三、系统方案
1.所采用的主要技术
1）OCR光学识别技术
OCR技术也是当今世界范围内研究和应用的一个重点课题。目前，集装箱号码光学识别应用的另一难点在于箱体表面呈波浪形，字符不完全在一个平面上；箱号横竖排列不定等。正确识别箱号，不但要解决上述问题，还要解决光线对抓拍图像的影响、图像抓拍点的选取、要求对行驶中的车辆进行图像抓拍等复杂问题。
2）人机交互技术
人机交互系统集成了屏幕显示设备、键盘输入设备、IC卡（或RFID卡）信息读取设备、票据打印设备，以及提供帮助功能的可视对讲设备。IC卡（或RFID卡）读卡器和键盘结合使用，构成人与机器对话的桥梁，显示器与小票打印机构成了机器与人对话的桥梁。
3）三层结构开发技术
三层结构在传统的二层结构的基础上增加了应用服务器，将应用逻辑单独进行处理，从而使得用户界面与应用逻辑位于不同的平台上，二者之间的通信协议由系统自行定义。通过这样的结构设计，使得应用逻辑被所有用户共享。同时三层结构中中间件的出现，使得用户可以直接从市场上选择合适的产品来构建系统，大大降低了开发周期和开发费用。
2.所采用的主要产品
1）集装箱号码自动识别系统
本系统的主要特点是：测试系统识别率稳定可靠，并达到≥96%的识别效果；采用自行研制的数字拍图设备，免人工维护，图像分辨率高，传输速度快；采用长寿命特殊闪光灯补光，光源稳定，全天候运行，补光设备寿命延长，并降低运行成本；先进的触发设备和时序设计保障精确识别车辆和箱型，特殊箱型同样可以识别；带指示灯显示的控制器可以使操作人员容易使用和了解设备工作状况；自有知识产权的识别软件单图识别时间仅需0.13s，对带有破损的箱面同样具备识别效果；清晰的外部软件、硬件接口，方便卡口的整体集成。
与传统的摄像机加泛光灯技术不同，该箱号识别系统采用了数码相机加专用补光仪的核心设备技术，比传统的模式具有更多的优势。由于是数码相机工作模式，图像抓取不是线扫描工作模式，可以在瞬间获得大点阵图像，保障了图像的高像素数量及清晰度。由于采用的是专用的先进补光设备使系统保证在日照和夜间可以得到质量几乎完全一致的图像，避免了采用泛光灯方式补光的重大缺陷。优点主要表现在以下几方面：
（1）光源非常稳定可靠，并达到泛光灯无法达到的光强效果。24h图像均保持统一效果，大大提高了识别率。图像突出显示集装箱箱号部分，避免环境干扰，对识别率的稳定和提高有重要的作用。避免白天采用日光拍图造成的各种阴影效果（日照光源角度是随自然天气现象变化的，白天采用泛光灯由于光强不足无法弥补光照效果，导致白天识别率降低）。避免人工根据外界自然光变化需要的人工灯光操作和摄像设备的机械动作，大大提高了系统的稳定性、可靠性和可维护性。避免由于每天需要特定时间开启外界光源的交叉时间和等待时间。
（2）避免长时间开启泛光灯对驾驶和监管人员造成的视觉干扰。
（3）降低卡口能源消耗。
（4）降低了设备的成本和维护成本。
（5）维护非常方便，设备即插即用。
（6）由于设备体积和重量比泛光灯均大幅减小，对设备支架的承重性能降低了要求。
（7）测试效果表明，这是目前最先进的箱号识别系统光源解决方案。
（8）夜间由于泛光灯光强难以达到有效的通光量和瞬间需要的光强效果，造成夜间识别率不稳定，补光设备可以保证充足的光强，真正达到满足图像识别的光强效果。
（9）保证设备长时间工作稳定可靠，不需要因为某个补光灯损坏而立刻更换。
（10）该补光设备与数码相机工作模式的拍图硬件设备配合，可实现完美拍图效果。
2）人机交互一体机
该系统为集装箱卡车司机提供一个自助式服务平台，司机进入码头作业的业务单据和作业申请都由一体机柜帮助进行，使道口业务实现了智能化和无人化，降低了人工作业强度，提高了码头生产率。系统具有以下功能：作业票据自动打印功能；字符界面信息提示功能；业务申请编号输入功能；集装箱卡车IC卡信息读取功能；可视对讲功能。
