視覺識別系統(tǒng)在岸橋自動化中的應(yīng)用分析

許躍騫

（廈門嵩嶼集裝箱碼頭有限公司工程技術(shù)部，福建 廈門361026）

引言

近年來，作為綠色港口與智慧港口象征的自動化集裝箱岸橋已成為全球港口的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，同時港口大型工程機(jī)械設(shè)備也朝著智能化和自動化方向發(fā)展[1]。為此，大量高科技信息化技術(shù)應(yīng)用于岸橋自動化中，有效提高了岸橋設(shè)備智能化程度。視覺識別技術(shù)是其中最為成功的一項(xiàng)應(yīng)用，它有效綜合了光電、計算機(jī)科學(xué)、自動控制等技術(shù)，通過模擬人類視覺對信息獲取與處理的動作，由機(jī)器代替人眼對目標(biāo)物進(jìn)行測量或者識別判斷[2]。因其具有靈敏度高、速度快、測量精度高、噪聲低、抗電磁干擾能力強(qiáng)和可實(shí)現(xiàn)非接觸無損檢測的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密控制、物流自動化、顯微醫(yī)學(xué)操作、工業(yè)探傷、自動生產(chǎn)流水線及各類危險場合[3]。而視覺識別系統(tǒng)在岸橋自動化中的應(yīng)用主要包括快速且準(zhǔn)確識別吊具抓取的各類集裝箱箱號及箱型，區(qū)分集裝箱前后箱面及鉛封區(qū)域，同時引導(dǎo)集卡定位及岸橋大車防撞等，進(jìn)而使得岸橋作業(yè)從人力密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，大幅度改善了作業(yè)效率，提高了精確度及安全性。

1 視覺識別系統(tǒng)簡介

1.1 視覺識別技術(shù)

視覺識別技術(shù)主要是依靠計算機(jī)在一定程度上仿照人類視覺功能，提取目標(biāo)物的特征信息后識別分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測、監(jiān)控和定位。其是由圖像采集裝置獲取圖像數(shù)據(jù)傳入專用的圖像處理系統(tǒng)，依靠系統(tǒng)中的內(nèi)置算法對圖像信息進(jìn)行處理，提取出目標(biāo)的感興趣特征，并對特征加以分析并得出結(jié)果，進(jìn)而做出基于相應(yīng)有關(guān)目標(biāo)物認(rèn)識的合理性決策，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時控制。

1.2 視覺識別系統(tǒng)組成

一個典型的視覺識別系統(tǒng)主要包含待測目標(biāo)物、圖像采集單元、圖像識別單元、結(jié)果控制單元。

1.2.1 圖像采集單元

圖像采集單元是視覺識別系統(tǒng)的重要組件，功能是采集清晰且高分辨率圖像。核心部件是CMOS、CCD數(shù)字傳感器，可產(chǎn)生彩色、灰度紅外等圖像類型，其中典型的圖像采集模塊有PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以迅速將某種格式的圖像數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)存儲器進(jìn)行處理，同時也完成對相機(jī)某些參數(shù)的設(shè)置。

1.2.2 圖像識別單元

圖像識別單元是視覺識別系統(tǒng)的核心部件，其內(nèi)置了不同實(shí)例下相對應(yīng)的圖像處理算法來提取目標(biāo)的特征。主要包括工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)兩種，工業(yè)計算機(jī)系統(tǒng)的接口豐富，其中圖像采集與圖像處理部件是分離的，使用較為成熟且廣泛，嵌入式系統(tǒng)比較小巧，將圖像采集與圖像處理集成一體，處理速度快。

1.2.3 結(jié)果輸出單元

結(jié)果輸出單元負(fù)責(zé)識別結(jié)果輸出及傳送視覺系統(tǒng)下達(dá)的指令，被檢測的物體大多數(shù)是動態(tài)的，從而視覺識別系統(tǒng)需要在處理速度和頻率上與被檢測物體保持一致。

