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核心提示：目前，全球港口95%以上的集裝箱碼頭都是傳統(tǒng)人工操作，屬于典型的勞動力密集型產(chǎn)業(yè)。人工作業(yè)勞動強度大且效率越來越難以匹配碼頭
目前，全球港口95%以上的集裝箱碼頭都是傳統(tǒng)人工操作，屬于典型的勞動力密集型產(chǎn)業(yè)。人工作業(yè)勞動強度大且效率越來越難以匹配碼頭發(fā)展需求，如何在傳統(tǒng)集裝箱碼頭基礎(chǔ)上進行技術(shù)升級改造，實現(xiàn)全流程無人自動化作業(yè)，是擺在全球港口面前的一道世界性難題。
我國在破解這道難題的路上走在了世界前列。近日，在2022世界移動通信大會上，由天津港、華為和中國移動聯(lián)合打造的“5G+智能港口”項目榮獲“互聯(lián)經(jīng)濟最佳移動創(chuàng)新獎”。該項目是基于5G、AI等前沿信息技術(shù)的全場景創(chuàng)新應(yīng)用，實現(xiàn)了全球首個港口自動駕駛和5G遠(yuǎn)程控制，建立了自動化碼頭2.0水平運輸新形態(tài)和新模式，大幅降本增效，促進智慧、綠色、安全港口的全面發(fā)展。
水平運輸?shù)淖詣踊枰?ldquo;智慧”
在天津港第二集裝箱碼頭，記者看到多輛智能水平運輸機器人（ART）在自動化碼頭堆場裝載集裝箱后，依次通過集裝箱地面智能解鎖站完成加解鎖操作，最后到達(dá)岸橋下完成精準(zhǔn)對位，吊具自動升起將集裝箱穩(wěn)穩(wěn)地放置輪船上。整個過程一氣呵成，現(xiàn)場沒有一名工人，但所有操作都被后臺盡在掌握。
“實現(xiàn)碼頭全流程自動化，最重要最需要解決的問題之一就是水平運輸環(huán)節(jié)的自動化。”第二集裝箱碼頭公司信息部副經(jīng)理劉喜旺介紹，“智能水平運輸系統(tǒng)”并不是簡單實現(xiàn)多輛ART兩點間的自動駕駛。如果僅僅依據(jù)系統(tǒng)對作業(yè)時序的要求，交由單車智能自主規(guī)劃路徑，那么在多車自主協(xié)商解決路權(quán)沖突的過程中，會增加行車軌跡的不確定性，帶來安全隱患，并可能會造成業(yè)務(wù)時序的混亂。
此外，由于單車智能缺乏“上帝視角”，難以實現(xiàn)全局效率最優(yōu)，也不易保持行駛的平穩(wěn)性，頻繁地加減速和啟停會導(dǎo)致車輛能耗的增加。如何解決各種場景下的車輛沖突、道路死鎖問題，實現(xiàn)全場車輛的高效協(xié)同，提升碼頭整體作業(yè)效率，成為自動化碼頭水平運輸方案能夠有效落地的關(guān)鍵。
為解決這個難題，項目首創(chuàng)了全局路徑規(guī)劃和局部精細(xì)化引導(dǎo)相結(jié)合的新模式�；诙鄨D層融合技術(shù)在云端構(gòu)建的動態(tài)業(yè)務(wù)高精地圖，可實時匯集船舶、岸橋、場橋、ART等關(guān)鍵生產(chǎn)要素實時位置，以及充電樁、鎖站、道路、圍欄、堆場等基礎(chǔ)設(shè)施地理信息和交通語義，還可通過高速5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)76臺ART的統(tǒng)一協(xié)管控，保障多車協(xié)同作業(yè)時行車路線的確定性和安全性，有效解決了基于無人駕駛技術(shù)實施集裝箱碼頭全自動化水平運輸?shù)年P(guān)鍵問題。
劉喜旺解釋，系統(tǒng)內(nèi)部基于ART運動學(xué)特征精準(zhǔn)構(gòu)建云端多車協(xié)同駕駛的調(diào)度模型，利用高帶寬低延時的5G網(wǎng)絡(luò)，可實時獲取車輛的速度、位置及方向，預(yù)測關(guān)鍵路口和區(qū)域的未來交通態(tài)勢，對于可能發(fā)生的時空路徑搶占，提前通過速度控制進行一一化解，有效預(yù)防車輛交互死鎖問題。這種時空一致性動態(tài)路徑規(guī)劃算法，會按照業(yè)務(wù)要求合理管控實現(xiàn)76臺ART的高效協(xié)同。
