視覺識別系統在岸橋自動化中的應用分析

許躍騫

（廈門嵩嶼集裝箱碼頭有限公司工程技術部，福建 廈門361026）

引言

近年來，作為綠色港口與智慧港口象征的自動化集裝箱岸橋已成為全球港口的重點建設項目，同時港口大型工程機械設備也朝著智能化和自動化方向發展[1]。為此，大量高科技信息化技術應用于岸橋自動化中，有效提高了岸橋設備智能化程度。視覺識別技術是其中最為成功的一項應用，它有效綜合了光電、計算機科學、自動控制等技術，通過模擬人類視覺對信息獲取與處理的動作，由機器代替人眼對目標物進行測量或者識別判斷[2]。因其具有靈敏度高、速度快、測量精度高、噪聲低、抗電磁干擾能力強和可實現非接觸無損檢測的特點，被廣泛應用于精密控制、物流自動化、顯微醫學操作、工業探傷、自動生產流水線及各類危險場合[3]。而視覺識別系統在岸橋自動化中的應用主要包括快速且準確識別吊具抓取的各類集裝箱箱號及箱型，區分集裝箱前后箱面及鉛封區域，同時引導集卡定位及岸橋大車防撞等，進而使得岸橋作業從人力密集型向技術密集型轉變，大幅度改善了作業效率，提高了精確度及安全性。

1 視覺識別系統簡介

1.1 視覺識別技術

視覺識別技術主要是依靠計算機在一定程度上仿照人類視覺功能，提取目標物的特征信息后識別分析，進而實現目標物的檢測、監控和定位。其是由圖像采集裝置獲取圖像數據傳入專用的圖像處理系統，依靠系統中的內置算法對圖像信息進行處理，提取出目標的感興趣特征，并對特征加以分析并得出結果，進而做出基于相應有關目標物認識的合理性決策，實現設備的實時控制。

1.2 視覺識別系統組成

一個典型的視覺識別系統主要包含待測目標物、圖像采集單元、圖像識別單元、結果控制單元。

1.2.1 圖像采集單元

圖像采集單元是視覺識別系統的重要組件，功能是采集清晰且高分辨率圖像。核心部件是CMOS、CCD數字傳感器，可產生彩色、灰度紅外等圖像類型，其中典型的圖像采集模塊有PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以迅速將某種格式的圖像數據傳送到計算機存儲器進行處理，同時也完成對相機某些參數的設置。

1.2.2 圖像識別單元

圖像識別單元是視覺識別系統的核心部件，其內置了不同實例下相對應的圖像處理算法來提取目標的特征。主要包括工業計算機系統和嵌入式系統兩種，工業計算機系統的接口豐富，其中圖像采集與圖像處理部件是分離的，使用較為成熟且廣泛，嵌入式系統比較小巧，將圖像采集與圖像處理集成一體，處理速度快。

1.2.3 結果輸出單元

結果輸出單元負責識別結果輸出及傳送視覺系統下達的指令，被檢測的物體大多數是動態的，從而視覺識別系統需要在處理速度和頻率上與被檢測物體保持一致。

2 視覺識別技術在岸橋作業中的應用

岸橋作業通常伴隨著高溫、鹽霧、大風、沖擊和振動等惡劣的裝卸環境，同時港口機械向大型化與高速化方向發展，人為干預的裝卸已適應不了現代化港口的需求。隨著計算機視覺技術的快速發展，視覺識別系統在岸橋自動化中應用越來越廣泛。

2.1 集裝箱箱號識別

傳統集裝箱裝卸作業時，箱號與箱型等信息需要人為確認，作業安全性與效率無法有效保障。自動箱號識別系統是當前降低人工成本和提高裝卸效率的有效方式。

下頁圖1為集裝箱箱號采集硬件現場安裝圖，岸橋自動化中集裝箱箱號識別系統采用球機作為圖像采集單元，并安裝在岸橋聯系梁兩車道中間處通過支架往下掛，左右聯系梁各裝1臺。根據PLC的實時反饋數據判斷裝卸類型及抓拍時機，依靠多組網絡高清球機對集裝箱進行抓拍操作，同時按照作業任務信息將圖片數據存入本地存儲，最后寫入后臺數據庫[4]。后臺識別運算服務器依靠內置的算法進行箱號識別運算處理，通過ISO校驗和多箱面的識別結果進行融合并將最終結果發送至TOS系統，輔助岸橋自動化作業，若其中識別有誤，則將結果標記后轉接給人為干預。

