李坤蓮+吳琤+余滿+蔡宇航+邱澤偉

摘 要：本文擬將圖像識(shí)別技術(shù)引入集裝箱碼頭的裝卸過程，通過基于圖像識(shí)別技術(shù)的集裝箱識(shí)別與定位實(shí)現(xiàn)集裝箱的自動(dòng)抓取，快速定位到集裝箱的位置，這對(duì)于提高集裝箱裝卸效率，實(shí)現(xiàn)裝卸自動(dòng)化，降低操作人員的操作難度，降低吊具鎖孔時(shí)間，進(jìn)而提高集裝箱裝卸效率，具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：集裝箱港口；自動(dòng)定位；起重機(jī)吊具

我國(guó)的海上絲綢之路計(jì)劃使得我國(guó)的海運(yùn)的到了極大的發(fā)展，而海運(yùn)本身也是需要很多技術(shù)支持的，除了在海上運(yùn)輸?shù)倪^程中需要極高的航海技術(shù)，在船只到達(dá)碼頭后的對(duì)船上貨物進(jìn)行裝卸也是同樣需要技術(shù)支持。

近年來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)件雜貨碼頭裝卸工藝提出新要求。港口件雜貨裝卸生產(chǎn)囊括了船舶、貨物、設(shè)備、場(chǎng)地等多種因素，各因素相互交叉影響。目前件雜貨物集裝箱化的比例不斷提高，而港口件雜貨裝卸生產(chǎn)卻普遍存在自動(dòng)化水平較低、生產(chǎn)成本高、裝卸效率無(wú)法滿足需求的問題。對(duì)于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展前進(jìn)重要一部分的件雜貨碼頭而言，傳統(tǒng)的手動(dòng)控制抓取集裝箱已經(jīng)極大的影響了生產(chǎn)效率和裝卸速度，基于此本文對(duì)將圖像識(shí)別技術(shù)引入集裝箱抓取自動(dòng)化，及其優(yōu)化進(jìn)行研究與探討。

1. 港口集裝箱起重機(jī)吊具的控制方法

隨著自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用，集裝箱港口運(yùn)輸環(huán)節(jié)效率得到極大提升，于是便要求集裝箱裝卸效率與之相匹配?？墒茄b卸操作作業(yè)仍依賴于人工操作。

1.1集裝箱裝卸工藝及其特點(diǎn)

集裝箱運(yùn)輸需要高效配合，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。作為海陸聯(lián)運(yùn)的樞紐，集裝箱港口是海上運(yùn)輸和陸上運(yùn)輸?shù)倪B接點(diǎn)。目前，集裝箱碼頭上所采用的裝卸工藝基本有三種，分別是：底盤車方式、跨運(yùn)車方式、龍門吊方式（亦稱場(chǎng)橋方式）。為了裝卸的便利，海陸聯(lián)運(yùn)的集裝箱都采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，所以裝卸機(jī)械要符合國(guó)際集裝箱的作業(yè)規(guī)范，要使用集裝箱專用機(jī)械。

1.2傳統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)裝卸

港口起重機(jī)采用集裝箱吊具來(lái)裝卸集裝箱，是集裝箱碼頭作業(yè)的主要機(jī)械設(shè)備?，F(xiàn)階段，集裝箱的提升、放置仍需要專業(yè)人員在操控室中進(jìn)行人工操作。

操作室里的控制人員通過操縱設(shè)備移動(dòng)吊具，當(dāng)移動(dòng)至集裝箱正上方時(shí)再放下吊具；在吊具降至箱面時(shí)，在確認(rèn)箱頂面鎖孔對(duì)準(zhǔn)無(wú)誤后，插入并旋轉(zhuǎn)鎖頭固定集裝箱，即完成吊具鎖孔工作。然而，大型港口起重機(jī)控制室普遍高達(dá)幾十米，操作人員主要靠肉眼判斷鎖孔與鎖頭的相對(duì)位置，如有障礙物遮蔽，并且集裝箱的鎖孔很小，四個(gè)鎖頭同時(shí)固定難度極大，控制人員在操作時(shí)難以完成吊具鎖孔固定工作，從而導(dǎo)致裝卸時(shí)間延長(zhǎng)，裝卸效率降低。即使控制人員對(duì)低處的吊運(yùn)機(jī)和叉車進(jìn)行操控，也難以實(shí)現(xiàn)鎖頭的準(zhǔn)確鎖孔。

