历史进程中的港口:自动驾驶“精密起舞”

汽车之心 2019/9/18 6:04:40 盖世大V说

上海洋山港,世界上最繁忙的码头。

每天有接近 4.5 万个集装箱在这里流转。2015 年,这个港区平均每天要迎送超过 12 艘远洋货轮。

有人做过这样一项统计:每年经过洋山港区的集装箱首尾相连,可以绕地球两圈半。

在 CCTV 专题片《启航看中国——洋山港》中,有这样一段描述:

「从空中俯瞰,可以看到全球综合自动化程度最高的码头口空无一人,桥吊在自动抓取货物,无人驾驶的引导运输车在井然有序的穿梭。之前被人工操作的很多设备,在这里实现了全自动化。

在这里,你听不到机器的轰鸣,感受不到尾气的排放,这座完全由我国自主研发的智能码头,让我们中国的港口行业实现了里程碑式的跨越式升级……」

繁忙的洋山港背后,推动另一种产业发展的是自动驾驶。通过这项技术,昔日的万人大港可以变成空无一人的自动化「无人码头」。

谁曾想到,就在 14 年前,这里还是一个偏僻的小岛。如今,它已经成为上海国际航运的新坐标。

1.洋山港往事

1906 年,有人在一篇演中讲到上海滩一个有趣的现象:

在上海一地竟然聚集了 20 万广东人,这些广东人拖家带口、聚族而居,扎根到上海。当时上海最现代的几家百货公司:先施公司、大新公司、永安公司,他们的老板都是以前广州府香山县人。

也许你会有这样的疑惑:为什么一百多年前,几十万的广东人要跑到上海安家落户?省城广州留不住人才吗?

这要追溯到 1843 年 11 月,当时清朝与英国签订的《南京条约》和《五口通商章程》的规定,其中一个是上海开埠。

所谓开埠,就是开辟通商口岸。从此中外贸易中心逐渐从广州移到上海——随后是一系列连锁反应:外国商品和外资纷纷通进长江门户,开设行栈,设立码头,划定租界,开办银行等等。

不足二十年时间,上海这个不知名的渔村就将广州从霸主的位置挑落下马,改写了中国城市的新格局。

可以说,没有开埠通商,就没有近代上海城市的突出地位。

上海,位于长江出海口,地理位置优越。

它拥有四川、湖南、湖北、江西、安徽、江苏、浙江等一大批经济较为发达的省份作为腹地,有巨大的物资出口需求。

依靠长江水系的密集水网,这些地方的物资可以顺流而下,汇聚到上海一地,进入到东部更为广阔的太平洋海域。

而长江内河段的汉口、九江等城市陆续被辟为通商口岸,这些口岸城市的出口经济又因为航运的关系,与上海发生紧密联系。所以,上海如众星拱月般成为长江流域城市群的龙头。

随着中国成为世界贸易大国——巨量活跃的腹地经济,是中国港口快速发展的核心驱动力。上海港正是这块经济活跃区面向世界的大门。

但一个缺憾是,最初的上海对外贸易港口都是沿黄浦江、苏州河的河浜形成的。

随着技术的发展,船舶运输逐渐大型化,油轮、矿石船已经发展到 30 万吨级,集装箱船也发展到 10000 标箱以上的第 10 代。

特别是经济进一步全球化和集装箱运输大型化,在亚洲、美洲、欧洲的太平洋和大西洋沿岸形成若干个跨洋运输的集装箱集散地,而其他港口只能作为喂给港。

上海最初形成的港口已经不适应发展的趋势——这意味着进出口贸易的大船到不了上海,都是在新加坡、台湾、韩国等地将大船的货物转运成小船,往上海倒运。

如果我们观察韩国釜山、台湾高雄、香港、新加坡这些城市,它们都已成为从亚洲到美洲、欧洲的集装箱编组港。

因而,没有深水良港是上海发展成国际大港口的一个瓶颈。特别是在国家做出浦东开发开放的战略决策后,上海的经济发展进一步加快,建设上海深水港显得更加迫切。

2001年春节前,吴邦国率领国务院有关部委领导视察大小洋山,为国务院正式批准洋山深水港一期工程项目立项打下了基础。左一为上海市市长徐匡迪,右二为中共中央政治局委员、中共上海市委书记黄菊。

上海的历届领导人都在谋划如何建设上海深水港。但在上海建设深水港不得不面临一个现实问题:

尽管长江在上海的吴淞口入海,但长江的淡水夹杂着泥沙在这里遇到了海洋的咸水,形成絮凝效应,大量泥沙在长江口沉积,并且硬度很大,被称为铁板沙,也叫拦门沙——这是世界所有河流入海时都会遇到的现象。长江口的拦门沙使进入长江的水深骤然变浅,仅有不到 8 米深左右。

当时解决上海深水港的一个思路是打通长江口的拦门沙,简单说,就是挖深阻挡大船进入长江的铁板沙。

早在 20 世纪 80 年代,国家计委科技司开展了「缩水冲沙」的研究,即在长江口的拦门沙淤积地挖出一条深槽,在这一深槽内水流变窄,流速加快,将泥沙冲入海中,但成效有限。

后来经过多年一系列讨论,对建设上海深水港最终定下 3 个方案:

一是把长江对岸的南通港利用起来,但是南通也处于长江泥沙的沉积地区,成为一个永久的深水港不是理想之地。

二是建设上海组合港,以上海港为中心,以宁波港和太仓港为两翼。宁波有建设深水港的条件,太仓港水深也具备条件。但这个方案形成上海组合深水港显得有些分散,且行政管辖权分属上海、江苏、浙江,今后协调难度大,也不是最终选择。

三是,临近上海的舟山群岛所属的崎岖列岛的两个小岛:一个叫大洋山,一个叫小洋山。这两个岛之间的海域水深达 90 米,可以建非常理想的深水港。不过,这里距上海陆域有 30 多公里的距离,要进行一定的填海作业。

经过反复比较,第三个方案是当时能够找到的最佳选择:洋山具备建设深水码头的条件。

2.“魔鬼码头”的精密起舞

15 年前,大小洋山岛,只不过是东海之上的普通小岛,居民以打渔为生,闭塞而落后。

15 年后,小渔村不见了,取而代之的是一片总面积相当于 1000 多个足球场大小的现代化深水港,一跃成为上海国际航运的一张名片。

洋山深水港,国家战略工程,这既是中国第一座外海超大型集装箱港区,也是是海国际航运中心重要组成部分。

更值得关注的是,这是世界最大的全球设备最先进,规模最大的全自动化码头。

洋山港四期加起来的吞吐能力超过 4000 万标准箱,相当于美国所有港口吞吐量的总和,也是全球港口一年吞吐量和的十分之一。

如今上海有了洋山港这个世界集装箱第一大港,上海自贸区才有根基。而驱动这一切高效运转的则是 24 小时都不停歇的自动化运载设备。

洋山四期码头,配置 130 台 AGV,26 台桥吊和 120 台轨道吊。(注:AGV,Automated Guided Vehicle,无人驾驶引导运输车)

区域内不再有人,完全实现自动化——这被洋山港的工程师形容是一座「魔鬼码头」,在洋山港精密「起舞」(停车误差不超过2厘米)。

       

洋山港四期的 AGV 采用了磁导航技术,通过埋在地下的 61483 根磁钉来感知自己的位置,根据实时交通状况来行走最优化的路线。

在行驶路线上,这些磁钉每隔两米布设一个,整个集装箱码头的磁钉宛如一张大「围棋棋盘」。

岸桥不需要人驾驶,而是利用机械和计算机替代了操作难度大、危险系数高和重复性强的劳作,设备控制都通过计算机和后方监控人员远程操作进行。

货物则直接由自动运行的 AGV 装载运输。

AGV,又被工程师称为「快递小哥」,是指具备有电磁或者光学等自动导引转置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移栽功能的运输小车。

AGV 自重 20 到 30 吨,加上集装箱的重量,全车可达 70 吨。由于停启位置十分精确,停车误差不会超过 2 厘米。

一台 AGV 更换电池只需 6 分钟,大容量锂电池可以让 AGV 在满电后持续运行 8 个小时。这样一来,就能实现 24 小时无间断工作。

目前,洋山港四期作业效率达到 40箱/小时,远超人工码头的作业效率,实现减少 70% 的人工。

作为全球最大的单体全自动化码头、全球综合自动化程度最高的码头,洋山四期全自动化码头的建成和投产,不单只是巩固上海港口货物吞吐能力世界第一的位置,同时也让中国港口行业在运营模式和技术应用上实现了里程碑式的升级。

