探訪天津港集團等自主研製的人工智能運輸機器人ART

　　載箱穿梭 暢行碼頭(深度觀察·重大技術裝備這樣攻關(guan) ⑤)

　　本報記者 邱超奕

　　2019年1月，習(xi) 近平總書(shu) 記在天津港考察時強調：“要誌在萬(wan) 裏，努力打造世界一流的智慧港口、綠色港口，更好服務京津冀協同發展和共建‘一帶一路’。”

　　2021年，全球首個(ge) “智慧零碳”碼頭在天津港建成投產(chan) ，碼頭建造周期縮短2年、建造成本降低30%、作業(ye) 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，這裏創新使用了我國企業(ye) 自主研製的人工智能運輸機器人(ART)，實現了智能化程度更高的商用無人駕駛，成為(wei) 以全新模式引領世界港口自動化、智能化升級的“中國範例”。

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

　　ART先進在哪兒(er) ？研製難在哪兒(er) ？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(ti) 運轉帶來多方麵變化

　　渤海之濱，海天一色。走進天津港北疆港區“智慧零碳”碼頭，隻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合其他企業(ye) 共同研發的ART。“雖然它樣貌簡單，卻十分聰明，可實現全球港口中最高級別(L4)的無人駕駛。”天津港集團副總裁楊傑敏說。

　　走到高處，楊傑敏向記者詳細介紹了ART的作業(ye) 流程：船舶靠岸後，一輛輛ART便按照係統指令，駛入自動化岸橋邊上的指定位置，與(yu) 預定位置的誤差小於(yu) 3厘米。隨後，岸橋上的吊具將集裝箱從(cong) 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，隨後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(ti) 運轉帶來多方麵變化。

　　提升效率。前不久，“現代哥本哈根”號集裝箱船靠泊天津港“智慧零碳”碼頭。7000多個(ge) 集裝箱，僅(jin) 用37小時就完成作業(ye) ，創下1小時裝卸203箱的作業(ye) 效率紀錄，在該船經停的10座海內(nei) 外港口中排名第一。

　　節省用工。在傳(chuan) 統人工碼頭，為(wei) 滿足24小時作業(ye) 條件，一台拖車需配備4名司機。而在天津港“智慧零碳”碼頭，ART的投用令用工節省六成以上，作業(ye) 安全水平也大幅提升。

　　降低成本。自1993年世界上第一個(ge) 自動化集裝箱碼頭建成以來，“磁釘+AGV”成為(wei) 多數自動化碼頭的“標配”。不過，港口用的AGV一直價(jia) 格高昂，而ART由國內(nei) 企業(ye) 自主研製，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(wan) 標箱吞吐量的自動化碼頭，僅(jin) 布設磁釘就要上千萬(wan) 元，後期維修成本也不低。而ART采用“5G+北鬥導航”，不用布設磁釘，建設成本大為(wei) 降低。

　　與(yu) ART密切相關(guan) 的還有橋吊係統。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(chuan) 統自動化碼頭，橋吊采用雙小車配合AGV完成解鎖、二次吊裝，構造更複雜，每台重達2300多噸。使用ART方案，解鎖在其他區域完成，橋吊一次吊裝，構造相對簡單，重量可減至1400噸以下。“每台橋吊減重近1000噸，意味著整個(ge) 碼頭的承重設計、建造投入、橋吊價(jia) 格都可以降低，據測算，僅(jin) 橋吊一項就能降本約8億(yi) 元。”高延輝說。

　　從(cong) 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(chuan) 統人工碼頭，改造升級空間很大。“在傳(chuan) 統人工碼頭，堆場幾乎都是水平岸線布局。過去受技術限製，自動化改造時必須把堆場設置成垂直岸線布局，相當於(yu) ‘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。

　　自主創新

　　從(cong) 車輛結構、指揮係統到鋼板厚度、螺栓樣式，研發團隊一次次試錯、一步步摸索

　　天津港研製出ART之前，業(ye) 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(hui) 不會(hui) ‘打水漂’？”……一些同行聽說後，為(wei) 天津港捏了一把汗。

