长江武汉段桥群水域智慧通航方案研究毕业论文
2021-12-12 13:35:36
论文总字数：15872字
摘 要
随着时代的不断进步，智能科技在许多方面都得到了应用。针对长江武汉段水域的通航问题，智能这两个字体现的尤为重要。本文主要针对长江武汉段水域的通航问题，如何让智能应用到通航方面。使长江通航变得更加简便快捷。其中涉及到卫星、人工智能、5G以及区块链技术的应用。将卫星应用到长江航运将会对航运事业有一个重要的推进作用，保障了水上救援船舶监控通信功能使得船舶通航变得更加高效。同时应用人工智能技术能够节省船员进行船舶控制方面的步骤提高了船员进行船舶操控相关操作的简便性。5G的运用实际上就是依靠5G技术速度快延迟低的特点来实现船舶的各种操作，同时开发新的应用功能。保障了船舶通航安全改善了船舶操纵以及船舶通信所存在的一些问题，进一步提高船舶通航的效率。最后区块链技术的应用对船舶航行过程以及港口运行有重要的作用。通过使用区块链技术简化了港口以及船舶贸易的过程保障了过程当中的安全性防止港口拥堵情况的发生，通过保障信息的安全性以及可靠性间接提高了船舶通航的效率同时也促进了航运业的发展。
关键词：卫星；人工智能；5G；区块链
Abstract
With the continuous progress of the times, intelligent technology has been applied in many aspects. In view of the navigation problem in Wuhan section of the Yangtze River, intelligence is particularly important. This paper mainly aims at the navigation problem of Wuhan section of the Yangtze River and how to apply intelligence to navigation. It makes the navigation of the Yangtze River easier and faster. It involves the application of satellite, artificial intelligence, 5g and blockchain technology. The application of satellite to the Yangtze River shipping will play an important role in promoting the shipping industry. It will make the shipping more convenient and convenient. It will play a very important role in the monitoring of water rescue ships. At the same time, it will also improve the modernization level of inland water transportation and make it more efficient. At the same time, the application of artificial intelligence technology can save crew's steps in ship control and improve the convenience of crew's operation related to ship control. In addition, the application of 5g technology is actually to realize various ship