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我國港口自動駕駛的趨勢和挑戰(zhàn)

撰文｜林維猛

單位：自動化碼頭技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心

（中遠海運港口有限公司）

適應未來港口的發(fā)展，需要港口科技的創(chuàng)新與進步， 港口科技的關鍵核心難題是港口水平運輸?shù)淖詣踊鹘y(tǒng)的土建開挖、光纖鋪設和預埋磁釘?shù)腁GV（Automated Guided Vehicle）建設模式，已不能滿足國內存量大的傳統(tǒng)碼頭對水平運輸自動化的需求。近年來，國家部委和各級政府出臺了多項智慧港口行業(yè)相關政策，再加上自動駕駛相關技術的不斷成熟，共同促成了自動駕駛技術在國內港口“百家爭鳴，百花齊放”的發(fā)展態(tài)勢。

一、我國港口自動駕駛概述

1. 發(fā)展必要性

在政策上，港口自動化、智能化升級已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略上的需求。總書記對港口發(fā)展高度關注，指出“要志在萬里，努力打造世界一流的智慧港口、綠色港口”。國家各部委相繼出臺了系列政策推動智慧港口發(fā)展，如交通運輸部《關于推進港口轉型升級的指導意見》指出，要加快港口信息化應用，提高港口裝備智能化水平，大力推進物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術在港口推廣應用。目前， 天津、上海、山東、廣東、浙江、福建等多個省市均將智慧港口建設發(fā)展目標寫進“十四五” 規(guī)劃。

過去單純依靠碼頭區(qū)域優(yōu)勢，通過規(guī)模經(jīng)濟獲得效益增長的模式，在產業(yè)結構調整下已變得不可持續(xù)。科技賦能，削減港口運營成本，提升港口綜合服務質量，探索價值創(chuàng)新領域，正成為港口提升利潤的主要方式，推進智慧港口建設是港口運營商的必然選擇。港口自動駕駛可以解決集卡司機招工難、用工難的問題，同時可以減少人工成本，提高碼頭作業(yè)效率，提升作業(yè)安全。

在政策和業(yè)務需求的雙重催化下，越來越多的港口正加入自動駕駛的嘗試和商業(yè)運營中來。

2. 發(fā)展歷程

自1993年AGV 首次在荷蘭鹿特丹港ETC-Delta碼頭應用后，港口就開展了在封閉式場景內水平運輸自動化的嘗試，此后在歐洲、北美、亞洲、大洋洲的多個港口得到了推廣應用。我國自2016年3月廈門遠海自動化碼頭建成并投產以來，上海洋山四期、青島前灣一期和二期、

廣州南沙四期等多座自動化集裝箱碼頭相繼建成并投入運營。但業(yè)內認為，磁釘類的AGV并不完全是自動駕駛，且因其投入成本過高，不太適應存量大的傳統(tǒng)碼頭的自動化改造需求。在廣州南沙四期建設中，AGV開始減少磁釘?shù)氖褂茫⒉捎昧诵l(wèi)星定位、多種傳感器等技術實現(xiàn)自動駕駛。

港口自動駕駛技術主要指采用北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)、激光雷達SLAM、視覺SLAM以及多傳感器融合定位技術，實現(xiàn)在港口區(qū)域內的智能水平運輸。我國港口的自動駕駛從2019年左右起步，產品從無到有，這個階段一般稱之為科學期，更多的是向外展示的概念車，而不是實際落地的產品，如東風商用車和主線科技分別在廈門遠海碼頭和天津五洲碼頭的嘗試。

從2020年開始至2021年， 我國港口自動駕駛在政策的推動下加速應用， 呈現(xiàn)“百家爭鳴，百花齊放”的發(fā)展態(tài)勢。天津C段、寧波梅東碼頭、廈門遠海碼頭、深圳媽灣碼頭等港口陸續(xù)引入自動駕駛技術解決方案提供商， 開啟落地場景的具體測試和優(yōu)化。港口自動駕駛也在這個階段逐步從技術期走向了產品期， 開始具備復制推廣的能力。

