杨晓峰

辽宁港口集团丹东港口集团有限公司

摘要：近年来，我国自动化集装箱码头在建和已建规模均居世界首位，从实际营运情况看，我国自动化码头运行稳定，装卸效率逐步提升，运营情况良好，起到了较好的示范效应。岸桥作为自动化集装箱码头最为重要的装卸设备之一，它的运行直接关系到码头的生产效率，而作为远程控制的重要组成部分，视频系统非常关键。本文介绍了一种新型的岸桥吊具与小车架视频组合，通过自动切换/目标识别等技术手段，让集装箱的装卸画面更加直观易用，达到提升人工操作效率的目的。

关键词：岸桥；自动化；远程控制；视频监控系统；吊具视频识别与追踪

0  概 述

   “岸桥”是岸边桥式集装箱起重机的简称，用于集装箱船舶和车辆的装卸作业，具有跨距大、速度快、集装箱装卸效率高等特点，是集装箱港口非常重要的装卸设备。视频监控系统可以为岸桥的现场作业和远程控制提供实时视频画面，监控起重机作业得全过程，保障集装箱装卸作业中的安全、高效。

远程控制室（简称远控室）用于自动化/半自动化港机设备的远程控制和集中监视，在远控室操作台配置视频控制系统工作站和视频远程控制软件用于辅助驾驶，视频远程控制软件根据PLC指令自动切换岸桥作业画面，自动调整摄像机视角。

工业电视系统，特别是与港机控制深度整合的工业电视系统，与集装箱装卸生产作业密切相关，区别于普通安防领域的视频监控系统，对设备的耐用性、端到端延时、整体系统的可靠性、系统集成商的专业程度提出了非常高的要求。

1. 现有岸桥远程控制操作视频存在的问题

 1.1与轨道吊相比操作困难

   在集装箱码头的远程监控操作观察现场的主要设备除了可靠的电子控制外就是监控设备，监控设备可以让人从任何现场以外的地方直观的观察到整个作业面设备的运行情况，因此视频显示设备是自远程操作的核心功能之一。在集装箱码头远程控制的操作中普遍存在这样的问题：岸桥的远程控制人工操作比轨道吊的远程控制人工操作更加困难，人员需要训练的时间更长；这不仅仅是岸桥和轨道吊的高度和运行方式不同导致的，更是因为岸桥与轨道吊由于生产作业时工况不同造成的视频系统设置不同而产生的问题，特别是岸桥/轨道吊操作台中间屏幕的主操作视频画面，轨道吊操作台有3块屏幕，主操作屏幕位于中间，该视频画面是由4台吊具摄像机拼接而成，能够高效且精确地完成对箱操作；岸桥操作台有2行*3列6块屏幕，中间一列的2块屏幕为主操作屏幕，视频画面由位于小车架陆侧、海测中心点的2台变焦摄像机组成，带有一定的联动放大功能，可以观察吊具的整体情况，然而缺少吊具转锁和集装箱锁孔的细节画面。可以看出，岸桥和轨道吊主要操作画面的不同是因为在岸桥的吊具上通常不安装摄像机，而这是因为岸桥和轨道吊作业环境不同造成的。（图1、图2所示）。

图 1轨道吊远程控制画面，中间为主操作画面

图 2岸桥远程控制画面,中间一列为主操作画面

    对于轨道吊来说，运载集装箱在堆场和车辆之间移动，吊具及集装箱周围始终有一定空间，这样就可以在轨道吊上安装使用吊具摄像机；然而岸桥在装卸时吊具会紧贴集装箱船的货仓导轨，几乎不可能安装任何突出吊具的设备。（图3、图4所示）

图 3：轨道吊上吊具摄像机突出吊具侧表面

图 4：由于货仓导轨的限制，岸桥通常不安装吊具摄像机

     如果为了避免剐蹭，把吊具摄像机安装在岸桥吊具内侧，一旦吊具着箱，大部分的视频画面将被吊具抓住的集装箱遮挡，无论是运输集装箱从船到岸，还是从岸到船，被大部分遮挡的吊具摄像机都失去了辅助操作的能力，即吊具摄像机多数时间处于“不可用”的状态。（图5所示）

图 5安装在吊具内侧的摄像机

 2. 对当前岸桥远程控制的视频系统存在问题的分析

 2.1岸桥小车架与吊具“5+4”视频方案

    为了在岸桥上实现与轨道吊接近一致的吊具锁孔画面，并且在吊具抓箱之后依然有清晰直观的视频用于落箱操作，本方案采用小车架安装5台摄像机+吊具内侧安装4台吊具摄像机的方式实现。

    操作台中间上方屏幕显示小车架或吊具的“四拼接”画面，这是人工操作观看的主要画面，与轨道吊视频布局保持一致；下方为全局摄像机也会随着吊具高度变化而变焦，为操作人员提供吊具整体画面。（图6所示）

图 6小车架实时识别追踪吊具的实际效果

 2.1.1小车架上的5台摄像机

    小车架上的5台摄像机采用“4+1”布局，指的是4台位于小车四角用于四画面拼接的摄像机，和1台安装在小车架海测中心点上的全局摄像机，这些位置有人员通道，支架的焊接与摄像机的安装维护都非常方便。（图7、图8、图9所示）

