Nevlabs: как мы используем искусственный интеллект в сфере сортировки мусора

Всем привет! Я Александр Неволин, основатель и руководитель компании Nevlabs. Мы производим оборудование для автоматической сортировки отходов, о чем я и хочу рассказать.

Вся моя жизнь связана с техникой. В младших классах я рисовал схемы магнитофонов, в старших — стал чемпионом Крыма по судомоделизму, затем поступил в МАИ на факультет радиоэлектроники. Уже на первом курсе произошло то, что определило всю мою дальнейшую жизнь.

В начале студенчества я очень скучал по родителям. Интернет и мобильники тогда практически отсутствовали, поэтому единственным способом поговорить вживую было позвонить по проводному телефону. Но международная (тогда ещё) связь стоила дорого, что было явно не по карману студенту-первокурснику, живущему в общаге. Тогда родилась гениальная идея: чтобы звонить бесплатно, нужно всего лишь взломать таксофоны (они же есть с международной связью)!

Задача оказалась интересной, но неприступной, да и были эпизоды, которые лишь чудом не испортили мне жизнь. Однако я подробно изучил программирование микроконтроллеров — тогда ещё на ассемблере. Этого оказалось достаточно, чтобы задать вектор всей дальнейшей деятельности.

В 2003 году я заработал свои первые деньги на создании сайта. Их я пустил на второе высшее образование и в своем же ВУЗе пошел на прикладную информатику. Мои одногруппники крутили пальцем у виска: «Зачем тебе смежная специальность?». Тогда было модно получать второе высшее экономическое. Однако сейчас могу со стопроцентной уверенностью заявить, что выбор был правильный.

Я продолжал разрабатывать сайты, а уже во время обучения в аспирантуре открыл юрлицо. Поначалу оно «простаивало», но после защиты кандидатской диссертации я запустил рекламу в интернете и нашел первых клиентов. Очень скоро я перепрофилировал деятельность с сайтов на заказную разработку ПО. Эта работа была интереснее, но и сложнее, зато конкуренции меньше. За более чем 10 лет мы реализовали весьма крутые проекты: полная разработка электроники и софта для установки диагностики онкологии кожи, система контроля оплаты платных парковок для многих городов России, автокад в «онлайне» и много-много другого. Нам реально есть, чем гордиться.

1. Ты никогда не можешь сделать по-настоящему классно, поскольку это стоит больших денег, а заказчик экономит.

2. Поддержка штучных продуктов — крайне тяжелая задача. Особенно, когда проектом не занимались уже больше года, а программист, который его делал, уволился.

3. Конечно, некоторые клиенты были не сахар. Самое неприятное — это не то, что они выносят мозг, а то, что каждый делает это по своей методике.

4. Продавать такую услугу тяжело. Обычному менеджеру по продажам приходится нелегко, так как нужно держать в голове весь опыт фирмы и быть хотя бы немножко технарем.

5. Хоть это и выглядит странной причиной, но когда я ходил по выставкам в поисках клиентов, мне было обидно, что мне нечего показать самому. Я думал, что занимаясь аутсорсом, я никогда не смогу выставиться со стендом и показать, чего же добился я сам.

В 2017 году мы с семьей были в Европе и пошли за мелочевкой в немецкую Икею. Она оказалась ровно такой же, как у нас в Химках, а вот баков для раздельного сбора отходов — целых 7.

Я давно понял, что Запад — это как машина времени: смотри, что есть там, и лет через 5-10 это будет у нас.

Я вынашивал эту идею, искал как подступиться. И тут в 2018 году один наш клиент, системный интегратор, предложил объединиться. Им не хватало людей, а мне не хватало денег — мы могли бы помочь друг другу. Я решил, что это шанс: весь аутсорс я оставлю в этой совместной компании и поставлю все на рельсы, а сам со временем переключусь на свой продукт.

Оказалось, что процессы в этом интеграторе поставлены намного хуже, чем у меня, и вообще, аутсорс для них — лишь приложение к основной деятельности — продаже железа. С соответствующим отношением, хотя денег было гораздо больше, чем у меня. Мы очень быстро разбежались. Это послужило последней каплей — я окончательно разочаровался в аутсорсе.

