某港口智能卡口系统方案.docx
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某港口智能卡口系统方案
***港区智能卡口系统
方案设计
一.概述
*****经济开发区是2006年4月份经省政府批准设立的省级经济开发区，是黄河三角洲开发建设的龙头和优先发展区，是全市经济发展新的载体和平台，起步区102平方公里，规划控制区232平方公里，远景发展区466平方公里，主要发展化工、电力能源、现代物流等临港产业。
****经济开发区依托****规划建设，****是国家一类开放口岸，是黄河三角洲对外开放的桥头堡，鲁、晋、冀部分地区的最佳出海通道。
市委、市政府高度重视港口建设，实施一期扩建，建设完成了7020米引桥及2个3万吨级散杂货码头。
今年由中海油投资扩建2个5千吨级、2个5万吨级液体化工码头。
适时规划建设集装箱码头、煤码头、矿石码头和“岛式”油码头。
港区的发展定位是：
立足黄河三角洲，面向环渤海经济圈，服务鲁北及晋冀，建设能源储备基地、石油化工基地、加工制造业基地，打造环渤海经济圈重要的物流节点、鲁北及晋冀区域性物流中心和重要物资集散地。
发展思路是：
以港带区，港区一体，港城联动，协调推进。
发展目标是：
将****建成港区工业、物流、仓储配套的综合型、多功能深水大港，将港区建成环渤海地区重要的高效生态化工产业聚集区和高效清洁能源供给基地，建成现代化的滨海新城区。
根据********卡口建设及验收标准，****区电子卡口系统设计由集装箱号识别、电子车牌识别、IC卡管理、自动控制放行系统等子系统组成。
卡口系统采集数据要实现与海关H2000以及海关物流监管平台数据无缝对接。
智能卡口管理系统可以用于集装箱码头的检查桥，是一套集集装箱箱号识别、RFID电子车牌识别、电子地磅数据采重、箱体定损系统、车道信号灯和电子挡杆控制系统、卡口集中监控管理系统为一体的综合业务系统。
通过智能卡口的建设，实现保税港区进出车辆的控制及与业务的无缝整合。
二.系统设计原则
●满足用户需求原则
利用自主研发的，成熟的具有国际先进水平的图像识别技术和先进的生产管理模式，简约化监管部门的程序，提高码头自身的管理效能，降低管理成本。
●具有较高性能价格比的原则
系统设计的内容符合用户的实际需要，采用高性价比的软件和硬件设备是系统设计遵循的第一原则，做到既实惠又实用。
●质量第一的设计原则
公司产品是严格按照质量第一的标准来研发完成，从系统设计到项目施工的每一个环节都严格遵循了质量第一用户至上的要求，确保整个项目的设计质量和施工质量。
●系统可靠性原则
系统中任何一个软硬件关键设备出现差错或停机工作将直接影响到整个系统的动作。
因此，系统中的各个软件和硬件设备应采用成熟的、高质量的、稳定的产品，以保证工作的正常运行。
●系统的安全性原则
系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国或国际有关的安全指标，并可在非理想环境下能有效地工作。
另外，系统安全性还应体现在信息的传输及使用过程中，不易被损坏的方面。
利用较高安全性的工控机设备，确保系统安全运转。
●系统的可扩展性和先进性原则
图像识别技术与信息技术是不断向前发展，用户需求也会不断发生变化，因此系统的硬件部分应具备最大程度的可扩展性，为将来扩展的硬件设备预留接口。
同时软件应保证一个不断的后续开发，保证在业界的先进性。
●系统易维护性原则
系统在运行过程中的维护应尽量做到简单易行，运转真正做到通电即可工作，就能运行的程度。
维护过程中无需使用过多的专用维护工具，同时通过丰富的备品备件，保证设备出现故障的时候能够及时更换。