operations and develop new application functions by relying on the characteristics of 5g technology, such as fast speed and low delay. It ensures the safety of ship navigation, improves some problems of ship operation and ship communication, and further improves the efficiency of ship navigation. Finally, the application of blockchain technology is helpful to the navigation process of ships and the operation of ports. Through the use of blockchain technology, the process of port and ship trade is simplified to ensure the security in the process to prevent the occurrence of port congestion. By ensuring the security and reliability of information, the efficiency of ship navigation is indirectly improved and the development of shipping industry is also promoted..
Key Words：Satellite; artificial intelligence; 5g; blockchain
目录
第1章 绪论 1
1.1研究目的 1
1.2研究意义 1
1.3国内外研究现状 1
1.4论文结构 2
第2章长江武汉段桥群水域通航现状 3
2.1长江武汉段桥群水域航道现状 3
2.2长江航运通航难题 3
第3章长江武汉段水域智慧通航方案设计分析 5
3.1智慧通航的定义 5
3.2 方案设计 5
3.2.1卫星的应用 5
3.2.2 人工智能技术的应用 5
3.2.3 5G的应用 5
3.2.4区块链的应用 6
3.3 技术使用动机及实现途径 6
3.4 预期效果 6
3.5方案小结 7
第4章 方案各部分技术要点 9
4.1 卫星 9
4.1.1.卫星的历史发展 9
4.1．2卫星导航系统在船舶航行中的应用 9
4.1.3北斗卫星导航系统在船舶航行中的应用存在的问题 9
4.1．4解决办法 10
4.2 人工智能技术的应用 10
4.2.1人工智能的定义及发展历史 10
4.2．2人工智能技术在轨迹规划中的应用 10
4.2．3人工智能技术在船舶自动导航中的应用 11
4.3 5G的应用 11
4.3.1 5G的定义及发展过程 11
4.3.2 5G在航道和航行信息中的应用 11
4.3.3 5G在船舶远程操控上的应用 11
4.3.4 5G在港口自动化上的应用 12
4.3.5 5G信息通信上的应用 12
4.4区块链的应用。 12
4.4.1区块链的定义及发展历程 12
4.4.2中心化分布式账本的应用 13
4.4.3 航运贸易工作效率的提升 13
4.4.4 区块链技术在网络信息平台的应用 13
第5章总结与展望 14
5.1 总结 14
5.2 展望 14
第1章 绪论
1.1研究目的
目前长江武汉段桥群水域船舶流量大，武汉是湖北省省会人口密集客流量大物资需求量多，所以大量船舶都驶经长江武汉段水域。长江武汉段船舶流量大有必要保障有序的船舶通航秩序，增进通航安全、提升通航效率，以有效保障水运业对沿岸经济发展。本文旨在设计面向长江武汉段的船舶智慧通航方案，以提高通航效率让船舶航行更加安全同时可以降低事故造成的损失，减少人员伤亡。
