陰雨蒙蒙

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.國家煤炭質(zhì)量檢驗檢測中心，北京 100013)

0 引 言

隨著黃驊港煤炭吞吐量的增多，煤炭下水量連續(xù)3年位居國內(nèi)首位，且呈上升趨勢，均已超過2億t。黃驊港煤炭裝船機全自動和5萬t電煤船舶重載雙向通航的實現(xiàn)代表著煤炭裝船工作效率的大幅度提升，已基本形成了圍繞煤炭等貨物的高效、專業(yè)化運輸系統(tǒng)。煤炭主要貿(mào)易運輸方式以船舶水運為主，隨著船舶運的發(fā)展，水尺計重作為大宗散貨交易中商品的結(jié)算、糾紛處理、計算運費等的依據(jù)之一[1-10]，準(zhǔn)確的計量結(jié)果對保護船東、賣家和買家的利益都具有極為重要的意義。因此，作為煤炭交易計量依據(jù)的水尺計重工作將面臨嚴(yán)峻的考驗，主要表現(xiàn)在水尺計重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和水尺計重的效率上。

隨著科技的進步和檢測手段的多元化，人們期望通過圖像識別技術(shù)、數(shù)學(xué)算法模型升級、機器人或無人機拍攝載體等技術(shù)引入，以期實現(xiàn)進一步提高檢測準(zhǔn)確度，并盡可能排除人為誤差[11]。冉鑫等提出了1種具有代表性的智能識別方式，即基于圖像處理的船舶水尺刻度識別方法和船舶吃水線檢測方法，刻度識別是利用三叉點特征構(gòu)造模板數(shù)組進行字符分類，然后與構(gòu)造的模板匹配進行水尺字符識別，吃水線識別檢測采用的是Canny算子和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合的辦法，刻度識別和水線識別為船舶吃水值的計算打下良好的基礎(chǔ)[12]。

科學(xué)先進的智能識別方式能減少傳統(tǒng)方式人為主觀因素對鑒定結(jié)果的影響，隨著煤炭船舶智能水尺計重技術(shù)(以下簡稱智能水尺計重技術(shù))的應(yīng)用和發(fā)展，不斷修復(fù)傳統(tǒng)水尺計重方式的短板。筆者將以黃驊港開展智能化水尺計重項目為例，結(jié)合現(xiàn)場各鑒定環(huán)節(jié)的工作情況，對六面吃水觀測、設(shè)備構(gòu)成、數(shù)據(jù)的采集與計算等方面提出針性的問題及意見，不斷提高準(zhǔn)確性及工作效率，為智能水尺計重的軟件、硬件、大數(shù)據(jù)生態(tài)方面的研發(fā)方向提供參考。

1 智能水尺計重技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

1.1 煤炭船舶六面水尺的觀測

水尺標(biāo)記是表明船舶吃水深度的尺度數(shù)據(jù)，也是表征整船貨物重量的主要測量參數(shù)。人工觀測法是當(dāng)前水尺計重行業(yè)使用最廣泛的測定方法，水尺計重人員站在岸邊或爬舷梯、坐小船的方式對六面水尺進行觀測。傳統(tǒng)的人工觀測容易受到風(fēng)浪影響[13]，不但工作效率低，而且在攀爬作業(yè)過程需要防范諸多的安全風(fēng)險，該方法得出的吃水值受人為因素影響比較嚴(yán)重，準(zhǔn)確度不高[14]，使目測得到的數(shù)據(jù)帶有很大的主觀性。

隨著圖像處理技術(shù)的日益發(fā)展與完善，圖像處理技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用到船舶水尺檢測研究工作中[15]。目前，筆者單位在現(xiàn)場引入智能化水尺識別系統(tǒng)，使用手持錄像設(shè)備對船舶六面吃水進行拍攝、識別、分析，得出船舶六面數(shù)值。該系統(tǒng)基本滿足代替人工觀測。

