青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

近幾年來(lái)，進(jìn)出口業(yè)務(wù)量快速增長(zhǎng)，各港口的集裝箱吞吐量迅猛提高。為了提高集裝箱識(shí)別速度，減輕人工作業(yè)負(fù)荷，減少安全隱患、提升設(shè)備作業(yè)效率，各大港口對(duì)集裝箱裝卸設(shè)備進(jìn)行智慧化、智能化升級(jí)。作為集裝箱裝卸設(shè)備重要組成部分的箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，成為重點(diǎn)升級(jí)系統(tǒng)之一。

傳統(tǒng)集裝箱裝卸作業(yè)時(shí)，箱號(hào)、箱型等信息需要人工確認(rèn)，影響集裝箱碼頭作業(yè)效率。自動(dòng)化軌道吊不同于常規(guī)的輪胎吊或軌道吊，由于其操控系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制中心，無(wú)法像常規(guī)設(shè)備直接透過(guò)司機(jī)室玻璃辨識(shí)集裝箱號(hào)，如果在遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行圖像辨識(shí)，將浪費(fèi)大量作業(yè)時(shí)間。將基于AI(人工智能)技術(shù)的箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)用到裝卸設(shè)備上，通過(guò)高清攝像機(jī)采集集裝箱號(hào)碼，經(jīng)過(guò)AI智能控制軟件處理分析并形成報(bào)文，通過(guò)光纖或5G無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)將集裝箱信息傳送至TOS(碼頭作業(yè)管理系統(tǒng))，TOS根據(jù)報(bào)文將識(shí)別到的箱號(hào)和作業(yè)指令箱號(hào)作對(duì)比，判斷該集裝箱是否合法，整個(gè)處理過(guò)程在毫秒級(jí)，可大大提高作業(yè)效率。

2 智能集裝箱箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的組成

集裝箱箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)由高清攝像頭、網(wǎng)路匯集交換機(jī)、計(jì)算機(jī)處理器、可視化設(shè)備組成。該系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)與軌道吊控制系統(tǒng)及碼頭作業(yè)管理系統(tǒng)通訊。工控機(jī)通過(guò)交換機(jī)連接不同的攝像頭，通過(guò)串口、DP、IO等接口方式連接PLC，通過(guò)網(wǎng)口連接光纖交換機(jī)。識(shí)別軟件的主要功能是通過(guò)從PLC接口獲取的當(dāng)前PLC中信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的控制以及數(shù)據(jù)采集功能，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)光纖或5G網(wǎng)絡(luò)把圖像上傳到中心服務(wù)器，同時(shí)把識(shí)別結(jié)果發(fā)送到中心服務(wù)軟件。設(shè)備組成見圖1。

圖1 箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)組成

箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的核心是基于AI的智能處理系統(tǒng)。智能處理系統(tǒng)主要包括圖像采集子系統(tǒng)、智能識(shí)別子系統(tǒng)、中心服務(wù)子系統(tǒng)、監(jiān)控管理子系統(tǒng)[1]。4個(gè)子系統(tǒng)充分體現(xiàn)模塊化系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)思想，借助碼頭生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)集裝箱號(hào)識(shí)別、ISO碼識(shí)別以及可視化管理等功能。圖2為箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的AI智能系統(tǒng)組成圖。

圖2 箱號(hào)識(shí)別AI智能系統(tǒng)組成圖

(1)圖像采集子系統(tǒng)。ARMG海陸兩側(cè)作業(yè)，每側(cè)安裝4個(gè)攝像頭，共8個(gè)攝像頭用于箱號(hào)、ISO識(shí)別等。在ARMG作業(yè)過(guò)程中，圖像采集子系統(tǒng)通過(guò)PLC信號(hào)、集卡對(duì)位信號(hào)、視頻流等信息，在不同時(shí)間觸發(fā)不同攝像頭進(jìn)行拍攝，并進(jìn)行圖像預(yù)處理。

(2)智能識(shí)別子系統(tǒng)。在箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)的工控機(jī)內(nèi)部署AI智能處理軟件。AI智能處理軟件采用目前最先進(jìn)的AI人工智能技術(shù)，基于海量數(shù)據(jù)樣本、核心識(shí)別模塊針對(duì)箱號(hào)識(shí)別的復(fù)雜場(chǎng)景構(gòu)建專有深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用AI深度學(xué)習(xí)技術(shù)，定位出字符區(qū)域，再依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模板匹配相結(jié)合的方法進(jìn)行識(shí)別，可快速定位箱號(hào)位置，準(zhǔn)確識(shí)別箱號(hào)，有效解決字符殘損、粘連、外界光線、拍攝角度變化等識(shí)別困難的問(wèn)題。AI深度學(xué)習(xí)算法，可持續(xù)不斷地訓(xùn)練迭代并完善算法模型，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，不斷提高識(shí)別準(zhǔn)確性。