1.2研究意义
利于缩小东中西部地区的发展差距统筹区域经济协调发展，更好地实施城镇化战略推进西部大开发，促进中部崛起，挖掘沿岸地区经济发展潜力，扩大内需，进一步拓展经济发展空间，从而构建东、中、西联动发展。在长江流域已形成三大城市圈,一是以上海为中心的长江三角洲城市群与港口群,二是以武汉为中心的城市群与港口群,三是以重庆为中心的城市群与港口群.通过长江水运的流通使这三大城市圈相互联系加速经济的发展。同时改善长江黄金水道,将促进沿岸经济的发展。通过长江流域直接联系华东发达地区,长江运输大通道将起到巨大作用。泛珠三角地区的形成,正好与长江流域接壤,有利于二个地域的经济互补。
1.3国内外研究现状
Jinwoo Choi[4]提出了ASV的开发，集成了各种传感器和系统，包括电力和电力推进、导航和控制以及通信设备。该飞行器有两个主要目的：1）发展水面飞行器的自主导航技术，2）在应用于自主水下机器人（AUV）之前验证水下导航技术。以该飞行器为试验平台，对水下和水面环境下的导航技术进行了评估。因此，它被发展成配备各种导航传感器。对于地面导航，对车辆的基本性能、路径点跟踪和避障性能进行了评估。对于水下导航，开发了基于声学的SLAM和基于地形的定位，并使用开发的飞行器进行了演示。在内河环境中进行了多次现场试验，验证了所开发的车辆和导航算法的性能。陈莹,大连海事大学[15]为了解决长江数字航道与智能航运建设示范工程”项目中的实际应用需求开展了以下几个方面的分析:(1)对长江干线江苏河段智能航运系统网络环境现状及建设条件、项目需求、数据业务流程进行分析,综合考虑工程实施和技术的前瞻性,完成了通信网络体系结构的设计,包括逻辑网络方案、网络技术方案、网络管理、网络安全技术设计等。(2)对通信协议设计相关技术进行研究,根据系统实际运行情况,参考电信协议SMPP和工业控制领域成熟的国际标准Modbus及IEC 870-5-1等,完成了船岸无线通信协议(VBPP)及航标遥测遥控系统通信协议的设计。
1.4论文结构
第一章主要介绍论文研究的目的及意义和国内外研究现状，第二章分析了长江水域航道现状以及所遇到的难题，第三章设计方案并大致介绍方案各个组成部分，第四章对方案的每个部分进行详细说明，第五章进行总结和展望。
第2章长江武汉段桥群水域通航现状
2.1长江武汉段桥群水域航道现状
通过长江武汉段桥群水域的船舶种类众多，例如货船、油船、客船等多达十几种，属于典型的城市桥区复杂通航水域。除了在长江主航道的主要的交通流，在长江武汉段各个桥梁附近设有多条轮渡线，例如在武汉长江大桥下游就设有5条轮渡线，轮渡属于横穿航道的交通流，在巷道内会与主航道的船舶形成局部交叉会遇局面，桥群附近交通流复杂，加大了船舶碰撞事故发生的概率。同时除了航线问题外桥群水域存在很多碍航物，例如礁石、浅滩、码头水摊建筑物等在船舶航行时，不仅需要避让桥墩及他船还需要避让桥区水域礁石等碍航物，对船舶安全航行造成了额外的风险，航行条件变得更加复杂。
2.2长江航运通航难题
长江是我国第一大江，全长超6300km，横贯中国东西部，有黄金水道之称。长江河道众多、浅滩遍布，各种河床以及不同类型的地段分布不均，航道并不稳定。气候方面长江变化无常，影响能见度，船速以及稳定性的气候环境时有发生。近年来，长江水上安全问题频发，由自然环境和人文环境引起的。（1）自然环境：现今长江航道仍处于自然航道，特殊地带航道狭窄难行危险系数特别高，有些地方也无法进行人为修整。再加上有时政府资金投入不足航道等多方面的因素造成了长江多段水域安全问题频发。天气因素水域自然条件多变,水流、风浪、雾、潮汐等自然因素都会影响到船舶航行过程的稳定导致安全事故发生使危险发生的概率越来越大。（2）人为环境：随着时代的进步，船舶流量越来愈大。一些中小企业为了追求经济最大化管理运行不规范而且有的船员安全知识缺乏意识薄弱船舶操纵技术差甚至证书培训不过关，个别船员的心理素质跟心理状态再加上他的个人性格都可能导致通航秩序混乱又或者每个船员都发生一些微不足道的小错误共同结果导致通航环境变得越来越复杂，这些都是人为引起的结果。同时长江航行的船舶类型非常多每个公司的管理方法也不尽相同生产的船舶安全标准至今也不统一导致船舶安全问题时常发生而且政府主管的通航安全指标和企业管理中的安全指标也不一样，有时候管理部门也操作不当或者管理不利，许多矛盾跟不同使安全问题发生的几率变得越来越大。
