近年來，干散貨航運(yùn)市場(chǎng)的持續(xù)發(fā)展使干散貨港口的年吞吐量維持在較高水平。作為干散貨供應(yīng)鏈的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，干散貨港口承擔(dān)著儲(chǔ)存和加工的任務(wù)，負(fù)責(zé)海陸之間的中轉(zhuǎn)裝卸工作，進(jìn)而對(duì)港口的貨物處理能力提出了更高的要求，并對(duì)裝卸效率構(gòu)成了挑戰(zhàn)。此外，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的工作條件較為惡劣，自動(dòng)裝卸設(shè)備通常需要在高負(fù)荷和高精度的條件下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，該現(xiàn)狀催生了對(duì)智能管理和自動(dòng)作業(yè)的需求。

為了有效應(yīng)對(duì)智能管理和自動(dòng)化作業(yè)的需求，本文提出一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新解決方案：基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化門機(jī)智能識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)集圖像識(shí)別和激光掃描技術(shù)于一體，利用3D激光雷達(dá)和高清識(shí)別相機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)抓斗的實(shí)時(shí)跟蹤與定位、船艙內(nèi)與甲板建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸、卸料斗和集卡的精確定位以及抓斗移動(dòng)軌跡中障礙物的判斷。通過相關(guān)技術(shù)，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)門機(jī)操作的智能化、無人化和動(dòng)態(tài)化，有效提高港口的裝卸效率和作業(yè)安全性。此外，該智能識(shí)別系統(tǒng)方案應(yīng)用先進(jìn)算法，用于處理和分析從雷達(dá)和相機(jī)收集的數(shù)據(jù)，確保操作的高效性和準(zhǔn)確性，能夠自動(dòng)適應(yīng)不同的工作環(huán)境和條件，具備良好的靈活性和擴(kuò)展性。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整作業(yè)流程，該方案能夠提高作業(yè)效率，降低人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，確保作業(yè)過程的安全性和可靠性。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)原則

第一，安全性原則。系統(tǒng)充分考慮港口作業(yè)中的各種干擾因素以及工況中的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，采用門機(jī)抓斗異常狀態(tài)檢測(cè)、安全區(qū)域檢測(cè)、障礙物檢測(cè)等檢測(cè)手段，有效控制風(fēng)險(xiǎn)，排除干擾因素。第二，精確性原則。系統(tǒng)采用多重激光雷達(dá)和多重視覺檢測(cè)手段，保證其在各種環(huán)境下均能夠互相補(bǔ)充，識(shí)別盲區(qū)，并確保識(shí)別結(jié)果的高精度。第三，易維護(hù)原則。系統(tǒng)擁有高度的可拓展性，并且各子系統(tǒng)間較為獨(dú)立，能夠滿足后續(xù)升級(jí)和故障排除的需求。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)化門機(jī)智能識(shí)別系統(tǒng)包含安裝在維修平臺(tái)的三臺(tái)激光雷達(dá)、兩臺(tái)攝像機(jī)、一臺(tái)云臺(tái)、一臺(tái)光纖交換機(jī)和全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊以及安裝在主控室的一臺(tái)光纖交換機(jī)、一臺(tái)工控機(jī)，并將處理后的信息與可編程邏輯控制器（PLC）通信。維修平臺(tái)上可以設(shè)置一個(gè)電器箱，用于安裝光纖交換機(jī)和提供220V電源。

1.3系統(tǒng)硬件配置

自動(dòng)化門機(jī)維修平臺(tái)安裝如圖1所示。其中，維修平臺(tái)上面搭載了所有的觀測(cè)設(shè)備。旋轉(zhuǎn)云臺(tái)：在維修平臺(tái)中心正下方安裝，實(shí)時(shí)計(jì)算和垂直矯正GPS計(jì)算獲得的象鼻梁傾角數(shù)據(jù)，保證云臺(tái)始終保持豎直向下，確保雷達(dá)和攝像機(jī)能夠獲取有效的掃描范圍。激光雷達(dá)：在維修平臺(tái)兩側(cè)各安裝了一臺(tái)激光雷達(dá)，分別交叉覆蓋維修平臺(tái)正下方，沿著象鼻梁方向（徑向）掃描，獲取抓斗實(shí)時(shí)位置。一臺(tái)激光雷達(dá)安裝在旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，沿抓斗行進(jìn)路徑方向（切向）掃描，檢測(cè)抓斗行進(jìn)路徑上存在的障礙物。三臺(tái)激光雷達(dá)交叉覆蓋式掃描象鼻梁頂端正下方的作業(yè)區(qū)域。攝像機(jī)：在維修平臺(tái)下方安裝兩臺(tái)攝像機(jī)，分別負(fù)責(zé)對(duì)下方工作區(qū)域進(jìn)行抓斗定位和艙內(nèi)流動(dòng)機(jī)械識(shí)別。

