0 引　言

当前，我国制造业正处在从高速度转向高质量发展的关键阶段，智能制造技术已成为产业升级变革的核心，推动工业变革的强大引擎^[1]。实现自动化作业是当今工业领域的一项关键任务，在船舶、海工、重型机械、建筑桥梁、水利^[2]等行业，都涉及繁重的原料钢板吊运工作，但目前仍普遍停留在人工低精度吊运的水平，缺少成熟的智能化、高精度吊运技术方案。

具体到海洋工程领域，随着科技的飞速发展，甲板片预制车间的自动化改造不仅是一次技术升级，更是对生产方式的全面优化。海洋平台甲板片是指用于海上油田、海洋风电、海洋科研等海洋工程中的平台甲板覆盖材料，通常由甲板板与型材组合而成，海上钢结构物制造离散性高，连续性比例低，难以形成流水线作业。为提升甲板片预制车间的生产效率、降低成本、提高产品质量，迎接未来制造业的挑战，自动化改造势在必行。本文主要探讨甲板片预制作业的自动化甲板片的制造过程中，由于甲板板尺寸较大，单个甲板板通常在2 m×12 m的尺寸，甲板板的就位、拼接作业一直是一个难点。

随着甲板片制造工艺的发展，建造过程的自动化、连贯性、精确度以及完工状态越来越受到重视。如何进一步提高整体自动化水平，是长期困扰行业的一个关键技术难题。因此，亟需对海洋工程甲板片建造车间进行进一步智能化改造升级，解决一系列工艺流程与关键技术问题，实现甲板板自动吊装、拼接，进而大幅提高甲板的组对工作效率、减少劳动力需求、提高产品质量、保证施工安全。本项目研究成果可以为甲板片预制车间的自动化改造作业树立样板、提供借鉴，助力我国制造业智能化升级，发挥良好的示范作用。

1 甲板板识别方案设计

实现甲板板自动化识别，是为了满足自动化吊运、拼接板材的需要。甲板板自动吊运、拼接流程如图1所示。

上述流程中涉及的主要设备包括生产管理系统（MES）、自动导引运输车（AGV）、自动化吊具等。MES作为预制车间的数据与控制中枢，与车间的自动化吊具和AGV等设备进行数据交互^{[3 − 4]}；AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车^[5]；自动化吊具主要由门架结构、智能小车、自动吊具、运行机构、轨道和驱动、电控及警示系统等组成，可实现对甲板板的识别、寻位、抓取、提升、旋转、定位等整个过程的自动化无人操作。

整个流程从获取图纸信息开始，接着由MES系统下发指令，一方面进行物料准备，将板材切割分拣好后，由AGV运输到指定位置；另一方面自动化吊具收到指令，移动到携带着甲板板的AGV上方。紧接着便由自动化吊具去实现对甲板板的定位，获取甲板板的准确位姿信息，进一步计算抓取点并吊运甲板板，开始自动铺板。自动铺板结束后进行后续的点焊定位，点焊定位结束后，意味着甲板板的自动化吊运、拼接作业的完成。

想要实现甲板片预制车间，甲板板的自动吊运、拼接，一个关键的环节便是识别甲板板，只有将当前的甲板板的尺寸、轮廓等信息，与图纸中的甲板板相匹配，将甲板板的信息，读取到系统中，才可以开展后续的自动化作业。

1.1 外形识别

外形识别是指根据甲板板整体外轮廓来识别甲板板。这种方法需要利用3D相机扫描整张甲板板，形成三维点云，从而确定甲板板工件的整体轮廓。进一步地，将识别出来的轮廓与图纸中的甲板板逐一比较，找到外形最接近的工件^{[6 − 7]}。外形识别原理如图2所示。

当前较高水平的自动化车间大多采用外形识别的方式，但是具体到甲板板的识别作业，由于甲板板尺寸较大，同时甲板板的自动拼接作业对精度也有较高的要求，想要通过外形识别甲板板，用来识别的相机必须能够同时满足大画幅、高精度的要求。当前主要问题在于相机的发展现状并不能满足需求，因此本研究提出一种方案：通过线阵相机连续拍摄，合成图像实现识别。

线阵相机是采用线阵图像传感器的相机，其视野呈现出线状，虽然其成像是二维图像，但长度可以达到上万像素，而宽度仅4个像素左右，通常会在2种情况下使用线阵相机：一是被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二是需要极大的视野或极高的精度。线阵相机视觉定位工作如图3所示。

通过应用线阵相机，能够很好的满足画幅以及精度的要求，能够实现高度的自动化，但是工作效率上，不可避免地受到影响。

利用线阵相机实现甲板板识别作业的流程如图4所示。

在外形识别工作前，前置工序已经完成了物料准备。MES下发指令后，由AGV运送甲板板到指定位置，接着自动化吊具携带线阵相机，移动到AGV上方，沿着板材长度方向平移，线阵相机扫描整个甲板板，实现对甲板板的识别。得到甲板板信息后，便可以开展后续的自动化作业。