2 視覺識別技術(shù)在岸橋作業(yè)中的應(yīng)用

岸橋作業(yè)通常伴隨著高溫、鹽霧、大風(fēng)、沖擊和振動等惡劣的裝卸環(huán)境，同時港口機(jī)械向大型化與高速化方向發(fā)展，人為干預(yù)的裝卸已適應(yīng)不了現(xiàn)代化港口的需求。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的快速發(fā)展，視覺識別系統(tǒng)在岸橋自動化中應(yīng)用越來越廣泛。

2.1 集裝箱箱號識別

傳統(tǒng)集裝箱裝卸作業(yè)時，箱號與箱型等信息需要人為確認(rèn)，作業(yè)安全性與效率無法有效保障。自動箱號識別系統(tǒng)是當(dāng)前降低人工成本和提高裝卸效率的有效方式。

下頁圖1為集裝箱箱號采集硬件現(xiàn)場安裝圖，岸橋自動化中集裝箱箱號識別系統(tǒng)采用球機(jī)作為圖像采集單元，并安裝在岸橋聯(lián)系梁兩車道中間處通過支架往下掛，左右聯(lián)系梁各裝1臺。根據(jù)PLC的實(shí)時反饋數(shù)據(jù)判斷裝卸類型及抓拍時機(jī)，依靠多組網(wǎng)絡(luò)高清球機(jī)對集裝箱進(jìn)行抓拍操作，同時按照作業(yè)任務(wù)信息將圖片數(shù)據(jù)存入本地存儲，最后寫入后臺數(shù)據(jù)庫[4]。后臺識別運(yùn)算服務(wù)器依靠內(nèi)置的算法進(jìn)行箱號識別運(yùn)算處理，通過ISO校驗(yàn)和多箱面的識別結(jié)果進(jìn)行融合并將最終結(jié)果發(fā)送至TOS系統(tǒng)，輔助岸橋自動化作業(yè)，若其中識別有誤，則將結(jié)果標(biāo)記后轉(zhuǎn)接給人為干預(yù)。

該系統(tǒng)的運(yùn)用大大提高了岸橋裝卸效率，減少了大量人力投入，降低勞動強(qiáng)度。

2.2 集卡定位及車頂號識別

集卡（集裝箱卡車的簡稱）是連接堆場及岸橋的主要設(shè)備之一，但由于集卡的定位及車頂編號的識別是依靠操作員和現(xiàn)場橋邊人員來完成的，該方式易于出錯且效率低，視覺識別技術(shù)的引入大大改善了這種情況。集卡定位及車頂號識別系統(tǒng)相機(jī)分別安裝于兩條車道中間位置上方橫梁，采集車道上的集卡車頂號，拍攝方向朝下，同時在兩側(cè)橫梁均安裝相機(jī)分別覆蓋兩種車頭朝向作業(yè)的集卡，圖2為集卡定位及車頂號識別硬件現(xiàn)場圖。根據(jù)實(shí)時獲取的相機(jī)視頻流，通過圖像處理技術(shù)識別集卡車頂號，指令隊列結(jié)合集卡車頂號確定集卡在岸橋下的預(yù)設(shè)位置，高清球機(jī)通過視頻流實(shí)時處理當(dāng)前作業(yè)車道下畫面，準(zhǔn)確定位作業(yè)集卡位置并識別車號，同時將集卡位置實(shí)時在顯示屏上進(jìn)行顯示，供司機(jī)根據(jù)偏離間距對集卡進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖1 集裝箱箱號識別采集硬件現(xiàn)場圖

圖2 集卡定位及車頂號識別硬件現(xiàn)場圖

該系統(tǒng)的運(yùn)用為實(shí)現(xiàn)岸橋自動化作業(yè)提供一定的基礎(chǔ)，同時也提高集裝箱碼頭智能化水平與效率。

2.3 集裝箱卡車防吊起

集卡的鎖頭是保證集裝箱不會因路上顛簸而造成箱子意外滑落的關(guān)鍵；當(dāng)集卡在港口岸邊進(jìn)行裝船作業(yè)時，會先將鎖頭完全解開，等待岸橋?qū)⒓ㄉ系募b箱卸下，若有鎖頭未解鎖時，則會使卡車與集裝箱一并吊起，嚴(yán)重時可能會造成卡車的嚴(yán)重?fù)p壞及威脅卡車司機(jī)的生命安全。因視覺識別技術(shù)可靠性高、成本較低、靈活性強(qiáng)且穩(wěn)定等優(yōu)勢，可以有效防止類似事故的發(fā)生。