1.3起重機(jī)吊具自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展也帶動(dòng)了集裝箱航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，集裝箱船舶的大型化，對(duì)裝卸的高速化提出新要求?，F(xiàn)在已有一些國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化集裝箱碼頭實(shí)踐的范例。日本名古屋TCB碼頭水平運(yùn)輸為AGV，堆場(chǎng)設(shè)備選擇ARTG，并在前沿碼頭設(shè)置岸邊集裝箱起重機(jī)，此外，為實(shí)現(xiàn)集裝箱箱號(hào)和卡車號(hào)的自動(dòng)采集，該碼頭使用了無(wú)線射頻識(shí)別（FRID）技術(shù)及光學(xué)字符識(shí)別（OCR）技術(shù)；德國(guó)漢堡港CTA碼頭的水平運(yùn)輸選用AGV，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)碼頭進(jìn)行路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)和設(shè)備調(diào)度；意大利FATA碼頭選取起重機(jī)-高架橋-立體倉(cāng) 的模式，使小車運(yùn)行時(shí)的定位更為精確，也減少了裝卸次數(shù)以及對(duì)岸線的占用，上海外高橋集裝箱自動(dòng)化碼頭采用高效環(huán)保型集裝箱碼頭全自動(dòng)化裝卸系統(tǒng)，借助現(xiàn)代港口集裝箱物流智能化、數(shù)字化管理平臺(tái)，港口集裝箱綜合作業(yè)效率提高5%一8%，堆場(chǎng)能力比國(guó)際上幾乎高出一倍。新型岸邊集裝箱起重機(jī)能夠提高吊具與船上集裝箱對(duì)位的準(zhǔn)確性，同時(shí)采用雙梁結(jié)構(gòu)，運(yùn)用載重小車擔(dān)負(fù)集裝箱在水平方向的運(yùn)輸，裝卸效率顯著提高。

圖像識(shí)別技術(shù)作為人工智能的一個(gè)重要部分，隨著它的發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。光學(xué)字符識(shí)別（OCR）技術(shù)及自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)（AGV）技術(shù)等都涉及到圖像識(shí)別技術(shù)，勢(shì)必會(huì)給港口起重機(jī)吊具自動(dòng)化發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)會(huì)。

2.利用圖像技術(shù)對(duì)集裝箱起重機(jī)吊具精確定位技術(shù)的研究

2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)今的集裝箱港口應(yīng)用了如：RFID技術(shù)、GPS技術(shù)、自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)技術(shù)AGVS（automated guided vehicle system）、信息管理系統(tǒng)技術(shù)、決策支持系統(tǒng)技術(shù)、自動(dòng)場(chǎng)吊ASC技術(shù)等新技術(shù)。這些新技術(shù)的引進(jìn)，降低了人力資源投入以及港口操作的失誤率，實(shí)現(xiàn)了港口資源的實(shí)時(shí)調(diào)度，從而提高了整個(gè)港口工作效率，增強(qiáng)了港口的競(jìng)爭(zhēng)力。

集裝箱運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展是為了能夠提高集裝箱的自動(dòng)化信息管理，正因如此大量學(xué)者以集裝箱為研究對(duì)象，采用圖像處理方法，進(jìn)行了許多深入的研究。

