煤炭運(yùn)輸船港航交重自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沙寶銀，牛一村，滕靈芝

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測(cè)分院，北京 100013；2.國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的飛速發(fā)展，船舶運(yùn)輸業(yè)也日益旺盛，在煤炭運(yùn)輸船的貨物交易中，測(cè)量煤炭運(yùn)輸船的載重量是交易雙方都十分重視的一環(huán)。計(jì)重結(jié)果可作為商品貨物計(jì)算運(yùn)費(fèi)、交接結(jié)算、處理索賠和通關(guān)計(jì)稅等的依據(jù)[1]。在煤炭運(yùn)輸船載重量的測(cè)量中，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的是水尺計(jì)重方法。2018年我國(guó)海運(yùn)煤炭約9.34億t，占全國(guó)煤炭運(yùn)輸總量的22.7%。隨著煤炭運(yùn)輸船舶日趨大型化，且貨物價(jià)值不斷提高，人們對(duì)水尺計(jì)重的準(zhǔn)確度要求越來(lái)越高。準(zhǔn)確的計(jì)量結(jié)果對(duì)保護(hù)承運(yùn)人、發(fā)貨人和收貨人的利益都具有極為重要的意義[2]?！哆M(jìn)出口商品重量鑒定規(guī)程》(SN/T 3023.2—2012)，其中提到“如果船舶制表準(zhǔn)確度在1‰，其水尺計(jì)重準(zhǔn)確度可達(dá)到0.5‰之內(nèi)”[3]。隨著科技的進(jìn)步和檢測(cè)手段的多元化，人們期望誤差能進(jìn)一步減小，并盡可能消除人為誤差。

水尺計(jì)重系統(tǒng)主要包括水尺吃水值檢定、液艙液位測(cè)量、港水密度測(cè)量三大方面。在水尺吃水值檢測(cè)方面目前仍以人工觀測(cè)法[4-6]作為煤炭運(yùn)輸船吃水?dāng)?shù)據(jù)測(cè)量的主要方法，船舶靠海側(cè)需檢驗(yàn)人員乘小船或攀爬軟梯至水尺標(biāo)記處進(jìn)行觀測(cè)或拍攝水尺視頻，檢驗(yàn)人員的人身安全無(wú)法得到有效保障，且人為誤差大?；趥鞲衅鞯臏y(cè)量方法主要有壓力傳感器測(cè)量法[7]、超聲波測(cè)量法[8，9]、雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量法[10]、激光測(cè)距法[11-14]。但傳感器測(cè)量屬于間接測(cè)量法，為得到船舶吃水值需要進(jìn)一步換算，容易受其他因素干擾，導(dǎo)致最終結(jié)果誤差較大，且測(cè)量設(shè)備安裝、定位耗時(shí)較長(zhǎng)不能滿足港口作業(yè)時(shí)限要求。近幾年，隨著圖像處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，通過(guò)分析圖像中水線的相對(duì)位置計(jì)算船舶吃水值，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。羅婧等[15]利用Canny 算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)并通過(guò)霍夫直線檢測(cè)得到最終的水線的位置；周廣程等[16]利用HIS空間彩色梯度以及啟發(fā)式邊緣提取算法，提出一種基于梯度幅度提取水線的方法；陳賀璋[17]利用圖像分割法進(jìn)行了吃水深度檢測(cè)方法研究，吳海[18]提出基于機(jī)器視覺(jué)的船舶吃水線檢測(cè)系統(tǒng)研究，按照海水清晰度不同的物理現(xiàn)象，將吃水線檢測(cè)進(jìn)行了分類處理，提出了整個(gè)視頻的吃水線的跟蹤檢測(cè)方法。Takahiro Tsujiil[19]提出了一種基于計(jì)算機(jī)圖像處理的水尺自動(dòng)讀數(shù)方法，提出了一種基于形態(tài)學(xué)運(yùn)算的吃水值自動(dòng)檢測(cè)方法。目前在水尺吃水值圖像處理方面的研究，還局限于圖片字符清晰、光照強(qiáng)度好的情況下，在字符污損、銹蝕、焊縫干擾、警戒線干擾等現(xiàn)實(shí)情況下的研究還不夠深入，同時(shí)對(duì)船舶字符及顏色的分類統(tǒng)計(jì)數(shù)量還不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的研究算法具有一定的局限性，很難在實(shí)際水尺計(jì)重中取得較好應(yīng)用效果。

