基于機器視覺的岸橋集卡定位系統探討

于代成 吳逸霏

摘要：當下經濟社會不斷發展，機器視覺技術被廣泛的應用于各行各業，尤其是在國內外港口自動化智能化的要求下，岸橋集卡定位系統也逐步取代了以往以人為主的對位方式。同時，岸橋集卡定位系統也不存在像激光雷達、GPS、電磁定位等自動化技術的應用范圍窄、技術成本高、操作難度難等弊端，能直接有效的以當下的技術手段進行延伸用較低的成本解決上述集卡定位難的問題。而且，基于機器視覺的岸橋集卡定位系統既能準確確定集卡定位點、工作區域車道等要素，還能同時對多點、多區域進行同步定位，高效智能的規劃安排了裝卸工作，有效提升了裝卸效率。本文主要探討了機器視覺技術在集卡定位系統中的設計思路、應用設計、操作流程和工作特點等基礎信息，目的在于為岸橋集卡定位系統開發提供一定參考。

關鍵詞：機器視覺技術;岸橋集卡定位;智能化;自動化

引言

科學技術不斷進步，很多機械設備已經在仿真擬人科技方面有了突破性的進展，一部分科技人員通過模擬人的思路構成思想的形態，也就是人工智能。而且在其中很關鍵的一部分就是對人的器官進行模擬設計、研究。目前，機械手臂的設計已經趨于完善，目前的模擬仿真重點就是人眼研究，也就是延伸出的電子攝影機、照相機等基礎科技產品的再創造。雖然攝影機、照相機已經能夠勝任信息收集、分類的進程，但是在信息的處理、分析方面還是有許多可突破的點的，本文就主要探討了機器視覺在岸橋集卡定位系統方面的應用特點。

一、機器視覺技術特點

近幾年，智能視覺系統逐步進入了車輛定位的操作系統中，并取得了一些進展。Ahmed根據即時的路況AVI視覺數據，利用貝葉斯更新框架即時作出交通規劃，進而推測交通事故的發生概率。數據表明，這種方案對追尾事故的預測正確率到了75.93%，對車輛碰撞事故的預測正確率為72.92%。而元海文、肖長詩等人應用單目視覺檢測車輪來定位車輛[1];YCai則應用單目和雙目視覺來跟蹤車輛[2]。但是，這兩種應用手段都不能及時判斷集卡工作狀態、工作區域情況，很難應用在環境極度復雜的港口集裝箱領域。

機械視覺技術是信息技術的一種，它是由計算機技術、圖像處理算法、人工智能、機械自動化、光學以及仿真學等學科共同構成。機械視覺主要就是由計算機模擬人的眼睛，由此得到所視物體的相關信息和所處環境相關信息，進而完成機械自動化生產。利用視覺引導系統來擬真人的眼睛和大腦對信息的交流，以此來對所視物體進行分析，這樣就實現了對人眼視覺的解放和擴充。而且，機械視覺在精度、穩定度、安全度、記錄廣度上都要遠遠強于人眼視覺，機械視覺還有著更全面的資源校正機制。在重復、機械、高精度、高強度的工作環境中，機械視覺有著更為寬廣的前景。所以，在環境復雜、應用強度高的港口，岸橋集卡的定位最好應用機器視覺技術做技術支持。

二、岸橋集卡定位系統設計原理

以往集卡定位都是以電射雷達、紅外傳感等技術為依托，應用成本價格居高不下，而且缺點很多，主要有以下幾點：

（一）不能分辨車輛運動軌跡。

（二）不能實現多車道即時工作。

（三）工作進程里不允許無關車輛、人員、物件入內，不能確定運動物件和集卡的關系。

因以上缺點急需解決，且岸橋環境結構復雜、即時操作要求難度大，本文就基于機器視覺的岸橋集卡定位系統進行探討。這套系統對集卡的定位是由背景搭建算法來實現，將即時視覺圖像與背景作出比較，劃分卡車的概率區域，詳細操作如下：

（一）背景搭建：先將操作環境的RGB圖像灰度轉換，在利用高斯混合模型來進行背景搭建。以現實應用狀況考慮，精確的背景搭建直接決定其定位精度。所以，針對IMBS背景減除進行了優化，也就是對部分暗面進行矢量排除，完成了中高速下的岸橋背景提取。將原算法和優化后的進行比較，例如兩輛集卡之間經過原算法處理之后存在連通背景搭建，然而采用以背景搭建色調比對分析的改進方法，造成聯通的暗面搭建能夠被有效消除掉。因此，這種更新的方法能夠更精確地提取和計算出目標輪廓。對每一個提取到輪廓的車輛輪胎進行背景搭建，以此得到準確的輪胎位置，并作為集卡在車道上的背景位置。

