机器视觉技术在岸桥上的研究与应用

机器视觉技术在岸桥上的研究与应用

赵巍

广州集装箱码头有限公司  广东省广州市 510730

摘要：机器视觉技术又称计算机视觉技术，是用机器代替人的视觉对周围环境进行观察。机器视觉技术是一项集多个学科于一身的技术，包括了控制学科、计算机学科、人工智能、图像处理、电气等，现已广泛应用于各行各业。机器视觉技术具有非接触式、高精度、快速性和智能化等众多优点，将机器视觉技术应用在港口行业上，可有效促进港口设备向智能化、自动化方向发展，特别是岸边集装箱桥式起重机（简称：岸桥）的智能化发展。本文综合阐述了机器视觉技术在传统岸桥上的研究与应用，该技术可有效的提高传统岸桥作业的安全性，具有重要的研究价值和广泛的应用空间。

关键词：机器视觉技术；安全；岸桥；应用

1 引言

随着经济的快速发展、科技的不断进步，在市场驱动下集装箱船舶大型化成为了趋势，不可避免地导致岸边装卸设备的随之加大、加高，作业难度也不断加大。在传统装卸模式下，岸桥操作司机在驾驶室作业时必须眼观四路、耳听八方，时刻关注着设备运行情况和下方作业区域环境相关信息，确保安全、高效作业。操作司机在高空中长时间、高强度持续作业情况下，难以长时间保持专注力，加之视野盲区大，这就容易因观察不足或者操作失误导致作业事故的发生，对码头造成不利的影响。随着科技不断进步，机器视觉技术越来越成熟，为了解决岸桥司机视野盲区的安全问题，可将成熟的机器视觉技术应用到岸桥中。机器视觉技术运用先进人工智能技术，结合码头业务生产流程，在岸桥作业区域通过图像、语音、扫描等识别方式，对相关目标进行捕捉、预警和联锁，达到主动性保护作用，提升作业安全管理水平。

2 传统码头的现状

目前传统码头的岸桥在安全保护系统方面，各个机构主要依靠行程传感器、编码器和激光雷达等进行被动式的保护，不可避免的存在保护时间迟滞、保护空间范围狭小等难以克服的缺点。目前在港口行业中，虽然全球范围内自动化建设浪潮如火如荼，但是国内外码头的岸桥类型中，传统岸桥的依然占据绝大多数，这就面临一个传统岸桥与自动化岸桥相互交错、优势互补、互依共存的局面。很多传统岸桥的优点被自动化岸桥所继承，同样，很多自动化岸桥的优点也被反过来应用在传统岸桥之中，类似的有远程的数据监控与读写、无线通讯技术和高精度传感器的应用等等，本文研究和讨论在传统岸桥上利用自动化/远控岸桥的视觉系统实现行车安全。

3 机器视觉系统的方案设计

3.1机器视觉系统的组成硬件

机器视觉系统由13个摄像头、1台激光雷达、1套主机、5组交换机、1套人机交互系统以及若干声光喇叭组成，安装位置如下图2所示。

图1：机器视觉系统硬件组成

图2：机器视觉系统硬件安装位置

3.2机器视觉系统的逻辑运行

系统通过各组摄像头和激光雷达获取设备及设备周围的环境信息，通过网线和光纤将信息传输到系统主机，主机依靠先进的智能算例算法进行分析和判断是否存在风险，判断结果输入到设备的PLC系统中，由设备的PLC系统完成对驾驶员的预警提醒、对设备的联锁保护，实现主动性保护功能。

3.3 机器视觉系统的功能

机器视觉系统实现的主要功能有大车行车主动防撞功能和起升机构的防砸功能。

大车行车防撞功能：系统通过安装在岸桥4个立柱的摄像头摄取岸桥大车轨道方向上的图像信息，并在岸桥大车行走轨道的区域设置电子围栏，实时监控和捕抓入侵电子围栏的人、物体和车辆等。摄像头捕抓到的实时信息传输到系统主机，由主机进行分析和判断，根据入侵的人、物体和车辆的体积大小、运动速度和方向等信息，结合岸桥大车的行走方向和速度，自动判断是否有相碰撞的风险。如果判断结果是有碰撞风险，系统主机则将结果发送到岸桥的PLC系统，由PLC系统控制岸桥进行减速、停止，实现主动防撞功能。同时，系统主机也会将碰撞风险的预警信息实时显示在驾驶室的人机交互界面，提醒司机注意安全。

