淺談VANET 在智能航運中的應(yīng)用與潛力

周德宇，袁學(xué)松

（1.昆明理工大學(xué)信息工程院自動化學(xué)院，云南 昆明 650000；2.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)通信學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

“中國開放的大門永遠(yuǎn)不會關(guān)上，只會越開越大”，“促進(jìn)貿(mào)易投資自由化便利化，推動經(jīng)濟(jì)全球化朝著更加開放、包容、普惠、平衡、共贏的方向發(fā)展”這是習(xí)近平總書記在慶祝改革開放40周年大會上的重要講話。這是新時代開放的宣言，意義深遠(yuǎn)。這也是歷史足音的蕩氣回腸，擲地有聲。船聯(lián)網(wǎng)、智能航運、高效運輸?shù)刃屡d產(chǎn)業(yè)是傳統(tǒng)航運與人工智能、優(yōu)化算法、現(xiàn)代信息等高新技術(shù)高度結(jié)合后形成的新概念航運生態(tài)鏈[1]。然而隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速崛起、智能航運的高速發(fā)展，水上運輸設(shè)備日益增加，水上交通壓力迅速上升，導(dǎo)致了水上交通運輸效率降低，水上交通事故不斷增加等問題。

VANET(Vehicular Ad hoc Network)是移動組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）中的一種特殊協(xié)議[2]。作為智能交通系統(tǒng)中最具潛力的其中一種通訊協(xié)議，VANET 具有無限能量供應(yīng)、移動受道路模型限制以及定位等特性，被廣泛應(yīng)用于交通線路決策、道路風(fēng)險識別等實際場景中。本文將著重討論VANET 在智能航運中的應(yīng)用與潛力，分析VANET 如何在各種場景下扮演好自己的角色。

本文將在第一章對VANET 的原理進(jìn)行分析討論，解釋其合理性、可行性。在第二章中將討論如何在智能航運的實際場景中充分利用VANET 的優(yōu)勢。在第三章將對全文進(jìn)行簡單的總結(jié)，并對未來的智能航運做出大膽的展望與猜想。

1 VANET

1.1 概念與分類

VANET，從本質(zhì)上來說是無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種移動自組織網(wǎng)絡(luò)，VANET 路由協(xié)議則是在通信網(wǎng)絡(luò)中將數(shù)據(jù)分組從一個通信實體傳輸至另外一個通信實體的協(xié)議機(jī)制，在通信過程中可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交換[3]。在使用最少的網(wǎng)絡(luò)資源的情況下達(dá)到最小的通信延時、最高的包成功接受率是VANET 研究中追求的最高目標(biāo)。

VANET 路由協(xié)議的傳播機(jī)制一般基于以下三種情況，如圖1 所示：

圖1 VANET 路由協(xié)議分類圖

（1）基于位置信息的路由協(xié)議：其核心思想為在通信傳輸?shù)倪^程中根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點位置以及鄰居節(jié)點的位置自動選擇最短的轉(zhuǎn)發(fā)路徑得到最優(yōu)解。由于不需要網(wǎng)絡(luò)中的全局信息，這種路由協(xié)議具有較小的延遲，而且其安全能夠得到極大的保護(hù)。但在壓力測試下表明，頻繁的節(jié)點數(shù)據(jù)更新會造成信息冗余和網(wǎng)絡(luò)資源重復(fù)利用，同時其拓展性也受到一定的限制[4]。

（2）基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議：這類路由協(xié)議采用了“多跳”無線傳輸?shù)姆绞剑褂面溌沸畔⑦x擇從源節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的傳播路徑，具有更優(yōu)秀的傳輸速度和效率。

（3）基于電子地圖的路由協(xié)議：這類協(xié)議一般特指地址容忍式路由協(xié)議，通過算法計算得到鏈路中節(jié)點之間的距離矢量，然后仔細(xì)組織通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.2 VANET 特性分析

通過VANET 的概念我們可知其具備以下特性：

（1）開源、溯源性：VANET 受限于局域網(wǎng)協(xié)議，但在局域網(wǎng)內(nèi)，其任何數(shù)據(jù)與信息通信都是可以溯源的。原則上可以不依賴額外的第三方管理機(jī)制或者硬件設(shè)施。因此信息通信交互的過程變得透明，也無法造假。