2022年，中遠海運港口率先吹響了港口自動駕駛推廣普及的號角，在擴大廈門遠海碼頭自動駕駛車隊規(guī)模的同時，在旗下控股碼頭武漢陽邏港快速實現(xiàn)了商業(yè)應用。與此同時，招商局港口在深圳媽灣經(jīng)驗的基礎上， 將港口自動駕駛推廣到大連港；上海港與上汽集團合資的友道智途在完成外高橋四期的測試后，在寧波大榭港區(qū)實現(xiàn)了復制和落地；西井科技、飛步科技和主線科技等自動駕駛科技公司也在完成技術積累后陸續(xù)實現(xiàn)了在廈門海潤碼頭、南通呂四港和合肥港的普及和落地。

以上所論述的港口自動駕駛落地四個時期和產品成熟度演化，如圖1所示：

圖1  港口自動駕駛落地全過程

3. 市場規(guī)模預估

據(jù)埃森哲和上港集團保守估計，建設智慧港口能為社會帶來巨大的實際價值。以長三角區(qū)域為例，通過海運的國際貿易金額約8.1萬億元；中國社會物流成本占GDP的比例約18%，而智慧港口一系列建設舉措約能降低物流成本3.6%，每年智慧港口預計能為腹地海運物流創(chuàng)造價值338億元。

中國港口協(xié)會統(tǒng)計，2021年全國集裝箱吞吐量達到221 944 813TEU，按每臺橋吊作業(yè)量10萬~15萬TEU/a 估算，全國橋吊數(shù)量保守估計約1 500~2 200臺；按每橋配5 臺車估算，水平運輸車輛約7 500~11 000臺。如對港口水平運輸車輛進行更換，按200萬元/ 臺的實施費用折算，港口自動駕駛市場整體改造規(guī)模預估約150 億~220億元。如按港口現(xiàn)有有人駕駛集卡的運營費率估算，費率按15~20元/TEU 做測算，2021年的市場規(guī)模預計約33 億~45億元。

二、港口自動駕駛發(fā)展趨勢

1. 算法邏輯持續(xù)優(yōu)化

港口自動駕駛分環(huán)境感知、定位導航、規(guī)劃決策、底層控制、安全保障策略、車輛數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信等幾大內容。由于任何單一傳感器都無法在港口復雜工況下獲得完全可靠的性能，需采用多種傳感器融合定位方案，不同傳感器的數(shù)據(jù)輸出通過濾波框架將結果融合在一起，以此提高系統(tǒng)能力，并提升全局定位的可靠性和冗余性。例如：

環(huán)境感知方面， 主要技術路線均是通過激光雷達、視覺、毫米波和超聲波雷達技術融合，提高感知結果的一致性和精度， 為行為決策提供依據(jù)。環(huán)境感知技術核心的區(qū)別在于對傳感器數(shù)據(jù)的分析和融合， 目前業(yè)界研究的方向均在對不同場景的解析和語義理解， 根據(jù)輸入場景不同可以形成不同算法組合的發(fā)展方向。具體在項目的應用上， 如自動駕駛設備在不同光照情況、堆場淹水、車輛速度等狀態(tài)下， 自動駕駛系統(tǒng)可以根據(jù)不同場景自動調取不同算法，輸出最優(yōu)結果。

定位導航方面，為滿足港區(qū)內自動駕駛設備精準定位需求，定位模塊采用“組合慣導+ 多種傳感器融合定位+ 車道保持”的方式解決， 最終實現(xiàn)在港區(qū)內精準定位的結果。組合慣導的能力主要是硬件，通過組合導航+ 視覺與激光特征匹配+ 視覺與激光SLAM+ 輪速里程計等多源定位融合，業(yè)內水平差異不大，核心的區(qū)別主要在于通過各種傳感器獲得不同形式觀測，生成不同類型和權重約束的算法邏輯。隨著場景應用和測試案例的增多，定位導航算法邏輯正不斷迭代優(yōu)化。

規(guī)劃決策方面，路徑規(guī)劃為自動駕駛設備構建“上帝視角”，實現(xiàn)對人、車、路、環(huán)境等要素的全方位感知，提供路徑規(guī)劃和全局調度能力，提升駕駛安全和道路通行效率。路徑規(guī)劃是基于代價最小準則規(guī)劃出一條從起點到終點的最優(yōu)路線，引導自動駕駛設備順利到達目的地。目前，規(guī)劃決策正朝著減少自動駕駛設備在路網(wǎng)中的滯留時間方向不斷優(yōu)化，以達到提升整個運行效率的目標。

