高延鵬 李小平

摘 要：文章從集裝箱中心站車輛出入數(shù)據(jù)的采集與管理入手，對(duì)智能大門進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。設(shè)計(jì)了集裝箱智能大門的一種可行性方案，以提高通行的效率以及確保數(shù)據(jù)的更加安全準(zhǔn)確。論述了集裝箱中心站智能大門總體方案并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，旨在設(shè)計(jì)一套開(kāi)放性、先進(jìn)性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)性集裝箱智能大門。

關(guān)鍵詞：智能大門；集裝箱管理；通行效率；設(shè)計(jì)；研究

中圖分類號(hào)：F253.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper designs and researches the smart gate starting from the data acquisition and management of vehicle access in the container terminal. And designs a feasible plan for smart gate in the container to improve traffic efficiency and make the data more safe and accurate. This paper discusses the overall plan of smart gate in the container terminal and researches the realization of key technology so as to design a set of smart gates in the container terminal， which are open advanced， extensible， and easy to be maintained.

Key words： smart gate； container management； traffic efficiency； design； research

0 引 言

集裝箱大門作為集裝箱中心站與運(yùn)輸車輛交接的門戶，其通行的效率以及數(shù)據(jù)的安全準(zhǔn)確是至關(guān)重要的。而傳統(tǒng)的人工和半自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與管理已不能滿足要求。為了滿足發(fā)展的需要，集裝箱智能大門系統(tǒng)作業(yè)必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、運(yùn)行智能化、服務(wù)信息化、管理科學(xué)化的目標(biāo)。

目前，集裝箱智能大門系統(tǒng)已成功應(yīng)用于我國(guó)多個(gè)港口碼頭，未來(lái)，隨著我國(guó)自動(dòng)化集裝箱碼頭的發(fā)展，集裝箱智能大門的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大[1]。許多學(xué)者對(duì)集裝箱智能大門進(jìn)行了研究：彭傳勝[2]介紹了國(guó)外集裝箱中心各種已經(jīng)應(yīng)用或者將被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于大門上的技術(shù)，包括EDI、碼頭運(yùn)作系統(tǒng)（TOS）、視頻系統(tǒng)、OCR技術(shù)、RFID設(shè)備、磁卡、電子標(biāo)志橋、通道聯(lián)絡(luò)設(shè)備、電子稱重技術(shù)、移動(dòng)數(shù)據(jù)終端以及電子門封等，供國(guó)內(nèi)集裝箱中心站及相關(guān)人員借鑒；蔡忠義[3]介紹了晉江圍頭港集裝箱貨運(yùn)碼頭智能閘口管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)背景、當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于智能閘口管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀；劉旭[4]在港口現(xiàn)運(yùn)行作業(yè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)閘口業(yè)務(wù)流程及管理需求重新分析，以智能化思想重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)閘口系統(tǒng)，以建立智能化、穩(wěn)定、可靠地智能閘口系統(tǒng)；甫雨[5]盤點(diǎn)了近年來(lái)涌現(xiàn)出的智慧碼頭新技術(shù)，描述智能閘口是將RFID、OCR、CCTV、LED、EDI與實(shí)時(shí)控制等先進(jìn)技術(shù)予以有機(jī)的結(jié)合，完成對(duì)集裝箱碼頭出門閘口管理和控制的智能化；任玥[6]在現(xiàn)有集裝箱碼頭閘口系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分析了智能閘口的實(shí)際需求和業(yè)務(wù)流程，并結(jié)合客戶關(guān)系管理的思想，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了集裝箱碼頭智能閘口系統(tǒng)。上述研究主要介紹了集裝箱智能大門的各種功能及技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)以及方法的描述較少。本文將依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)裝箱智能大門一種方案，并對(duì)其圖像采集和箱號(hào)識(shí)別中關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

1 集裝箱智能大門總體技術(shù)方案

1.1 總體方案

集裝箱智能大門的功能與集裝箱移動(dòng)操作與操作的記錄有關(guān)。具備集裝箱箱號(hào)自動(dòng)識(shí)別、電子車牌信息自動(dòng)讀寫、人工遠(yuǎn)程對(duì)集裝箱箱體殘損的檢驗(yàn)等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)

箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)置工控機(jī)、攝像機(jī)、圖像采集卡、信號(hào)控制卡、紅外觸發(fā)器和泛光燈等設(shè)備，自動(dòng)采集符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)箱圖片。通過(guò)后臺(tái)軟件對(duì)采集圖片分析能夠自動(dòng)識(shí)別單行、多行或豎行排列的各種格式集裝箱箱號(hào)。

（2）箱體驗(yàn)殘系統(tǒng)

