沙寶銀，牛一村，滕靈芝

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；2.國家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，北京 100013)

隨著經(jīng)濟全球化的飛速發(fā)展，船舶運輸業(yè)也日益旺盛，在煤炭運輸船的貨物交易中，測量煤炭運輸船的載重量是交易雙方都十分重視的一環(huán)。計重結(jié)果可作為商品貨物計算運費、交接結(jié)算、處理索賠和通關(guān)計稅等的依據(jù)[1]。在煤炭運輸船載重量的測量中，國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的是水尺計重方法。2018年我國海運煤炭約9.34億t，占全國煤炭運輸總量的22.7%。隨著煤炭運輸船舶日趨大型化，且貨物價值不斷提高，人們對水尺計重的準(zhǔn)確度要求越來越高。準(zhǔn)確的計量結(jié)果對保護承運人、發(fā)貨人和收貨人的利益都具有極為重要的意義[2]?！哆M出口商品重量鑒定規(guī)程》(SN/T 3023.2—2012)，其中提到“如果船舶制表準(zhǔn)確度在1‰，其水尺計重準(zhǔn)確度可達到0.5‰之內(nèi)”[3]。隨著科技的進步和檢測手段的多元化，人們期望誤差能進一步減小，并盡可能消除人為誤差。

水尺計重系統(tǒng)主要包括水尺吃水值檢定、液艙液位測量、港水密度測量三大方面。在水尺吃水值檢測方面目前仍以人工觀測法[4-6]作為煤炭運輸船吃水?dāng)?shù)據(jù)測量的主要方法，船舶靠海側(cè)需檢驗人員乘小船或攀爬軟梯至水尺標(biāo)記處進行觀測或拍攝水尺視頻，檢驗人員的人身安全無法得到有效保障，且人為誤差大?；趥鞲衅鞯臏y量方法主要有壓力傳感器測量法[7]、超聲波測量法[8，9]、雷達液位計測量法[10]、激光測距法[11-14]。但傳感器測量屬于間接測量法，為得到船舶吃水值需要進一步換算，容易受其他因素干擾，導(dǎo)致最終結(jié)果誤差較大，且測量設(shè)備安裝、定位耗時較長不能滿足港口作業(yè)時限要求。近幾年，隨著圖像處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，通過分析圖像中水線的相對位置計算船舶吃水值，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。羅婧等[15]利用Canny 算子進行邊緣檢測并通過霍夫直線檢測得到最終的水線的位置；周廣程等[16]利用HIS空間彩色梯度以及啟發(fā)式邊緣提取算法，提出一種基于梯度幅度提取水線的方法；陳賀璋[17]利用圖像分割法進行了吃水深度檢測方法研究，吳海[18]提出基于機器視覺的船舶吃水線檢測系統(tǒng)研究，按照海水清晰度不同的物理現(xiàn)象，將吃水線檢測進行了分類處理，提出了整個視頻的吃水線的跟蹤檢測方法。Takahiro Tsujiil[19]提出了一種基于計算機圖像處理的水尺自動讀數(shù)方法，提出了一種基于形態(tài)學(xué)運算的吃水值自動檢測方法。目前在水尺吃水值圖像處理方面的研究，還局限于圖片字符清晰、光照強度好的情況下，在字符污損、銹蝕、焊縫干擾、警戒線干擾等現(xiàn)實情況下的研究還不夠深入，同時對船舶字符及顏色的分類統(tǒng)計數(shù)量還不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的研究算法具有一定的局限性，很難在實際水尺計重中取得較好應(yīng)用效果。

在液艙液位高度測量方面，田浩[20]提出了一種實時船舶液位監(jiān)測方案，此方案適合新造船舶，對于短時靠岸的煤炭運輸船液位高度測量目前主要采用深度尺進行測量，人工觀察并記錄數(shù)據(jù)，即將深度尺伸入液艙底部，再將尺取出，然后讀取深度尺上液體痕跡的刻度并進行記錄，然而，上述方法測量準(zhǔn)確性差，容易受操作人員主觀因素干擾，數(shù)據(jù)讀取和記錄環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)失誤，對最終計重結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。

港水密度測量是煤炭運輸船港航交重環(huán)節(jié)中非常重要的一環(huán)，港水密度測量值對煤炭運輸船載貨量計算具有較大的影響，誤差可達1‰～2‰[21]。在港水密度測量方面，主要采用投入式比重計進行測量，人工觀測并記錄，人為誤差仍然存在。