图3：防撞摄像头视角

起升机构防砸功能：系统基于安装在岸桥联系梁、立柱、前大梁和小车上的9个摄像头和1个激光雷达，感知岸桥周围的实时环境信息。系统能够识别起升机构作业区域内的人、车辆等物体，并根据人、车辆等物体的位置、运动速度和方向，结合吊具的运动状态，自动判断出吊具是否会砸到人、车辆。如果系统判断结果是有砸到的风险，则会将信息输入到岸桥的PLC系统中，由岸桥的PLC系统控制吊具减速和停止，主动避免出现事故。起升机构的作业过程中吊具有多种不同的状态，包括了空吊具、带箱（即吊具吊着集装箱）和带舱盖板（即吊具吊着舱盖板），系统会根据不同的吊具状态，智能的调整防砸的距离远近和防砸区域面积的大小。比如空吊具状态下，系统的防砸保护垂直距离是10米减速，8米停止。当吊具带箱状态下，系统的防砸保护垂直距离则是13米减速，11米停止。

图4：防砸摄像头视角

3.4机器视觉系统的特点

机器视觉系统具有精度高、反应快、智能化、适应性强、操作简单、维护简便、可扩展性、可靠性强等特点。系统依靠多组摄像头和激光雷达，识别精度可达厘米级别，即使人体部分肢体入侵电子围栏，系统也能够精确的识别出来，识别率大于98%，并且从识别到分析、判断、控制，系统的反应时间少于200毫秒。系统够适应白天、夜晚、雨天、雾天（黄色预警、橙色预警）等作业环境，且具有防震、防雨、防雷电、防干扰等功能，完全可适应港口码头的作业环境要求。机器视觉系统组成简单，维护简单，系统结构采用模块化设计，预留充足的接口与存储容量便于产品更新、扩展。开机自启，能够自我检测软、硬件的工作状态，使用过程全程自动化、智能化，无需人工操作，使用便捷。

4 在岸桥上的应用

机器视觉系统应用在岸桥上，不影响岸桥原有控制系统的保护功能，也不影响岸桥的操作。传统岸桥大车行车保护仅依靠机械摆臂限位和红外激光传感器，保护的范围小、可靠性不高、盲区大，而应用机器视觉系统后，能够在大车行车方向上大范围、无盲区、主动性的保护岸桥，让司机放心操作岸桥大车机构行走。传统岸桥起升机构的保护主要依靠起升编码器、凸轮开关进行减速和停止保护，保护方式机械且落后，无法适应现在高强度、复杂的作业环境，而该机器视觉系统能够依据现场的实时环境信息，根据不同的情况做出保护，避免了司机因视野盲区、疲劳驾驶、精神不集中等原因出现操作失误，致使吊具砸到人或者车辆而酿成事故，具有主动性保护的特点。在对司机进行机器视觉系统使用效果反馈的调查中，54%的司机感觉不到该系统的存在，100%的司机支持该系统的使用，认为确实能够提升作业安全性。

图5：防砸保护功能

5 结束语

随着科技技术的不断快速发展，机器视觉技术越来越成熟，应用范围越来越广泛。智能化、自动化是港口设备发展的必然方向，传统码头为了适应时代的发展，提升作业效率和作业安全，必然会将越来越多的先进前沿技术应用到港口设备中，机器视觉技术就是一个很好的例子。岸桥是港口行业中最重要的设备类型之一，岸桥的高效率作业离不开高可靠性和安全性。机器视觉技术的应用，可以进一步提高岸桥设备的作业安全，特别是盲区作业保护和防呆保护，有力的促进了岸桥往智能化方向的发展，是未来研究的一个重点方向。

参考文献

[1]机器视觉技术及其应用分析[J]. 韩冰,林明星,丁凤华.  农业装备与车辆工程. 2008(10)

[2]机器视觉技术研究进展及展望[J]. 朱云,凌志刚,张雨强.  图学学报. 2020(06)

[3]机器视觉技术的应用研究[J]. 张红霞,刘义才.  电子世界. 2013(17)