探訪天津港集團等自主研制的人工智能運輸機器人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。

李四航攝

2021年，全球首個“智慧零碳”碼頭在天津港建成投產，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%。和其他自動化碼頭通常采用“磁釘+自動導向搬運車(AGV)”的物流方案不同，這里創(chuàng)新使用了我國企業(yè)自主研制的人工智能運輸機器人(ART)，實現(xiàn)了智能化程度更高的商用無人駕駛，成為以全新模式引領世界港口自動化、智能化升級的“中國范例”。

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

ART先進在哪兒?研制難在哪兒?天津港是如何成功的?記者進行了采訪。

降本增效

碼頭運輸工具之變，給港口整體運轉帶來多方面變化

渤海之濱，海天一色。走進天津港北疆港區(qū)“智慧零碳”碼頭，只見一艘艘靠泊巨輪旁邊，10多輛15.6米長、1.55米高的藍色“智能拖車”往來穿梭。這就是天津港集團聯(lián)合其他企業(yè)共同研發(fā)的ART。“雖然它樣貌簡單，卻十分聰明，可實現(xiàn)全球港口中最高級別(L4)的無人駕駛。”天津港集團副總裁楊杰敏說。

走到高處，楊杰敏向記者詳細介紹了ART的作業(yè)流程：船舶靠岸后，一輛輛ART便按照系統(tǒng)指令，駛入自動化岸橋邊上的指定位置，與預定位置的誤差小于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，再快速精準地落在ART的車架上。裝好集裝箱，ART隨即駛離，自動“搜尋”解鎖站，再繞進迷宮般的堆場，把集裝箱“交”給軌道橋，隨后再回到岸邊排隊等候新任務。

碼頭運輸工具之變，給港口的整體運轉帶來多方面變化。

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

節(jié)省用工。在傳統(tǒng)人工碼頭，為滿足24小時作業(yè)條件，一臺拖車需配備4名司機。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年世界上第一個自動化集裝箱碼頭建成以來，“磁釘+AGV”成為多數(shù)自動化碼頭的“標配”。不過，港口用的AGV一直價格高昂，而ART由國內企業(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辨明方位，建設一座250萬標箱吞吐量的自動化碼頭，僅布設磁釘就要上千萬元，后期維修成本也不低。而ART采用“5G+北斗導航”，不用布設磁釘，建設成本大為降低。

與ART密切相關的還有橋吊系統(tǒng)。天津港第二集裝箱碼頭公司副總經理高延輝算了一筆賬：傳統(tǒng)自動化碼頭，橋吊采用雙小車配合AGV完成解鎖、二次吊裝，構造更復雜，每臺重達2300多噸。使用ART方案，解鎖在其他區(qū)域完成，橋吊一次吊裝，構造相對簡單，重量可減至1400噸以下。“每臺橋吊減重近1000噸，意味著整個碼頭的承重設計、建造投入、橋吊價格都可以降低，據(jù)測算，僅橋吊一項就能降本約8億元。”高延輝說。

從長遠看，ART給集裝箱碼頭自動化改造提供了新的選擇。當前，全球95%的集裝箱碼頭仍是傳統(tǒng)人工碼頭，改造升級空間很大。“在傳統(tǒng)人工碼頭，堆場幾乎都是水平岸線布局。過去受技術限制，自動化改造時必須把堆場設置成垂直岸線布局，相當于‘推倒重建’，難度大、成本高。”高延輝說，使用ART配套方案進行改造，無需改變岸線布局，改造更方便，成本更可控。

自主創(chuàng)新

從車輛結構、指揮系統(tǒng)到鋼板厚度、螺栓樣式，研發(fā)團隊一次次試錯、一步步摸索

天津港研制出ART之前，業(yè)界對這款新型港口運輸裝備“聞所未聞”。

“想法太超前，咋落地?”“前期投入巨大，會不會‘打水漂’?”……一些同行聽說后，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，一次次嚴謹論證和研判后，天津港自主研制的信念越發(fā)堅定，“多年來，‘磁釘+AGV’方案的運行效率已經幾乎提升到了極限。要想再有所突破，必須另辟蹊徑。”