1.2 标签识别

标签识别是指通过扫描预先刻蚀或粘贴的二维码、或射频识别（Radio-Frequency Identification，RFID）标签等来识别甲板板。由于只需进行局部扫描，标签识别效率要高于外形识别。其中，二维码可以通过视觉识别，而RFID需要专用扫描器，需要人工录入标签信息。

标签识别技术应用在甲板板智能吊运、拼接作业中，需要考虑以下关键问题：

1）标签放置方式。当前主流的标签放置方式包括人工贴纸标签或激光刻蚀，由于车间环境条件复杂，运输板材时都是堆叠放置，上下层板材的相对错动容易破坏纸标签，因此无法在甲板板自动化吊运、拼接作业中使用。采用激光刻蚀同样会因为锈蚀导致标签失效，但可以通过人工喷涂防锈底漆等表面处理方式来避免锈蚀的影响。

2）标签放置位置。标签可以根据实际情况，布置于板材的边缘或中点，具体布置于何处需要根据标签放置的方式来确定。软件会根据标签放置位置提前设定摄像头扫描的范围，移动摄像头并完成标签扫描。

3）简化标签内容。将标签内容尽量缩减，通过技术手段减小标签的复杂度，使得标签扫描效率得到提升。

1.2.1 二维码识别

二维码识别是标签识别的一种方式，具有识别速度快、存储量大、对变脏和破损的适应能力强、可以从任何方向读取和支持数据合并功能等优点。二维码的快速识别是因为其采用了矩阵式二进制编码，使得扫描设备可以快速准确地读取信息。二维码存储容量较大，可以存储数百个字符的数据，包括文字、链接、图像等信息。二维码的容错性强，即使出现部分污损或破损，也能保持信息的可读性^[8]。

二维码识别甲板板方案流程如图5所示。

想要实现二维码识别，首先需要在甲板板的切割打码工序中，采用黑白刻蚀技术，保证二维码具有较高对比度。其次，完成切割后，人工使用防锈自喷罐喷涂防锈漆，延长二维码可识别时间。然后，进行甲板板分拣堆放，将二维码放置在预先定好的范围内，方便进行扫描识别。最后，当甲板板抵达指定区域后，利用自动化吊具上的相机扫描二维码，识别甲板板信息。

1.2.2 RFID识别

RFID识别技术是一种无线通信技术，用于自动识别和跟踪物体。它通过无线电信号的传输和接收，实现对物体的唯一标识和数据的读取。RFID系统由3个RFID标签、RFID读写器和后端数据库组成。

RFID标签是一种被动或主动设备，内置有芯片和天线。它可以附加在物体上，并通过无线电波与读写器进行通信。RFID标签可以存储和传输有关物体的信息，如序列号、制造日期、批次号等。

RFID读写器是用于与RFID标签进行通信的设备。它通过发射无线电波并接收标签的响应信号，实现对标签的读取和写入操作，写入部分通常通过手持式实现。读写器通常与计算机或其他系统连接，将读取到的数据传输到后端数据库进行处理和管理。

后端数据库是用于存储和管理RFID系统中的数据的系统。它可以存储标签的唯一标识符、物体的属性信息、位置信息等。通过后端数据库，用户可以实时追踪和管理物体的位置、状态和历史记录。

RFID识别技术具有许多优点，如非接触式读取、高效性、自动化等。它被广泛应用于物流管理、库存管理、智能交通、资产追踪等领域，提高了物体识别和跟踪的效率和准确性^{[9 − 11]}。

2 方案综合比选

外形识别方法的优点是工艺简单，无需人工参与，但不足体现在扫描效率较低。以当前技术条件，想要通过视觉方法实现甲板板的识别，无法通过直接拍摄实现，如果通过完整的扫描成像，效率难以保证。

二维码识别方法最大的问题在于：首先，二维码识别率并不理想，为此，需要保证预处理后甲板板表面平整度。其次，为了保证二维码的持久性，必须做好防锈（可以采用人工喷涂防锈漆的方法）、防磨损、防划线等，对工艺要求较高。

因此，本文提出一种结合RFID与二维码的识别方法。这种方法在完成甲板板的切割打码后，由人工分拣甲板板时，利用手持PDA扫描二维码获取甲板板工件的编号信息，并录入到托盘上的RFID标签。当甲板板由AGV运输就位后，通过RFID读取器，获取托盘上全部甲板板工件的列表。流程如图6所示。

综合比较外形识别、二维码识别以及RFID+二维码识别方案的优缺点如表1所示。

3 结　语

本文主要研究了几种实现甲板板自动化识别的方案，从各种方案的准确率、识别效率、可靠性、自动化程度等方面进行了对比，探讨了各种识别方案的可行性，得出结论：综合考虑视觉识别相机发展现状、自动化程度、工作效率及成本，RFID+二维码识别的方案为实现甲板板识别的最优解，不足之处在于前置工序还需要有人工录入的环节，没有完全实现自动化，但人工参与的工作内容十分简单，效率可以保证。如果苛求高水平自动化，对工作效率要求较低，可以考虑线阵相机视觉外形识别方案。