微塑料清洁、收集和自主过滤的制作方法

微塑料清洁、收集和自主过滤


背景技术：

1.本发明涉及微塑料(microplastic)清洁和收集以及自主过滤，并且更特定地涉及清洁和收集微塑料以及建模用于微塑料自主过滤的工作流程。


技术实现要素：

2.本发明提供了一种用于清洁和收集微塑料以及建模用于微塑料自主过滤的工作流程的装置、方法和计算机程序产品。装置可以包括清洁室，包含微塑料的水流过清洁室。装置还可以包括换能器，被配置为生成使得微泡清洁流过清洁室的微塑料的尺寸的微泡。装置还可以包括过滤器室，位于清洁室上方，其中过滤器室包括可操作以收集微塑料的微塑料收集设备。
3.一种用于清洁和收集微塑料以及建模用于微塑料自主过滤的工作流程的方法可包括使来自水生环境的包含微塑料的水通过清洁室。该方法还可包括使用换能器在清洁室中生成微泡。该方法还可以包括使用微塑料收集设备从清洁室的上部收集已由微泡清洁的微塑料。
4.一种用于清洁和收集微塑料以及建模用于微塑料自主过滤的工作流程的计算机程序产品可以被配置为执行方法，该方法包括在中央控制器处接收外部数据和模拟结果。该方法还可包括从多个远程设备接收关于局部环境条件和实际微塑料浓度的数据。该方法还可包括在清洁室中生成微气泡。该方法还可包括收集远程设备中的至少一个上的局部环境条件和实际微塑料浓度。该方法还可以包括使用局部环境条件和实际微塑料浓度来重新训练微塑料的可能位置和浓度的局部模型。该方法还可以包括应用重新训练的模型。
5.上述发明内容并非旨在描述本发明的每个所示实施例或每种实施方式。
附图说明
6.本技术中包括的附图并入说明书中并形成说明书的一部分。它们示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅是某些实施例的说明，而不是限制本发明。
7.图1描绘根据一些实施例的用于清洁和收集水生环境中的微塑料的装置的示意图。
8.图2描绘根据一些实施例的用于清洁和收集水生环境中的微塑料的方法的流程图。
9.图3描绘根据一些实施例的用于清洁和收集水生环境中的微塑料的装置的示意图。
10.图4描绘根据一些实施例的微塑料清洁系统的框图。
11.图5描绘了根据一些实施例的示例计算机系统的框图。
12.虽然本发明可以有各种修改和替换形式，但是其细节已经在附图中通过示例的方式示出并且将被详细描述。然而，应当理解，其目的不是将本发明限制于所描述的特定实施
例。相反，本发明覆盖落入本发明范围内的所有修改、等效和替换。
具体实施方式
13.本发明涉及微塑料清洁和收集以及自主过滤，并且更特定地涉及清洁和收集微塑料以及建模用于微塑料自主过滤的工作流程。虽然本发明不必局限于这些应用，但是通过使用该上下文讨论各种示例，可以理解本发明的各个方面。
14.塑料在现代社会中广泛使用，并且已经成为海洋、海洋和河流中的主要污染物。这种类型的污染的示例是大太平洋垃圾碎片，据估计其容纳1.8万亿片塑料，重79千吨，并且漂浮在1.6百万平方公里的区域上。由于塑料碎片的长分解时间和相关的毒性作用，对水生和海洋生态系统以及对人类健康和/或安全存在许多影响。清洁操作是困难的，并且由于受影响的大面积和与潜在沉积位置的距离，当前的污染清洁技术是艰巨的。
15.微塑料可以是任何类型的塑料，其小于给定的尺寸，通常肉眼不可见。更具体地说，如美国国家海洋和大气管理局所定义的，微塑料可以是直径小于5毫米(mm)的颗粒。根据最近的估计，微塑料构成海洋塑料污染的约8％，并且由于它们的小尺寸和比较大的塑料碎片低的浮力而造成严重的威胁。
16.小尺寸的微塑料可增加微塑料被摄取并结合到活有机体的身体和组织中的可能性。研究表明在鱼和最近的人粪便中存在微塑料。另外，由于诸如生物积垢(即，由于诸如藻类、细菌、微生物等的生物颗粒的积聚而造成的积垢)的机制而导致的微塑料的浮力降低意味着这些生物积垢的塑料不能再通过海洋表面附近的操作来回收，从而进一步阻碍了任何清洁工作。此外，在过去的四十年中，微塑料的量可能增加两个数量级，这表明该问题变得更糟，可能是由于增加的产量和大型塑料(例如，塑料颗粒，例如，具有大于5mm的直径)的破碎。
17.本发明提供了一种用于清洁和收集微塑料以及建模用于微塑料自主过滤的工作流程的装置、方法和计算机程序产品。本发明的实施例提供一种清洁和收集水生环境中的微塑料的方法，包括：将来自水生环境的包含微塑料的水通过清洁室；使用由换能器生成的微泡清洁流过清洁室的微塑料；以及使用微塑料收集设备从清洁室的上部收集微塑料。
18.一些实施例进一步提供了上述方法，还包括：在中央控制器处接收外部数据和模拟结果；从多个远程设备接收关于局部环境条件和实际微塑料浓度的数据，远程设备包括清洁室、换能器和微塑料收集设备；以及至少一个远程设备收集局部环境条件和实际微塑料浓度，重新训练可能的位置和微塑料的浓度的局部模型，并应用重新训练的模型。