第3章长江武汉段水域智慧通航方案设计分析
3.1智慧通航的定义
通航，意思就是顺利通行的船舶。智慧，意思是由智力系统、知识系统等体系蕴育出的能力。智慧通航，就是通过聪明高效的方式来实现船舶顺林航行。使用新兴技术、高效简便的方法等智能科技，实现船舶航行顺利高效地航行。
3.2 方案设计
3.2.1卫星的应用
应用卫星导航系统可以帮助长江武汉段水域船舶顺利通航，如今的长江航道位置服务都是基于长江电子航道图的航道综合信息服务，但是电子航道图的定位误差在10m左右这导致了长江航道位置服务有许多的不足：（1）长江航道地形复杂各种地形相互交错这导致了GPS信号不稳定甚至没有信号（2）目前位置服务全都依靠GPS产业体系十分单一，如果GPS出现问题，日常的航道管理以及位置信息服务都将停止这会造成船舶交通秩序的混论。所以使用我国自主研发的北斗卫星系统，能够为船舶提供更精准的定位服务同时能够为船舶制定合理航线使船舶快速高效的行驶。这样船舶定位服务模式也变得不再单一，是产业结构变得多样化。
3.2.2 人工智能技术的应用
目前船舶的智能化相较于汽车、飞机要早积累了一些经验，但是发展较慢，原因是船舶的智能话所需要的以人工智能为基础的互联网技术并未发展到非常成熟而且船舶的智能化所需宽带资源昂贵。利用人工智能来进行船舶路线规划、船舶的自动导航都是可行的。目前航运事业中，拥有较好操船技术的人员以及高素质的船员资源稀缺，通过人工智能技术可以减少人才需求所带来的压力。而且人工智能技术进行的操作比人为操作要更加精确，这样大大提高了船舶通航的效率也节约了成本，减少了船舶通航发生事故的概率。
3.2.3 5G的应用
近年来5G已是全世界的热门话题，5G所带来的技术提升是前所未有的。这项技术的优势在于它的数据传输速率要远远高于4G最高可达10Gbit/s，比起有线互联网5G更加快速。另外5G的网络延迟非常低，低于1毫秒。由于5G的传输速度更快，能应用到船舶的远端操控、通航信息的实时传递等。将5G应用到航运业当中无疑是对航运业的一次巨大提升。这有利于提高我国航运事业整体水平和竞争力。实现我国从交通大国到交通强国的转变。
3.2.4区块链的应用
简单来说，区块链是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集体维护、公开透明等特点。这些特点保证了区块链的“诚实”与“透明”，为区块链创造信任奠定基础。而区块链丰富的应用场景，基本上都基于区块链能够解决信息不对称问题，实现多个主体之间的协作信任与一致行动。通过区块链在航运业的运用，能够简化船舶通航以及港口物流的过程，大大提高了船舶通航的效率。同时目前在疫情以及科技发展的大前提下，航运业并不景气，通过使用区块链技术能够减少航运业各个过程所需时间提高效率，从而加快经济的发展，对航运业的发展了起了重大作用。
3.3 技术使用动机及实现途径