2. 部署費用逐年降低

相較有人駕駛集卡，港口自動駕駛雖然可以解決集卡司機招工難的問題，但初期大額的資金投入還是成為多數(shù)港口不能逾越的坎。隨著近年來技術的成熟以及應用推廣的規(guī)模化，包括線控底盤和傳感器在內的配套設備已初步具備量產的基礎，成本也隨之迅速下降。中國招標投標公告服務平臺公示的信息顯示，2021年7月份天津C 段招標時平均中標單價約211萬元/ 臺， 過了1年， 至2022 年7月份廈門海潤碼頭標的的中標單價下降到153萬元/ 臺， 降幅約27.5%。見表1。

表1 近年來港口自動駕駛公開招標情況

雖然每個標的的招標內容不盡相同，港口場景和作業(yè)環(huán)境也有差異，但最近一次廈門海潤碼頭標的自動駕駛平板車的中標單價似乎成了行業(yè)里面的價格錨。無論是主機廠或是自動駕駛公司都將朝著153萬元/ 臺的錨定價格繼續(xù)向下挖掘價格空間。

3. 普及范圍繼續(xù)擴大

自動駕駛在商用車領域有六大主流應用場景，包括碼頭、物流園區(qū)、礦區(qū)、機場、干線物流、末端物流。集裝箱碼頭和邊境口岸因其半封閉及標準化程度高等特點而被視為最有潛力快速實現(xiàn)數(shù)字化轉型的場景之一。隨著自動駕駛部署費用的降低，越來越多的港口和口岸正加入到自動駕駛賽道中。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2022年10月，全國港口累計部署的自動駕駛平板車數(shù)量已近300臺，超過傳統(tǒng)的磁釘式AGV 數(shù)量，累計部署的帶駕駛室自動集卡數(shù)量也超過了200臺。

以上3種自動駕駛技術路線為國內港口提供了更多的選擇，根據(jù)對政策層面、供需關系和技術成熟度的綜合判斷，港口自動駕駛的普及范圍將繼續(xù)擴大，并向中小港口進行滲透和快速部署。非磁釘式自動駕駛設備部署情況如圖2所示：

圖2  自動駕駛平板和帶駕駛室自動集卡數(shù)量分布（截至2022年10月）

三、港口自動駕駛的挑戰(zhàn)

1. 港口場景不一的挑戰(zhàn)

港口自動駕駛的核心功能是實現(xiàn)自動駕駛設備在碼頭堆場內自動駕駛的各項安全策略，滿足自動駕駛設備與橋吊、龍門吊對位精度達到±5cm，一次自動對位成功率不低于90%，在岸邊、主干道及堆場內直線行駛每100m 以內時橫向最大偏差不超過±10cm。

對于布局規(guī)劃好、基礎設施建設較為完備， 或者港機設備相對標準化的港口，自動駕駛的落地會更加友好和快速。但我國各個港口在泊位等級和堆場建設等基礎設施條件方面往往存在差異，新舊設施和設備在同一碼頭內共存普遍存在，而目前落地實施的自動駕駛方案大多是針對相對標準化港口設計的，因此需要實施方不斷豐富自動駕駛應用場景，以應對不同港口場景不一的挑戰(zhàn)，增加自動駕駛方案的適配能力。

2. 路徑規(guī)劃策略的挑戰(zhàn)

港口道路作業(yè)路線復雜，碼頭前沿多作業(yè)線、多輛自動駕駛設備同時運行時，其互相之間路線會出現(xiàn)相交與沖突。自動駕駛系統(tǒng)雖然在規(guī)劃路徑時會考慮時空一致性，盡可能避免路線沖突，但路徑規(guī)劃并不能做到萬無一失， 當自動駕駛設備出現(xiàn)故障又未能及時恢復，或者現(xiàn)場道路狹窄而車輛數(shù)量比較多時，發(fā)生擁堵的概率仍然較高。此外，在自動駕駛設備與有人駕駛集卡混行情況下，因無法預判或者干預有人駕駛集卡的行為，規(guī)劃路徑策略將變得愈發(fā)復雜。

