海运电厂船舶靠岸侧水尺图像采集实验研究＊

程永林，岳益锋，张方，覃楚祺，焦莉

海运电厂船舶靠岸侧水尺图像采集实验研究＊

程永林1，岳益锋1，张方2，覃楚祺1，焦莉1

（1.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2.福建华电可门发电有限公司，福建 福州 350000）

为了精准采集大宗载煤船舶靠岸侧水尺图像，通过在某海运电厂“T”形离岸式布置的7万吨级卸煤码头开展现场实验，探究了基于图像识别技术进行水尺值智能识别对船舶靠岸侧水尺图像采集的要求。实验结果表明，水尺值识别精度随着图像采集镜头与水面距离的增加而降低，随着镜头与水尺标记在船舶纵向上的距离增加而降低；船舶靠岸侧水尺图像应在镜头正对水尺标记且距离水面2 m范围内采集。

水尺计重；图像识别；靠岸侧水尺；图像采集

1 引言

随着中国社会经济水平不断提高，能源消耗量与日俱增。据海关总署海关统计数据显示，2017年中国煤炭进口量达2.71亿吨。因此，水尺重量鉴定的重要性日益凸显。

传统的方法不仅成本高、耗时长，而且难以保障作业人员安全。众多专家学者针对如何测量水尺值的问题进行了广泛的探索和研究。沈益骏等利用雷达液位测距技术研发了一套雷达水尺观测装置，测量水尺时测量仪用可移动三脚架放置于船舶主甲板上，雷达探头旋转出船舶舷侧并垂直指向海面，该方法的测量值较真实值偏小且在船舶横倾时难以给出准确数据。随着图像识别技术的不断发展，众多专家在基于图像的水尺值智能识别方面付出了努力，成果丰硕。张振等[2]基于模板图像配准和灰度采样自适应阈值分割的思想，解决了水位值换算和水位线检测的关键问题。截至目前，基于图像的水尺值智能识别在理论和测量精度方面已较为完善和准确，通过无人机采集靠海侧水尺图像读取靠海侧三面水尺值的方法已在嵊泗港和太仓港应用。然而船舶靠岸侧三面水尺的测量作为影响船舶重量鉴定精度的重要因素，目前依然采用乘坐小船或站在码头上目测水尺值的传统方式，人员安全和测量精度难以保障。因此，本文提出通过图像采集镜头获取船舶靠岸侧水尺图像的方法，并且通过在某海运电厂卸煤码头开展现场实验，探究基于图像的水尺值智能识别技术对船舶靠岸侧水尺图像采集的要求。

2 实验系统

2.1 实验装置介绍

实验装置如图1所示，主要由智能球型摄像机、220 V交流电源、笔记本电脑三部分组成。

智能球型摄像机的型号为海康威视DS-2DF8231IW-AY星光级防腐蚀网络高清高速智能球机，支持水平方向0°～360°、垂直方向-90°～-20°旋转，具有31倍光学变倍、16倍数字变倍功能。摄像机安装于长度为2.5 m的碳钢支架。摄像机随碳钢支架悬挂于码头立面，采集船舶靠岸侧水尺图像。220 V交流电源主要用于摄像机供电。笔记本电脑用于摄像机镜头的方向控制、焦距调整和水尺图像的采集存储。

图1 实验装置示意图

2.2 实验方案介绍

镜头距水面不同高度时的图像采集方案：受涨潮与落潮的影响，现场实际测量该海运电厂卸煤码头的水位变化最大可达10 m以上。在每天潮水水位最高时，海水水面距码头地平面在3.4～4 m。由于摄像头通过配套自带的壁装支架安装于定制的碳钢支架，其总长度为3 m，可以利用潮水水位的变化采集镜头距水面0.4～7 m范围内的水尺图像。

镜头与水尺标记在船舶纵向上不同距离时的图像采集方案：由于摄像头安装于定制的碳钢支架且悬挂于码头立面，可以人工移动支架和其他实验装置采集镜头与水尺标记在船舶纵向上任意距离时的水尺图像。