在液艙液位高度測(cè)量方面，田浩[20]提出了一種實(shí)時(shí)船舶液位監(jiān)測(cè)方案，此方案適合新造船舶，對(duì)于短時(shí)靠岸的煤炭運(yùn)輸船液位高度測(cè)量目前主要采用深度尺進(jìn)行測(cè)量，人工觀察并記錄數(shù)據(jù)，即將深度尺伸入液艙底部，再將尺取出，然后讀取深度尺上液體痕跡的刻度并進(jìn)行記錄，然而，上述方法測(cè)量準(zhǔn)確性差，容易受操作人員主觀因素干擾，數(shù)據(jù)讀取和記錄環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)失誤，對(duì)最終計(jì)重結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。

港水密度測(cè)量是煤炭運(yùn)輸船港航交重環(huán)節(jié)中非常重要的一環(huán)，港水密度測(cè)量值對(duì)煤炭運(yùn)輸船載貨量計(jì)算具有較大的影響，誤差可達(dá)1‰～2‰[21]。在港水密度測(cè)量方面，主要采用投入式比重計(jì)進(jìn)行測(cè)量，人工觀測(cè)并記錄，人為誤差仍然存在。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于煤炭運(yùn)輸船水尺計(jì)重領(lǐng)域系統(tǒng)的研究屬于起步階段，相關(guān)技術(shù)還有待于進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

1 煤炭運(yùn)輸船港航交重自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)

研制一套煤炭運(yùn)輸船港航交重自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸船裝、卸貨物前后重量的快速鑒定。包括：研制水尺圖像拍攝子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水尺圖像拍攝并將視頻數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；研制液艙液位自動(dòng)測(cè)量子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液艙液位自動(dòng)測(cè)量并將測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，替代人工眼看手記的落后檢測(cè)狀況；研發(fā)港水密度測(cè)量子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)港水密度測(cè)量并將測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；研發(fā)圖像識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸船水尺吃水值全自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)研發(fā)煤炭運(yùn)輸船港航交重相關(guān)軟件模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 水尺視頻拍攝裝置圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 水尺圖像拍攝子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該子系統(tǒng)硬件包括：手持?jǐn)?shù)碼攝像機(jī)、微型數(shù)碼相機(jī)、無(wú)線視頻發(fā)射器、無(wú)線視頻接收器、視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、伸縮桿。除伸縮桿外，上述主要設(shè)備及相關(guān)配件全部集成在鋁合金拉桿箱內(nèi)，如圖2所示。

工作原理：微型數(shù)碼相機(jī)、無(wú)線視頻接收器及連接電纜集成在一起，通過(guò)快速拆裝接頭與伸縮桿連接，伸縮桿前端連接微型數(shù)碼相機(jī)，在船上即可實(shí)現(xiàn)六面水尺視頻拍攝。微型數(shù)碼相機(jī)拍攝的視頻圖像數(shù)據(jù)由無(wú)線視頻發(fā)射器發(fā)送到接收器，經(jīng)視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接收的USB接口信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)的視頻監(jiān)視及錄制軟件保存為視頻文件。

2.2 圖像識(shí)別子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將拍攝的水尺視頻進(jìn)行逐幀處理，分析幀數(shù)不低于1000幀，獲取每幀圖像的水線、字符，并基于水線位置、字符坐標(biāo)等數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)幀的水尺讀數(shù)，最后通過(guò)統(tǒng)計(jì)篩選以及聚類算法計(jì)算出平均吃水值。該軟件字符識(shí)別采用OCR識(shí)別和模板匹配的方式，用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇其一進(jìn)行操作。船舶吃水自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 船舶吃水自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)流程圖