在大型港口實施自動駕駛項目時，自動駕駛設備與拆解扭鎖站的配合是不得不面對的巨大挑戰(zhàn)。一般來講，拆解鎖扣的操作在岸橋區(qū)域完成，或者布置在艙蓋區(qū)的陸側，有流動式也有固定式。由于船舶的大小不同，流動式拆解扭鎖站的位置會發(fā)生改變，對自動駕駛設備行駛路徑規(guī)劃將帶來巨大考驗；對于固定式拆解扭鎖站，如多條線同時作業(yè)，也很難在規(guī)劃路徑策略下確保各個拆解扭鎖站的均衡使用， 極易造成單點擁堵。

3. 運營能力的挑戰(zhàn)

從實現(xiàn)一臺自動駕駛設備的智能驗證，到可以多車編隊、常態(tài)化、規(guī)模化的運行，考驗的不僅是港口自動駕駛承建方的技術能力，還有后期穩(wěn)定的支持和運營能力。一般認為，只有到了這個階段，項目才算踏入了真正的深水區(qū)。

因為港口是24h 全天候作業(yè)，在商業(yè)化運營階段，有別于場景樣本的演示階段，港口自動駕駛承建方需要解決設備維修、軟件運維支持和特殊工況處置等持續(xù)支持的能力。不同公司之間的實力差距在商業(yè)化運營階段會被迅速拉開。

四、港口自動駕駛發(fā)展建議

1. 需要港口從幕后走向臺前

港口自動駕駛項目是一個復雜的過程，參與方眾多，業(yè)務關系復雜，各方對合作邊界的理解也各有差異，處理相關方的權益分配和系統(tǒng)邊界問題是矛盾最突出的部分，項目需要參與方擁有合作的共識。有別于港口其他項目， 港口方僅需要做監(jiān)督或驗收，港口自動駕駛項目需要港口作為業(yè)主方，主動學習和探索技術根源和業(yè)務邊界，推動和協(xié)調解決各方矛盾， 才能推進項目扎實落地。

在具體執(zhí)行上，建議港口實施方組建由信息化部門、工程技術部門和業(yè)務操作部門組成的專業(yè)化項目團隊，與各參建方制訂協(xié)調機制。在項目開發(fā)和業(yè)務運營過程中，港口項目團隊根據(jù)各方的分工，統(tǒng)籌協(xié)調并為各方提供配合便利，在關鍵問題上作最終決策。

2. 需要優(yōu)化人機交互混行策略

隨著技術的不斷成熟和場景驗證，港口自動駕駛設備已基本解決了在封閉港口區(qū)域內的自動駕駛難題，包括信號遮擋、定位漂移、精準定位等。但在開放式場景下，人機交互混行不可避免，這也是港口自動駕駛大面積推廣運用的前提。如在堆場出入口，港口自動駕駛設備的視野會被集裝箱遮蔽，有人駕駛集卡或港口人員會因遮蔽無法發(fā)現(xiàn)自動駕駛設備，這是自動駕駛設備在港口運行的高危場景。

為實現(xiàn)混行策略，車路協(xié)同的應用是必經(jīng)之路。車路協(xié)同是采用基于安裝在路側的傳感探測和無線通信，對港區(qū)內道路環(huán)境進行全方位感知，彌補自動駕駛設備自身感知范圍的局限，輔助路徑規(guī)劃決策，保證人機交互混行的安全。

3. 需要創(chuàng)新商業(yè)模式

港口自動駕駛項目在實施過程中并不局限于對基礎設施建設和信息化的提升，還將積極促進產業(yè)價值鏈形成有序配套的運營環(huán)境，帶動港口服務的發(fā)展。例如港口自動駕駛將可避免有人集卡司機的管理問題，使水平運輸變得有序可控，提升港口作業(yè)協(xié)作的整體效率。在運營過程中，自動駕駛設備的行為數(shù)據(jù)積累也將產生新的價值，為港口數(shù)據(jù)孿生服務奠定基礎，賦能港口競爭力提升。

由于存在以上溢出效應，單項目的實施未必能帶來直接經(jīng)濟效益，但對其他延伸模塊將產生積極的正面影響，并有可能轉變?yōu)榉e極的商業(yè)價值，比如物流供應鏈的可視化和數(shù)據(jù)分析追蹤等。這意味著港口自動駕駛的商業(yè)模式需要縱觀全局，不急于在單個項目上獲取短期利益，港口實施方或者參建方應在業(yè)務上高度回應需求，在實現(xiàn)需求的過程中尋找商業(yè)價值， 創(chuàng)新出更多的商業(yè)模式。