19.一些实施例还可提供一种用于管理水生环境中的微塑料的清洁和收集的计算机程序产品，计算机程序产品包括：计算机可读存储介质，具有随其体现的程序指令，程序指令可由计算机执行以使计算机：在中央控制器处接收外部数据和模拟结果；从多个远程设备接收关于局部环境条件和实际微塑料浓度的数据，远程设备包括：清洁室，来自水生环境的包含所述微塑料的水流过清洁室；换能器，生成用于清洁流过清洁室的微塑料的微气泡；以及微塑料收集设备，用于使用微塑料收集设备从清洁室的上部收集微塑料；以及远程设置中的至少一个收集局部环境条件和实际微塑料浓度，重新训练可能的位置和微塑料的浓度的局部模型，并应用重新训练的模型。
20.现在参考图1，根据一些实施例，描绘用于清洁和收集水生环境中的微塑料122的
装置100的图。装置100可以漂浮，或者它可以被浸没，并且在一些情况下可以由可再生部件(诸如太阳能或潮汐能)供电。
21.装置100包括清洁室116、上过滤器室108及用于收集微塑料126的真空头106。入口110允许包含涂覆有藻类和/或细菌的微塑料122的水流120流过清洁室116。在优选实施例中，当装置100移动通过水流120时，水流120和包含的涂覆有藻类和/或细菌的微塑料122流动通过清洁室116。在一些实施例中，水流120被泵送通过清洁室116。图1中所示的清洁室116的形状纯粹是示例，且清洁室116可为能够(1)接收水流120和涂覆有藻类和/或细菌(即，生物积垢)的所包含的微塑料122，(2)允许微塑料122被清洁(微塑料124描绘其被清洁时的微塑料)，和(3)允许水流120离开清洁室的任何形状。微塑料122可以完全用藻类和/或细菌涂覆，或者可以仅部分用藻类和/或细菌涂覆。在一些实施例中，已知微塑料122在藻类和细菌在其上生长时在水柱(water column)中下沉。在没有藻类或细菌涂层的情况下，大多数微塑料122可漂浮。
22.如图所示，换能器102生成微泡104。在一些实施例中，换能器102是超声清洁设备。在一些实施例中，换能器102可为能够清洁微塑料122的生物型积垢(即，生物积垢)的任何类型的换能器。微泡104可通过在微塑料122的表面上生成研磨压力梯度和剪切力而从微塑料122的表面清洁藻类和/或细菌。微塑料124描绘了当微泡104穿过清洁室116时由其清洁的微塑料。由于缺乏生物积垢，清洁的微塑料126是有浮力的，并且因此向上漂浮到上过滤器室108中。微塑料收集设备106收集清洁的微塑料126并存储它们以便以后移除。在一些实施例中，微塑料收集设备106是真空头。在一些实施例中，微塑料收集设备106可以是能够从水流120收集清洁的微塑料126的任何装置。过滤器114允许水流120和清洁的微塑料126从清洁室116穿过到达上过滤器室108，但防止尺寸大于例如5mm的任何东西到达上过滤器室。如上所述，微塑料定义为直径小于5mm的颗粒。这意味着，例如直径在5mm以上的鱼128不会到达上过滤器室。此外，微泡104不太可能伤害大多数水生生物，因此进入清洁室116的任何鱼128都可以不受伤害地离开它。
23.在图1未示出的本发明的其它实施例中，类似于过滤器114的过滤器可允许尺寸大于5mm的物体通过，或不允许尺寸小于5mm的物体通过。过滤器114的实施例可包括可适应的网和活性炭过滤系统。一旦微塑料收集设备106充满所收集和储存的清洁的微塑料126，装置100可返回到岸边以被清空。在一些情况下，该装置可以由船舶或无人机清空而不返回海岸。
24.水流120从清洁室116离开而没有过滤(如由水流118所示)。水流120可在未经过滤的情况下离开，因为装置100经设计使得存在于入口水流120中的大多数微塑料122应已被清洁且在能够浮出清洁室116之前已上升到上过滤器室108中。水流120也通过过滤器112(由水流119示出)离开上过滤器室108，这防止清洁的微塑料126在相同方向上从上过滤器室108离开。进入清洁室116的小的海洋生物128可与水流120一起离开。过滤器114可以任选地用软材料涂覆，以便不伤害较大的水生动物。
25.装置100可根据预测发现的微塑料122的最大或目标尺寸的深度在水柱中的不同深度操作，如下面参考图4所述。
26.参看图2，描绘根据一些实施例的用于清洁水生环境中的微塑料(例如，来自图1的微塑料122)的方法200的流程图。方法200包括步骤204，其中来自水生环境的包含微塑料的
