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【转载】服务上海 |“被总理点赞的洋山深水港,背后有这些复旦人的智慧和贡献”
2018.04.12

(原文转载自“复旦青年”微信公众号)

“ 李克强总理说,洋山港四期码头是中国经济融入全球经济的重要象征,它将进一步推动中国贸易和投资自由化便利化。希望上海进一步优化服务水平,把洋山港四期码头打造成我国扩大开放的重要窗口。”

巨大的桥吊不停工作,一辆辆运输车往来不绝,这是洋山深水港四期码头日常的繁荣景象。然而和其他码头的不同的是,码头上虽然货物运输繁忙,却少有工人在现场工作。它是全球最大的自动化码头,也是全球综合自动化程度最高的码头。

2017年12月10日上午,历时三年建设的洋山四期正式开港,由上港集团、上海振华重工联合打造。“当时我们就在现场,做技术支持。没有到台前,所以大家看不到我们,但是后台在开港试运营时候还是很激动的。”复旦大学15级计算机软件与理论专业研究生李隋凯回忆道。

复旦大学的技术团队在计算机科学技术学院首席教授施伯乐的带领下也参与了洋山四期建设,承担核心算法模块的研发工作。计算机科学技术学院王晓阳院长高度重视并多次参与合作洽谈和技术讨论。计算机科学技术学院阚海斌、谈子敬、孙未未三位教授的团队承担具体的研发工作。每位教授都会安排几位研究生参与进来,李隋凯、15级数据科学专业博士生单张卿和16级量子计算方向的研究生张弘弛是研究生中的技术骨干。

首创中的挑战

洋山四期位于整个洋山深水港的最西侧,系围海填筑形成,集装箱码头岸线总长2350米,拥有7个集装箱泊位。四期建成后,上海港的年吞吐量将突破4000万标准箱。这相当于全美国所有港口加起来的吞吐总量,也是目前全球港口年吞吐量的十分之一。

洋山四期凝结了多方的研发成果,港口作业调度控制系统主要由码头装卸、水平运输、堆场装卸自动化及全自动化系统构成,其中主要机械设备都由中国制造。复旦的团队与上港集团的下属软件开发部门海勃合作,主要负责自动导引运输车(以下简称AGV)的调度程序与调试和堆场。

▲AGV(自动导引运输车)

码头的运营效率关键依靠调度,桥吊完成船与码头之间货物的装卸。但是与传统码头用集卡车运输不同,自动化码头的转运依靠AGV,整个码头的布局设计也因此发生了改变。AGV完成货物在码头的转运,堆场完成货物的暂存,三者之间环环相扣。无法借鉴传统人工码头的经验,洋山四期的系统设计几乎都由我国原创。

李隋凯在导师孙未未的指导下负责堆场。他指出:上海港兼有国内和国际贸易,货物种类繁多,任务类型复杂,数据量与以往国外小型单一功能的自动化码头没有可比性,以往经验参考价值不大。“这么做真的是对的吗?”这样的疑问一直困扰着李隋凯。但随着不断调试,系统确实能应用于实际运作中,他才放下心来。

洋山四期的规模之大也给AGV算法的研发带来了挑战,张弘弛跟着导师阚海斌参与该项目,负责AGV的调度与调试。“车调度到什么地方去完成什么任务,这就是我们整个AGV调度系统。”张弘弛说。

作为无人驾驶的运输车,AGV依靠地面上铺设的磁钉和调度指令完成任务,也就意味着它只会看地上的磁钉,无法识别路上是否有人或其他障碍物,躲避需要有指令下达,提高了对系统的要求。“洋山四期在开港时已经建成了三十多辆AGV,它们在错综复杂的环境里面运作,实际意义也会更强一些。”张弘弛如是说。

在张弘弛加入项目时,导师阚海斌为他提供了算法思路的大方向,把学术领域的研究成果“带权二分图的最大匹配算法”建模成一个图论,来解决实际问题。“例如有一个任务,这里有AGV的车子,派哪辆车接哪个任务,是我们做的,包括AGV要充电,怎样有一个调度的最优方案。我们把调度的最优方案问题抽象成一个模型,相当于抽象成带权二分图最佳匹配问题。”阚海斌教授解释说。