技术动机：（1）北斗卫星的使用：我国长江流域船舶航行驾驶大部分用的都是GPS系统以及长江电子海图。但是使用技术过于单一并且GPS系统是由美国自主研发的技术，如果当美国对于GPS系统不再提供技术支持，我国航运业就会发生混乱，利用GPS系统的船舶将无法进行正常的工作运行。同时长江电子海图也存在一定的缺点例如显示信息精度不高，有的航道信息不准确老旧甚至错误所以使用我国自主研发的北斗卫星导航系统是非常必要的（2）人工智能的应用：这些年科技正急速的发展，人工智能技术也渐渐被搬到了台面上。人工智能虽然现在发展还未成熟但是在航运业某一些方面还是可以得到具体的应用。总的来说人工智能的应用就是为了节省人力物力提高船舶驾驶操作的准确性进而提高船舶通航的效率减少危险事故的发生。（3）5G的应用：目前华为公司开发的5G技术正风靡全球，5G技术所带来的技术改革以及技术提升是非常巨大的。5G技术大大提高了数据传输的速率降低了网络延迟，这在许多方面都可以得到很好的利用。将5G应用到船舶驾驶以及航运业当中可以有效提高航运业以及船舶驾驶各个方面工作的效率从而促进经济的发展。（4）区块链的应用，区块链是比特币的核心技术。它的去中心化、开放性、独立性、安全性、匿名性能够在航运贸易得到多方面的利用。目前航运贸易传统模式过程繁琐效率低下利用区块链技术就能够简化过程提高效率保障数据的安全性。途径：将这些技术运用到某一个具体的功能上或者依靠这些技术的特性开发一个新的功能例如区块链技术具有信息的安全性和开放性，这样可以将区块链技术应用航运网络信息平台上，这样就提升了网络信息平台信息的质量。或者利用5G技术在速度方面的所占的优势开放出船舶远程操作功能这些将这些技术应用到实际当中既可以减少船舶通航所遇到的安全问题也可以减少船舶航行及贸易的时间从而达到提高船舶通航效率的母的。
3.4 预期效果
（1）卫星的应用效果：通过该系统能够对船舶的速度航向以及路线都能有一个大致的了解。在船舶航行过程中遇到各种突发情况包括自然灾害和很多不可预测的因素时都可以通过北斗卫星系统去发现问题并且就算在船舶遇难以后也可以通过北斗卫星系统进行搜救，并且搜救信息能够及时通知四周附近船只。虽然卫星精度不高费用也很大，但是在水域通航时使用可以带来很大的便利，提高了通航效率减少了事故损失，这带来的价值是远远超过卫星系统本身的成本的。（2）人工智能的运用；通过人工智能的应用，从大的方面来看减少了人力资源的浪费，使船舶航行变得更加精确安全，提高了船舶通航的效率，进而加快了经济的发展。以个人角度来说，人工智能的应用，简化了船员所需进行的操作，节约了时间，保证船员能够有足够精力来安全行驶，防止疲劳驾驶的情况发生。（3）5G技术的应用；通过应用5G技术能够极大的提高网络数据传输的速率，这样船舶在进行一些机器操作以及网络从控时就不会发生没有信号或者速度慢延迟大的问题。一方面来讲提高了船员操船的简便性减少了船员操作所需时间在船舶遇到危险情况时也能够及时反应并做出相应的应对措施另一方面来说网络系统速度慢操作延迟大对船员的心理健康也有一定的影响这对船员进行正确及时的操作是不利的。应用5G技术就能够解决这一问题保证船舶航行安全。（4）区块链技术的应用：通过使用区块链技术，提高了港口贸易的效率减少了时间资源的浪费同时也保证了交易的安全，这有利于经济的发展解决了一些港口因贸易纠纷导致的船舶拥堵问题。同时区块链技术的可靠性安全性和匿名性保障了一些网络信息平台信息的正确可靠，让船员在获取信息时能够得到正确有效的信息帮助船舶进行正确航行减少了船舶安全问题的发生。
3.5方案小结
针对智慧通航方案，着重介绍四种科学技术（1）北斗卫星的应用（2）人工智能的应用（3）5G的应用（4）区块链的应用，整理成结构图如图1所示。
图表 1 智慧通航方案结构图
目前我国航运业整体较为低迷，长江武汉段水域船舶通航效率有较大提升空间。随着科技的发展，使用新兴科技技术来提高船舶通航效率提高经济的发展势在必行。通过使用这些技术不仅为船员对船舶操控带来便利还可以减少人为错误的发生，简化了船舶航行以及港口事物流通的过程，提高了办事效率。
第4章 方案各部分技术要点
4.1 卫星
4.1.1.卫星的历史发展
20世纪国家就非常重视卫星系统的建设，所以在20世纪80年代中国就已经开始探索卫星导航的系统发展道路。首先在1994年我国就开始卫星导航系统建设的第一步。在2000年就发射了2颗地球静止轨道卫星建成系统并投入使用。在2004年开始建设北斗二号系统到了2012年年底，完成了14颗卫星的发射组网。2009年开始建设北斗三号系统，直到2018年年底完成了19颗卫星发射组网，完成系统基本建设。
