新型自動化岸電對接方案探討

王 強，曹小華，丁 凱，彭緒然，邱 丹

（武漢理工大學 物流工程學院，武漢430063）

岸電技術，也被稱作冷鐵（cold ironing）或可替代海洋動力，通過從岸邊向船舶提供電力，使船舶在停泊時避免使用船用柴油機，從而減少船舶污染的排放。近年來，岸電技術已經在我國部分港口應用，但尚未完全普及，原因之一是岸電對接過程步驟繁瑣、耗時過長，降低了港口與船舶的經濟效益。如何利用現有技術改善岸電對接技術，是值得人們深入探討的課題。

國際上現有的改進岸電對接系統，如Cavotec公司研發的APS 系統[1]、ABB 公司推出的IRB7600岸電系統[2]、Damien FEGER 提出的PLUG 對接方案[3]等，都可以極大地提高對接效率，但仍未完全脫離人工操作，且存在大幅度改變船舶外形的情況，因此對船舶岸電系統智能化、簡易化的需求十分迫切。

在此，為岸電與船舶的對接系統構造了新的框架，通過圖像識別確定船舶以及接口位置后進行對接，目的是為港口和船舶使用岸電提供更為簡潔高

效的選項，可以在盡量保留船舶原有外形與設備的基礎上實現自動化精準對接。新框架對于降低對接作業成本，提高效率，提升對接系統自動化程度，有著重要的現實意義。

1 自動化岸電對接系統組成

在此所定義的新型自動化岸電對接系統的基本元素包括岸基裝置、 電纜提升裝置、 船載裝置3個部分。自動化岸電對接系統及其仿真如圖1，圖2所示。

圖1 自動化岸電對接系統框圖Fig.1 Block diagram of automatic shore power docking system

圖2 自動化岸電對接系統仿真圖Fig.2 Simulation diagram of automatic shore power docking system

1.1 岸基裝置

岸基裝置由安裝在港口的向船舶提供岸電的設備和監控系統構成。港口向船舶提供岸電一般通過布置在泊位旁的配電箱引出電源，通過電纜接入接受岸電的船舶。監控系統分別安裝于岸邊和電纜提升裝置末端，通過在電纜提升裝置上安裝自動穩定云臺、高清監控攝像機及紅外成像儀來實現。在工作過程中，監控攝像機和紅外成像儀對探測目標同時進行探測，并產生符合靈敏度要求的雙路圖像視頻信號，提供給計算機進行處理[4]。岸邊和電纜提升裝置上攝像頭的布置如圖3 所示。

圖3 岸邊和電纜提升裝置上攝像頭的布置Fig.3 Arrangement of cameras on shore and cable lifting device

1.2 電纜提升裝置

電纜提升裝置是具備在一定范圍內旋轉和移動能力的機械臂。其工作時，將碼頭岸電箱輸出的電纜纏繞在電纜卷盤上，電纜從電纜卷盤出來后沿臂架布置，電纜接頭固定在電纜提升裝置末端，并在裝置末端設置有攝像頭作為監控系統的一部分。

1.3 船載裝置

船載裝置由安裝在船上的受電裝置和對接引導裝置組成。對接引導裝置為一個能夠伸縮引導對接的托盤，在電纜提升裝置帶動電纜接頭移動到達指定位置后，將電纜接頭放置在托盤的卡口上，待電纜接頭固定好，引導其插入受電裝置進行對接。

2 自動化岸電對接流程

步驟1由岸上攝像頭獲取包含有目標船的圖片，依靠船舶向岸邊發送的交互信息如船型、船名等，利用圖像輪廓識別技術辨認出待對接的船舶；

步驟2由已知的接口位置信息，計算出接口在目標船的具體區域；

步驟3電纜提升裝置跟隨接口區域作出位姿調整；

步驟4當船舶完成靠泊時，電纜提升裝置就會帶動電纜實現船舶與岸電的精確對接。

對接系統總體流程如圖4 所示。

圖4 對接工作流程Fig.4 Docking work flow chart

3 系統主要技術實現

3.1 確定目標船舶

在此所提及的新型自動化岸電對接方案中，首先需要以待對接的船舶作為目標船舶，通過攝像頭所拍攝的畫面，利用圖像分割技術識別船舶輪廓，將船名、船號等作為輔助信息來確定該船舶。由于攝像頭廣角較大，可拍攝范圍較廣，且碼頭上不止一艘船舶通過與?？浚赡軙霈F多艘船舶同時入鏡的情況，因此對識別的準確性有較高的要求。