К этому моменту мы уже сделали несколько проектов с применением искусственного интеллекта. Это и определило, чем я буду заниматься дальше. Пазл сложился: раз в Европе есть такая технология, то она будет и у нас, а распознавать мусор вполне можно с помощью нейронных сетей, тем более мы это уже умеем.

Мы подали заявку в Фонд Бортника и выиграли. Денег давали немного — 2 млн. рублей, причем частями, и тратить их можно было только определенным образом. Но на халяву и уксус сладкий. Позже мы, Nevlabs, вступили в «Сколково», резидентами которого сейчас являемся.

Далее мне удалось договориться с одним мусоросортировочным заводом, чтобы нас пустили туда с камерой и мы собрали материал для обучения нейросети. Целый день мы снимали весь мусор, проходящий по конвейеру.

Параллельно я разбирался в видах отходов. Почитал теорию, а потом полдня провел в «Ашане», заглядывая на донышко упаковок — посмотреть, какая там маркировка.

Следующей задачей было разметить фотографии мусора для обучения нейронной сети. Можно было сделать это самим, но для нас это было долго. К тому моменту я знал об одной компании, у которой армия надомных работников занимается распознаванием текстов.

Мы поступили подобным образом, тем более от желающих не было отбоя — создали сервис, где люди размечают мусор на фотографиях и получают за это небольшую оплату.

Погружаясь в тему глубже, я узнал, что существующие иностранные аналоги распознают мусор несколько по-другому: они анализируют спектр отраженного от материала света в ИК-диапазоне. Оказывается, разные материалы имеют разные спектры, по этому признаку их можно различить.

Для этого необходима гиперспектральная камера, работающая в SWIR-диапазоне. Однако стоит она не просто дорого, а очень дорого: до 70% от стоимости всего оборудования (около 15 миллионов рублей).

Кроме того, есть определенные нюансы. Например, бутылки из-под подсолнечного масла должны собираться отдельно от других, поскольку масло успевает запачкать соседей так, что их невозможно потом отмыть. Но спектральный анализ не в состоянии различать такие бутылки, так как он распознает только тип материала.

Другая неожиданная проблема — подгузники. При их производстве используются ПЭТ-волокна, как следствие, они нередко отбираются вместе с бутылками.

В противовес спектральному анализу, ИИ обладает кучей достоинств:

• Он не требует дорогостоящего спектрометра, поэтому такое оборудование можно сделать кратно дешевле.
• Он может распознавать сложные случаи, о которых я писал выше.
• Он гораздо менее капризный, чем спектральный анализ. У последнего даже галогеновые лампы должны быть особыми, а при их замене нужна сложная и дорогая калибровка сенсора.

Поэтому мы изначально пошли по пути использования нейронной сети.

Следующий серьезный вопрос: а как отбирать распознанные отходы?

Иностранные производители повсеместно используют принцип отстрела сжатым воздухом: мусор едет по скоростному конвейеру (для того, чтобы мусор лежал раздельно), в конце которого стоит блок форсунок. В момент пролета нужной фракции, например, полиэтиленовой пленки, мы активируем нужные форсунки, и мусор улетает в бункер, а остальное просто падает вниз — на следующий конвейер. Такая установка может отбирать только один вид отходов, поэтому на мусоросортировочных заводах их ставят несколько, в каскад.

Изначально мы хотели пойти по такому же пути, но я случайно наткнулся на видео, где эту же задачу решали промышленным дельта-роботом. И я загорелся идеей создания подобного робота. Дело в том, что для установки пневматики требуется переоборудование завода — нужны специальные разгонные конвейеры, нужно менять структуру потоков мусора. Словом, переделать ползавода.

В противовес этому, робота можно поставить на существующий конвейер вместо людей, к тому же он может отбирать несколько видов отходов, кидая их в разные баки.

Встал вопрос, где взять манипулятора. Я нашел одну российскую компанию, которая производила подобных роботов. Однако несмотря на то, что я явно показал свой интерес, продавали они из рук вон плохо, дело не дошло даже до предоставления КП.

