青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

近幾年來，進(jìn)出口業(yè)務(wù)量快速增長，各港口的集裝箱吞吐量迅猛提高。為了提高集裝箱識別速度，減輕人工作業(yè)負(fù)荷，減少安全隱患、提升設(shè)備作業(yè)效率，各大港口對集裝箱裝卸設(shè)備進(jìn)行智慧化、智能化升級。作為集裝箱裝卸設(shè)備重要組成部分的箱號識別系統(tǒng)，成為重點(diǎn)升級系統(tǒng)之一。

傳統(tǒng)集裝箱裝卸作業(yè)時，箱號、箱型等信息需要人工確認(rèn)，影響集裝箱碼頭作業(yè)效率。自動化軌道吊不同于常規(guī)的輪胎吊或軌道吊，由于其操控系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制中心，無法像常規(guī)設(shè)備直接透過司機(jī)室玻璃辨識集裝箱號，如果在遠(yuǎn)程控制中心通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行圖像辨識，將浪費(fèi)大量作業(yè)時間。將基于AI(人工智能)技術(shù)的箱號識別系統(tǒng)運(yùn)用到裝卸設(shè)備上，通過高清攝像機(jī)采集集裝箱號碼，經(jīng)過AI智能控制軟件處理分析并形成報文，通過光纖或5G無線通訊網(wǎng)絡(luò)將集裝箱信息傳送至TOS(碼頭作業(yè)管理系統(tǒng))，TOS根據(jù)報文將識別到的箱號和作業(yè)指令箱號作對比，判斷該集裝箱是否合法，整個處理過程在毫秒級，可大大提高作業(yè)效率。

2 智能集裝箱箱號識別系統(tǒng)的組成

集裝箱箱號識別系統(tǒng)由高清攝像頭、網(wǎng)路匯集交換機(jī)、計算機(jī)處理器、可視化設(shè)備組成。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與軌道吊控制系統(tǒng)及碼頭作業(yè)管理系統(tǒng)通訊。工控機(jī)通過交換機(jī)連接不同的攝像頭，通過串口、DP、IO等接口方式連接PLC，通過網(wǎng)口連接光纖交換機(jī)。識別軟件的主要功能是通過從PLC接口獲取的當(dāng)前PLC中信息，實(shí)現(xiàn)對攝像頭的控制以及數(shù)據(jù)采集功能，對采集到的圖像進(jìn)行識別，并通過光纖或5G網(wǎng)絡(luò)把圖像上傳到中心服務(wù)器，同時把識別結(jié)果發(fā)送到中心服務(wù)軟件。設(shè)備組成見圖1。

圖1 箱號識別系統(tǒng)組成

箱號識別系統(tǒng)的核心是基于AI的智能處理系統(tǒng)。智能處理系統(tǒng)主要包括圖像采集子系統(tǒng)、智能識別子系統(tǒng)、中心服務(wù)子系統(tǒng)、監(jiān)控管理子系統(tǒng)[1]。4個子系統(tǒng)充分體現(xiàn)模塊化系統(tǒng)集成的設(shè)計思想，借助碼頭生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)集裝箱號識別、ISO碼識別以及可視化管理等功能。圖2為箱號識別系統(tǒng)的AI智能系統(tǒng)組成圖。

圖2 箱號識別AI智能系統(tǒng)組成圖

(1)圖像采集子系統(tǒng)。ARMG海陸兩側(cè)作業(yè)，每側(cè)安裝4個攝像頭，共8個攝像頭用于箱號、ISO識別等。在ARMG作業(yè)過程中，圖像采集子系統(tǒng)通過PLC信號、集卡對位信號、視頻流等信息，在不同時間觸發(fā)不同攝像頭進(jìn)行拍攝，并進(jìn)行圖像預(yù)處理。

(2)智能識別子系統(tǒng)。在箱號識別系統(tǒng)的工控機(jī)內(nèi)部署AI智能處理軟件。AI智能處理軟件采用目前最先進(jìn)的AI人工智能技術(shù)，基于海量數(shù)據(jù)樣本、核心識別模塊針對箱號識別的復(fù)雜場景構(gòu)建專有深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用AI深度學(xué)習(xí)技術(shù)，定位出字符區(qū)域，再依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模板匹配相結(jié)合的方法進(jìn)行識別，可快速定位箱號位置，準(zhǔn)確識別箱號，有效解決字符殘損、粘連、外界光線、拍攝角度變化等識別困難的問題。AI深度學(xué)習(xí)算法，可持續(xù)不斷地訓(xùn)練迭代并完善算法模型，隨著使用時間的增長，不斷提高識別準(zhǔn)確性。

