上海洋山港四期码头装卸现场，一排排集装箱被准确无误地吊起和安放，吊车和自动导引运输车在各自的轨道上来回穿梭。码头和堆场犹如一张巨大的“棋盘”，130辆自动导引运输车依靠埋藏于地下的61199根磁钉定位，在接到操作系统基于实时装载需要和路况计算得出的最优路线指令后，快速而有序地运行，避开所有碰撞或摩擦……整个作业现场空无一人，操盘这一切的，是在操作控制中心的9名工作人员。
上海洋山港四期码头装卸现场
洋山港四期码头拥有中国第一款自主研发的港口智能化操作系统，其最核心的部位就是由码头操作系统和设备控制系统组成的“中枢系统”——前者扮演着“大脑”的角色，负责生成和发送指令；后者则扮演“神经”的角色，负责控制操作。
这一体现“中国智造”水平的洋山港四期智能码头“中枢系统”，背后就有我校数学科学学院吕长虹教授团队的数学贡献。数学在其中的应用，大大增添了无人码头的智慧。
突破性的关键优化算法，为“无人码头”运营奠定基础
随着全球经济一体化步伐的加快，港口在国民经济和区域经济发展中的作用日益加强。当下的港口码头不仅能完成货物的装卸、运输、仓储，更重要的是，它已逐渐成为经济发展和综合物流的中心。
在传统的码头作业中，配载一般由人工完成。通常情况下，一艘船需要耗费3至4小时，且对配载人员的业务技能和熟练度还要求很高。目前，即便国内外一些自动化码头上常用的配载软件，整船配载运行也需要二十多分钟。而在洋山港四期码头，整船配载耗时只需3至5分钟，整船一个小时装船箱量的配载算法在秒级完成。让这一大飞跃成为现实的，正是一种数学算法，它直接脱胎于高校基础学科的研究成果。
2014年12月，吕长虹教授率领的华东师大运筹学科研团队在竞争激烈的项目招投标中脱颖而出，开始与上海港、复旦大学计算机系合力打造洋山港四期码头操作系统。此后三年，吕长虹团队将运筹学、图论、组合原理等数学原理深入运用于系统开发的模型建立、算法设计中，将数学研究的成果应用到桥机工作计划、自动配载、自动发箱等领域，耗时三年，终于以科研的力量助推洋山港四期码头成为全球单体最大、综合自动化程度最高的智能码头。
数学科学学院吕长虹教授
桥机的工作效率是码头生产效率的直接体现，是衡量一个码头运营效率的最重要指标。所谓桥机工作计划，就是确定每部桥机在给定时间段内的作业计划表，在何时、何处，作业哪些集装箱，预计何时完成。
吕长虹团队取得的一个重大突破，是研究出了桥机工作计划的关键优化算法，即在毫秒级内实现整船桥机计划的生成和调整。“桥机工作计划在数学上其实是个多目标多约束的优化问题。”吕长虹介绍，其中的约束条件，涉及整个码头的船舶计划、集装箱作业量计划、可用桥机的相互制约、桥机自身相关参数限定等；而优化目标，则包括减少整船完工时间、桥机移动总距离、桥机作业总块数等。对此，吕长虹选择从“关键仓量”这一要素入手，根据分配桥机与船仓个数的比值，采用分类处理和动态规划相结合的方法进行处理，创造性地给出了该模块的优化算法，成功将软件的运行速度控制在毫秒级别。
可以说，正是这套全球首创的算法，为“无人码头”的运营奠定了基础。
“数学+”解决方案，助力人工智能码头建设
吕长虹团队的另一大突破性贡献是，设立完成了自动配载软件，完全替代码头船配人员的作业，并首次实现了实时配载功能。据介绍，在这一软件的开发中，运用到的就是数学图论中经典的匹配问题。经过周密的研究，吕长虹没有照搬经典算法，而是在二部图经典算法的基础上重新建立数学模型。由于自动配载软件还具有深度学习功能，在具体运行过程中，随着参数越来越趋于合理，算法效果也会越来越好。
与此同时，团队还研发了自动发箱软件，实现了码头所有装卸指令均由操作系统自动发出的功能。“我们以软件代替了中控室的船控人员和配载人员，满足洋山港四期码头无人化的建设要求。”吕长虹说。
实践证明，在综合运用“数学+”方案后，会思考，会决策，会自主学习、会系统管理的人工智能码头正在变革集装箱装卸生产模式和码头管理模式，在世界航运舞台上开创新的中国奇迹。据悉，自去年12月开港以来，洋山港四期智能码头效率比传统码头的工作效率提升了30%。以目前世界上最大的集装箱船为例，在这里装卸能比人工码头节省10个小时；港口运营和管理成本大幅度降低。在推动港口各环节成本逐渐下降的同时，它还助推上海港年集装箱吞吐量突破4000万标准箱，这相当于美国所有港口吞吐量的总和，为上海国际航运中心建设发挥中流砥柱的作用。
在服务国家战略的过程中，提升人才培养质量
目前，以提供智能码头解决方案为出发点，吕长虹团队正在搭建一个数学学科应用于人工智能、服务实体经济发展的开放创新平台。
吕长虹和数学科学学院党委书记贾挚带领学生实地考察洋山港码头
吕长虹教授为学生讲解智能码头的作业原理
“做科研项目的过程，其实也是一个将教学、科研、社会服务和人才培养相结合的过程。”吕长虹坦言，早在2013年，他领衔的团队做外高桥一期码头解决方案时，就已经把这个科研项目与大学生“双创”工作相结合。去年3月，吕长虹还和学院党委书记贾挚带领二年级本科生实地考察了洋山港码头，并进入操作中心近距离感受了“无人码头”的操控流程。在现场，吕长虹逐一为学生们讲解智能码头的作业原理。“那次参观结束，很多学生都很感慨。他们切身感受到了数学最优规划问题在实际生活中的应用。这让大家感到数学这门古老基础学科具有深厚的魅力。”贾挚说。对大学教师而言，从事科研的意义不仅在于学有所用、以所学服务国家所需和国家发展战略，还在于人才培养质量的提升。“洋山港项目大大增强了本科生对于数学专业的认同和热爱，而这也是大学教师从事科研活动的意义所在。”
图文｜符哲琦 来源｜数学科学学院 编辑｜谢瑶姬 编审｜吕安琪