软件可以实现方便的远程升级远程维护。
●遵循的规范和标准
智能卡口系统应是经过实践检验的成熟系统，并且在实际使用中有良好的效果。
系统应遵照下列规范和标准：
GBJll5—87《工业电视系统工程设计规范》
GB/T16435-1996《远动设备终端通用技术条件》
《中华人民共和国安全行业管理规范》
《软件工程国家标准》
《中国电气安装工程施工及验收规范》
GA/T75-94《安全防范工程程序与要求》
GA/T74-94《安全检查防范系统通用图形符号》
《社会公共场所安全防范工种设计规范》
JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》
《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》GECS72-95
公安部、公安厅以及海关部门有关的技防文件规定。
三.系统设计目标
1、建立智能型卡口系统，安装有集装箱箱号识别系统、RFID电子车牌识别系统、电子地磅采重系统、前端设备控制系统、IC卡识别系统、卡口集中监控系统。
对进出卡口的集装箱车辆进行全方位的监管，为集装箱的分类安排提供有效的电子数据支持。
2、安装有集装箱箱号自动识别系统，应用完全自主产权的先进的图像识别器软件和图像抓拍设备，对拍摄到的集装箱号图片进行光学识别。
3、安装RFID电子车牌识别系统，通过车道上安装的电子车牌读写器，读取集卡车辆上的电子车牌信息。
4、安装电子地磅数据采集系统，可以在车辆匀速通过地磅的情况下采集稳定的地磅称重数据。
5、安装车道信号灯和电子档杆控制系统，通过接收卡口管理系统的比对指令，控制挡杆的升降，以及红绿灯信号，达到指示车辆放行的目的。
6、安装IC卡车辆管理系统，利用读卡器读取集装箱卡车所在货物的信息以及车辆和司机的信息，与现场得到的数据进行比对。
7、在卡口集中控制室内安装卡口设备控制和数据交互必须的监视器和数据线路、交换机，充分考虑故障的规避。
8、通过卡口集中监控管理系统，将卡口数据与码头TMS和海关业务系统进行数据交互，对所有卡口的设备进行集成控制和远程监控。
四.系统总体框架
智能卡口管理系统包括：
集装箱箱号自动识别子系统，RFID电子车牌识别子系统，红绿灯电子档杆控制子系统，IC卡识别子系统，电子地磅数据采集子系统，卡口综合管理系统。
系统框图如下：
系统连接示意图
五.系统功能说明
五.1.集装箱箱号识别子系统
五.1.1.图像拍摄系统
图像拍摄系统分为前端图像拍摄摄像机和图像采集卡两部分组成，图像拍摄以及采集的时机，全部由红外探头和地感处理器给出的时序进行控制。
下面对各部分功能分别加以描述。
五.1.1.1.时序控制
系统中采用了红外光传感器用于判断集装箱是否到位的触发信号。
采用红外传感器的原因是利用固定波长且经过调制的红外光来排除了外界可见光的干扰和触发的灵敏性。
由于系统需要适应室外工作的条件，室外光照条件变化较大。
采用红外传感器后，就可以不受太阳光中的大量可见光的影响。
传感器是由一个信号发送器和信号接受器组成，正常情况下信号发送器产生一定波长经过调制的红外光，接受器接收到信号后，将信号进行解调，并产生一个高电平。
当集装箱的边缘挡住了传感器的信号通路后，接收器无法接收到红外光，于是产生一个低电平，这样利用这个特性，来作为系统图像拍摄的准确时机。
产品选用国际知名的传感器，WS/WE34-R240型光电传感器。
技术参数
分类
规格
外型尺寸
27x92x70
外壳材料
塑料
供电电压
10...30VDC
12...240VUC/
24...240VAC
转换输出
NPN/PNP,P,Q+Q/Rel.SPDT
外壳防护等级
IP67
工作环境温度
