王成鋼， 袁 彬

(中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

目前港口采用的集裝箱Bay位主要采用人工監(jiān)測(cè)方法，即工人站在船舶甲板上，手持紙面的集裝箱配載圖或掌上電腦(Personal Digital Assistant，PDA)，肉眼逐一核對(duì)當(dāng)前集裝箱在船舶中的所放位置[1-2]。工作效率不高且極易發(fā)生安全事故隱患。

介紹一種新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出如下方案：

1)通過(guò)PLC獲取集裝箱裝卸過(guò)程中數(shù)據(jù)信息，建立數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，尋找集裝箱裝卸過(guò)程數(shù)據(jù)變化規(guī)律；

2)通過(guò)視頻圖像目標(biāo)分割及單目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)消除由于環(huán)境、誤操作及集裝箱位置放置差異等造成的PLC數(shù)據(jù)誤差；

3)根據(jù)校準(zhǔn)原則將兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果相互校驗(yàn)，最終確定集裝箱Bay位。

使用該系統(tǒng)理貨員無(wú)需站在船舶甲板和岸邊場(chǎng)地上，只需在集裝箱岸橋下的理貨室或碼頭后方的業(yè)務(wù)辦公室，通過(guò)計(jì)算機(jī)終端、電子監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)操作即可。

1 新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 集裝箱Bay位表示法

集裝箱Bay位表示法[3]以縱向分布為前提，每一箱位用6位數(shù)字表示。前兩位為行號(hào)(Bay)，表示箱位的縱向坐標(biāo)；中間兩位為列號(hào)(位)，表示箱位的橫向坐標(biāo)；后兩位為層號(hào)(層)，表示箱位的垂向坐標(biāo)。集裝箱船艙剖面圖見(jiàn)圖1，集裝箱Bay位表示方式見(jiàn)表1。

名稱表示位置方向表示方法備注Bay縱向位置自船首向船尾以01,02,03,04,……表示20'以01,03,05,……奇數(shù)表示;20'以02,06,10,……偶數(shù)表示;40'以04,08,12,……偶數(shù)表示位橫向位置自右舷向左舷以01,02,03,……表示以中縱剖面為基準(zhǔn),從中間向兩舷:右舷以01,03,05,……奇數(shù)表示;左舷以02,04,06,……偶數(shù)表示;若船舶箱位總列數(shù)為奇數(shù),則中縱剖面上存在一列,編號(hào)為00層垂線位置船內(nèi)從底層起甲板從艙面起艙內(nèi)從最底層起,以H1,H2,H3,……表示;甲板從艙面起算,以D1,D2,D3,……表示艙內(nèi)從最底層起,以02,04,06,……偶數(shù)表示;甲板從艙面起算,以82,84,86,……偶數(shù)表示

1.2 新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括碼頭管理系統(tǒng)、理貨管理系統(tǒng)、PLC數(shù)據(jù)采集模塊、控制主機(jī)及Bay位攝像機(jī)等幾部分，其中PLC數(shù)據(jù)采集模塊和Bay位攝像機(jī)主要提供橋吊移動(dòng)信息及視頻數(shù)據(jù)，為Bay位監(jiān)測(cè)提供分析依據(jù)，碼頭管理系統(tǒng)及理貨管理系統(tǒng)主要提供船圖、配載圖及裝船計(jì)劃圖，以用于對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，新型集裝箱Bay位監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.3 新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)原理

新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于PLC和視頻系統(tǒng)的Bay位監(jiān)測(cè)算法，PLC數(shù)據(jù)分析模塊獲取橋吊水平及垂直移動(dòng)距離，結(jié)合集裝箱的寬度和高度，獲得Bay位監(jiān)測(cè)結(jié)果。視頻分析模塊通過(guò)在橋吊橫梁前大臂中心位置及小車(chē)底部安裝高清攝像機(jī)，分別用于監(jiān)控集裝箱裝卸過(guò)程及采集實(shí)時(shí)視頻，采用目標(biāo)跟蹤及單目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)計(jì)算集裝箱Bay位信息；將兩者信息綜合，相互校驗(yàn)，最終準(zhǔn)確定位集裝箱Bay位，集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)原理見(jiàn)圖3。

2 新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)算法

2.1 基于PLC的集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)算法

2.1.1 PLC信息

PLC控制器主要提供吊具開(kāi)閉鎖狀態(tài)、箱形尺寸、橋吊起升高度及小車(chē)位置等信息，具體數(shù)據(jù)內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 PLC信息

2.1.2 建立位序號(hào)查詢表

由圖1可知，船舶中位的表示方法以中縱剖面為基準(zhǔn)，從中間向兩舷按照奇偶分開(kāi)排列，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)的差異，其位的表示方法不同，需建立船舶位信息與實(shí)際序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系表，根據(jù)船舶位結(jié)構(gòu)差異查詢相應(yīng)表格獲取位信息。以具有10個(gè)位的船舶為例進(jìn)行示意說(shuō)明(見(jiàn)表3)。

