港口集裝箱起重機吊具自動定位技術改進

李坤蓮+吳琤+余滿+蔡宇航+邱澤偉

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

關鍵詞：集裝箱港口；自動定位；起重機吊具

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

近年來，社會經濟發(fā)展對件雜貨碼頭裝卸工藝提出新要求。港口件雜貨裝卸生產囊括了船舶、貨物、設備、場地等多種因素，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卻普遍存在自動化水平較低、生產成本高、裝卸效率無法滿足需求的問題。對于我國社會經濟發(fā)展前進重要一部分的件雜貨碼頭而言，傳統(tǒng)的手動控制抓取集裝箱已經極大的影響了生產效率和裝卸速度，基于此本文對將圖像識別技術引入集裝箱抓取自動化，及其優(yōu)化進行研究與探討。

1. 港口集裝箱起重機吊具的控制方法

隨著自動化運輸系統(tǒng)的開發(fā)及應用，集裝箱港口運輸環(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。可是裝卸操作作業(yè)仍依賴于人工操作。

1.1集裝箱裝卸工藝及其特點

集裝箱運輸需要高效配合，適用于大規(guī)模生產。作為海陸聯(lián)運的樞紐，集裝箱港口是海上運輸和陸上運輸?shù)倪B接點。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、跨運車方式、龍門吊方式（亦稱場橋方式）。為了裝卸的便利，海陸聯(lián)運的集裝箱都采用國際標準集裝箱，所以裝卸機械要符合國際集裝箱的作業(yè)規(guī)范，要使用集裝箱專用機械。

1.2傳統(tǒng)的集裝箱起重機裝卸

港口起重機采用集裝箱吊具來裝卸集裝箱，是集裝箱碼頭作業(yè)的主要機械設備。現(xiàn)階段，集裝箱的提升、放置仍需要專業(yè)人員在操控室中進行人工操作。

操作室里的控制人員通過操縱設備移動吊具，當移動至集裝箱正上方時再放下吊具；在吊具降至箱面時，在確認箱頂面鎖孔對準無誤后，插入并旋轉鎖頭固定集裝箱，即完成吊具鎖孔工作。然而，大型港口起重機控制室普遍高達幾十米，操作人員主要靠肉眼判斷鎖孔與鎖頭的相對位置，如有障礙物遮蔽，并且集裝箱的鎖孔很小，四個鎖頭同時固定難度極大，控制人員在操作時難以完成吊具鎖孔固定工作，從而導致裝卸時間延長，裝卸效率降低。即使控制人員對低處的吊運機和叉車進行操控，也難以實現(xiàn)鎖頭的準確鎖孔。

1.3起重機吊具自動化發(fā)展現(xiàn)狀

經濟全球化的發(fā)展也帶動了集裝箱航運業(yè)的飛速發(fā)展，集裝箱船舶的大型化，對裝卸的高速化提出新要求。現(xiàn)在已有一些國內外自動化集裝箱碼頭實踐的范例。日本名古屋TCB碼頭水平運輸為AGV，堆場設備選擇ARTG，并在前沿碼頭設置岸邊集裝箱起重機，此外，為實現(xiàn)集裝箱箱號和卡車號的自動采集，該碼頭使用了無線射頻識別（FRID）技術及光學字符識別（OCR）技術；德國漢堡港CTA碼頭的水平運輸選用AGV，應用計算機模擬技術對碼頭進行路徑規(guī)劃設計和設備調度；意大利FATA碼頭選取起重機-高架橋-立體倉 的模式，使小車運行時的定位更為精確，也減少了裝卸次數(shù)以及對岸線的占用，上海外高橋集裝箱自動化碼頭采用高效環(huán)保型集裝箱碼頭全自動化裝卸系統(tǒng)，借助現(xiàn)代港口集裝箱物流智能化、數(shù)字化管理平臺，港口集裝箱綜合作業(yè)效率提高5%一8%，堆場能力比國際上幾乎高出一倍。新型岸邊集裝箱起重機能夠提高吊具與船上集裝箱對位的準確性，同時采用雙梁結構，運用載重小車擔負集裝箱在水平方向的運輸，裝卸效率顯著提高。

圖像識別技術作為人工智能的一個重要部分，隨著它的發(fā)展，其應用范圍也越來越廣。光學字符識別（OCR）技術及自動導引車系統(tǒng)（AGV）技術等都涉及到圖像識別技術，勢必會給港口起重機吊具自動化發(fā)展帶來新的機會。

2.利用圖像技術對集裝箱起重機吊具精確定位技術的研究

2.1國內外研究現(xiàn)狀

當今的集裝箱港口應用了如：RFID技術、GPS技術、自動導引車系統(tǒng)技術AGVS（automated guided vehicle system）、信息管理系統(tǒng)技術、決策支持系統(tǒng)技術、自動場吊ASC技術等新技術。這些新技術的引進，降低了人力資源投入以及港口操作的失誤率，實現(xiàn)了港口資源的實時調度，從而提高了整個港口工作效率，增強了港口的競爭力。

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

（1）以集裝箱為對象的圖像成像原理的研究

清華大學核能技術研究院的吳志芳等人利用輻射成像原理實現(xiàn)集裝箱的檢測。張廣軍主要利用MATLAB進行仿真，對集裝箱的破損部位（孔洞）進行了數(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識別，為碼頭、堆場、海關管理邁向自動化解決了最基本最關鍵的問題。李如松，何彬，楊杰研究了基于集裝箱γ射線檢測的圖像處理[1]。