-400C...+600C
连接方式
端子头/插头
认证
典型最大检测范围（m）/
0...60m
特别功能
AO7）,TI8）
偏光滤镜/光源
有/红光
系统工作流程
当一辆载有集装箱的卡车通过通道的卡口时，因为红外探头的高度小于集装箱上沿的最低高度，所以在卡车前行的过程中会发生遮挡和连通的两种状态，图像拍摄就是利用这两种状态的变化来判断触发快门的时机。
当车上装载的集装箱为双箱时，拍图时序为：
在车行进过程中前面的两对红外探头先后由接通变为遮挡时，同时后面的两对探头都被遮挡，则A，C，D相机同时被触发，由图像采集卡采集这三路通道的图像，即拍到双箱前箱的前侧图、左侧图和右侧图，送识别器识别；
在车行进过程中后面的两对探头由遮挡变为接通时，同时前面的两对探头被遮挡，则B，C，D相机同时被触发，由图像采集卡采集这三路通道的图像，即拍到双箱后箱的左侧图、右侧图和后侧图，送识别器识别；
当车上装载的是集装箱长箱时，拍图时序为：
在车行进过程中前面的两对红外探头先后由接通变为遮挡时，同时后面的两对探头都被遮挡，则A，C相机同时被触发，由图像采集卡采集这两路通道的图像，即拍到集装箱长箱的前侧图和左侧图，送识别器识别；
在车行进过程中后面的两对探头由遮挡变为接通时，同时前面的两对探头被遮挡，则B，D相机同时被触发，由图像采集卡采集这两路通道的图像，即拍到集装箱长箱的后侧图和右侧图，分别送识别器识别；
当车上装载的是集装箱短箱，则拍图时序为：
在车行进过程中后面的两对探头由接通变为遮挡时，同时前面的两对探头被接通，则A、B、C、D相机同时被触发，由图像采集卡采集这四路通道的图像同时确认为短箱，即拍到集装箱短箱的前侧图、左侧图、右侧图和后侧图，送识别器识别；
这样卡车通过卡口后，如果是一个集装箱可以拍下前后左右共4幅图像，如果是双箱可以拍下前箱的前左右和后箱的后左右各三幅图像。
当车辆监测器被触发后，表示有集装箱车进入通道。
这时，启动电子车牌读写器和天线接收电子车牌发射的电子车牌信息。
当完成所有的数据采集后，将数据、图像和车重发送到后台的查验比对系统进行比对，最后接收比对结果，指示红绿灯、LED和挡杆。
这样就实现了整个系统的时序。
如图所示：
1
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通过地磅
读车牌
采重
采图、识别结束
11
比对
比对完成
采集B
识别B
采集C、D
识别C、D
采集A
识别A
LED显示“请停车”
①
LED显示“请直行”
红绿灯变红
红绿灯变绿
红绿灯变红
挡杆降下
挡杆升起
挡杆降下
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注：
①根据比对结果或识别结果，LED显示“请直行”或“请去查验场地”
初始状态为地磅上无车辆，红绿灯为红灯，LED显示请停车，挡杆处于落下状态，系统处于等待状态。
当车辆通过卡口时，集装箱的前沿引起红外触发器的动作，系统拍摄到了集装箱图片；红绿灯为红灯，挡杆处于落下状态，表示系统正在处理，当前车辆需要在地磅上等候处理结果，后车需要在卡口外等候前车处理结束。
LED显示“请停车”。
启动电子车牌识别系统，开始读取车辆上的电子车牌信息。
随着车辆继续前进，系统拍摄到了当前车辆所有的集装箱图片；同时，集装箱号码识别器就开始处理图片，识别集装箱号码。
集装箱号码识别完成后，结合电子车牌数据、地磅称重数据、IC卡识别数据，一起发送到数据交换系统，等待比对结果。
数据交换系统反馈比对结果，LED显示“请直行”或“请去查验场地”，挡杆升起，红绿灯变成绿灯（直行箭头或右拐箭头），提示司机离开地磅。
五.1.1.2.图像拍摄模块