4.1．2卫星导航系统在船舶航行中的应用
首先依托北斗卫星可以获得船舶所处船舶位置、速度、航向等一系列的信息。它一般可以与电子海图信息一起使用这样就可以更加直观高效的找到自己想要的船舶信息，保证船舶航行的安全和高效。让船舶通航变得更加的安全便利。其次，北斗卫星导航系统能够实时监控船舶位置状态速度判断其是否具有发生危险的可能性。同时该信息是双向的既可以发给监控中心也可以通知船舶是否即将发生危险。这对于船舶避免碰撞危险以及对于偏离航路的预测都有很大的帮助。即使在这种情况下船舶仍发生碰撞遇险，该系统仍可以将信息上报，并发布船舶预先求救信息。同时港口相关部门也可以根据该系统合理指挥船舶如何运行安全达到港口以免在港口发生一些列的问题。虽然长江武汉段水域遇险概率较小，但是总会遇到特殊情况导致在发生危险后无法联系救援中心周边船只也无法观测到该船的情况，这时北斗卫星系统就起到了一个至关重要的作用，只要船舶遇到危险通过卫星系统，就可以将求救信息发给救援人员或者将信息发布给周边船只。救援中心通过卫星导航系统就可以确定遇险人员位置并传送急救信息，对遇险人员展开救援。最后在长江武汉段水域渔船是较为常见的，但是有很多渔船并不按照标准进行行驶捕鱼同时也有很多自然灾害导致渔船陷入危险当中。这个时候就可以利用北斗系统对渔船进行监控，对于渔船的每次航行作业进行提取获取类型捕捞追溯、渔船状态、渔区内渔船捕捞强度监控、捕获量估算等信息不仅可以规范渔船的行为还可以保障渔船的安全，为其它的渔船提供一个较为详细的数据参考。
4.1.3北斗卫星导航系统在船舶航行中的应用存在的问题
第一北斗卫星系统其实发展的并不完善，其精度水平为10m而亚太地区精度水平为5m所以就精度上来讲北斗卫星导航系统目前还达不到国际水平另外北斗卫星导航系统的芯片价格也是比GPS芯片价格高太多而且功耗和体积都很大所需成本太高这导致了北斗卫星导航系统不能够大规模民用，中小型企业实在难以承担，就算有部分企业运用其相关技术但都不能实现产品盈利，如果没有政府的政策支持实在难以为继。第二北斗卫星系统在船舶领域的推广还不够好因为我国GPS导航系统已经推广了很久，它的技术高度以及产品的研发应用都相对成熟而北斗卫星是近几年才发展起来投入时间不长，民众对这方面也不太了解。所以对于北斗卫星系统的应用还是存在许多问题。第三由于北斗卫星系统是新兴产业，政府制定的政策法规还不太完善，其缺少标准化的服务体系，对于系统的运用以及产业促进的法律法规仍然不多，就算有执行力度也差。这导致了卫星系统的运用无法推广并在船舶领域得到运用。
4.1．4解决办法
首先我觉得最重要的是政府应该加大推广力度，时常对该系统进行一个宣传。同时应该制定一些列的政策扶持那些使用卫星系统的企业以及产品让越来越多的公司企业去接触这个项目并让卫星系统得到运用。然后国家也应鼓励相关产品的研发以及销售。让越来越多的人知道北斗卫星系统所具有的优势以及好处。而且还要保证相关产品的质量让使用者体验到北斗卫星系统所带来的便利快捷。
4.2 人工智能技术的应用
4.2.1人工智能的定义及发展历史
人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。在1956年一麦卡赛、明斯基等一批科学家聚会共同探讨模拟智能的问题，并首次提出了人工智能这一术语。当计算机出现了之后，人工智能技术就一直不断地发展，如今人工智能技术以可以应用于围棋竞技游戏等多个方面。
4.2．2人工智能技术在轨迹规划中的应用
船舶在行驶之前往往要花大量时间进行轨迹的规划，一方面要考虑船舶航行的时间保证效率另一方面要考虑船舶的安全性保证危险事件不会发生。船舶轨迹的规划有许多种规划方法。如基于图形的方法、基于粒子优化算法的方法等其中基于粒子优化算法的方法模仿自然界的生态平衡所以该方法比较适用于船舶的轨迹规划。但是该方法速度慢，效率低非常花时间，所以利用人工智能技术的蚁群优化算法就可以解决这些问题。通过网上相关试验对比数据得知蚁群优化算法比其他得算法规划路径都要短并且搜索代数最低。这样节约了成本，同时减少了规划路径得时间。让船舶轨迹的规划变得更加快捷高效。
