现场无人智能闸口的设计与实现.docx

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现场无人智能闸口的设计与实现

论文题目：

集装箱码头智能闸口的设计与实现

作者姓名：

李强

所属公司：

完成时间：

2013.05.31

集装箱码头智能闸口的设计与实现

摘要

传统闸口依然是劳动密集型的作业模式，现场需要大量作业人员，且作业效率低，车辆在闸口滞留时间长，车辆油气浪费严重，尾气排放污染严重，如何由传统的劳动密集型闸口转变为技术密集型闸口，进而解放生产力，打造环境友好型绿色闸口成为港口人的重要课题。

与此同时近些年来集装箱货运量的急速增长，对集装箱码头的压力也相应增加。

然而传统的闸口作业效率低下、错误率高，使得传统闸口的通过能力作为集装箱码头作业的瓶颈问题日益突出。

因此提高码头闸口的通过能力已成为集装箱专用码头迫切需要解决的问题。

近年来随着EDI技术的进一步推广使用，箱号识别OCR技术、车号识别RFID技术、箱体验残技术及其他相关技术的成熟和应用成木的降低，青岛岛港前湾联合集装箱码头开始着力于将传统的闸口改造成为智能闸口，并在实际的应用中大大改善了码头闸口的通过能力，打造出环境友好型绿色闸口。

目前本系统已经在青岛港前湾联合集装箱码头投入正式运行,智能闸口的应用实现了闸口无人化操作方式。

该系统将做进一步完善,从而提高码头作业效率和管理水平，降低安全隐患；变劳动密集型的高能耗高污染闸口为技术密集型的低能耗绿色环保的闸口。

关键字:

智能闸口；集装箱码头；无人闸口；缓冲区；生产安全；绿色环保

第一章绪论

1.1闸口功能介绍

集装箱码头闸口是集装箱车辆进出码头的必经之路。

它的主要功能与集装箱进出码头的移动操作以及这些操作的记录有关，包括集装箱货物、集装箱和集装箱卡车等的交换以及各种操作处理的识别、验证和记录;其次还涉及支持性的工作，包括箱封核对、箱体检验、称重、码头内的停车指示等，再次还涉及交通控制以及车辆和货物通过大门操作相关的数据处理，包括交通控制、车辆排队以及统计数据收集等。

1.2传统闸口存在的弊端

闸口作为集装箱码头的陆上咽喉,负责管理集装箱进出,其效率直接影响着码头总体作业效率，然而当传统闸口作业完全依赖于人工识别车号和箱号、人工识别残损箱、人工处理单证并录入数据、劳动强度大、作业效率低、数据准确性差，直接造成闸口通过速度慢、差错率高，码头区域内极易发生箱货丢失等现象。

1.3智能闸口建设的必要性和可行性

一般来说码头闸口的大小以及通道的数量在设计之初就已确定，随着集装箱货运量的快速增长，卡口的通过能力作为码头作业的瓶劲问题日益突出，在码头投入使用后很难通过基础建设的方式来对闸口进行扩容，因此建立一个高效、准确、方便、可靠的智能化集装箱闸口系统就成为闸口发展的必然趋势。

同时传统闸口依然是劳动密集型的作业模式，现场需要大量作业人员，且作业效率低，车辆在闸口滞留时间长，车辆油气浪费严重，尾气排放污染严重，如何由传统的劳动密集型闸口转变为技术密集型闸口，进而解放生产力，打造环境友好型绿色闸口成为港口人的重要课题。

随着整个社会信息化水平的提高，新的信息技术不断出现以及其应用成本的日益降低，使我们开始着眼于如何通过信息技术改造来提高码头闸口各项能力。

近年来，随着EDI技术的进一步推广使用，箱号识别OCR技术、车号识别RFID技术、箱体验残技术及其他相关技术的成熟，许多集装箱码头开始着力于将传统的闸口改造成为基于以上技术的智能闸口，以提高码头闸口的通过能力。