　　“打造世界一流港口，根本要靠自主創新。”褚斌告訴記者，一次次嚴(yan) 謹論證和研判後，天津港自主研製的信念越發堅定，“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(ye) 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，它隻是一個(ge) 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，這是用於(yu) 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；載貨平麵彰顯人性化設計，位置與(yu) 工人解鎖作業(ye) 的高度一致；車輛側(ce) 麵還配有自動充電口，充電1小時即可滿電運行……

　　“相比傳(chuan) 統拖車，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(cong) 零做起的。

　　從(cong) 車輛結構、指揮係統到鋼板厚度、螺栓樣式，研發團隊一次次試錯、一步步摸索。

　　光是調試車身控製係統，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後方都有障礙物的縫隙時，隻有前輪這一對轉向輪、轉彎半徑大的傳(chuan) 統拖車很可能被“卡”住，而ART則能精細調整4個(ge) 車軸不同的轉向角度，以“螃蟹行”等複雜動作斜行穿過。

　　為(wei) 了實現設計目標，金岸重工研發團隊不斷調試控製算法。第一台樣車，隻能做到多軸同步轉向和控速，難以精準控製運動。後來，研發團隊優(you) 化了“雙軸控”技術，又因為(wei) 前後輪線速度不同而出現“磨胎”。為(wei) 找出最優(you) 算法，他們(men) 每天奔走在測試場地。有個(ge) 階段為(wei) 了修正ART轉彎甩尾等異常，測試員得跟車慢跑記錄細節，平均每天跑25公裏，相當於(yu) 半個(ge) 馬拉鬆。磨壞20多條輪胎、迭代30版算法後，車輛終於(yu) 實現順暢精準運動。

　　看似普通的車架，也經曆過繁複的打磨。

　　車架是ART整車最受考驗的部件：既要能日複一日地承受集裝箱下落帶來的衝(chong) 擊力，又要能經受海水、海風的腐蝕，還要滿足綠色節能、輕便靈活等高要求。

　　“在不熟悉工況的情況下，我們(men) 一遍遍用砝碼箱去探索載荷臨(lin) 界點。有時，材料強度夠了，剛度卻不夠；有時，淨強度達標了，疲勞強度又不足。”金岸重工公司生產(chan) 管理部經理陳雷說。為(wei) 求得“最優(you) 解”，他們(men) 運用大量仿真計算工具，製作出包含車架材料、結構、油路、電路等真實信息的數字模型，一塊塊微調構造，曆時一年，終於(yu) 找到平衡點。

　　研製無人駕駛係統，也走過不少彎路。

　　“經過一年多反複優(you) 化，本以為(wei) ART的無人駕駛係統比較成熟了，結果，去年夏天的幾場大雨，又給我們(men) 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雲(yun) 輝說，當時他們(men) 發現，大雨過後，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(yan) 重幹擾了車輛定位。後來，他們(men) 加班加點，專(zhuan) 等惡劣天氣去碼頭跑車。3個(ge) 多月後，一套“雨天作業(ye) 模式”成功研發，有效降低了天氣影響。

　　合力攻堅

　　天津港集團“總牽頭”，組建創新聯合體(ti)

　　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，空間複雜、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(yu) 周邊設備進行上百次指令交互。“既要接受碼頭管控係統指揮，還要與(yu) 岸橋、軌道橋、鎖站、充電樁‘對話’，多台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係統。”高延輝說。

　　係統工程誰來建？起初，天津港研發團隊心裏沒底，嚐試尋求外包服務。不過，由於(yu) 這套係統沒有“模板”，得從(cong) “白紙”開始原創，多家有實力的企業(ye) 洽談之後都犯了難。

　　“他們(men) 中，有的信息化功底紮實，有的人工智能積澱深厚，還有的通信技術實力強大。強強聯合、取長補短，是有能力拚出‘智慧大腦’這張複雜拚圖的。”高延輝分析，“關(guan) 鍵卡點在於(yu) 各家都不了解港口的業(ye) 務需求，邁不出第一步。”

　　“別人不了解，咱還不了解嗎？”於(yu) 是，2019年7月，天津港集團當起“總牽頭”，組建創新聯合體(ti) 合力攻堅。

　　“一些科技企業(ye) 在智能算法上實力雄厚，但光有技術還不能讓車隊管理係統高效運轉。”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。後來，港口技術部門從(cong) 碼頭運營經驗出發，提出了“預到達”的設想，即軌道橋在車輛抵達作業(ye) 位置前就預備到位，由此使得堆場作業(ye) 時間壓縮近一倍。

