探访天津港集团等自主研制的人工智能运输机器人ART
载箱穿梭 畅行码头(深度观察·重大技术装备这样攻关⑤)
本报记者 邱超奕
2019年1月，习近平总书记在天津港考察时强调：“要志在万里，努力打造世界一流的智慧港口、绿色港口，更好服务京津冀协同发展和共建‘一带一路’。”
2021年，全球首个“智慧零碳”码头在天津港建成投产，码头建造周期缩短2年、建造成本降低30%、作业效率提高20%。和其他自动化码头通常采用“磁钉+自动导向搬运车(AGV)”的物流方案不同，这里创新使用了我国企业自主研制的人工智能运输机器人(ART)，实现了智能化程度更高的商用无人驾驶，成为以全新模式引领世界港口自动化、智能化升级的“中国范例”。
看着一辆辆ART满载集装箱穿行码头，天津港集团党委书记、董事长褚斌感慨：“从AGV到ART，我们实现许多从‘0’到‘1’的突破，为现代化港口建设作出了积极贡献。”
ART先进在哪儿？研制难在哪儿？天津港是如何成功的？记者进行了采访。
降本增效
码头运输工具之变，给港口整体运转带来多方面变化
渤海之滨，海天一色。走进天津港北疆港区“智慧零碳”码头，只见一艘艘靠泊巨轮旁边，10多辆15.6米长、1.55米高的蓝色“智能拖车”往来穿梭。这就是天津港集团联合其他企业共同研发的ART。“虽然它样貌简单，却十分聪明，可实现全球港口中最高级别(L4)的无人驾驶。”天津港集团副总裁杨杰敏说。
走到高处，杨杰敏向记者详细介绍了ART的作业流程：船舶靠岸后，一辆辆ART便按照系统指令，驶入自动化岸桥边上的指定位置，与预定位置的误差小于3厘米。随后，岸桥上的吊具将集装箱从船上起吊至40多米高，再快速精准地落在ART的车架上。装好集装箱，ART随即驶离，自动“搜寻”解锁站，再绕进迷宫般的堆场，把集装箱“交”给轨道桥，随后再回到岸边排队等候新任务。
码头运输工具之变，给港口的整体运转带来多方面变化。
提升效率。前不久，“现代哥本哈根”号集装箱船靠泊天津港“智慧零碳”码头。7000多个集装箱，仅用37小时就完成作业，创下1小时装卸203箱的作业效率纪录，在该船经停的10座海内外港口中排名第一。
节省用工。在传统人工码头，为满足24小时作业条件，一台拖车需配备4名司机。而在天津港“智慧零碳”码头，ART的投用令用工节省六成以上，作业安全水平也大幅提升。
降低成本。自1993年世界上第一个自动化集装箱码头建成以来，“磁钉+AGV”成为多数自动化码头的“标配”。不过，港口用的AGV一直价格高昂，而ART由国内企业自主研制，单车成本可比AGV便宜一半左右。此外，AGV必须依靠埋在地下的磁钉来辨明方位，建设一座250万标箱吞吐量的自动化码头，仅布设磁钉就要上千万元，后期维修成本也不低。而ART采用“5G+北斗导航”，不用布设磁钉，建设成本大为降低。
与ART密切相关的还有桥吊系统。天津港第二集装箱码头公司副总经理高延辉算了一笔账：传统自动化码头，桥吊采用双小车配合AGV完成解锁、二次吊装，构造更复杂，每台重达2300多吨。使用ART方案，解锁在其他区域完成，桥吊一次吊装，构造相对简单，重量可减至1400吨以下。“每台桥吊减重近1000吨，意味着整个码头的承重设计、建造投入、桥吊价格都可以降低，据测算，仅桥吊一项就能降本约8亿元。”高延辉说。
从长远看，ART给集装箱码头自动化改造提供了新的选择。当前，全球95%的集装箱码头仍是传统人工码头，改造升级空间很大。“在传统人工码头，堆场几乎都是水平岸线布局。过去受技术限制，自动化改造时必须把堆场设置成垂直岸线布局，相当于‘推倒重建’，难度大、成本高。”高延辉说，使用ART配套方案进行改造，无需改变岸线布局，改造更方便，成本更可控。
自主创新
从车辆结构、指挥系统到钢板厚度、螺栓样式，研发团队一次次试错、一步步摸索
天津港研制出ART之前，业界对这款新型港口运输装备“闻所未闻”。
