集装箱二维码铅封及智能识别系统
王寅 华建江 胡方力
（宁波外轮理货有限公司， 浙江 宁波 315020）
0 引言
近年来，随着我国对外贸易的快速发展，港口集装箱吞吐量不断提高，对进港提箱效率也提出更高的要求。智能化卡口技术的运用虽在一定程度上满足该要求，但在进卡口集装箱重箱铅封查验作业环节仍然采用人工操作的方法，存在成本高、效率低、安全风险大等缺点。本文介绍的集装箱二维码铅封及智能识别系统通过使用基于二维码技术的新型铅封和在卡口安装具有图像采集功能的智能识别系统，自动采集并识别铅封信息，实现集装箱重箱铅封自动查验功能，提升港口物流信息化、自动化水平。
1 二维码和二维码铅封
1.1 二维码
二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布成黑白相间的图形来记录数据符号信息的一种编码。在代码编制上，巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0和1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，并通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读，以实现信息自动处理。国外对二维码技术的研究始于20世纪80年代末，在二维码符号表示技术研究方面，已研制出多种码制，常见的有PDF417，QR Code，Code 49及Code 16K等。美国、欧盟等最早将二维码技术应用于警局、外交、军事等部门的证件管理，目前已广泛应用于海关和税务等部门的报表和票据管理、商业和交通运输等部门的商品及货物运输管理、邮政部门的邮件包裹管理以及工业生产领域的工业生产线自动化管理等。二维码可根据资讯内容的多少、应用功能需求的不同来编制不同的码图。
1.2 二维码铅封
在集装箱运输过程中，普遍采用的铅封是传统的高保铅封，该类铅封一般由锁体和锁杆组成，其中锁体是主要信息承载处，一般印刷若干编码或条码等，常见为圆柱形。高保铅封见图1。高保铅封使用时将锁杆插入锁体中，按压紧实即可，具有方便易用、坚固、不易氧化锈蚀、难以被破坏等特点。
二维码铅封完整地继承传统高保铅封的特点，在结构上未做大的变化，仍由锁体和锁杆等2部分组成，锁体部分根据所需铅封号码喷涂二维码图案，二维码信息可进行加密处理以防止假冒。二维码铅封见图2。二维码铅封锁体创新设计成三棱柱的立面造型，材料采用ABS工程塑料，并进行磨砂处理，具有重量轻、抗压强、反光性好等特点。同时，锁体采用防止扭转的设计，确保随机施封的铅封二维码面与摄像机拍摄轴线夹角小于30°，从而能让摄像机采集到小畸变的二维码图像并自动识别。此外，二维码本身具有的容错性能能确保码面在部分缺失或污损情况下实现可靠识别。目前，该二维码铅封已获得国家实用新型专利（ZL 2015 2 0302639.5）。
1.3 二维码铅封的经济性
随着港口物流的发展，对提升箱内货物安全保障度和物流信息自动采集的需求愈发突出。通过集装箱铅封来承载相应功能是一条可行之路，但传统高保铅封由于存储信息少、读取困难等局限性，很难满足需求，因此对传统铅封进行升级换代是一个趋势。目前，许多港口在探索基于射频技术的电子铅封来取代传统铅封，但受到标准和成本的限制，始终无法在集装箱运输业内推广应用。
二维码铅封采用目前比较成熟的二维码技术，其结构与传统铅封相似，在制作成本和使用上都与传统铅封相差不大，铅封制造厂家稍作调整即可批量生产。因此，二维码铅封具有较好的经济性和适用性。
2 二维码铅封智能识别系统
2.1 系统方案设计
二维码铅封智能识别系统由触发模块、图像采集模块、OCR识别模块、数据传输与交互模块、系统监控模块及管理软件等组成。二维码铅封智能识别系统框架见图3。系统主要设备包括红外线传感器、球形工业高清摄像机、网络交换器、工控机、PC及手持终端等。
载有重箱的集卡进入码头闸口后，触发红外线传感器。系统发出指令启动图像采集模块，球形工业高清摄像机按照预先设定位置对集装箱锁杆上的二维码铅封进行连续拍摄。拍摄到的图像被传送至系统工控机进行OCR识别，系统自动选取质量最佳的图片进行二维码识别和计算。识别结果通过系统数据接口与码头生产系统、理货业务系统进行交互比对，并显示在PC或手持机终端，供后台理货人员进一步处理，完成自动查验过程。
2.2 系统介绍
2.2.1 触发模块
触发模块采用对射型红外线光电开关传感器方案，每根车道安装1套传感器。对射型光电传感器分为发光器和收光器两部分，其优点是设备成本低、可靠性强、易维护、检测距离长等。使用时，把发光器和收光器分别装在闸口道路两侧，重箱集卡通过时阻挡光路，收光器被触发后输出1个开关控制信号。对射型红外线光电开关传感器见图4。
2.2.2 图像采集模块
图像采集模块采用球形工业高清摄像机方案，每根车道安装2套摄像机，分别拍摄车尾和车头（双箱）方向。球形工业高清摄像机具有安装方便、角度灵活可变、成像清晰等优点。考虑到目前铅封施封位置的差异以及码头闸口24 h连续作业的特点，摄像机需要具有多点位拍摄功能和适应明暗光照条件变化等功能，因此选用球形工业高清摄像机更具适用性。球形工业高清摄像机见图5。
