新型集裝箱碼頭智能理貨系統設計

趙峰 李新照

1 設計新型集裝箱碼頭智能理貨系統的

必要性

理貨是港口業務的重要組成部分，包括倉庫理貨和船方理貨，其中，船方理貨又稱為外輪理貨（以下簡稱“外理”）。外理公司為獨立于船公司和碼頭的第三方公司，其主要業務包括檢驗貨物的標號和殘損情況、貨物裝船情況以及在卸船時分配集卡任務等。傳統的外理作業采取現場操作方式，由船上和船下的理貨人員通過人工方式查驗箱號，判定箱損，核對船圖貝位等信息。由于碼頭作業現場工況復雜且環境惡劣，人工作業模式使理貨人員面臨人身安全隱患。

當前，我國港口集裝箱吞吐量龐大。以青島港為例，2016年貨物吞吐量超5億t，其中集裝箱吞吐量超1 800萬TEU。一方面，物流業的快速發展對理貨效率提出更高要求，單純依靠人工查驗核對的理貨方式難以滿足市場需要；另一方面，科學技術的發展為智能理貨系統的進一步發展打下基礎，光學字符識別、深度學習算法、電力線載波通信等新技術為新型智能理貨系統設計提供技術支持。具體來講：電力線載波通信技術解決橋吊球機視頻和圖片傳輸問題；深度學習算法實現箱號、集卡車號識別；利用可編程邏輯控制器數據可實現貝位識別。相較于現有的集裝箱碼頭智能理貨系統，新型集裝箱碼頭智能理貨系統大大改善視頻傳輸質量，解決多橋吊作業時視頻傳輸延遲的問題，并采用可編程邏輯控制器坐標數據結合循環更新基準貝位的方式，大大提高貝位識別準確率。此外，新型智能理貨系統的應用可借助現有設備，有利于港口企業節約資金成本。

2 新型集裝箱碼頭智能理貨系統結構

新型集裝箱碼頭智能理貨系統可自動識別箱號、集卡車號和貝位。如圖1所示：理貨作業開始前，導入艙單和預配船圖信息；以吊具閉合信號為起始作業信號，當吊具閉合抓箱時，工控機實時接收來自可編程邏輯控制器的位置信息。當吊具進入工控機設置的預置區域時，球機按照設定的參數進入抓拍等待狀態；當吊具觸發抓拍區域時，球機抓拍集裝箱2個大側面、2個小側面、車頂號的圖像并將之傳送至識別服務器，從而實現箱號和車號識別及殘損檢驗。根據基準貝位進行貝位識別，即：第一個作業箱需要人工確定箱位并將之設置為基準貝位；貝位識別正確后，將當前貝位設置為基準貝位，以之取代之前設置的基準貝位，實現基準貝位隨作業工況及時更新。

新型集裝箱碼頭智能理貨系統主要由數據采集系統、數據傳輸系統、圖像識別系統、貝位識別系統等組成，其拓撲結構如圖2所示。首先，作業集裝箱進入抓拍區，球機抓拍集裝箱側面和車頂號圖像；然后，將圖像送入后端相應的算法程序進行箱號、箱位、貝位、殘損識別；最后，將識別結果上傳至理貨平臺。

3 新型集裝箱碼頭智能理貨系統軟件設計

3.1 數據采集系統

如圖3所示，集裝箱視頻和圖像采集可通過安裝在橋吊上的球機完成。單箱作業時，海側梁和陸側梁球機各抓拍2張圖像，集裝箱小側面和車頂號球機各抓拍2張圖像；雙箱作業時，球機按先后順序抓拍。通過對比集裝箱海陸側面和小側面的車號得到箱號，通過識別算法得到車頂集卡車號。

3.2 數據傳輸系統

將橋吊上8個球機采集的視頻信息實時傳送至理貨人員的監控器需要帶寬約80 Mb/s的無線網絡。若碼頭網絡帶寬不足，在作業船舶較多時，常常會出現視頻傳輸延遲現象，造成理貨人員無法及時查看集裝箱裝卸位置，影響理貨操作。針對此問題，可以采用電力線載波通信技術解決。電力線載波通信技術能夠借助現有的電力網絡實現較為穩定的數據傳輸，主要適用于不便鋪設光纖或無線網絡的工業環境。與無線網絡相比，電力線載波通信網絡具有結構簡單、使用方便、延時短、穩定可靠等優點。在實際應用中，電力線載波器按套（1對）使用，配置在接通的電力線兩端，可自主連接提供網絡傳輸鏈路。碼頭橋吊采用10 kV電纜供電，與低壓電力線載波器不同，中壓電力線載波器多采用中壓局端電力線網橋與中壓電力線載波電感耦合器相結合的實現方式。

橋吊電力線載波器工作原理如圖4所示。球機通過網線與電力線連接，電力線網橋與電感耦合器連接；視頻信號通過耦合器加載到10 kV供電電纜，接收端通過耦合器將接收到的視頻信號傳送至電力線網橋；多個接收端通過交換機將多路信號經光纜傳送至理貨中心監控室。橋吊電纜長約400 m，電力線載波器可以滿足100 Mb/s帶寬的傳輸要求。視頻信號通過電纜傳送至橋吊下電纜井，理貨中心至電纜井處鋪設通信光纜。

