探訪(fǎng)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(深度觀(guān)察·重大技術(shù)裝備這樣攻關(guān)⑤)

　　本報記者 邱超奕

　　2019年1月，習近平總書(shū)記在天津港考察時(shí)強調：“要志在萬(wàn)里，努力打造世界一流的智慧港口、綠色港口，更好服務(wù)京津冀協(xié)同發(fā)展和共建‘一帶一路’?！?table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 align=left class="adInContent">

　　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)導向搬運車(chē)(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(shí)現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、智能化升級的“中國范例”。

　　看著(zhù)一輛輛ART滿(mǎn)載集裝箱穿行碼頭，天津港集團黨委書(shū)記、董事長(cháng)褚斌感慨：“從AGV到ART，我們實(shí)現許多從‘0’到‘1’的突破，為現代化港口建設作出了積極貢獻?！?/p>

　　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(fǎng)。

　　降本增效

　　碼頭運輸工具之變，給港口整體運轉帶來(lái)多方面變化

　　渤海之濱，海天一色。走進(jìn)天津港北疆港區“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(cháng)、1.55米高的藍色“智能拖車(chē)”往來(lái)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?！半m然它樣貌簡(jiǎn)單，卻十分聰明，可實(shí)現全球港口中最高級別(L4)的無(wú)人駕駛?！碧旖蚋奂瘓F副總裁楊杰敏說(shuō)。

　　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便按照系統指令，駛入自動(dòng)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A(yíng)RT的車(chē)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等候新任務(wù)。

　　碼頭運輸工具之變，給港口的整體運轉帶來(lái)多方面變化。

　　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(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)效率紀錄，在該船經(jīng)停的10座海內外港口中排名第一。

　　節省用工。在傳統人工碼頭，為滿(mǎn)足24小時(shí)作業(yè)條件，一臺拖車(chē)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(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”成為多數自動(dòng)化碼頭的“標配”。不過(guò)，港口用的AGV一直價(jià)格高昂，而ART由國內企業(yè)自主研制，單車(chē)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，建設一座250萬(wàn)標箱吞吐量的自動(dòng)化碼頭，僅布設磁釘就要上千萬(wàn)元，后期維修成本也不低。而ART采用“5G+北斗導航”，不用布設磁釘，建設成本大為降低。

　　與ART密切相關(guān)的還有橋吊系統。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：傳統自動(dòng)化碼頭，橋吊采用雙小車(chē)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，解鎖在其他區域完成，橋吊一次吊裝，構造相對簡(jiǎn)單，重量可減至1400噸以下?！懊颗_橋吊減重近1000噸，意味著(zhù)整個(gè)碼頭的承重設計、建造投入、橋吊價(jià)格都可以降低，據測算，僅橋吊一項就能降本約8億元?！备哐虞x說(shuō)。

　　從長(cháng)遠看，ART給集裝箱碼頭自動(dòng)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人工碼頭，改造升級空間很大?！霸趥鹘y人工碼頭，堆場(chǎng)幾乎都是水平岸線(xiàn)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)設置成垂直岸線(xiàn)布局，相當于‘推倒重建’，難度大、成本高?！备哐虞x說(shuō)，使用ART配套方案進(jìn)行改造，無(wú)需改變岸線(xiàn)布局，改造更方便，成本更可控。

　　自主創(chuàng )新

　　從車(chē)輛結構、指揮系統到鋼板厚度、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(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?！瘪冶蟾嬖V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(lái)，‘磁釘+AGV’方案的運行效率已經(jīng)幾乎提升到了極限。要想再有所突破，必須另辟蹊徑?！?/p>

　　在天津港集團所屬企業(yè)金岸重工公司的測試場(chǎng)地，記者見(jiàn)到了最新款的第四代ART。遠看，它只是一個(gè)巨大的卡車(chē)底盤(pán)。近看，車(chē)身上有許多“門(mén)道”——車(chē)輛四角有圓柱凸起，這是用于避障的激光雷達和攝像頭；車(chē)架經(jīng)過(guò)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(chē)輛側面還配有自動(dòng)充電口，充電1小時(shí)即可滿(mǎn)電運行……

　　“相比傳統拖車(chē)，ART重量更輕，壽命更長(cháng)，承載量更大，智能化水平更高?！苯鸢吨毓す究偨?jīng)理曲明告訴記者，這樣一款造型獨特、功能實(shí)用的運輸機器人，完全是從零做起的。

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

　　光是調試車(chē)身控制系統，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)，只有前輪這一對轉向輪、轉彎半徑大的傳統拖車(chē)很可能被“卡”住，而ART則能精細調整4個(gè)車(chē)軸不同的轉向角度，以“螃蟹行”等復雜動(dòng)作斜行穿過(guò)。

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

　　看似普通的車(chē)架，也經(jīng)歷過(guò)繁復的打磨。

　　車(chē)架是ART整車(chē)最受考驗的部件：既要能日復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(mǎn)足綠色節能、輕便靈活等高要求。

　　“在不熟悉工況的情況下，我們一遍遍用砝碼箱去探索載荷臨界點(diǎn)。有時(shí)，材料強度夠了，剛度卻不夠；有時(shí)，凈強度達標了，疲勞強度又不足?！苯鸢吨毓す旧a(chǎn)管理部經(jīng)理陳雷說(shuō)。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(chē)架材料、結構、油路、電路等真實(shí)信息的數字模型，一塊塊微調構造，歷時(shí)一年，終于找到平衡點(diǎn)。