圖1自動(dòng)化門機(jī)維修平臺(tái)安裝

2、系統(tǒng)工作流程

2.1海側(cè)作業(yè)工作流程

海側(cè)部分主要包括工作模式和待機(jī)模式。工作模式包括實(shí)時(shí)掃描模式、局部掃描模式、整體掃描模式。在自動(dòng)化作業(yè)開始前，需要進(jìn)行一次整體掃描，再開始實(shí)時(shí)掃描。每次作業(yè)循環(huán)中，在抓取物料前，還需要進(jìn)行一次局部掃描。

• 局部掃描模式：自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)接收激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)和視覺相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)濾波、網(wǎng)格化等初步處理，得到船型信息并將結(jié)果發(fā)送給PLC。船型信息包括艙口位置、艙內(nèi)物料、艙內(nèi)物料點(diǎn)云、艙內(nèi)流動(dòng)機(jī)械位置等。
• 整體掃描模式：與局部掃描模式的數(shù)據(jù)處理與傳輸流程相同，輸出的船型信息增加了船艙附近障礙物位置與船體傾斜程度。
• 實(shí)時(shí)掃描模式：自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)接收激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)和視覺相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)濾波、網(wǎng)格化等初步處理，得到抓斗的位姿信息并將結(jié)果發(fā)送給PLC。抓斗位姿信息包括抓斗位置、角度、加速度等。
• 待機(jī)模式：自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)在無作業(yè)狀態(tài)下會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)到待機(jī)位置，減少雷達(dá)和相機(jī)因環(huán)境導(dǎo)致的污染，避免相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)模糊和遮擋雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)。

2.2路側(cè)作業(yè)工作流程

路側(cè)部分主要包括卸料斗與集卡。在門機(jī)準(zhǔn)備工作階段，將激光雷達(dá)和攝像機(jī)組成的智能識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行到卸料斗工作區(qū)域上方，掃描與識(shí)別卸料斗初始位置，并確定工作區(qū)域內(nèi)卸料斗的唯一位置作為初始位置。在門機(jī)實(shí)時(shí)作業(yè)階段，當(dāng)抓斗運(yùn)動(dòng)到路側(cè)卸料斗上方附近時(shí)，智能識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別并獲取工作區(qū)域內(nèi)卸料斗的實(shí)時(shí)精確位置，并傳遞到PLC；當(dāng)抓斗運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)卸料斗正上方時(shí)，智能識(shí)別系統(tǒng)確認(rèn)卸料斗下方是否存在停留集卡并將結(jié)果傳遞給PLC，若存在工作集卡則進(jìn)行自動(dòng)化開斗作業(yè)，否則進(jìn)入人工確認(rèn)是否開斗。

2.3安全防護(hù)流程

在抓斗抓取物料后移動(dòng)到卸料斗正上方完成卸料前以及抓斗卸料完成后到下一次抓取物料前，系統(tǒng)會(huì)在抓斗運(yùn)動(dòng)軌跡上進(jìn)行障礙物判斷，如果存在障礙物，會(huì)向PLC發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

3、實(shí)際運(yùn)行情況展示

在實(shí)際運(yùn)行中，該系統(tǒng)能夠識(shí)別門座式起重機(jī)抓斗在路側(cè)和海側(cè)時(shí)的各目標(biāo)。在程序?qū)嶋H運(yùn)行中，黑色的點(diǎn)為激光雷達(dá)的掃描點(diǎn)云，黑色的線為門機(jī)的中軸線，會(huì)實(shí)時(shí)輸出雷達(dá)點(diǎn)云幀的刷新率。程序中的點(diǎn)云監(jiān)視界面可以直觀地觀測(cè)門座式起重機(jī)的運(yùn)行現(xiàn)狀，以便進(jìn)行故障排查和工況檢測(cè)。