工业摄像机机
集装箱号码拍摄系统的前端采用了PD1420Ex型140万的网络高清数码相机
技术参数
简单功能特点
工业网络高清相机的技术参数如下：
一般性能
视频格式@帧速率
1280x960UYVY@7.5,3.75fps
1280x960BY8@15,7.5,3.75fps
感光度
0.5lx@1/7.5s,增益20dB
动态范围
模拟/数字转换器:
10比特,输出:
8比特
信噪比
模拟/数字转换器:
9比特@25°C,增益0dB
光学参数
感光元件规格
ICX205AK
类型
逐行扫描
格式
1/2"
分辨率
水平:
1360,垂直:
1024
像素尺寸
水平:
4.65μm,垂直:
4.65μm
镜头装配
C/CS
电气参数
供应电压
8到30VDC
消耗电流
约500mA@12VDC
外形尺寸
体积
高度:
50.6mm,宽度:
50.6mm,长度:
50mm
重量
265g
手动调整参数
快门
1/10000到30s
增益
0到36dB
补偿
0到511
饱和度
0到200%
白平衡
-2dB到+6dB
自动调整参数
快门
1/10000到30s
增益
0到36dB
补偿
0到511
白平衡
-2dB到+6dB
环境
最高温度（操作）
-5°C至45°C
最高温度（存放）
-20°C至60°C
最高湿度（操作）
20%至80%不凝结
最高湿度（存放）
20%至95%不凝结
原理框图
接口布局
产品特点
140万像素帧曝光逐行扫描CCD
10/100M网络自适应输出
支持TCP/IP协议，可设置静态IP
传输距离可达100m
支持外触发输入
可输出闪光灯控制信号
所有接插件均配备锁紧装置，保证线缆连接牢固可靠
C/CS标准镜头接口
配备RS232接口，可与各类外部设备通信
内置DSP处理器，可实现用户定制的图像处理功能
在连续模式和触发模式下都支持自动增益和自动曝光
镜头
镜头采用日本computar公司的H3Z4512CS手动光圈镜头
镜头类型：
变焦
制式大小：
1/2”CCD
安装方法：
CS
焦距：
4.5–12.5mm,F1.2
光圈操作：
手动光圈
聚焦操作：
手动
变焦操作：
手动
最小目标距离：
0.3m
外型尺寸：
33.5*42.6*43.5mm
重量：
63g
工作温度：
-20-50℃
补光灯
CX6002专用闪光灯主要用于海关、机场、高速公路出入口、交通、物流管理系统、图像识别系统的配套设备上。
CX6002专用闪光灯具有全数字接口，可以进行远程操作、数字调节闪光强度等参数，并能与摄像机、数码相机进行精确同步，将闪光时间减到最小，以减少对人眼刺激并大大延长闪光灯的使用寿命。
CX6002专用闪光灯的闪光次数可以达到300万次以上，完全满足海关、机场、高速公路出入口、交通、物流管理系统需要的长时间、高强度的工作需要，并能提高图像识别系统整体的无故障工作时间和降低系统运行的维护费用。
主要功能特点
1.为采用摄像机、数码相机的拍图系统提供高质量光源。
2.通过对闪光灯闪光强度、闪光时间和触发延迟的设置，可以与任何型号摄像机、数码相机取得精确同步。
3.在配合摄像机进行抓图的系统中，可以对闪光灯进行抓图场次和帧位的设置，满足用户的各种需求。
4.利用RS485接口可实现闪光灯的现场配置或进行在线监控/配置。
5.按照工业产品要求进行设计和生产，充分考虑了室外工作环境的多样性和特殊性，使CX6002专用闪光灯能够在复杂的环境下正常工作。
6.CX6002专用闪光灯安装完成后即可投入使用，不需要进行日常维护工作，减少系统维护的费用。
7.CX6002专用闪光灯可以适用于全国各地区室内外工作环境，不受气温和湿度的影响。
主要技术参数
1.供电电源:
12V~15VDC