因为洋山港不仅仅是一个港口。

其一,与之配套的是金融自贸区。就像新加坡,一座小小的城市,有几十万金融从业人员。因为货物装卸进出口意味着金融结算,物流吞吐量巨大的地方必然是金融经济活跃的地方。

其二,从自动化走向智能化的洋山港,也为自动驾驶落地提供了一个理想环境。

目前全球有 1000 多座集装箱码头,超过半数的海外集装箱港口在码头水平运输环节使用了跨运车。

跨运车在国际港口行业扮演了重要角色,尤其是在国外一些自动化码头,更是普遍使用自动化跨运车来提升安全标准和作业效率。

这背后,港口机械市场巨头振华重工所扮演的角色不容忽视。振华重工的港机设备全球市场占有率已经高达 80% 以上,产品遍布全球 99 个国家近 300 个港口。

可以说,国内外几乎所有港口都可以看到振华重工的身影。

与西井科技打造的无人跨运车

与主线科技打造的无人集卡

一直在提高港口装卸效率上探索和突破的振华重工,则是让港口实现 24 小时不间断作业的「关键先生」。

如今,振华重工正积极推广无人驾驶集卡在集装箱港口的落地应用,为全球众多传统卡车集装箱码头的自动化升级提供最高性价比的改造方案。

3.从 AGV 到 IGV

上世纪 90 年代,自动化码头在国外兴起,引发「机器夺取人的饭碗」争议。但人们逐渐认识到,码头作业是一项繁重且危险的工作:

工作环境差,工作强度大,对从业人员资格和经验要求高,即便付出高昂的人力成本,企业也很难招到工人。机器将码头工人从繁重的劳动中解脱出来,同时也增加了对操控岗位的需求。

目前,国内外重要码头均有新建和改造自动化码头的计划。

现阶段的自动化集装箱码头水平运输主要有两种模式。

1)一种是采用 AGV 加地面埋设磁钉方案,著名的荷兰鹿特丹 EUROMAX 码头、上海洋山港四期、青岛港自动化码头是代表港口,其高效、安全、绿色的优势已经体现,但需要港口在地下埋设几万枚磁钉,导致土建不能使用常规的钢筋,基建成本较高。

一辆 AGV 的造价在 500 万 到 700 万左右。但凡需要在港内安装一些专门的路径导引装置,如激光反射板或者导引磁钉时,就意味港口需要停工数周。对于抢生产任务的港口来说,是一个无法逾越的障碍。

老码头如果要采用 AGV 模式,则需要重新改造基建设施,改造成本和维护成本都很高。新建码头可以考虑 AVG,现有码头改造则不现实。

因此,AGV 这种港内水平运输工具并没有得到港口的广泛使用。

2)另一种是使用自动驾驶卡车。自动驾驶车辆不需要部署磁钉,避免了高昂的施工成本,从这一点来说,更适合传统码头进行无人化改造。


「无人驾驶集卡」目前暂定义为 「IGV」。简单地说,就是将自动驾驶技术应用到港区内的集装箱卡车上,实现集装箱卡车在满足码头各种装卸工况下的自动驾驶(车上无人)。


从 AGV 演变成 IGV,实际上是从自动化升级为智能化。

由于采用自动驾驶技术,代替陈旧的导航模式,使技术方案更灵活、成本更低廉,IGV 比 AGV 单机的价格降低了 70%。

仅在国内,港区集卡就超过了 2 万辆。理论上,这一细分场景的自动驾驶升级将带来数十亿人民币的产值。

2017 年年初,上汽红岩的自动驾驶卡车立项,集成了众多合作伙伴,包括应用场景的客户,比如西井科技、上港集团等。上汽红岩为洋山港定制的智能无人驾驶牵引车,已先期在珠海港投入运营,在广州南沙港试运行。

2018 年 2 月,中国重汽、主线科技及天津港集团联合签署天津港智能自动驾驶港口集装箱纯电动牵引车研发与示范运营项目。同年 4 月,中国重汽自动驾驶电动卡车在天津港开启试运营。

2018 年 4 月,图森对外发布全球首个基于完全自有车辆的港区内部集装箱卡车车队自动驾驶测试视频,宣布进入港内集装箱卡车自动驾驶运输市场。

2019 年 4 月,吉利新能源商用车集团与畅行智能签署港口自动驾驶车辆战略合作协议:双方将在港口自动驾驶领域进行合作,共同推出国内首辆混合动力自动驾驶集卡车,同时也是国内首辆自动驾驶采用量产方案的前装商用车。

而在此前,畅行智能提供的自动驾驶解决方案的集装箱卡车已经在宁波和江苏的港口开展试运营和测试开发等活动。

4.一种产业催生另一种产业

如果我们回顾硅谷的发展史:淘金热催生了铁路业,铁路业带动了航运业,航运业又带动了港口业。港口业有两个伴生作用:

第一,港口催生了沿海城市,而城市需要电力,这就需要高压输电行业,并使该地区成为电力工程技术的领先者。

第二,港口需要无线电通信,这就需要电子工业的发展,从而催生了半导体产业,半导体产业又衍生出微处理器产业,从而产生了个人电脑,个人电脑又催生了软件业,最后是互联网和移动云计算。如此创造了巨额财富之后,创业者又投资于生物科技和绿色环保技术。

这就是整个湾区 20 世纪的历史。一种产业催生另一种产业,才有了硅谷如今的持续创新与繁荣。

中国——全球排名第一的贸易大国,这个星球上近四分之一贸易额要这里产生,这意味着每年动辄以万亿美元计的货物要进出这个国家,要完成这个近似天文数字般的货物交换,港口无疑扮演着异乎寻常的角色。

2018 年全球前 20 大集装箱港口排名 来源:航运咨询机构 Alphaliner

截至 2019 年的统计,全球排名前十的港口有 7 个位于中国。在这些码头进行「自动化」、「智能化」升级的背后,实际上带动了另一个产业的蓬勃发展:

港口的封闭环境为自动驾驶公司们带来了切实可行的落地场景,帮助港口提升运营效率,降低安全风险,实现港口由劳动密集型产业向「自动化、智能化、无人化」的升级转型。

虽然短期内自动驾驶真正上路还有许多技术和法律问题没有突破,但港区的自动驾驶离我们并不遥远。

一方面,港口是一个封闭场景,这里不允许行人和其他无关车辆进入,驾驶环境相对简单。而且,机械对集装箱装卸来说也更适用。

另一方面,按照国内港口货车驾驶规则,货车在港区内的行驶速度在10-30公里/小时之间。在这种速度下,自动驾驶的精准度和安全性得到了保证。

对于大多数港口来说,通过对已建集装箱码头进行自动化改造,是升级过程中的必由之路。事实上,不少港口已迈出关键一步:

天津港集团与主线科技签署「港口智能装备研发发展合作框架协议」,共同推动智能电动集装箱牵引车在集装箱码头中应用,并于 2018 年 4 月推出自动驾驶电动卡车;

厦门新海达集装箱码头在落地西井科技的远程控制岸桥人工智能识别系统时,预留了使用自动驾驶集装箱水平运输时所需配套的识别功能模块。

在深圳西部港区,将于 2020 年完工的招商局港口海星码头也将建成为高度自动化码头。未来,基于 5G 应用的无人驾驶集卡、实时巡检无人机、智慧安防等应用将在海星码头逐步落地。

广州南沙港区四期码头,2018 年 8 月开工,2021 年建成投产,将成为全球第一个水平运输采用无人驾驶集卡的全自动化码头。

「未来在码头现场桥吊上不再有司机,轨道吊上也不再有司机,来往运输集装箱的卡车也不再需要司机驾驶,依靠码头自动化系统的调配指挥,就可以让码头上如钢铁侠般的轨道吊机,像夹娃娃一样将巨大的集装箱又准又稳地抓起或放下,无人驾驶集装箱卡车灵活自如地在码头内穿梭往返……」

这是自动化码头的未来场景。这些信息让我们有理由期待,港口将成为自动驾驶技术最先落地的场景之一。


参考资料:


张国宝:我参与的上海洋山深水港建设论证和决策过程

https://dwz.cn/6rZvKUH8 


一百多年前的广州何以被上海取代?

https://dwz.cn/2yI7XaiM 


简单梳理洋山港自动化码头

https://zhuanlan.zhihu.com/p/31952885


注:本文首发微信公众号:汽车之心(ID:Auto-bit)。 

*本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写,他们为本文的真实性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表盖世汽车。本文版权归原创作者和盖世汽车所有,禁止转载,违规转载法律必究。

汽车之心

探索智能汽车的万象与新知。微信公众号(Auto-bit):汽车之心。

  • 28779

  • 16

盖世大V作者

关于盖世汽车资讯| 联系电话:021-39586126 | 联系邮箱:info@gasgoo.com| 客服QQ:2569524782

盖世汽车旗下网站:中文站|国际站|中文汽车资讯|英文汽车资讯|盖世汽车社区

盖世汽车 版权所有2011|未经授权禁止复制或建立镜像,否则将追究法律责任。

增值电信业务经营许可证 沪B2-2007118沪ICP备07023350号