3.3 圖像識別系統

3.3.1 箱號和車號識別

橋吊海側和陸側大梁上安裝的球機負責抓拍集裝箱大側面箱號圖片，右側連系梁上的球機負責抓拍集裝箱小側面圖片，左側連系梁上的球機負責抓拍車頂號圖片。工控機內設置預置點區和抓拍區場景，預置點區調用球機進入抓拍設置。當可編程邏輯控制器檢測到吊具進入抓拍區時，球機抓拍相應箱號和車號圖片。球機抓拍的圖片信號一路傳送至橋吊控制室的識別服務器，通過其內置的深度學習算法得到箱號和車號識別結果；另一路通過電力線載波器和光纜傳送至理貨平臺的存儲設備。裝船作業對集卡車號識別的要求不高，無須識別車號。卸船作業時，集卡須將集裝箱送至堆場，所以需要綁定車號與箱號；理貨人員確認箱號和車號后，集卡司機才能接收到相應的堆場位置信息。

箱號和車號識別流程如圖5所示。球機抓拍的箱號識別圖像為整個箱面，實際上箱號識別只需要箱號部分的圖片信息即可；因此，劃定識別區域可以減少計算量，提高識別速度。在設置抓拍場景時，將圖像中包含箱號的部分劃定為識別區域，系統只針對識別區域進行圖像預處理。

3.3.2 箱損和驗殘

集裝箱箱體在運輸和裝卸過程中可能發生污損、凹陷甚至破損，外理人員需要確定造成箱損的責任方。在傳統箱損驗殘工作模式下，箱損由作業現場理貨人員人工判斷；在新型集裝箱碼頭智能理貨系統模式下，可以借助箱號識別所采集的圖片，通過相應的識別算法完成箱損驗殘工作。

傳統箱損驗殘工作積累大量箱損圖片，海關對不同箱損有固定的分類方式，并按損壞情況劃定不同的箱損代碼。在此基礎上，基于深度學習算法的箱損識別模型應用流程如下：首先，對圖片進行預處理，將圖片按照殘損類別分類整理，并為圖片添加不同的殘損標簽；然后，利用預處理后的圖片訓練箱損識別模型；箱損識別模型建立后，將采集的集裝箱各側面圖片輸入模型即可完成殘損檢驗。

3.4 貝位識別系統

貝位識別比箱號和車號識別的難度更大。大型集裝箱船體較寬，受遮擋因素影響，艙底和較低位置會存在死角，導致圖像識別難度較大；此外，風浪造成的船舶上下和左右方向的運動均會對貝位識別精度造成影響。鑒于此，可采用可編程邏輯控制器位置數據循環更新基準貝位。基于可編程邏輯控制器位置信息的貝位識別系統依據吊具開閉鎖信號和橋吊運動的位置信息計算和識別貝位。

3.4.1 裝船貝位識別流程

（1）導入艙單信息，配置橋吊，進入裝貨操作界面。

（2）吊具閉鎖取箱。

（3）將箱號識別結果傳送至理貨平臺。

（4）吊具開鎖著箱。

（5）判斷是否為第一個作業箱：若為第一個作業箱，則人工核定貝位并設置為基準貝位；若非第一個作業箱，則根據所設置的基準貝位計算貝位。

（6）對比預配貝位與識別貝位，若不一致，則報警提醒。

（7）將當前位置設為基準貝位，開始下一鉤作業。

3.4.2 卸船貝位識別流程

（1）導入艙單信息，配置橋吊，進入卸貨操作界面。

（2）吊具取箱閉鎖。

（3）識別箱號和車號，并將識別結果傳送至理貨平臺。

（4）放箱至集卡，開鎖著箱。

（5）判斷是否為第一個作業箱：若為第一個作業箱，則人工核定貝位并設置為基準貝位；若非第一個作業箱，則根據所設置的基準貝位計算貝位。

（6）對比預配貝位與識別貝位，若不一致，則報警提醒。

（7）將當前位置設為基準貝位，開始下一鉤作業。

3.4.3 數據格式

裝卸船作業箱位的計算基于所設定的基準貝位，位置信息通過可編程邏輯控制器坐標數據發送，其數據格式如下。

（1）可編程邏輯控制器通信狀態信息 recv：receive，接收。len：8，接收到的字節長度為8。

（2）吊具信息 cl：close，0為開鎖，1為閉鎖。open：0為閉鎖，1為開鎖，與cl互斥。IsTouch：0為未著箱，1為著箱。IsDoubleBox：0為單箱，1為雙箱。Is20Inch：0為20英尺集裝箱，1為非20英尺集裝箱。Is40Inch：0為40英尺集裝箱，1為非40英尺集裝箱。Is45Inch：0為45英尺集裝箱，1為非45英尺集裝箱。

（3）小車運動信息 x：可編程邏輯控制器橫坐標，由陸側向海側增大，單位為cm。y：可編程邏輯控制器縱坐標，由下向上增大，單位為cm。

4 結束語

新型集裝箱碼頭智能理貨系統通過電力線載波設備解決數據傳輸問題，利用深度學習算法實現箱號、車號識別和箱損檢驗，通過可編程邏輯控制器坐標數據計算得到集裝箱貝位信息，并通過基準貝位循環更新的方式提高貝位識別精度。與傳統理貨系統相比，新型集裝箱碼頭智能理貨系統在提高理貨效率、降低理貨人員工作強度等方面具有明顯優勢。