煤炭运输船舶智能水尺计重技术的应用与发展

阴雨蒙蒙

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.国家煤炭质量检验检测中心，北京 100013)

0 引 言

随着黄骅港煤炭吞吐量的增多，煤炭下水量连续3年位居国内首位，且呈上升趋势，均已超过2亿t。黄骅港煤炭装船机全自动和5万t电煤船舶重载双向通航的实现代表着煤炭装船工作效率的大幅度提升，已基本形成了围绕煤炭等货物的高效、专业化运输系统。煤炭主要贸易运输方式以船舶水运为主，随着船舶运的发展，水尺计重作为大宗散货交易中商品的结算、纠纷处理、计算运费等的依据之一[1-10]，准确的计量结果对保护船东、卖家和买家的利益都具有极为重要的意义。因此，作为煤炭交易计量依据的水尺计重工作将面临严峻的考验，主要表现在水尺计重数据的准确性和水尺计重的效率上。

随着科技的进步和检测手段的多元化，人们期望通过图像识别技术、数学算法模型升级、机器人或无人机拍摄载体等技术引入，以期实现进一步提高检测准确度，并尽可能排除人为误差[11]。冉鑫等提出了1种具有代表性的智能识别方式，即基于图像处理的船舶水尺刻度识别方法和船舶吃水线检测方法，刻度识别是利用三叉点特征构造模板数组进行字符分类，然后与构造的模板匹配进行水尺字符识别，吃水线识别检测采用的是Canny算子和数学形态学结合的办法，刻度识别和水线识别为船舶吃水值的计算打下良好的基础[12]。

科学先进的智能识别方式能减少传统方式人为主观因素对鉴定结果的影响，随着煤炭船舶智能水尺计重技术(以下简称智能水尺计重技术)的应用和发展，不断修复传统水尺计重方式的短板。笔者将以黄骅港开展智能化水尺计重项目为例，结合现场各鉴定环节的工作情况，对六面吃水观测、设备构成、数据的采集与计算等方面提出针性的问题及意见，不断提高准确性及工作效率，为智能水尺计重的软件、硬件、大数据生态方面的研发方向提供参考。

1 智能水尺计重技术的应用现状及问题

1.1 煤炭船舶六面水尺的观测

水尺标记是表明船舶吃水深度的尺度数据，也是表征整船货物重量的主要测量参数。人工观测法是当前水尺计重行业使用最广泛的测定方法，水尺计重人员站在岸边或爬舷梯、坐小船的方式对六面水尺进行观测。传统的人工观测容易受到风浪影响[13]，不但工作效率低，而且在攀爬作业过程需要防范诸多的安全风险，该方法得出的吃水值受人为因素影响比较严重，准确度不高[14]，使目测得到的数据带有很大的主观性。

随着图像处理技术的日益发展与完善，图像处理技术陆续被应用到船舶水尺检测研究工作中[15]。目前，笔者单位在现场引入智能化水尺识别系统，使用手持录像设备对船舶六面吃水进行拍摄、识别、分析，得出船舶六面数值。该系统基本满足代替人工观测。

但通过现场工作实践中了解到，在一些特殊情况下如船舶长期航行于海上时，船体会饱受侵蚀与摩擦碰撞，导致水尺标记脱漆或者水尺标记变形腐蚀[16]，易出现智能化读数系统识别异常或识别时间延长的情况。

智能化读数识别对比如图1所示。

图1 智能化读数识别对比Fig.1 Identify comparison charts of intelligent reading

1.2 水尺计重设备

目前笔者单位现场所使用水尺计重设备包含六面水尺智能识别系统、水尺伸缩杆、支架、防水摄录一体机、补光灯、执法记录仪、油水舱测量管内窥镜、油水舱液体提取和排出验查器、 取水器、密度计、钢卷尺、量油尺等。以上设备为六面水尺观测、油水舱测量、油水舱查验、海水密度测量等工序提供帮助。

