船舶水尺智能识别技术的研究与进展

张 帅 朱学海 罗陨飞,2

（1．力鸿智信（北京）科技有限公司 北京 101312；2．中国质量检验协会煤炭专业委员会）

1 前言

我国已成为世界上港口吞吐量最多，增长速度最快的国家，在促进国家经济发展方面，我国的港口特别是大型港口发挥着极其重要的作用，我国已经初步形成了围绕煤炭等货物的高效、专业化运输系统。近年来，随着我国社会经济和工业建设的不断发展，对于煤炭等重要的能源和原料商品有着持续增长的巨大需求。数据显示，2017年我国港口完成货物吞吐量1.2644×1011t，同比增长6.4%。其中，沿海港口和内河港口同比增速基本持平，分别为6.4%和 6.3%，完成货物吞吐量分别为 8.625×109t和4.019×109t；完成外贸货物吞吐量 4.002×109t，同比增长5.7%[1]。大宗散货外贸进口量快速增长，煤炭的吞吐量增速有所加快，其中，外贸煤炭的进口量增幅超预期，进口量大幅增长。

这类大宗商品的主要贸易运输方式为船舶水运，随着船舶运输业的发展,船舶载货重量鉴定作为大宗散货交易中商品的交接结算、处理索赔、计算运费和通关计税等的依据，船舶载货重量鉴定的准确度越来越受到人们的关注。船舶载货重量鉴定可在出口时用作交货或结汇的凭证，进口时作为到岸计价或短重索赔的依据，准确的计量结果对保护承运人、发货人和收货人的利益都具有极为重要的意义。因此，在我国煤炭等大宗货物的贸易过程中，对贸易量的准确鉴定显得越发重要，而船舶六面水尺吃水值的准确判定则是基础。船舶六面水尺指的是在船舶的艏、舯和艉两舷的位置上绘制的刻度，主要是用于估量船舶的吃水深度，是船舶计重和船舶积载安全评估的重要依据。

2 水尺计重人工观测法

传统人工观测吃水[2]，是现今水尺计重行业使用最广泛的吃水值测定方法，通常是专业的水尺计重工作人员在尽可能靠近吃水刻度线的位置通过人眼观测直接进行读数，其中，往往需要攀爬舷梯或租用小型船舶等水上交通工具才能实现，这就不可避免地增加了劳动成本和安全风险率，另外，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。后来工作人员改善了这一工作模式，采取手持录像设备拍摄水尺标记位置的录像后统一进行读数的方法，情况稍有好转，但总体而言仍然过于费时费力费财，并且会受到主观和客观因素的影响，导致最终的读数误差较大。

3 水尺计重智能识别技术

针对传统的人工观测吃水所带来的各种问题，近年来各行业在新型化智能水尺识别技术的研究和应用方面做了较多研究工作，并取得了一定的成效，为当时及未来的水尺计重优化方式提供了借鉴及参考作用。

3.1 压力传感水尺

孙国元等[3]发明了一种双压力传感器船舷吃水检测法，该方法只需要两个传感器检测到的压力值，两传感器安装间距以及偏下传感器距船底的距离即可算出船舶吃水值，方法可排除“压力～水深”检测法中的水密度和重力加速度的影响，具备一定的创新性。但该方法需要保证两传感器始终处于水面以下，并且两间距需要达到一定的数值才能保证测试精确度，利用该方法有可能无法测定船舶空载时的吃水值，液面的浪涌情况也对该方法准确度有比较大的影响，另外，压力传感器的更换成本也是一个比较大的问题。

3.2 超声波水尺

李扬[4]研究出了一种基于超声波测距的船舶液位检测系统，该船舶液位检测系统体积小、重量轻，但超声波测量船舶液位距离是依照超声波从水面反射回甲板所需时间乘上声波传输速度来进行计算的，超声波传输速度容易受到外界空气密度的影响，而空气密度又与温度有着密切的关系，环境温度变化时其传播速度变化十分明显，最终导致测量结果精确度不高。

3.3 激光测距水尺

陈文炜等[5]提出利用激光测距传感器的方法进行船舶吃水值的测量，虽然激光具有测距远、精度高的优势，但是激光测距需要在水面铺放经特殊处理过的反射板，用于激光传感器接收反射光束，记录花费时间以至最终能给出结果数据。当前，全国各大重要港区都在力促船舶快进快出，提高码头使用率，而激光测距过程烦琐，测前还需铺设反射板，显然难以适应港区日常作业的要求。

3.4 六面水尺遥感观测装置

六面水尺遥感观测装置[6]，在小型遥控船上添加运动动态平衡捕捉相机，利用无线手持设备控制摄像机及船舶操控，最终实现实时动态水尺观测及存档。该观测装置可以实现船舶6个水尺的定点观测，从而省去拖轮租赁费用，且一定程度地减少了水尺观测作业时间，但是该装置拍摄水尺视频利用的是遥控小船，当大风浪天气时小船的稳定性就会变差，严重时可能还会发生侧翻等问题，另外小船的遥控信号的有无也是一个需要担心的方面。

3.5 水尺无人机

水尺无人机[7]，在无人机上搭载摄像头，水尺鉴定人员站在甲板上遥控操纵无人机的运转，无人机飞至船边吃水线刻度处进行观测，通过高清摄像头将观测数据反馈到遥控设备上，将拍摄的图像视频进行实时分析处理，现场得出水尺读数数据。该方法虽在一定程度上避免了人为因素的干扰，但在天气多变，测试条件较为严苛的码头，无人机的控制问题仍是一个难以克服的关键点。