目前國內(nèi)外對于煤炭運輸船水尺計重領(lǐng)域系統(tǒng)的研究屬于起步階段，相關(guān)技術(shù)還有待于進一步研究開發(fā)。

1 煤炭運輸船港航交重自動計量系統(tǒng)

研制一套煤炭運輸船港航交重自動計量系統(tǒng)，實現(xiàn)煤炭運輸船裝、卸貨物前后重量的快速鑒定。包括：研制水尺圖像拍攝子系統(tǒng)，實現(xiàn)水尺圖像拍攝并將視頻數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；研制液艙液位自動測量子系統(tǒng)，實現(xiàn)液艙液位自動測量并將測量數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，替代人工眼看手記的落后檢測狀況；研發(fā)港水密度測量子系統(tǒng)，實現(xiàn)港水密度測量并將測量數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；研發(fā)圖像識別軟件實現(xiàn)煤炭運輸船水尺吃水值全自動識別，同時研發(fā)煤炭運輸船港航交重相關(guān)軟件模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 水尺視頻拍攝裝置圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 水尺圖像拍攝子系統(tǒng)實現(xiàn)

該子系統(tǒng)硬件包括：手持數(shù)碼攝像機、微型數(shù)碼相機、無線視頻發(fā)射器、無線視頻接收器、視頻信號轉(zhuǎn)換器、計算機、伸縮桿。除伸縮桿外，上述主要設(shè)備及相關(guān)配件全部集成在鋁合金拉桿箱內(nèi)，如圖2所示。

工作原理：微型數(shù)碼相機、無線視頻接收器及連接電纜集成在一起，通過快速拆裝接頭與伸縮桿連接，伸縮桿前端連接微型數(shù)碼相機，在船上即可實現(xiàn)六面水尺視頻拍攝。微型數(shù)碼相機拍攝的視頻圖像數(shù)據(jù)由無線視頻發(fā)射器發(fā)送到接收器，經(jīng)視頻信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計算機可接收的USB接口信號，通過計算機內(nèi)的視頻監(jiān)視及錄制軟件保存為視頻文件。

2.2 圖像識別子系統(tǒng)實現(xiàn)

將拍攝的水尺視頻進行逐幀處理，分析幀數(shù)不低于1000幀，獲取每幀圖像的水線、字符，并基于水線位置、字符坐標(biāo)等數(shù)據(jù)計算出當(dāng)幀的水尺讀數(shù)，最后通過統(tǒng)計篩選以及聚類算法計算出平均吃水值。該軟件字符識別采用OCR識別和模板匹配的方式，用戶根據(jù)實際情況選擇其一進行操作。船舶吃水自動識別系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 船舶吃水自動識別系統(tǒng)流程圖

2.2.1 基于OCR的水尺識別

基于OCR的水尺識別可以預(yù)先通過NI Vision Assistant進行OCR文字識別建模，達到識別水尺字符和獲取字符坐標(biāo)的目的。在處理步驟區(qū)調(diào)用不同的模塊對圖像進行處理，并對各個模塊調(diào)整最佳的參數(shù)以實現(xiàn)通用有效的分析結(jié)果。

基于OCR的水尺識別模型依次調(diào)用模塊為：Geometry(幾何形狀處理)、Color Plane Extraction(顏色抽取)、Lookup Table(查找表)、Histogram(直方圖)、Threshold(閾值)、Gray Morphology(灰度形態(tài)學(xué))、OCR/OCV(字符識別)。這些模塊的作用分別為：旋轉(zhuǎn)圖像角度；圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；改善圖像對比度和亮度；獲取圖像灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差等；灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像；灰度腐蝕操作減少噪點；字符訓(xùn)練并識別。

該模型中，OCR/OCV模塊的OCR字符訓(xùn)練功能尤其重要，通過OCR訓(xùn)練形成字符集文件，然后圖像字符與字符集文件進行比對獲得結(jié)果，基于OCR的水尺識別必須事先訓(xùn)練足夠數(shù)量的字符數(shù)據(jù)，為后期系統(tǒng)正確識別出字符提供依據(jù)。

在完成建模后，通過tools菜單中的Create LabVIEW VI功能自動生成LabVIEW程序框圖，該程序框圖中包含NI Vision Assistant建模時一系列操作的相同功能。在此基礎(chǔ)上，再對軟件功能進行補充完善，包括水線識別、高度計算等，最后形成完整的程序?；贠CR的水尺識別程序過程如圖4所示，具體步驟如下：