2.2.1 基于OCR的水尺識(shí)別

基于OCR的水尺識(shí)別可以預(yù)先通過(guò)NI Vision Assistant進(jìn)行OCR文字識(shí)別建模，達(dá)到識(shí)別水尺字符和獲取字符坐標(biāo)的目的。在處理步驟區(qū)調(diào)用不同的模塊對(duì)圖像進(jìn)行處理，并對(duì)各個(gè)模塊調(diào)整最佳的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)通用有效的分析結(jié)果。

基于OCR的水尺識(shí)別模型依次調(diào)用模塊為：Geometry(幾何形狀處理)、Color Plane Extraction(顏色抽取)、Lookup Table(查找表)、Histogram(直方圖)、Threshold(閾值)、Gray Morphology(灰度形態(tài)學(xué))、OCR/OCV(字符識(shí)別)。這些模塊的作用分別為：旋轉(zhuǎn)圖像角度；圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；改善圖像對(duì)比度和亮度；獲取圖像灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差等；灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像；灰度腐蝕操作減少噪點(diǎn)；字符訓(xùn)練并識(shí)別。

該模型中，OCR/OCV模塊的OCR字符訓(xùn)練功能尤其重要，通過(guò)OCR訓(xùn)練形成字符集文件，然后圖像字符與字符集文件進(jìn)行比對(duì)獲得結(jié)果，基于OCR的水尺識(shí)別必須事先訓(xùn)練足夠數(shù)量的字符數(shù)據(jù)，為后期系統(tǒng)正確識(shí)別出字符提供依據(jù)。

在完成建模后，通過(guò)tools菜單中的Create LabVIEW VI功能自動(dòng)生成LabVIEW程序框圖，該程序框圖中包含NI Vision Assistant建模時(shí)一系列操作的相同功能。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)軟件功能進(jìn)行補(bǔ)充完善，包括水線識(shí)別、高度計(jì)算等，最后形成完整的程序?；贠CR的水尺識(shí)別程序過(guò)程如圖4所示，具體步驟如下：

1)圖像修正：利用IMAQ Rotate VI(旋轉(zhuǎn)子函數(shù))，對(duì)圖像進(jìn)行角度修正。

2)水線識(shí)別：利用IMAQ Advanced Find Edge VI(高級(jí)查找邊緣子函數(shù))，通過(guò)從下往上方向查找圖像中沿某條線上的亮度變化點(diǎn)(即水線)，查找到水線后，獲得水線起點(diǎn)像素坐標(biāo)(x1，y1)和終點(diǎn)像素坐標(biāo)(x2，y2)，應(yīng)用線性擬合得出水線公式，即：

yh=a1xh+b1

(1)

式中，yh為水線縱向像素值，px；xh為水線橫向像素值，px；a1為水線直線斜率；b1為水線直線截距，px。

圖4 基于OCR的水尺識(shí)別

3)顏色抽取：抽取彩色平面，利用IMAQ ExtractSingleColorPlane VI(抽取彩色平面子函數(shù))，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。

4)形態(tài)處理：對(duì)圖像進(jìn)行去燥和濾波，并將灰度圖像的灰度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差之和作為閾值分界點(diǎn)，利用IMAQ Threshold(閾值子函數(shù))將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像。

5)字符識(shí)別：創(chuàng)建OCR會(huì)話并讀取字符集文件，利用IMAQ OCR Read Text VI(字符讀取子函數(shù))獲取字符信息，包括：字符數(shù)值、字符位置坐標(biāo)、字符高度寬度等。本過(guò)程中，部分污損字符和相似字符容易造成錯(cuò)誤識(shí)別，利用字符M的位置和字符排列規(guī)律獲得字符真實(shí)數(shù)值。

對(duì)多個(gè)字符位置坐標(biāo)(xi，yi)進(jìn)行線性擬合，得出字符直線公式，即：

yv=a2xv+b2

(2)

