煤炭運輸船舶智能水尺計重技術的應用與發(fā)展

陰雨蒙蒙

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.國家煤炭質量檢驗檢測中心，北京 100013)

0 引 言

隨著黃驊港煤炭吞吐量的增多，煤炭下水量連續(xù)3年位居國內首位，且呈上升趨勢，均已超過2億t。黃驊港煤炭裝船機全自動和5萬t電煤船舶重載雙向通航的實現(xiàn)代表著煤炭裝船工作效率的大幅度提升，已基本形成了圍繞煤炭等貨物的高效、專業(yè)化運輸系統(tǒng)。煤炭主要貿易運輸方式以船舶水運為主，隨著船舶運的發(fā)展，水尺計重作為大宗散貨交易中商品的結算、糾紛處理、計算運費等的依據之一[1-10]，準確的計量結果對保護船東、賣家和買家的利益都具有極為重要的意義。因此，作為煤炭交易計量依據的水尺計重工作將面臨嚴峻的考驗，主要表現(xiàn)在水尺計重數據的準確性和水尺計重的效率上。

隨著科技的進步和檢測手段的多元化，人們期望通過圖像識別技術、數學算法模型升級、機器人或無人機拍攝載體等技術引入，以期實現(xiàn)進一步提高檢測準確度，并盡可能排除人為誤差[11]。冉鑫等提出了1種具有代表性的智能識別方式，即基于圖像處理的船舶水尺刻度識別方法和船舶吃水線檢測方法，刻度識別是利用三叉點特征構造模板數組進行字符分類，然后與構造的模板匹配進行水尺字符識別，吃水線識別檢測采用的是Canny算子和數學形態(tài)學結合的辦法，刻度識別和水線識別為船舶吃水值的計算打下良好的基礎[12]。

科學先進的智能識別方式能減少傳統(tǒng)方式人為主觀因素對鑒定結果的影響，隨著煤炭船舶智能水尺計重技術(以下簡稱智能水尺計重技術)的應用和發(fā)展，不斷修復傳統(tǒng)水尺計重方式的短板。筆者將以黃驊港開展智能化水尺計重項目為例，結合現(xiàn)場各鑒定環(huán)節(jié)的工作情況，對六面吃水觀測、設備構成、數據的采集與計算等方面提出針性的問題及意見，不斷提高準確性及工作效率，為智能水尺計重的軟件、硬件、大數據生態(tài)方面的研發(fā)方向提供參考。

1 智能水尺計重技術的應用現(xiàn)狀及問題

1.1 煤炭船舶六面水尺的觀測

水尺標記是表明船舶吃水深度的尺度數據，也是表征整船貨物重量的主要測量參數。人工觀測法是當前水尺計重行業(yè)使用最廣泛的測定方法，水尺計重人員站在岸邊或爬舷梯、坐小船的方式對六面水尺進行觀測。傳統(tǒng)的人工觀測容易受到風浪影響[13]，不但工作效率低，而且在攀爬作業(yè)過程需要防范諸多的安全風險，該方法得出的吃水值受人為因素影響比較嚴重，準確度不高[14]，使目測得到的數據帶有很大的主觀性。

隨著圖像處理技術的日益發(fā)展與完善，圖像處理技術陸續(xù)被應用到船舶水尺檢測研究工作中[15]。目前，筆者單位在現(xiàn)場引入智能化水尺識別系統(tǒng)，使用手持錄像設備對船舶六面吃水進行拍攝、識別、分析，得出船舶六面數值。該系統(tǒng)基本滿足代替人工觀測。

但通過現(xiàn)場工作實踐中了解到，在一些特殊情況下如船舶長期航行于海上時，船體會飽受侵蝕與摩擦碰撞，導致水尺標記脫漆或者水尺標記變形腐蝕[16]，易出現(xiàn)智能化讀數系統(tǒng)識別異常或識別時間延長的情況。

智能化讀數識別對比如圖1所示。

圖1 智能化讀數識別對比Fig.1 Identify comparison charts of intelligent reading

1.2 水尺計重設備

目前筆者單位現(xiàn)場所使用水尺計重設備包含六面水尺智能識別系統(tǒng)、水尺伸縮桿、支架、防水攝錄一體機、補光燈、執(zhí)法記錄儀、油水艙測量管內窺鏡、油水艙液體提取和排出驗查器、 取水器、密度計、鋼卷尺、量油尺等。以上設備為六面水尺觀測、油水艙測量、油水艙查驗、海水密度測量等工序提供幫助。

