機器視覺技術在岸邊集裝箱起重機下集卡對位系統中的應用

同寧方　黃秀松　張志勇

0引言

隨著信息技術的發展和普及,數字圖像處理技術廣泛應用于軍事、醫學診斷、工業監控等領域。智能化的集裝箱碼頭閘口系統的核心正是基于圖像處理的集裝箱箱號識別技術的應用。

在傳統的集裝箱裝卸工藝中,集卡在岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸邊吊)下等待裝卸集裝箱的位置,是由橋邊指揮員通過在岸邊吊下方設置標識或觀察吊具下落位置確定的,并由其指揮集卡司機控制集卡停放,使吊具可以準確抓取集裝箱扭鎖。如有偏差,集卡司機通過回頭觀察吊具位置,對車輛作前進、后退的調整。實踐證明,這樣的操作程序不但影響裝卸效率,而且增加能源消耗,同時存在一定的安全隱患。

近年來裝卸機械技術水平不斷提升。雙40英尺吊具的岸邊吊對集卡的停放要求更高,不但要求集卡在岸邊吊下方停放的位置非常準確,而且對相鄰集卡的位置調整提出要求。例如,相鄰集卡上2個相鄰箱的箱沿鎖孔經常由于集卡停放位置不正呈現“正八字”或“倒八字”,集卡司機為調整位置需要花費大量時間,雙40英尺岸邊吊的技術優勢因此被抵消。諸如此類的問題導致雙40英尺岸邊吊的裝卸操作難度遠高于單吊具岸邊吊。正是在這樣的背景下,本系統創新性地將機器視覺技術運用在二維平面內的目標辨識、目標跟蹤和目標位移測量計算中,以解決這一裝卸工藝難題。

1系統設想及目標

針對在這一應用領域存在的問題,采用數字視頻處理技術,基于機器視覺技術,研發岸邊吊集卡對位系統。這套系統適用于不同箱型,不但能迅速、準確地確定集卡停放位置,而且能測量停放的集裝箱的前后沿間距,將這些信息提供給岸邊吊司機,并引導集卡司機嚴格控制其駕駛車輛與相鄰集卡的相對位置。在進行視覺檢測時,目標辨識準確,不受非正常工作車道過車的干擾。此外,系統可將測得的數據提供給岸邊吊運動控制PLC,由PLC控制吊具間距姿態,使吊具間距自動與并列箱位置間距相吻合,從而實現自動調整。

2系統工作原理

2.1原理簡介

本系統利用高清晰智能數碼攝像機,實時捕捉在岸邊吊下方行駛的集卡裝載的集裝箱,運用特征提取等圖像處理技術,精確鎖定集裝箱鎖孔位置,并進行行駛軌跡跟蹤(見圖1)。系統虛擬內置平面直角坐標系統,將鎖孔的位置運算成二維平面坐標,通過對坐標點的連續運算,得出行駛位置及行駛軌跡。

中央處理單元按照一定邏輯,將歸一化后的位置信息發送給安裝在不同位置的LED顯示屏。需要提供給岸邊吊司機的集裝箱間距信息,通過無線通信模塊傳輸給岸邊吊駕駛室無線車載終端,并以人性化的界面提示給集卡司機。

系統具體工作過程如下:岸邊吊作業路確定之后,車道選擇單元將集卡的車道信息、行駛方向和箱型信息發送給中央處理單元;中央處理單元按照系統設計的邏輯,通知檢測當前使用車道的攝像機進行工作,并將實時檢測數據發送給中央處理單元;攝像機得到工作指令后,視頻檢測系統開始逐幀檢測跟蹤下方車道內的集卡運行狀態,攝像機連續不斷地發送坐標信息給中央處理單元;中央處理單元處理這些坐標點,將其轉換成岸邊吊司機和集卡司機需要的距離信息,然后控制不同的通信單元,將信息分別發送給岸邊吊司機和集卡司機。

2.2系統邏輯控制原理

本系統的邏輯控制原理如圖2所示。

2.3基于差影法的集卡定位

利用圖像捕捉并跟蹤運動目標在許多領域有廣泛的運用。目標的運動圖像序列為低信噪比情況下的目標檢測提供比目標靜止時更多的有用信息,利用圖像序列可以檢測出單幀圖像中很難檢測出的目標。由運動目標形成的圖像序列可以分為2種:一種是背景靜止的,另一種是背景變化的。攝像機處于相對靜止狀態時通常產生前一種圖像,攝像機處于相對運動狀態時通常產生后一種圖像。對于圖像的處理方法,一般是采用突出目標或消除背景的思路,對前一種圖像的處理可以采用消除背景的方法,對后一種圖像的處理比較復雜。岸邊吊作業時,攝像機相對于岸邊吊是靜止的,而集卡是運動目標,因此本文不考慮后一種。

將同一背景不同時刻的圖像進行比較,可以反映運動物體在此背景下運動的結果。簡單的比較方法是將圖像作“差分”或“相減”運算,從“相減”后的圖像中很容易發現運動物體信息。

在“相減”后的圖像中,灰度不發生變化的部分被減掉(包括大部分背景和一小部分目標)。若背景比目標灰度低,則前區為正,后區為負,其他部分為零。通過檢出的部分可以大致確定運動目標在圖像上的位置,使用相關法縮小搜索范圍。

在集卡對位系統中,通過高清晰的網絡相機,不停地采集視頻圖像并保存到內存,形成動態的視頻流。通過比較相鄰2幀的視頻數據,可以準確地定位圖像中的集卡。

3系統性能分析

研發后期,在實際工況下對本系統進行功能、效能、效率等方面的測試。功能測試主要測試在不同集裝箱、不同行駛軌跡、不同裝卸流程等條件下,系統在裝卸過程中對于現場工況的滿足性;效能和效率測試主要測試運用本系統進行的裝卸作業,相對于傳統岸邊吊裝卸作業的工藝變革以及效率提高的具體程度等。

裝卸效率提高的程度可以通過實際工況下裝卸作業與傳統裝卸作業的裝卸耗時、集卡到位準確率等統計數據進行對比得到。表1列出在某一時段內,人工對位耗時、準確率統計與自動對位耗時、準確率的對比。表2是針對表1數據的統計與分析。

表1和表2中的數據及統計分析取自某一工班時段內,正常工況情況下,同一岸邊吊,同一岸邊吊駕駛員的作業記錄統計表。從表2的數據分析中可以發現,運用本系統后,岸邊吊裝卸效率明顯得到提升。

4結束語

經過對上海洋山深水港區3期A標碼頭的102號雙40尺吊具岸邊吊的多批次作業測試后發現,該系統大幅度減少作業時間。根據模擬測試,在集卡駕駛員熟悉本系統的情況下,對位準確率可以達到98%以上,平均作業時間減少到左右。相信隨著系統的大規模投入使用,系統將得到不斷優化和完善,并產生巨大的經濟效益和社會效益。

參考文獻:

[1] 岡薩雷斯. 數字圖像處理[M].2版. 阮秋琦,譯. 北京:電子工業出版社,2006.

(編輯:吳磊明收稿日期:2009-05-19)