海運電廠船舶靠岸側(cè)水尺圖像采集實驗研究＊

程永林，岳益鋒，張方，覃楚祺，焦莉

海運電廠船舶靠岸側(cè)水尺圖像采集實驗研究＊

程永林1，岳益鋒1，張方2，覃楚祺1，焦莉1

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.福建華電可門發(fā)電有限公司，福建 福州 350000）

為了精準(zhǔn)采集大宗載煤船舶靠岸側(cè)水尺圖像，通過在某海運電廠“T”形離岸式布置的7萬噸級卸煤碼頭開展現(xiàn)場實驗，探究了基于圖像識別技術(shù)進(jìn)行水尺值智能識別對船舶靠岸側(cè)水尺圖像采集的要求。實驗結(jié)果表明，水尺值識別精度隨著圖像采集鏡頭與水面距離的增加而降低，隨著鏡頭與水尺標(biāo)記在船舶縱向上的距離增加而降低；船舶靠岸側(cè)水尺圖像應(yīng)在鏡頭正對水尺標(biāo)記且距離水面2 m范圍內(nèi)采集。

水尺計重；圖像識別；靠岸側(cè)水尺；圖像采集

1 引言

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，能源消耗量與日俱增。據(jù)海關(guān)總署海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年中國煤炭進(jìn)口量達(dá)2.71億噸。因此，水尺重量鑒定的重要性日益凸顯。

傳統(tǒng)的方法不僅成本高、耗時長，而且難以保障作業(yè)人員安全。眾多專家學(xué)者針對如何測量水尺值的問題進(jìn)行了廣泛的探索和研究。沈益駿等利用雷達(dá)液位測距技術(shù)研發(fā)了一套雷達(dá)水尺觀測裝置，測量水尺時測量儀用可移動三腳架放置于船舶主甲板上，雷達(dá)探頭旋轉(zhuǎn)出船舶舷側(cè)并垂直指向海面，該方法的測量值較真實值偏小且在船舶橫傾時難以給出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。隨著圖像識別技術(shù)的不斷發(fā)展，眾多專家在基于圖像的水尺值智能識別方面付出了努力，成果豐碩。張振等[2]基于模板圖像配準(zhǔn)和灰度采樣自適應(yīng)閾值分割的思想，解決了水位值換算和水位線檢測的關(guān)鍵問題。截至目前，基于圖像的水尺值智能識別在理論和測量精度方面已較為完善和準(zhǔn)確，通過無人機(jī)采集靠海側(cè)水尺圖像讀取靠海側(cè)三面水尺值的方法已在嵊泗港和太倉港應(yīng)用。然而船舶靠岸側(cè)三面水尺的測量作為影響船舶重量鑒定精度的重要因素，目前依然采用乘坐小船或站在碼頭上目測水尺值的傳統(tǒng)方式，人員安全和測量精度難以保障。因此，本文提出通過圖像采集鏡頭獲取船舶靠岸側(cè)水尺圖像的方法，并且通過在某海運電廠卸煤碼頭開展現(xiàn)場實驗，探究基于圖像的水尺值智能識別技術(shù)對船舶靠岸側(cè)水尺圖像采集的要求。

2 實驗系統(tǒng)

2.1 實驗裝置介紹

實驗裝置如圖1所示，主要由智能球型攝像機(jī)、220 V交流電源、筆記本電腦三部分組成。

智能球型攝像機(jī)的型號為海康威視DS-2DF8231IW-AY星光級防腐蝕網(wǎng)絡(luò)高清高速智能球機(jī)，支持水平方向0°～360°、垂直方向-90°～-20°旋轉(zhuǎn)，具有31倍光學(xué)變倍、16倍數(shù)字變倍功能。攝像機(jī)安裝于長度為2.5 m的碳鋼支架。攝像機(jī)隨碳鋼支架懸掛于碼頭立面，采集船舶靠岸側(cè)水尺圖像。220 V交流電源主要用于攝像機(jī)供電。筆記本電腦用于攝像機(jī)鏡頭的方向控制、焦距調(diào)整和水尺圖像的采集存儲。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2 實驗方案介紹

鏡頭距水面不同高度時的圖像采集方案：受漲潮與落潮的影響，現(xiàn)場實際測量該海運電廠卸煤碼頭的水位變化最大可達(dá)10 m以上。在每天潮水水位最高時，海水水面距碼頭地平面在3.4～4 m。由于攝像頭通過配套自帶的壁裝支架安裝于定制的碳鋼支架，其總長度為3 m，可以利用潮水水位的變化采集鏡頭距水面0.4～7 m范圍內(nèi)的水尺圖像。

鏡頭與水尺標(biāo)記在船舶縱向上不同距離時的圖像采集方案：由于攝像頭安裝于定制的碳鋼支架且懸掛于碼頭立面，可以人工移動支架和其他實驗裝置采集鏡頭與水尺標(biāo)記在船舶縱向上任意距離時的水尺圖像。

