船舶水尺智能識別技術的研究與進展

張 帥 朱學海 羅隕飛,2

（1．力鴻智信（北京）科技有限公司 北京 101312；2．中國質量檢驗協會煤炭專業委員會）

1 前言

我國已成為世界上港口吞吐量最多，增長速度最快的國家，在促進國家經濟發展方面，我國的港口特別是大型港口發揮著極其重要的作用，我國已經初步形成了圍繞煤炭等貨物的高效、專業化運輸系統。近年來，隨著我國社會經濟和工業建設的不斷發展，對于煤炭等重要的能源和原料商品有著持續增長的巨大需求。數據顯示，2017年我國港口完成貨物吞吐量1.2644×1011t，同比增長6.4%。其中，沿海港口和內河港口同比增速基本持平，分別為6.4%和 6.3%，完成貨物吞吐量分別為 8.625×109t和4.019×109t；完成外貿貨物吞吐量 4.002×109t，同比增長5.7%[1]。大宗散貨外貿進口量快速增長，煤炭的吞吐量增速有所加快，其中，外貿煤炭的進口量增幅超預期，進口量大幅增長。

這類大宗商品的主要貿易運輸方式為船舶水運，隨著船舶運輸業的發展,船舶載貨重量鑒定作為大宗散貨交易中商品的交接結算、處理索賠、計算運費和通關計稅等的依據，船舶載貨重量鑒定的準確度越來越受到人們的關注。船舶載貨重量鑒定可在出口時用作交貨或結匯的憑證，進口時作為到岸計價或短重索賠的依據，準確的計量結果對保護承運人、發貨人和收貨人的利益都具有極為重要的意義。因此，在我國煤炭等大宗貨物的貿易過程中，對貿易量的準確鑒定顯得越發重要，而船舶六面水尺吃水值的準確判定則是基礎。船舶六面水尺指的是在船舶的艏、舯和艉兩舷的位置上繪制的刻度，主要是用于估量船舶的吃水深度，是船舶計重和船舶積載安全評估的重要依據。

2 水尺計重人工觀測法

傳統人工觀測吃水[2]，是現今水尺計重行業使用最廣泛的吃水值測定方法，通常是專業的水尺計重工作人員在盡可能靠近吃水刻度線的位置通過人眼觀測直接進行讀數，其中，往往需要攀爬舷梯或租用小型船舶等水上交通工具才能實現，這就不可避免地增加了勞動成本和安全風險率，另外，該方法得出的吃水值受人為因素影響比較嚴重，準確度不高。后來工作人員改善了這一工作模式，采取手持錄像設備拍攝水尺標記位置的錄像后統一進行讀數的方法，情況稍有好轉，但總體而言仍然過于費時費力費財，并且會受到主觀和客觀因素的影響，導致最終的讀數誤差較大。

3 水尺計重智能識別技術

針對傳統的人工觀測吃水所帶來的各種問題，近年來各行業在新型化智能水尺識別技術的研究和應用方面做了較多研究工作，并取得了一定的成效，為當時及未來的水尺計重優化方式提供了借鑒及參考作用。

3.1 壓力傳感水尺

孫國元等[3]發明了一種雙壓力傳感器船舷吃水檢測法，該方法只需要兩個傳感器檢測到的壓力值，兩傳感器安裝間距以及偏下傳感器距船底的距離即可算出船舶吃水值，方法可排除“壓力～水深”檢測法中的水密度和重力加速度的影響，具備一定的創新性。但該方法需要保證兩傳感器始終處于水面以下，并且兩間距需要達到一定的數值才能保證測試精確度，利用該方法有可能無法測定船舶空載時的吃水值，液面的浪涌情況也對該方法準確度有比較大的影響，另外，壓力傳感器的更換成本也是一個比較大的問題。