設(shè)置工控機(jī)、攝像機(jī)、圖像采集卡、信號(hào)控制卡、觸發(fā)器和泛光燈等設(shè)備。采用高清攝像機(jī)進(jìn)行集裝箱箱體圖像采集，供人工遠(yuǎn)程進(jìn)行箱體殘損檢查。

（3）車牌識(shí)別系統(tǒng)與電子檔桿系統(tǒng)

設(shè)置電子車牌、RFID讀寫器、RFID天線車輛檢測(cè)器和地感線圈等設(shè)備采集集裝箱牽引車車號(hào)。設(shè)置與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的觸發(fā)信號(hào)、車輛檢測(cè)器和地感線圈可實(shí)現(xiàn)人工和自動(dòng)擋車。

1.2 工作流程

當(dāng)集裝箱車輛進(jìn)入閘口時(shí)，車輛觸發(fā)地感線圈和遮擋觸發(fā)紅外傳感器。判斷是否需要進(jìn)行箱號(hào)識(shí)別、驗(yàn)殘圖片采集，同時(shí)車牌識(shí)別系統(tǒng)將識(shí)別車牌信息。如果有集裝箱進(jìn)入，則進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)殘圖片采集并將識(shí)別結(jié)果同車牌信息送到閘口應(yīng)用服務(wù)器。此時(shí)集卡停在一體化人機(jī)交互機(jī)柜旁，地磅系統(tǒng)自己獲取車輛信息，司機(jī)通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行提箱和進(jìn)箱操作，同時(shí)操作人員通過(guò)驗(yàn)殘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢查集裝箱箱體，將驗(yàn)殘結(jié)果反饋到閘口應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)。綜合以上信息，閘口應(yīng)用服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)箱號(hào)的作業(yè)計(jì)劃，通過(guò)獲取信息與上位終端車輛及箱號(hào)信息數(shù)據(jù)處理，將此信息送到人機(jī)交互系統(tǒng)輸出，司機(jī)根據(jù)打印出的小票信息進(jìn)行相應(yīng)處理。

集裝箱智能大門工作流程如圖2所示：

2 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于視頻采集卡圖像采集技術(shù)

（1）工作原理

視頻采集卡[7]（Video Capture Card）作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分， 完成視頻的采集、壓縮和處理功能。視頻圖像經(jīng)多路切換器、解碼器、A/D變換器，將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器。經(jīng)裁剪、比例壓縮及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)部RISC控制圖形覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸于工控機(jī)。工控機(jī)對(duì)PLC信號(hào)對(duì)視頻進(jìn)行抓取圖片并將圖片送往上位客戶端。視頻采集卡工作原理如圖3所示。

（2）PLC與上位軟件控制相機(jī)方法

箱號(hào)識(shí)別圖片與驗(yàn)殘圖片，是通過(guò)軟件控制視頻采集卡來(lái)進(jìn)行采集。視頻采集卡上的AV視頻端口與相機(jī)連接：定義視頻采集卡的通道1口連接連接相機(jī)1，即箱號(hào)識(shí)別視頻采集卡的通道1連接箱號(hào)識(shí)別X1相機(jī)，驗(yàn)殘視頻采集卡的通道1連接驗(yàn)殘相機(jī)Y1，以此類推連接X(jué)2、X3、X4和Y2、Y3、Y4。上位軟件控制視頻采集卡對(duì)圖像進(jìn)行圖片的抓取和相應(yīng)操作。而對(duì)于何時(shí)如何拍照的判斷過(guò)程是由PLC系統(tǒng)完成。上位軟件通過(guò)與PLC的協(xié)議進(jìn)行控制相機(jī)進(jìn)行拍照。

定義相機(jī)的拍照相機(jī)命令為1，相對(duì)相機(jī)不需要拍照的命令為0。以相機(jī)X1、X2、X3、X4與Y1、Y2、Y3、Y4的命令邏輯狀態(tài)組成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通過(guò)PLC的RS指令將相機(jī)拍照命令通過(guò)D200寄存器發(fā)送給PC工控機(jī)，上位軟件通過(guò)掃描串口數(shù)據(jù)讀取D200發(fā)送的數(shù)據(jù)。6對(duì)紅外對(duì)射開(kāi)關(guān)，代號(hào)分別為：A1、A2、A3、A4、B1、B2。對(duì)射開(kāi)關(guān)動(dòng)作為0或1——當(dāng)條件為1時(shí)觸發(fā)器接通，反之0時(shí)觸發(fā)器被遮擋。其觸發(fā)狀態(tài)標(biāo)志是邏輯0，接通標(biāo)志狀態(tài)是邏輯1；PLC通過(guò)紅外觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)來(lái)進(jìn)行集裝箱車類型及位置判斷。表1為標(biāo)準(zhǔn)車三種情況下，箱號(hào)識(shí)別PLC與上位軟件控制相機(jī)通信協(xié)議。

