新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙峰 李新照

1 設(shè)計(jì)新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)的

必要性

理貨是港口業(yè)務(wù)的重要組成部分，包括倉(cāng)庫(kù)理貨和船方理貨，其中，船方理貨又稱為外輪理貨（以下簡(jiǎn)稱“外理”）。外理公司為獨(dú)立于船公司和碼頭的第三方公司，其主要業(yè)務(wù)包括檢驗(yàn)貨物的標(biāo)號(hào)和殘損情況、貨物裝船情況以及在卸船時(shí)分配集卡任務(wù)等。傳統(tǒng)的外理作業(yè)采取現(xiàn)場(chǎng)操作方式，由船上和船下的理貨人員通過人工方式查驗(yàn)箱號(hào)，判定箱損，核對(duì)船圖貝位等信息。由于碼頭作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜且環(huán)境惡劣，人工作業(yè)模式使理貨人員面臨人身安全隱患。

當(dāng)前，我國(guó)港口集裝箱吞吐量龐大。以青島港為例，2016年貨物吞吐量超5億t，其中集裝箱吞吐量超1 800萬TEU。一方面，物流業(yè)的快速發(fā)展對(duì)理貨效率提出更高要求，單純依靠人工查驗(yàn)核對(duì)的理貨方式難以滿足市場(chǎng)需要；另一方面，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為智能理貨系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)，光學(xué)字符識(shí)別、深度學(xué)習(xí)算法、電力線載波通信等新技術(shù)為新型智能理貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。具體來講：電力線載波通信技術(shù)解決橋吊球機(jī)視頻和圖片傳輸問題；深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)箱號(hào)、集卡車號(hào)識(shí)別；利用可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)貝位識(shí)別。相較于現(xiàn)有的集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)，新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)大大改善視頻傳輸質(zhì)量，解決多橋吊作業(yè)時(shí)視頻傳輸延遲的問題，并采用可編程邏輯控制器坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合循環(huán)更新基準(zhǔn)貝位的方式，大大提高貝位識(shí)別準(zhǔn)確率。此外，新型智能理貨系統(tǒng)的應(yīng)用可借助現(xiàn)有設(shè)備，有利于港口企業(yè)節(jié)約資金成本。

2 新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別箱號(hào)、集卡車號(hào)和貝位。如圖1所示：理貨作業(yè)開始前，導(dǎo)入艙單和預(yù)配船圖信息；以吊具閉合信號(hào)為起始作業(yè)信號(hào)，當(dāng)?shù)蹙唛]合抓箱時(shí)，工控機(jī)實(shí)時(shí)接收來自可編程邏輯控制器的位置信息。當(dāng)?shù)蹙哌M(jìn)入工控機(jī)設(shè)置的預(yù)置區(qū)域時(shí)，球機(jī)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)入抓拍等待狀態(tài)；當(dāng)?shù)蹙哂|發(fā)抓拍區(qū)域時(shí)，球機(jī)抓拍集裝箱2個(gè)大側(cè)面、2個(gè)小側(cè)面、車頂號(hào)的圖像并將之傳送至識(shí)別服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)箱號(hào)和車號(hào)識(shí)別及殘損檢驗(yàn)。根據(jù)基準(zhǔn)貝位進(jìn)行貝位識(shí)別，即：第一個(gè)作業(yè)箱需要人工確定箱位并將之設(shè)置為基準(zhǔn)貝位；貝位識(shí)別正確后，將當(dāng)前貝位設(shè)置為基準(zhǔn)貝位，以之取代之前設(shè)置的基準(zhǔn)貝位，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)貝位隨作業(yè)工況及時(shí)更新。

新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、貝位識(shí)別系統(tǒng)等組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，作業(yè)集裝箱進(jìn)入抓拍區(qū)，球機(jī)抓拍集裝箱側(cè)面和車頂號(hào)圖像；然后，將圖像送入后端相應(yīng)的算法程序進(jìn)行箱號(hào)、箱位、貝位、殘損識(shí)別；最后，將識(shí)別結(jié)果上傳至理貨平臺(tái)。

3 新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖3所示，集裝箱視頻和圖像采集可通過安裝在橋吊上的球機(jī)完成。單箱作業(yè)時(shí)，海側(cè)梁和陸側(cè)梁球機(jī)各抓拍2張圖像，集裝箱小側(cè)面和車頂號(hào)球機(jī)各抓拍2張圖像；雙箱作業(yè)時(shí)，球機(jī)按先后順序抓拍。通過對(duì)比集裝箱海陸側(cè)面和小側(cè)面的車號(hào)得到箱號(hào)，通過識(shí)別算法得到車頂集卡車號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