3.2 超聲波水尺

李揚[4]研究出了一種基于超聲波測距的船舶液位檢測系統，該船舶液位檢測系統體積小、重量輕，但超聲波測量船舶液位距離是依照超聲波從水面反射回甲板所需時間乘上聲波傳輸速度來進行計算的，超聲波傳輸速度容易受到外界空氣密度的影響，而空氣密度又與溫度有著密切的關系，環境溫度變化時其傳播速度變化十分明顯，最終導致測量結果精確度不高。

3.3 激光測距水尺

陳文煒等[5]提出利用激光測距傳感器的方法進行船舶吃水值的測量，雖然激光具有測距遠、精度高的優勢，但是激光測距需要在水面鋪放經特殊處理過的反射板，用于激光傳感器接收反射光束，記錄花費時間以至最終能給出結果數據。當前，全國各大重要港區都在力促船舶快進快出，提高碼頭使用率，而激光測距過程煩瑣，測前還需鋪設反射板，顯然難以適應港區日常作業的要求。

3.4 六面水尺遙感觀測裝置

六面水尺遙感觀測裝置[6]，在小型遙控船上添加運動動態平衡捕捉相機，利用無線手持設備控制攝像機及船舶操控，最終實現實時動態水尺觀測及存檔。該觀測裝置可以實現船舶6個水尺的定點觀測，從而省去拖輪租賃費用，且一定程度地減少了水尺觀測作業時間，但是該裝置拍攝水尺視頻利用的是遙控小船，當大風浪天氣時小船的穩定性就會變差，嚴重時可能還會發生側翻等問題，另外小船的遙控信號的有無也是一個需要擔心的方面。

3.5 水尺無人機

水尺無人機[7]，在無人機上搭載攝像頭，水尺鑒定人員站在甲板上遙控操縱無人機的運轉，無人機飛至船邊吃水線刻度處進行觀測，通過高清攝像頭將觀測數據反饋到遙控設備上，將拍攝的圖像視頻進行實時分析處理，現場得出水尺讀數數據。該方法雖在一定程度上避免了人為因素的干擾，但在天氣多變，測試條件較為嚴苛的碼頭，無人機的控制問題仍是一個難以克服的關鍵點。

3.6 雷達水尺觀測裝置

沈益駿等[8]利用在石化行業廣泛應用于石油及制品上的雷達液位測距技術，研發出了一套雷達水尺觀測裝置，依據靠港船舶的實際應用環境，量身打造出了由雷達傳感器、固定支架、顯示器等共同組成的雷達水尺檢測裝置，該裝置在設計的驗證試驗中進行了試用。雷達裝置很容易受到電磁干擾的影響而不能正常工作，且吃水值的計算過程仍然需要翻閱船舶相關資料，增加了水尺工作時間。

3.7 耐波型水尺觀測儀

肖金峰等[9]設計出了一種耐波型便攜式船舶水尺觀測儀，在該觀測儀內部，水尺刻度處的液面波動比實際的液面波動要小很多，約為實際的10%左右，一定程度上可提高船舶在大風浪情形下的水尺觀測精度值和水尺計重工作的安全性，但是該觀測儀的穩定性不足，晃動問題尚未得到有效解決，個人操作并不容易，藍牙攝像頭的視頻拍攝質量及其信號傳輸穩定性也是一個問題。

3.8 圖像識別水尺

隨著圖像處理技術的日益發展與完善，圖像處理技術陸續被應用于船舶水尺檢測研究工作中，彭將輝[10]、冉鑫[11]、劉曉杰[12]、陳賀璋[13]等人相繼利用圖像處理技術對船舶水尺圖像進行分析和檢測，利用該方法取得的船舶吃水數據，可以避免人工目測所引起的主觀意向問題，也可以準確完整地記錄吃水數據，便于后續數據查詢，避免貿易糾紛。采用圖像處理技術可以使人與計算機優勢互補，提高測量效率與測量數據的準確性[14]。但一般的圖像處理技術處理結果好壞對水尺標記數字、水尺液面以及水尺視頻或圖片拍攝等情況的優劣存在較大的依賴性。一般情況下，船舶長時間航運過程中船體難免會與海中的各種物體發生摩擦碰撞，導致標記數字留下劃痕或者掉漆甚至嚴重腐蝕；現場吃水線附近光線過暗或過亮，船體背景顏色不統一，水質渾濁度紛繁復雜導致顯現出的水體顏色各不相同，這些將對數字及吃水線的識別檢測增加很大的困難，識別和定位準確度會大打折扣。鑒于前人做過的大量研究工作的基礎之上，基于圖像處理技術，利用機器視覺和深度學習技術研究出了Leon-IDSS智能水尺測定系統，用于碼頭船舶的水尺計重工作，取得了良好的應用效果。