根據交通運輸部 《船舶靠港使用岸電管理辦法》的規定，當船舶靠港時，船型、船舶識別號等信息會通過船岸交互系統發送給岸上，由以上信息即可對于目標進行分析處理。目標圖像識別的結果會直接影響目標捕獲成功與否，也影響到系統的可行性、經濟性和實時性。

在此方案中，首先利用背景差分結合最大類間閾值法對船舶目標進行分割，然后對分割后的目標圖像進行形態學開閉運算處理，最終得到目標船舶圖像[5]。經過計算機處理分析后能夠在眾多船舶中確定需要進行岸電對接的特定船只，實現初步的自動化過程。圖像處理流程如圖5 所示，岸邊攝像頭捕捉目標船只示意圖如圖6 所示。

圖5 確定目標船舶流程Fig.5 Determine the target ship flow chart

圖6 岸邊攝像頭捕捉目標船只示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of target ship captured by shore camera

3.2 接口區域定位

在確定了待對接船舶之后，需要采用船舶邊緣檢測算法確定具體接口區域：利用船舶受電設施的布置和主要技術參數信息，經過邊緣檢測后按照當前候選區域的尺寸比例進行區域選擇性搜索。船舶邊緣檢測的流程如圖7 所示。

圖7 確定接口位置流程Fig.7 Flow chart of determine interface location

圖像邊緣檢測的原理是標識數字圖像中灰度值梯度變化的點，并剔除分析認為不相關的信息，此方法保留了圖像重要的結構屬性[6]。在此采用邊緣檢測方法可以得到船舶圖像的結構信息，并在已知船舶受電接口位置區域的情況下，精準地定位到接口的具體位置，便于電纜提升裝置準確跟蹤目標運動。

3.3 電纜提升裝置跟隨接口區域移動

電纜提升裝置將通過目標自動跟蹤算法跟隨已定位的接口區域進行位姿的變換，以實現船舶完成靠泊后快速及時地進行對接。目標自動跟蹤系統流程如圖8 所示。

圖8 目標自動跟蹤系統流程Fig.8 Flow chart of automatic target tracking system

在控制電纜提升裝置跟隨目標船舶接口區域移動時，選用連續自適應平均值遷移CAMShift（continuously adaptive mean shif）算法，在這個過程中運用該算法可實現對于目標船舶受電裝置接口的連續跟蹤，通過識別岸電受電接口在岸邊攝像頭的視頻圖像中所在的位置和大小，置于下一幀視頻圖像中，利用以上信息初始化搜索窗口，可以使目標船舶受電接口始終處于圖像中心[7]。

圖像處理單元首先在攝像頭視場范圍內選擇要跟蹤的目標接口，將接口的圖像通過視頻數據線傳輸到計算機內的圖像采集卡中。然后，根據運動目標跟蹤算法確定船舶位置和大小，計算出船舶的縱向和側向偏轉角（基于圖像的目標自動跟蹤系統），將位姿的變化作為控制量控制電纜提升裝置，保證攝像頭跟蹤船舶的運動，使船舶受電接口始終位于攝像頭的視場中心。

在自動化岸電對接系統中采用目標跟蹤算法，可以使電纜提升裝置一直跟隨船舶受電接口運動。當船舶靠岸后，電纜提升裝置會帶動電纜，使其在最優狀態下接近船舶的受電接口，最大幅度地縮短對接過程所需要的時間。