智能闸口是将信息技术、电子技术和自动控制技术与集装箱运输业务予以有机整合，改造传统的集装箱道口作业方式，从而实现闸口管理的“无人”化，系统全程记录和全程监控，实时采集数据并交互信息，大大提高集装箱车辆的通过效率，并杜绝人为因数产生的错误甚至作弊。

智能闸口将RFID,OCR,CCTV,DVR,EDI和实时控制等先进技术予以有机结合，有核心控制模块根据业务过程控制各个部分运作，自动识别车号和箱号，通过视频完成箱体验残的远程检测，对识别和检测出来的信息按监控及操作需求进行转换，从而实现码头管理系统的实时交互，完成集装箱闸口管理和控制的智能化。

第二章智能闸口采用技术概述

2.1RFID射频卡技术：

RFID（RadioFrequencyIdentificationSystem）射频识别是一种非接触式的自动识别技术它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据识别工作无须人工干预可工作于各种恶劣环境。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签操作快捷方便。

RFID射频识别系统与IC卡有密切的联系数据存储在电子数据载体（标签）之中。

然而标签的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电子的触电接触而是通过磁场或电磁场这方面采用了无线电和雷达技术。

利用该技术将射频卡内的存储的车牌照号、集装箱号码、空重标记、冷冻标记等读取并上传到服务器存储,待作业系统进行相关处理,使用该技术大量简化人员录入信息,有效减少集卡车在通道停留时间。

目前码头使用RFID射频卡技术进行电子车牌识别。

2.2箱号识别OCR技术：

2.2．1OCR技术识别集装箱原理：

集装箱号码自动识别，简称箱号识别，是基于图像识别中的OCR光学字符识别）技术发展而来的一种实用技术包括触发、图像抓拍、字符识别几个关键环节，它能对集装箱图像进行实时抓拍，对集装箱号和箱型代码（ISO号码）进行识别。

实时的影像、车辆和集装箱的信息均转化成为数字化信息存储在计算机中，通过调用这些信息与物流、码头、堆场或海关的信息管理系统进行整合，提高关口和货物管理、集装箱存货管理、场地规划、收费管理及其他有关物流管理的自动化程度，有效地节省了集装箱检验的时间，降低了人手一记录集装箱号码的出错率。

2.2.2OCR技术识别箱号过程

根据国际通行的规则，集装箱号码应喷涂于集装箱的前、后、左、右、上五个面，箱号末尾还有校验码和箱型代码。

在五个面上的号码虽然相同，但字形、排列却可能有区别。

集装箱在世界范围内运输，由于碰撞、磨损、掉漆等原因，常常出现号码字符的残损缺失。

同时，集装箱还存在着多种形制，有20、40、45、48英尺等多种规格，以及超高箱、油罐箱等特种箱，在通过关口时，还有单个长箱、单个短箱、两个短箱等多种形式。

为有效地处理这些复杂的情况，需要在系统的触发、识别等方面采取一些特殊的技术。

为提高识别率，箱号识别系统通常对箱体各个面上喷涂的箱号都要进行识别，最后根据各个面的识别结果进行综合互补判断。

由于集装箱经常上下叠放，一般箱顶的字体磨损都相当严重，因此，系统通常只采集前、后、左、右四个面的箱号图像进行识别，而一般又以前、后两面的图像效果较好。

箱号识别系统通常由触发模块、控制器、图像采集模块、识别模块和辅助光源组成。

箱号识别系统组成

为实现对箱体四个面的图像采集，一套箱号识别系统一般最少同时布置四台相机，分别负责对前后左右四个面的拍摄。

四路相机根据触发信号和控制器的指令进行拍摄，将图像传回计算机进行识别。

在箱号识别系统中，最值得注意的是其触发系统。

由于集装箱尺寸不一，通过的方式也不同（单个长箱、单个短箱、两个短箱等）。

为了实现准确的抓拍，系统的触发模块由四组按特定距离排列的红外传感器构成。

根据这四个红外传感器不同的遮断、导通组合，系统判断是否有集装箱进入，是一个短箱还是长箱或两个短箱，箱体的前、后面何时到达设定的图像采集位置，再通过控制器发出相应的控制指令控制对应相机的拍摄。

