o imprecise. Qui, è improbabile che i fogli di calcolo forniscano ai gestori delle città previsioni per la pianificazione a lungo termine.

Però, i modelli di apprendimento automatico possono essere addestrati dai dati disponibili, e da ulteriori dati aggiunti in seguito. Anche, l'apprendimento automatico è più adatto per sfruttare più set di dati in diversi formati.

Una città in rapida crescita

Johannesburg è il centro economico del Sudafrica e la città più grande del paese. Attira persone da altre province e cittadini stranieri in cerca di lavoro.

Per questo studio, solo la città metropolitana di Johannesburg è stata inclusa. Questo si estende da Diepsloot e Midrand a nord fino a Ennerdale/Orange Farm a sud; Doornkop/Soweto a ovest fino a Bruma a est. Le vicine città di Ekhurhuleni, Tshwane, Mogale, Merafong, Rand West, Emfuleni, Midvaal e Lesedi sono stati esclusi dallo studio.

Tra il 1996 e il 2001, la popolazione della città di Johannesburg è cresciuta da 2,59 milioni a 3,22 milioni. Entro il 2011, la popolazione della città era di 4,43 milioni, secondo i dati del censimento nazionale. Lo stesso anno, Il 90% di circa 59 milioni di tonnellate di rifiuti generici prodotti in Sudafrica è finito in discarica, mentre il 10% è stato riciclato. a livello nazionale, Il 12,9% delle famiglie metropolitane ha dichiarato di aver riciclato, seguito dal 10,8% delle famiglie nelle aree urbane.

Per il 2021, la popolazione della città è stata prevista a 5,3 milioni, secondo il proprio Piano di Sviluppo Integrato 2019/2020.

La città gestisce attualmente quattro discariche. A settembre 2020, il COO di Pickitup, società di gestione dei rifiuti della città, ha riferito che in questi siti sono rimasti quattro anni e mezzo di capacità.

Nel 2018, la città ha avviato un programma di riciclaggio alla fonte. Il reparto ricicla la plastica, carta, vetro e lattine, così come i rifiuti di giardino prodotti in casa. A febbraio 2021, Pickitup ha annunciato un programma di coproduzione con 48 compagnie. L'obiettivo è aumentare la raccolta differenziata, sensibilizzazione ed educazione alla pulizia delle strade e al riciclaggio in città. Quindici nuovi membri del personale Pickitup per reparto coordineranno il programma.

Dati collegati ad AI

Ayeleru e Fajimi hanno utilizzato l'apprendimento automatico per prevedere i rifiuti solidi urbani a Johannesburg nell'arco di 30 anni utilizzando un computer notebook standard con un processore i7. I ricercatori hanno utilizzato i dati del censimento del 2011 che indicano la popolazione, formalmente impiegato, disoccupati e numero di nuclei familiari. I dati sono stati forniti dall'agenzia governativa nazionale StatsSA. Hanno combinato questo con i dati sui rifiuti solidi urbani totali annuali nelle quattro discariche della città, dal 1996 al 2008. Questi dati sono stati forniti dalla città di Johannesburg.

In questo studio, Fajimi ha utilizzato due tipi di apprendimento automatico per generare previsioni a 30 anni del totale dei rifiuti solidi generati in città. Entrambi gli algoritmi sono noti per previsioni accurate e coerenza.

Il primo tipo sono le reti neurali artificiali (ANN). Questo tipo di modello può imparare da solo. I ricercatori hanno utilizzato cinque, 10-, 20-, Modelli a 30 e 40 neuroni per creare cinque previsioni I ricercatori hanno utilizzato il software MATLAB, che ha un robusto toolbox di adattamento neurale ANN.

Il secondo tipo è chiamato macchine vettoriali supportate (SVM). I ricercatori hanno utilizzato lineare, quadratica, cubo, un gaussiano, metodi gaussiani medio e gaussiani grossolani nel software MATLAB per creare altre sei previsioni.

Il modello a 10 neuroni ha prodotto la migliore previsione ANN. Tra gli SVM il modello lineare ha prodotto la migliore previsione.

La linea di fondo dell'IA

Il modello a 10 neuroni prevedeva che la popolazione nella città di Johannesburg sarebbe aumentata da 5,3 milioni nel 2021 a 6,4 milioni nel 2031; e a 8,4 milioni nel 2050. Al contrario, il modello non prevedeva lo stesso aumento dei rifiuti solidi urbani. Anziché, prevedeva un aumento dei rifiuti totali annui da 1,61 milioni di tonnellate nel 2021 a 1,72 milioni di tonnellate nel 2031; e a 1,95 milioni di tonnellate nel 2050.

"Ci si può aspettare che la produzione di rifiuti aumenti con l'aumento della popolazione, ma questo dipende anche da fattori come potere d'acquisto basso o alto o fonte di reddito, "dice Ayeleru.

"Quando i cittadini perdono la loro fonte di reddito o il potere d'acquisto è basso, la quantità di rifiuti generata sarebbe ridotta poiché farebbero cucinare il cibo a casa rispetto all'acquisto di cibo pronto al ristorante, Per esempio."

Prossimi passi

Nella ricerca di follow-up, Ayeleru e Fajimi stanno studiando come utilizzare l'intelligenza artificiale per prevedere i tipi di rifiuti e quanto reddito la città potrebbe generare da ciascuno di essi. "La città di Johannesburg sta attualmente facendo molto meglio nella gestione dei rifiuti rispetto ad altre grandi città del continente. Questa previsione AI può aiutare a facilitare la progettazione della città della futura infrastruttura di gestione dei rifiuti, "dice Ayeleru.

"A breve termine, il primo passo che la città può fare è educare le persone, così iniziano a riciclare di più. In secondo luogo, la città potrebbe aver bisogno di guardare oltre ciò che stanno facendo in questo momento per generare reddito dai rifiuti solidi".