多種多樣的設備是保障水尺計重工作順利開展的基礎，但對于鑒定人員來說，在有限的時間內，攜帶并使用各種設備準確的實現(xiàn)重量鑒定也是一大考驗。現(xiàn)有的硬件設施是采用直接購買市場現(xiàn)有的多家品牌產品進行組合，缺少特性和針對性。以防水攝錄一體機為例，需滿足遠程遙控、光學變焦、防水防塵、耐寒耐熱的需求，而市面現(xiàn)有多家品牌其性能、工作特點無法完全適應及覆蓋水尺計重智能化設備的需求。所以，設備集成度不高且未完成配套硬件自主研發(fā)等因素影響水尺計重設備智能化的發(fā)展。

1.3 水尺計重數據的采集與計算

水尺計重工作過程產生的數據龐大且復雜，包含貨運船舶信息、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、水域密度、六面水尺錄像、水油艙測深、船舶相關資料等。將水尺計重數據錄入至計算系統(tǒng)中計算貨物重量。鑒定人員全程佩戴執(zhí)法記錄儀對數據采集、計算過程進行全程監(jiān)督。

繁多的計重數據逐一測量采集并準確錄入對于鑒定人員來說具有挑戰(zhàn)性，鑒定人員需要經驗豐富且精神高集中，防止漏采、漏錄，錯采、錯錄。為了提高鑒定工作的效率和鑒定結果的準確性，一般由2名鑒定人員同時進行鑒定工作，并采用雙人復核制，先由1名人員把所有采集數據錄入表格，再由另1名人員對錄入數據進行核對。

而人員在較短時間內完成數據采集、錄入，易出現(xiàn)數據錯誤的現(xiàn)象，影響貨物重量結果的準確性。

2 智能水尺計重技術的發(fā)展方向及建議

2.1 智能水尺識別系統(tǒng)的升級

目前筆者公司均采用智能識別系統(tǒng)進行水尺計重重量鑒定工作，其結果的準確性得到了貨方、買方及船方的認可。

近年來，人工智能技術發(fā)展迅速，其中的圖像識別處理技術發(fā)展尤為迅速，航空、醫(yī)學和通信工程等[17-19]領域涌現(xiàn)出了很多基于圖像處理原理的圖像自動識別技術，而此項技術也同樣適用于船舶水尺計重行業(yè)，且需求量也越來越多。

為使智能識別系統(tǒng)更加準確高效，公司目前應用的該套系統(tǒng)仍會持續(xù)優(yōu)化改進、升級智能水尺識別系統(tǒng)來滿足各種條件下的水尺計重任務。在面對復雜多變的船況有不同的應對方法，使用先進的技術將圖像分析進行升級。系統(tǒng)通過深度學習、AI視覺優(yōu)化等技術，升級觀測和識別系統(tǒng)，優(yōu)化算法。例如：將錄制視頻上傳到升級的智能讀數系統(tǒng)后，系統(tǒng)先會對視頻抽幀，獲取達到要求的圖像，然后采用AI視覺技術，對局部圖像進行準確尋找、識別，最后通過深度學習，自動識別出所需數據，并通過樣本量的積累不斷優(yōu)化進行升級迭代，使整個識別過程更加準確高效。

通過我公司對智能識別系統(tǒng)不斷的優(yōu)化改進、升級，已基本解決因水尺標志清晰度不夠導致無法識別或識別時間較長的問題。

2.2 高集成度智能化一體化設備

建立聯(lián)合硬件開發(fā)團隊，將多種設備進行改造升級，針對智能水尺計重業(yè)務的特性和需求，對配套設施進行自主研發(fā)；集成多項技術，縮小設備規(guī)模，從而達到設備智能化集成化便攜化；解決當前智能化設備集成度不高、未完成配套硬件自主研發(fā)、無法完全適應及覆蓋水尺計重智能化的需求等問題。

例如，將原先分散的識別系統(tǒng)、防水攝錄一體機、手持終端集成在一起，形成智能水尺識別模塊，該模塊具備錄像、識別、分析的功能，同時具備適應現(xiàn)場工作環(huán)境如三防、光變、體積輕薄等各項傳參數，簡化設備操作工序，提高人員工作效率。

2.3 智能水尺計重大數據系統(tǒng)

研發(fā)配套智能水尺計重大數據系統(tǒng)。利用5G技術[20]將人工采集、錄入變?yōu)橄到y(tǒng)采集，由智能水尺系統(tǒng)直接參與全部作業(yè)流程，隨時將數據回傳至服務器中，并直接對相關采集數據進行處理、分析、存儲，完成全部數據采集時系統(tǒng)便自動生成本次水尺計重貨物重量結果，整個過程高效化、透明化，在降低人工參與度的同時通過全程視頻記錄鑒定過程、有效還原工作現(xiàn)場，一旦發(fā)生貨物短重情況可為企業(yè)仲裁提供有力支撐，對船方也有一定的約束作用。

