海運電廠船舶靠岸側水尺圖像采集實驗研究＊

程永林，岳益鋒，張方，覃楚祺，焦莉

海運電廠船舶靠岸側水尺圖像采集實驗研究＊

程永林1，岳益鋒1，張方2，覃楚祺1，焦莉1

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.福建華電可門發電有限公司，福建 福州 350000）

為了精準采集大宗載煤船舶靠岸側水尺圖像，通過在某海運電廠“T”形離岸式布置的7萬噸級卸煤碼頭開展現場實驗，探究了基于圖像識別技術進行水尺值智能識別對船舶靠岸側水尺圖像采集的要求。實驗結果表明，水尺值識別精度隨著圖像采集鏡頭與水面距離的增加而降低，隨著鏡頭與水尺標記在船舶縱向上的距離增加而降低；船舶靠岸側水尺圖像應在鏡頭正對水尺標記且距離水面2 m范圍內采集。

水尺計重；圖像識別；靠岸側水尺；圖像采集

1 引言

隨著中國社會經濟水平不斷提高，能源消耗量與日俱增。據海關總署海關統計數據顯示，2017年中國煤炭進口量達2.71億噸。因此，水尺重量鑒定的重要性日益凸顯。

傳統的方法不僅成本高、耗時長，而且難以保障作業人員安全。眾多專家學者針對如何測量水尺值的問題進行了廣泛的探索和研究。沈益駿等利用雷達液位測距技術研發了一套雷達水尺觀測裝置，測量水尺時測量儀用可移動三腳架放置于船舶主甲板上，雷達探頭旋轉出船舶舷側并垂直指向海面，該方法的測量值較真實值偏小且在船舶橫傾時難以給出準確數據。隨著圖像識別技術的不斷發展，眾多專家在基于圖像的水尺值智能識別方面付出了努力，成果豐碩。張振等[2]基于模板圖像配準和灰度采樣自適應閾值分割的思想，解決了水位值換算和水位線檢測的關鍵問題。截至目前，基于圖像的水尺值智能識別在理論和測量精度方面已較為完善和準確，通過無人機采集靠海側水尺圖像讀取靠海側三面水尺值的方法已在嵊泗港和太倉港應用。然而船舶靠岸側三面水尺的測量作為影響船舶重量鑒定精度的重要因素，目前依然采用乘坐小船或站在碼頭上目測水尺值的傳統方式，人員安全和測量精度難以保障。因此，本文提出通過圖像采集鏡頭獲取船舶靠岸側水尺圖像的方法，并且通過在某海運電廠卸煤碼頭開展現場實驗，探究基于圖像的水尺值智能識別技術對船舶靠岸側水尺圖像采集的要求。

2 實驗系統

2.1 實驗裝置介紹

實驗裝置如圖1所示，主要由智能球型攝像機、220 V交流電源、筆記本電腦三部分組成。

智能球型攝像機的型號為?？低旸S-2DF8231IW-AY星光級防腐蝕網絡高清高速智能球機，支持水平方向0°～360°、垂直方向-90°～-20°旋轉，具有31倍光學變倍、16倍數字變倍功能。攝像機安裝于長度為2.5 m的碳鋼支架。攝像機隨碳鋼支架懸掛于碼頭立面，采集船舶靠岸側水尺圖像。220 V交流電源主要用于攝像機供電。筆記本電腦用于攝像機鏡頭的方向控制、焦距調整和水尺圖像的采集存儲。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2 實驗方案介紹

鏡頭距水面不同高度時的圖像采集方案：受漲潮與落潮的影響，現場實際測量該海運電廠卸煤碼頭的水位變化最大可達10 m以上。在每天潮水水位最高時，海水水面距碼頭地平面在3.4～4 m。由于攝像頭通過配套自帶的壁裝支架安裝于定制的碳鋼支架，其總長度為3 m，可以利用潮水水位的變化采集鏡頭距水面0.4～7 m范圍內的水尺圖像。

鏡頭與水尺標記在船舶縱向上不同距離時的圖像采集方案：由于攝像頭安裝于定制的碳鋼支架且懸掛于碼頭立面，可以人工移動支架和其他實驗裝置采集鏡頭與水尺標記在船舶縱向上任意距離時的水尺圖像。