但通過現(xiàn)場工作實踐中了解到，在一些特殊情況下如船舶長期航行于海上時，船體會飽受侵蝕與摩擦碰撞，導(dǎo)致水尺標(biāo)記脫漆或者水尺標(biāo)記變形腐蝕[16]，易出現(xiàn)智能化讀數(shù)系統(tǒng)識別異?；蜃R別時間延長的情況。

智能化讀數(shù)識別對比如圖1所示。

圖1 智能化讀數(shù)識別對比Fig.1 Identify comparison charts of intelligent reading

1.2 水尺計重設(shè)備

目前筆者單位現(xiàn)場所使用水尺計重設(shè)備包含六面水尺智能識別系統(tǒng)、水尺伸縮桿、支架、防水?dāng)z錄一體機、補光燈、執(zhí)法記錄儀、油水艙測量管內(nèi)窺鏡、油水艙液體提取和排出驗查器、 取水器、密度計、鋼卷尺、量油尺等。以上設(shè)備為六面水尺觀測、油水艙測量、油水艙查驗、海水密度測量等工序提供幫助。

多種多樣的設(shè)備是保障水尺計重工作順利開展的基礎(chǔ)，但對于鑒定人員來說，在有限的時間內(nèi)，攜帶并使用各種設(shè)備準(zhǔn)確的實現(xiàn)重量鑒定也是一大考驗?，F(xiàn)有的硬件設(shè)施是采用直接購買市場現(xiàn)有的多家品牌產(chǎn)品進行組合，缺少特性和針對性。以防水?dāng)z錄一體機為例，需滿足遠程遙控、光學(xué)變焦、防水防塵、耐寒耐熱的需求，而市面現(xiàn)有多家品牌其性能、工作特點無法完全適應(yīng)及覆蓋水尺計重智能化設(shè)備的需求。所以，設(shè)備集成度不高且未完成配套硬件自主研發(fā)等因素影響水尺計重設(shè)備智能化的發(fā)展。

1.3 水尺計重數(shù)據(jù)的采集與計算

水尺計重工作過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)龐大且復(fù)雜，包含貨運船舶信息、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、水域密度、六面水尺錄像、水油艙測深、船舶相關(guān)資料等。將水尺計重數(shù)據(jù)錄入至計算系統(tǒng)中計算貨物重量。鑒定人員全程佩戴執(zhí)法記錄儀對數(shù)據(jù)采集、計算過程進行全程監(jiān)督。

繁多的計重數(shù)據(jù)逐一測量采集并準(zhǔn)確錄入對于鑒定人員來說具有挑戰(zhàn)性，鑒定人員需要經(jīng)驗豐富且精神高集中，防止漏采、漏錄，錯采、錯錄。為了提高鑒定工作的效率和鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般由2名鑒定人員同時進行鑒定工作，并采用雙人復(fù)核制，先由1名人員把所有采集數(shù)據(jù)錄入表格，再由另1名人員對錄入數(shù)據(jù)進行核對。

而人員在較短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、錄入，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤的現(xiàn)象，影響貨物重量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 智能水尺計重技術(shù)的發(fā)展方向及建議

2.1 智能水尺識別系統(tǒng)的升級

目前筆者公司均采用智能識別系統(tǒng)進行水尺計重重量鑒定工作，其結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了貨方、買方及船方的認可。

近年來，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，其中的圖像識別處理技術(shù)發(fā)展尤為迅速，航空、醫(yī)學(xué)和通信工程等[17-19]領(lǐng)域涌現(xiàn)出了很多基于圖像處理原理的圖像自動識別技術(shù)，而此項技術(shù)也同樣適用于船舶水尺計重行業(yè)，且需求量也越來越多。