將橋吊上8個(gè)球機(jī)采集的視頻信息實(shí)時(shí)傳送至理貨人員的監(jiān)控器需要帶寬約80 Mb/s的無線網(wǎng)絡(luò)。若碼頭網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，在作業(yè)船舶較多時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)視頻傳輸延遲現(xiàn)象，造成理貨人員無法及時(shí)查看集裝箱裝卸位置，影響理貨操作。針對(duì)此問題，可以采用電力線載波通信技術(shù)解決。電力線載波通信技術(shù)能夠借助現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，主要適用于不便鋪設(shè)光纖或無線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)環(huán)境。與無線網(wǎng)絡(luò)相比，電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、延時(shí)短、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，電力線載波器按套（1對(duì)）使用，配置在接通的電力線兩端，可自主連接提供網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路。碼頭橋吊采用10 kV電纜供電，與低壓電力線載波器不同，中壓電力線載波器多采用中壓局端電力線網(wǎng)橋與中壓電力線載波電感耦合器相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式。

橋吊電力線載波器工作原理如圖4所示。球機(jī)通過網(wǎng)線與電力線連接，電力線網(wǎng)橋與電感耦合器連接；視頻信號(hào)通過耦合器加載到10 kV供電電纜，接收端通過耦合器將接收到的視頻信號(hào)傳送至電力線網(wǎng)橋；多個(gè)接收端通過交換機(jī)將多路信號(hào)經(jīng)光纜傳送至理貨中心監(jiān)控室。橋吊電纜長(zhǎng)約400 m，電力線載波器可以滿足100 Mb/s帶寬的傳輸要求。視頻信號(hào)通過電纜傳送至橋吊下電纜井，理貨中心至電纜井處鋪設(shè)通信光纜。

3.3 圖像識(shí)別系統(tǒng)

3.3.1 箱號(hào)和車號(hào)識(shí)別

橋吊海側(cè)和陸側(cè)大梁上安裝的球機(jī)負(fù)責(zé)抓拍集裝箱大側(cè)面箱號(hào)圖片，右側(cè)連系梁上的球機(jī)負(fù)責(zé)抓拍集裝箱小側(cè)面圖片，左側(cè)連系梁上的球機(jī)負(fù)責(zé)抓拍車頂號(hào)圖片。工控機(jī)內(nèi)設(shè)置預(yù)置點(diǎn)區(qū)和抓拍區(qū)場(chǎng)景，預(yù)置點(diǎn)區(qū)調(diào)用球機(jī)進(jìn)入抓拍設(shè)置。當(dāng)可編程邏輯控制器檢測(cè)到吊具進(jìn)入抓拍區(qū)時(shí)，球機(jī)抓拍相應(yīng)箱號(hào)和車號(hào)圖片。球機(jī)抓拍的圖片信號(hào)一路傳送至橋吊控制室的識(shí)別服務(wù)器，通過其內(nèi)置的深度學(xué)習(xí)算法得到箱號(hào)和車號(hào)識(shí)別結(jié)果；另一路通過電力線載波器和光纜傳送至理貨平臺(tái)的存儲(chǔ)設(shè)備。裝船作業(yè)對(duì)集卡車號(hào)識(shí)別的要求不高，無須識(shí)別車號(hào)。卸船作業(yè)時(shí)，集卡須將集裝箱送至堆場(chǎng)，所以需要綁定車號(hào)與箱號(hào)；理貨人員確認(rèn)箱號(hào)和車號(hào)后，集卡司機(jī)才能接收到相應(yīng)的堆場(chǎng)位置信息。

箱號(hào)和車號(hào)識(shí)別流程如圖5所示。球機(jī)抓拍的箱號(hào)識(shí)別圖像為整個(gè)箱面，實(shí)際上箱號(hào)識(shí)別只需要箱號(hào)部分的圖片信息即可；因此，劃定識(shí)別區(qū)域可以減少計(jì)算量，提高識(shí)別速度。在設(shè)置抓拍場(chǎng)景時(shí)，將圖像中包含箱號(hào)的部分劃定為識(shí)別區(qū)域，系統(tǒng)只針對(duì)識(shí)別區(qū)域進(jìn)行圖像預(yù)處理。

3.3.2 箱損和驗(yàn)殘

集裝箱箱體在運(yùn)輸和裝卸過程中可能發(fā)生污損、凹陷甚至破損，外理人員需要確定造成箱損的責(zé)任方。在傳統(tǒng)箱損驗(yàn)殘工作模式下，箱損由作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)理貨人員人工判斷；在新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)模式下，可以借助箱號(hào)識(shí)別所采集的圖片，通過相應(yīng)的識(shí)別算法完成箱損驗(yàn)殘工作。