水(例如，水流120(图1))流过清洁室(例如，清洁室116(图1))。在一些实施例中，当装置(例如，装置100(图1))移动穿过水时，水和包含的涂覆有藻类和/或细菌的微塑料流过清洁室。在一些实施例中，水被泵送通过清洁室。微塑料可被生物积垢(诸如藻类和/或细菌)覆盖。微塑料可完全用藻类和/或细菌涂覆，或可仅部分用藻类和/或细菌涂覆。
27.在步骤206，使用由换能器(例如，换能器102(图1))生成的微泡(例如，微泡104(图1))来清洁流过清洁室的微塑料(例如，微塑料124(图1))。在一些实施例中，换能器是超声清洁设备。在一些实施例中，换能器可为能够清洁生物积垢的微塑料的任何类型。在已清洁之后，微塑料(例如，清洁的微塑料126(图1))可更具浮力且可向上浮动到上过滤器室(例如，上过滤器室108(图1))中。在步骤208，使用微塑料收集设备(例如，微塑料收集设备106(图1))从上过滤器室收集清洁的微塑料。在一些实施例中，微塑料收集设备是真空头。过滤器(例如，过滤器114(图1))可允许水和清洁的微塑料从清洁室穿过到达上过滤器室(例如，上过滤器室110(图1))。水可不经过滤而从清洁室离开，因为存在于进水中的任何微塑料将可能穿过上过滤器室离开而非直接从清洁室离开。水也可通过过滤器(例如，过滤器112(图1))离开上过滤器室，过滤器可经设计以防止清洁的微塑料离开而回到水柱中。进入清洁室的小海洋生物(例如，小海洋生物128(图1))可与水一起离开。
28.参看图3，描绘根据一些实施例的用于清洁水生环境中的微塑料(例如，微塑料122(图1))的装置300的图。装置300包括装置300的其它部分位于其上的船坞302。船坞302可以是漂浮的或者可以是可浸没的。可选地，太阳能电池板304可以用于为装置300供电。在一些实施例中，潮汐电力可用于为装置300提供动力。在一些实施例中，装置300和/或装置300的船坞302是自推进的。图1的装置100固定到船坞302，其具有清洁室116、换能器102和微塑料收集设备106。在一些实施例中，装置100可以通过臂固定到船坞302，以允许装置100在船坞302下方的不同深度处操作。在一些实施例中，装置100可远程操作且可在其已收集清洁的微塑料(例如，清洁的微塑料126(图1))时返回到船坞302以便排放清洁的微塑料。环境监视模块306确定局部环境条件。这些局部环境条件可以包括例如局部潮汐强度、局部潮汐流、阳光强度、水温、水盐度、局部风速、气压、降雨量、地理数据(诸如例如，距海岸线的距离和距河口的距离)等。这些局部环境条件可进一步包括局部微塑料集中。这可以用来自中央命令系统的全局数据来补充，中央命令系统命令多个微塑料清洁装置300。中央控制单元308可以能够关于可能发现高浓度微塑料的地理位置且还关于图1的装置将放置在船坞302下方的深度作出智能决策(例如，动态决策)。例如，中央控制单元308可以确定将(一个或多个)装置(例如，装置100和/或300)引导到哪些位置，并且可以能够在有益和/或必要时动态地调整位置(例如，重新引导(一个或多个)装置)。
29.与环境监测设备306和中央控制单元308相关联的是用于从中央命令系统接收数据和向其发送数据的信号接收器和发送器。可选地，在存在多个用于清洁微塑料的装置300的系统中，信号接收器和发送器可用于在不同的装置300之间通信，以便例如防止太多的设备聚集在一个区域中。废物容器310从图1的装置100接收清洁的微塑料，装置300可任选地包括用于塑料排放的区域312，甚至包括允许旋转翼飞行器着陆在船坞302上的直升机停机坪。收集的、清洁的微塑料可通过返回到海岸以清空收集的、清洁的微塑料而被移除；通过返回到另一容器以清空收集的、清洁的微塑料；通过飞行器(例如，无人机)取走收集的、清洁的微塑料等。
30.参照图4，描绘了根据一些实施例的用于与图1至图3的实施例一起使用以便允许装置(例如，装置100和/或300(分别地，图1和图3))自动确定(并且在一些情况下调整)操作的最佳地理位置的微塑料清洁系统400的框图。微塑料清洁系统400可对装置(例如，装置100和/或300(分别地，图1和图3))的工作流程进行建模。微塑料清洁系统400包括中央控制器402，其接收外部数据404，诸如，例如，运输信息和生产和/或排放微塑料(例如，微塑料122(图1))的工厂的接近程度以及海洋学预测。在一些实施例中，中央控制器402还可以接收高性能计算(hpc)模拟，诸如例如潮汐和天气建模。全局数据和局部设备信息408从中央控制器402发送并部署到多个清洁装置416、426和436，诸如图1和图3的那些。全局数据和局部设备信息408还包括来自装置416、426和/或436的局部设备信息，其可用于生成更新的全局模型，然后可将更新的全局模型传送到所有清洁装置416、426和436，以增强它们的清洁性能。
