探訪天津港集團(tuán)等自主研制的人工智能運(yùn)輸機(jī)器人ART

載箱穿梭 暢行碼頭

ART在天津港北疆港區(qū)“智慧零碳”碼頭集裝箱堆場(chǎng)作業(yè)。

瞿小龍攝

在天津港北疆港區(qū)“智慧零碳”碼頭岸橋下裝卸貨物的ART車隊(duì)。

李四航攝

2021年，全球首個(gè)“智慧零碳”碼頭在天津港建成投產(chǎn)，碼頭建造周期縮短2年、建造成本降低30%、作業(yè)效率提高20%。和其他自動(dòng)化碼頭通常采用“磁釘+自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn)車(AGV)”的物流方案不同，這里創(chuàng)新使用了我國(guó)企業(yè)自主研制的人工智能運(yùn)輸機(jī)器人(ART)，實(shí)現(xiàn)了智能化程度更高的商用無(wú)人駕駛，成為以全新模式引領(lǐng)世界港口自動(dòng)化、智能化升級(jí)的“中國(guó)范例”。

看著一輛輛ART滿載集裝箱穿行碼頭，天津港集團(tuán)黨委書記、董事長(zhǎng)褚斌感慨：“從AGV到ART，我們實(shí)現(xiàn)許多從‘0’到‘1’的突破，為現(xiàn)代化港口建設(shè)作出了積極貢獻(xiàn)。”

ART先進(jìn)在哪兒?研制難在哪兒?天津港是如何成功的?記者進(jìn)行了采訪。

降本增效

碼頭運(yùn)輸工具之變，給港口整體運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)多方面變化

渤海之濱，海天一色。走進(jìn)天津港北疆港區(qū)“智慧零碳”碼頭，只見(jiàn)一艘艘靠泊巨輪旁邊，10多輛15.6米長(zhǎng)、1.55米高的藍(lán)色“智能拖車”往來(lái)穿梭。這就是天津港集團(tuán)聯(lián)合其他企業(yè)共同研發(fā)的ART。“雖然它樣貌簡(jiǎn)單，卻十分聰明，可實(shí)現(xiàn)全球港口中最高級(jí)別(L4)的無(wú)人駕駛。”天津港集團(tuán)副總裁楊杰敏說(shuō)。

走到高處，楊杰敏向記者詳細(xì)介紹了ART的作業(yè)流程：船舶靠岸后，一輛輛ART便按照系統(tǒng)指令，駛?cè)胱詣?dòng)化岸橋邊上的指定位置，與預(yù)定位置的誤差小于3厘米。隨后，岸橋上的吊具將集裝箱從船上起吊至40多米高，再快速精準(zhǔn)地落在ART的車架上。裝好集裝箱，ART隨即駛離，自動(dòng)“搜尋”解鎖站，再繞進(jìn)迷宮般的堆場(chǎng)，把集裝箱“交”給軌道橋，隨后再回到岸邊排隊(duì)等候新任務(wù)。

碼頭運(yùn)輸工具之變，給港口的整體運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)多方面變化。

提升效率。前不久，“現(xiàn)代哥本哈根”號(hào)集裝箱船靠泊天津港“智慧零碳”碼頭。7000多個(gè)集裝箱，僅用37小時(shí)就完成作業(yè)，創(chuàng)下1小時(shí)裝卸203箱的作業(yè)效率紀(jì)錄，在該船經(jīng)停的10座海內(nèi)外港口中排名第一。

節(jié)省用工。在傳統(tǒng)人工碼頭，為滿足24小時(shí)作業(yè)條件，一臺(tái)拖車需配備4名司機(jī)。而在天津港“智慧零碳”碼頭，ART的投用令用工節(jié)省六成以上，作業(yè)安全水平也大幅提升。