4 基于圖像處理技術的智能水尺測定系統

基于圖像處理技術的Leon-IDSS智能水尺測定系統包括船舶吃水影像采集系統（硬件系統）和數據圖像處理分析系統（軟件系統）兩部分，兩系統之間彼此相連，具體見圖1所示。

圖1 Leon-IDSS智能水尺測定系統組成示意圖

4.1 船舶吃水影像采集系統

影像采集系統主要用于吃水影像的采集，該系統操作簡便。便攜式自動攝像裝置可在甲板和岸邊輕松實現對水面上吃水情況視頻的拍攝，搭載自動補光設備，不管是白天還是夜間均可實現良好的拍攝效果。系統拍攝的水尺視頻可實時傳輸到移動設備、計算機、管理系統等，通過信息化管理系統對視頻拍攝、傳輸、軟件計算的全過程進行實時監控，排除了人為因素的影響。船舶吃水影像采集系統性能穩定，可廣泛應用于各種場合（包括大風浪情況）的水尺計重工作。

4.2 數據圖像處理分析系統

如圖2所示，數據圖像處理分析系統操作界面由操作控制、圖像讀數、視頻預覽、圖片顯示和水位讀數散點圖等5個區域組成，影像采集系統采集的視頻上傳到數據圖像處理分析系統后，分析系統首先會對視頻采用抽幀轉換技術，獲取滿足識別要求數量的圖像文件，然后采用機器視覺技術，對局部二值化圖像中的水線、數字進行準確定位、識別，最后采用基于神經網絡的深度學習算法，自動計算出圖像中船舶被測位置的吃水數。整個分析測試過程無須人工干預，視頻單幀分析時長≤0.3s，六面水尺吃水深度識別總時長≤8 min，由圖像處理分析系統計算并確定的船舶吃水值，與SN/T 3023.2—2012《進出口商品質量鑒定規程 第2部分：水尺計重》要求的水尺計重方法相比，誤差可以控制在0.1%以內。

圖2 數據圖像處理分析系統區域組成和視頻檢測

4.3 Leon-IDSS智能水尺測定系統的應用實踐

為了驗證智能測定系統的準確性和可靠性，在黃驊港和天津港對系統的測試分析效果進行了現場測試試驗，共拍攝100余艘船，獲取了300多個水尺視頻用于智能測定系統和按照SN/T3023.2—2012《進出口商品質量鑒定規程 第2部分：水尺計重》的標準分析讀數，智能測定系統的讀數精度為0.001 m，標準讀數精度為0.01 m。試驗結果得出，系統讀數和標準讀數的差值平均值為0.00745 m，二者讀數差值在-0.01～0.01 m的范圍內的比率為93.069%，系統讀數結果已十分接近標準讀數，滿足與按標準讀取水尺計重方法相比，誤差控制在0.1%以內的目標需求。

5 結論

輪船載貨水尺計重結果的準確與否直接決定了貨物的價值，傳統方式下存在人為因素主觀情感與客觀因素對于觀測結果的干擾，最終結果的公正性也會因此受到影響。通過智能化和信息化手段不斷改善水尺計重工作方式，體現水尺計重工作的準確性與公正性。在準確性的基礎上進一步優化視頻拍攝速度及軟件處理速度能夠有效縮短水尺計重的工作時間，為港口的吞吐效率提升提供可靠的技術支持。