3）码头道口业务监控系统
该系统为码头道口作业业务详情操作及监控系统，它与码头运营管事系统结合使用，为堆场箱位分配提供了决策依据。该系统以图形化罗列出每个道口的实时情况：打印小票剩余量、红绿黄灰灯（分别表示道口的警报、正常、处理、关闭等情况）、进车量、进箱量、提箱量等。监控人员可以选择自己监控的道口范围。界面下方是分类统计表格和道口流量图、提示信息等，使监控人员随时了解道口的工作进展情况。
3.系统总体设计
1）系统应用需求
系统设计要求首先确定智能道口的车道数目，道口作业均要求实现智能化。每个车道内集成的主要系统及设备有：箱号识别系统、道口作业监控系统、箱体验残系统、称重系统、人机交互系统、闸道控制系统等。各系统均以道口作业监控系统为核心，与道口作业监控系统高度集成，为码头运营系统提供可靠的进箱、提箱信息。
2）现场环境
系统分为室外部分和室内部分，室外部分为人机交互一体机柜、箱号识别前端触发及图像采集设备、验残系统前端触发及图像采集设备、称重地磅、闸道设备；室内部分为道口识别软件系统、道口计算机网络系统、验残软件系统、道口监控系统。室外部分设备主要安装于每个车道内的固定位置，室内部分设备放置于道口二楼机房内。因此，室外设备需具备防水、防尘、防腐、耐高低温的技术保障措施。
4.系统结构设计
根据系统的应用需求，系统功能方框图见图11-4。
图11-4 系统功能方框图
5.设计说明
1）系统设计原则
在系统设计过程中，一定要从应用软件、计算机网络、服务器、工作站的互联性、系统可用性及系统性能等多方面因素来进行考虑，系统必须能够适应今后相当长一段时间内应用的发展。
在系统设计的过程中，还有一个需要考虑的重要因素就是系统的可靠性。系统应该具有一定的容错能力，在设计中尽可能地减少单一故障点，以使系统不至于因为某一设备的损坏或某一信道的故障全部或部分瘫痪。
在系统设计中，需遵循以下基本原则：
（1）设备的先进性与成熟性。为了保证本系统正常稳定地运行，系统的建设应该采取目前已经在工业界经过充分验证的、证明为成熟可靠的主流技术和方案，并能够在需要时依据技术的发展平滑地向新技术过渡。
（2）技术的先进性。本设计方案立足于先进技术，采用最新的文字识别技术和数字信号处理技术。
（3）高可用性和高可靠性。系统的结构和设备、通信链路必须具有高度的可靠性和一定的冗余性，以提供尽可能高的可靠性和可用性。
（4）开放性和标准化。系统必须符合国际上公认的有关标准，同时具有良好的开放性，以便不同厂家的产品能够互操作和互连接。
（5）用户的投资保护。系统方案的设计必须充分考虑用户目前的应用状况，能够保护用户以往的投资，并能够平滑地向新系统过渡。
（6）性能的可扩展性。所有主要设备均可满足用户的目前需求，同时又能扩展以保障用户将来的升级。
（7）良好的层次性结构和可伸缩性。在系统的设计中，应该采用层次化的系统设计原则，这样既可以方便系统的管理和路由的设计，帮助进行网络查错和诊断，也可使系统具备良好的可扩充性，能够随着系统的发展而进行扩充，以满足用户不断发展的需要。
（8）高性能。由于集装箱号码识别对网络的带宽和时延、服务质量提出了很高的要求，因此，网络设备的选型和设计必须采用经过实验测试的高性能的设备，并能够提供良好的服务质量保证。
（9）合理的性能价格比（P/C）。方案应该有良好的性能价格比，在能够满足系统需求的条件下，尽量减少一次性投入和运行维护成本。
2）箱号识别系统设计
集装箱自动拍图识别系统软件主要分为三部分：时序控制软件、箱号识别软件和集装箱图像采集控制软件。
时序控制软件与箱号识别软件分别与集装箱图像采集控制软件进行交互，下面举例说明交互内容与工作原理。