表3 位序號(hào)查詢表

2.1.3 基于PLC的Bay位監(jiān)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

基于PLC的Bay位監(jiān)測(cè)算法，其分析均基于假設(shè)某個(gè)Bay中第一個(gè)集裝箱放置于正確的位中，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)位的準(zhǔn)確性判斷。由于Bay信息已確定，故Bay位監(jiān)測(cè)只需確定位信息及層信息，根據(jù)對(duì)應(yīng)箱號(hào)在配載圖中位置，判斷其當(dāng)前所放位置是否正確。

設(shè)在某一Bay中放置第一個(gè)箱子時(shí)，吊具移動(dòng)距離即小車(chē)位置為D1，其所在位為n，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)，查詢船舶位信息與實(shí)際序號(hào)對(duì)應(yīng)表，設(shè)其對(duì)應(yīng)序號(hào)為m,由于集裝箱寬度具有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)為w，則吊具到船舷的距離為

D=D1-mw

(1) 設(shè)第n′個(gè)位集裝箱對(duì)應(yīng)序號(hào)為m′，則對(duì)應(yīng)的PLC移動(dòng)距離應(yīng)為

D′=D+m′w

(2) 設(shè)放置第一層集裝箱時(shí)，通過(guò)PLC控制器獲得的高度為H1，由于集裝箱類(lèi)型不同其高度也不同，設(shè)其高度為h,則對(duì)于第i層集裝箱，其移動(dòng)高度為

H=H1+(i-1)×h

(3) 通過(guò)上述計(jì)算,確定了某Bay第n位第i層應(yīng)移動(dòng)的高度及水平距離，可判斷當(dāng)前集裝箱是否放置于正確位置。

2.2 基于視頻的集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)算法

2.2.1 目標(biāo)跟蹤測(cè)距原理

通過(guò)采用Mean-Shift目標(biāo)跟蹤算法[4]獲取集裝箱運(yùn)動(dòng)軌跡，其基本原理為通過(guò)分別計(jì)算目標(biāo)區(qū)域和候選區(qū)域內(nèi)像素的特征值概率得到關(guān)于目標(biāo)模型和候選模型的描述，利用相似函數(shù)度量初始幀目標(biāo)模型和當(dāng)前幀的候選模版的相似性，選擇使相似函數(shù)最大的候選模型并得到關(guān)于目標(biāo)模型的Mean-Shift向量，獲得目標(biāo)的真實(shí)位置，達(dá)到跟蹤的目的，其原理見(jiàn)圖4。

獲取集裝箱運(yùn)動(dòng)軌跡后，根據(jù)船艙結(jié)構(gòu)確定映射關(guān)系[5-6]，實(shí)現(xiàn)圖像中像素距離到實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換，計(jì)算出圖像中每個(gè)像素點(diǎn)在實(shí)際坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，以此獲得集裝箱橫向移動(dòng)距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集裝箱位計(jì)算。映射關(guān)系坐標(biāo)系見(jiàn)圖5。

2.2.2 單目視覺(jué)測(cè)距原理

單目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)[7]旨在不同時(shí)刻，從不同角度或不同位置獲取周?chē)拔锏膬煞蚨喾鶖?shù)字圖像，依照人類(lèi)利用雙目線索感知距離的方法，實(shí)現(xiàn)集裝箱三維立體信息的獲取，其視覺(jué)幾何測(cè)量法見(jiàn)圖6。集裝箱所處深度信息反映為集裝箱邊緣特征點(diǎn)距離光學(xué)中心的徑向位移縮放，利用集裝箱與集裝箱圖像的面積或邊緣特征，根據(jù)透視投影模型，建立集裝箱視覺(jué)測(cè)量的直線測(cè)距模型，將光心與目標(biāo)物的距離關(guān)系轉(zhuǎn)化為光心與特征點(diǎn)的距離關(guān)系，建立基于單目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)的集裝箱裝卸位置深度測(cè)量系統(tǒng)[8]。根據(jù)透視投影模型，不同深度的集裝箱圖像滿足相似關(guān)系，只要從集裝箱圖像上提取所需參數(shù)，乘以相關(guān)的縮放系數(shù)，便可獲得集裝箱裝卸深度信息[9]。

(5)式(5)中：ax=f/dx,ay=f/dy,dx,dy分別為每一個(gè)像素在x軸與y軸方向上的物理尺寸，u0,v0為攝像機(jī)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像中心坐標(biāo)。

由式(5)可知，測(cè)距原理的關(guān)鍵是找到代表性的特征點(diǎn)，結(jié)合集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中選擇集裝箱重心位置作為特征點(diǎn)，利用圖像處理算法選擇特征點(diǎn)并進(jìn)行計(jì)算，得出特征點(diǎn)到攝像機(jī)的完全距離，即集裝箱的層高信息。