“因為和人類駕駛員相比，ART自身的感知、邏輯處理能力還稍有不足，完全靠自身處理能力實現(xiàn)自動駕駛非常困難。”劉喜旺說，運用精度更高、信息更全的動態(tài)感知高精地圖，能夠為自動駕駛提供高精度定位輔助和車道級導(dǎo)航，增強靜態(tài)環(huán)境感知能力。
為全球95%人工碼頭提供可借鑒復(fù)制方案
難能可貴的是，該項目是基于傳統(tǒng)人工碼頭邊裝卸作業(yè)工藝的智慧化升級改造，可為全球95%人工碼頭提供可借鑒、可復(fù)制的方案。
傳統(tǒng)集裝箱碼頭場橋岸橋作業(yè)條件艱苦，對人力要求極高，司機室30米高，司機需頻繁爬高、高度集中精力操控設(shè)備，容易造成疲勞形成安全隱患。
“‘智能水平運輸系統(tǒng)’還可以協(xié)同碼頭生產(chǎn)操作系統(tǒng)（TOS）、場橋、岸橋、ART、自動鎖站、自動充電樁等關(guān)鍵資源，自動得出最優(yōu)裝卸方案并指揮各臺設(shè)備，實現(xiàn)全局調(diào)度最優(yōu)。”天津港第二集裝箱碼頭有限公司總經(jīng)理楊榮說，目前在水平岸線碼頭里，系統(tǒng)有效管理了迄今為止最大規(guī)模的無人駕駛車隊，達(dá)到了76輛。
解決方案還通過建設(shè)智能調(diào)度中心，在港口中控室實現(xiàn)了自動化場橋和岸橋的遠(yuǎn)程控制。操作人員坐在中控室就可以回傳高清視頻信息和設(shè)備狀態(tài)信息對場橋岸橋進行遠(yuǎn)程操控，發(fā)送指令，驅(qū)動場橋岸橋自動運行起升，指揮小車、大車等，輔助開展集裝箱的自動化裝卸作業(yè)。1名操作員可操控6—8臺場橋，不再需要人機一一對應(yīng)。
2021年10月17日，全球首個“智慧零碳”碼頭——天津港北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭正式投產(chǎn)運營。這個碼頭通過風(fēng)能、太陽能等清潔能源的使用，實現(xiàn)了綠電功能100%自給自足。而且通過5G、北斗、人工智能的應(yīng)用，率先全面實現(xiàn)水平布局集裝箱碼頭全流程自動化作業(yè)。
“‘智慧零碳’碼頭較同等岸線傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭投資減少30%，減少集裝箱作業(yè)倒運環(huán)節(jié)50%，綜合能耗可降低17%以上。同時較同規(guī)模傳統(tǒng)集裝箱碼頭人員減少60%。”劉喜旺說。
我國在破解這道難題的路上走在了世界前列。近日，在2022世界移動通信大會上，由天津港、華為和中國移動聯(lián)合打造的“5G+智能港口”項目榮獲“互聯(lián)經(jīng)濟最佳移動創(chuàng)新獎”。該項目是基于5G、AI等前沿信息技術(shù)的全場景創(chuàng)新應(yīng)用，實現(xiàn)了全球首個港口自動駕駛和5G遠(yuǎn)程控制，建立了自動化碼頭2.0水平運輸新形態(tài)和新模式，大幅降本增效，促進智慧、綠色、安全港口的全面發(fā)展。
水平運輸?shù)淖詣踊枰?ldquo;智慧”
在天津港第二集裝箱碼頭，記者看到多輛智能水平運輸機器人（ART）在自動化碼頭堆場裝載集裝箱后，依次通過集裝箱地面智能解鎖站完成加解鎖操作，最后到達(dá)岸橋下完成精準(zhǔn)對位，吊具自動升起將集裝箱穩(wěn)穩(wěn)地放置輪船上。整個過程一氣呵成，現(xiàn)場沒有一名工人，但所有操作都被后臺盡在掌握。
“實現(xiàn)碼頭全流程自動化，最重要最需要解決的問題之一就是水平運輸環(huán)節(jié)的自動化。”第二集裝箱碼頭公司信息部副經(jīng)理劉喜旺介紹，“智能水平運輸系統(tǒng)”并不是簡單實現(xiàn)多輛ART兩點間的自動駕駛。如果僅僅依據(jù)系統(tǒng)對作業(yè)時序的要求，交由單車智能自主規(guī)劃路徑，那么在多車自主協(xié)商解決路權(quán)沖突的過程中，會增加行車軌跡的不確定性，帶來安全隱患，并可能會造成業(yè)務(wù)時序的混亂。
