趙峰 李新照

1 設(shè)計新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)的

必要性

理貨是港口業(yè)務(wù)的重要組成部分，包括倉庫理貨和船方理貨，其中，船方理貨又稱為外輪理貨（以下簡稱“外理”）。外理公司為獨立于船公司和碼頭的第三方公司，其主要業(yè)務(wù)包括檢驗貨物的標號和殘損情況、貨物裝船情況以及在卸船時分配集卡任務(wù)等。傳統(tǒng)的外理作業(yè)采取現(xiàn)場操作方式，由船上和船下的理貨人員通過人工方式查驗箱號，判定箱損，核對船圖貝位等信息。由于碼頭作業(yè)現(xiàn)場工況復(fù)雜且環(huán)境惡劣，人工作業(yè)模式使理貨人員面臨人身安全隱患。

當(dāng)前，我國港口集裝箱吞吐量龐大。以青島港為例，2016年貨物吞吐量超5億t，其中集裝箱吞吐量超1 800萬TEU。一方面，物流業(yè)的快速發(fā)展對理貨效率提出更高要求，單純依靠人工查驗核對的理貨方式難以滿足市場需要；另一方面，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為智能理貨系統(tǒng)的進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)，光學(xué)字符識別、深度學(xué)習(xí)算法、電力線載波通信等新技術(shù)為新型智能理貨系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)支持。具體來講：電力線載波通信技術(shù)解決橋吊球機視頻和圖片傳輸問題；深度學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)箱號、集卡車號識別；利用可編程邏輯控制器數(shù)據(jù)可實現(xiàn)貝位識別。相較于現(xiàn)有的集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)，新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)大大改善視頻傳輸質(zhì)量，解決多橋吊作業(yè)時視頻傳輸延遲的問題，并采用可編程邏輯控制器坐標數(shù)據(jù)結(jié)合循環(huán)更新基準貝位的方式，大大提高貝位識別準確率。此外，新型智能理貨系統(tǒng)的應(yīng)用可借助現(xiàn)有設(shè)備，有利于港口企業(yè)節(jié)約資金成本。

2 新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)可自動識別箱號、集卡車號和貝位。如圖1所示：理貨作業(yè)開始前，導(dǎo)入艙單和預(yù)配船圖信息；以吊具閉合信號為起始作業(yè)信號，當(dāng)?shù)蹙唛]合抓箱時，工控機實時接收來自可編程邏輯控制器的位置信息。當(dāng)?shù)蹙哌M入工控機設(shè)置的預(yù)置區(qū)域時，球機按照設(shè)定的參數(shù)進入抓拍等待狀態(tài)；當(dāng)?shù)蹙哂|發(fā)抓拍區(qū)域時，球機抓拍集裝箱2個大側(cè)面、2個小側(cè)面、車頂號的圖像并將之傳送至識別服務(wù)器，從而實現(xiàn)箱號和車號識別及殘損檢驗。根據(jù)基準貝位進行貝位識別，即：第一個作業(yè)箱需要人工確定箱位并將之設(shè)置為基準貝位；貝位識別正確后，將當(dāng)前貝位設(shè)置為基準貝位，以之取代之前設(shè)置的基準貝位，實現(xiàn)基準貝位隨作業(yè)工況及時更新。

新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、貝位識別系統(tǒng)等組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，作業(yè)集裝箱進入抓拍區(qū)，球機抓拍集裝箱側(cè)面和車頂號圖像；然后，將圖像送入后端相應(yīng)的算法程序進行箱號、箱位、貝位、殘損識別；最后，將識別結(jié)果上傳至理貨平臺。

3 新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖3所示，集裝箱視頻和圖像采集可通過安裝在橋吊上的球機完成。單箱作業(yè)時，海側(cè)梁和陸側(cè)梁球機各抓拍2張圖像，集裝箱小側(cè)面和車頂號球機各抓拍2張圖像；雙箱作業(yè)時，球機按先后順序抓拍。通過對比集裝箱海陸側(cè)面和小側(cè)面的車號得到箱號，通過識別算法得到車頂集卡車號。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

