船舶水尺智能識別技術(shù)的研究與進(jìn)展

張 帥 朱學(xué)海 羅隕飛,2

（1．力鴻智信（北京）科技有限公司 北京 101312；2．中國質(zhì)量檢驗(yàn)協(xié)會煤炭專業(yè)委員會）

1 前言

我國已成為世界上港口吞吐量最多，增長速度最快的國家，在促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面，我國的港口特別是大型港口發(fā)揮著極其重要的作用，我國已經(jīng)初步形成了圍繞煤炭等貨物的高效、專業(yè)化運(yùn)輸系統(tǒng)。近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)和工業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展，對于煤炭等重要的能源和原料商品有著持續(xù)增長的巨大需求。數(shù)據(jù)顯示，2017年我國港口完成貨物吞吐量1.2644×1011t，同比增長6.4%。其中，沿海港口和內(nèi)河港口同比增速基本持平，分別為6.4%和 6.3%，完成貨物吞吐量分別為 8.625×109t和4.019×109t；完成外貿(mào)貨物吞吐量 4.002×109t，同比增長5.7%[1]。大宗散貨外貿(mào)進(jìn)口量快速增長，煤炭的吞吐量增速有所加快，其中，外貿(mào)煤炭的進(jìn)口量增幅超預(yù)期，進(jìn)口量大幅增長。

這類大宗商品的主要貿(mào)易運(yùn)輸方式為船舶水運(yùn)，隨著船舶運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,船舶載貨重量鑒定作為大宗散貨交易中商品的交接結(jié)算、處理索賠、計(jì)算運(yùn)費(fèi)和通關(guān)計(jì)稅等的依據(jù)，船舶載貨重量鑒定的準(zhǔn)確度越來越受到人們的關(guān)注。船舶載貨重量鑒定可在出口時用作交貨或結(jié)匯的憑證，進(jìn)口時作為到岸計(jì)價或短重索賠的依據(jù)，準(zhǔn)確的計(jì)量結(jié)果對保護(hù)承運(yùn)人、發(fā)貨人和收貨人的利益都具有極為重要的意義。因此，在我國煤炭等大宗貨物的貿(mào)易過程中，對貿(mào)易量的準(zhǔn)確鑒定顯得越發(fā)重要，而船舶六面水尺吃水值的準(zhǔn)確判定則是基礎(chǔ)。船舶六面水尺指的是在船舶的艏、舯和艉兩舷的位置上繪制的刻度，主要是用于估量船舶的吃水深度，是船舶計(jì)重和船舶積載安全評估的重要依據(jù)。

2 水尺計(jì)重人工觀測法

傳統(tǒng)人工觀測吃水[2]，是現(xiàn)今水尺計(jì)重行業(yè)使用最廣泛的吃水值測定方法，通常是專業(yè)的水尺計(jì)重工作人員在盡可能靠近吃水刻度線的位置通過人眼觀測直接進(jìn)行讀數(shù)，其中，往往需要攀爬舷梯或租用小型船舶等水上交通工具才能實(shí)現(xiàn)，這就不可避免地增加了勞動成本和安全風(fēng)險率，另外，該方法得出的吃水值受人為因素影響比較嚴(yán)重，準(zhǔn)確度不高。后來工作人員改善了這一工作模式，采取手持錄像設(shè)備拍攝水尺標(biāo)記位置的錄像后統(tǒng)一進(jìn)行讀數(shù)的方法，情況稍有好轉(zhuǎn)，但總體而言仍然過于費(fèi)時費(fèi)力費(fèi)財(cái)，并且會受到主觀和客觀因素的影響，導(dǎo)致最終的讀數(shù)誤差較大。

3 水尺計(jì)重智能識別技術(shù)

針對傳統(tǒng)的人工觀測吃水所帶來的各種問題，近年來各行業(yè)在新型化智能水尺識別技術(shù)的研究和應(yīng)用方面做了較多研究工作，并取得了一定的成效，為當(dāng)時及未來的水尺計(jì)重優(yōu)化方式提供了借鑒及參考作用。

3.1 壓力傳感水尺

孫國元等[3]發(fā)明了一種雙壓力傳感器船舷吃水檢測法，該方法只需要兩個傳感器檢測到的壓力值，兩傳感器安裝間距以及偏下傳感器距船底的距離即可算出船舶吃水值，方法可排除“壓力～水深”檢測法中的水密度和重力加速度的影響，具備一定的創(chuàng)新性。但該方法需要保證兩傳感器始終處于水面以下，并且兩間距需要達(dá)到一定的數(shù)值才能保證測試精確度，利用該方法有可能無法測定船舶空載時的吃水值，液面的浪涌情況也對該方法準(zhǔn)確度有比較大的影響，另外，壓力傳感器的更換成本也是一個比較大的問題。