在天津港集團所屬企業(yè)金岸重工公司的測試場地，記者見到了最新款的第四代ART。遠看，它只是一個巨大的卡車底盤。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和攝像頭;車架經過減重和強化，極限載重量提升至80噸;載貨平面彰顯人性化設計，位置與工人解鎖作業(yè)的高度一致;車輛側面還配有自動充電口，充電1小時即可滿電運行……

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

從車輛結構、指揮系統(tǒng)到鋼板厚度、螺栓樣式，研發(fā)團隊一次次試錯、一步步摸索。

光是調試車身控制系統(tǒng)，就耗時半年多。

碼頭很大，但也有不少地方空間狹小，必須最大化使用場地。比如，當要穿過左前方和右后方都有障礙物的縫隙時，只有前輪這一對轉向輪、轉彎半徑大的傳統(tǒng)拖車很可能被“卡”住，而ART則能精細調整4個車軸不同的轉向角度，以“螃蟹行”等復雜動作斜行穿過。

為了實現(xiàn)設計目標，金岸重工研發(fā)團隊不斷調試控制算法。第一臺樣車，只能做到多軸同步轉向和控速，難以精準控制運動。后來，研發(fā)團隊優(yōu)化了“雙軸控”技術，又因為前后輪線速度不同而出現(xiàn)“磨胎”。為找出最優(yōu)算法，他們每天奔走在測試場地。有個階段為了修正ART轉彎甩尾等異常，測試員得跟車慢跑記錄細節(jié)，平均每天跑25公里，相當于半個馬拉松。磨壞20多條輪胎、迭代30版算法后，車輛終于實現(xiàn)順暢精準運動。

看似普通的車架，也經歷過繁復的打磨。

車架是ART整車最受考驗的部件：既要能日復一日地承受集裝箱下落帶來的沖擊力，又要能經受海水、海風的腐蝕，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。有時，材料強度夠了，剛度卻不夠;有時，凈強度達標了，疲勞強度又不足。”金岸重工公司生產管理部經理陳雷說。為求得“最優(yōu)解”，他們運用大量仿真計算工具，制作出包含車架材料、結構、油路、電路等真實信息的數(shù)字模型，一塊塊微調構造，歷時一年，終于找到平衡點。

研制無人駕駛系統(tǒng)，也走過不少彎路。

“經過一年多反復優(yōu)化，本以為ART的無人駕駛系統(tǒng)比較成熟了，結果，去年夏天的幾場大雨，又給我們澆了一頭‘冷水’。”天津港第二集裝箱碼頭公司技術部設備運行主管彭云輝說，當時他們發(fā)現(xiàn)，大雨過后，ART經常停滯不動或偏離路線。

經過故障分析，原來是激光雷達外部留下積水，導致激光折射，嚴重干擾了車輛定位。后來，他們加班加點，專等惡劣天氣去碼頭跑車。3個多月后，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

天津港集團“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，空間復雜、設施繁多，對效率和安全的要求極高。每跑一趟任務，ART都要與周邊設備進行上百次指令交互。“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‘對話’，多臺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管理系統(tǒng)。”高延輝說。

系統(tǒng)工程誰來建?起初，天津港研發(fā)團隊心里沒底，嘗試尋求外包服務。不過，由于這套系統(tǒng)沒有“模板”，得從“白紙”開始原創(chuàng)，多家有實力的企業(yè)洽談之后都犯了難。

“他們中，有的信息化功底扎實，有的人工智能積淀深厚，還有的通信技術實力強大。強強聯(lián)合、取長補短，是有能力拼出‘智慧大腦’這張復雜拼圖的。”高延輝分析，“關鍵卡點在于各家都不了解港口的業(yè)務需求，邁不出第一步。”

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

“一些科技企業(yè)在智能算法上實力雄厚，但光有技術還不能讓車隊管理系統(tǒng)高效運轉。”天津港第二集裝箱碼頭公司信息部經理劉喜旺告訴記者，起初，ART在堆場提取集裝箱的設計方案是調度車輛先到達目的地，再由軌道橋將集裝箱運上車。后來，港口技術部門從碼頭運營經驗出發(fā)，提出了“預到達”的設想，即軌道橋在車輛抵達作業(yè)位置前就預備到位，由此使得堆場作業(yè)時間壓縮近一倍。