（3）采集過(guò)程

當(dāng)一輛載有集裝箱的卡車通過(guò)通道的大門時(shí)，因?yàn)榧t外觸發(fā)器的高度小于集裝箱上沿的最低高度，所以在卡車前行的過(guò)程中會(huì)發(fā)生遮擋和連通的兩種狀態(tài)，圖像拍攝就是利用這兩種狀態(tài)的變化來(lái)判斷觸發(fā)快門的時(shí)機(jī)。這里以箱號(hào)識(shí)別圖像采集過(guò)程介紹系統(tǒng)圖像采集方法。箱號(hào)識(shí)別拍照流程如圖4所示。

當(dāng)車上裝載的集裝箱為雙箱時(shí)，在車行進(jìn)過(guò)程A3、A4紅外觸發(fā)器先后由接通變?yōu)檎趽鯐r(shí)，同時(shí)后面的A1、A2兩對(duì)紅外觸發(fā)器都被遮擋，則X1、X2、X4同時(shí)被觸發(fā)，即拍到雙箱前箱的前側(cè)圖、左側(cè)圖和右側(cè)圖。行進(jìn)過(guò)程中A1、A2兩對(duì)紅外觸發(fā)器由遮擋變?yōu)榻油〞r(shí)，同時(shí)前面的A3、A4兩對(duì)紅外觸發(fā)器被遮擋，則相機(jī)X2、X3、X4同時(shí)被觸發(fā)，由圖像采集卡采集這三路通道的圖像，即拍到雙箱后箱的左側(cè)圖、右側(cè)圖和后側(cè)圖。當(dāng)車上裝載的是集裝箱長(zhǎng)箱時(shí)，在車行進(jìn)過(guò)程中前面的兩對(duì)紅外觸發(fā)器A3、A4先后由接通變?yōu)檎趽鯐r(shí)，同時(shí)后面的A1、A2兩對(duì)紅外觸發(fā)器都被遮擋，則相機(jī)X1、X2同時(shí)被觸發(fā)，由圖像采集卡采集這兩路通道的圖像，即拍到集裝箱長(zhǎng)箱的前側(cè)圖和左側(cè)圖；在車行進(jìn)過(guò)程中后面的A1、A2兩對(duì)紅外觸發(fā)器由遮擋變?yōu)榻油〞r(shí)，同時(shí)前面的兩對(duì)紅外觸發(fā)器被遮擋，則相機(jī)X3、X4同時(shí)被觸發(fā)，由圖像采集卡采集這兩路通道的圖像，即拍到集裝箱長(zhǎng)箱的后側(cè)圖和右側(cè)圖。當(dāng)車上裝載的是集裝箱短箱，在車行進(jìn)過(guò)程中后面的X1、X2兩對(duì)紅外觸發(fā)器由接通變?yōu)檎趽鯐r(shí)，同時(shí)前面的兩對(duì)紅外觸發(fā)器被接通，則相機(jī)X1、X2、X3、X4同時(shí)被觸發(fā)，由圖像采集卡采集這四路通道的圖像同時(shí)確認(rèn)為短箱，即拍到集裝箱短箱的前側(cè)圖、左側(cè)圖、右側(cè)圖和后側(cè)圖。

2.2 基于OCR集裝箱箱號(hào)識(shí)別技術(shù)

（1）OCR箱號(hào)識(shí)別技術(shù)

光學(xué)字符識(shí)別[8-9]（Optical Character Recognition，OCR），OCR技術(shù)是通過(guò)掃描等光學(xué)輸入方式將各種現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為圖像信息，再利用文字識(shí)別技術(shù)將圖像信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以使用的數(shù)字信息，通過(guò)圖像處理相關(guān)技術(shù)及模式識(shí)別進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)。箱號(hào)識(shí)別實(shí)現(xiàn)是一個(gè)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，是模擬人工識(shí)別箱號(hào)的過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的[10]。箱號(hào)識(shí)別流程如圖5所示。

圖像采集設(shè)備采集圖像為24位彩色圖像，在進(jìn)行識(shí)別時(shí)的圖像為灰度圖像。所以圖像預(yù)處理要將采集彩色圖像處理為灰度圖像?；叶戎低琑GB顏色關(guān)系為：I=0.299×R+0.587×G+0.114×B，其中0.299、0.587、0.114是人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)（R、G、B彩色圖像三個(gè)分量）三個(gè)顏色敏感度。圖像處理成灰度圖像后要對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理，去噪方法為中值濾波[11]。箱號(hào)定位處理前包括邊緣檢測(cè)、二值化等處理，字符定位是基于圖像分割為基礎(chǔ)、基于邊界追蹤方法。