（2）集裝箱識別與定位的研究

張森、傅圣雪提出了MATLAB平臺下的集裝箱識別定位的新方法，并結合實際情況采取邊步長平移搜索方案，進一步提高了系統(tǒng)速度，滿足系統(tǒng)實時性的要求。陳丹研究了關于圖像識別系統(tǒng)的集裝箱精確定位的圖形處理。謝丁龍研究編寫上位機與運動控制器的通訊協(xié)議，完成了根據實際的集裝箱裝卸環(huán)境設計構造的模擬集裝箱裝卸系統(tǒng)。武玉升利用單片機基于以太網通訊實現(xiàn)吊橋集裝箱裝卸的遠程定位，司機通過駕駛室內的顯示器和語音提示系統(tǒng)，就能實時掌握集裝箱的位置。肖洋研究了吊具、集裝箱、卡車所構成的裝卸系統(tǒng)的集裝箱定位[1]。

國外的學者Hee-Joo Yoon，Young_Chul Hwang and Eui-Young Cha提出了基于雙目立體視覺系統(tǒng)的集裝箱裝卸自動化集裝箱實時監(jiān)測與定位，為集裝箱自動化裝卸提供了更深入的研究。

（3）集裝箱自動定位的研究成果轉化

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

德國西門子公司SIEMENS AG（DE）的專利（專利號：DE10107048）涉及了一種集裝箱起重機裝卸方法，也適用于集裝箱船舶運輸裝卸作業(yè)。在起重機駕駛室中采用帶有監(jiān)視器的PC機，用過觸摸屏操作，根據預先設定的值能使起重機自動定位預期目標[1]。

2.2圖像識別技術的基本流程與原理

在實驗室模擬試驗后，結合畫面獲取時間、集裝箱識別率、計算機計算速度、和裝配維護成本多方面因素，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)。

所需攝像機數(shù)量為2個，型號為ZBS-002，放置于岸橋吊具對角抓腳處；工業(yè)一體式計算機1臺。為滿足夜間作業(yè)，需要在攝像機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.駕駛員手動操作岸橋，使抓具移動到集裝箱上空。按下“抓取”按鈕。

2.攝像頭獲取圖像，以矩形的特征抓取目標。

3.鎖定目標后，分別以A、B攝像頭作為橫、縱軸的基準點，大致判斷抓具與集裝箱的方位。

4.計算機運作，通過提前輸入的算法，計算出抓具所需移動的方向、距離。具體實現(xiàn)方法見下。

5.抓具勻速下降，與此同時計算機持續(xù)運算，不斷微調抓具位置，直至最后對準集裝箱。

6.抓具準確抓取集裝箱，駕駛員按下“確認“按鈕后，轉為手動操作。

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

2.3機器人的控制系統(tǒng)系統(tǒng)設計

機器人采用集中式控制，在操控室安放一臺微型計算機。在Windows10操作平臺下運行Open Source Computer Vision Library（簡稱opencv），進行圖像識別和計算，再將處理后的數(shù)據傳輸至抓具控制系統(tǒng)，抓具控制系統(tǒng)自動操作抓具抓取集裝箱，具體包括：①采用攝像頭對集裝箱進行圖像釆樣；②對采集的集裝箱圖像進行預處理；③進行圖像分割，提取待識別物體集裝箱；④進行集裝箱特征識別，特別是集裝箱的頂點特征，為集裝箱定位提供基礎；⑤進行集裝箱定位研究。

具體實現(xiàn)方法：

假設作業(yè)人員左側攝像機為A攝像機，右側攝像機為B攝像機。

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

2.通過相位差算法，抓具每次位移的距離為：抓腳與集裝箱相應抓取點差距的一半，位移結束后重復計算位移，直至差距小于3cm。

3.下放抓具，準確抓起集裝箱，再由作業(yè)人員移動載具。

選用相位差算法的原因如下：

①可以快速確定移動范圍。

②能有效減輕抓具因慣性的搖擺，對計算結果的影響。

③所需設備數(shù)量少，成本低。

3.結束語

集裝箱碼頭和裝卸實際情況復雜、隨機性大。關于港口集裝箱起重機吊具自動定位技術難題實際上還有很多，但是在這里就不贅述了，如果想實現(xiàn)港口集裝箱起重機吊具自動定位技術的真正智能，還是需要高度發(fā)達的人工智能機器人的支持。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吊具自動定位技術進一步智能化，高效化，還有一段很長的路要走。

參考文獻

[1] 陳丹.集裝箱圖像識別與定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[碩士學位論文].西南交通大學.軟件工程.2013.

[2] 王雪.基于機器視覺的港口集裝箱卸船定位識別系統(tǒng)[A].中國水運.2015（11）.

[3] 謝丁龍.基于計算機視覺的集裝箱定位系統(tǒng)的研究[碩士學位論文].天津：天津科技大學.檢測技術與自動化裝置.2006.

[4] 楊宇華.集裝箱自動化碼頭發(fā)展趨勢報告[A].中國工程機械學報.2015（06）.

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[7] 張廣軍.數(shù)字圖像處理在集裝箱檢測中的應用研究[碩士學位論文].哈爾濱工業(yè)大學.控制科學與工程.2008.

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