新型自動(dòng)化岸電對(duì)接方案探討

王 強(qiáng)，曹小華，丁 凱，彭緒然，邱 丹

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢430063）

岸電技術(shù)，也被稱作冷鐵（cold ironing）或可替代海洋動(dòng)力，通過(guò)從岸邊向船舶提供電力，使船舶在停泊時(shí)避免使用船用柴油機(jī)，從而減少船舶污染的排放。近年來(lái)，岸電技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)部分港口應(yīng)用，但尚未完全普及，原因之一是岸電對(duì)接過(guò)程步驟繁瑣、耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，降低了港口與船舶的經(jīng)濟(jì)效益。如何利用現(xiàn)有技術(shù)改善岸電對(duì)接技術(shù)，是值得人們深入探討的課題。

國(guó)際上現(xiàn)有的改進(jìn)岸電對(duì)接系統(tǒng)，如Cavotec公司研發(fā)的APS 系統(tǒng)[1]、ABB 公司推出的IRB7600岸電系統(tǒng)[2]、Damien FEGER 提出的PLUG 對(duì)接方案[3]等，都可以極大地提高對(duì)接效率，但仍未完全脫離人工操作，且存在大幅度改變船舶外形的情況，因此對(duì)船舶岸電系統(tǒng)智能化、簡(jiǎn)易化的需求十分迫切。

在此，為岸電與船舶的對(duì)接系統(tǒng)構(gòu)造了新的框架，通過(guò)圖像識(shí)別確定船舶以及接口位置后進(jìn)行對(duì)接，目的是為港口和船舶使用岸電提供更為簡(jiǎn)潔高

效的選項(xiàng)，可以在盡量保留船舶原有外形與設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)對(duì)接。新框架對(duì)于降低對(duì)接作業(yè)成本，提高效率，提升對(duì)接系統(tǒng)自動(dòng)化程度，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)組成

在此所定義的新型自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)的基本元素包括岸基裝置、 電纜提升裝置、 船載裝置3個(gè)部分。自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)及其仿真如圖1，圖2所示。

圖1 自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of automatic shore power docking system

圖2 自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)仿真圖Fig.2 Simulation diagram of automatic shore power docking system

1.1 岸基裝置

岸基裝置由安裝在港口的向船舶提供岸電的設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。港口向船舶提供岸電一般通過(guò)布置在泊位旁的配電箱引出電源，通過(guò)電纜接入接受岸電的船舶。監(jiān)控系統(tǒng)分別安裝于岸邊和電纜提升裝置末端，通過(guò)在電纜提升裝置上安裝自動(dòng)穩(wěn)定云臺(tái)、高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)及紅外成像儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工作過(guò)程中，監(jiān)控?cái)z像機(jī)和紅外成像儀對(duì)探測(cè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，并產(chǎn)生符合靈敏度要求的雙路圖像視頻信號(hào)，提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理[4]。岸邊和電纜提升裝置上攝像頭的布置如圖3 所示。

圖3 岸邊和電纜提升裝置上攝像頭的布置Fig.3 Arrangement of cameras on shore and cable lifting device

1.2 電纜提升裝置

電纜提升裝置是具備在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)能力的機(jī)械臂。其工作時(shí)，將碼頭岸電箱輸出的電纜纏繞在電纜卷盤上，電纜從電纜卷盤出來(lái)后沿臂架布置，電纜接頭固定在電纜提升裝置末端，并在裝置末端設(shè)置有攝像頭作為監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。

1.3 船載裝置

船載裝置由安裝在船上的受電裝置和對(duì)接引導(dǎo)裝置組成。對(duì)接引導(dǎo)裝置為一個(gè)能夠伸縮引導(dǎo)對(duì)接的托盤，在電纜提升裝置帶動(dòng)電纜接頭移動(dòng)到達(dá)指定位置后，將電纜接頭放置在托盤的卡口上，待電纜接頭固定好，引導(dǎo)其插入受電裝置進(jìn)行對(duì)接。