如一辆载有40ft长箱的集卡车进入卡口，红外触发设备被箱体遮挡时，时序控制软件接收到红外触发设备传送过来的信号，进行相应的判断，对拍图设备下达拍图指令，拍图完成后，时序控制软件会收到拍图完成的信号，时序控制软件发送拍图完成的信息给集装箱图像采集控制软件，图像采集控制软件发出取图指令至时序控制软件，图像传送至工控PC机时，图像采集控制软件将图像送与箱号识别软件进行识别，识别出箱号后，传送图像采集控制软件显示出来。至此，集装箱自动拍图识别系统完成图像采集、箱号识别的全过程。
上例描述了一次箱号自动识别的软件工作流程，综合以上内容得出工作原理，见图11-5。
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图11-5 箱号自动识别流程图
（1）时序控制软件。时序控制系统是按照预置的逻辑规则，接收红外触发器出的同步信号；根据信号状态通过向自编程信号控制器发指令，控制拍图设备和补光设备的动作和工作时序的控制过程。时序控制是对一个集装箱车辆自进入卡口到离开卡口的过程中，由特定的触发条件完成现场图像数据采集的一个完整的事务处理过程。在每一次拍图过后，控制器会通过图像采卡向工控PC报告，PC会指示时序控制软件发出传图指令，由拍图设备将图片资料传送到工控PC上，由箱号识别软件进行识别。
①与时序控制软件相关的硬件设备涉及红外触发器、拍摄设备、补光系统三大部分。
现以一个20ft箱通过卡口为例，描述集装箱箱号图像的采集过程和时序控制过程。
有A、B、C、D为红外探头；1、2、3、4为摄像系统的拍图设备；车的前进方向是从A→B→C→D的方向。
步骤如下：
A.红外探头A由导通（1）到被阻（0），开始一次监控过程，通知卡口平台开始。之后车继续前进，红外探头B、C逐个由1→0，在红外探头D由1→0时，4个拍图设备同时开始拍照，取得箱体前后左右4个箱号图片。短箱经过整个卡口过程中各触发器状态变化为（ABCD）：1111→0111→0011→1011→1001→1101→1100（拍图）→1110→1111。
B.拍图设备拍照完成后，将通过自编程信号控制器发信号通知工控机，工控机将一次从拍图设备获取所拍摄的集装箱前、后、左、右4幅图像。
C.拍图设备完成图像传输后，通过自编程信号控制器发信号通知工控机，工控机将从接收图像的工控机PCI卡保留的内存中获得图像数据，对图像数据进行调整处理，提供给OCR软件识别出其中的箱号。
②时序控制软件主要分为以下两大部分：
A.自行分辨集装箱规格，自动发送拍图指令。集装箱主要分为长箱（40ft）、标准箱（20ft）、超长箱（45ft）、超短箱（10ft）。时序控制软件可以通过判断红外触发传回来的不同的信号进行判断，从而分辨集装箱的规格。例如，当4组红外触发同时被遮挡时，时序控制软件会分辨出此箱为长箱，此时会依据长箱的处理方法，向拍图设备拍图指令，从而完成对长箱的拍图。
B.工控PC机进行交互，完成对硬件设备的设置。时序控制软件本身是以烧录的形式，烧录在自编程信号控制器中，控制器是通过RS-485接口与工控PC相连，工控PC通过发送格式为十六进制的指令完成对硬件设备的设置。例如，硬件设备中的补光设备可以根据实际情况设定其单闪或双闪。通过工控PC发送FE 07 OA 0A FF指令到时序控制软件，从而设定1号补光设定工作状态为单闪。
图像数据通过工控机PCI卡到达工控机后，先经过工控机PCI扩展槽，以DMA的方式保存到工控机的内存中，工控机再根据特定的时序和控制逻辑，直接从内存中调取指定的图像，进行差值运算等转换处理，产生RGB格式的图像数据，提供给OCR软件作箱号识别。
（2）箱号识别软件。箱号识别系统主要运用OCR技术和校验算法，对一个包含集装箱箱号的图像的识别过程大致有如下几步：分出集装箱号码；识别出其中的箱主代码、箱号和校验码；通过校验码确认识别出的集装箱号码是否有效。箱号识别系统完成正常的单图识别平均耗时约0.13s。