起初的模拟阶段,算法效果非常好,因为是拿自己的模拟系统来做的。但在第二阶段,硬件提供商振华重工将原本打算从国外引进的AGV换成了国产,算法不得不依据新的AGV进行改写。为了做出更好的效果,张弘弛又继续参与调试,不断地依据合作方海勃公司的要求增加外围系统。

岛上的复旦人

洋山深水港位于杭州湾外的浙江省嵊泗崎岖列岛,由大洋山、小洋山等十个岛屿组成,距海岸约17海里远。从复旦大学邯郸校区到洋山港,路程大约100公里,开车至少需要一个半小时。其中,驾驶者需要穿过长达32.5公里的东海大桥,路两旁是茫茫无际的大海,这让路程显得更加漫长。

早上六点半起床花至少两个小时上岛,在岛上工作两天再回来,这种生活张弘弛经历了一年半,直到洋山四期快开港的时候才清闲下来。

▲洋山四期俯瞰图

张弘弛对于第一次坐进中控塔印象深刻,他回忆道,“当时已经陆陆续续上岛一年多了,第一次坐进中控塔俯瞰洋山港,有一种指挥全场的感觉。从上面看,能看到整个桥吊排成一排,会有车在地面上窜来窜去,还有各种摄像头,能监控车的位置。”中控塔不仅是一个远程操控中心,由技术人员操控岸吊、轨道吊,也是一个设备监控中心。一旦出现设备故障,需要马上派出修理人员。

“人工相当于在打下手”,张弘弛说。他激动的心情没能维持太久,就被写代码的枯燥逐渐消磨了。

“早上起来开始干活,中午吃饭,下午继续干。吃过晚饭之后,没有地方去,只能坐在办公室里干活。住在岛上的话,就只能从早干到晚。”现场施工方在调试过程中,随时可能提出要求,张弘弛必须保持工作状态。除了偶尔可以和李隋凯在遇到的时候交流一下各自进度,大多数时间,张弘弛都是和代码打交道。

李隋凯从15年年底开始上岛,在开港后也继续上岛进行常规的维护。现在,他已经习惯了在岛上工作,“面对面交流成本低,问题也可以更快解决”。堆场部分的工作复杂性更高,涉及到的数据量和交互、接口量比其他模块都要大,需要更多人手参与。李隋凯有时还会和另外两个同学一起上岛,他还记得导师孙未未每个星期都要开一次会,互相讨论进度,在岛上海勃公司也会定期开会。

全自动化码头的背后

如今,已经结束洋山四期AGV调度工作的张弘弛已经不再需要每周上岛,他对自己的成果并不满意,因为整个程序的框架部分没有搭好,给后期维护带来了难题。

此外,算法的效率还有进一步提升的空间。张弘弛解释道:“现在AGV的效率不高,大概20分钟才能拉一个箱子,把一个箱子从指定地点送到目的地。期望的效率是12分钟。”

从20分钟提升到12分钟,这并不是在AGV调度上就能省下来时间,最主要的问题还是出现在桥吊部分。同时,AGV调度系统中的路径导航系统也要重新优化,如何让位子、超车和转弯,让AGV更加灵活,是软件研发二期的方向。

从2015年6月洋山四期项目开始,李隋凯的整个研究生生涯都与洋山项目为伴,从始至终他都在思考理论与实际之间的关系。他即将于2018年毕业,之后将常驻项目跟进优化系统。“做项目给我带来最大的收获,是从研究成果到实际应用这个过程没有想象中那么好走。现在有些研究看起来很酷炫,但是到了实际应用却要做很多转换。”

作为我国第一个自主研发并成功的全自动化码头,洋山四期的经验也值得推广。据张弘弛介绍,洋山深水港方面希望整个洋山四期脱离掉基建,把软件部分全部剥离出来,作为一个成型的系统进行推广。复旦AGV研发团队也为自己的开发成果《基于KM算法的AGV调度系统》申请了专利。

“我们自动化码头,人力成本将减少七成以上,整个效率也提升了30%左右。”洋山四期系统的项目经理王岩曾在纪录片《超级工程》中说道。

技术的升级,使中国港口的运营全面提升,同时,这场技术变革也将持续影响国家的整体交通运输系统。

复旦青年记者 陆宁玥 主笔
复旦青年记者 曹显烨 编辑
文中图片来源:黄秀松
微信编辑丨程梦琴

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