“想法太超前，咋落地？”“前期投入巨大，会不会‘打水漂’？”……一些同行听说后，为天津港捏了一把汗。
“打造世界一流港口，根本要靠自主创新。”褚斌告诉记者，一次次严谨论证和研判后，天津港自主研制的信念越发坚定，“多年来，‘磁钉+AGV’方案的运行效率已经几乎提升到了极限。要想再有所突破，必须另辟蹊径。”
在天津港集团所属企业金岸重工公司的测试场地，记者见到了最新款的第四代ART。远看，它只是一个巨大的卡车底盘。近看，车身上有许多“门道”——车辆四角有圆柱凸起，这是用于避障的激光雷达和摄像头；车架经过减重和强化，极限载重量提升至80吨；载货平面彰显人性化设计，位置与工人解锁作业的高度一致；车辆侧面还配有自动充电口，充电1小时即可满电运行……
“相比传统拖车，ART重量更轻，寿命更长，承载量更大，智能化水平更高。”金岸重工公司总经理曲明告诉记者，这样一款造型独特、功能实用的运输机器人，完全是从零做起的。
从车辆结构、指挥系统到钢板厚度、螺栓样式，研发团队一次次试错、一步步摸索。
光是调试车身控制系统，就耗时半年多。
码头很大，但也有不少地方空间狭小，必须最大化使用场地。比如，当要穿过左前方和右后方都有障碍物的缝隙时，只有前轮这一对转向轮、转弯半径大的传统拖车很可能被“卡”住，而ART则能精细调整4个车轴不同的转向角度，以“螃蟹行”等复杂动作斜行穿过。
为了实现设计目标，金岸重工研发团队不断调试控制算法。第一台样车，只能做到多轴同步转向和控速，难以精准控制运动。后来，研发团队优化了“双轴控”技术，又因为前后轮线速度不同而出现“磨胎”。为找出最优算法，他们每天奔走在测试场地。有个阶段为了修正ART转弯甩尾等异常，测试员得跟车慢跑记录细节，平均每天跑25公里，相当于半个马拉松。磨坏20多条轮胎、迭代30版算法后，车辆终于实现顺畅精准运动。
看似普通的车架，也经历过繁复的打磨。
车架是ART整车最受考验的部件：既要能日复一日地承受集装箱下落带来的冲击力，又要能经受海水、海风的腐蚀，还要满足绿色节能、轻便灵活等高要求。
“在不熟悉工况的情况下，我们一遍遍用砝码箱去探索载荷临界点。有时，材料强度够了，刚度却不够；有时，净强度达标了，疲劳强度又不足。”金岸重工公司生产管理部经理陈雷说。为求得“最优解”，他们运用大量仿真计算工具，制作出包含车架材料、结构、油路、电路等真实信息的数字模型，一块块微调构造，历时一年，终于找到平衡点。
研制无人驾驶系统，也走过不少弯路。
“经过一年多反复优化，本以为ART的无人驾驶系统比较成熟了，结果，去年夏天的几场大雨，又给我们浇了一头‘冷水’。”天津港第二集装箱码头公司技术部设备运行主管彭云辉说，当时他们发现，大雨过后，ART经常停滞不动或偏离路线。
经过故障分析，原来是激光雷达外部留下积水，导致激光折射，严重干扰了车辆定位。后来，他们加班加点，专等恶劣天气去码头跑车。3个多月后，一套“雨天作业模式”成功研发，有效降低了天气影响。
合力攻坚
天津港集团“总牵头”，组建创新联合体
建造ART，硬件要够“硬”，大脑也要够聪慧。
港口就像一座微缩版城市，空间复杂、设施繁多，对效率和安全的要求极高。每跑一趟任务，ART都要与周边设备进行上百次指令交互。“既要接受码头管控系统指挥，还要与岸桥、轨道桥、锁站、充电桩‘对话’，多台车辆之间也得分工合作、避免拥堵，这就需要一套高效可靠的车队管理系统。”高延辉说。
系统工程谁来建？起初，天津港研发团队心里没底，尝试寻求外包服务。不过，由于这套系统没有“模板”，得从“白纸”开始原创，多家有实力的企业洽谈之后都犯了难。
“他们中，有的信息化功底扎实，有的人工智能积淀深厚，还有的通信技术实力强大。强强联合、取长补短，是有能力拼出‘智慧大脑’这张复杂拼图的。”高延辉分析，“关键卡点在于各家都不了解港口的业务需求，迈不出第一步。”
“别人不了解，咱还不了解吗？”于是，2019年7月，天津港集团当起“总牵头”，组建创新联合体合力攻坚。