1)圖像修正：利用IMAQ Rotate VI(旋轉(zhuǎn)子函數(shù))，對圖像進行角度修正。

2)水線識別：利用IMAQ Advanced Find Edge VI(高級查找邊緣子函數(shù))，通過從下往上方向查找圖像中沿某條線上的亮度變化點(即水線)，查找到水線后，獲得水線起點像素坐標(biāo)(x1，y1)和終點像素坐標(biāo)(x2，y2)，應(yīng)用線性擬合得出水線公式，即：

yh=a1xh+b1

(1)

式中，yh為水線縱向像素值，px；xh為水線橫向像素值，px；a1為水線直線斜率；b1為水線直線截距，px。

圖4 基于OCR的水尺識別

3)顏色抽?。撼槿〔噬矫?，利用IMAQ ExtractSingleColorPlane VI(抽取彩色平面子函數(shù))，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。

4)形態(tài)處理：對圖像進行去燥和濾波，并將灰度圖像的灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差之和作為閾值分界點，利用IMAQ Threshold(閾值子函數(shù))將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像。

5)字符識別：創(chuàng)建OCR會話并讀取字符集文件，利用IMAQ OCR Read Text VI(字符讀取子函數(shù))獲取字符信息，包括：字符數(shù)值、字符位置坐標(biāo)、字符高度寬度等。本過程中，部分污損字符和相似字符容易造成錯誤識別，利用字符M的位置和字符排列規(guī)律獲得字符真實數(shù)值。

對多個字符位置坐標(biāo)(xi，yi)進行線性擬合，得出字符直線公式，即：

yv=a2xv+b2

(2)

式中，yv為字符縱向像素值，px；xv為字符橫向像素值，px；a2為字符直線斜率；b2為字符直線截距，px。

建立水尺高度hi和像素坐標(biāo)高度數(shù)值yi的對應(yīng)關(guān)系，并進行線性擬合，得出高度計算公式，即：

h=a3y+b3

(3)

式中，h為水尺高度值，m；Y為字符縱向像素值，px；a3為高度直線斜率，m/px；b3為高度直線截距，m。

6)高度計算：根據(jù)式(1)、式(2)，得出水線與字符直線的交點像素坐標(biāo)(xj，yj)，將yj代入到公式(3)，即得該幀圖像的實時高度值。

7)平均高度計算：重復(fù)計算剩余幀圖像讀數(shù)，最后對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計篩選計算出平均吃水值。

2.2.2 基于模式匹配的水尺識別

該系統(tǒng)中的模式匹配用于定位灰度圖像中預(yù)定模板圖像的位置，其不受圖像亮度、噪聲、偏移等因素的影響。該方法適用于在字符銹蝕污損的情況下的識別。

基于模式匹配的水尺識別也可通過NI Vision Assistant進行建模，方法與2.2.1中描述的建模部分相似，就不再進行介紹。

基于模式匹配的水尺識別過程如圖5所示，部分步驟與2.2.1中描述的方法相同(相同步驟后面不再詳細敘述)，具體步驟如下：

圖5 基于模式匹配的水尺識別

1)創(chuàng)建模板：用戶創(chuàng)建字符模板，輸入模板對應(yīng)的水尺高度值，保存模板。

2)修正圖像并緩存：對圖像進行角度修正并緩存校正后圖像，緩存的目的在于字符識別后再進行水線查找，縮小查找區(qū)域、避免誤識別。

3)顏色抽取：同2.2.1中的步驟3)。

4)模式匹配：讀取模板字符，利用IMAQ Match Pattern VI(模式匹配子函數(shù))獲取模板字符在圖像中的信息，包括：字符數(shù)值、字符位置坐標(biāo)、字符高度寬度等；并基于字符信息得到字符直線公式、高度計算公式，公式獲得方法同2.2.1中的步驟5)。

5)水線識別：讀取步驟2)中的緩存圖像，利用步驟4)中識別出的最下方字符位置信息，在字符下方區(qū)域查找水線，并獲取水線公式。

6)高度計算：同2.2.1中的步驟6)。

7)平均高度計算：同2.2.1中的步驟7)。

2.3 液艙液位測量子系統(tǒng)實現(xiàn)