3.6 雷达水尺观测装置

沈益骏等[8]利用在石化行业广泛应用于石油及制品上的雷达液位测距技术，研发出了一套雷达水尺观测装置，依据靠港船舶的实际应用环境，量身打造出了由雷达传感器、固定支架、显示器等共同组成的雷达水尺检测装置，该装置在设计的验证试验中进行了试用。雷达装置很容易受到电磁干扰的影响而不能正常工作，且吃水值的计算过程仍然需要翻阅船舶相关资料，增加了水尺工作时间。

3.7 耐波型水尺观测仪

肖金峰等[9]设计出了一种耐波型便携式船舶水尺观测仪，在该观测仪内部，水尺刻度处的液面波动比实际的液面波动要小很多，约为实际的10%左右，一定程度上可提高船舶在大风浪情形下的水尺观测精度值和水尺计重工作的安全性，但是该观测仪的稳定性不足，晃动问题尚未得到有效解决，个人操作并不容易，蓝牙摄像头的视频拍摄质量及其信号传输稳定性也是一个问题。

3.8 图像识别水尺

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于船舶水尺检测研究工作中，彭将辉[10]、冉鑫[11]、刘晓杰[12]、陈贺璋[13]等人相继利用图像处理技术对船舶水尺图像进行分析和检测，利用该方法取得的船舶吃水数据，可以避免人工目测所引起的主观意向问题，也可以准确完整地记录吃水数据，便于后续数据查询，避免贸易纠纷。采用图像处理技术可以使人与计算机优势互补，提高测量效率与测量数据的准确性[14]。但一般的图像处理技术处理结果好坏对水尺标记数字、水尺液面以及水尺视频或图片拍摄等情况的优劣存在较大的依赖性。一般情况下，船舶长时间航运过程中船体难免会与海中的各种物体发生摩擦碰撞，导致标记数字留下划痕或者掉漆甚至严重腐蚀；现场吃水线附近光线过暗或过亮，船体背景颜色不统一，水质浑浊度纷繁复杂导致显现出的水体颜色各不相同，这些将对数字及吃水线的识别检测增加很大的困难，识别和定位准确度会大打折扣。鉴于前人做过的大量研究工作的基础之上，基于图像处理技术，利用机器视觉和深度学习技术研究出了Leon-IDSS智能水尺测定系统，用于码头船舶的水尺计重工作，取得了良好的应用效果。

4 基于图像处理技术的智能水尺测定系统

基于图像处理技术的Leon-IDSS智能水尺测定系统包括船舶吃水影像采集系统（硬件系统）和数据图像处理分析系统（软件系统）两部分，两系统之间彼此相连，具体见图1所示。

图1 Leon-IDSS智能水尺测定系统组成示意图

4.1 船舶吃水影像采集系统

影像采集系统主要用于吃水影像的采集，该系统操作简便。便携式自动摄像装置可在甲板和岸边轻松实现对水面上吃水情况视频的拍摄，搭载自动补光设备，不管是白天还是夜间均可实现良好的拍摄效果。系统拍摄的水尺视频可实时传输到移动设备、计算机、管理系统等，通过信息化管理系统对视频拍摄、传输、软件计算的全过程进行实时监控，排除了人为因素的影响。船舶吃水影像采集系统性能稳定，可广泛应用于各种场合（包括大风浪情况）的水尺计重工作。

4.2 数据图像处理分析系统

如图2所示，数据图像处理分析系统操作界面由操作控制、图像读数、视频预览、图片显示和水位读数散点图等5个区域组成，影像采集系统采集的视频上传到数据图像处理分析系统后，分析系统首先会对视频采用抽帧转换技术，获取满足识别要求数量的图像文件，然后采用机器视觉技术，对局部二值化图像中的水线、数字进行准确定位、识别，最后采用基于神经网络的深度学习算法，自动计算出图像中船舶被测位置的吃水数。整个分析测试过程无须人工干预，视频单帧分析时长≤0.3s，六面水尺吃水深度识别总时长≤8 min，由图像处理分析系统计算并确定的船舶吃水值，与SN/T 3023.2—2012《进出口商品质量鉴定规程 第2部分：水尺计重》要求的水尺计重方法相比，误差可以控制在0.1%以内。

图2 数据图像处理分析系统区域组成和视频检测

4.3 Leon-IDSS智能水尺测定系统的应用实践

为了验证智能测定系统的准确性和可靠性，在黄骅港和天津港对系统的测试分析效果进行了现场测试试验，共拍摄100余艘船，获取了300多个水尺视频用于智能测定系统和按照SN/T3023.2—2012《进出口商品质量鉴定规程 第2部分：水尺计重》的标准分析读数，智能测定系统的读数精度为0.001 m，标准读数精度为0.01 m。试验结果得出，系统读数和标准读数的差值平均值为0.00745 m，二者读数差值在-0.01～0.01 m的范围内的比率为93.069%，系统读数结果已十分接近标准读数，满足与按标准读取水尺计重方法相比，误差控制在0.1%以内的目标需求。

5 结论

轮船载货水尺计重结果的准确与否直接决定了货物的价值，传统方式下存在人为因素主观情感与客观因素对于观测结果的干扰，最终结果的公正性也会因此受到影响。通过智能化和信息化手段不断改善水尺计重工作方式，体现水尺计重工作的准确性与公正性。在准确性的基础上进一步优化视频拍摄速度及软件处理速度能够有效缩短水尺计重的工作时间，为港口的吞吐效率提升提供可靠的技术支持。