2.3 實驗原理

攝像機(jī)所采集的船舶靠岸側(cè)水尺圖像交與水尺圖像智能識別系統(tǒng)進(jìn)行識別，具有多年水尺重量鑒定經(jīng)驗的商檢人員乘坐小船目測水尺。通過對比水尺圖像智能識別系統(tǒng)得到的水尺值和商檢人員目測得到的水尺值，判定鏡頭應(yīng)該處于什么位置。

其中，水尺圖像智能識別系統(tǒng)后端識別過程圖像如圖2所示，水尺圖像識別的結(jié)果符合水尺計重的準(zhǔn)確度要求，已獲得商檢人員認(rèn)可。

圖2 水尺圖像智能識別系統(tǒng)后端過程圖像

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 圖像采集與乘坐小船目測的對比實驗

2019-07-01載煤船靠港，水尺重量鑒定時潮高約1.13 m，水面距離碼頭平面約為11 m，水面距離圖像采集鏡頭約為 8 m。圖像采集鏡頭采用水尺圖像智能識別系統(tǒng)識別水尺值與乘坐小船目測水尺值的對比實驗，如圖3所示。

（a）乘小船拍攝 （b）用圖像采集鏡頭拍攝

水尺鑒定人員乘坐小船接近水尺標(biāo)志，目測水尺值為14.23 m。然而，通過圖像采集鏡頭獲取的水尺圖像由于刻度字嚴(yán)重變形，水尺圖像智能識別系統(tǒng)無法準(zhǔn)確得出水尺值。由此可知，基于圖像識別技術(shù)進(jìn)行水尺值智能識別對船舶水尺圖像的采集有一定的要求。

3.2 鏡頭與水面距離的影響

為探究圖像采集鏡頭與水面合適的距離范圍，在不同水位高度時進(jìn)行了水尺圖像采集實驗。

圖像采集鏡頭距離水面越近，鏡頭采集水尺圖像中的水尺刻度變形越小，效果越好。通過水尺鑒定人員目測水尺值與水尺圖像智能識別系統(tǒng)識別的水尺值進(jìn)行比較得出，在圖像采集鏡頭距離水面小于2 m的范圍內(nèi)，識別值與目測值差異較小，相差不足0.02 m，識別值可用于水尺重量鑒定。然而，當(dāng)圖像采集鏡頭距離水面大于2 m時，水尺刻度變形隨距離的增加而逐漸增大，識別值與目測值的差異呈指數(shù)級增長，識別值用于水尺重量鑒定誤差較大。

3.3 鏡頭與水尺標(biāo)志距離的影響

為探究圖像采集鏡頭與水尺標(biāo)志在船舶縱向上合適的距離范圍，鏡頭距離水面1.5 m和2 m時，在船舶縱向上鏡頭與水尺標(biāo)志不同距離進(jìn)行水尺圖像采集實驗。

在圖像采集鏡頭與水面的距離一定時，船舶縱向上鏡頭與水尺標(biāo)志距離越大，水尺圖像中的水尺刻度變形越嚴(yán)重，效果越差。通過對水尺鑒定人員目測水尺值與水尺圖像智能識別系統(tǒng)識別的水尺值進(jìn)行比較得出，在圖像采集鏡頭正對水尺標(biāo)志（鏡頭距離水尺標(biāo)志為0 m）時，識別值與目測值差異較小，相差不足0.02 m，識別值可用于水尺重量鑒定。然而，當(dāng)圖像采集鏡頭距離水尺標(biāo)志大于1 m時，識別值與目測值的差異較大，識別值用于水尺重量鑒定誤差較大。

4 結(jié)論

基于圖像識別技術(shù)進(jìn)行水尺值智能識別對船舶水尺圖像的采集有一定的要求。水尺值識別精度隨著圖像采集鏡頭與水面距離的增加而降低；在圖像采集鏡頭距離水面小于 2 m的范圍內(nèi)，識別值與目測值差異較小，識別值可用于水尺重量鑒定。水尺值識別精度隨著圖像采集鏡頭與水尺標(biāo)記在船舶縱向上距離的增加而降低，采集水尺圖像時，鏡頭應(yīng)正對水尺標(biāo)志。

［1］沈益駿，李博，王鵬皓.雷達(dá)液位計測距技術(shù)在船舶水尺計重中的應(yīng)用［J］.中國艦船研究，2017，12（6）：134-140.

［2］張振，周揚，王慧斌，等.標(biāo)準(zhǔn)雙色水尺的圖像法水位測量［J］.儀器儀表學(xué)報，2018，39（9）：236-245.

TP391.41；U692.73

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.016

2095－6835（2019）22－0055－02

程永林，助理工程師，主要從事智能燃料、船舶水尺計重相關(guān)工作。

中國華電集團(tuán)有限公司海運電廠智能燃煤島模型設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用項目（編號：CHDKJ16-01-40）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