2 自動(dòng)化岸電對(duì)接流程

步驟1由岸上攝像頭獲取包含有目標(biāo)船的圖片，依靠船舶向岸邊發(fā)送的交互信息如船型、船名等，利用圖像輪廓識(shí)別技術(shù)辨認(rèn)出待對(duì)接的船舶；

步驟2由已知的接口位置信息，計(jì)算出接口在目標(biāo)船的具體區(qū)域；

步驟3電纜提升裝置跟隨接口區(qū)域作出位姿調(diào)整；

步驟4當(dāng)船舶完成靠泊時(shí)，電纜提升裝置就會(huì)帶動(dòng)電纜實(shí)現(xiàn)船舶與岸電的精確對(duì)接。

對(duì)接系統(tǒng)總體流程如圖4 所示。

圖4 對(duì)接工作流程Fig.4 Docking work flow chart

3 系統(tǒng)主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 確定目標(biāo)船舶

在此所提及的新型自動(dòng)化岸電對(duì)接方案中，首先需要以待對(duì)接的船舶作為目標(biāo)船舶，通過(guò)攝像頭所拍攝的畫面，利用圖像分割技術(shù)識(shí)別船舶輪廓，將船名、船號(hào)等作為輔助信息來(lái)確定該船舶。由于攝像頭廣角較大，可拍攝范圍較廣，且碼頭上不止一艘船舶通過(guò)與停靠，可能會(huì)出現(xiàn)多艘船舶同時(shí)入鏡的情況，因此對(duì)識(shí)別的準(zhǔn)確性有較高的要求。

根據(jù)交通運(yùn)輸部 《船舶靠港使用岸電管理辦法》的規(guī)定，當(dāng)船舶靠港時(shí)，船型、船舶識(shí)別號(hào)等信息會(huì)通過(guò)船岸交互系統(tǒng)發(fā)送給岸上，由以上信息即可對(duì)于目標(biāo)進(jìn)行分析處理。目標(biāo)圖像識(shí)別的結(jié)果會(huì)直接影響目標(biāo)捕獲成功與否，也影響到系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)時(shí)性。

在此方案中，首先利用背景差分結(jié)合最大類間閾值法對(duì)船舶目標(biāo)進(jìn)行分割，然后對(duì)分割后的目標(biāo)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開閉運(yùn)算處理，最終得到目標(biāo)船舶圖像[5]。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理分析后能夠在眾多船舶中確定需要進(jìn)行岸電對(duì)接的特定船只，實(shí)現(xiàn)初步的自動(dòng)化過(guò)程。圖像處理流程如圖5 所示，岸邊攝像頭捕捉目標(biāo)船只示意圖如圖6 所示。

圖5 確定目標(biāo)船舶流程Fig.5 Determine the target ship flow chart

圖6 岸邊攝像頭捕捉目標(biāo)船只示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of target ship captured by shore camera

3.2 接口區(qū)域定位

在確定了待對(duì)接船舶之后，需要采用船舶邊緣檢測(cè)算法確定具體接口區(qū)域：利用船舶受電設(shè)施的布置和主要技術(shù)參數(shù)信息，經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)后按照當(dāng)前候選區(qū)域的尺寸比例進(jìn)行區(qū)域選擇性搜索。船舶邊緣檢測(cè)的流程如圖7 所示。

圖7 確定接口位置流程Fig.7 Flow chart of determine interface location

圖像邊緣檢測(cè)的原理是標(biāo)識(shí)數(shù)字圖像中灰度值梯度變化的點(diǎn)，并剔除分析認(rèn)為不相關(guān)的信息，此方法保留了圖像重要的結(jié)構(gòu)屬性[6]。在此采用邊緣檢測(cè)方法可以得到船舶圖像的結(jié)構(gòu)信息，并在已知船舶受電接口位置區(qū)域的情況下，精準(zhǔn)地定位到接口的具體位置，便于電纜提升裝置準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

