一種基于視覺識別技術(shù)的輪胎式龍門起重機自動糾偏和防撞系統(tǒng)

楊鄭明

福建電子口岸股份有限公司

1 引言

集裝箱碼頭是水陸聯(lián)運的樞紐站，是集裝箱貨物在轉(zhuǎn)換運輸方式時的過渡和交接點，因此，集裝箱碼頭在貨物運輸過程中具有重要地位[1-3]。隨著全球貿(mào)易高速發(fā)展，貨物吞吐量持續(xù)上漲，給集裝箱碼頭帶來極大挑戰(zhàn)。不少碼頭已采用激光雷達進行輪胎式龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)糾偏和防撞智能化改造，但根據(jù)多家企業(yè)試點使用后反饋，激光雷達存在準(zhǔn)確率低、誤報率高、成本高等問題。

結(jié)合集裝箱碼頭堆場和輪胎吊智能化實際情況，設(shè)計了一種集自動糾偏和防撞為一體的大車智能化系統(tǒng)，利用視覺識別技術(shù)將自動采集圖像進行模擬訓(xùn)練，通過TCP通信方式將結(jié)果反饋給PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)計的邏輯程序發(fā)出控制指令，實現(xiàn)輪胎吊自動糾偏和防撞減速/停止，對提升輪胎吊作業(yè)效率、降低安全事故風(fēng)險具有重要意義[4-5]。

2 系統(tǒng)研發(fā)與測試

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

集裝箱碼頭工作環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣，考慮到輪胎吊自動糾偏和防撞對于通信傳輸及時性要求較高，在全面評估無線和有線的通信特點后，本系統(tǒng)全部采用有線通信方式，確保通信的穩(wěn)定性和及時性[6-8]。整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。系統(tǒng)上層由PLC和控制器組成，兩者通過TCP進行信息交互。分別在輪胎吊電池房和電器房0°兩側(cè)和90°位置安裝圖像采集器進行現(xiàn)場圖像采集，圖像采集器全部通過網(wǎng)線與交換機進行通信。同時，考慮到本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)信息傳輸量大，為實現(xiàn)快速將圖片上傳到工控機進行存儲和分析等功能，故輪胎吊電池房和電氣房交換機采用光纖通信，將電器房側(cè)交換機和控制器用網(wǎng)線連接，實現(xiàn)采集層、通信層、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)層、控制層在系統(tǒng)上的高效協(xié)同集成。

圖1 整體系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PLC糾偏和防撞程序設(shè)計與智能系統(tǒng)程序設(shè)計。PLC程序部分增加自動糾偏和防撞兩個功能模塊，在主模塊中分別進行調(diào)用。智能系統(tǒng)也包括自動糾偏和防撞兩個單獨子系統(tǒng)。自動糾偏方面，利用安裝在輪胎吊0°前后兩個圖像采集器，實時獲取作業(yè)區(qū)跑道前進方向的跑道線，根據(jù)行駛動力學(xué)模型得出輪胎吊運動軌跡分析表達式，結(jié)合視覺識別、跟蹤技術(shù)、跑道線魯棒檢測等技術(shù)，評測實際行駛路線和預(yù)定路線偏差[9-10]，結(jié)合允許距離偏差，利用最優(yōu)路徑方法和控制模型控制輪胎吊海側(cè)驅(qū)動器，實現(xiàn)輪胎吊自動糾偏。防撞方面，利用基于粗粒度動態(tài)可重構(gòu)深度學(xué)習(xí)視頻分析方法，對圖像采集器傳輸回的圖片如集卡、人、反光錐等目標(biāo)進行實時識別，如果智能系統(tǒng)在大車行進方向中檢測到10 m范圍內(nèi)存在目標(biāo)障礙物，則向PLC反饋，PLC及時發(fā)出減速指令；如果目標(biāo)障礙物出現(xiàn)在5 m范圍內(nèi)，則PLC及時發(fā)出停止指令。系統(tǒng)工作流程圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

啟動智能系統(tǒng)后，可以分別或同時啟動糾偏、防撞功能進行作業(yè)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，首先檢查通信狀態(tài)和相機狀態(tài)，通信或相機檢測異常PLC發(fā)出減速指令，并將通信異常信息反饋給智能系統(tǒng)，智能系統(tǒng)根據(jù)反饋的信息能及時發(fā)現(xiàn)故障情況；通信正常則進入PLC與智能系統(tǒng)信息交互步驟。智能系統(tǒng)在獲取輪胎吊狀態(tài)信息后開始進行圖像采集工作，對采集的圖像進行識別、分析、存儲。