2.3 集裝箱Bay位確定

通過(guò)PLC及視頻技術(shù)分別對(duì)集裝箱Bay位進(jìn)行計(jì)算，將兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合，最終確定集裝箱準(zhǔn)確Bay位。兩種結(jié)果相互校驗(yàn)，主要遵循如下原則：

1)預(yù)配校準(zhǔn)。當(dāng)兩種方法監(jiān)測(cè)結(jié)果不同時(shí)，若兩種方法中有一種監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)配信息相同，則以該監(jiān)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，同時(shí)修正另一種監(jiān)測(cè)方法相關(guān)參數(shù)；

2)裝船計(jì)劃校準(zhǔn)。當(dāng)兩種方法監(jiān)測(cè)結(jié)果不同時(shí)，若兩種方法中有一種監(jiān)測(cè)結(jié)果與裝船計(jì)劃相同，則以該監(jiān)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，同時(shí)修正另一種監(jiān)測(cè)方法相關(guān)參數(shù)；

3)當(dāng)兩種方法監(jiān)測(cè)結(jié)果不同且與預(yù)配及裝船計(jì)劃均不同時(shí)，遵循以下原則。

(1)邏輯校準(zhǔn)。即集裝箱不能懸空放置且已有集裝箱的Bay位不能重復(fù)放置，以邏輯正確的監(jiān)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)，同時(shí)修正另一種監(jiān)測(cè)方法相關(guān)參數(shù)；

(2)模型校準(zhǔn)。建立集裝箱水平移動(dòng)距離與垂直移動(dòng)距離數(shù)據(jù)模型，用于存放所有Bay位監(jiān)測(cè)正確的集裝箱信息，將出現(xiàn)異常計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)與模型中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，選擇與模型數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同的結(jié)果作為最終監(jiān)測(cè)結(jié)果，同時(shí)修正另一種監(jiān)測(cè)方法相關(guān)參數(shù)。校準(zhǔn)原則見(jiàn)表4。

表4 校準(zhǔn)原則

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際港口進(jìn)行測(cè)試并獲得大量測(cè)試數(shù)據(jù)，現(xiàn)對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，以位計(jì)算為例說(shuō)明算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

根據(jù)小車(chē)位置移動(dòng)信息獲取的擬合結(jié)果(見(jiàn)圖7)，其縱坐標(biāo)為PLC橫向移動(dòng)距離，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)位在船舶位信息與實(shí)際序號(hào)對(duì)應(yīng)表中查詢結(jié)果，由圖7可知，小車(chē)位置與位序號(hào)成線性變化關(guān)系，其擬合方程為y=2.476 9x+65.365，該結(jié)果與實(shí)際情況相符。需說(shuō)明,由于不同船舶其結(jié)構(gòu)不同，位總數(shù)存在差異，針對(duì)不同船舶需實(shí)時(shí)更新其擬合直線，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

集裝箱層信息及基于視頻系統(tǒng)測(cè)距的Bay位監(jiān)測(cè)算法的計(jì)算過(guò)程與上述計(jì)算過(guò)程相似，均為對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用2種方式相互校驗(yàn)以獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)其中某種監(jiān)測(cè)結(jié)果較歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差較大時(shí)，表明該方式監(jiān)測(cè)結(jié)果有誤，需更新監(jiān)測(cè)方法的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，以防出現(xiàn)累計(jì)誤差。當(dāng)2種監(jiān)測(cè)結(jié)果存在差異時(shí)，則需根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果選擇符合Bay位變化的結(jié)果作為最終監(jiān)測(cè)結(jié)果。

經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，可提出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)分析PLC橋吊移動(dòng)信息，獲取橋吊移動(dòng)曲線后，可根據(jù)其偏移位置，獲取集裝箱Bay位信息；

2) 根據(jù)橋吊移動(dòng)信息，可判斷橋吊工作狀態(tài)，如倒箱[10]、裝卸甲板等操作；

3) 采用2種監(jiān)測(cè)算法對(duì)Bay位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，2種算法的監(jiān)測(cè)結(jié)果可相互校驗(yàn)，提高算法監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。

經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)分析，由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境較復(fù)雜，海水運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的船舶左右移動(dòng)、潮汐造成的船舶上下漂移，都會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成誤差，在今后的研究過(guò)程中，增加算法影響因子，修正系數(shù)，克服干擾因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

新型集裝箱Bay位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)PLC及視頻方法獲取集裝箱所在Bay位，將二者監(jiān)測(cè)結(jié)果相互校驗(yàn)，能準(zhǔn)確定位集裝箱Bay位；配置數(shù)個(gè)攝像機(jī)及PLC，其環(huán)境構(gòu)建方便；采用目標(biāo)跟蹤及單目視覺(jué)測(cè)距技術(shù)，算法復(fù)雜度低、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率高。系統(tǒng)作業(yè)條件顯著改善，由于人工干預(yù)減少，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人操作，管理成本顯著降低，符合現(xiàn)代自動(dòng)化理貨發(fā)展趨勢(shì)。

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