該系統的運用大大提高了岸橋裝卸效率，減少了大量人力投入，降低勞動強度。

2.2 集卡定位及車頂號識別

集卡（集裝箱卡車的簡稱）是連接堆場及岸橋的主要設備之一，但由于集卡的定位及車頂編號的識別是依靠操作員和現場橋邊人員來完成的，該方式易于出錯且效率低，視覺識別技術的引入大大改善了這種情況。集卡定位及車頂號識別系統相機分別安裝于兩條車道中間位置上方橫梁，采集車道上的集卡車頂號，拍攝方向朝下，同時在兩側橫梁均安裝相機分別覆蓋兩種車頭朝向作業的集卡，圖2為集卡定位及車頂號識別硬件現場圖。根據實時獲取的相機視頻流，通過圖像處理技術識別集卡車頂號，指令隊列結合集卡車頂號確定集卡在岸橋下的預設位置，高清球機通過視頻流實時處理當前作業車道下畫面，準確定位作業集卡位置并識別車號，同時將集卡位置實時在顯示屏上進行顯示，供司機根據偏離間距對集卡進行相應的調整。

圖1 集裝箱箱號識別采集硬件現場圖

圖2 集卡定位及車頂號識別硬件現場圖

該系統的運用為實現岸橋自動化作業提供一定的基礎，同時也提高集裝箱碼頭智能化水平與效率。

2.3 集裝箱卡車防吊起

集卡的鎖頭是保證集裝箱不會因路上顛簸而造成箱子意外滑落的關鍵；當集卡在港口岸邊進行裝船作業時，會先將鎖頭完全解開，等待岸橋將集卡上的集裝箱卸下，若有鎖頭未解鎖時，則會使卡車與集裝箱一并吊起，嚴重時可能會造成卡車的嚴重損壞及威脅卡車司機的生命安全。因視覺識別技術可靠性高、成本較低、靈活性強且穩定等優勢，可以有效防止類似事故的發生。

現今岸橋自動化中采用視覺識別或激光掃描的集卡防吊系統，在岸橋門腿橫梁一側部署四臺高清攝像機或一臺激光掃描雷達，圖3為集卡防吊采集硬件現場安裝圖。首先接收作業指令后綁定本次箱號等作業信息，由PLC實時獲取輪胎吊閉鎖狀態、起吊高度、箱型等識別所需信息，在到達極限安全高度前，通過激光雷達/攝像機識別出集卡與集裝箱已完全脫離，則停止識別并發送識別結果，繼續進行作業。若到達極限安全高度時，拖架區域位移變化量超出閾值，進而將對應監控畫面傳送到司機室顯示屏中，待司機人工確認后再繼續作業。

集卡防吊系統的運用有效實現了岸橋作業的智能化、無人化、動態化的監控及管理。

2.4 岸橋大車防撞

岸橋是港口用來裝卸集裝箱的重要設備，在大車運行軌道上可能存在岸橋、集卡、行人等，一旦防護措施不合理或者不到位，岸橋作為一個大型機械，就會引發很大的安全事故，造成不可估量的損失[5]。隨著科技的進步升級，激光雷達應用于防撞設計大大降低了大車碰撞發生率。

激光雷達防撞系統的掃描硬件安裝于岸橋大梁中部且帶有角度安裝，圖4為岸橋大車防撞硬件現場安裝圖。首先會設置相應的減速和剎車區域，根據激光雷達數據處理模塊實時分析該區域內的掃描數據，判斷是否有障礙物進入該區域，若有障礙物不在該岸橋行進的區域，則不輸出減速或剎車信號，若有障礙物出現在該區域，控制系統就會輸出對應的剎車或減速信號，防止發生碰撞事故。

圖3 集卡防吊采集硬件現場圖

圖4 岸橋大車防撞硬件圖

岸橋防撞方案的主流是采用激光雷達等主動視覺方式，但近年來雙目視覺防撞等被動視覺方式也開始逐漸推廣，激光雷達防撞系統的運用有效保證了岸橋運行的安全性和可靠性。

3 結語

港口碼頭向自動化、智能化方向快速發展，將傳統的岸橋作業從人力密集型產業的“人眼+檢測工具”的檢測形式向技術密集型的自動化形式轉變，其中視覺識別系統的應用有效促進了岸橋裝卸作業的安全性與效率。隨著計算機科學、模糊神經網絡技術、深度學習技術、專家系統等人工智能研究的不斷深入，視覺識別系統將會克服很多技術問題，從而在港口岸橋等大型裝卸設備領域有著更為廣闊的應用前景，助力國家快速發展。