視覺識別技術(shù)在智慧碼頭的應用

邱濤　李凌凱

目前，我國智慧碼頭在很多方面仍未擺脫人工作業(yè)，這使得智慧碼頭在作業(yè)效率、作業(yè)安全等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。視覺識別技術(shù)的發(fā)展使得基于視覺識別技術(shù)的自動化相關(guān)技術(shù)得以實現(xiàn)并進步。視覺識別技術(shù)可利用計算機、攝像頭等設(shè)備來模擬人的視覺功能，其作用不只是識別，更重要的是分析處理識別的內(nèi)容，最終將處理結(jié)果應用于實際。隨著視覺識別技術(shù)的不斷進步和完善，視覺識別技術(shù)在智慧碼頭領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用和獨特優(yōu)勢，是港口實現(xiàn)智能化的必要手段。寧波梅山島國際集裝箱碼頭有限公司（以下簡稱“梅山碼頭”）智能化技術(shù)團隊將視覺識別技術(shù)融入碼頭自動化系統(tǒng)，產(chǎn)生積極效果，為港口智能化發(fā)展提供優(yōu)良模板。本文以提升碼頭智能化作業(yè)水平為目標，探討視覺識別技術(shù)在智慧碼頭的應用情況。

1 智能集卡引導系統(tǒng)

集卡快速、準確地停到指定位置是實現(xiàn)橋吊和輪胎吊裝卸作業(yè)自動化的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)作業(yè)流程中，集卡引導主要由碼頭現(xiàn)場指揮員負責，對指揮員的工作經(jīng)驗和人身安全保障的要求較高。目前，遠控半自動化橋吊一般配備基于激光掃描的集卡定位系統(tǒng)，而此類定位系統(tǒng)存在因激光器被遮擋或受污染而定位失敗等問題。智能集卡引導系統(tǒng)（intelli-gent chassis positioning system，ICPS）是在集卡定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化升級而形成的基于雙目攝像頭視覺識別技術(shù)的新式引導方案（見圖1）。目前，雙目攝像頭的應用已相對成熟。在惡劣天氣環(huán)境下，雙目攝像頭在人工智能（artificial intelligence，AI）技術(shù)支持下的有效識別率遠優(yōu)于激光器。當集卡進入橋吊下方作業(yè)車道時，2個雙目攝像頭分別從不同角度同時識別，并將識別到的圖像傳送至AI工控機;AI工控機結(jié)合攝像頭在橋吊的絕對坐標系定位集卡的相對坐標，從而確定集卡在橋吊下方的具體位置（包含車道方向位置和橋吊小車方向位置）;此外，攝像頭還能識別集卡車頭和車尾、集卡是否帶箱以及集裝箱在集卡上的擺放位置。AI工控機與橋吊可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）建立通信，獲取橋吊作業(yè)數(shù)據(jù)，并對識別的圖像進行建模，結(jié)合橋吊作業(yè)指令，實現(xiàn)空車引導、單小箱前后箱引導、單大箱引導及雙箱引導，引導完成后將集卡到位信號反饋至橋吊。ICPS通過AI技術(shù)支持自學習后可以達到與激光器相近的車道方向精度。由于增加2個高精度攝像頭，ICPS在橋吊小車方向的識別精度遠高于傳統(tǒng)集卡定位系統(tǒng)，并能有效避免傳統(tǒng)集卡定位系統(tǒng)易發(fā)生的因激光器被遮擋或受惡劣天氣影響而引導失敗等問題。此外，由于攝像頭識別范圍覆蓋橋吊下所有車道，當作業(yè)車道變更時，切換更加流暢，并支持多車道同時引導。

智能集卡進入橋吊群后，由于橋吊的全金屬結(jié)構(gòu)會影響集卡定位系統(tǒng)精度，需要依賴橋吊的集卡引導系統(tǒng)來實現(xiàn)集卡與橋吊的精準定位?；谝曈X識別技術(shù)的ICPS可以為智能集卡提供橋吊下方輔助定位功能，并與智能集卡自身的防撞系統(tǒng)相結(jié)合，從而更有效地實現(xiàn)橋吊下方車與車防撞、車與人防撞以及車與橋吊防撞。

視覺識別技術(shù)能利用自學習后的防撞功能開發(fā)更多功能接口，實現(xiàn)碼頭智慧作業(yè)，例如：視覺識別系統(tǒng)可以在引導集卡的過程中形成電子圍欄，從而有效避免人員誤闖作業(yè)車道。系統(tǒng)識別駛?cè)胱鳂I(yè)車道的集卡后，在集卡周邊及其行駛方向區(qū)域內(nèi)形成電子圍欄（AI工控機自學習碼頭橋吊下方的集卡行駛規(guī)則，自動計算圍欄區(qū)域）。若有人員誤入該區(qū)域，系統(tǒng)通過ICPS顯示屏提醒集卡司機謹慎駕駛。電子圍欄功能非常適合智慧作業(yè)鏈中的智能集卡：智能集卡駛?cè)霕虻跸路降淖鳂I(yè)車道后，在ICPS的監(jiān)控和引導下安全行駛，從而避免發(fā)生安全事故。