3.3 電纜提升裝置跟隨接口區(qū)域移動(dòng)

電纜提升裝置將通過(guò)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤算法跟隨已定位的接口區(qū)域進(jìn)行位姿的變換，以實(shí)現(xiàn)船舶完成靠泊后快速及時(shí)地進(jìn)行對(duì)接。目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)流程如圖8 所示。

圖8 目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)流程Fig.8 Flow chart of automatic target tracking system

在控制電纜提升裝置跟隨目標(biāo)船舶接口區(qū)域移動(dòng)時(shí)，選用連續(xù)自適應(yīng)平均值遷移CAMShift（continuously adaptive mean shif）算法，在這個(gè)過(guò)程中運(yùn)用該算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)船舶受電裝置接口的連續(xù)跟蹤，通過(guò)識(shí)別岸電受電接口在岸邊攝像頭的視頻圖像中所在的位置和大小，置于下一幀視頻圖像中，利用以上信息初始化搜索窗口，可以使目標(biāo)船舶受電接口始終處于圖像中心[7]。

圖像處理單元首先在攝像頭視場(chǎng)范圍內(nèi)選擇要跟蹤的目標(biāo)接口，將接口的圖像通過(guò)視頻數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)的圖像采集卡中。然后，根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法確定船舶位置和大小，計(jì)算出船舶的縱向和側(cè)向偏轉(zhuǎn)角（基于圖像的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)），將位姿的變化作為控制量控制電纜提升裝置，保證攝像頭跟蹤船舶的運(yùn)動(dòng)，使船舶受電接口始終位于攝像頭的視場(chǎng)中心。

在自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)中采用目標(biāo)跟蹤算法，可以使電纜提升裝置一直跟隨船舶受電接口運(yùn)動(dòng)。當(dāng)船舶靠岸后，電纜提升裝置會(huì)帶動(dòng)電纜，使其在最優(yōu)狀態(tài)下接近船舶的受電接口，最大幅度地縮短對(duì)接過(guò)程所需要的時(shí)間。

3.4 精確對(duì)接

停泊狀態(tài)下進(jìn)行的精確對(duì)接，選用基于雙目視覺的自動(dòng)對(duì)接方法。該方法利用伸縮托盤實(shí)現(xiàn)電纜與船舶受電裝置的對(duì)接工作。在對(duì)接工作開始后，電纜提升裝置利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)托盤卡口進(jìn)行識(shí)別，并獲取卡口的位姿信息；得到伸縮托盤卡口的位姿信息后，電纜提升裝置將電纜接口放置在托盤上，并利用托盤卡口進(jìn)行固定；船舶受電裝置利用伸縮托盤，將電纜接頭送至受電口，實(shí)現(xiàn)電纜與船舶受電裝置之間的精確對(duì)接。該對(duì)接過(guò)程如圖9所示。

圖9 精確對(duì)接過(guò)程Fig.9 Precise docking procedure

基于雙目視覺的自動(dòng)對(duì)接方法，利用電纜提升裝置搭載的帶有濾光片的攝像機(jī)，獲取帶有顏色標(biāo)志的卡口圖像。對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值分割、中值濾波等處理，再根據(jù)基于區(qū)域生長(zhǎng)的連通區(qū)域標(biāo)記法，提取圖像中標(biāo)志成像區(qū)域的質(zhì)心作為特征點(diǎn)，利用改進(jìn)的HAAR 小波變換描述法對(duì)左、右圖像特征點(diǎn)進(jìn)行立體匹配[8]。

最后，運(yùn)用雙目視覺原理求取標(biāo)志在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并采用最小二乘法對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行空間擬合，進(jìn)而獲取卡口的位置和姿態(tài)。圖像分析與識(shí)別流程如圖10 所示。

