基于機器視覺的岸橋集卡定位引導系統(tǒng)設計

許躍騫

（廈門嵩嶼集裝箱碼頭有限公司工程技術部，福建 廈門361026）

0 引言

在全球港口智能化建設的背景下，集裝箱碼頭岸邊裝卸的主要設備-岸邊集裝箱起重機 （以下簡稱岸橋）的效率也影響著碼頭的運營效率[1]。傳統(tǒng)岸橋的裝卸主要采用人工盯梢的方式，完全依靠橋吊司機的經(jīng)驗和岸邊人員的指揮，在集卡對位階段消耗了大量時間，制約了岸邊裝卸效率[2]。

智能化港口建設使得自動化領域的新技術逐步在碼頭岸橋集卡定位系統(tǒng)上應用開來。例如，激光雷達應用上，曲偉等人則使用激光掃描儀對集車狀態(tài)進行掃描，通過對位顯示屏將引導信息顯示，使司機快速到達作業(yè)位置[3]；上港集團上海海通安全設備工程公司同樣利用激光掃描器實現(xiàn)了CPS系統(tǒng)[4]。然而，所有激光雷達方案都面臨著成本高昂、無法識別工作車道等缺點，且成本高昂。

近年來，計算機視覺系統(tǒng)開始成為車輛定位的新型選擇。Y Cai提出了一種利用單目和雙目視覺來跟蹤車輛的方法[5]；元海文等人將單目視覺檢測車輪從而定位車輛[6]。然而，這些方法或無法辨別集卡工作狀態(tài)、車道信息，或難以應用在港口復雜的背景環(huán)境下。

綜上，本文提出了一種基于機器視覺的岸橋集卡定位引導系統(tǒng)，采用高清集卡定位相機配合集卡視覺定位引導的快速檢測算法，并引導司機在岸橋作業(yè)時快速準確進入基準位置，減少集卡對位時間，提高岸橋裝卸效率，降低系統(tǒng)成本。同時，系統(tǒng)還具備辨別作業(yè)集卡、識別作業(yè)車道、多車道作業(yè)工況等功能。

1 設計原理

傳統(tǒng)集卡定位主要采用激光雷達、光電傳感器等技術，成本高昂，且大多存在以下缺陷：

（1）要求作業(yè)過程中無關車輛不得入內(nèi)，無法定位運動物體是否為集卡。

（2）無法滿足多條車道同時作業(yè)。

（3）無法判斷車輛行進方向。

為解決上述問題，應對岸橋場景復雜、實時性要求高等難點，本文提出了一種基于機器視覺的集卡定位引導系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要基于背景建模算法提取集卡前景目標實現(xiàn)對集卡的定位。該方法將實時監(jiān)控與背景進行比較，找出可能的卡車區(qū)域。具體過程如下：

（1）背景建模：首先，將原始的RGB圖像轉換為灰度圖像，然后用高斯混合模型法提取背景。

（2）背景減除：背景減除后包含許多不屬于目標集卡的小圖像塊，實際情況下，圖像塊聚類之后，一些非集卡對象也會出現(xiàn)在圖像中，例如操作員、汽車或者其他移動對象。因此，本系統(tǒng)對候選窗口根據(jù)連通域長、寬、面積以及白色像素占比等參數(shù)進行篩選，從而獲得正確的集卡位置。

2 設計方案

CPS硬件主要是由集卡定位相機、LED引導顯示屏、計算服務器等三部分組成。

2.1 系統(tǒng)設計

2.1.1集卡定位相機設計

如圖1所示，兩個集卡定位相機分別安裝于岸橋中間車道的橫梁位置，可以同時獲取雙向多車道的集卡作業(yè)視頻流信息。從設計角度，為滿足定位精度要求，每臺相機設計上僅覆蓋1～2條作業(yè)車道。

2.1.2引導顯示屏設計

如圖1所示，顯示屏安裝于海陸側底梁兩側，屏幕中心高度與集卡司機視線高度一致，可視距離應不小于20 m。顯示內(nèi)容包括：拖車作業(yè)車道號、拖車調整距離值，拖車司機前/后調整提示，拖車到位和駛離提示，CPS故障，CPS待命等信息。顯示顏色為：方向信號（綠色）、停車信號（紅色）、車道號（黃色）和偏移距離（紅色）。LED集卡引導顯示屏能夠為集卡司機定位提供引導信息。

2.1.3 CPS計算服務器設計

CPS服務器主要通過采集的視頻流實時分析集卡位置狀態(tài)，并負責與岸橋的數(shù)據(jù)通訊。CPS服務器是岸橋集卡定位引導系統(tǒng)的核心部件，通常安裝于電氣房內(nèi)。

3 操作流程

CPS系統(tǒng)部署完成后，其主要操作流程分為：指令發(fā)送、集卡駛入、圖像采集、集卡預搜索、集卡定位、顯示屏引導、司機調整車位、集卡到位、開始裝卸。具體流程如下。

（1）指令發(fā)送：在裝卸作業(yè)開始時，首先TOS系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)指令隊列，岸橋司機和集卡司機根據(jù)指令到達各自岸橋及車道作業(yè)。

（2）集卡駛入：集卡司機根據(jù)作業(yè)指令駛入相應車道，觀察安裝于車頭方向岸橋上的引導顯示屏狀態(tài)，等待顯示屏信號指示燈變綠，則集卡駛入岸橋底部。

（3）圖像采集：當集卡駛入系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，定位相機實時采集視頻流圖像發(fā)送到CPS服務器中。

（4）集卡定位：根據(jù)視頻流分析，當有運動物體進行時，啟動集卡與搜索功能，初步確定運動物體是否為集卡。當初步篩選運動目標為集卡后，在此區(qū)域范圍內(nèi)啟動集卡精確定位，確定集卡在車道中的精確位置。

（5）顯示屏引導：根據(jù)圖像處理結果，現(xiàn)場引導顯示屏實時顯示當前作業(yè)車道以及車道中作業(yè)集卡的到位情況，并根據(jù)位置偏移情況顯示司機行駛方向和距離。

（6）司機調整車位：集卡司機根據(jù)顯示屏引導信息操作集卡對位直至指示燈變綠為止。

（7）集卡到位：當唯一距離顯示為“00”，且對位狀態(tài)指示燈由紅色變?yōu)榫G色，則說明集卡到位成功。

（8）開始裝卸：當岸橋司機將吊具移動至集卡上方時，可觀察司機室集卡到位指示燈狀態(tài)，若為紅色則說明集卡未停到準確部位，若為綠色則說明集卡已準備好作業(yè)。此時，岸橋司機即可進入正常作業(yè)流程。

4 總結

對于人工方式及現(xiàn)有自動化集卡引導方式的不足，本文提出了一種基于機器視覺的低成本解決方案。通過在岸橋橫梁的車道兩端布設兩臺高清識別相機，根據(jù)視頻流分析分別完成集卡車頭部位的精確定位，并將集卡位置信息實時反饋到現(xiàn)場作業(yè)大屏幕上，引導集卡司機準確停到目標位置。本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工引導的耗時耗力以及現(xiàn)有技術的高成本低精度缺陷，具備低成本高精度的技術優(yōu)勢，能極大提高岸橋作業(yè)效率。

圖1 硬件安裝位置示意圖（左）和LED顯示屏設計（右）