劉喜旺認為，港口與科技企業(yè)緊密合作，實現(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，打開了全新的市場空間。

創(chuàng)新聯(lián)合體還廣泛吸收研發(fā)機構、高校團隊的經驗智慧，在基礎研究、前沿探索上攻關突破。

“通信及定位功能是保障車隊管理系統(tǒng)運行的‘底座’，然而集裝箱碼頭的金屬遮擋屏蔽現(xiàn)象是個‘老大難’。”中國移動天津公司政企客戶部副總經理陳奇志介紹，公司聯(lián)合中國移動上海產業(yè)研究院組建“5G+北斗實驗室”，為天津港碼頭量身設計雙頻段5G專網(wǎng)、研發(fā)遠程駕駛車載設備，首次在港口應用了“5G+北斗”的融合定位方法，使ART的響應時延達到毫秒級，定位精度達到厘米級。

“公司首席科學家、中國工程院院士李德毅在天津港設立了院士工作站，深耕港口無人駕駛技術。”主線科技公司合伙人、前瞻院院長王超說，天津港為L4級的商用無人駕駛提供了寶貴的“試驗田”，幫助院士工作站積累了大量實地場景和實測數(shù)據(jù)，“既能支持和促進認知模型、核心算法等多項前沿研究，也轉化出車輛復雜環(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”機制是天津港創(chuàng)新聯(lián)合體提升創(chuàng)新實效的又一做法。為開發(fā)L4級別的商用無人駕駛系統(tǒng)，天津港集團提出“千循環(huán)一次故障”的目標，引入4家企業(yè)同臺競技。天津港擔當“裁判”，每月考核系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障率等指標，經過激烈角逐，“賽馬”企業(yè)逐漸拉開差距，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’，加快了技術升級的步伐，無人駕駛系統(tǒng)正從百循環(huán)一次故障，提高到800循環(huán)一次故障，達標在望。”高延輝說。

“ART帶來的不只是港口運輸新裝備，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)新機制，并梳理出一套自主掌握的技術標準。”展望未來，褚斌表示，目前中國港口已在吞吐量、作業(yè)效率、智能化水平等方面實現(xiàn)了全球領先，今后還將聯(lián)合相關企業(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，進一步穩(wěn)固和增強領先優(yōu)勢。

勇于邁出第一步(記者手記)

“全球首個”，是在天津港采訪人工智能運輸機器人(ART)時聽到最多的一個詞。

全球首個“智慧零碳”碼頭，全球首個ART車隊搭載著全球首個港口數(shù)字孿生技術底座，連接全球首個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”?一位研發(fā)人員的感慨引人深思：“創(chuàng)新都是不易的，哪兒能沒顧慮、零風險?我們不過是認準方向、咬緊牙關，勇敢邁出了第一步。”

邁出第一步，當有堅定的信心。ART成功研發(fā)的背后，離不開產學研深度合作、多領域協(xié)同配合。面對各種技術難題，天津港聯(lián)合配套企業(yè)和科研機構集眾智、聚眾力，為創(chuàng)新提供了堅實支撐。經過多年發(fā)展進步，我國已進入創(chuàng)新型國家行列，擁有完整的產業(yè)體系、龐大的研發(fā)隊伍和一大批具有國際競爭力的創(chuàng)新型領軍企業(yè)。發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，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上實現(xiàn)更大作為。對此，要充滿信心。

邁出第一步，呼喚勇攀高峰的雄心壯志。這些年，我國科技實力、產業(yè)水平不斷躍上新臺階，在越來越多領域實現(xiàn)從跟跑并跑到并跑領跑的轉變。百尺竿頭，更進一步。當前，我國部分領域技術發(fā)展已經走在國際前沿，部分科技工作已經走進“無人區(qū)”探索發(fā)展的階段。這就要求廣大企業(yè)和研發(fā)機構以更廣闊的視野、更自覺的擔當，從模仿式的追隨轉向開拓性的引領，努力實現(xiàn)更多“從0到1”的突破。

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