4 新型自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)主要特點(diǎn)

新型自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)，基于盡量保留船舶原有外形與設(shè)備的原則，綜合吸收了一些國(guó)外最新自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如下：

圖10 圖像分析與識(shí)別流程Fig.10 Flow chart of image analysis and recognition

（1）形成完整的全過(guò)程自動(dòng)化對(duì)接框架。

新型自動(dòng)化岸電對(duì)接系統(tǒng)從船舶駛?cè)霐z像頭監(jiān)視范圍內(nèi)便啟動(dòng)運(yùn)行，直至船舶駛離泊位，可以實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制，脫離人工操作，能夠保障工作人員的安全，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，并且大幅度降低了人工成本與停泊成本。

（2）解決惡劣氣候時(shí)圖像識(shí)別效果差的問(wèn)題。

圖像分割的過(guò)程中，時(shí)間因素的影響是不可忽視的。一般地，對(duì)于圖像分割技術(shù)，正午時(shí)陽(yáng)光強(qiáng)度大，能見度高，分割效果較好；早晨霧氣較重，傍晚陽(yáng)光減弱，皆會(huì)造成能見度降低，使部分分割目標(biāo)邊緣較為模糊。該系統(tǒng)運(yùn)用背景差分結(jié)合最大類間閾值法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行提取，可以有效地對(duì)不同船型、不同天氣、不同角度所拍攝船舶進(jìn)行目標(biāo)分割；基于圓環(huán)劃分特征、矩形分塊面積比向量等特征值，具有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放不變性；可對(duì)散貨船、危險(xiǎn)品船和集裝箱船等主要在航船舶圖像特征進(jìn)行有效提取，并具有一定的天氣適應(yīng)性。

（3）提高對(duì)接的及時(shí)性。

對(duì)接過(guò)程中，為節(jié)省時(shí)間、提高工作效率，提出了運(yùn)用目標(biāo)跟蹤技術(shù)結(jié)合CAMShift 算法控制攝像頭的隨動(dòng)。在船舶進(jìn)行靠泊的同時(shí)，攝像頭帶動(dòng)電纜提升裝置向船上的受電口進(jìn)行靠近；當(dāng)船舶停穩(wěn)后，電纜提升裝置到位即可直接進(jìn)行精確對(duì)接，節(jié)省了等待船舶完成靠泊的時(shí)間。目標(biāo)跟蹤中采用CAMShift 算法，在每次搜索前將搜索窗口的初始值設(shè)置為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前的位置和大小，搜索窗口在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域附近進(jìn)行搜索，由此節(jié)省大量的搜索時(shí)間，使其具有良好的實(shí)時(shí)性。

（4）利用伸縮托盤結(jié)構(gòu)降低船舶改造成本，提高準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)的對(duì)接引導(dǎo)裝置采用了安裝在船舶受電接口上的伸縮托盤結(jié)構(gòu)，由安裝在電纜提升裝置上的攝像頭鎖定托盤位置進(jìn)行對(duì)接操作。該伸縮托盤安裝簡(jiǎn)易，且配合電纜提升裝置操作準(zhǔn)確性更高，相比于國(guó)外的一些方案，安裝此設(shè)備并不需要對(duì)于船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行巨大的改動(dòng)，大幅減少了使用岸電的成本與對(duì)接時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

船舶岸電系統(tǒng)有著良好的環(huán)境效益和發(fā)展前景，對(duì)促進(jìn)我國(guó)低碳交通以及環(huán)保事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。所提出的自動(dòng)化岸電對(duì)接方法大大縮短了岸電系統(tǒng)與船舶的對(duì)接時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)降低了使用岸電的成本，對(duì)于港口及船東的作業(yè)和使用成本大有裨益。通過(guò)此方法，以期能夠促進(jìn)船舶岸電系統(tǒng)的應(yīng)用，減少港口水域污染、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。