降低成本。自1993年世界上第一個(gè)自動(dòng)化集裝箱碼頭建成以來(lái)，“磁釘+AGV”成為多數(shù)自動(dòng)化碼頭的“標(biāo)配”。不過(guò)，港口用的AGV一直價(jià)格高昂，而ART由國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研制，單車成本可比AGV便宜一半左右。此外，AGV必須依靠埋在地下的磁釘來(lái)辨明方位，建設(shè)一座250萬(wàn)標(biāo)箱吞吐量的自動(dòng)化碼頭，僅布設(shè)磁釘就要上千萬(wàn)元，后期維修成本也不低。而ART采用“5G+北斗導(dǎo)航”，不用布設(shè)磁釘，建設(shè)成本大為降低。

與ART密切相關(guān)的還有橋吊系統(tǒng)。天津港第二集裝箱碼頭公司副總經(jīng)理高延輝算了一筆賬：傳統(tǒng)自動(dòng)化碼頭，橋吊采用雙小車配合AGV完成解鎖、二次吊裝，構(gòu)造更復(fù)雜，每臺(tái)重達(dá)2300多噸。使用ART方案，解鎖在其他區(qū)域完成，橋吊一次吊裝，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，重量可減至1400噸以下。“每臺(tái)橋吊減重近1000噸，意味著整個(gè)碼頭的承重設(shè)計(jì)、建造投入、橋吊價(jià)格都可以降低，據(jù)測(cè)算，僅橋吊一項(xiàng)就能降本約8億元。”高延輝說(shuō)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，ART給集裝箱碼頭自動(dòng)化改造提供了新的選擇。當(dāng)前，全球95%的集裝箱碼頭仍是傳統(tǒng)人工碼頭，改造升級(jí)空間很大。“在傳統(tǒng)人工碼頭，堆場(chǎng)幾乎都是水平岸線布局。過(guò)去受技術(shù)限制，自動(dòng)化改造時(shí)必須把堆場(chǎng)設(shè)置成垂直岸線布局，相當(dāng)于‘推倒重建’，難度大、成本高。”高延輝說(shuō)，使用ART配套方案進(jìn)行改造，無(wú)需改變岸線布局，改造更方便，成本更可控。

自主創(chuàng)新

從車輛結(jié)構(gòu)、指揮系統(tǒng)到鋼板厚度、螺栓樣式，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一次次試錯(cuò)、一步步摸索

天津港研制出ART之前，業(yè)界對(duì)這款新型港口運(yùn)輸裝備“聞所未聞”。

“想法太超前，咋落地?”“前期投入巨大，會(huì)不會(huì)‘打水漂’?”……一些同行聽(tīng)說(shuō)后，為天津港捏了一把汗。

“打造世界一流港口，根本要靠自主創(chuàng)新。”褚斌告訴記者，一次次嚴(yán)謹(jǐn)論證和研判后，天津港自主研制的信念越發(fā)堅(jiān)定，“多年來(lái)，‘磁釘+AGV’方案的運(yùn)行效率已經(jīng)幾乎提升到了極限。要想再有所突破，必須另辟蹊徑。”

在天津港集團(tuán)所屬企業(yè)金岸重工公司的測(cè)試場(chǎng)地，記者見(jiàn)到了最新款的第四代ART。遠(yuǎn)看，它只是一個(gè)巨大的卡車底盤。近看，車身上有許多“門道”——車輛四角有圓柱凸起，這是用于避障的激光雷達(dá)和攝像頭;車架經(jīng)過(guò)減重和強(qiáng)化，極限載重量提升至80噸;載貨平面彰顯人性化設(shè)計(jì)，位置與工人解鎖作業(yè)的高度一致;車輛側(cè)面還配有自動(dòng)充電口，充電1小時(shí)即可滿電運(yùn)行……

“相比傳統(tǒng)拖車，ART重量更輕，壽命更長(zhǎng)，承載量更大，智能化水平更高。”金岸重工公司總經(jīng)理曲明告訴記者，這樣一款造型獨(dú)特、功能實(shí)用的運(yùn)輸機(jī)器人，完全是從零做起的。

從車輛結(jié)構(gòu)、指揮系統(tǒng)到鋼板厚度、螺栓樣式，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一次次試錯(cuò)、一步步摸索。