式中，yv為字符縱向像素值，px；xv為字符橫向像素值，px；a2為字符直線斜率；b2為字符直線截距，px。

建立水尺高度hi和像素坐標(biāo)高度數(shù)值yi的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行線性擬合，得出高度計(jì)算公式，即：

h=a3y+b3

(3)

式中，h為水尺高度值，m；Y為字符縱向像素值，px；a3為高度直線斜率，m/px；b3為高度直線截距，m。

6)高度計(jì)算：根據(jù)式(1)、式(2)，得出水線與字符直線的交點(diǎn)像素坐標(biāo)(xj，yj)，將yj代入到公式(3)，即得該幀圖像的實(shí)時(shí)高度值。

7)平均高度計(jì)算：重復(fù)計(jì)算剩余幀圖像讀數(shù)，最后對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)篩選計(jì)算出平均吃水值。

2.2.2 基于模式匹配的水尺識(shí)別

該系統(tǒng)中的模式匹配用于定位灰度圖像中預(yù)定模板圖像的位置，其不受圖像亮度、噪聲、偏移等因素的影響。該方法適用于在字符銹蝕污損的情況下的識(shí)別。

基于模式匹配的水尺識(shí)別也可通過(guò)NI Vision Assistant進(jìn)行建模，方法與2.2.1中描述的建模部分相似，就不再進(jìn)行介紹。

基于模式匹配的水尺識(shí)別過(guò)程如圖5所示，部分步驟與2.2.1中描述的方法相同(相同步驟后面不再詳細(xì)敘述)，具體步驟如下：

圖5 基于模式匹配的水尺識(shí)別

1)創(chuàng)建模板：用戶創(chuàng)建字符模板，輸入模板對(duì)應(yīng)的水尺高度值，保存模板。

2)修正圖像并緩存：對(duì)圖像進(jìn)行角度修正并緩存校正后圖像，緩存的目的在于字符識(shí)別后再進(jìn)行水線查找，縮小查找區(qū)域、避免誤識(shí)別。

3)顏色抽?。和?.2.1中的步驟3)。

4)模式匹配：讀取模板字符，利用IMAQ Match Pattern VI(模式匹配子函數(shù))獲取模板字符在圖像中的信息，包括：字符數(shù)值、字符位置坐標(biāo)、字符高度寬度等；并基于字符信息得到字符直線公式、高度計(jì)算公式，公式獲得方法同2.2.1中的步驟5)。

5)水線識(shí)別：讀取步驟2)中的緩存圖像，利用步驟4)中識(shí)別出的最下方字符位置信息，在字符下方區(qū)域查找水線，并獲取水線公式。

6)高度計(jì)算：同2.2.1中的步驟6)。

7)平均高度計(jì)算：同2.2.1中的步驟7)。

2.3 液艙液位測(cè)量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

液艙液位測(cè)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，傳感器集成模塊包含壓力傳感器、傾角傳感器、密度傳感器、溫度傳感器，傳感器模塊通過(guò)信號(hào)放大器與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊(A/D采樣器)相連，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與MSP430F149微控制器相連，微控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、顯示、無(wú)線通信等功能。新型液艙液位測(cè)試裝置消除了檢驗(yàn)人員數(shù)據(jù)讀取和記錄環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)失誤，及傳統(tǒng)液位尺無(wú)法測(cè)量液體密度，不能為后續(xù)液體重量計(jì)算提供依據(jù)的問(wèn)題。

圖6 液艙液位測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.4 港水密度測(cè)量子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

港水密度測(cè)量子系統(tǒng)由密度計(jì)及無(wú)線通信模塊兩部分組成，密度計(jì)為電子液體密度計(jì)，型號(hào)為XFMD-1201G，精度為0.0001g/cm3，通過(guò)內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠繜o(wú)線通信模塊，并開(kāi)發(fā)專用通信協(xié)議與監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，提高了密度測(cè)量效率、消除人為誤差。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