此外，由于單車智能缺乏“上帝視角”，難以實現(xiàn)全局效率最優(yōu)，也不易保持行駛的平穩(wěn)性，頻繁地加減速和啟停會導(dǎo)致車輛能耗的增加。如何解決各種場景下的車輛沖突、道路死鎖問題，實現(xiàn)全場車輛的高效協(xié)同，提升碼頭整體作業(yè)效率，成為自動化碼頭水平運輸方案能夠有效落地的關(guān)鍵。
為解決這個難題，項目首創(chuàng)了全局路徑規(guī)劃和局部精細(xì)化引導(dǎo)相結(jié)合的新模式�；诙鄨D層融合技術(shù)在云端構(gòu)建的動態(tài)業(yè)務(wù)高精地圖，可實時匯集船舶、岸橋、場橋、ART等關(guān)鍵生產(chǎn)要素實時位置，以及充電樁、鎖站、道路、圍欄、堆場等基礎(chǔ)設(shè)施地理信息和交通語義，還可通過高速5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)76臺ART的統(tǒng)一協(xié)管控，保障多車協(xié)同作業(yè)時行車路線的確定性和安全性，有效解決了基于無人駕駛技術(shù)實施集裝箱碼頭全自動化水平運輸?shù)年P(guān)鍵問題。
劉喜旺解釋，系統(tǒng)內(nèi)部基于ART運動學(xué)特征精準(zhǔn)構(gòu)建云端多車協(xié)同駕駛的調(diào)度模型，利用高帶寬低延時的5G網(wǎng)絡(luò)，可實時獲取車輛的速度、位置及方向，預(yù)測關(guān)鍵路口和區(qū)域的未來交通態(tài)勢，對于可能發(fā)生的時空路徑搶占，提前通過速度控制進行一一化解，有效預(yù)防車輛交互死鎖問題。這種時空一致性動態(tài)路徑規(guī)劃算法，會按照業(yè)務(wù)要求合理管控實現(xiàn)76臺ART的高效協(xié)同。
“因為和人類駕駛員相比，ART自身的感知、邏輯處理能力還稍有不足，完全靠自身處理能力實現(xiàn)自動駕駛非常困難。”劉喜旺說，運用精度更高、信息更全的動態(tài)感知高精地圖，能夠為自動駕駛提供高精度定位輔助和車道級導(dǎo)航，增強靜態(tài)環(huán)境感知能力。
為全球95%人工碼頭提供可借鑒復(fù)制方案
難能可貴的是，該項目是基于傳統(tǒng)人工碼頭邊裝卸作業(yè)工藝的智慧化升級改造，可為全球95%人工碼頭提供可借鑒、可復(fù)制的方案。
傳統(tǒng)集裝箱碼頭場橋岸橋作業(yè)條件艱苦，對人力要求極高，司機室30米高，司機需頻繁爬高、高度集中精力操控設(shè)備，容易造成疲勞形成安全隱患。
“‘智能水平運輸系統(tǒng)’還可以協(xié)同碼頭生產(chǎn)操作系統(tǒng)（TOS）、場橋、岸橋、ART、自動鎖站、自動充電樁等關(guān)鍵資源，自動得出最優(yōu)裝卸方案并指揮各臺設(shè)備，實現(xiàn)全局調(diào)度最優(yōu)。”天津港第二集裝箱碼頭有限公司總經(jīng)理楊榮說，目前在水平岸線碼頭里，系統(tǒng)有效管理了迄今為止最大規(guī)模的無人駕駛車隊，達(dá)到了76輛。
解決方案還通過建設(shè)智能調(diào)度中心，在港口中控室實現(xiàn)了自動化場橋和岸橋的遠(yuǎn)程控制。操作人員坐在中控室就可以回傳高清視頻信息和設(shè)備狀態(tài)信息對場橋岸橋進行遠(yuǎn)程操控，發(fā)送指令，驅(qū)動場橋岸橋自動運行起升，指揮小車、大車等，輔助開展集裝箱的自動化裝卸作業(yè)。1名操作員可操控6—8臺場橋，不再需要人機一一對應(yīng)。
2021年10月17日，全球首個“智慧零碳”碼頭——天津港北疆港區(qū)C段智能化集裝箱碼頭正式投產(chǎn)運營。這個碼頭通過風(fēng)能、太陽能等清潔能源的使用，實現(xiàn)了綠電功能100%自給自足。而且通過5G、北斗、人工智能的應(yīng)用，率先全面實現(xiàn)水平布局集裝箱碼頭全流程自動化作業(yè)。
“‘智慧零碳’碼頭較同等岸線傳統(tǒng)自動化集裝箱碼頭投資減少30%，減少集裝箱作業(yè)倒運環(huán)節(jié)50%，綜合能耗可降低17%以上。同時較同規(guī)模傳統(tǒng)集裝箱碼頭人員減少60%。”劉喜旺說。