2.闪光次数：
大于等于300万次
3.闪光指数：
40Ws范围内可调
4.使用温度：
-40度~55度
5.外形尺寸：
130×76×48（mm）
6.整机重量：
1000（g）
7.防护级别：
IP65
光谱曲线
相机控制
摄像机通过计算机串口指令进行控制，即摄像机的操作动作是由计算机串口指令控制的。
当计算机判断集装箱号码在相机的拍摄范围时，会通过串口向相应的数码相机发送拍图指令，在30毫秒内相机的快门就会被触发，相机拍摄下带有箱号的集装箱图片。
当拍摄完成后，计算机向摄像机发送传图指令，数码相机就会将CCD中的图片信息传送给计算机。
图像压缩存储
人眼对彩色图像的视觉特性的最敏感方面在于亮度变化，其次才是对色度和饱和度的感觉。
所以JPEG压缩利用这个原理，先将彩色图像从RGB三色空间变换到YUV彩色空间，在对亮度信号进行压缩的同时，再对色度和饱和度信号进行更高比例的压缩，虽然这样的压缩会带来色度和饱和度信号的一定程度的失真，但是从人眼视觉的特性来考虑，影响是不显著的。
由上节的分析，一幅点阵格式（BMP格式）的图像占用的内存（硬盘）空间为1.32MB，而通过了Jpeg压缩后，通常的图像文件为100~200KB或更小，取决于采用的压缩比率即对色彩分量的压缩程度。
五.1.2.系统界面示意
●整个界面由以下几个功能区组成：
●识别结果：
显示包括当前正在识别的车辆、当前车辆的上一辆车的集装箱号码。
●系统消息：
显示来自当前探头的状态、当前图像识别信息、设备的连接状态，以及系统中其他消息。
●照片：
显示当前车辆已经和正在处理的集装箱图片，上一辆车拍摄到的所有图片，屏幕上同时可以显示上一辆车通过时的所有照片。
●系统状态图：
可以实时显示当前车辆通过时每一时刻所处的状态，包括相机的动作、探头的状态和车辆的位置，以及最后比对结果后车辆放行情况。
五.1.3.图像识别模块工作过程
对集装箱图像（多个图像）识别的过程从系统流程来讲主要有三个步骤，分别是建立队列、单图像识别、多结果校验。
建立队列。
因为从图像拍摄系统的逻辑分析以及系统中硬件的架设位置决定了图像不能同时传送到计算机上，就要求先送到的图像先进入识别器，后到达的图像则需要排队等候。
识别队列采用串行的工作方式，主要原因是图像分析处理对于CPU而言是占用率极高负担很重的任务，采用并行的多幅图像识别只会在系统切换线程中间白白的浪费时间，不会提高整体性能，而采用串行识别的方法还可以采用利用识别结果进行的提速技术，更实用些。
单图像识别。
单图像送入识别器进行图像解码、图像处理、号码分割、字符识别、结果组装，最后利用最大可能性输出可以识别的集装箱号码。
输出的结果中包含色彩，排列，位置等大量处理中间信息，为后面的多结果的校验做准备。
多结果校验。
通常集装箱可以拍摄到四个侧面的图像，但是这些图像可能部分甚至全部因为长期使用刮擦和污渍造成的某些字符损坏无法辨认或者破损过于严重导致切分错误，这就需要对多个识别结果采用多结果冗余校验的技术进行检查和纠正，而且可以判断出当前车辆承载的是一个还是两个集装箱。
生成的结果作为集装箱识别的最终结果。
由于三个主要的步骤是串行顺序进行的，这里不做过多的论述。
识别模块工作过程可以参加下图：
五.1.4.集装箱号码识别技术
集装箱箱号自动识别系统是金石诺科贸有限公司自主开发的集软、硬件于一体的集装箱箱号自动识别产品，本系统采用智能分析、识别运算技术，能够快速、准确的识别出集装箱卡车所载各类集装箱的箱号及箱型代码，是新一代的光学集装箱箱号自动识别系统解决方案。
作为集装箱号码自动识别系统中技术上升空间较多的部分，集装箱号码图像识别器的性能直接关系到了整个采集系统的数据可靠性和正确率。