获得图像后，对字符识别的算法与一般的OCR算法类似但需根据箱号字符的特点做特殊的处理（如对图像中箱体棱线处理），以使效果更好。

由于箱号后均带有校验码，可以根据校验码对识别结果正确与否进行判断。

当对箱体各面识别结果不一致时，系统需要进行智能综合判断，给出最可靠的结果。

辅助光源提供在环境光照不利的条件下的照明，这是保证识别率的重要环节。

辅助光源常见的有泛光灯和闪光灯两种。

泛光灯一般使用卤素灯，耗电量大，照度也常常不能满足要求。

闪光灯照度高图像质量好而且稳定但受闪光灯管寿命的限制需要经常更换。

在图像采集模块中，一般采用高清数码相机配合多路输入的图像采集卡模式。

近年来，数码相机在箱号识别系统中得到了成功应用，具有分辨率高、图像质量好的优点。

2.3EDI技术：

2.3.1EDI的概念

EDI是一种在公司之间传输订单、发票等商业文件的电子化手段。

EDI首先将与贸易有关的运输、保险、银行和海关等行业的信息用一种国际公认的标准格式进行编制然后通过计算机通信网络实现各有关部门或公司与企业之间的数据传输与处理并完成以贸易为中心的全部业务过程。

联合国标准化组织将EDI描述成“将商业或行政事务处理（transaction）按照一个公认的标准形成结构化的事务处理或报文（message）数据格式从计算机到计算机的电子传输方式法”。

EDI包括了三个方面的内容即计算机应用、通信网络和数据标准化。

这三个方面的内容相互衔接相互依存构成了EDI的基本框架。

EDI功能示意图

2.4闭路视频监控CCTV技术

伴随网络技术的发展，基于网络的电视监控系统也同样迈出了新的步伐，人们在办公室只需用鼠标点桌面PC屏幕上的监控按钮，就可以透过屏幕实现对整个电视监控系统的全面监视和控制一不仅仅是本地监视与控制，还可以是通过网络传输的远端多个子系统的监视与控制。

整个电视监控系统的所有监视图像、报警数据都可以时时、有效地记录在PC硬盘上，供日后进行检索，使之既有清晰的图像，又有可辨的声音。

闭路监控系统可以监控车辆进出闸的全过程，不仅对车辆在闸口进出动作提供了录像支持，而且对于不能读写电子车牌的车辆，可用视频监控远程读取车牌信息。

2.5可视对讲系统

可视对讲系统是现场无人后，司机和闸口控制室人员交流处理业务过程的补充方式。

进闸道口实现了无人，司机进入道口后，闸口系统能够智能识别，自动打印小票并抬杆，所以现场已经没有闸口工作人员了。

系统虽好，但有有些缺憾，比如有些非正常状况，或是一些新手司机不知道码头状况，在现场无人的情况下，司机师傅们就不知道该如何处理，找谁处理了。

所以经常出现抬杆并打印出小票但是司机仍然停留等待人工指令等状况。

很大程度上影响了进闸效率。

2.6电子地磅采重系统

电子地磅采重系统作为称量车装货物的设备，由于其称量快、准确度高、数字显示、数据可传输、操作维护方便等特点己完全取代了旧式机械地磅了，这是称重技术的跳跃。

集装箱的重量关系到码头的配载作业也是海关对进出口货物进行监控的数据之一，因此是集装箱运输的一个重要数据。

为了能实时、准确、快速地采集这个数据采用了电子地磅采重系统。

地磅终端允许两种采重方式，一种是静态称重，要求被称物体在地磅上不能移动;另一种是动态称重，允许被称物体在地磅上低速的运动。

地磅重量的取得也有两种方式，一种是问讯式，即计算机向地磅终端发送问讯指令，地磅终端回答:

另一种是连续发送式，即地磅终端动态的连续发送地磅的重量示数。

2.7自动挡车器、LED显示

智能闸口很少有控制人员与集卡司机的交互，因此与集卡司机交互的许多信息是通过自动挡车器和LED显示屏上的图文信息完成的。

这需要这些设备与后台的计算机系统作紧密地联系，将系统的指令反映在显示设备上，以指引司机的操作。

第三章集装箱智能闸口总体设计方案

3.1集装箱港口智能闸口系统介绍

智能闸口系统是利用先进的软件系统将硬件设备采集到的信息分析处理,并进行反馈。

系统优化生产作业流程、提高港口服务质量,节能减耗,加快作业速度。

通过自身努力创新实现智能的信息化建设,改变落后作业方式,使智能化数字化应用于业务、服务、道路交通、机械等各个方面。

减少作业过程中人员操作,以智能化系统代替人员录入、选择等动作,精简人员配置,减少货物从发出到接受的时间,提高港口集装箱作业速率,使港口的管理服务水平、运输能力、客户满意度等不低于世界各国港口水平,从而节省成本,节能环保，提高生产作业安全系数，提高效益。

3.2智能闸口系统整体方案设计及描述

该系统主要包括集装箱信息采集、RFID射频卡读写、自动地磅读取、自动档杆、缓冲区管理等。

智能闸口具有实时控制管理能力,有效控制车辆进出码头,并将信息与港口作业系统进行共享。

闸口主要业务为集装箱集港与提箱,需要集卡车完成,所以闸口主要职能是进出港口时集卡车管理及集装箱信息管理。

智能闸口系统采用多项先进技术,有效缩短集卡车在闹口通道停留时间,加快作业速度。

智能闸口系统软件部分主要包括集装箱信息采集系统、实时监控管理系统、集装箱残损检验系统及缓冲区系统。

闸口系统框架

3.2.1软件系统组成

3.2.1．1集装箱信息采集系统,主要通过通道安装的各类设备,将箱号、箱型、重量等信息进行收集、处理并对作业进行控制。

3.2.1.2实时监控管理系统,用于实时监控各通道业务处理情况,出现异常时,根据不同情况由人工干预处理。

3.2.1.3集装箱残损检验系统,将各通道设备采集到集装箱图片统一管理,由人工进行残损判断。

3.2.1.4缓冲区系统,对各类特殊问题进行处理及现场办理有关业务。

3.2.2硬件系统组成

智能闸口硬件部分包括集装箱信息采集设备、RFID射频卡读写设备、车辆到达检测设备、自动地磅读取设备、自动档杆设备、打印机设备、电子屏幕设备、IC卡读取设备、照明设备等。

3.2.2.1集装箱信息采集系统分为数据采集功能与图片采集功能分别部署于两台服务器,数据采集功能用来采集集装箱箱号、集装箱ISO代码、集装箱箱类型及尺寸等信息;图片采集功能用于集装箱箱体验残、图像资料留存等。

3．2.2.2车辆到达红外检测设备。

车辆到达检测设备用于判断车辆是否到达,通过两个车检器判断车辆的到达与离开,触发与结束一个服务过程。

3.2.2.3RFID射频卡读写设备在车辆到达时,车检器信号触发服务启动,RFID射频卡读写设备开始读取信息,当成功读取到数据后,将数据传输到服务器并关闭服务。

3.2.2.4自动地磅读取设备。

在RFHD射频卡读写设备采集到车牌号并传输到服务器后,触发自动地磅读取系统,根据车牌号在系统内对应车型、重量等数据,对地磅接口程序采集到的整体重量、前后两部分重量进行分析计算,得到集卡车运载的集装箱重量。