“一些科技企业在智能算法上实力雄厚，但光有技术还不能让车队管理系统高效运转。”天津港第二集装箱码头公司信息部经理刘喜旺告诉记者，起初，ART在堆场提取集装箱的设计方案是调度车辆先到达目的地，再由轨道桥将集装箱运上车。后来，港口技术部门从码头运营经验出发，提出了“预到达”的设想，即轨道桥在车辆抵达作业位置前就预备到位，由此使得堆场作业时间压缩近一倍。
刘喜旺认为，港口与科技企业紧密合作，实现了“1+1＞2”的创新效果。天津港获得了自主可控的车队管理系统，科技企业则在合作中拓展港口信息化业务，打开了全新的市场空间。
创新联合体还广泛吸收研发机构、高校团队的经验智慧，在基础研究、前沿探索上攻关突破。
“通信及定位功能是保障车队管理系统运行的‘底座’，然而集装箱码头的金属遮挡屏蔽现象是个‘老大难’。”中国移动天津公司政企客户部副总经理陈奇志介绍，公司联合中国移动上海产业研究院组建“5G+北斗实验室”，为天津港码头量身设计双频段5G专网、研发远程驾驶车载设备，首次在港口应用了“5G+北斗”的融合定位方法，使ART的响应时延达到毫秒级，定位精度达到厘米级。
“公司首席科学家、中国工程院院士李德毅在天津港设立了院士工作站，深耕港口无人驾驶技术。”主线科技公司合伙人、前瞻院院长王超说，天津港为L4级的商用无人驾驶提供了宝贵的“试验田”，帮助院士工作站积累了大量实地场景和实测数据，“既能支持和促进认知模型、核心算法等多项前沿研究，也转化出车辆复杂环境感知、信息共享、智能决策等一批可在更多行业推广的科技成果。”
“赛马”机制是天津港创新联合体提升创新实效的又一做法。为开发L4级别的商用无人驾驶系统，天津港集团提出“千循环一次故障”的目标，引入4家企业同台竞技。天津港担当“裁判”，每月考核系统稳定性、故障率等指标，经过激烈角逐，“赛马”企业逐渐拉开差距，两家企业先后退出，余下两家继续比拼。“各企业‘你追我赶’，加快了技术升级的步伐，无人驾驶系统正从百循环一次故障，提高到800循环一次故障，达标在望。”高延辉说。
“ART带来的不只是港口运输新装备，还造就了一批敢想敢拼的港口人才，探索出一种富有活力的创新机制，并梳理出一套自主掌握的技术标准。”展望未来，褚斌表示，目前中国港口已在吞吐量、作业效率、智能化水平等方面实现了全球领先，今后还将联合相关企业，努力在港口装备、智慧系统等方面掌握更多原创技术，进一步稳固和增强领先优势。
勇于迈出第一步(记者手记)
“全球首个”，是在天津港采访人工智能运输机器人(ART)时听到最多的一个词。
全球首个“智慧零碳”码头，全球首个ART车队搭载着全球首个港口数字孪生技术底座，连接全球首个2.6吉赫兹和700兆赫兹融合5G专网……天津港，何以拿下如此多“首个”？一位研发人员的感慨引人深思：“创新都是不易的，哪儿能没顾虑、零风险？我们不过是认准方向、咬紧牙关，勇敢迈出了第一步。”
迈出第一步，当有坚定的信心。ART成功研发的背后，离不开产学研深度合作、多领域协同配合。面对各种技术难题，天津港联合配套企业和科研机构集众智、聚众力，为创新提供了坚实支撑。经过多年发展进步，我国已进入创新型国家行列，拥有完整的产业体系、庞大的研发队伍和一大批具有国际竞争力的创新型领军企业。发挥新型举国体制优势，激发企业创新主体作用，用好各方面有利条件，我们完全有能力在高水平科技自立自强上实现更大作为。对此，要充满信心。
迈出第一步，呼唤勇攀高峰的雄心壮志。这些年，我国科技实力、产业水平不断跃上新台阶，在越来越多领域实现从跟跑并跑到并跑领跑的转变。百尺竿头，更进一步。当前，我国部分领域技术发展已经走在国际前沿，部分科技工作已经走进“无人区”探索发展的阶段。这就要求广大企业和研发机构以更广阔的视野、更自觉的担当，从模仿式的追随转向开拓性的引领，努力实现更多“从0到1”的突破。
路虽远，行则将至；事虽难，做则必成。不畏艰难、敢于创新，我们将在更多新领域新赛道赢得更大主动。（人民日报）