多种多样的设备是保障水尺计重工作顺利开展的基础，但对于鉴定人员来说，在有限的时间内，携带并使用各种设备准确的实现重量鉴定也是一大考验。现有的硬件设施是采用直接购买市场现有的多家品牌产品进行组合，缺少特性和针对性。以防水摄录一体机为例，需满足远程遥控、光学变焦、防水防尘、耐寒耐热的需求，而市面现有多家品牌其性能、工作特点无法完全适应及覆盖水尺计重智能化设备的需求。所以，设备集成度不高且未完成配套硬件自主研发等因素影响水尺计重设备智能化的发展。

1.3 水尺计重数据的采集与计算

水尺计重工作过程产生的数据庞大且复杂，包含货运船舶信息、现场作业环境、水域密度、六面水尺录像、水油舱测深、船舶相关资料等。将水尺计重数据录入至计算系统中计算货物重量。鉴定人员全程佩戴执法记录仪对数据采集、计算过程进行全程监督。

繁多的计重数据逐一测量采集并准确录入对于鉴定人员来说具有挑战性，鉴定人员需要经验丰富且精神高集中，防止漏采、漏录，错采、错录。为了提高鉴定工作的效率和鉴定结果的准确性，一般由2名鉴定人员同时进行鉴定工作，并采用双人复核制，先由1名人员把所有采集数据录入表格，再由另1名人员对录入数据进行核对。

而人员在较短时间内完成数据采集、录入，易出现数据错误的现象，影响货物重量结果的准确性。

2 智能水尺计重技术的发展方向及建议

2.1 智能水尺识别系统的升级

目前笔者公司均采用智能识别系统进行水尺计重重量鉴定工作，其结果的准确性得到了货方、买方及船方的认可。

近年来，人工智能技术发展迅速，其中的图像识别处理技术发展尤为迅速，航空、医学和通信工程等[17-19]领域涌现出了很多基于图像处理原理的图像自动识别技术，而此项技术也同样适用于船舶水尺计重行业，且需求量也越来越多。

为使智能识别系统更加准确高效，公司目前应用的该套系统仍会持续优化改进、升级智能水尺识别系统来满足各种条件下的水尺计重任务。在面对复杂多变的船况有不同的应对方法，使用先进的技术将图像分析进行升级。系统通过深度学习、AI视觉优化等技术，升级观测和识别系统，优化算法。例如：将录制视频上传到升级的智能读数系统后，系统先会对视频抽帧，获取达到要求的图像，然后采用AI视觉技术，对局部图像进行准确寻找、识别，最后通过深度学习，自动识别出所需数据，并通过样本量的积累不断优化进行升级迭代，使整个识别过程更加准确高效。

通过我公司对智能识别系统不断的优化改进、升级，已基本解决因水尺标志清晰度不够导致无法识别或识别时间较长的问题。

2.2 高集成度智能化一体化设备

建立联合硬件开发团队，将多种设备进行改造升级，针对智能水尺计重业务的特性和需求，对配套设施进行自主研发；集成多项技术，缩小设备规模，从而达到设备智能化集成化便携化；解决当前智能化设备集成度不高、未完成配套硬件自主研发、无法完全适应及覆盖水尺计重智能化的需求等问题。

例如，将原先分散的识别系统、防水摄录一体机、手持终端集成在一起，形成智能水尺识别模块，该模块具备录像、识别、分析的功能，同时具备适应现场工作环境如三防、光变、体积轻薄等各项传参数，简化设备操作工序，提高人员工作效率。

2.3 智能水尺计重大数据系统

研发配套智能水尺计重大数据系统。利用5G技术[20]将人工采集、录入变为系统采集，由智能水尺系统直接参与全部作业流程，随时将数据回传至服务器中，并直接对相关采集数据进行处理、分析、存储，完成全部数据采集时系统便自动生成本次水尺计重货物重量结果，整个过程高效化、透明化，在降低人工参与度的同时通过全程视频记录鉴定过程、有效还原工作现场，一旦发生货物短重情况可为企业仲裁提供有力支撑，对船方也有一定的约束作用。