光是調(diào)試車身控制系統(tǒng)，就耗時(shí)半年多。

碼頭很大，但也有不少地方空間狹小，必須最大化使用場(chǎng)地。比如，當(dāng)要穿過(guò)左前方和右后方都有障礙物的縫隙時(shí)，只有前輪這一對(duì)轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)彎半徑大的傳統(tǒng)拖車很可能被“卡”住，而ART則能精細(xì)調(diào)整4個(gè)車軸不同的轉(zhuǎn)向角度，以“螃蟹行”等復(fù)雜動(dòng)作斜行穿過(guò)。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，金岸重工研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷調(diào)試控制算法。第一臺(tái)樣車，只能做到多軸同步轉(zhuǎn)向和控速，難以精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)。后來(lái)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了“雙軸控”技術(shù)，又因?yàn)榍昂筝喚€速度不同而出現(xiàn)“磨胎”。為找出最優(yōu)算法，他們每天奔走在測(cè)試場(chǎng)地。有個(gè)階段為了修正ART轉(zhuǎn)彎甩尾等異常，測(cè)試員得跟車慢跑記錄細(xì)節(jié)，平均每天跑25公里，相當(dāng)于半個(gè)馬拉松。磨壞20多條輪胎、迭代30版算法后，車輛終于實(shí)現(xiàn)順暢精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。

看似普通的車架，也經(jīng)歷過(guò)繁復(fù)的打磨。

車架是ART整車最受考驗(yàn)的部件：既要能日復(fù)一日地承受集裝箱下落帶來(lái)的沖擊力，又要能經(jīng)受海水、海風(fēng)的腐蝕，還要滿足綠色節(jié)能、輕便靈活等高要求。

“在不熟悉工況的情況下，我們一遍遍用砝碼箱去探索載荷臨界點(diǎn)。有時(shí)，材料強(qiáng)度夠了，剛度卻不夠;有時(shí)，凈強(qiáng)度達(dá)標(biāo)了，疲勞強(qiáng)度又不足。”金岸重工公司生產(chǎn)管理部經(jīng)理陳雷說(shuō)。為求得“最優(yōu)解”，他們運(yùn)用大量仿真計(jì)算工具，制作出包含車架材料、結(jié)構(gòu)、油路、電路等真實(shí)信息的數(shù)字模型，一塊塊微調(diào)構(gòu)造，歷時(shí)一年，終于找到平衡點(diǎn)。

研制無(wú)人駕駛系統(tǒng)，也走過(guò)不少?gòu)澛贰?/p>

“經(jīng)過(guò)一年多反復(fù)優(yōu)化，本以為ART的無(wú)人駕駛系統(tǒng)比較成熟了，結(jié)果，去年夏天的幾場(chǎng)大雨，又給我們澆了一頭‘冷水’。”天津港第二集裝箱碼頭公司技術(shù)部設(shè)備運(yùn)行主管彭云輝說(shuō)，當(dāng)時(shí)他們發(fā)現(xiàn)，大雨過(guò)后，ART經(jīng)常停滯不動(dòng)或偏離路線。

經(jīng)過(guò)故障分析，原來(lái)是激光雷達(dá)外部留下積水，導(dǎo)致激光折射，嚴(yán)重干擾了車輛定位。后來(lái)，他們加班加點(diǎn)，專等惡劣天氣去碼頭跑車。3個(gè)多月后，一套“雨天作業(yè)模式”成功研發(fā)，有效降低了天氣影響。

合力攻堅(jiān)

天津港集團(tuán)“總牽頭”，組建創(chuàng)新聯(lián)合體

建造ART，硬件要夠“硬”，大腦也要夠聰慧。

港口就像一座微縮版城市，空間復(fù)雜、設(shè)施繁多，對(duì)效率和安全的要求極高。每跑一趟任務(wù)，ART都要與周邊設(shè)備進(jìn)行上百次指令交互。“既要接受碼頭管控系統(tǒng)指揮，還要與岸橋、軌道橋、鎖站、充電樁‘對(duì)話’，多臺(tái)車輛之間也得分工合作、避免擁堵，這就需要一套高效可靠的車隊(duì)管理系統(tǒng)。”高延輝說(shuō)。