（二）背景排除：背景排除即排除很多不在目標集卡的小圖像塊。在正常排除時，不在目標集卡的小圖像塊也會出現在圖像中，這是因為發生了圖像塊聚類。所以，為得到集卡的正確位置，要在系統中篩選連通域的長、寬、高、體積以及白色像素占比等參數。這里，設置中高速下的連續背景，并進行測試：將ROI背景搭建的集卡作分析對象，逐一定位車輛目標在背景中的位置，即現實相對定位。一般來說，每個車輛的輪胎背景搭建結果都不相同，再進行視覺單應性平面投影變換處理，就能獲得相應的空間位置。所以背景排除不但實現了集卡的現實定位，同時也能判定出集卡的車型、尺寸、速度、與車道間的偏角等車況信息。也就是說，這就能在多車道定位時在每一輛集卡定位的過程中互相作為背景，能夠逐一、準確的確定到每一輛集卡的位置。

三、岸橋集卡定位系統設計方案

CPS是LED引導顯示屏、計算服務器、集卡定位相機。

（一）引導顯示屏設計

顯示屏屏幕高度可調，默認以集卡司機視線高度為準，一般安置于海陸側側底梁兩側，視線距離不低于20m。

顯示項目包括但不限于：拖車司機前/后調整提示，CPS待命，拖車作業車道號，拖車到位和駛離提示，拖車調整距離值，集卡車道偏角，CPS故障等信息。

畫面顏色：車道號（黃色）、偏移距離（紅色）、方向信號（綠色）、停車信號（紅色）。

LED集卡引導顯示屏提供引導定位信息給集卡司機。

（二）CPS計算服務器設計

CPS服務器進行與岸橋的信息交流，以采集的視覺圖像流即時分析集卡位置狀態。CPS服務器一般安置于電氣房，是岸橋集卡定位引導系統的核心。

（三）集卡定位相機設計

兩個集卡定位相機能夠即時采集雙向多車道的集卡作業視覺圖像流。為了達到定位精度的標準，集卡定位相機安置于岸橋中間車道的橫梁，且僅照射1～2條作業車道，首先保證集卡定位的準確性。

四、岸橋集卡定位系統運行流程

CPS系統運行流程：指令發送、集卡駛入、集卡定位、顯示屏引導、集卡到位、開始裝卸。具體流程如下。

（一）指令發送：岸橋和集卡司機作業開始，根據CPS系統指令（由TOS系統發送）去往指示岸橋位置及車道作業。

（二）集卡駛入：集卡司機到達指示車道后，查看車頭面岸橋引導顯示屏，岸橋引導顯示屏信號指示燈變綠后，集卡向岸橋底部出發。

（三）集卡定位：集卡到達CPS覆蓋區域，定位相機即時采集視覺圖像流發送到CPS服務器中并進行視覺圖像流分析。搜索到運動物體時，啟動判定功能，初步判斷運動物體是否為集卡。當初步判斷運動目標為集卡，啟動集卡精確定位，設定集卡的準確車道位置。

（四）顯示屏引導：視覺圖像分析后，岸橋集卡引導顯示屏即時顯示涉及到的集卡的位置信息，并顯示行駛中的集卡位置。

（五）集卡到位：集卡司機在位置狀態顯示屏指示下操作集卡到達指定位置，這時指示燈變綠。位置狀態指示燈由紅色變為綠色，且唯一距離顯示為“00”時，集卡成功到位。

（六）開始裝卸：岸橋司機根據司機室集卡到位指示燈可以判斷集卡是否到位到可以作業位置。指示燈變紅則說明集卡未到位，指示燈變綠則說明集卡已就緒，可正常作業。

五、結束語

目前人工引導和機械自動化集卡定位在集卡定位中有許多缺陷，主要集中在定位方式的不智能上。本文對集卡定位的機器視覺解決方案作出了基本表述，也就是以集卡定位相機為基礎，由采集到的視覺圖像流來分析出集卡車頭的面向和準確位置，而且集卡的位置數據還將即時分布在現場的作業屏幕，以此來指示集卡司機精準?？吭跍蚀_位置。CPS系統避免了人工引導的費時費力，不需要高經驗高強度的指揮人力，極大降低了原有機器視覺技術的成本，提升了集卡定位系統的作業精度，對岸橋作業的效率提升不言而喻。各國都極度重視機器視覺技術的發展研究，并投入大量資源、人力來搜集數據、建立模型、案例分析、智能制造。目前看來，這項技術不能局限于簡單的采集數據、分析處理以及結果判定，自動化、智能化、開放化、高效化是機器視覺的發展優勢也是機器視覺未來的發展方向，持續對機器視覺技術進行投入、開發、應用，是實現制造業智能化的前提。

參考文獻：

[1]元海文，肖長詩，修素樸，等.基于單應性平面投影的高速車輛檢測與定位方法[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2017，41（1）：76-81.

（作者單位：上海振華重工（集團）股份有限公司）