图 7小车架“4+1”方案安装位置，左：地面仰视方向，右：从上至下俯视方向（示意图）

图 8小车架摄像机安装位置实拍图

图 9安装后的摄像机角度（示意图）

 2.1.2吊具上的4台摄像机

    吊具上的4台摄像机安装在吊具四角的内侧，通过视频传输线缆汇总到吊具主体接线箱，该接线箱通过专用复合电缆和吊具上架接线箱相连，通过吊具上架接线箱内的编码器将吊具模拟图像编码为网络数据传输至电气房。（图10所示）

图 10吊具摄像机的安装位置

 2.1.3实现原理

    小车架上的四台摄像机对吊具四角的识别和追踪是本方案的核心技术，如上图所示，吊具锁头在画面中的位置并不是固定的，而是沿着图中模拟的轨迹运动。比如当吊具在最高位置时将摄像机画面中心对准锁头，如果只是随着吊具下降对画面进行变焦（放大），那么放大的画面会偏离吊具，不能达到预期效果，同时我们也要考虑到装卸作业的不同工况，如吊具会随着集装箱尺寸的变化伸缩，吊具四角的位置并不是固定的。 

能成功实现小车架“5+4”方案，主要有以下几个关键措施：

1. 特殊形态的摄像机，扭转轴可调节，确保拼接画面对齐并且吊具在画面中保持水平，有助于对吊具的识别。
2. 与PLC的联动策略结合吊具运动轨迹函数，让吊具锁头大致处于画面中的某个固定位置，在此基础上利用算法识别吊具四角并完成拼接。
3. 高达500倍的图像放大要求非常有效的防抖措施，硬件上需要摄像机与支架设计合理，在源头减少抖动，软件上适当地应用电子防抖，不过多增加画面延时。
4. 选择适当的时机在小车架四拼接摄像机和吊具摄像机之间切换，并且两组摄像机切换几乎没有黑屏和延时。

 2.1.4操作流程

    吊具下降抓箱-吊具锁定：由4台吊具摄像机作为主操作画面，吊具锁定-吊具开锁：吊具锁定后，吊具摄像机的画面被集装箱遮挡，系统自动切换到小车架4台摄像机作为主操作画面（图11、图12所示）

图 11四台吊具摄像机组成的主操作画面

 图 12四台小车架摄像机组成的主操作画面

2.1.5 实现效果

图 13小车架拼接摄像机提供清晰直观的超高倍率放大图像

    从图13可以明显看出，小车架“四拼接”（第一排中间图片）左上角方框内的画面在全局摄像机中仅占非常小的一部分，并且全局摄像机已经经过了比较大倍率的变焦。经过测算小车架“四拼接”画面的综合放大倍数大约500倍，只有如此高的放大倍率才能在吊具接近集装箱时，小车架“四拼接”画面与吊具摄像机画面无缝衔接，有效提升人工操作时的作业效率。

图 14小车架在陆侧时“5+4”方案的实际表现

    图14所示当吊具抓箱后，吊具摄像机画面被遮挡，系统自动切换至小车架“四拼接”画面，在陆侧，“四拼接”画面中集装箱侧面和底边清晰可见，有助于操作对准集卡，集卡上的挡板非常明显，而在传统方案常用的吊具全局摄像机画面中，很难看清集卡挡板这样的细节图像。

图 15明暗对比强烈场景下“5+4”方案的实际表现

    图15所示在明暗对比强烈的场景下，特别是画面中同时有明亮的阳光和阴影，传统全局摄像机画面中阴影的部分几乎全黑，很难看清任何内容，以往这种情况装卸人员只能放慢操作速度来保障安全，而小车架四拼接画面由于放大倍率高，曝光策略完全跟随放大部分，所以不管吊具在强烈的阳光下还是黑暗的阴影中，或者像上图中部分吊具非常亮、部分吊具非常暗的复杂场景，都能有准确的曝光，为操作人员提供清楚的操作辅助画面，提升作业效率。

图 16“深井作业”场景下“5+4”方案的实际表现

    “深舱作业”或者“深井作业”是指目标集装箱位置在船舱内，四周有比较高的其他集装箱的情况。通常在白天进行深舱作业，非常容易出现四周集装箱比较亮，目标区域比较暗甚至完全看不见的视频画面，如图16所示，全局摄像机中集装箱周围情况很难看清，然而在四拼接画面里吊具携带的集装箱与周边集装箱、船舱壁都非常清楚，这样的画面同样有助于操作人员提升作业效率。

3.结语

    视频系统在港口等工业领域大规模应用已经有几十年的时间，在2000-2010年代视频系统解决了从看不见到看得见的问题，在2010-2020年代视频系统解决了从看不清到看得清的问题，在二十一世纪的第三个十年，视频系统将解决由看得清到看得懂的问题，目前我们实现了对吊具的识别与持续跟踪，在未来这套系统能够发挥更大的价值，为港口生产提高效率、保驾护航。