（1）以集裝箱為對(duì)象的圖像成像原理的研究

清華大學(xué)核能技術(shù)研究院的吳志芳等人利用輻射成像原理實(shí)現(xiàn)集裝箱的檢測(cè)。張廣軍主要利用MATLAB進(jìn)行仿真，對(duì)集裝箱的破損部位（孔洞）進(jìn)行了數(shù)字圖像處理方面的研究。常捷等人研究的是基于圖像的集裝箱箱號(hào)識(shí)別，為碼頭、堆場(chǎng)、海關(guān)管理邁向自動(dòng)化解決了最基本最關(guān)鍵的問題。李如松，何彬，楊杰研究了基于集裝箱γ射線檢測(cè)的圖像處理[1]。

（2）集裝箱識(shí)別與定位的研究

張森、傅圣雪提出了MATLAB平臺(tái)下的集裝箱識(shí)別定位的新方法，并結(jié)合實(shí)際情況采取邊步長(zhǎng)平移搜索方案，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)速度，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。陳丹研究了關(guān)于圖像識(shí)別系統(tǒng)的集裝箱精確定位的圖形處理。謝丁龍研究編寫上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器的通訊協(xié)議，完成了根據(jù)實(shí)際的集裝箱裝卸環(huán)境設(shè)計(jì)構(gòu)造的模擬集裝箱裝卸系統(tǒng)。武玉升利用單片機(jī)基于以太網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)吊橋集裝箱裝卸的遠(yuǎn)程定位，司機(jī)通過駕駛室內(nèi)的顯示器和語(yǔ)音提示系統(tǒng)，就能實(shí)時(shí)掌握集裝箱的位置。肖洋研究了吊具、集裝箱、卡車所構(gòu)成的裝卸系統(tǒng)的集裝箱定位[1]。

國(guó)外的學(xué)者Hee-Joo Yoon，Young_Chul Hwang and Eui-Young Cha提出了基于雙目立體視覺系統(tǒng)的集裝箱裝卸自動(dòng)化集裝箱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位，為集裝箱自動(dòng)化裝卸提供了更深入的研究。

（3）集裝箱自動(dòng)定位的研究成果轉(zhuǎn)化

三菱重工業(yè)株式會(huì)社發(fā)明了“裝卸用起重機(jī)中的集裝箱位置檢測(cè)方法及裝置、集裝箱著地、探放控制方法”專利（專利號(hào)：EP1333003A1）。在吊具上安裝攝像設(shè)備對(duì)目標(biāo)集裝箱進(jìn)行圖像采集，該方法通過所采集的圖像數(shù)據(jù)，可以精確的對(duì)目標(biāo)集裝箱與吊具的相對(duì)位置進(jìn)行檢測(cè)。最終，由magic eye（該專利采用的計(jì)算機(jī)視覺部分）引導(dǎo)吊具定位集裝箱。

德國(guó)西門子公司SIEMENS AG（DE）的專利（專利號(hào)：DE10107048）涉及了一種集裝箱起重機(jī)裝卸方法，也適用于集裝箱船舶運(yùn)輸裝卸作業(yè)。在起重機(jī)駕駛室中采用帶有監(jiān)視器的PC機(jī)，用過觸摸屏操作，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的值能使起重機(jī)自動(dòng)定位預(yù)期目標(biāo)[1]。

2.2圖像識(shí)別技術(shù)的基本流程與原理

在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)后，結(jié)合畫面獲取時(shí)間、集裝箱識(shí)別率、計(jì)算機(jī)計(jì)算速度、和裝配維護(hù)成本多方面因素，最終擬采用雙目視覺伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)模式為手眼系統(tǒng)（eye-in-hand），是基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)。

所需攝像機(jī)數(shù)量為2個(gè)，型號(hào)為ZBS-002，放置于岸橋吊具對(duì)角抓腳處；工業(yè)一體式計(jì)算機(jī)1臺(tái)。為滿足夜間作業(yè)，需要在攝像機(jī)安裝處各加裝白熾燈1盞。（如表1）