（2）安全性：數(shù)據(jù)節(jié)點的控制受到一定的干涉，避免了收到惡意的人為修改，數(shù)據(jù)與信息的通信得到了安全保證。同時，數(shù)據(jù)原則上也會在存儲空間足夠的條件下長期保留。

（3）實時性：VANET 的三類路由協(xié)議均有快速的信息傳輸速度與不俗的包成功接受率，在信息交互的過程中，可以保證信息的及時性與實時性。

2 VANET 在智能航運中的應(yīng)用

如圖2 所示，船舶通過基于VANET 路由協(xié)議的衛(wèi)星服務(wù)終端將實時信息傳輸至運營商，運營商可以將傳輸信息保存至數(shù)據(jù)庫中長期存儲（如：某航線由于地震導(dǎo)致了航線細(xì)微變化，可以讓其他行駛此航線船舶在均能提前得知消息并避開），若后續(xù)出現(xiàn)人工對航線進(jìn)行調(diào)整的情況，也可以通過計算機(jī)對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行修改，避免資源浪費；同時實時信息也將通過信號接收塔對信號覆蓋范圍內(nèi)的其他船舶傳遞信息（如：某航線中某一段出現(xiàn)極端天氣，需就近尋找港灣停靠或繞過該路段）。

圖2 VANET 在智能航運中的體系架構(gòu)圖

2.1 智能航線的選擇

水路運輸作為國際國內(nèi)貿(mào)易的最主要運輸方式，其運營成本極高。因此，對航線和班輪掛靠日期的進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，就能節(jié)省大量的營運成本，提高航運效率[5]。盡管國內(nèi)智能航運在國家的扶持下處于高速發(fā)展中，但是由于缺少細(xì)粒度的統(tǒng)籌管理與建設(shè)，目前仍有許多航運公司對行駛路線選擇自制，常常與智能航運系統(tǒng)中的路線沖突。同時，港口運輸量需求不足、高峰期港口堵塞、重復(fù)運力浪費等問題依然客觀存在。基于VANET 路由協(xié)議的信息傳輸則從以下兩步進(jìn)行問題切入。首先是與航線已經(jīng)處于航線中的船舶進(jìn)行信息的交互，也可以通過基站獲得最新的航線交通路況，使船舶能更好地規(guī)劃航行路線。同時，與停港的船舶進(jìn)行信息交互，分享各自的出港時間、線路，判斷是否會出現(xiàn)航線擁擠，港口堵塞等問題，這有利于提高船舶的運輸效率。

2.2 突發(fā)情況下的安全信息共享

為了分析船舶在水域中的航行狀態(tài)，一般將其量化成6 個自由度的運動，集中體現(xiàn)在規(guī)則地域化、控制力不足、不穩(wěn)定性、非一致性等方面[6]，這也側(cè)面反映了目前仍存在的兩個問題。首先是由于船舶質(zhì)量大、慣性大、船舶控制精度較低、終端控制操作難度較大；其次，各船舶的配置不同，各個船舶的航行條件無法與多變的環(huán)境氣候相匹配。在這種場景下的船舶可以通過終端獲取當(dāng)前海域內(nèi)的航線交通狀況、當(dāng)前海域的氣象狀況等信息，并將獲取信息共享給其他船舶。根據(jù)不同船舶的配置參數(shù)，結(jié)合環(huán)境的參數(shù)做出綜合判斷從而進(jìn)一步提高了船舶的航行安全性。此外，還可以向其他船舶第一時間請求救援服務(wù)，盡可能地降低船舶事故造成的損失。

3 結(jié)論

VANET 的概念自20 世紀(jì)90 年代末提出后經(jīng)久不衰，被廣泛應(yīng)用于交通設(shè)備的信息傳輸中。其開源、溯源性、安全性、實時性的特征都完美符合智能航運的需求。

或許在不久的未來，我們能看到這樣一幅美麗的畫面：所有船舶能通過VANET 交互訂單信息，自主接單之后能夠根據(jù)之前交互的航線信息計算出最優(yōu)航線與最優(yōu)交易港口。在航運途中遇到突發(fā)情況能夠及時將現(xiàn)場情況傳輸給其他船舶，做出自我保護(hù)并警示其他船舶。

VANET 在智能航運中的合理應(yīng)用或許會成為我國智能航運發(fā)展的雙翼，成為我國智能航運業(yè)在國際競爭中嶄露頭角的關(guān)鍵。