同時大數據系統(tǒng)在全面、詳細地記錄各項數據資料的同時還能滿足諸如監(jiān)督、培訓、管理等各項業(yè)務配套工作，并不斷擴充智能水尺深度學習的樣本量，滿足系統(tǒng)的升級迭代。水尺計重大系統(tǒng)構想如圖2所示。

圖2 水尺計重大系統(tǒng)構想Fig.2 Draft survey big system idea diagram

2.4 打造專屬水尺計重產品與樹立行業(yè)導向

目前水尺計重領域內，通過自主研發(fā)的各項智能化工具種類繁多，從無人機[21]到爬壁機器人[22]、遙控船舶和手持攝錄裝置，再到基于各種算法平臺設計出的圖像識別系統(tǒng)[23]，使得智能水尺作業(yè)的速度和精度不斷提高，各方都有自身的優(yōu)勢和不足，很多新技術和裝備的方案分散不能統(tǒng)一，港口方或委托研究機構應組織集中多方優(yōu)勢技術，共同設計開發(fā)適用于各煤炭港口專屬的智能識別系統(tǒng)，并根據不同煤炭港口現(xiàn)場的規(guī)劃和當地的水文海況等因素，因地制宜，融入“智慧港口”[24]的建設，有針對性地在碼頭泊位加裝岸基水尺計重智能識別硬件，真正做到智能化、一體化。

煤炭運輸船舶智能水尺計重的推廣過程中，市場往往會對新技術產生畏懼的心理，通過技術開發(fā)基及商業(yè)扶持，克服阻力并樹立正確的導向能為新技術的推廣起到關鍵的作用。智能水尺計重產業(yè)應用目前缺乏一定的探索意識和風險意識，尤其是當新技術短時間無法取得良好收益時，市場容易敬而遠之，所以相關需求方可以自身水尺計重工作為依托，自主或委托相關機構研究或升級現(xiàn)有智能識別系統(tǒng)，使其提供能完全滿足實際需要的服務，從商業(yè)上扶持智能水尺計重技術開發(fā)，打出品牌，逐步向全行業(yè)推廣智能化服務，同時與相關方合作，利用平臺優(yōu)勢，加大對新技術的推廣，提高智能水尺計重設備的競爭力。

3 結 論

(1)對智能水尺識別系統(tǒng)軟件進行升級，引入機器視覺等先進圖像識別技術同時加入深度學習的圖像處理技術，做到多環(huán)境下對水尺標志準確識別，既解決了水尺計重中檢驗人員人為因素的干擾，又成功消除了水尺標志清晰度不夠帶來的無法識別及識別時間長的問題，可進一步提高準確性和工作效率。

(2)打造高集成度智能化一體化設備，對于傳感器、數據采集和處理、電源等模塊進行多功能集成設計，利用高密度多層電路板涉及，優(yōu)化各模塊空間，使用輕量、堅固和高強度的材料，精簡檢驗人員攜帶設備的尺寸和重量，減少檢驗人員的工序及多工序帶來的誤差。高集成度智能化一體化設備還能適應多種場景，減少陽光下、夜間或者極端天氣下帶來的工作影響。

(3)建立完整的智能水尺計重大數據系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對此項業(yè)務的數據采集、傳輸、存儲、分析等功能的程簡單化、透明化、高效化，同時對全流程可視化、數據安全性和隱私、信息管理和維護，以及業(yè)務培訓等方面提供有利的保障和支持，并能配合“智慧港口”建設進行數據共享，其貨物裝卸數據可與港口運營和港務管理系統(tǒng)對接，有助于優(yōu)化港口資源分配，提高港口吞吐量和操作效率。

(4)水尺計重作為高效、準確的計量方法，廣泛應用于大宗散雜貨中。水尺計重結果是否準確決定了貨物的價值，傳統(tǒng)方式一般存在人為主觀因素，鑒定結果的公正性會受到影響。在現(xiàn)代化智能技術的發(fā)展升級下，帶動著水尺計重業(yè)務需求也向著更加高效、準確、智能的方向不斷提高，傳統(tǒng)水尺計重模式的短板也在發(fā)展的過程逐漸顯現(xiàn)出來，水尺計重工作方式由傳統(tǒng)轉向智能是以后行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，從而在保證鑒定結果的準確性的前提下，大幅縮減計重時間，滿足現(xiàn)場及港口的工作需求。