基于機(jī)器視覺的岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許躍騫

（廈門嵩嶼集裝箱碼頭有限公司工程技術(shù)部，福建 廈門361026）

0 引言

在全球港口智能化建設(shè)的背景下，集裝箱碼頭岸邊裝卸的主要設(shè)備-岸邊集裝箱起重機(jī) （以下簡(jiǎn)稱岸橋）的效率也影響著碼頭的運(yùn)營(yíng)效率[1]。傳統(tǒng)岸橋的裝卸主要采用人工盯梢的方式，完全依靠橋吊司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和岸邊人員的指揮，在集卡對(duì)位階段消耗了大量時(shí)間，制約了岸邊裝卸效率[2]。

智能化港口建設(shè)使得自動(dòng)化領(lǐng)域的新技術(shù)逐步在碼頭岸橋集卡定位系統(tǒng)上應(yīng)用開來。例如，激光雷達(dá)應(yīng)用上，曲偉等人則使用激光掃描儀對(duì)集車狀態(tài)進(jìn)行掃描，通過對(duì)位顯示屏將引導(dǎo)信息顯示，使司機(jī)快速到達(dá)作業(yè)位置[3]；上港集團(tuán)上海海通安全設(shè)備工程公司同樣利用激光掃描器實(shí)現(xiàn)了CPS系統(tǒng)[4]。然而，所有激光雷達(dá)方案都面臨著成本高昂、無法識(shí)別工作車道等缺點(diǎn)，且成本高昂。

近年來，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)開始成為車輛定位的新型選擇。Y Cai提出了一種利用單目和雙目視覺來跟蹤車輛的方法[5]；元海文等人將單目視覺檢測(cè)車輪從而定位車輛[6]。然而，這些方法或無法辨別集卡工作狀態(tài)、車道信息，或難以應(yīng)用在港口復(fù)雜的背景環(huán)境下。

綜上，本文提出了一種基于機(jī)器視覺的岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)，采用高清集卡定位相機(jī)配合集卡視覺定位引導(dǎo)的快速檢測(cè)算法，并引導(dǎo)司機(jī)在岸橋作業(yè)時(shí)快速準(zhǔn)確進(jìn)入基準(zhǔn)位置，減少集卡對(duì)位時(shí)間，提高岸橋裝卸效率，降低系統(tǒng)成本。同時(shí)，系統(tǒng)還具備辨別作業(yè)集卡、識(shí)別作業(yè)車道、多車道作業(yè)工況等功能。

1 設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)集卡定位主要采用激光雷達(dá)、光電傳感器等技術(shù)，成本高昂，且大多存在以下缺陷：

（1）要求作業(yè)過程中無關(guān)車輛不得入內(nèi)，無法定位運(yùn)動(dòng)物體是否為集卡。

（2）無法滿足多條車道同時(shí)作業(yè)。

（3）無法判斷車輛行進(jìn)方向。

為解決上述問題，應(yīng)對(duì)岸橋場(chǎng)景復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等難點(diǎn)，本文提出了一種基于機(jī)器視覺的集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要基于背景建模算法提取集卡前景目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)集卡的定位。該方法將實(shí)時(shí)監(jiān)控與背景進(jìn)行比較，找出可能的卡車區(qū)域。具體過程如下：

（1）背景建模：首先，將原始的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后用高斯混合模型法提取背景。

（2）背景減除：背景減除后包含許多不屬于目標(biāo)集卡的小圖像塊，實(shí)際情況下，圖像塊聚類之后，一些非集卡對(duì)象也會(huì)出現(xiàn)在圖像中，例如操作員、汽車或者其他移動(dòng)對(duì)象。因此，本系統(tǒng)對(duì)候選窗口根據(jù)連通域長(zhǎng)、寬、面積以及白色像素占比等參數(shù)進(jìn)行篩選，從而獲得正確的集卡位置。

2 設(shè)計(jì)方案

CPS硬件主要是由集卡定位相機(jī)、LED引導(dǎo)顯示屏、計(jì)算服務(wù)器等三部分組成。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1集卡定位相機(jī)設(shè)計(jì)

如圖1所示，兩個(gè)集卡定位相機(jī)分別安裝于岸橋中間車道的橫梁位置，可以同時(shí)獲取雙向多車道的集卡作業(yè)視頻流信息。從設(shè)計(jì)角度，為滿足定位精度要求，每臺(tái)相機(jī)設(shè)計(jì)上僅覆蓋1～2條作業(yè)車道。

2.1.2引導(dǎo)顯示屏設(shè)計(jì)