31.清洁装置416、426和436每个都可以包括局部数据模块(分别为410、420和430)，其可以收集局部数据，诸如上面参考图3所提到的局部环境条件，该收集的数据，连同配置数据，以及全局数据和局部设备信息408，诸如全局微塑料浓度地图，可以被发送到再训练模块414、424和434。再训练模块(414、424和434)可以使用各种数据对局部模型进行再训练，以便改进原始预测。然后，可以将重新训练的局部模型发送到模型模块412，其可以应用重新训练的模型。然后可以重复收集(在局部数据模块410、420和430上)、再训练(再训练模块414、424和434)和应用(在模型模块412、422和432上)的过程。
32.中央控制器402可以使用人工智能(ai)模型。ai模型可以基于通用kriging。kriging或gaussian过程回归是插值方法，其中通过由先前协方差支配的gaussian过程来对插值后的值进行建模。在对先前协方差的适当假设下，kriging可以给出中间值的良好的、线性的和无偏的预测。kriging先前已经非常成功地应用于诸如采矿的地理空间问题。kriging可以直接提供预测和不确定性估计。使用kriging预测，可在给定位置和深度中发现高浓度的微塑料，且当对要滤波的最佳位置和深度作出决策时，可与预测中的不确定性平衡。例如，如果附近存在更确定但稍微更低的预测浓度，则对于具有大的不确定性的预测高浓度行进大的距离可能是次优的。当反馈所发现的实际浓度并且在清洁装置上局部地重新训练该模型时，可以改善微塑料浓度的模型。kriging是合理有效的最大似然(ml)模型。
33.清洁装置(例如，清洁装置100(图1))也可处理模型以对图1的过滤设备进行有效的自动化改变，以考虑预测将发现的微塑料的最大或目标尺寸的水柱中的深度。
34.参考图5，根据一些实施例，计算机系统500是以通用计算设备的形式示出的计算机系统/服务器502。在一些实施例中，计算机系统/服务器502位于链接设备上。在一些实施例中，计算机系统502连接到链接设备。计算机系统/服务器502的组件可以包括但不限于一个或多个处理器或处理单元510、系统存储器560、以及将包括系统存储器560在内的各种系统组件耦合到处理器510的总线515。
35.总线515表示若干类型的总线结构中的任何一种的一个或多个，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、加速图形端口、以及使用各种总线体系结构中的任何一种的处理器或局部总线。作为示例而非限制，这些体系结构包括工业标准体系结构(isa)总线、微通道体系结构(mca)总线、增强型isa(eisa)总线、视频电子技术标准协会(vesa)局部总线和外围组件互连(pci)总线。
36.计算机系统/服务器502通常包括各种计算机系统可读介质。这样的介质可以是可由计算机系统/服务器502访问的任何可用介质，并且它包括易失性和非易失性介质、可移动和不可移动介质。
37.系统存储器560可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(ram)562和/或高速缓冲存储器564。计算机系统/服务器502还可以包括其他可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为示例，存储系统565可被提供用于从不可移动、非易失性磁介质(未示出且通常被称为“硬盘驱动器”)读取和向其写入。尽管未示出，但是可以提供用于从可移动、非易失性磁盘(例如，“软盘”)读取和向其写入的磁盘驱动器，以及用于从诸如cd-rom、dvd-rom或其它光学介质等可移动、非易失性光盘读取或向其写入的光盘驱动器。在这样的示例中，每个可以通过一个或多个数据介质接口连接到总线515。如下面将进一步描绘和描述的，存储器560可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如，至少一个)程序模块，该程序模块被配置为执行本发明的实施例的功能。
38.具有一组(至少一个)程序模块569的程序/实用程序568以及操作系统、一个或多个应用程序、其它程序模块和程序数据可被存储在存储器560中，这是作为示例而非限制的。操作系统、一个或多个应用程序、其它程序模块和程序数据或其某种组合中的每一个可包括联网环境的实现。程序模块569通常执行如本文所述的本发明实施例的功能和/或方法。