Я стал смотреть по сторонам. Было два варианта. Либо купить японского или немецкого робота (но этот вариант отпал сразу из-за цены), либо покупать китайского, но этот вариант тоже я отмел: во-первых, это лотерея, а во-вторых, для его покупки нужно лично ехать в Китай, и, как ни странно, стоимость поездок съедала все финансовое преимущество китайцев.

С другой стороны, в голове все время крутилась мысль, что это несложно сделать самому.

Так постепенно мы пришли к роботу собственного производства. Разумеется, путь оказался раз в 10 сложнее, чем мы думали изначально, но я был к этому готов. Годы аутсорса хорошо закалили.

Разработка робота и отладка всей системы заняли около года. После этого мы, наконец, приступили к реальным испытаниям — установили робота на одном мусоросортировочном заводе в городе Губкин (Белгородская область). Правда, очень скоро убрали — слишком далеко ездить. Позже мы нашли пару объектов недалеко от Москвы и продолжили тестирование там.

В ходе испытаний постепенно пришло небольшое разочарование: роботы не смогут заменить людей на сортировке первичного потока, то есть того мусора, который привезли мусоровозы. В нем слишком много мелкой грязи, которая быстро забивает присоску. Кроме того, практически всегда на ручных сортировках мусор идет горой, покрытый сверху пакетами. В этой куче практически ничего не видно. Люди копошатся в нем и находят нужное, а робот так не умеет.

Поэтому мы разработали вторую установку по принципу отстрела сжатым воздухом. Фактически, у нас уже была готова самая сложная часть — зрение, которое мы прикрутили к технологии, ставшей классикой в сфере автоматизации сортировки мусора.

Сегодня мы производим два варианта установок.

«Эстет» — это сортировщик, отстреливающий мусор сжатым воздухом. Он очень производительный, реально заменяет 20-40 человек. А отказ от спектрального анализа в его основе позволяет значительно снизить стоимость такого оборудования по сравнению с иностранцами, делая автоматическую сортировку доступной гораздо большему кругу пользователей.

«Гурман» — это сортировщик на базе робота. Он хорошо подходит на задачу контроля качества после «Эстета» или его иностранных аналогов. Дело в том, что такая пневматика очень производительная, но порой вместе с нужной фракцией улетает и ненужная соседка. Это происходит нечасто, но контроль качества необходим. Сейчас на нем работают люди. Однако на этом участке их вполне можно заменить роботами: мусор там уже однородный, без мелкой органики — ничто не мешает роботу работать эффективно.

Кроме того, «Гурман» хорошо проявляет себя на сортировке отходов, собранных раздельно. Впрочем, пока в России это большая редкость.

Вы можете спросить: «Откуда взялись такие названия?». Всё просто, потому что я фрик. Я бы застрелился, если бы мое оборудование называлось «МБ-54С» или в названии было бы слово «Эко». А «Гурман» и «Эстет» — в самый раз. На самом деле, когда продукт хорошо делает свою работу, нет большой разницы, как он называется.

Сейчас наше оборудование находится в процессе внедрения на нескольких крупных заводах.

Заходить на рынок, уже плотно занятый иностранными компаниями, непросто. Пока мы росли, они успели поставить в России достаточно много своих установок и тем самым заработать себе репутацию. С другой стороны, они все по-прежнему упорно продолжают ставить ИК-спектрометры, что отражается на цене. Наше оборудование кратно дешевле и работает без потери качества — это уже позволило подвинуть конкурентов в нескольких контрактах.

В России есть ещё пара подобных разработок, но я сравниваю себя с лидерами рынка, а это пока, увы, иностранные компании.

Во-первых, мы используем искусственный интеллект вместо спектрального анализа, и это позволяет сделать цену гораздо ниже. Некоторые производители ставят сразу две технологии, но цена остается высокой.

Во-вторых, ИИ позволяет распознавать фракции, неподвластные спектральному анализу: масляные бутылки, молочку и другие.

В-третьих, у нас внедрена и реально работает крайне важная система: собирая фотографии со всех заводов, они стекаются на центральный сервер, после чего люди вручную их размечают, и мы дообучаем нейронную сеть. Все наши девайсы имеют встроенный интернет-модем, поэтому обновление автоматически прилетает всем нашим заказчикам.