(3)中心服務(wù)子系統(tǒng)。中心服務(wù)器上部署中心服務(wù)軟件、FTP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)，中心服務(wù)軟件接收到識(shí)別軟件上傳的識(shí)別結(jié)果，并將識(shí)別結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)將識(shí)別結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控管理軟件顯示，轉(zhuǎn)發(fā)給TOS、ECS用于作業(yè)指令校核確認(rèn)等。

(4)監(jiān)控管理子系統(tǒng)。管理監(jiān)控平臺(tái)可部署在中控室，管理監(jiān)控平臺(tái)包含實(shí)時(shí)查看集裝箱圖片信息，查看并修改識(shí)別結(jié)果，查詢歷史數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)等功能。

3 箱號(hào)智能識(shí)別系統(tǒng)工作原理

集裝箱識(shí)別系統(tǒng)鏈接PLC、TOS等外部控制系統(tǒng)，當(dāng)?shù)蹙唛]鎖時(shí)由PLC發(fā)出識(shí)別使能信號(hào)，精準(zhǔn)觸發(fā)高清攝像機(jī)抓拍有效圖像數(shù)據(jù)，由AI智能識(shí)別模塊對(duì)圖像及數(shù)據(jù)分析處理，自動(dòng)識(shí)別集裝箱號(hào)碼、箱型代碼等信息，服務(wù)器通過(guò)新加入的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)來(lái)持續(xù)完善識(shí)別系統(tǒng)的算法模型，同時(shí)將識(shí)別結(jié)果以約定好的報(bào)文形式，借助光纖、5G等通訊方式，上傳至TOS、ECS等作業(yè)管理系統(tǒng)，由TOS系統(tǒng)進(jìn)行信息校對(duì)，確認(rèn)目標(biāo)集裝箱是否和作業(yè)指令集裝箱相匹配，完成作業(yè)確認(rèn)。同時(shí)通過(guò)配備的顯示器可視化顯示本次識(shí)別信息。如果到訪集裝箱非法，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息，請(qǐng)求人工介入；如果判斷結(jié)果為合法，則可進(jìn)行下一步工作。圖3為箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)原理圖。

圖3 箱號(hào)識(shí)別AI智能系統(tǒng)原理圖

4 圖像采集子系統(tǒng)的部署

圖像采集系統(tǒng)由安裝在軌道吊下橫梁的8個(gè)高清攝像頭組成，每側(cè)安裝4個(gè)攝像頭，根據(jù)集裝箱箱號(hào)分布特點(diǎn)，用于拍攝不同規(guī)格集裝箱的箱號(hào)目標(biāo)位置設(shè)定。具體分布如圖4所示，其中陸側(cè)位置的1#攝像機(jī)用于采集集裝箱前部箱號(hào)，2#攝像機(jī)用于采集20 ft集裝箱側(cè)面箱號(hào)，3#攝像機(jī)用于采集40 ft集裝箱側(cè)面箱號(hào)，4#攝像機(jī)用于采集集裝箱后部箱號(hào)；海側(cè)位置的5#攝像機(jī)用于采集集裝箱后部箱號(hào)，6#攝像機(jī)用于采集20 ft集裝箱側(cè)面箱號(hào)，7#攝像機(jī)用于采集40 ft集裝箱側(cè)面箱號(hào)，8#攝像機(jī)用于采集集裝箱前部箱號(hào)。位置檢測(cè)區(qū)域見圖5。

圖4 圖像采集系統(tǒng)分布圖

20 ft集裝箱海陸側(cè)抓拍 40 ft集裝箱海陸側(cè)抓拍 圖5 圖像采集系統(tǒng)俯視圖

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化作為港口發(fā)展的趨勢(shì)，必然需要集成越來(lái)越多先進(jìn)的技術(shù)，來(lái)提高碼頭作業(yè)效率，增加效益。智能箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用于集裝箱碼頭堆場(chǎng)設(shè)備，與TOS、ECS系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化軌道吊裝卸作業(yè)過(guò)程中集裝箱信息自動(dòng)識(shí)別和管理，改變傳統(tǒng)的人工確認(rèn)模式,提高港口堆場(chǎng)裝卸的工作效率，優(yōu)化操作流程，降低工作成本及提高操作安全性，實(shí)現(xiàn)碼頭自動(dòng)化操作。