（1）圖像處理的基本流程圖（圖1）

（2）工作原理

1.駕駛員手動(dòng)操作岸橋，使抓具移動(dòng)到集裝箱上空。按下“抓取”按鈕。

2.攝像頭獲取圖像，以矩形的特征抓取目標(biāo)。

3.鎖定目標(biāo)后，分別以A、B攝像頭作為橫、縱軸的基準(zhǔn)點(diǎn)，大致判斷抓具與集裝箱的方位。

4.計(jì)算機(jī)運(yùn)作，通過提前輸入的算法，計(jì)算出抓具所需移動(dòng)的方向、距離。具體實(shí)現(xiàn)方法見下。

5.抓具勻速下降，與此同時(shí)計(jì)算機(jī)持續(xù)運(yùn)算，不斷微調(diào)抓具位置，直至最后對(duì)準(zhǔn)集裝箱。

6.抓具準(zhǔn)確抓取集裝箱，駕駛員按下“確認(rèn)“按鈕后，轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作。

7.若出現(xiàn)抓具未能準(zhǔn)確抓取的情況，系統(tǒng)提示駕駛員選擇“再次對(duì)準(zhǔn)”或“手動(dòng)抓取”。

2.3機(jī)器人的控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用集中式控制，在操控室安放一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。在Windows10操作平臺(tái)下運(yùn)行Open Source Computer Vision Library（簡(jiǎn)稱opencv），進(jìn)行圖像識(shí)別和計(jì)算，再將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至抓具控制系統(tǒng)，抓具控制系統(tǒng)自動(dòng)操作抓具抓取集裝箱，具體包括：①采用攝像頭對(duì)集裝箱進(jìn)行圖像釆樣；②對(duì)采集的集裝箱圖像進(jìn)行預(yù)處理；③進(jìn)行圖像分割，提取待識(shí)別物體集裝箱；④進(jìn)行集裝箱特征識(shí)別，特別是集裝箱的頂點(diǎn)特征，為集裝箱定位提供基礎(chǔ)；⑤進(jìn)行集裝箱定位研究。

具體實(shí)現(xiàn)方法：

假設(shè)作業(yè)人員左側(cè)攝像機(jī)為A攝像機(jī)，右側(cè)攝像機(jī)為B攝像機(jī)。

1.A攝像機(jī)獲取集裝箱左側(cè)圖片信息后，計(jì)算出左抓腳與集裝箱的橫向（x軸）的距離。B攝像機(jī)獲取集裝箱右側(cè)圖片信息后，計(jì)算出右抓腳縱向（y軸）的距離。

2.通過相位差算法，抓具每次位移的距離為：抓腳與集裝箱相應(yīng)抓取點(diǎn)差距的一半，位移結(jié)束后重復(fù)計(jì)算位移，直至差距小于3cm。

3.下放抓具，準(zhǔn)確抓起集裝箱，再由作業(yè)人員移動(dòng)載具。

選用相位差算法的原因如下：

①可以快速確定移動(dòng)范圍。

②能有效減輕抓具因慣性的搖擺，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

③所需設(shè)備數(shù)量少，成本低。

3.結(jié)束語(yǔ)

集裝箱碼頭和裝卸實(shí)際情況復(fù)雜、隨機(jī)性大。關(guān)于港口集裝箱起重機(jī)吊具自動(dòng)定位技術(shù)難題實(shí)際上還有很多，但是在這里就不贅述了，如果想實(shí)現(xiàn)港口集裝箱起重機(jī)吊具自動(dòng)定位技術(shù)的真正智能，還是需要高度發(fā)達(dá)的人工智能機(jī)器人的支持。目前這種人工智能還停留在概念階段，所以要把集裝箱起重機(jī)吊具自動(dòng)定位技術(shù)進(jìn)一步智能化，高效化，還有一段很長(zhǎng)的路要走。

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