2.2.3 数据传输与交互模块
数据传输与交互模块分为有线传输和无线传输两部分。有线部分的设备主要是前端摄像头、图像识别工控机等，通过网线与千兆以太网交换机互联，所有设备汇聚后，通过光缆连入码头的局域网，再与后台应用端服务器进行通信交互。无线部分的设备主要是手持终端，通过现有码头闸口局域网无线信号（WiFi）设备或移动网络运营商信号（3G或4G）与系统相连。网络交换机采用24口千兆以太网交换机系列，工控机采用研华系列工控机。
2.2.4 系统监控及管理模块
系统监控及管理模块主要由监控和应用管理客户端及服务器端软件等组成。模块采用“采集端–服务端–监控端”3层结构，内部采用Socket通信机制。监控客户端主要功能是为后台监控人员实时展示现场监控情况和识别到的铅封号码等。软件界面可显示道口监控画面、铅封图片、识别结果等。监控客户端界面截图见图6。
2.2.5 应用管理客户端
应用管理客户端主要功能是前端采集和识别的铅封号数据与码头进箱预录的计划数据进行自动比对。如比对信息正确，则自动提交码头进场作业系统；如比对信息有误，则及时报警，提醒人工进行处理。手持机应用管理客户端界面截图见图7。
2.2.6 服务器端软件
服务器端软件是系统的核心部分，负责处理前端发来的数据，对数据进行一定的逻辑判断，并将数据推送到所有监控和应用管理端，同时保持各模块各端的数据同步。服务器端软件还需要进行数据入库操作，将需要记录的数据写入数据库。与码头生产系统、理货业务系统相连接的数据接口也由服务器端软件来进行调用，并根据反馈结果进行各种业务模式处理。
2.3 系统安装与实施
以码头进场闸口车道为例，由于集卡停靠位置各不相同，铅封安装部位也各不相同，因此需要找到合理的具有普适性的系统安装位置。经反复模拟及现场测试：红外线光电传感器装置安装在集卡停车点后3 m处、离地高度3.5 m处的位置，车道两边分别安装发光器和收光器；球形摄像机安装在集卡停车点后5m处、离地高度5 m处的位置；均采用支架式安装。系统现场安装情况见图8。
红外线光电传感器装置和球形摄像机通过网络专线与安装在后台的工控机相连。集卡进入闸口停稳后，球形摄像机在接收系统指令后启动，扫描、计算靠集装箱门缝右侧锁杆的平面坐标并定位，选取2个最常用施封位置（第3根锁杆把手和锁杆底部施封位）进行12张图片的连续拍摄。拍摄好的二维码铅封图片回传给工控机的OCR系统进行识别、计算，得到结果后将数据输出至系统服务器端软件。服务器端软件在筛选数据后将需要记录的数据写入数据库，并与码头业务系统的预进场计划数据进行比对。铅封数据如一致，则自动推送至码头闸口管理系统进行放行处理，并在理货业务系统内自动核销，相关情况同步推送给监控和应用客户端。铅封数据如不一致，则在监控和应用客户端报警，提请后台理货人员进行人工处理，并通知码头闸口管理人员将车辆引导至缓冲场地进行下一步处理。对于未能有效识别的图像，通过系统报警提请后台监控人员进行人工识别，再按上述步骤进行处理。
系统具备20路并行识别及处理的能力，处理时间在5 s以内，并采用对正确数据自动推送和核销的设计，使人工操作量大幅减少。在多车道情况下，当系统综合识别率达到95%时，按每车道20辆集卡/h计算，1个8车道闸口人工异常情况处理量仅为8次/h，平均每根车道只有1次。查验理货人员工作强度大幅降低，闸口进箱效率也得到提高。
3 应用效果
目前，宁波外轮理货公司已在宁波—舟山港穿山港区的1个进场闸口安装二维码铅封及智能识别系统，累计测试3 000多自然箱，综合识别率达到95%以上。该系统可将传统人工查验模式转变为智能查验模式，原本现场一人查验一道的操作模式转变为后台一人监控多道的操作模式。
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铅封查验效率和准确率、码头提箱效率得到提高，同时也为卡口实现真正意义上的无人化、自动化创造条件。
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理货人员从现场后撤，可大幅降低人工查验的安全风险。
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用工成本大幅降低，实现控员增效的目标。以宁波外轮理货公司为例，目前负责的5个集装箱码头闸口，安排查验人员123人，如实行智能查验模式后，预计只需安排后台查验人员40人左右，人员精简率可达67%，人工成本节省效果显著。
4 结语
二维码铅封及智能识别系统是现代信息技术应用于传统港口物流服务业的有益尝试。在成本、操作相差无几的条件下，二维码铅封与传统高保铅封相比，能够容纳更多的物流和货物信息，可为船公司、货主等使用方提供更多的附加值，也便于理货、码头公司等提供更多的增值服务。智能识别系统实现卡口铅封智能查验，可以取代传统的人工查验操作环节，作业效率和信息准确率都大幅提升，在全国集装箱港口有较大的推广应用价值。