3.2 超聲波水尺

李揚(yáng)[4]研究出了一種基于超聲波測距的船舶液位檢測系統(tǒng)，該船舶液位檢測系統(tǒng)體積小、重量輕，但超聲波測量船舶液位距離是依照超聲波從水面反射回甲板所需時間乘上聲波傳輸速度來進(jìn)行計(jì)算的，超聲波傳輸速度容易受到外界空氣密度的影響，而空氣密度又與溫度有著密切的關(guān)系，環(huán)境溫度變化時其傳播速度變化十分明顯，最終導(dǎo)致測量結(jié)果精確度不高。

3.3 激光測距水尺

陳文煒等[5]提出利用激光測距傳感器的方法進(jìn)行船舶吃水值的測量，雖然激光具有測距遠(yuǎn)、精度高的優(yōu)勢，但是激光測距需要在水面鋪放經(jīng)特殊處理過的反射板，用于激光傳感器接收反射光束，記錄花費(fèi)時間以至最終能給出結(jié)果數(shù)據(jù)。當(dāng)前，全國各大重要港區(qū)都在力促船舶快進(jìn)快出，提高碼頭使用率，而激光測距過程煩瑣，測前還需鋪設(shè)反射板，顯然難以適應(yīng)港區(qū)日常作業(yè)的要求。

3.4 六面水尺遙感觀測裝置

六面水尺遙感觀測裝置[6]，在小型遙控船上添加運(yùn)動動態(tài)平衡捕捉相機(jī)，利用無線手持設(shè)備控制攝像機(jī)及船舶操控，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)水尺觀測及存檔。該觀測裝置可以實(shí)現(xiàn)船舶6個水尺的定點(diǎn)觀測，從而省去拖輪租賃費(fèi)用，且一定程度地減少了水尺觀測作業(yè)時間，但是該裝置拍攝水尺視頻利用的是遙控小船，當(dāng)大風(fēng)浪天氣時小船的穩(wěn)定性就會變差，嚴(yán)重時可能還會發(fā)生側(cè)翻等問題，另外小船的遙控信號的有無也是一個需要擔(dān)心的方面。

3.5 水尺無人機(jī)

水尺無人機(jī)[7]，在無人機(jī)上搭載攝像頭，水尺鑒定人員站在甲板上遙控操縱無人機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，無人機(jī)飛至船邊吃水線刻度處進(jìn)行觀測，通過高清攝像頭將觀測數(shù)據(jù)反饋到遙控設(shè)備上，將拍攝的圖像視頻進(jìn)行實(shí)時分析處理，現(xiàn)場得出水尺讀數(shù)數(shù)據(jù)。該方法雖在一定程度上避免了人為因素的干擾，但在天氣多變，測試條件較為嚴(yán)苛的碼頭，無人機(jī)的控制問題仍是一個難以克服的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.6 雷達(dá)水尺觀測裝置

沈益駿等[8]利用在石化行業(yè)廣泛應(yīng)用于石油及制品上的雷達(dá)液位測距技術(shù)，研發(fā)出了一套雷達(dá)水尺觀測裝置，依據(jù)靠港船舶的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，量身打造出了由雷達(dá)傳感器、固定支架、顯示器等共同組成的雷達(dá)水尺檢測裝置，該裝置在設(shè)計(jì)的驗(yàn)證試驗(yàn)中進(jìn)行了試用。雷達(dá)裝置很容易受到電磁干擾的影響而不能正常工作，且吃水值的計(jì)算過程仍然需要翻閱船舶相關(guān)資料，增加了水尺工作時間。

3.7 耐波型水尺觀測儀

肖金峰等[9]設(shè)計(jì)出了一種耐波型便攜式船舶水尺觀測儀，在該觀測儀內(nèi)部，水尺刻度處的液面波動比實(shí)際的液面波動要小很多，約為實(shí)際的10%左右，一定程度上可提高船舶在大風(fēng)浪情形下的水尺觀測精度值和水尺計(jì)重工作的安全性，但是該觀測儀的穩(wěn)定性不足，晃動問題尚未得到有效解決，個人操作并不容易，藍(lán)牙攝像頭的視頻拍攝質(zhì)量及其信號傳輸穩(wěn)定性也是一個問題。

3.8 圖像識別水尺

隨著圖像處理技術(shù)的日益發(fā)展與完善，圖像處理技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用于船舶水尺檢測研究工作中，彭將輝[10]、冉鑫[11]、劉曉杰[12]、陳賀璋[13]等人相繼利用圖像處理技術(shù)對船舶水尺圖像進(jìn)行分析和檢測，利用該方法取得的船舶吃水?dāng)?shù)據(jù)，可以避免人工目測所引起的主觀意向問題，也可以準(zhǔn)確完整地記錄吃水?dāng)?shù)據(jù)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)查詢，避免貿(mào)易糾紛。采用圖像處理技術(shù)可以使人與計(jì)算機(jī)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高測量效率與測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[14]。但一般的圖像處理技術(shù)處理結(jié)果好壞對水尺標(biāo)記數(shù)字、水尺液面以及水尺視頻或圖片拍攝等情況的優(yōu)劣存在較大的依賴性。一般情況下，船舶長時間航運(yùn)過程中船體難免會與海中的各種物體發(fā)生摩擦碰撞，導(dǎo)致標(biāo)記數(shù)字留下劃痕或者掉漆甚至嚴(yán)重腐蝕；現(xiàn)場吃水線附近光線過暗或過亮，船體背景顏色不統(tǒng)一，水質(zhì)渾濁度紛繁復(fù)雜導(dǎo)致顯現(xiàn)出的水體顏色各不相同，這些將對數(shù)字及吃水線的識別檢測增加很大的困難，識別和定位準(zhǔn)確度會大打折扣。鑒于前人做過的大量研究工作的基礎(chǔ)之上，基于圖像處理技術(shù)，利用機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)研究出了Leon-IDSS智能水尺測定系統(tǒng)，用于碼頭船舶的水尺計(jì)重工作，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 基于圖像處理技術(shù)的智能水尺測定系統(tǒng)