液艙液位測量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，傳感器集成模塊包含壓力傳感器、傾角傳感器、密度傳感器、溫度傳感器，傳感器模塊通過信號放大器與信號轉(zhuǎn)換模塊(A/D采樣器)相連，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與MSP430F149微控制器相連，微控制器主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集、顯示、無線通信等功能。新型液艙液位測試裝置消除了檢驗人員數(shù)據(jù)讀取和記錄環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)失誤，及傳統(tǒng)液位尺無法測量液體密度，不能為后續(xù)液體重量計算提供依據(jù)的問題。

圖6 液艙液位測試裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.4 港水密度測量子系統(tǒng)實現(xiàn)

港水密度測量子系統(tǒng)由密度計及無線通信模塊兩部分組成，密度計為電子液體密度計，型號為XFMD-1201G，精度為0.0001g/cm3，通過內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠繜o線通信模塊，并開發(fā)專用通信協(xié)議與監(jiān)測主機進行通信。實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線實時傳輸，提高了密度測量效率、消除人為誤差。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

國家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心已于2017年1月23日獲得水尺計重檢驗項目中國合格評定國家認可委員會檢驗機構(gòu)認可證書，具有多名有經(jīng)驗的水尺計重人員。為了驗證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，以識別系統(tǒng)結(jié)果和人工檢測方法做比對，在國家能源集團黃驊港拍攝了現(xiàn)場100艘煤炭運輸船共計530個水尺視頻。該系統(tǒng)識別分辨率為0.001m，人工觀察讀數(shù)分辨率為0.01m，采用2組工作人員同時進行吃水值檢測，一組人工觀察取均值作為標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，另一組采集水尺視頻后直接用系統(tǒng)軟件分析。在比對過程中，選擇對水尺計重影響最大的內(nèi)、外檔船舯水尺讀數(shù)作為試驗對象。人工目測水尺按照《進出口商品質(zhì)量鑒定規(guī)程 第2部分：水尺計重》(SN/T 3023.2—2012)的標(biāo)準(zhǔn)分析讀數(shù)。系統(tǒng)與人工讀數(shù)誤差絕對值≤0.01m認為識別準(zhǔn)確。吃水值自動識別系統(tǒng)與人工目測方法數(shù)據(jù)比對見表1。

表1 煤炭運輸船舶計重吃水值自動識別系統(tǒng)與人工目測方法數(shù)據(jù)比對

表1中，系統(tǒng)水尺值較目測值的誤差率見式(4) ：

E=(F-G)/G

(4)

式中，F(xiàn)為軟件分析水尺值，m；G為目測檢視水尺值，m。

從表 1 可以看出，100船次自動識別軟件的吃水值較目測方式誤差范圍在0.000～0.01m之間，平均誤差率為 0.058%，系統(tǒng)與人工讀數(shù)誤差絕對值小于等于0.01m的準(zhǔn)確率為93.26%，經(jīng)分析本系統(tǒng)對清晰、污損、銹蝕的字符識別可做到100%識別，不能準(zhǔn)確識別的原因均為水線識別偏差，而造成水線識別偏差的原因包括：光照、波紋、水質(zhì)、船體裝載線等因素。所拍攝的視頻中，清晰視頻占54.6%，污損視頻占37.8%，銹蝕視頻占7.6%，視頻樣本具有代表性。視頻像素為1920×1080，視頻時長為20s，六面水尺視頻平均處理時間為365s，最長處理時間小于430s。出具檢驗報告時間平均為52min，滿足港口對作業(yè)時效的要求。

4 結(jié) 論

1)研制了水尺圖像采集專用裝置，檢驗人員在煤炭運輸船甲板上即可完成六面水尺高清視頻拍攝并將數(shù)據(jù)無線傳輸。解決了檢驗人員需攀爬懸梯或乘船拍攝靠海側(cè)水尺視頻，降低了勞動強度，提高了作業(yè)效率和安全性。

2)開發(fā)了水尺計重自動識別專用軟件，實現(xiàn)了水尺字符符合標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)條件下，清晰、污損、銹蝕等特殊情況下的100%準(zhǔn)確識別，光照條件較好條件下吃水線位置的準(zhǔn)確識別，識別準(zhǔn)確率為93.26%。

3)運用傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)研制了船舶液艙液位專用測試裝置和港水密度測量專用裝置，提高了作業(yè)效率，消除了人工觀察讀數(shù)誤差。

4)該系統(tǒng)已在黃驊港應(yīng)用兩年多，解決水尺計重各環(huán)節(jié)人工觀測并記錄的落后狀況，提高了作業(yè)的科學(xué)性、安全性、公正性。