同寧方　黃秀松　張志勇

0引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及,數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。智能化的集裝箱碼頭閘口系統(tǒng)的核心正是基于圖像處理的集裝箱箱號識別技術(shù)的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)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(shè)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(diào)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(shù)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(diào)整提出要求。例如,相鄰集卡上2個相鄰箱的箱沿鎖孔經(jīng)常由于集卡停放位置不正呈現(xiàn)“正八字”或“倒八字”,集卡司機為調(diào)整位置需要花費大量時間,雙40英尺岸邊吊的技術(shù)優(yōu)勢因此被抵消。諸如此類的問題導(dǎo)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(tǒng)創(chuàng)新性地將機器視覺技術(shù)運用在二維平面內(nèi)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(tǒng)設(shè)想及目標

針對在這一應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題,采用數(shù)字視頻處理技術(shù),基于機器視覺技術(shù),研發(fā)岸邊吊集卡對位系統(tǒng)。這套系統(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)可將測得的數(shù)據(jù)提供給岸邊吊運動控制PLC,由PLC控制吊具間距姿態(tài),使吊具間距自動與并列箱位置間距相吻合,從而實現(xiàn)自動調(diào)整。

2系統(tǒng)工作原理

2.1原理簡介

本系統(tǒng)利用高清晰智能數(shù)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(shù),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(tǒng)虛擬內(nèi)置平面直角坐標系統(tǒng),將鎖孔的位置運算成二維平面坐標,通過對坐標點的連續(xù)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(fā)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(tǒng)具體工作過程如下:岸邊吊作業(yè)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(fā)送給中央處理單元;中央處理單元按照系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理單元;攝像機得到工作指令后,視頻檢測系統(tǒng)開始逐幀檢測跟蹤下方車道內(nèi)的集卡運行狀態(tài),攝像機連續(xù)不斷地發(fā)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(zhuǎn)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(fā)送給岸邊吊司機和集卡司機。

2.2系統(tǒng)邏輯控制原理

本系統(tǒng)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(lǐng)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(tài)時通常產(chǎn)生前一種圖像,攝像機處于相對運動狀態(tài)時通常產(chǎn)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(fù)雜。岸邊吊作業(yè)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(jié)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(fā)現(xiàn)運動物體信息。

在“相減”后的圖像中,灰度不發(fā)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(qū)為正,后區(qū)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(guān)法縮小搜索范圍。

在集卡對位系統(tǒng)中,通過高清晰的網(wǎng)絡(luò)相機,不停地采集視頻圖像并保存到內(nèi)存,形成動態(tài)的視頻流。通過比較相鄰2幀的視頻數(shù)據(jù),可以準確地定位圖像中的集卡。

3系統(tǒng)性能分析

研發(fā)后期,在實際工況下對本系統(tǒng)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(tǒng)在裝卸過程中對于現(xiàn)場工況的滿足性;效能和效率測試主要測試運用本系統(tǒng)進行的裝卸作業(yè),相對于傳統(tǒng)岸邊吊裝卸作業(yè)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(yè)與傳統(tǒng)裝卸作業(yè)的裝卸耗時、集卡到位準確率等統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比得到。表1列出在某一時段內(nèi),人工對位耗時、準確率統(tǒng)計與自動對位耗時、準確率的對比。表2是針對表1數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

表1和表2中的數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析取自某一工班時段內(nèi),正常工況情況下,同一岸邊吊,同一岸邊吊駕駛員的作業(yè)記錄統(tǒng)計表。從表2的數(shù)據(jù)分析中可以發(fā)現(xiàn),運用本系統(tǒng)后,岸邊吊裝卸效率明顯得到提升。

4結(jié)束語

經(jīng)過對上海洋山深水港區(qū)3期A標碼頭的102號雙40尺吊具岸邊吊的多批次作業(yè)測試后發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)大幅度減少作業(yè)時間。根據(jù)模擬測試,在集卡駕駛員熟悉本系統(tǒng)的情況下,對位準確率可以達到98%以上,平均作業(yè)時間減少到左右。相信隨著系統(tǒng)的大規(guī)模投入使用,系統(tǒng)將得到不斷優(yōu)化和完善,并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻:

[1] 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M].2版. 阮秋琦,譯. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.

(編輯:吳磊明收稿日期:2009-05-19)