ICPS還能實現(xiàn)集卡防砸功能，避免橋吊在集卡沒有停車到位的情況下放下集裝箱砸到集卡車頭等。此外，當橋吊未能將集裝箱吊運至目標集卡上方時，集卡防砸功能觸發(fā)，AI工控機發(fā)送命令至橋吊PLC，阻止橋吊起升機構(gòu)繼續(xù)向下。

2 光學字符識別系統(tǒng)

光學字符識別（optical character recognition，OCR）系統(tǒng)基于圖像識別與處理技術(shù)，識別當前作業(yè)箱信息，包括箱號、箱型及集卡車號等。OCR系統(tǒng)控制器與作業(yè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)吊具位置、開閉鎖狀態(tài)等信息控制攝像頭拍照，再對拍照結(jié)果實施有效識別，并通過接口協(xié)議將識別分析結(jié)果傳輸至智能理貨系統(tǒng)。理貨員通過智能理貨終端核對分析結(jié)果，并提交正確結(jié)果。在OCR系統(tǒng)協(xié)助下，梅山碼頭實現(xiàn)1名理貨員同時管理多臺作業(yè)設(shè)備，從而有效降低碼頭人力成本。在整個作業(yè)流程中，理貨員只負責最后的校驗工作，從而大大優(yōu)化自動化作業(yè)流程，提高碼頭整體作業(yè)效率。梅山碼頭在作業(yè)設(shè)備小車司機室后方部署2臺槍機，用于識別集卡車號，并在聯(lián)系梁及下橫梁處布置16個攝像頭（見圖2），用于識別箱型和箱號，基本實現(xiàn)理貨員后撤，極大地降低理貨員工作強度和碼頭人力成本，取得良好的示范效應。

3 防搖防扭系統(tǒng)

基于視覺識別技術(shù)的防搖防扭系統(tǒng)主要由安裝在作業(yè)設(shè)備小車架上的攝像頭、安裝在吊具上架上的反射板（見圖3）和相關(guān)軟件組成。攝像頭實時拍攝反射板并通過視覺識別技術(shù)分析識別后，將吊具相對位置和狀態(tài)反饋至單機PLC，從而實現(xiàn)對吊具的實時調(diào)整。防搖系統(tǒng)通過調(diào)整小車位置和速度來控制吊具擺動，防扭系統(tǒng)通過傾轉(zhuǎn)油缸帶動鋼絲繩來調(diào)整吊具傾轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)對整個吊具的實時調(diào)整，使吊具在自動化作業(yè)過程中保持平穩(wěn)狀態(tài)，有利于縮短作業(yè)時間，提升整體作業(yè)效率和安全性。

4 輪胎吊大車防撞系統(tǒng)

輪胎吊大車防撞系統(tǒng)（見圖4）將基于智能視覺識別技術(shù)的視頻流防撞方案與監(jiān)控報警平臺相融合，采用計算機視覺、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、虛擬計算等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)視頻的精準采集和分析，能夠識別和檢測視頻中的服裝特征、安全帽、司機行為、固定目標和重要基建設(shè)施等，并通過自學習功能持續(xù)優(yōu)化算法，不斷提高識別精度，從而提高檢測準確率，達到大車精準防撞的目的。目前，該系統(tǒng)自學習后的精度已達到95%以上，并且具有算法先進、結(jié)構(gòu)簡單、功能拓展靈活等優(yōu)點，能較好地與碼頭業(yè)務系統(tǒng)融合。

智能視覺識別技術(shù)能夠大大提高輪胎吊大車防撞系統(tǒng)的防撞精度：一方面，系統(tǒng)可對圖像實施智能化分析，識別大車門腿前方的車輛和人員;另一方面，增設(shè)小車架高分辨率攝像頭，識別小車架及吊具下方人員，實現(xiàn)全方位防撞。與傳統(tǒng)超聲波和機械限位式防撞系統(tǒng)相比，應用智能視覺識別技術(shù)的輪胎吊大車防撞系統(tǒng)具有增加安全防撞距離、提高防撞辨識精度、減少防撞過程中偶發(fā)因素造成的誤感應、提高整體作業(yè)效率、降低機損和傷亡概率等優(yōu)點。隨著輪胎吊自動化作業(yè)的推廣，在無司機監(jiān)護的條件下，全方位識別檢測顯得尤為重要;因此，基于視頻流技術(shù)的防撞系統(tǒng)將越來越多地應用于自動化碼頭作業(yè)設(shè)備。

5 結(jié)束語

隨著視覺識別技術(shù)應用優(yōu)勢日益凸顯，基于視覺識別技術(shù)的自動化作業(yè)系統(tǒng)成為梅山碼頭智能化建設(shè)重要的發(fā)展方向之一。這些系統(tǒng)項目的成功實施將進一步提升梅山碼頭的研發(fā)能力，有助于梅山碼頭積累港口設(shè)備自動化技術(shù)應用經(jīng)驗，從而為其他碼頭大規(guī)模推廣遠控技術(shù)提供參考和借鑒。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-08-05）