В-четвертых, у нас крайне простая настройка. Был случай, когда нам надо было продемонстрировать работу оборудования в Санкт-Петербурге. Мы выехали из Москвы на машине в 6 утра, в 12 были там, за два часа все установили, настроили и показали, к 6 вечера успели всё снять и уехать назад в Москву. Иностранным конкурентам такое и не снилось — у них только заказ оборудования может растянуться на полгода.

Когда наш робот стоял на мусорной выставке, некоторые спрашивали нас, делаем ли мы оборудование сами или возим из-за рубежа. Это приятно, раз некоторые не могли сходу понять. Но в целом реакция неоднозначная.

С одной стороны, в наших головах вполне ещё живет стереотип, что все отечественное плохого качества. Многие говорят нам это прямо.

Действительно бывали поломки, но у кого их нет на испытательном периоде? Тем более у «Эстета» ломаться практически нечему, ведь подвижных частей, кроме клапанов, там нет.

С другой стороны, уже сегодня при строительстве мусоросортировочных заводов действует квота — не менее 70% оборудования должно быть российским. Сейчас эту квоту выбирают конвейерами и прочими железными конструкциями. Иностранные сортировщики попадают в оставшиеся 30%. Но мы активно работаем над увеличением доли отечественного, и даже при нынешних 70% уже многие задумываются об импортозамещении сортировочного оборудования.

Кроме того, у нас самая большая доля отечественных компонентов среди русских конкурентов. У нас полностью свой робот, свой контроллер движения к нему, вся механика. У «Эстета» электроника полностью своей разработки и производства.

Несмотря на то что роботов не удается внедрить на сортировку мусора массово, как мечталось изначально, мы продвигаем их в других сферах. Дело в том, что дельта-роботы — самые скоростные промышленные роботы. Они могут делать до 150 укладок в минуту, достигая при этом перегрузок в 15 g (на предмет действует сила ускорения, из-за чего его вес увеличивается в 15 раз по сравнению с исходным) — это больше, чем у военных летчиков.

У нас получился робот с оптимизированным соотношением «точность-цена». Ещё когда мы искали робота для сортировки мусора, столкнулись с одной странной вещью: все они продаются с точностью движения в 0,1 мм. Возникает вопрос: зачем хватать бутылку размером в 300 мм с такой большой точностью? В большинстве аналогичных задач, например, укладке конфет в коробки, тоже не нужна такая точность. Но за нее приходится платить.

Поэтому при проектировании робота мы осознанно снизили точность до 1 мм, серьезно снизив цену. Сейчас это позволяет предлагать продукт тем, кто думал об автоматизации, но не мог подступиться к ней из-за высокой цены иностранных роботов.

Сейчас у нас в работе несколько проектов по внедрению наших роботов, не связанных с мусором: контроль качества керамической плитки, укладка пластилина в коробки и другие.

Одного робота мы продали на Робостанцию на ВДНХ — там он играет в аэрохоккей. Я долго убеждал владельцев пойти на этот шаг, пришлось даже использовать военную хитрость. Но сейчас это самый посещаемый экспонат. В будние дни он просто не простаивает, а в выходные к нему стоит очередь. Уже сейчас робот практически не проигрывает, но мы ещё продолжаем дорабатывать его и скоро обыграть его (при соответствующем уровне сложности) будет вообще невозможно.

И да, и нет. Если бы этим занималась полноценная компания, то разработка вышла бы сильно дороже.

Но мне по-разному помогла жизнь. Где-то у меня были хорошие отношения с некоторыми исполнителями, и они делали свою работу в долг до первых продаж; где-то мне помогло мое судомодельное прошлое — некоторые прототипы деталей я банально сам вытачивал на отцовском токарном станке.

Вообще многое пока приходится делать лично — заниматься производством, продажами, ездить на заводы и на испытания, иногда даже вспоминать былое и писать код. С одной стороны, не директорская это работа, а с другой — это позволяет глубоко погрузиться в процесс и понять, что требовать от сотрудников.

Я твердо уверен в перспективности того, чем занимаюсь. И в том, что все получится. В планах — завоевание мира. Звучит наивно, но как говорил один клиент: «Если не мечтать о миллиарде, то и миллиона не заработаешь».