集装箱箱号识别软件采用了先进的图像处理技术和网络字符识别技术，识别原理如下：
①图像分割。根据集装箱号码的特征，将集装箱号码从复杂的背景中分割出来，形成单独的一块只包含要识别的信息的图像，减少了大量的干扰信息。
②字符分割。从集装箱号码图像块中判定分割出单个有效字符，确定字符的排列规则、字体、大小等。
③字符识别。将分割出来单个字符图像识别成相对应的ASCII码，对残缺部分运用冗错修补、模糊匹配等技术，对识别结果给出可信度。
④后处理。箱号识别结果将能通过校验码确认其是否有效，最终还将该识别的图像数据经过压缩保存到文件目录中或数据库中。
（3）集装箱图像采集软件：
①图像预处理。通过一系列图像处理过程，产生可供识别的字符图像，这是字符识别的前提，是各种OCR应用项目的主要不同之处，是确保准确率的重要环节。处理过程包括图像的去噪、二值化、书写定位，图像的旋转、字符定位、切分和替换等。
②集装箱号码识别。集装箱号码识别是系统的核心功能模块，要求识别准确、速度快。算法如下：
A.多种方法组合技术。系统中可采用两种方法，一个是模式识别，另一个是结构分析。
a.所谓模式识别，是先选择训练字符集（1万～10万个字符），生成训练结果，再用训练结果去识别训练集和结果集（10万～100万个字符），模式识别的问题是其对训练集的识别率都不会到100%，特别是对很少的特殊写法无效，其总识别率在98%左右。
b.所谓结构分析，是对图像用结构方法采集特征，用特征识别。结构分析的优点是对某种特殊写法的识别有良好的效果，程序更改方便；问题是不能列举所有可能存在的特征。
每种识别方法的准确率在98%左右，两种方法都识别错误的概率为0.25%，考虑一对一错的情况，采用调整程序结合以上两种方法，使总识别准确率达到99%以上。
B.图像处理技术。在识别前对图像数据应有以下几种处理：是否细化、是否补点和是否进行去杂点处理。细化、补点、去杂点又各使用了几种不同方法，使得程序量非常大，经过有针对性的选择使用，从而进一步提高识别准确率、扩大识别范围和提高识别速度。
C.识别可信度概念。对一个字符的识别，根据以上所述的识别过程，给出识别的可信度。可信度是系统识别字符过程中综合各方面因素得出的识别的准确程度。可信度为100%表示系统对该字符完全确认，小于100%表示系统对该字符的识别中某些特征不能肯定。可信度越高，识别的准确率越大。对于可信度在一定数值以上的识别结果，用户可以不进行校对。
D.多箱校对。多箱校对是根据集装箱的特点，在识别可信度的基础上提出的。由于集装箱的上、后、左和右4个面上都有号码，同时识别它们进行综合比较，进一步提高了识别率。
3）业务系统结构设计
箱号的自动获取不但实现了码头运营管理信息化的第一步，而且通过各种规范使得在箱号识别过程中，一些重要信息的获得也实现了标准化，避免了人为操作带来的统一性差、错误率高、效率低的弊端。所设计的道口系统将利用识别到的箱号结合码头运营管理系统，智能地为进港作业提供场箱位分配、自动引导集卡司机进行相应操作，动态地为道口工作人员提供操作信息并对各种出错信息进行报警和提示等。这样复杂的系统，采用的系统设计结构直接决定了系统的稳定性、可靠性、实用性。根据这一指导思想，系统的设计最好采用三层软件系统架构，平衡各种硬件设备和关联系统对整个系统资源的利用，最大限度优化系统的资源，使系统具有灵活性、使用维护便捷性、运行稳定性，以及良好的开放性、灵活的扩展性和层次的可伸缩性。
基于这种设计思想，考虑到客户端和服务器的信息是双向传输，而且对信息传输效率的要求很高，在通信方法上可采取在TCP/IP协议下的Socket技术，使得服务器不再仅仅是被动地处理数据，而且可以主动地控制客户端的运行。系统架构具体说明如下：
（1）道口应用服务器端。这部分是系统的业务逻辑层，控制着各个道口的流程，分析并处理从各个道口上的设备、箱识别系统、验残系统、监控模块发来的信息，并将处理结果提交到后台数据库和各个监控屏幕上。