只有集装箱光学图像识别的技术达到了设计的要求，整个识别系统才真正可以实现提高工作效率，减少人力成本的应用价值和发展前途。
因此，提高集装箱号码图像识别率，研究开发高性能的集装箱号码图像识别器也是集装箱号码采集系统研发中的重要组成部分和研究的重要内容。
在前面已经叙述的内容中已经说明了数码相机采集的图像清晰稳定，因此针对集装箱号码自动识别系统的集装箱号码识别算法以前端采集图像为数据源。
本系统中使用的集装箱号码识别器主要包括以下几个步骤：
图像解码，将采用JPEG算法压缩的图像解码成位图格式缓冲区数据。
图像处理，为了有好的识别效果，对源图像经常需要必要的图像处理工作，如图像校正、边缘提取、滤波降噪、色彩处理等。
图像分割，边缘分析等原理基础上对集装箱号码图像进行特征提取，将包含集装箱号码的图像区域从复杂的背景中分割出来，形成重点处理的图像区域。
字符分割，从重点处理的图像区域中分割出单个字符。
字符识别，将单个字符的图像识别成表示其含义的ASCII字符。
校验处理，将识别的单字结果组装筛选成一个标准集装箱号码。
图：
集装箱图像切分结果示例
五.1.5.集装箱号码校验算法
集装箱号码编码存在一个国际ISO规范。
每一个集装箱在箱体的前侧、右前、左后、尾部和顶部印刷了号码。
号码由4个英文字母和7个数字组成。
前4个英文字母是箱主的英文缩写，组合有限，后7个数字是集装箱的编号，其中最后一位数字圈在一个矩形内，是前十位字符的校验码。
如图：
图4.12集装箱后门箱号图像（局部）。
对集装箱号码的识别结果主要有两层正确性的校验。
首先是单幅图像的识别结果校验。
集装箱号码校验值产生规则如下：
集装箱号码前四位为字母（A-Z），后6位为数字（0-9），最有一位为校验位（数字0-9）：
字母分别对应着相应的数字aa，对应表如下：
A------10,
B------12,C------13,……,K------21,
L------23,M------24,……,U------32,
V------34,W------35,……,Z------38
取每一位对应的数字aa[pp]，乘以2的该位位置的幂指pp，求和（前十位），除以11，余数如果等于10则为合法的集装箱号，如果等于最后的校验位，也为合法的集装箱号，否则为识别不正常。
公式如下：
例如：
集装箱号为：
ABMZ9876124
xx=10×20+12×21+24×22+38×23+9×24+….+2×29
zz=mod（xx/11）
if（zz=10orzz=4）then结果正确
else结果错误。
在集装箱号码识别过程中，可以使用校验位对集装箱号码的最后识别结果的正确性做出判断，保证不会发生错误的情况。
多结果冗余校验技术
在相机拍摄到了多个图片后，识别器要对每一幅图像进行识别，产生一个识别结果来。
虽然识别算法有着比较高的正确率，但是存在比如箱号码字严重污染破损、雨雪、太阳光直射反光等等原因不适人力可以克服的因素，这些因素的发生可能是识别出现错误，即单幅图像的识别结果有可能是不正确的。
这就提出了新的问题，如何从多个识别结果中找出正确的集装箱号码。
面对多个结果，排列组合相当丰富，从中要无误的找到一个（两个）需要的结果有一定的难度。
但是因为集装箱号码本身存在着校验，同时一个集装箱有多面的图像同时被识别，而且因为箱主代号的个数是十分有限的，全球只有几百家，这样在系统的运行中不断的积累箱主代码的码表，为后面的多个结果校验提供了可靠的支持。
多个结果的校验工作可以分成两类：
由服务器数据库支持的和没有服务器数据库支持的，本系统中采用就
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