2.3 实验原理

摄像机所采集的船舶靠岸侧水尺图像交与水尺图像智能识别系统进行识别，具有多年水尺重量鉴定经验的商检人员乘坐小船目测水尺。通过对比水尺图像智能识别系统得到的水尺值和商检人员目测得到的水尺值，判定镜头应该处于什么位置。

其中，水尺图像智能识别系统后端识别过程图像如图2所示，水尺图像识别的结果符合水尺计重的准确度要求，已获得商检人员认可。

图2 水尺图像智能识别系统后端过程图像

3 实验结果及分析

3.1 图像采集与乘坐小船目测的对比实验

2019-07-01载煤船靠港，水尺重量鉴定时潮高约1.13 m，水面距离码头平面约为11 m，水面距离图像采集镜头约为 8 m。图像采集镜头采用水尺图像智能识别系统识别水尺值与乘坐小船目测水尺值的对比实验，如图3所示。

（a）乘小船拍摄 （b）用图像采集镜头拍摄

水尺鉴定人员乘坐小船接近水尺标志，目测水尺值为14.23 m。然而，通过图像采集镜头获取的水尺图像由于刻度字严重变形，水尺图像智能识别系统无法准确得出水尺值。由此可知，基于图像识别技术进行水尺值智能识别对船舶水尺图像的采集有一定的要求。

3.2 镜头与水面距离的影响

为探究图像采集镜头与水面合适的距离范围，在不同水位高度时进行了水尺图像采集实验。

图像采集镜头距离水面越近，镜头采集水尺图像中的水尺刻度变形越小，效果越好。通过水尺鉴定人员目测水尺值与水尺图像智能识别系统识别的水尺值进行比较得出，在图像采集镜头距离水面小于2 m的范围内，识别值与目测值差异较小，相差不足0.02 m，识别值可用于水尺重量鉴定。然而，当图像采集镜头距离水面大于2 m时，水尺刻度变形随距离的增加而逐渐增大，识别值与目测值的差异呈指数级增长，识别值用于水尺重量鉴定误差较大。

3.3 镜头与水尺标志距离的影响

为探究图像采集镜头与水尺标志在船舶纵向上合适的距离范围，镜头距离水面1.5 m和2 m时，在船舶纵向上镜头与水尺标志不同距离进行水尺图像采集实验。

在图像采集镜头与水面的距离一定时，船舶纵向上镜头与水尺标志距离越大，水尺图像中的水尺刻度变形越严重，效果越差。通过对水尺鉴定人员目测水尺值与水尺图像智能识别系统识别的水尺值进行比较得出，在图像采集镜头正对水尺标志（镜头距离水尺标志为0 m）时，识别值与目测值差异较小，相差不足0.02 m，识别值可用于水尺重量鉴定。然而，当图像采集镜头距离水尺标志大于1 m时，识别值与目测值的差异较大，识别值用于水尺重量鉴定误差较大。

4 结论

基于图像识别技术进行水尺值智能识别对船舶水尺图像的采集有一定的要求。水尺值识别精度随着图像采集镜头与水面距离的增加而降低；在图像采集镜头距离水面小于 2 m的范围内，识别值与目测值差异较小，识别值可用于水尺重量鉴定。水尺值识别精度随着图像采集镜头与水尺标记在船舶纵向上距离的增加而降低，采集水尺图像时，镜头应正对水尺标志。

［1］沈益骏，李博，王鹏皓.雷达液位计测距技术在船舶水尺计重中的应用［J］.中国舰船研究，2017，12（6）：134-140.

［2］张振，周扬，王慧斌，等.标准双色水尺的图像法水位测量［J］.仪器仪表学报，2018，39（9）：236-245.

TP391.41；U692.73

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.016

2095－6835（2019）22－0055－02

程永林，助理工程师，主要从事智能燃料、船舶水尺计重相关工作。

中国华电集团有限公司海运电厂智能燃煤岛模型设计及关键技术研究应用项目（编号：CHDKJ16-01-40）

〔编辑：严丽琴〕