应用服务器采用了面向对象的开发方法，将每个道口作为一个对象来处理，并且以道口信息和监控信息作为事件来驱动流程的流转，同时将这些信息保存在相应的对象属性中。
道口对象记录着道口的各个属性和状态（流程节点），根据从道口和监控发来的信息更新和改变着自己的属性值和状态。在每一个状态下，道口对象都要根据当前属性值，通过数据库存储过程完成自己的相关业务逻辑，并同时提供给道口下一步流程可选择的节点。
作为流程中的各个节点（状态），每个节点都有其上游节点和下游节点，否则道口的操作会进入死胡同。整个流程流转下来，是一个闭环。
（2）道口客户端。这部分管理着道口上的设备和箱识别系统，一套道口客户端管理一条道口上的整套设备，主要处理本道口设备与道口应用服务器的信息转换和传递。
箱号自动识别的软件工作流程见图11-6。
图11-6 箱号自动识别的软件工作流程
道口客户端的设计，专注于具体的与道口上各个设备通信的编程，而与服务器端的接口采取统一的信息格式，道口客户端只需将与服务器交互的信息转换成与设备交互的信息即可。这样服务器端的设计与道口设备的选型无关，一旦道口设备需要升级换代，只需修改道口客户端程序，而不必修改整套软件系统。
（3）道口监控端。采取图形和文字的方式实时反映各道口上目前的运行情况，并提供监控人员干预道口状态的接口。
4）软件模块
软件模块可以分为三个部分。
（1）系统通过硬件触发（如地感线圈、红外线检测器等）抓拍图像，并调用识别程序或是车牌号码和集装箱号码，把图像储存到硬盘。
（2）识别系统与数据库通过TCP/IP协议进行通信，把有关的信息包括车牌号码、集装箱号码、通过时间和车道号码以ACCESS数据库格式保存。
（3）为了使用户更好地调用系统的数据库，系统提供了718端口与数据库单元进行通信。用户可以使用Active控件进行二次开发。
5）工作流程
（1）集装箱号码识别过程。当集装箱车辆进入通道，触发红外线对射，系统启动摄像枪进行集装箱号码自动抓拍，并对抓拍的图像进行自动识别，形成数字化信息。
（2）车牌号码自动识别过程。当集装箱通过红外线触发闸口时，红外线启动，确认有车辆进入后，启动车牌识别软件进行抓拍和号码识别。
集装箱和车牌号码自动识别过程同时进行，不会造成系统冲突。系统在获取车牌和集装箱号码信息后，与臣道管理系统原有的数据库或海关管理系统连接，若是合法车辆，则系统自动放行；若是非法车辆，则系统给予报警，以提示监管人员进行人工干预。
（3）进箱作业。当集装箱卡车驶入道口时，红外触发器侦测到集装箱进入车道，位于车道相应位置的摄像机将自动拍摄箱号图片，将包含箱号的图片传入箱号识别系统，计算机通过箱号识别系统将图片信息解读为可以利用的箱号信息；此时集卡司机将IC卡插入机柜槽内，IC卡内的信息通过网络传送到生产系统中，计算机将这些信息和箱号信息与码头数据库的EDI数据报文进行比对，一旦匹配成功，计算机马上反馈通过结果，同时操作人员通过CCTV验残监测系统检查进港集装箱箱体，如无问题就确认箱体完整，此时业务处理平台会产生有场箱位的作业票据，通过一体化人机交互机柜内小票打印机打印出带有场箱位及箱号的小票并开闸放行，司机即可持小票并按其指示作业位置进场去进行作业。
（4）进场提箱作业。当有空载集卡进入道口时，此时箱号识别系统不启动，当司机停至一体化人机交互机柜旁时，首先把提箱小票上的条形码贴近一体化机柜的读码器上进行识别，并插入IC卡，系统根据识别出的小票的预约号在系统中查找所提箱信息，如果该作业存在并且是有效状态，系统则打印出带有提箱场箱位及所提箱号的小票，此时即可进场作业了。进场过程中司机若遇无法解决的问题或需要获得操作帮助的话，可以通过一体化人机交互机柜上的可视对讲系统取得与操作室工作人员的联系，协同解决问题。