2.3 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)進行整體功能測試之前，首先要檢查PLC與智能系統(tǒng)的通信接口表和攝像機是否正常。通信接口表檢查，主要是驗證PLC與智能系統(tǒng)兩者之間通信是否正常，信息點位是否正確；攝像頭主要檢查IP配置是否正確，與智能智能系統(tǒng)通信是否正常。

2.3.1 糾偏測試

在進行自動糾偏功能測試之前，需要根據(jù)實際作業(yè)區(qū)跑道進行大車輪胎距離標(biāo)定(見圖3)。

圖3 大車糾偏標(biāo)定示意圖

以陸側(cè)為例，大車兩側(cè)輪胎中心盡量停止在跑道中心，L1與L2距離差值和L3與L4距離差值的一半都要保持在50 mm以內(nèi)，且L1與L3(或者L2與L4)誤差保持在30 mm以內(nèi)。大車停正后，攝像機抓拍跑道線進行AI學(xué)習(xí)和圖像分析(見圖4)。

圖4 大車跑道分析模擬圖

大車以不同速度向左行駛，停止后左側(cè)輪胎離車道線中心偏差需在±50 mm以內(nèi)，測試3次取平均值。同理，大車以不同速度向右行駛進行測試。經(jīng)過對不同作業(yè)區(qū)跑道左右行駛共50余次，測得大車在啟動階段偏差較大，行駛過程中不斷糾偏后，中心線逐漸調(diào)整到50 mm以內(nèi)。

2.3.2 防撞測試

在輪胎吊前進方向距離20 m處放置障礙物，大車以任何速度向目標(biāo)障礙物行駛，檢查輪胎吊預(yù)設(shè)置范圍內(nèi)是否能正常識別障礙物，并在距離障礙物10 m范圍內(nèi)是否減速，在5 m范圍內(nèi)是否停止。經(jīng)過實驗，智能系統(tǒng)在大車行進中能及時抓拍并識別目標(biāo)障礙物、人、集卡，并且結(jié)合大車行進方向、預(yù)設(shè)范圍將數(shù)據(jù)信息反饋給PLC。同時，智能系統(tǒng)能對采集圖像進行存儲以備后續(xù)查詢。

2.3.3 測試結(jié)果

對廈門某集裝箱碼頭5臺輪胎吊進行相關(guān)功能的測試，通過近1個月的試驗后，將每天現(xiàn)場測試記錄進行對比，得出以下3個結(jié)論。

(1)從攝像機圖像抓取傳輸?shù)街悄芟到y(tǒng)圖像分析，系統(tǒng)相應(yīng)時間小于400 ms(不含與PLC通信)，最大傳輸時間為380 ms，信號穩(wěn)定，且數(shù)據(jù)傳輸滿足12 h不間斷傳輸。

(2)自動糾偏功能識別跑道距離準(zhǔn)確，輪胎吊整體偏移量小于50 mm,滿足設(shè)計要求。

(3)防撞功能正常識別，對于人、集卡、輪胎吊等目標(biāo)障礙物誤檢率、漏檢率和識別率分別達到0%、0%和100%。

3 結(jié)語

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和AI，基于視覺識別技術(shù)的自動糾偏和防撞系統(tǒng)，能實現(xiàn)輪胎吊作業(yè)快速行駛，作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物立即減速/停止。該系統(tǒng)可靠性強、成本低、通信信號穩(wěn)定，具有較大推廣價值和應(yīng)用前景。系統(tǒng)未來研究內(nèi)容主要是3個方面，第一是加強不同環(huán)境條件(如陰影、油污、新老跑道線交替等)跑道的識別，不斷提高系統(tǒng)在復(fù)雜作業(yè)區(qū)的適應(yīng)性；第二是增加不同形狀擋板等障礙物的模型訓(xùn)練，拓展障礙物識別范圍；第三是提高信息安全保障能力，加強企業(yè)防火墻和設(shè)備通信端安全建設(shè)，確保港內(nèi)外數(shù)據(jù)交互安全性。