國(guó)家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心已于2017年1月23日獲得水尺計(jì)重檢驗(yàn)項(xiàng)目中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可委員會(huì)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可證書(shū)，具有多名有經(jīng)驗(yàn)的水尺計(jì)重人員。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，以識(shí)別系統(tǒng)結(jié)果和人工檢測(cè)方法做比對(duì)，在國(guó)家能源集團(tuán)黃驊港拍攝了現(xiàn)場(chǎng)100艘煤炭運(yùn)輸船共計(jì)530個(gè)水尺視頻。該系統(tǒng)識(shí)別分辨率為0.001m，人工觀察讀數(shù)分辨率為0.01m，采用2組工作人員同時(shí)進(jìn)行吃水值檢測(cè)，一組人工觀察取均值作為標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)，另一組采集水尺視頻后直接用系統(tǒng)軟件分析。在比對(duì)過(guò)程中，選擇對(duì)水尺計(jì)重影響最大的內(nèi)、外檔船舯水尺讀數(shù)作為試驗(yàn)對(duì)象。人工目測(cè)水尺按照《進(jìn)出口商品質(zhì)量鑒定規(guī)程 第2部分：水尺計(jì)重》(SN/T 3023.2—2012)的標(biāo)準(zhǔn)分析讀數(shù)。系統(tǒng)與人工讀數(shù)誤差絕對(duì)值≤0.01m認(rèn)為識(shí)別準(zhǔn)確。吃水值自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與人工目測(cè)方法數(shù)據(jù)比對(duì)見(jiàn)表1。

表1 煤炭運(yùn)輸船舶計(jì)重吃水值自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與人工目測(cè)方法數(shù)據(jù)比對(duì)

表1中，系統(tǒng)水尺值較目測(cè)值的誤差率見(jiàn)式(4) ：

E=(F-G)/G

(4)

式中，F(xiàn)為軟件分析水尺值，m；G為目測(cè)檢視水尺值，m。

從表 1 可以看出，100船次自動(dòng)識(shí)別軟件的吃水值較目測(cè)方式誤差范圍在0.000～0.01m之間，平均誤差率為 0.058%，系統(tǒng)與人工讀數(shù)誤差絕對(duì)值小于等于0.01m的準(zhǔn)確率為93.26%，經(jīng)分析本系統(tǒng)對(duì)清晰、污損、銹蝕的字符識(shí)別可做到100%識(shí)別，不能準(zhǔn)確識(shí)別的原因均為水線識(shí)別偏差，而造成水線識(shí)別偏差的原因包括：光照、波紋、水質(zhì)、船體裝載線等因素。所拍攝的視頻中，清晰視頻占54.6%，污損視頻占37.8%，銹蝕視頻占7.6%，視頻樣本具有代表性。視頻像素為1920×1080，視頻時(shí)長(zhǎng)為20s，六面水尺視頻平均處理時(shí)間為365s，最長(zhǎng)處理時(shí)間小于430s。出具檢驗(yàn)報(bào)告時(shí)間平均為52min，滿足港口對(duì)作業(yè)時(shí)效的要求。

4 結(jié) 論

1)研制了水尺圖像采集專用裝置，檢驗(yàn)人員在煤炭運(yùn)輸船甲板上即可完成六面水尺高清視頻拍攝并將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。解決了檢驗(yàn)人員需攀爬懸梯或乘船拍攝靠海側(cè)水尺視頻，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率和安全性。

2)開(kāi)發(fā)了水尺計(jì)重自動(dòng)識(shí)別專用軟件，實(shí)現(xiàn)了水尺字符符合標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)條件下，清晰、污損、銹蝕等特殊情況下的100%準(zhǔn)確識(shí)別，光照條件較好條件下吃水線位置的準(zhǔn)確識(shí)別，識(shí)別準(zhǔn)確率為93.26%。

3)運(yùn)用傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、微電子技術(shù)研制了船舶液艙液位專用測(cè)試裝置和港水密度測(cè)量專用裝置，提高了作業(yè)效率，消除了人工觀察讀數(shù)誤差。

4)該系統(tǒng)已在黃驊港應(yīng)用兩年多，解決水尺計(jì)重各環(huán)節(jié)人工觀測(cè)并記錄的落后狀況，提高了作業(yè)的科學(xué)性、安全性、公正性。