4.2．3人工智能技术在船舶自动导航中的应用
目前自动导航在汽车行业都得到了大量的应用，所以将人工智能自动导航技术引用到船舶驾驶中这是可行的。通过使用相关技术加载航道地图，在使用与汽车导航系统想类似的设备来实现船舶自动导航的进行。其中还可以搭载语音系统以及各种信息的显示应用。当驾驶员需要使用周边航道情况，周边船只类型等信息时，只需要通过语音就可以调取相关信息，和车用导航系统相类似，利用人工智能进行船舶自动导航可以计算出船舶行驶所需要的路程还可以提示周边有无危险障碍物，这样就可以大大的减少船舶航行所需要的时间提高船舶通航的效率。同时还可以减少船员进行系统操作的时间，让船员能够有精力去专注于船舶的安全行驶，减少船员疲劳驾驶的风险。
4.3 5G的应用
4.3.1 5G的定义及发展过程
5G移动网络于2G、3G移动网络一样5G是数字蜂窝网络。供应商覆盖的服务区被划分为多个成为蜂窝的小区域。简单来说5G技术就是4G技术的进一步提升，速度更快延迟更低同时也降低了成本。2013年2月欧盟宣布将在5G移动技术上进行研究，计划在2020年完成。在2018年2月23日，沃达丰和华为宣布两公司合作完成了全球第一个5G通话。到了2019年6月6日，工信部正式向中国电信、移动、联通等发放商用拍照。如今5G技术以正式得到运用，三大运营商也公布了5G商用套餐并于2019年11月1日正式得到使用。
4.3.2 5G在航道和航行信息中的应用
船舶航行的航道不同于汽车驾驶的道路，航道环境往往复杂多变，航道信息总量庞大要想获取所有的航道信息是非常困难的。但是凭借5G技术快速的传输速率以及超低的延迟可以建立全面的航道信息采集网和信息采集站，这通过高效的网络传输速率就能够及时全面的获取航道信息，保证航道信息的完整正确。2G时代是看文字、3G时代看图片、4G时代看视频，5G时代可以建立立体的三维模型。大多数船舶目前使用的是二维的电子航道图，利用5G技术可以建立三维的电子航道图，通过三维立体的方式来查看电子航道图能够更加直观高效的获取航道相关信息例如水文气象信息等。这样大大提高了船员获取航道信息的效率以及信息的正确性，帮助船员能够做出正确的船舶驾驶操作避免危险事故的发生。
4.3.3 5G在船舶远程操控上的应用
5G作为一项新兴技术它的高速率低延迟是得到肯定的，这也让该项技术能够在很多方面得到使用，利用其特性使船舶远程操控变为可能。船舶在通航过程中通航效率低下或者危险事故发生很大程度上都是因为船员操作不当造成的。一方面是由于船员自身操船技术不过关另一方面是因为船员自身精神状态心理状态不佳。当船舶行驶在危险路段船员自身技术不过关或者精神状况出现问题时便可以通过船舶远程操控来代为驾驶船舶，这样就减少了船舶航行危险的发生，提高了通航效率。当5G技术还未兴起时船舶的远程操控是不可能的，因为以前4G网络以及网络数据传输都比较慢延迟大再加上船舶在航过程中所处位置距离远、信号弱所以船舶的远程操控并不现实。随着5G技术的发展网络数据传输慢延迟大的缺点不再存在，进行远程船舶操纵时不会有延迟的情况发生。
4.3.4 5G在港口自动化上的应用
要想提高船舶的通航效率，港口自动化是必不可少的。由于船只总体数量多码头装卸货物效率缓慢或者船只自身质量安全存在问题运输货物不合法等这些导致港口总是会出现船舶排队压港的现象这导致了船舶出港进港效率低下。所以利用5G技术提供的大范围的数据采集和传输的基础条件来使得装卸设备、作业人员、港口货物、运输车辆、进出港船舶等构成一个全流程自动无缝衔接的网络体系，进而提高港口货物运输流动以及港口作业得效率。而且利用5G技术还可以对港口进行包括港口作业、工作人员、船舶货物等进行一个全方位得监控从而排除危险以及不稳定因素保证港口得安全，这样就可以提高港口船舶流通的效率。