(3)中心服務(wù)子系統(tǒng)。中心服務(wù)器上部署中心服務(wù)軟件、FTP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫，中心服務(wù)軟件接收到識別軟件上傳的識別結(jié)果，并將識別結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時將識別結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控管理軟件顯示，轉(zhuǎn)發(fā)給TOS、ECS用于作業(yè)指令校核確認(rèn)等。

(4)監(jiān)控管理子系統(tǒng)。管理監(jiān)控平臺可部署在中控室，管理監(jiān)控平臺包含實(shí)時查看集裝箱圖片信息，查看并修改識別結(jié)果，查詢歷史數(shù)據(jù)及統(tǒng)計等功能。

3 箱號智能識別系統(tǒng)工作原理

集裝箱識別系統(tǒng)鏈接PLC、TOS等外部控制系統(tǒng)，當(dāng)?shù)蹙唛]鎖時由PLC發(fā)出識別使能信號，精準(zhǔn)觸發(fā)高清攝像機(jī)抓拍有效圖像數(shù)據(jù)，由AI智能識別模塊對圖像及數(shù)據(jù)分析處理，自動識別集裝箱號碼、箱型代碼等信息，服務(wù)器通過新加入的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)來持續(xù)完善識別系統(tǒng)的算法模型，同時將識別結(jié)果以約定好的報文形式，借助光纖、5G等通訊方式，上傳至TOS、ECS等作業(yè)管理系統(tǒng)，由TOS系統(tǒng)進(jìn)行信息校對，確認(rèn)目標(biāo)集裝箱是否和作業(yè)指令集裝箱相匹配，完成作業(yè)確認(rèn)。同時通過配備的顯示器可視化顯示本次識別信息。如果到訪集裝箱非法，系統(tǒng)將發(fā)出報警信息，請求人工介入；如果判斷結(jié)果為合法，則可進(jìn)行下一步工作。圖3為箱號識別系統(tǒng)原理圖。

圖3 箱號識別AI智能系統(tǒng)原理圖

4 圖像采集子系統(tǒng)的部署

圖像采集系統(tǒng)由安裝在軌道吊下橫梁的8個高清攝像頭組成，每側(cè)安裝4個攝像頭，根據(jù)集裝箱箱號分布特點(diǎn)，用于拍攝不同規(guī)格集裝箱的箱號目標(biāo)位置設(shè)定。具體分布如圖4所示，其中陸側(cè)位置的1#攝像機(jī)用于采集集裝箱前部箱號，2#攝像機(jī)用于采集20 ft集裝箱側(cè)面箱號，3#攝像機(jī)用于采集40 ft集裝箱側(cè)面箱號，4#攝像機(jī)用于采集集裝箱后部箱號；海側(cè)位置的5#攝像機(jī)用于采集集裝箱后部箱號，6#攝像機(jī)用于采集20 ft集裝箱側(cè)面箱號，7#攝像機(jī)用于采集40 ft集裝箱側(cè)面箱號，8#攝像機(jī)用于采集集裝箱前部箱號。位置檢測區(qū)域見圖5。

圖4 圖像采集系統(tǒng)分布圖

20 ft集裝箱海陸側(cè)抓拍 40 ft集裝箱海陸側(cè)抓拍 圖5 圖像采集系統(tǒng)俯視圖

5 結(jié)語

自動化作為港口發(fā)展的趨勢，必然需要集成越來越多先進(jìn)的技術(shù)，來提高碼頭作業(yè)效率，增加效益。智能箱號識別系統(tǒng)應(yīng)用于集裝箱碼頭堆場設(shè)備，與TOS、ECS系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自動化軌道吊裝卸作業(yè)過程中集裝箱信息自動識別和管理，改變傳統(tǒng)的人工確認(rèn)模式,提高港口堆場裝卸的工作效率，優(yōu)化操作流程，降低工作成本及提高操作安全性，實(shí)現(xiàn)碼頭自動化操作。