3.2.2.5自动档杆设备。

在采集到相关数据并完成相关作业后,系统会发出进场请求,自动挡杆设备升起,当车检器检测到车辆离开时,自动挡杆设备落下,为防止意外情况,特配置地感金属感应器,当检测到档杆下落位置有金属时,暂停档杆落下动作,待金属物体离开后落下。

3.2.2.6打印设备。

按照作业系统设置,打印不同进场小票作为凭证并指导司机作业。

3.2.2.7LED指示设备。

显示作业相关内容,指导司机相关操作,方便司机了解相关动态。

3.2.2.8IC卡读取设备。

仅用于提箱作业,该设备扫描司机预约写卡信息。

3.2.2.9照明设备。

当夜晚或阴天时,光照度不够会造成集装箱信息采集系统釆集到的图像过暗,影响数据采集及箱体验残,照明设备开启后增加光照度,解决此问题。

3.2.2.10视频监控及可视对讲设备。

用户监控闸口作业全过程及司机于闸口人员交流交互使用。

系统结构图

第四章结论

4.1智能闸口建设的意义

通过以上的研究分析，我认为在青岛港实施集装箱码头智能闸口的建设对青岛港集装箱运输的发展将具有重要的现实意义。

4.1.1实现闸口更安全生产作业

“安全第一，生产第二”这是港口生产作业的基本准则，安全问题一直生产作业中最为关注，最为严峻的问题。

智能闸口把人从现场复杂苦累的环境中解放出来，实现智能生产作业，极大地降低了码头闸口安全事故的发生。

智能闸口的实施和应用，带来了新的安全革命。

4.1.2实现更节能环保生产作业

首先，新闸口的实施大大降低了劳动生产力。

无人闸口的应用使得闸口由原来的劳动密集型作业变为现在的技术密集型作业，原来需要几十人才能完成的作业现在只需要两三个人在监控室即可轻松完成，大大降低了劳动生产力。

其次，新闸口使得闸口通过速度大大提升，降低了车辆在闸口的滞留时间，降低了油气的损耗，大大减少了尾气的排放，进而实现更节能更环保的生产作业。

4.1.3闸口作业效率及通过能力的提高

启用智能闸口后，实现了集装箱闸口管理由人工方式转为“无人”方式的革命性变化。

以进箱为例，在传统的闸口作业过程中，集卡司机持纸面单证到码头闸口做业务受理，业务人员检查纸面单证、录入数据、检查箱体，平均每票作业需花费150秒左右的时间。

启用智能闸口后，数据信息通过EDI方式传输到码头系统，集卡到码头后，系统自动识别车号、箱号，自动检查电子数据，一般一票作业的处理时间可达到30至90秒之间，作业效率可提高40%至80%。

系统的应用不仅减少了闸口处理的业务人员，提高了闸口的通过速度，缩短了车辆的在港停时，还为调度人员监控进出港车辆的分布情况，适时调整机械设备和人力的分配，提供了更直接的手段，并为码头管理提供了科学的数据分析。

4.1.4实现了青岛口岸集装箱运作数据的全程电子化

智能闸口系统在青岛港的实施，无疑会促进青岛口岸电子装箱单的推广，从而实现了青岛口岸集装箱运作的数据传输的全程电子化，这不但会提升青岛港在全球集装箱运输的竞争能力，而且还会促进青岛的港口物流特别是集装箱物流的发展，从而带动经济的发展。

4.2不足与展望

科研能力和时间以及设备的限制，在研究中存在以下不足:

1、对提高闸口通过能力的其他对策未作更加广泛研究。

2、对闸口进提箱的不均衡状况未作更深入的调查和分析。

3、出闸口全智能闸口还处在研究阶段，并未建设实施。

4、环境友好型闸口的探讨和改进有待于进一步提升。

参考文献

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