其中字符識(shí)別是其中的關(guān)鍵技術(shù)，字符識(shí)別是其中的功能模塊，字符識(shí)別包括三類：模板匹配法[12]、特征統(tǒng)計(jì)匹配法[13]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其對(duì)于字符的噪聲及變形不敏感，但是特征參數(shù)過(guò)多會(huì)增加訓(xùn)練時(shí)間，過(guò)少會(huì)引起判斷上的歧義，網(wǎng)絡(luò)的待處理信息量大，產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，輸入模式維數(shù)的增加可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，運(yùn)算量大，實(shí)用性太差[14]。本文采取模板匹配與特征匹配結(jié)合的匹配算法，并且對(duì)集裝箱圖像多個(gè)圖像（前、后、左、右至少三個(gè)）識(shí)別，來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別高效率與準(zhǔn)確率。

（2）箱號(hào)識(shí)別實(shí)現(xiàn)

集裝箱箱號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)前臺(tái)部分主要由圖片信息采集設(shè)備、紅外觸發(fā)器等，后臺(tái)部分主要是處理軟件等。根據(jù)不同特征對(duì)不同字符的識(shí)別率不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出一系列權(quán)值，根據(jù)模板匹配的結(jié)果選擇權(quán)值，將字符的所有識(shí)別結(jié)果進(jìn)行加權(quán)得出識(shí)別結(jié)果。

為實(shí)現(xiàn)識(shí)別高效率和高準(zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用多圖像識(shí)別。多圖像識(shí)別的過(guò)程從系統(tǒng)流程來(lái)講主要有三個(gè)步驟，分別是建立隊(duì)列、單圖像識(shí)別、多結(jié)果校驗(yàn)。建立列隊(duì)，識(shí)別隊(duì)列采用串行的工作方式，主要原因是圖像分析處理對(duì)于CPU而言是占用率極高負(fù)擔(dān)很重的任務(wù)，采用并行的多幅圖像識(shí)別只會(huì)在系統(tǒng)切換線過(guò)程中間白白的浪費(fèi)時(shí)間，不會(huì)提高整體性能，而采用串行識(shí)別的方法還可以采用利用識(shí)別結(jié)果進(jìn)行的提速技術(shù)；單圖像送入識(shí)別器進(jìn)行圖像解碼、圖像處理、號(hào)碼分割、字符識(shí)別、結(jié)果組裝，最后利用最大可能性輸出可以識(shí)別的集裝箱號(hào)碼。輸出的結(jié)果中包含色彩、排列、位置等大量處理中間信息，為多結(jié)果的校驗(yàn)做準(zhǔn)備；通常集裝箱可以拍攝到四個(gè)側(cè)面的圖像，但是這些圖像可能部分甚至全部因?yàn)殚L(zhǎng)期使用刮擦和污漬造成的某些字符損壞無(wú)法辨認(rèn)或者破損過(guò)于嚴(yán)重導(dǎo)致切分錯(cuò)誤，這就需要對(duì)多個(gè)識(shí)別結(jié)果采用多結(jié)果冗余校驗(yàn)的技術(shù)進(jìn)行檢查和糾正，而且可以判斷出當(dāng)前車輛承載的是一個(gè)還是兩個(gè)集裝箱。生成的結(jié)果作為集裝箱識(shí)別的最終結(jié)果。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

針對(duì)某國(guó)際集裝箱中心站，引用上述方法。選定圖像采集卡：大恒 DH-VT140；PLC：FX3SA-14MR-CM；攝像機(jī)：三星SCB-4000P（騰龍鏡頭12VG412ASIR）；工控機(jī)：研祥IPC-810BDE等設(shè)備實(shí)施。如圖6所示，左邊是集裝箱殘損檢測(cè)系統(tǒng)主界面；右邊集裝箱箱號(hào)識(shí)別識(shí)別主界面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際問(wèn)題對(duì)集裝箱智能大門總體做了簡(jiǎn)單描述。重點(diǎn)對(duì)圖像采集與箱號(hào)識(shí)別進(jìn)行研究。介紹圖像采集常見(jiàn)方法，詳細(xì)介紹了圖像采集過(guò)程中視頻采集卡、PLC的工作原理及方法，該過(guò)程主要特點(diǎn)是具有較高可靠性。在箱號(hào)識(shí)別中，采集多個(gè)同一箱號(hào)字符識(shí)別結(jié)果進(jìn)行多結(jié)果校驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)箱號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99%以上。

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