同时大数据系统在全面、详细地记录各项数据资料的同时还能满足诸如监督、培训、管理等各项业务配套工作，并不断扩充智能水尺深度学习的样本量，满足系统的升级迭代。水尺计重大系统构想如图2所示。

图2 水尺计重大系统构想Fig.2 Draft survey big system idea diagram

2.4 打造专属水尺计重产品与树立行业导向

目前水尺计重领域内，通过自主研发的各项智能化工具种类繁多，从无人机[21]到爬壁机器人[22]、遥控船舶和手持摄录装置，再到基于各种算法平台设计出的图像识别系统[23]，使得智能水尺作业的速度和精度不断提高，各方都有自身的优势和不足，很多新技术和装备的方案分散不能统一，港口方或委托研究机构应组织集中多方优势技术，共同设计开发适用于各煤炭港口专属的智能识别系统，并根据不同煤炭港口现场的规划和当地的水文海况等因素，因地制宜，融入“智慧港口”[24]的建设，有针对性地在码头泊位加装岸基水尺计重智能识别硬件，真正做到智能化、一体化。

煤炭运输船舶智能水尺计重的推广过程中，市场往往会对新技术产生畏惧的心理，通过技术开发基及商业扶持，克服阻力并树立正确的导向能为新技术的推广起到关键的作用。智能水尺计重产业应用目前缺乏一定的探索意识和风险意识，尤其是当新技术短时间无法取得良好收益时，市场容易敬而远之，所以相关需求方可以自身水尺计重工作为依托，自主或委托相关机构研究或升级现有智能识别系统，使其提供能完全满足实际需要的服务，从商业上扶持智能水尺计重技术开发，打出品牌，逐步向全行业推广智能化服务，同时与相关方合作，利用平台优势，加大对新技术的推广，提高智能水尺计重设备的竞争力。

3 结 论

(1)对智能水尺识别系统软件进行升级，引入机器视觉等先进图像识别技术同时加入深度学习的图像处理技术，做到多环境下对水尺标志准确识别，既解决了水尺计重中检验人员人为因素的干扰，又成功消除了水尺标志清晰度不够带来的无法识别及识别时间长的问题，可进一步提高准确性和工作效率。

(2)打造高集成度智能化一体化设备，对于传感器、数据采集和处理、电源等模块进行多功能集成设计，利用高密度多层电路板涉及，优化各模块空间，使用轻量、坚固和高强度的材料，精简检验人员携带设备的尺寸和重量，减少检验人员的工序及多工序带来的误差。高集成度智能化一体化设备还能适应多种场景，减少阳光下、夜间或者极端天气下带来的工作影响。

(3)建立完整的智能水尺计重大数据系统能够实现对此项业务的数据采集、传输、存储、分析等功能的程简单化、透明化、高效化，同时对全流程可视化、数据安全性和隐私、信息管理和维护，以及业务培训等方面提供有利的保障和支持，并能配合“智慧港口”建设进行数据共享，其货物装卸数据可与港口运营和港务管理系统对接，有助于优化港口资源分配，提高港口吞吐量和操作效率。

(4)水尺计重作为高效、准确的计量方法，广泛应用于大宗散杂货中。水尺计重结果是否准确决定了货物的价值，传统方式一般存在人为主观因素，鉴定结果的公正性会受到影响。在现代化智能技术的发展升级下，带动着水尺计重业务需求也向着更加高效、准确、智能的方向不断提高，传统水尺计重模式的短板也在发展的过程逐渐显现出来，水尺计重工作方式由传统转向智能是以后行业发展的必然趋势，从而在保证鉴定结果的准确性的前提下，大幅缩减计重时间，满足现场及港口的工作需求。