掃描點(diǎn)云（海側(cè)）如圖2所示，是一張點(diǎn)云識(shí)別結(jié)果的側(cè)面可視化窗口截圖。其中，可識(shí)別船艙口的內(nèi)外邊緣坐標(biāo)；框內(nèi)為抓斗，識(shí)別結(jié)果包含抓斗的頂部中心點(diǎn)坐標(biāo)和抓斗相對(duì)于鋼絲繩上端固定處的擺動(dòng)角度以及鋼絲繩伸出的長(zhǎng)度。系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)方法相結(jié)合的方式識(shí)別抓斗，可應(yīng)對(duì)較為苛刻的工況。

圖2掃描點(diǎn)云（海側(cè)）

門座式起重機(jī)抓斗在海側(cè)時(shí)，點(diǎn)云的俯視圖界面能夠顯示船艙口的四條邊坐標(biāo)。在門座式起重機(jī)的整個(gè)抓卸料過程中，系統(tǒng)會(huì)在初次識(shí)別船艙時(shí)進(jìn)行初始化，以確保默認(rèn)參數(shù)的準(zhǔn)確性，此時(shí)會(huì)得到艙口尺寸的準(zhǔn)確值。依據(jù)該值，系統(tǒng)能夠在雷達(dá)無法掃描整個(gè)艙口時(shí)根據(jù)其中三條邊的位置推算第四條邊的位置，以應(yīng)對(duì)船艙口過大的情況。該識(shí)別結(jié)果會(huì)經(jīng)過算法篩選和對(duì)比后選擇更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸出，具備一定的穩(wěn)定性。物料面在系統(tǒng)中會(huì)以三維可視化的方式呈現(xiàn)。門座式起重機(jī)抓斗在艙口上方時(shí)，會(huì)掃描艙內(nèi)的物料面信息。其中，一片點(diǎn)云為實(shí)時(shí)物料面掃描結(jié)果，另一片為經(jīng)算法拼接后的物料面，在一次掃描結(jié)束后輸出完整的物料面信息。

掃描點(diǎn)云（陸側(cè)）如圖3所示，是一張抓斗位于陸側(cè)時(shí)點(diǎn)云斜視圖。其中，下方的框?yàn)樾读隙纷R(shí)別結(jié)果以及車輛識(shí)別結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)輸出車輛的位置與朝向等。

門座式起重機(jī)抓斗在陸側(cè)時(shí)，系統(tǒng)的點(diǎn)云識(shí)別俯視圖界面能夠顯示卸料斗的四條邊坐標(biāo)、能否下斗的確認(rèn)信號(hào)、卸料斗下方是否存在車輛的確認(rèn)信號(hào)。在后臺(tái)輸出卸料斗的四條邊坐標(biāo)，并且包含卸料斗開口面的中心坐標(biāo)、卸料斗邊緣與抓斗的距離安全性度量、下斗信號(hào)和卸料斗識(shí)別結(jié)果的置信度等信息。系統(tǒng)能夠識(shí)別抓斗上安裝的擋板，避免錯(cuò)誤下斗。此外，若車輛未正確停放或車頭朝向有誤，系統(tǒng)將發(fā)出警示。同時(shí)，系統(tǒng)還能夠監(jiān)測(cè)抓斗與卸料斗邊緣的距離，一旦超出安全范圍，也會(huì)發(fā)出警告。

圖3掃描點(diǎn)云（陸側(cè)）

4、結(jié)語

港口裝卸設(shè)備的自動(dòng)化、智能化是未來的趨勢(shì)，本文借鑒港口裝卸設(shè)備的改造經(jīng)驗(yàn)，提出一種兼顧安全性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和易維護(hù)性的門座式起重機(jī)智能識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確識(shí)別門座式起重機(jī)的抓斗位置、姿態(tài)。在海側(cè)，其能夠識(shí)別船艙口的邊緣坐標(biāo)信息、甲板厚度以及艙內(nèi)物料面形狀。在陸側(cè)，其能夠識(shí)別卸料斗的邊緣坐標(biāo)，并給出抓斗是否在卸料斗上方、卸料斗下方是否有車輛等控制信號(hào)。此外，該系統(tǒng)還具備可以人工確認(rèn)艙口和艙口尺寸等相應(yīng)的功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足實(shí)際需要和設(shè)計(jì)要求。在后續(xù)的開發(fā)中，可以采取強(qiáng)化路側(cè)識(shí)別子系統(tǒng)、使用更先進(jìn)的視覺識(shí)別技術(shù)等措施，進(jìn)一步提高識(shí)別的準(zhǔn)確性，擴(kuò)大識(shí)別范圍。