39.计算机系统/服务器502还可与一个或多个外部设备540通信，诸如键盘、定点设备、显示器530等；一个或多个设备，其使得用户能够与计算机系统/服务器502交互；和/或使计算机系统/服务器502能够与一个或多个其它计算设备通信的任何设备(例如，网卡、调制解调器等)。这种通信可以经由输入/输出(i/o)接口520发生。此外，计算机系统/服务器502可以经由网络适配器550与一个或多个网络通信，网络诸如局域网(lan)、通用广域网(wan)和/或公共网络(例如，因特网)。如所描绘的，网络适配器550经由总线515与计算机系统/服务器502的其他组件通信。应当理解，尽管未示出，但是可以结合计算机系统/服务器502使用其他硬件和/或软件组件。示例包括但不限于：微码、设备驱动程序、冗余处理单元、外部磁盘驱动器阵列、raid系统、磁带驱动器和数据档案存储系统等。
40.本发明可以是任何可能的技术细节集成水平的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个介质)，计算机可读程序指令用于使处理器执行本发明的各方面。
41.计算机可读存储介质可以是能够保留和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非穷举列表包括以下：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、静态随机存取存储器(sram)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、诸如穿孔卡或其上记录有指令的凹槽中的凸起结构的机械编码设备，以及前述的任何合适的组合。如本文所使用的计算机可读存储介质不应被解释为暂时性信号本身，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，通过光纤线缆的光脉冲)、或通过导线传输的电子信号。
42.本文描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络，例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络，下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
43.用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路的配置数据，或者以一种或多种编程语言(包括面向对象的程序语言，例如smalltalk、c++等)和过程编程语言(例如“c”编程语言或类似的编程语言)的任意组合编写的源代码或目标代码。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上执行、部分在用户计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(lan)或广域网(wan)，或者可以连接到外部计算机(例如，使用因特网服务提供商通过因特网)。在一些实施例中，为了执行本发明的各方面，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以使电子电路个性化。
44.在此参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明的各方面。将理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令来实现。
45.这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的部件。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，其可以引导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制品，该制品包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。
46.附图中的流程图和框图示出了根据本发明的一些实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施例中，框中所注明的功能可不按图中所注明的次序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。
47.已经出于说明的目的给出了本发明的各种实施例的描述，但是其不旨在是穷尽的
或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。