將橋吊上8個球機采集的視頻信息實時傳送至理貨人員的監(jiān)控器需要帶寬約80 Mb/s的無線網(wǎng)絡(luò)。若碼頭網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，在作業(yè)船舶較多時，常常會出現(xiàn)視頻傳輸延遲現(xiàn)象，造成理貨人員無法及時查看集裝箱裝卸位置，影響理貨操作。針對此問題，可以采用電力線載波通信技術(shù)解決。電力線載波通信技術(shù)能夠借助現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，主要適用于不便鋪設(shè)光纖或無線網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)環(huán)境。與無線網(wǎng)絡(luò)相比，電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、延時短、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，電力線載波器按套（1對）使用，配置在接通的電力線兩端，可自主連接提供網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路。碼頭橋吊采用10 kV電纜供電，與低壓電力線載波器不同，中壓電力線載波器多采用中壓局端電力線網(wǎng)橋與中壓電力線載波電感耦合器相結(jié)合的實現(xiàn)方式。

橋吊電力線載波器工作原理如圖4所示。球機通過網(wǎng)線與電力線連接，電力線網(wǎng)橋與電感耦合器連接；視頻信號通過耦合器加載到10 kV供電電纜，接收端通過耦合器將接收到的視頻信號傳送至電力線網(wǎng)橋；多個接收端通過交換機將多路信號經(jīng)光纜傳送至理貨中心監(jiān)控室。橋吊電纜長約400 m，電力線載波器可以滿足100 Mb/s帶寬的傳輸要求。視頻信號通過電纜傳送至橋吊下電纜井，理貨中心至電纜井處鋪設(shè)通信光纜。

3.3 圖像識別系統(tǒng)

3.3.1 箱號和車號識別

橋吊海側(cè)和陸側(cè)大梁上安裝的球機負責(zé)抓拍集裝箱大側(cè)面箱號圖片，右側(cè)連系梁上的球機負責(zé)抓拍集裝箱小側(cè)面圖片，左側(cè)連系梁上的球機負責(zé)抓拍車頂號圖片。工控機內(nèi)設(shè)置預(yù)置點區(qū)和抓拍區(qū)場景，預(yù)置點區(qū)調(diào)用球機進入抓拍設(shè)置。當(dāng)可編程邏輯控制器檢測到吊具進入抓拍區(qū)時，球機抓拍相應(yīng)箱號和車號圖片。球機抓拍的圖片信號一路傳送至橋吊控制室的識別服務(wù)器，通過其內(nèi)置的深度學(xué)習(xí)算法得到箱號和車號識別結(jié)果；另一路通過電力線載波器和光纜傳送至理貨平臺的存儲設(shè)備。裝船作業(yè)對集卡車號識別的要求不高，無須識別車號。卸船作業(yè)時，集卡須將集裝箱送至堆場，所以需要綁定車號與箱號；理貨人員確認箱號和車號后，集卡司機才能接收到相應(yīng)的堆場位置信息。

箱號和車號識別流程如圖5所示。球機抓拍的箱號識別圖像為整個箱面，實際上箱號識別只需要箱號部分的圖片信息即可；因此，劃定識別區(qū)域可以減少計算量，提高識別速度。在設(shè)置抓拍場景時，將圖像中包含箱號的部分劃定為識別區(qū)域，系統(tǒng)只針對識別區(qū)域進行圖像預(yù)處理。

3.3.2 箱損和驗殘

集裝箱箱體在運輸和裝卸過程中可能發(fā)生污損、凹陷甚至破損，外理人員需要確定造成箱損的責(zé)任方。在傳統(tǒng)箱損驗殘工作模式下，箱損由作業(yè)現(xiàn)場理貨人員人工判斷；在新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)模式下，可以借助箱號識別所采集的圖片，通過相應(yīng)的識別算法完成箱損驗殘工作。

