雙小車岸橋遠(yuǎn)程控制照明系統(tǒng)技術(shù)分析

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隨著科技的進(jìn)步和各集裝箱碼頭對(duì)運(yùn)營效率的進(jìn)一步追求，目前自動(dòng)化集裝箱碼頭技術(shù)在全球得到了快速發(fā)展，在岸橋起重機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行上也做了大量探索和開發(fā)。目前岸橋已經(jīng)發(fā)展到，在后方建筑物內(nèi)通過類似于原常規(guī)岸橋司機(jī)室內(nèi)的操作臺(tái)來遠(yuǎn)程操作岸橋，使其在安全高度以下運(yùn)行，甚至直接取消機(jī)上操作司機(jī)室，完全依靠裝備在后方建筑物內(nèi)的遠(yuǎn)程操作平臺(tái)。能夠?qū)崿F(xiàn)如此操作作業(yè)模式，除了起重機(jī)自身傳動(dòng)系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)性能提升外，就目前的技術(shù)發(fā)展水平來說，一個(gè)必不可少的條件是，現(xiàn)場實(shí)況視頻需要實(shí)時(shí)采集并傳送到遠(yuǎn)離起重機(jī)的操作人員眼前顯示，拋開光照充足的白天不提，夜間給視頻采集系統(tǒng)提供輔助照明的配光研究是亟待解決的課題。最理想的夜間照明是能夠最大化地使攝像系統(tǒng)呈現(xiàn)出接近日光環(huán)境下的視頻采集效果，這就需要夜間配光照明兼顧配光均勻度、照度、色溫、顯色值以及透霧能力等指標(biāo)，以取得最優(yōu)化配置。在常規(guī)碼頭岸橋的夜間照明上，更多地關(guān)注了照度值、照明燈具的光效以及為適應(yīng)沿海海霧環(huán)境的透霧能力，在常規(guī)碼頭上較高光效和壽命的高壓鈉燈類照明得到了大量應(yīng)用。此類配光照明所得到的主觀感受就是低色溫值，昏黃顏色的作業(yè)場景和作業(yè)目標(biāo)，在攝像系統(tǒng)視頻采集條件下，傳統(tǒng)的僅有照度要求的夜間配光照明已經(jīng)不能滿足自動(dòng)化碼頭的高效運(yùn)行要求。

一、照明光效

光源所發(fā)出的總光通量（流明、亮度）與該光源所消耗的電功率（瓦）的比值，稱為該光源的光效。發(fā)光效率值越高，表明照明器材將電能轉(zhuǎn)化為光能的能力越強(qiáng)，即在提供同等亮度的情況下該照明器材的節(jié)能性越強(qiáng)。為了滿足相應(yīng)的節(jié)能指標(biāo)，就需要優(yōu)選較高照明光效的燈具，并且隨著照明燈具使用時(shí)間的累加，原有光效衰減。保證相應(yīng)配光在最小能耗消耗的基礎(chǔ)上滿足夜間照明的照度要求。

二、眩光及配光均勻度

在人眼目視情況下，眩光的形成是由于亮度分布不適當(dāng)或亮度變化的幅度太大,或空間、時(shí)間上存在著極端的對(duì)比,引起不舒適或降低觀察重要物體的能力,或同時(shí)產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象。因此對(duì)于燈具的表面亮度應(yīng)該加以限制，不宜過高。對(duì)于目前安裝在岸橋上的攝像系統(tǒng)來說，雖然寬動(dòng)態(tài)技術(shù)得到了大力發(fā)展和廣泛推廣，但其動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)于人眼仍有很大的差距。當(dāng)在強(qiáng)光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。往往動(dòng)態(tài)范圍大的攝像機(jī)靈敏度低，高靈敏度的攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)小。因此針對(duì)攝像系統(tǒng)采光要求之一的配光均勻度需要加以限定，配光均勻度以不小于0.8為宜，降低操作作業(yè)對(duì)攝像頭的寬動(dòng)態(tài)范圍要求，保證視頻系統(tǒng)諸如清晰度、靈敏度、色彩等具有較優(yōu)的指數(shù)。需要注意的是，雖然岸橋操作人員工作環(huán)境完全脫離了現(xiàn)場，無需在直接光照環(huán)境下工作，但鑒于目前的集裝箱裝卸作業(yè)要求，仍會(huì)保留部分裝卸人員實(shí)施完成集裝箱固定旋鎖的拆裝作業(yè)，在某些操作面甚至?xí)醒鲆暤淖鳂I(yè)狀況，因此更需避免眩光以及某些燈具照明本身藍(lán)光效應(yīng)對(duì)工作人員造成的影響或生理損害。

三、照度

沿海港口作業(yè)方式和繁忙程度的差異，對(duì)于照明的要求會(huì)有所不同。作業(yè)產(chǎn)生差錯(cuò)會(huì)造成很大損失時(shí)，對(duì)于精確性和生產(chǎn)效率要求很高時(shí)，視覺作業(yè)持續(xù)時(shí)間特別長時(shí)，可將照度標(biāo)準(zhǔn)值分級(jí)提高一級(jí)。目前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時(shí)完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下的實(shí)際狀況并不是那么理想，視頻圖像會(huì)出現(xiàn)類似雪花點(diǎn)的現(xiàn)象，噪點(diǎn)過大。因此，對(duì)于繁忙的大型沿海集裝箱港口可根據(jù)需要適當(dāng)提高照度標(biāo)準(zhǔn)，特別是為了給攝像系統(tǒng)提供充足的光通量，加之艙內(nèi)作業(yè)時(shí)照度條件進(jìn)一步變差，對(duì)于地面的平均照度以不低于100lx為宜。