系統(tǒng)工程誰(shuí)來(lái)建?起初，天津港研發(fā)團(tuán)隊(duì)心里沒(méi)底，嘗試尋求外包服務(wù)。不過(guò)，由于這套系統(tǒng)沒(méi)有“模板”，得從“白紙”開(kāi)始原創(chuàng)，多家有實(shí)力的企業(yè)洽談之后都犯了難。

“他們中，有的信息化功底扎實(shí)，有的人工智能積淀深厚，還有的通信技術(shù)實(shí)力強(qiáng)大。強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，是有能力拼出‘智慧大腦’這張復(fù)雜拼圖的。”高延輝分析，“關(guān)鍵卡點(diǎn)在于各家都不了解港口的業(yè)務(wù)需求，邁不出第一步。”

“別人不了解，咱還不了解嗎?”于是，2019年7月，天津港集團(tuán)當(dāng)起“總牽頭”，組建創(chuàng)新聯(lián)合體合力攻堅(jiān)。

“一些科技企業(yè)在智能算法上實(shí)力雄厚，但光有技術(shù)還不能讓車隊(duì)管理系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。”天津港第二集裝箱碼頭公司信息部經(jīng)理劉喜旺告訴記者，起初，ART在堆場(chǎng)提取集裝箱的設(shè)計(jì)方案是調(diào)度車輛先到達(dá)目的地，再由軌道橋?qū)⒓b箱運(yùn)上車。后來(lái)，港口技術(shù)部門從碼頭運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，提出了“預(yù)到達(dá)”的設(shè)想，即軌道橋在車輛抵達(dá)作業(yè)位置前就預(yù)備到位，由此使得堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)間壓縮近一倍。

劉喜旺認(rèn)為，港口與科技企業(yè)緊密合作，實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的創(chuàng)新效果。天津港獲得了自主可控的車隊(duì)管理系統(tǒng)，科技企業(yè)則在合作中拓展港口信息化業(yè)務(wù)，打開(kāi)了全新的市場(chǎng)空間。

創(chuàng)新聯(lián)合體還廣泛吸收研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)智慧，在基礎(chǔ)研究、前沿探索上攻關(guān)突破。

“通信及定位功能是保障車隊(duì)管理系統(tǒng)運(yùn)行的‘底座’，然而集裝箱碼頭的金屬遮擋屏蔽現(xiàn)象是個(gè)‘老大難’。”中國(guó)移動(dòng)天津公司政企客戶部副總經(jīng)理陳奇志介紹，公司聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)上海產(chǎn)業(yè)研究院組建“5G+北斗實(shí)驗(yàn)室”，為天津港碼頭量身設(shè)計(jì)雙頻段5G專網(wǎng)、研發(fā)遠(yuǎn)程駕駛車載設(shè)備，首次在港口應(yīng)用了“5G+北斗”的融合定位方法，使ART的響應(yīng)時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)，定位精度達(dá)到厘米級(jí)。

“公司首席科學(xué)家、中國(guó)工程院院士李德毅在天津港設(shè)立了院士工作站，深耕港口無(wú)人駕駛技術(shù)。”主線科技公司合伙人、前瞻院院長(zhǎng)王超說(shuō)，天津港為L(zhǎng)4級(jí)的商用無(wú)人駕駛提供了寶貴的“試驗(yàn)田”，幫助院士工作站積累了大量實(shí)地場(chǎng)景和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，“既能支持和促進(jìn)認(rèn)知模型、核心算法等多項(xiàng)前沿研究，也轉(zhuǎn)化出車輛復(fù)雜環(huán)境感知、信息共享、智能決策等一批可在更多行業(yè)推廣的科技成果。”