傳統(tǒng)箱損驗殘工作積累大量箱損圖片，海關(guān)對不同箱損有固定的分類方式，并按損壞情況劃定不同的箱損代碼。在此基礎(chǔ)上，基于深度學(xué)習(xí)算法的箱損識別模型應(yīng)用流程如下：首先，對圖片進行預(yù)處理，將圖片按照殘損類別分類整理，并為圖片添加不同的殘損標簽；然后，利用預(yù)處理后的圖片訓(xùn)練箱損識別模型；箱損識別模型建立后，將采集的集裝箱各側(cè)面圖片輸入模型即可完成殘損檢驗。

3.4 貝位識別系統(tǒng)

貝位識別比箱號和車號識別的難度更大。大型集裝箱船體較寬，受遮擋因素影響，艙底和較低位置會存在死角，導(dǎo)致圖像識別難度較大；此外，風(fēng)浪造成的船舶上下和左右方向的運動均會對貝位識別精度造成影響。鑒于此，可采用可編程邏輯控制器位置數(shù)據(jù)循環(huán)更新基準貝位。基于可編程邏輯控制器位置信息的貝位識別系統(tǒng)依據(jù)吊具開閉鎖信號和橋吊運動的位置信息計算和識別貝位。

3.4.1 裝船貝位識別流程

（1）導(dǎo)入艙單信息，配置橋吊，進入裝貨操作界面。

（2）吊具閉鎖取箱。

（3）將箱號識別結(jié)果傳送至理貨平臺。

（4）吊具開鎖著箱。

（5）判斷是否為第一個作業(yè)箱：若為第一個作業(yè)箱，則人工核定貝位并設(shè)置為基準貝位；若非第一個作業(yè)箱，則根據(jù)所設(shè)置的基準貝位計算貝位。

（6）對比預(yù)配貝位與識別貝位，若不一致，則報警提醒。

（7）將當(dāng)前位置設(shè)為基準貝位，開始下一鉤作業(yè)。

3.4.2 卸船貝位識別流程

（1）導(dǎo)入艙單信息，配置橋吊，進入卸貨操作界面。

（2）吊具取箱閉鎖。

（3）識別箱號和車號，并將識別結(jié)果傳送至理貨平臺。

（4）放箱至集卡，開鎖著箱。

（5）判斷是否為第一個作業(yè)箱：若為第一個作業(yè)箱，則人工核定貝位并設(shè)置為基準貝位；若非第一個作業(yè)箱，則根據(jù)所設(shè)置的基準貝位計算貝位。

（6）對比預(yù)配貝位與識別貝位，若不一致，則報警提醒。

（7）將當(dāng)前位置設(shè)為基準貝位，開始下一鉤作業(yè)。

3.4.3 數(shù)據(jù)格式

裝卸船作業(yè)箱位的計算基于所設(shè)定的基準貝位，位置信息通過可編程邏輯控制器坐標數(shù)據(jù)發(fā)送，其數(shù)據(jù)格式如下。

（1）可編程邏輯控制器通信狀態(tài)信息 recv：receive，接收。len：8，接收到的字節(jié)長度為8。

（2）吊具信息 cl：close，0為開鎖，1為閉鎖。open：0為閉鎖，1為開鎖，與cl互斥。IsTouch：0為未著箱，1為著箱。IsDoubleBox：0為單箱，1為雙箱。Is20Inch：0為20英尺集裝箱，1為非20英尺集裝箱。Is40Inch：0為40英尺集裝箱，1為非40英尺集裝箱。Is45Inch：0為45英尺集裝箱，1為非45英尺集裝箱。

（3）小車運動信息 x：可編程邏輯控制器橫坐標，由陸側(cè)向海側(cè)增大，單位為cm。y：可編程邏輯控制器縱坐標，由下向上增大，單位為cm。

4 結(jié)束語

新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)通過電力線載波設(shè)備解決數(shù)據(jù)傳輸問題，利用深度學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)箱號、車號識別和箱損檢驗，通過可編程邏輯控制器坐標數(shù)據(jù)計算得到集裝箱貝位信息，并通過基準貝位循環(huán)更新的方式提高貝位識別精度。與傳統(tǒng)理貨系統(tǒng)相比，新型集裝箱碼頭智能理貨系統(tǒng)在提高理貨效率、降低理貨人員工作強度等方面具有明顯優(yōu)勢。