為使智能識別系統(tǒng)更加準(zhǔn)確高效，公司目前應(yīng)用的該套系統(tǒng)仍會持續(xù)優(yōu)化改進、升級智能水尺識別系統(tǒng)來滿足各種條件下的水尺計重任務(wù)。在面對復(fù)雜多變的船況有不同的應(yīng)對方法，使用先進的技術(shù)將圖像分析進行升級。系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)、AI視覺優(yōu)化等技術(shù)，升級觀測和識別系統(tǒng)，優(yōu)化算法。例如：將錄制視頻上傳到升級的智能讀數(shù)系統(tǒng)后，系統(tǒng)先會對視頻抽幀，獲取達到要求的圖像，然后采用AI視覺技術(shù)，對局部圖像進行準(zhǔn)確尋找、識別，最后通過深度學(xué)習(xí)，自動識別出所需數(shù)據(jù)，并通過樣本量的積累不斷優(yōu)化進行升級迭代，使整個識別過程更加準(zhǔn)確高效。

通過我公司對智能識別系統(tǒng)不斷的優(yōu)化改進、升級，已基本解決因水尺標(biāo)志清晰度不夠?qū)е聼o法識別或識別時間較長的問題。

2.2 高集成度智能化一體化設(shè)備

建立聯(lián)合硬件開發(fā)團隊，將多種設(shè)備進行改造升級，針對智能水尺計重業(yè)務(wù)的特性和需求，對配套設(shè)施進行自主研發(fā)；集成多項技術(shù)，縮小設(shè)備規(guī)模，從而達到設(shè)備智能化集成化便攜化；解決當(dāng)前智能化設(shè)備集成度不高、未完成配套硬件自主研發(fā)、無法完全適應(yīng)及覆蓋水尺計重智能化的需求等問題。

例如，將原先分散的識別系統(tǒng)、防水?dāng)z錄一體機、手持終端集成在一起，形成智能水尺識別模塊，該模塊具備錄像、識別、分析的功能，同時具備適應(yīng)現(xiàn)場工作環(huán)境如三防、光變、體積輕薄等各項傳參數(shù)，簡化設(shè)備操作工序，提高人員工作效率。

2.3 智能水尺計重大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

研發(fā)配套智能水尺計重大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。利用5G技術(shù)[20]將人工采集、錄入變?yōu)橄到y(tǒng)采集，由智能水尺系統(tǒng)直接參與全部作業(yè)流程，隨時將數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器中，并直接對相關(guān)采集數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲，完成全部數(shù)據(jù)采集時系統(tǒng)便自動生成本次水尺計重貨物重量結(jié)果，整個過程高效化、透明化，在降低人工參與度的同時通過全程視頻記錄鑒定過程、有效還原工作現(xiàn)場，一旦發(fā)生貨物短重情況可為企業(yè)仲裁提供有力支撐，對船方也有一定的約束作用。

同時大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在全面、詳細地記錄各項數(shù)據(jù)資料的同時還能滿足諸如監(jiān)督、培訓(xùn)、管理等各項業(yè)務(wù)配套工作，并不斷擴充智能水尺深度學(xué)習(xí)的樣本量，滿足系統(tǒng)的升級迭代。水尺計重大系統(tǒng)構(gòu)想如圖2所示。

圖2 水尺計重大系統(tǒng)構(gòu)想Fig.2 Draft survey big system idea diagram

2.4 打造專屬水尺計重產(chǎn)品與樹立行業(yè)導(dǎo)向

目前水尺計重領(lǐng)域內(nèi)，通過自主研發(fā)的各項智能化工具種類繁多，從無人機[21]到爬壁機器人[22]、遙控船舶和手持?jǐn)z錄裝置，再到基于各種算法平臺設(shè)計出的圖像識別系統(tǒng)[23]，使得智能水尺作業(yè)的速度和精度不斷提高，各方都有自身的優(yōu)勢和不足，很多新技術(shù)和裝備的方案分散不能統(tǒng)一，港口方或委托研究機構(gòu)應(yīng)組織集中多方優(yōu)勢技術(shù)，共同設(shè)計開發(fā)適用于各煤炭港口專屬的智能識別系統(tǒng)，并根據(jù)不同煤炭港口現(xiàn)場的規(guī)劃和當(dāng)?shù)氐乃暮r等因素，因地制宜，融入“智慧港口”[24]的建設(shè)，有針對性地在碼頭泊位加裝岸基水尺計重智能識別硬件，真正做到智能化、一體化。