基于圖像處理技術(shù)的Leon-IDSS智能水尺測定系統(tǒng)包括船舶吃水影像采集系統(tǒng)（硬件系統(tǒng)）和數(shù)據(jù)圖像處理分析系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)）兩部分，兩系統(tǒng)之間彼此相連，具體見圖1所示。

圖1 Leon-IDSS智能水尺測定系統(tǒng)組成示意圖

4.1 船舶吃水影像采集系統(tǒng)

影像采集系統(tǒng)主要用于吃水影像的采集，該系統(tǒng)操作簡便。便攜式自動攝像裝置可在甲板和岸邊輕松實(shí)現(xiàn)對水面上吃水情況視頻的拍攝，搭載自動補(bǔ)光設(shè)備，不管是白天還是夜間均可實(shí)現(xiàn)良好的拍攝效果。系統(tǒng)拍攝的水尺視頻可實(shí)時傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備、計(jì)算機(jī)、管理系統(tǒng)等，通過信息化管理系統(tǒng)對視頻拍攝、傳輸、軟件計(jì)算的全過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，排除了人為因素的影響。船舶吃水影像采集系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于各種場合（包括大風(fēng)浪情況）的水尺計(jì)重工作。

4.2 數(shù)據(jù)圖像處理分析系統(tǒng)

如圖2所示，數(shù)據(jù)圖像處理分析系統(tǒng)操作界面由操作控制、圖像讀數(shù)、視頻預(yù)覽、圖片顯示和水位讀數(shù)散點(diǎn)圖等5個區(qū)域組成，影像采集系統(tǒng)采集的視頻上傳到數(shù)據(jù)圖像處理分析系統(tǒng)后，分析系統(tǒng)首先會對視頻采用抽幀轉(zhuǎn)換技術(shù)，獲取滿足識別要求數(shù)量的圖像文件，然后采用機(jī)器視覺技術(shù)，對局部二值化圖像中的水線、數(shù)字進(jìn)行準(zhǔn)確定位、識別，最后采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)算法，自動計(jì)算出圖像中船舶被測位置的吃水?dāng)?shù)。整個分析測試過程無須人工干預(yù)，視頻單幀分析時長≤0.3s，六面水尺吃水深度識別總時長≤8 min，由圖像處理分析系統(tǒng)計(jì)算并確定的船舶吃水值，與SN/T 3023.2—2012《進(jìn)出口商品質(zhì)量鑒定規(guī)程 第2部分：水尺計(jì)重》要求的水尺計(jì)重方法相比，誤差可以控制在0.1%以內(nèi)。

圖2 數(shù)據(jù)圖像處理分析系統(tǒng)區(qū)域組成和視頻檢測

4.3 Leon-IDSS智能水尺測定系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

為了驗(yàn)證智能測定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，在黃驊港和天津港對系統(tǒng)的測試分析效果進(jìn)行了現(xiàn)場測試試驗(yàn)，共拍攝100余艘船，獲取了300多個水尺視頻用于智能測定系統(tǒng)和按照SN/T3023.2—2012《進(jìn)出口商品質(zhì)量鑒定規(guī)程 第2部分：水尺計(jì)重》的標(biāo)準(zhǔn)分析讀數(shù)，智能測定系統(tǒng)的讀數(shù)精度為0.001 m，標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)精度為0.01 m。試驗(yàn)結(jié)果得出，系統(tǒng)讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)的差值平均值為0.00745 m，二者讀數(shù)差值在-0.01～0.01 m的范圍內(nèi)的比率為93.069%，系統(tǒng)讀數(shù)結(jié)果已十分接近標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，滿足與按標(biāo)準(zhǔn)讀取水尺計(jì)重方法相比，誤差控制在0.1%以內(nèi)的目標(biāo)需求。

5 結(jié)論

輪船載貨水尺計(jì)重結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接決定了貨物的價值，傳統(tǒng)方式下存在人為因素主觀情感與客觀因素對于觀測結(jié)果的干擾，最終結(jié)果的公正性也會因此受到影響。通過智能化和信息化手段不斷改善水尺計(jì)重工作方式，體現(xiàn)水尺計(jì)重工作的準(zhǔn)確性與公正性。在準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化視頻拍攝速度及軟件處理速度能夠有效縮短水尺計(jì)重的工作時間，為港口的吞吐效率提升提供可靠的技術(shù)支持。