许跃骞

（厦门嵩屿集装箱码头有限公司工程技术部，福建 厦门361026）

0 引言

在全球港口智能化建设的背景下，集装箱码头岸边装卸的主要设备-岸边集装箱起重机 （以下简称岸桥）的效率也影响着码头的运营效率[1]。传统岸桥的装卸主要采用人工盯梢的方式，完全依靠桥吊司机的经验和岸边人员的指挥，在集卡对位阶段消耗了大量时间，制约了岸边装卸效率[2]。

智能化港口建设使得自动化领域的新技术逐步在码头岸桥集卡定位系统上应用开来。例如，激光雷达应用上，曲伟等人则使用激光扫描仪对集车状态进行扫描，通过对位显示屏将引导信息显示，使司机快速到达作业位置[3]；上港集团上海海通安全设备工程公司同样利用激光扫描器实现了CPS系统[4]。然而，所有激光雷达方案都面临着成本高昂、无法识别工作车道等缺点，且成本高昂。

近年来，计算机视觉系统开始成为车辆定位的新型选择。Y Cai提出了一种利用单目和双目视觉来跟踪车辆的方法[5]；元海文等人将单目视觉检测车轮从而定位车辆[6]。然而，这些方法或无法辨别集卡工作状态、车道信息，或难以应用在港口复杂的背景环境下。

综上，本文提出了一种基于机器视觉的岸桥集卡定位引导系统，采用高清集卡定位相机配合集卡视觉定位引导的快速检测算法，并引导司机在岸桥作业时快速准确进入基准位置，减少集卡对位时间，提高岸桥装卸效率，降低系统成本。同时，系统还具备辨别作业集卡、识别作业车道、多车道作业工况等功能。

1 设计原理

传统集卡定位主要采用激光雷达、光电传感器等技术，成本高昂，且大多存在以下缺陷：

（1）要求作业过程中无关车辆不得入内，无法定位运动物体是否为集卡。

（2）无法满足多条车道同时作业。

（3）无法判断车辆行进方向。

为解决上述问题，应对岸桥场景复杂、实时性要求高等难点，本文提出了一种基于机器视觉的集卡定位引导系统。该系统主要基于背景建模算法提取集卡前景目标实现对集卡的定位。该方法将实时监控与背景进行比较，找出可能的卡车区域。具体过程如下：

（1）背景建模：首先，将原始的RGB图像转换为灰度图像，然后用高斯混合模型法提取背景。

（2）背景减除：背景减除后包含许多不属于目标集卡的小图像块，实际情况下，图像块聚类之后，一些非集卡对象也会出现在图像中，例如操作员、汽车或者其他移动对象。因此，本系统对候选窗口根据连通域长、宽、面积以及白色像素占比等参数进行筛选，从而获得正确的集卡位置。

2 设计方案

CPS硬件主要是由集卡定位相机、LED引导显示屏、计算服务器等三部分组成。

2.1 系统设计

2.1.1集卡定位相机设计

如图1所示，两个集卡定位相机分别安装于岸桥中间车道的横梁位置，可以同时获取双向多车道的集卡作业视频流信息。从设计角度，为满足定位精度要求，每台相机设计上仅覆盖1～2条作业车道。

2.1.2引导显示屏设计

如图1所示，显示屏安装于海陆侧底梁两侧，屏幕中心高度与集卡司机视线高度一致，可视距离应不小于20 m。显示内容包括：拖车作业车道号、拖车调整距离值，拖车司机前/后调整提示，拖车到位和驶离提示，CPS故障，CPS待命等信息。显示颜色为：方向信号（绿色）、停车信号（红色）、车道号（黄色）和偏移距离（红色）。LED集卡引导显示屏能够为集卡司机定位提供引导信息。

2.1.3 CPS计算服务器设计

CPS服务器主要通过采集的视频流实时分析集卡位置状态，并负责与岸桥的数据通讯。CPS服务器是岸桥集卡定位引导系统的核心部件，通常安装于电气房内。

3 操作流程

CPS系统部署完成后，其主要操作流程分为：指令发送、集卡驶入、图像采集、集卡预搜索、集卡定位、显示屏引导、司机调整车位、集卡到位、开始装卸。具体流程如下。

（1）指令发送：在装卸作业开始时，首先TOS系统发送作业指令队列，岸桥司机和集卡司机根据指令到达各自岸桥及车道作业。

（2）集卡驶入：集卡司机根据作业指令驶入相应车道，观察安装于车头方向岸桥上的引导显示屏状态，等待显示屏信号指示灯变绿，则集卡驶入岸桥底部。

（3）图像采集：当集卡驶入系统覆盖区域，定位相机实时采集视频流图像发送到CPS服务器中。

（4）集卡定位：根据视频流分析，当有运动物体进行时，启动集卡与搜索功能，初步确定运动物体是否为集卡。当初步筛选运动目标为集卡后，在此区域范围内启动集卡精确定位，确定集卡在车道中的精确位置。

（5）显示屏引导：根据图像处理结果，现场引导显示屏实时显示当前作业车道以及车道中作业集卡的到位情况，并根据位置偏移情况显示司机行驶方向和距离。

（6）司机调整车位：集卡司机根据显示屏引导信息操作集卡对位直至指示灯变绿为止。

（7）集卡到位：当唯一距离显示为“00”，且对位状态指示灯由红色变为绿色，则说明集卡到位成功。

（8）开始装卸：当岸桥司机将吊具移动至集卡上方时，可观察司机室集卡到位指示灯状态，若为红色则说明集卡未停到准确部位，若为绿色则说明集卡已准备好作业。此时，岸桥司机即可进入正常作业流程。

4 总结

对于人工方式及现有自动化集卡引导方式的不足，本文提出了一种基于机器视觉的低成本解决方案。通过在岸桥横梁的车道两端布设两台高清识别相机，根据视频流分析分别完成集卡车头部位的精确定位，并将集卡位置信息实时反馈到现场作业大屏幕上，引导集卡司机准确停到目标位置。本系统解决了传统人工引导的耗时耗力以及现有技术的高成本低精度缺陷，具备低成本高精度的技术优势，能极大提高岸桥作业效率。

图1 硬件安装位置示意图（左）和LED显示屏设计（右）