如圖1所示，顯示屏安裝于海陸側(cè)底梁兩側(cè)，屏幕中心高度與集卡司機(jī)視線高度一致，可視距離應(yīng)不小于20 m。顯示內(nèi)容包括：拖車作業(yè)車道號(hào)、拖車調(diào)整距離值，拖車司機(jī)前/后調(diào)整提示，拖車到位和駛離提示，CPS故障，CPS待命等信息。顯示顏色為：方向信號(hào)（綠色）、停車信號(hào)（紅色）、車道號(hào)（黃色）和偏移距離（紅色）。LED集卡引導(dǎo)顯示屏能夠?yàn)榧ㄋ緳C(jī)定位提供引導(dǎo)信息。

2.1.3 CPS計(jì)算服務(wù)器設(shè)計(jì)

CPS服務(wù)器主要通過采集的視頻流實(shí)時(shí)分析集卡位置狀態(tài)，并負(fù)責(zé)與岸橋的數(shù)據(jù)通訊。CPS服務(wù)器是岸橋集卡定位引導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件，通常安裝于電氣房?jī)?nèi)。

3 操作流程

CPS系統(tǒng)部署完成后，其主要操作流程分為：指令發(fā)送、集卡駛?cè)搿D像采集、集卡預(yù)搜索、集卡定位、顯示屏引導(dǎo)、司機(jī)調(diào)整車位、集卡到位、開始裝卸。具體流程如下。

（1）指令發(fā)送：在裝卸作業(yè)開始時(shí)，首先TOS系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)指令隊(duì)列，岸橋司機(jī)和集卡司機(jī)根據(jù)指令到達(dá)各自岸橋及車道作業(yè)。

（2）集卡駛?cè)耄杭ㄋ緳C(jī)根據(jù)作業(yè)指令駛?cè)胂鄳?yīng)車道，觀察安裝于車頭方向岸橋上的引導(dǎo)顯示屏狀態(tài)，等待顯示屏信號(hào)指示燈變綠，則集卡駛?cè)氚稑虻撞俊?/p>

（3）圖像采集：當(dāng)集卡駛?cè)胂到y(tǒng)覆蓋區(qū)域，定位相機(jī)實(shí)時(shí)采集視頻流圖像發(fā)送到CPS服務(wù)器中。

（4）集卡定位：根據(jù)視頻流分析，當(dāng)有運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行時(shí)，啟動(dòng)集卡與搜索功能，初步確定運(yùn)動(dòng)物體是否為集卡。當(dāng)初步篩選運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為集卡后，在此區(qū)域范圍內(nèi)啟動(dòng)集卡精確定位，確定集卡在車道中的精確位置。

（5）顯示屏引導(dǎo)：根據(jù)圖像處理結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)引導(dǎo)顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前作業(yè)車道以及車道中作業(yè)集卡的到位情況，并根據(jù)位置偏移情況顯示司機(jī)行駛方向和距離。

（6）司機(jī)調(diào)整車位：集卡司機(jī)根據(jù)顯示屏引導(dǎo)信息操作集卡對(duì)位直至指示燈變綠為止。

（7）集卡到位：當(dāng)唯一距離顯示為“00”，且對(duì)位狀態(tài)指示燈由紅色變?yōu)榫G色，則說明集卡到位成功。

（8）開始裝卸：當(dāng)岸橋司機(jī)將吊具移動(dòng)至集卡上方時(shí)，可觀察司機(jī)室集卡到位指示燈狀態(tài)，若為紅色則說明集卡未停到準(zhǔn)確部位，若為綠色則說明集卡已準(zhǔn)備好作業(yè)。此時(shí)，岸橋司機(jī)即可進(jìn)入正常作業(yè)流程。

4 總結(jié)

對(duì)于人工方式及現(xiàn)有自動(dòng)化集卡引導(dǎo)方式的不足，本文提出了一種基于機(jī)器視覺的低成本解決方案。通過在岸橋橫梁的車道兩端布設(shè)兩臺(tái)高清識(shí)別相機(jī)，根據(jù)視頻流分析分別完成集卡車頭部位的精確定位，并將集卡位置信息實(shí)時(shí)反饋到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)大屏幕上，引導(dǎo)集卡司機(jī)準(zhǔn)確停到目標(biāo)位置。本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工引導(dǎo)的耗時(shí)耗力以及現(xiàn)有技術(shù)的高成本低精度缺陷，具備低成本高精度的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能極大提高岸橋作業(yè)效率。

圖1 硬件安裝位置示意圖（左）和LED顯示屏設(shè)計(jì)（右）