　　劉喜旺認為(wei) ，港口與(yu) 科技企業(ye) 緊密合作，實現了“1+1＞2”的創新效果。天津港獲得了自主可控的車隊管理係統，科技企業(ye) 則在合作中拓展港口信息化業(ye) 務，打開了全新的市場空間。

　　創新聯合體(ti) 還廣泛吸收研發機構、高校團隊的經驗智慧，在基礎研究、前沿探索上攻關(guan) 突破。

　　“通信及定位功能是保障車隊管理係統運行的‘底座’，然而集裝箱碼頭的金屬遮擋屏蔽現象是個(ge) ‘老大難’。”中國移動天津公司政企客戶部副總經理陳奇誌介紹，公司聯合中國移動上海產(chan) 業(ye) 研究院組建“5G+北鬥實驗室”，為(wei) 天津港碼頭量身設計雙頻段5G專(zhuan) 網、研發遠程駕駛車載設備，首次在港口應用了“5G+北鬥”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。”主線科技公司合夥(huo) 人、前瞻院院長王超說，天津港為(wei) 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據，“既能支持和促進認知模型、核心算法等多項前沿研究，也轉化出車輛複雜環境感知、信息共享、智能決(jue) 策等一批可在更多行業(ye) 推廣的科技成果。”

　　“賽馬”機製是天津港創新聯合體(ti) 提升創新實效的又一做法。為(wei) 開發L4級別的商用無人駕駛係統，天津港集團提出“千循環一次故障”的目標，引入4家企業(ye) 同台競技。天津港擔當“裁判”，每月考核係統穩定性、故障率等指標，經過激烈角逐，“賽馬”企業(ye) 逐漸拉開差距，兩(liang) 家企業(ye) 先後退出，餘(yu) 下兩(liang) 家繼續比拚。“各企業(ye) ‘你追我趕’，加快了技術升級的步伐，無人駕駛係統正從(cong) 百循環一次故障，提高到800循環一次故障，達標在望。”高延輝說。

　　“ART帶來的不隻是港口運輸新裝備，還造就了一批敢想敢拚的港口人才，探索出一種富有活力的創新機製，並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(ye) 效率、智能化水平等方麵實現了全球領先，今後還將聯合相關(guan) 企業(ye) ，努力在港口裝備、智慧係統等方麵掌握更多原創技術，進一步穩固和增強領先優(you) 勢。

　　勇於(yu) 邁出第一步(記者手記)

　　“全球首個(ge) ”，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(ge) 詞。

　　全球首個(ge) “智慧零碳”碼頭，全球首個(ge) ART車隊搭載著全球首個(ge) 港口數字孿生技術底座，連接全球首個(ge) 2.6吉赫茲(zi) 和700兆赫茲(zi) 融合5G專(zhuan) 網……天津港，何以拿下如此多“首個(ge) ”？一位研發人員的感慨引人深思：“創新都是不易的，哪兒(er) 能沒顧慮、零風險？我們(men) 不過是認準方向、咬緊牙關(guan) ，勇敢邁出了第一步。”

　　邁出第一步，當有堅定的信心。ART成功研發的背後，離不開產(chan) 學研深度合作、多領域協同配合。麵對各種技術難題，天津港聯合配套企業(ye) 和科研機構集眾(zhong) 智、聚眾(zhong) 力，為(wei) 創新提供了堅實支撐。經過多年發展進步，我國已進入創新型國家行列，擁有完整的產(chan) 業(ye) 體(ti) 係、龐大的研發隊伍和一大批具有國際競爭(zheng) 力的創新型領軍(jun) 企業(ye) 。發揮新型舉(ju) 國體(ti) 製優(you) 勢，激發企業(ye) 創新主體(ti) 作用，用好各方麵有利條件，我們(men) 完全有能力在高水平科技自立自強上實現更大作為(wei) 。對此，要充滿信心。

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

　　路雖遠，行則將至；事雖難，做則必成。不畏艱難、敢於(yu) 創新，我們(men) 將在更多新領域新賽道贏得更大主動。（人民日報）