3.4 精確對接

停泊狀態下進行的精確對接，選用基于雙目視覺的自動對接方法。該方法利用伸縮托盤實現電纜與船舶受電裝置的對接工作。在對接工作開始后，電纜提升裝置利用圖像識別技術對托盤卡口進行識別，并獲取卡口的位姿信息；得到伸縮托盤卡口的位姿信息后，電纜提升裝置將電纜接口放置在托盤上，并利用托盤卡口進行固定；船舶受電裝置利用伸縮托盤，將電纜接頭送至受電口，實現電纜與船舶受電裝置之間的精確對接。該對接過程如圖9所示。

圖9 精確對接過程Fig.9 Precise docking procedure

基于雙目視覺的自動對接方法，利用電纜提升裝置搭載的帶有濾光片的攝像機，獲取帶有顏色標志的卡口圖像。對圖像進行灰度化、二值分割、中值濾波等處理，再根據基于區域生長的連通區域標記法，提取圖像中標志成像區域的質心作為特征點，利用改進的HAAR 小波變換描述法對左、右圖像特征點進行立體匹配[8]。

最后，運用雙目視覺原理求取標志在世界坐標系中的三維坐標，并采用最小二乘法對三維坐標進行空間擬合，進而獲取卡口的位置和姿態。圖像分析與識別流程如圖10 所示。

4 新型自動化岸電對接系統主要特點

新型自動化岸電對接系統，基于盡量保留船舶原有外形與設備的原則，綜合吸收了一些國外最新自動化對接系統的優點，其主要特點如下：

圖10 圖像分析與識別流程Fig.10 Flow chart of image analysis and recognition

（1）形成完整的全過程自動化對接框架。

新型自動化岸電對接系統從船舶駛入攝像頭監視范圍內便啟動運行，直至船舶駛離泊位，可以實現全程自動化控制，脫離人工操作，能夠保障工作人員的安全，增強系統可靠性，并且大幅度降低了人工成本與停泊成本。

（2）解決惡劣氣候時圖像識別效果差的問題。

圖像分割的過程中，時間因素的影響是不可忽視的。一般地，對于圖像分割技術，正午時陽光強度大，能見度高，分割效果較好；早晨霧氣較重，傍晚陽光減弱，皆會造成能見度降低，使部分分割目標邊緣較為模糊。該系統運用背景差分結合最大類間閾值法對船舶運動目標進行提取，可以有效地對不同船型、不同天氣、不同角度所拍攝船舶進行目標分割；基于圓環劃分特征、矩形分塊面積比向量等特征值，具有平移、旋轉、縮放不變性；可對散貨船、危險品船和集裝箱船等主要在航船舶圖像特征進行有效提取，并具有一定的天氣適應性。

（3）提高對接的及時性。

對接過程中，為節省時間、提高工作效率，提出了運用目標跟蹤技術結合CAMShift 算法控制攝像頭的隨動。在船舶進行靠泊的同時，攝像頭帶動電纜提升裝置向船上的受電口進行靠近；當船舶停穩后，電纜提升裝置到位即可直接進行精確對接，節省了等待船舶完成靠泊的時間。目標跟蹤中采用CAMShift 算法，在每次搜索前將搜索窗口的初始值設置為運動目標當前的位置和大小，搜索窗口在運動目標可能出現的區域附近進行搜索，由此節省大量的搜索時間，使其具有良好的實時性。

（4）利用伸縮托盤結構降低船舶改造成本，提高準確性。

該系統的對接引導裝置采用了安裝在船舶受電接口上的伸縮托盤結構，由安裝在電纜提升裝置上的攝像頭鎖定托盤位置進行對接操作。該伸縮托盤安裝簡易，且配合電纜提升裝置操作準確性更高，相比于國外的一些方案，安裝此設備并不需要對于船體結構進行巨大的改動，大幅減少了使用岸電的成本與對接時間。

5 結語

船舶岸電系統有著良好的環境效益和發展前景，對促進我國低碳交通以及環保事業的發展具有重要意義。所提出的自動化岸電對接方法大大縮短了岸電系統與船舶的對接時長，同時降低了使用岸電的成本，對于港口及船東的作業和使用成本大有裨益。通過此方法，以期能夠促進船舶岸電系統的應用，減少港口水域污染、實現綠色發展。