四、色溫

光源色溫表征了照明燈具所發(fā)射的光的表觀顏色，對(duì)于常規(guī)采光要求來說，其選擇取決于照度、氣候環(huán)境和應(yīng)用場地條件等因素。為了配合攝像系統(tǒng)的采光要求，色溫的選擇還要考慮到攝像系統(tǒng)的白平衡問題，防止夜間照明環(huán)境下攝像系統(tǒng)采集的目標(biāo)和背景出現(xiàn)偏色問題，另外，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在夜間輔助照明條件下，高色溫照明時(shí)，攝像系統(tǒng)獲取的視頻中噪點(diǎn)控制要優(yōu)于低色溫照明條件，產(chǎn)生的噪點(diǎn)相應(yīng)較少。綜合上述，根據(jù)日落前后條件下的色溫值4000K以及中午晴天條件下的色溫值5000K，選擇色溫值為4000K左右的配光照明有利于攝像系統(tǒng)的白平衡比較穩(wěn)定，不至于出現(xiàn)難以控制的偏色現(xiàn)象，使夜間作業(yè)環(huán)境下所獲取的視頻圖像與白天日照條件下比較接近，進(jìn)一步降低夜間作業(yè)難度和操作人員的疲勞度，是安全和效率的雙重保證。

五、顯色值

顯色性是指光源發(fā)出的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果和對(duì)物體真實(shí)色彩的顯現(xiàn)程度，是評(píng)價(jià)照明光源的一個(gè)重要指標(biāo)。顯色性高的光源對(duì)顏色的表現(xiàn)較好，所看到的顏色接近自然原色；顯色性低的光源對(duì)顏色表現(xiàn)較差，所看到的顏色偏差較大。如果光源發(fā)出的光中所含的各色光的比例和自然光相近，則人眼看到的顏色就較為逼真。不同顯色值在同等照度條件下，給處于相應(yīng)配光環(huán)境下的人員的主觀感覺也是不同的，顯色值提高，會(huì)相應(yīng)提高對(duì)配光質(zhì)量的評(píng)價(jià)，就會(huì)得到相同照度下更加清晰的視覺觀感，有助于操作人員在夜間作業(yè)。在常規(guī)碼頭中，對(duì)于配光顯色值的具體要求是20，這一數(shù)值所表征的意思是對(duì)顯色性無具體要求的場所，高壓鈉燈的顯色值雖然高于此標(biāo)準(zhǔn)，但僅有35。在實(shí)際應(yīng)用中，雖然許多碼頭相應(yīng)的配光照度明顯高于相應(yīng)配光照度標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，但實(shí)際的采光效果在目視條件下仍然是昏黃一片，清晰度較差，極易造成操作人員的視疲勞，從而間接影響到操作作業(yè)的安全和生產(chǎn)效率，這是港口碼頭配光的一個(gè)誤區(qū)。鑒于集裝箱自動(dòng)化碼頭生產(chǎn)中，岸橋遠(yuǎn)程控制所必須引入的攝像系統(tǒng)通過視頻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)還原現(xiàn)場操作環(huán)境和目標(biāo)與原常規(guī)的目視有較大差別，能否提供噴涂顏色多樣性的集裝箱與背景清晰的邊界識(shí)別，將影響到操作人員對(duì)目標(biāo)的清晰識(shí)別度和目標(biāo)周邊環(huán)境深度的判斷。因此岸橋遠(yuǎn)程控制攝像系統(tǒng)的全新操作方式就需要在配光燈具的選型上引入顯色值這一衡量指標(biāo)，這有助于相應(yīng)配光照明的科學(xué)、規(guī)范、合理。

六、透霧能力

對(duì)于海洋作業(yè)環(huán)境下的夜間照明，另一個(gè)最重要的指標(biāo)是所選擇光源照明的透霧能力，通過光譜儀測量，在海霧不同濃度下將鎢絲燈、LED燈、金鹵燈和高壓鈉燈的光譜進(jìn)行透光率比較，在中間視覺亮度條件下，鎢絲燈的透霧性最佳，LED的透霧性最差，霧濃時(shí)金鹵燈的透霧性優(yōu)于高壓鈉燈，霧稀時(shí)高壓鈉燈的透霧性優(yōu)于金鹵燈，4種光源透光率在不同中間視覺亮度下的變換均不超過5%。需要注意的是，在選擇光源色溫時(shí)，也需要考慮到海霧的影響，色溫不宜過高，防止因?yàn)殪F的漫反射造成近景高亮，以至于屏蔽掉遠(yuǎn)景信息。攝像系統(tǒng)本身的透霧能力可以在霧氣濃度稀薄時(shí)進(jìn)一步降低對(duì)照明透霧能力的要求，而金鹵燈在霧濃時(shí)透霧性較優(yōu)，可與攝像系統(tǒng)本身透霧能力結(jié)合與互補(bǔ)，能夠較好地輔助攝像系統(tǒng)完成海洋環(huán)境下不同濃度霧氣作業(yè)環(huán)境的視頻采集。由于自動(dòng)化碼頭遠(yuǎn)程控制岸橋操作中攝像系統(tǒng)的引入，在夜間照明燈具的配光選擇上，除了要考慮到原常規(guī)碼頭重點(diǎn)關(guān)注的照度、經(jīng)濟(jì)性以及透霧能力外，還要結(jié)合攝像系統(tǒng)本身工作特點(diǎn)，對(duì)配光照明的其他指標(biāo)進(jìn)行考量，使攝像系統(tǒng)條件下的配光照明能夠滿足相應(yīng)的操作要求，保證自動(dòng)化碼頭遠(yuǎn)程操作岸橋的夜間作業(yè)能力。

作者：張衛(wèi) 王培山 江波 王學(xué)龍 單位：青島新前灣集裝箱碼頭有限責(zé)任公司