2.3 實驗原理

攝像機所采集的船舶靠岸側水尺圖像交與水尺圖像智能識別系統進行識別，具有多年水尺重量鑒定經驗的商檢人員乘坐小船目測水尺。通過對比水尺圖像智能識別系統得到的水尺值和商檢人員目測得到的水尺值，判定鏡頭應該處于什么位置。

其中，水尺圖像智能識別系統后端識別過程圖像如圖2所示，水尺圖像識別的結果符合水尺計重的準確度要求，已獲得商檢人員認可。

圖2 水尺圖像智能識別系統后端過程圖像

3 實驗結果及分析

3.1 圖像采集與乘坐小船目測的對比實驗

2019-07-01載煤船靠港，水尺重量鑒定時潮高約1.13 m，水面距離碼頭平面約為11 m，水面距離圖像采集鏡頭約為 8 m。圖像采集鏡頭采用水尺圖像智能識別系統識別水尺值與乘坐小船目測水尺值的對比實驗，如圖3所示。

（a）乘小船拍攝 （b）用圖像采集鏡頭拍攝

水尺鑒定人員乘坐小船接近水尺標志，目測水尺值為14.23 m。然而，通過圖像采集鏡頭獲取的水尺圖像由于刻度字嚴重變形，水尺圖像智能識別系統無法準確得出水尺值。由此可知，基于圖像識別技術進行水尺值智能識別對船舶水尺圖像的采集有一定的要求。

3.2 鏡頭與水面距離的影響

為探究圖像采集鏡頭與水面合適的距離范圍，在不同水位高度時進行了水尺圖像采集實驗。

圖像采集鏡頭距離水面越近，鏡頭采集水尺圖像中的水尺刻度變形越小，效果越好。通過水尺鑒定人員目測水尺值與水尺圖像智能識別系統識別的水尺值進行比較得出，在圖像采集鏡頭距離水面小于2 m的范圍內，識別值與目測值差異較小，相差不足0.02 m，識別值可用于水尺重量鑒定。然而，當圖像采集鏡頭距離水面大于2 m時，水尺刻度變形隨距離的增加而逐漸增大，識別值與目測值的差異呈指數級增長，識別值用于水尺重量鑒定誤差較大。

3.3 鏡頭與水尺標志距離的影響

為探究圖像采集鏡頭與水尺標志在船舶縱向上合適的距離范圍，鏡頭距離水面1.5 m和2 m時，在船舶縱向上鏡頭與水尺標志不同距離進行水尺圖像采集實驗。

在圖像采集鏡頭與水面的距離一定時，船舶縱向上鏡頭與水尺標志距離越大，水尺圖像中的水尺刻度變形越嚴重，效果越差。通過對水尺鑒定人員目測水尺值與水尺圖像智能識別系統識別的水尺值進行比較得出，在圖像采集鏡頭正對水尺標志（鏡頭距離水尺標志為0 m）時，識別值與目測值差異較小，相差不足0.02 m，識別值可用于水尺重量鑒定。然而，當圖像采集鏡頭距離水尺標志大于1 m時，識別值與目測值的差異較大，識別值用于水尺重量鑒定誤差較大。

4 結論

基于圖像識別技術進行水尺值智能識別對船舶水尺圖像的采集有一定的要求。水尺值識別精度隨著圖像采集鏡頭與水面距離的增加而降低；在圖像采集鏡頭距離水面小于 2 m的范圍內，識別值與目測值差異較小，識別值可用于水尺重量鑒定。水尺值識別精度隨著圖像采集鏡頭與水尺標記在船舶縱向上距離的增加而降低，采集水尺圖像時，鏡頭應正對水尺標志。

［1］沈益駿，李博，王鵬皓.雷達液位計測距技術在船舶水尺計重中的應用［J］.中國艦船研究，2017，12（6）：134-140.

［2］張振，周揚，王慧斌，等.標準雙色水尺的圖像法水位測量［J］.儀器儀表學報，2018，39（9）：236-245.

TP391.41；U692.73

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.016

2095－6835（2019）22－0055－02

程永林，助理工程師，主要從事智能燃料、船舶水尺計重相關工作。

中國華電集團有限公司海運電廠智能燃煤島模型設計及關鍵技術研究應用項目（編號：CHDKJ16-01-40）

〔編輯：嚴麗琴〕