傳統(tǒng)箱損驗(yàn)殘工作積累大量箱損圖片，海關(guān)對(duì)不同箱損有固定的分類方式，并按損壞情況劃定不同的箱損代碼。在此基礎(chǔ)上，基于深度學(xué)習(xí)算法的箱損識(shí)別模型應(yīng)用流程如下：首先，對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理，將圖片按照殘損類別分類整理，并為圖片添加不同的殘損標(biāo)簽；然后，利用預(yù)處理后的圖片訓(xùn)練箱損識(shí)別模型；箱損識(shí)別模型建立后，將采集的集裝箱各側(cè)面圖片輸入模型即可完成殘損檢驗(yàn)。

3.4 貝位識(shí)別系統(tǒng)

貝位識(shí)別比箱號(hào)和車號(hào)識(shí)別的難度更大。大型集裝箱船體較寬，受遮擋因素影響，艙底和較低位置會(huì)存在死角，導(dǎo)致圖像識(shí)別難度較大；此外，風(fēng)浪造成的船舶上下和左右方向的運(yùn)動(dòng)均會(huì)對(duì)貝位識(shí)別精度造成影響。鑒于此，可采用可編程邏輯控制器位置數(shù)據(jù)循環(huán)更新基準(zhǔn)貝位?；诳删幊踢壿嬁刂破魑恢眯畔⒌呢愇蛔R(shí)別系統(tǒng)依據(jù)吊具開閉鎖信號(hào)和橋吊運(yùn)動(dòng)的位置信息計(jì)算和識(shí)別貝位。

3.4.1 裝船貝位識(shí)別流程

（1）導(dǎo)入艙單信息，配置橋吊，進(jìn)入裝貨操作界面。

（2）吊具閉鎖取箱。

（3）將箱號(hào)識(shí)別結(jié)果傳送至理貨平臺(tái)。

（4）吊具開鎖著箱。

（5）判斷是否為第一個(gè)作業(yè)箱：若為第一個(gè)作業(yè)箱，則人工核定貝位并設(shè)置為基準(zhǔn)貝位；若非第一個(gè)作業(yè)箱，則根據(jù)所設(shè)置的基準(zhǔn)貝位計(jì)算貝位。

（6）對(duì)比預(yù)配貝位與識(shí)別貝位，若不一致，則報(bào)警提醒。

（7）將當(dāng)前位置設(shè)為基準(zhǔn)貝位，開始下一鉤作業(yè)。

3.4.2 卸船貝位識(shí)別流程

（1）導(dǎo)入艙單信息，配置橋吊，進(jìn)入卸貨操作界面。

（2）吊具取箱閉鎖。

（3）識(shí)別箱號(hào)和車號(hào)，并將識(shí)別結(jié)果傳送至理貨平臺(tái)。

（4）放箱至集卡，開鎖著箱。

（5）判斷是否為第一個(gè)作業(yè)箱：若為第一個(gè)作業(yè)箱，則人工核定貝位并設(shè)置為基準(zhǔn)貝位；若非第一個(gè)作業(yè)箱，則根據(jù)所設(shè)置的基準(zhǔn)貝位計(jì)算貝位。

（6）對(duì)比預(yù)配貝位與識(shí)別貝位，若不一致，則報(bào)警提醒。

（7）將當(dāng)前位置設(shè)為基準(zhǔn)貝位，開始下一鉤作業(yè)。

3.4.3 數(shù)據(jù)格式

裝卸船作業(yè)箱位的計(jì)算基于所設(shè)定的基準(zhǔn)貝位，位置信息通過可編程邏輯控制器坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送，其數(shù)據(jù)格式如下。

（1）可編程邏輯控制器通信狀態(tài)信息 recv：receive，接收。len：8，接收到的字節(jié)長(zhǎng)度為8。

（2）吊具信息 cl：close，0為開鎖，1為閉鎖。open：0為閉鎖，1為開鎖，與cl互斥。IsTouch：0為未著箱，1為著箱。IsDoubleBox：0為單箱，1為雙箱。Is20Inch：0為20英尺集裝箱，1為非20英尺集裝箱。Is40Inch：0為40英尺集裝箱，1為非40英尺集裝箱。Is45Inch：0為45英尺集裝箱，1為非45英尺集裝箱。

（3）小車運(yùn)動(dòng)信息 x：可編程邏輯控制器橫坐標(biāo)，由陸側(cè)向海側(cè)增大，單位為cm。y：可編程邏輯控制器縱坐標(biāo)，由下向上增大，單位為cm。

4 結(jié)束語

新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)通過電力線載波設(shè)備解決數(shù)據(jù)傳輸問題，利用深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)箱號(hào)、車號(hào)識(shí)別和箱損檢驗(yàn)，通過可編程邏輯控制器坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算得到集裝箱貝位信息，并通過基準(zhǔn)貝位循環(huán)更新的方式提高貝位識(shí)別精度。與傳統(tǒng)理貨系統(tǒng)相比，新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)在提高理貨效率、降低理貨人員工作強(qiáng)度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。