現(xiàn)今岸橋自動化中采用視覺識別或激光掃描的集卡防吊系統(tǒng)，在岸橋門腿橫梁一側(cè)部署四臺高清攝像機(jī)或一臺激光掃描雷達(dá)，圖3為集卡防吊采集硬件現(xiàn)場安裝圖。首先接收作業(yè)指令后綁定本次箱號等作業(yè)信息，由PLC實(shí)時獲取輪胎吊閉鎖狀態(tài)、起吊高度、箱型等識別所需信息，在到達(dá)極限安全高度前，通過激光雷達(dá)/攝像機(jī)識別出集卡與集裝箱已完全脫離，則停止識別并發(fā)送識別結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)行作業(yè)。若到達(dá)極限安全高度時，拖架區(qū)域位移變化量超出閾值，進(jìn)而將對應(yīng)監(jiān)控畫面?zhèn)魉偷剿緳C(jī)室顯示屏中，待司機(jī)人工確認(rèn)后再繼續(xù)作業(yè)。

集卡防吊系統(tǒng)的運(yùn)用有效實(shí)現(xiàn)了岸橋作業(yè)的智能化、無人化、動態(tài)化的監(jiān)控及管理。

2.4 岸橋大車防撞

岸橋是港口用來裝卸集裝箱的重要設(shè)備，在大車運(yùn)行軌道上可能存在岸橋、集卡、行人等，一旦防護(hù)措施不合理或者不到位，岸橋作為一個大型機(jī)械，就會引發(fā)很大的安全事故，造成不可估量的損失[5]。隨著科技的進(jìn)步升級，激光雷達(dá)應(yīng)用于防撞設(shè)計大大降低了大車碰撞發(fā)生率。

激光雷達(dá)防撞系統(tǒng)的掃描硬件安裝于岸橋大梁中部且?guī)в薪嵌劝惭b，圖4為岸橋大車防撞硬件現(xiàn)場安裝圖。首先會設(shè)置相應(yīng)的減速和剎車區(qū)域，根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時分析該區(qū)域內(nèi)的掃描數(shù)據(jù)，判斷是否有障礙物進(jìn)入該區(qū)域，若有障礙物不在該岸橋行進(jìn)的區(qū)域，則不輸出減速或剎車信號，若有障礙物出現(xiàn)在該區(qū)域，控制系統(tǒng)就會輸出對應(yīng)的剎車或減速信號，防止發(fā)生碰撞事故。

圖3 集卡防吊采集硬件現(xiàn)場圖

圖4 岸橋大車防撞硬件圖

岸橋防撞方案的主流是采用激光雷達(dá)等主動視覺方式，但近年來雙目視覺防撞等被動視覺方式也開始逐漸推廣，激光雷達(dá)防撞系統(tǒng)的運(yùn)用有效保證了岸橋運(yùn)行的安全性和可靠性。

3 結(jié)語

港口碼頭向自動化、智能化方向快速發(fā)展，將傳統(tǒng)的岸橋作業(yè)從人力密集型產(chǎn)業(yè)的“人眼+檢測工具”的檢測形式向技術(shù)密集型的自動化形式轉(zhuǎn)變，其中視覺識別系統(tǒng)的應(yīng)用有效促進(jìn)了岸橋裝卸作業(yè)的安全性與效率。隨著計算機(jī)科學(xué)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、專家系統(tǒng)等人工智能研究的不斷深入，視覺識別系統(tǒng)將會克服很多技術(shù)問題，從而在港口岸橋等大型裝卸設(shè)備領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用前景，助力國家快速發(fā)展。