“賽馬”機(jī)制是天津港創(chuàng)新聯(lián)合體提升創(chuàng)新實(shí)效的又一做法。為開(kāi)發(fā)L4級(jí)別的商用無(wú)人駕駛系統(tǒng)，天津港集團(tuán)提出“千循環(huán)一次故障”的目標(biāo)，引入4家企業(yè)同臺(tái)競(jìng)技。天津港擔(dān)當(dāng)“裁判”，每月考核系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障率等指標(biāo)，經(jīng)過(guò)激烈角逐，“賽馬”企業(yè)逐漸拉開(kāi)差距，兩家企業(yè)先后退出，余下兩家繼續(xù)比拼。“各企業(yè)‘你追我趕’，加快了技術(shù)升級(jí)的步伐，無(wú)人駕駛系統(tǒng)正從百循環(huán)一次故障，提高到800循環(huán)一次故障，達(dá)標(biāo)在望。”高延輝說(shuō)。

“ART帶來(lái)的不只是港口運(yùn)輸新裝備，還造就了一批敢想敢拼的港口人才，探索出一種富有活力的創(chuàng)新機(jī)制，并梳理出一套自主掌握的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。”展望未來(lái)，褚斌表示，目前中國(guó)港口已在吞吐量、作業(yè)效率、智能化水平等方面實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)先，今后還將聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，努力在港口裝備、智慧系統(tǒng)等方面掌握更多原創(chuàng)技術(shù)，進(jìn)一步穩(wěn)固和增強(qiáng)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

勇于邁出第一步(記者手記)

“全球首個(gè)”，是在天津港采訪人工智能運(yùn)輸機(jī)器人(ART)時(shí)聽(tīng)到最多的一個(gè)詞。

全球首個(gè)“智慧零碳”碼頭，全球首個(gè)ART車隊(duì)搭載著全球首個(gè)港口數(shù)字孿生技術(shù)底座，連接全球首個(gè)2.6吉赫茲和700兆赫茲融合5G專網(wǎng)……天津港，何以拿下如此多“首個(gè)”?一位研發(fā)人員的感慨引人深思：“創(chuàng)新都是不易的，哪兒能沒(méi)顧慮、零風(fēng)險(xiǎn)?我們不過(guò)是認(rèn)準(zhǔn)方向、咬緊牙關(guān)，勇敢邁出了第一步。”

邁出第一步，當(dāng)有堅(jiān)定的信心。ART成功研發(fā)的背后，離不開(kāi)產(chǎn)學(xué)研深度合作、多領(lǐng)域協(xié)同配合。面對(duì)各種技術(shù)難題，天津港聯(lián)合配套企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)集眾智、聚眾力，為創(chuàng)新提供了堅(jiān)實(shí)支撐。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)已進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家行列，擁有完整的產(chǎn)業(yè)體系、龐大的研發(fā)隊(duì)伍和一大批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型領(lǐng)軍企業(yè)。發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新主體作用，用好各方面有利條件，我們完全有能力在高水平科技自立自強(qiáng)上實(shí)現(xiàn)更大作為。對(duì)此，要充滿信心。

邁出第一步，呼喚勇攀高峰的雄心壯志。這些年，我國(guó)科技實(shí)力、產(chǎn)業(yè)水平不斷躍上新臺(tái)階，在越來(lái)越多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑并跑到并跑領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。百尺竿頭，更進(jìn)一步。當(dāng)前，我國(guó)部分領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展已經(jīng)走在國(guó)際前沿，部分科技工作已經(jīng)走進(jìn)“無(wú)人區(qū)”探索發(fā)展的階段。這就要求廣大企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)以更廣闊的視野、更自覺(jué)的擔(dān)當(dāng)，從模仿式的追隨轉(zhuǎn)向開(kāi)拓性的引領(lǐng)，努力實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破。

路雖遠(yuǎn)，行則將至;事雖難，做則必成。不畏艱難、敢于創(chuàng)新，我們將在更多新領(lǐng)域新賽道贏得更大主動(dòng)。(本報(bào)記者 邱超奕)