煤炭運輸船舶智能水尺計重的推廣過程中，市場往往會對新技術(shù)產(chǎn)生畏懼的心理，通過技術(shù)開發(fā)基及商業(yè)扶持，克服阻力并樹立正確的導(dǎo)向能為新技術(shù)的推廣起到關(guān)鍵的作用。智能水尺計重產(chǎn)業(yè)應(yīng)用目前缺乏一定的探索意識和風(fēng)險意識，尤其是當(dāng)新技術(shù)短時間無法取得良好收益時，市場容易敬而遠之，所以相關(guān)需求方可以自身水尺計重工作為依托，自主或委托相關(guān)機構(gòu)研究或升級現(xiàn)有智能識別系統(tǒng)，使其提供能完全滿足實際需要的服務(wù)，從商業(yè)上扶持智能水尺計重技術(shù)開發(fā)，打出品牌，逐步向全行業(yè)推廣智能化服務(wù)，同時與相關(guān)方合作，利用平臺優(yōu)勢，加大對新技術(shù)的推廣，提高智能水尺計重設(shè)備的競爭力。

3 結(jié) 論

(1)對智能水尺識別系統(tǒng)軟件進行升級，引入機器視覺等先進圖像識別技術(shù)同時加入深度學(xué)習(xí)的圖像處理技術(shù)，做到多環(huán)境下對水尺標(biāo)志準(zhǔn)確識別，既解決了水尺計重中檢驗人員人為因素的干擾，又成功消除了水尺標(biāo)志清晰度不夠帶來的無法識別及識別時間長的問題，可進一步提高準(zhǔn)確性和工作效率。

(2)打造高集成度智能化一體化設(shè)備，對于傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理、電源等模塊進行多功能集成設(shè)計，利用高密度多層電路板涉及，優(yōu)化各模塊空間，使用輕量、堅固和高強度的材料，精簡檢驗人員攜帶設(shè)備的尺寸和重量，減少檢驗人員的工序及多工序帶來的誤差。高集成度智能化一體化設(shè)備還能適應(yīng)多種場景，減少陽光下、夜間或者極端天氣下帶來的工作影響。

(3)建立完整的智能水尺計重大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對此項業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析等功能的程簡單化、透明化、高效化，同時對全流程可視化、數(shù)據(jù)安全性和隱私、信息管理和維護，以及業(yè)務(wù)培訓(xùn)等方面提供有利的保障和支持，并能配合“智慧港口”建設(shè)進行數(shù)據(jù)共享，其貨物裝卸數(shù)據(jù)可與港口運營和港務(wù)管理系統(tǒng)對接，有助于優(yōu)化港口資源分配，提高港口吞吐量和操作效率。

(4)水尺計重作為高效、準(zhǔn)確的計量方法，廣泛應(yīng)用于大宗散雜貨中。水尺計重結(jié)果是否準(zhǔn)確決定了貨物的價值，傳統(tǒng)方式一般存在人為主觀因素，鑒定結(jié)果的公正性會受到影響。在現(xiàn)代化智能技術(shù)的發(fā)展升級下，帶動著水尺計重業(yè)務(wù)需求也向著更加高效、準(zhǔn)確、智能的方向不斷提高，傳統(tǒng)水尺計重模式的短板也在發(fā)展的過程逐漸顯現(xiàn)出來，水尺計重工作方式由傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向智能是以后行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，從而在保證鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性的前提下，大幅縮減計重時間，滿足現(xiàn)場及港口的工作需求。