　　研制無(wú)人駕駛系統，也走過(guò)不少彎路。

　　“經(jīng)過(guò)一年多反復優(yōu)化，本以為ART的無(wú)人駕駛系統比較成熟了，結果，去年夏天的幾場(chǎng)大雨，又給我們澆了一頭‘冷水’?！碧旖蚋鄣诙b箱碼頭公司技術(shù)部設備運行主管彭云輝說(shuō)，當時(shí)他們發(fā)現，大雨過(guò)后，ART經(jīng)常停滯不動(dòng)或偏離路線(xiàn)。

　　經(jīng)過(guò)故障分析，原來(lái)是激光雷達外部留下積水，導致激光折射，嚴重干擾了車(chē)輛定位。后來(lái)，他們加班加點(diǎn)，專(zhuān)等惡劣天氣去碼頭跑車(chē)。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

　　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(wù)，ART都要與周邊設備進(jìn)行上百次指令交互?！凹纫邮艽a頭管控系統指揮，還要與岸橋、軌道橋、鎖站、充電樁‘對話(huà)’，多臺車(chē)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(chē)隊管理系統?！备哐虞x說(shuō)。

　　系統工程誰(shuí)來(lái)建？起初，天津港研發(fā)團隊心里沒(méi)底，嘗試尋求外包服務(wù)。不過(guò)，由于這套系統沒(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)力強大。強強聯(lián)合、取長(cháng)補短，是有能力拼出‘智慧大腦’這張復雜拼圖的?！备哐虞x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?！?/p>

　　“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(shí)力雄厚，但光有技術(shù)還不能讓車(chē)隊管理系統高效運轉?！碧旖蚋鄣诙b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)提取集裝箱的設計方案是調度車(chē)輛先到達目的地，再由軌道橋將集裝箱運上車(chē)。后來(lái)，港口技術(shù)部門(mén)從碼頭運營(yíng)經(jīng)驗出發(fā)，提出了“預到達”的設想，即軌道橋在車(chē)輛抵達作業(yè)位置前就預備到位，由此使得堆場(chǎng)作業(yè)時(shí)間壓縮近一倍。

　　劉喜旺認為，港口與科技企業(yè)緊密合作，實(shí)現了“1+1＞2”的創(chuàng )新效果。天津港獲得了自主可控的車(chē)隊管理系統，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)機構、高校團隊的經(jīng)驗智慧，在基礎研究、前沿探索上攻關(guān)突破。

　　“通信及定位功能是保障車(chē)隊管理系統運行的‘底座’，然而集裝箱碼頭的金屬遮擋屏蔽現象是個(gè)‘老大難’?！敝袊苿?dòng)天津公司政企客戶(hù)部副總經(jīng)理陳奇志介紹，公司聯(lián)合中國移動(dòng)上海產(chǎn)業(yè)研究院組建“5G+北斗實(shí)驗室”，為天津港碼頭量身設計雙頻段5G專(zhuān)網(wǎng)、研發(fā)遠程駕駛車(chē)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(shí)延達到毫秒級，定位精度達到厘米級。

　　“公司首席科學(xué)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(wú)人駕駛技術(shù)?！敝骶€(xiàn)科技公司合伙人、前瞻院院長(cháng)王超說(shuō)，天津港為L(cháng)4級的商用無(wú)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(shí)地場(chǎng)景和實(shí)測數據，“既能支持和促進(jìn)認知模型、核心算法等多項前沿研究，也轉化出車(chē)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?！?/p>

　　“賽馬”機制是天津港創(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級別的商用無(wú)人駕駛系統，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”，每月考核系統穩定性、故障率等指標，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，余下兩家繼續比拼?！案髌髽I(yè)‘你追我趕’，加快了技術(shù)升級的步伐，無(wú)人駕駛系統正從百循環(huán)一次故障，提高到800循環(huán)一次故障，達標在望?！备哐虞x說(shuō)。

　　“ART帶來(lái)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(shù)標準?！闭雇磥?lái)，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(shí)現了全球領(lǐng)先，今后還將聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，努力在港口裝備、智慧系統等方面掌握更多原創(chuàng )技術(shù)，進(jìn)一步穩固和增強領(lǐng)先優(yōu)勢。

　　勇于邁出第一步(記者手記)

　　“全球首個(gè)”，是在天津港采訪(fǎng)人工智能運輸機器人(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(chē)隊搭載著(zhù)全球首個(gè)港口數字孿生技術(shù)底座，連接全球首個(gè)2.6吉赫茲和700兆赫茲融合5G專(zhuān)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？我們不過(guò)是認準方向、咬緊牙關(guān)，勇敢邁出了第一步?！?/p>

　　邁出第一步，當有堅定的信心。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。面對各種技術(shù)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(shí)支撐。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展進(jìn)步，我國已進(jìn)入創(chuàng )新型國家行列，擁有完整的產(chǎn)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(lǐng)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(shí)現更大作為。對此，要充滿(mǎn)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(shí)力、產(chǎn)業(yè)水平不斷躍上新臺階，在越來(lái)越多領(lǐng)域實(shí)現從跟跑并跑到并跑領(lǐng)跑的轉變。百尺竿頭，更進(jìn)一步。當前，我國部分領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展已經(jīng)走在國際前沿，部分科技工作已經(jīng)走進(jìn)“無(wú)人區”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(jué)的擔當，從模仿式的追隨轉向開(kāi)拓性的引領(lǐng)，努力實(shí)現更多“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(lǐng)域新賽道贏(yíng)得更大主動(dòng)。（人民日報）