4.3.5 5G信息通信上的应用
目前船舶航行过程中的通信手段单一，主要是依靠无线电通信以及卫星通信。有的时候在船舶行驶到某一区域使用无线电通信时信号无法得到响应或者通信设备损坏时就无法与外界取得联系。利用5G技术就能够改变通信手段单一、信号差、通信过程不稳定以及延时高的缺点。5G技术的优点就在于速度快延迟慢，通过开发利用D2D技术及M2M通信技术能够提升用户之间的通信质量，提升用户体验。同时也能保障设备之间通信能够快速稳定。这样就改善了船舶通信方式单一以及产业结构单一的缺点。防止在船舶失去无线电通信的手段之后无法使用其他设备进行通信。
4.4区块链的应用。
4.4.1区块链的定义及发展历程
区块链从本质上将就是一个用于收集数据的数据库，可以将信息数据储存到这这个数据库当中。而这些数据具有公开透明、不可伪造、安全等特点。因此区块链技术奠定了坚实的信任基础创造了可靠的合作环境，应用前景非常广。在2008年区块链的概念由美籍日裔中本聪第一次提出，然后随后的几年比特币开始逐渐火热，区块链成为了比特币的核心技术。近几年区块链技术虽已不断得到应用，但是在技术层面仍没有突破性进展，还没有直观可用的成熟产品诞生。
4.4.2中心化分布式账本的应用
去中心化分布式账本是区块链技术的一个部分，是指交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每一个节点记录的是完整的账目，因此它们都可以参与监督交易合法性，同时也可以共同为其作证。航运贸易在全球范围内都有分布，每一单航运业交易都会涉及到多方面多单位，所需要的文件也非常多。如果是利用传统的方式，所涉及的各个单位众多，要每一个组织单位都沟通到位所需要的时间精力是巨大的。但是通过区块链技术，每个节点共同完成交易让数据变得联通共享，这使得交易变得更加简便，数据变得透明、独立、公开和完整。
4.4.3 航运贸易工作效率的提升
区块链采用的是P2P（点对点）技术，从一个点到另一个点，不需要中间繁冗复杂的操作。一个国家的货物运输航运贸易交易往往要经过许多个步骤。当你要订购订单的时候这一个订单往往要经过多个中间商，最终才能实现购买。但是通过利用区块链技术就能够跳过这些中间商，直接进行购买，能够节省非常多的时间和资源。这样在进行港口交易的过程中，就不会有时间资源浪费的问题，提高了交易效率减少了航运贸易当中因为交易意见不同而产生的纠纷，减少了港口船舶通航的压力，提高了交易效率促进经济的发展。
4.4.4 区块链技术在网络信息平台的应用
区块链技术的优点在于信息的开放性、安全性、匿名性。目前相关航运航道信息平台的信息杂乱不堪有的还有很多漏洞和错误，有些数据已经过时无法适用当今航道情况。信息之间还存在格式不统一平台不共享的问题。例如航道上某些位置信息以及环境事物发生生改变时要及时更新当前环境状态，例如礁石等。但是以往使用的信息数据更新方法难以保证某些因素状态达到最新标准。利用区块链技术能够保证信息的及时共享以及信息的正确性、时效性。保障船舶在航行过程中能够依靠准确的信息完成及时相应的应对措施。同时区块链技术还有溯源性，如果信息发生错误就能够通过信息找到信息发布的源头及时改正信息防止错误信息的发布，这样不断改正错误信息对船舶航行的安全性以及效率都有提升。
第5章总结与展望
5.1 总结
本文对船舶智慧通航方案的设计，实际上就是通过利用北斗卫星系统、人工智能技术、5G以及区块链技术来达到提高船舶通航效率的目的。利用这些技术的特性来改善船舶目前存在的问题。目前我国船舶大部分都使用电子海图技术，港口部分设施老化严重，在船舶流通的处理上存在许多的问题从而导致了船舶在航行过程中事故问题频发并且港口存在船舶流通慢船舶拥挤排队的现象。通过使用智能科技，对船舶以及港口设备进行及时的更新来达到提高船舶通航效率的目的。
5.2 展望
本文主要介绍几种用于提高船舶通航效率的技术，对这些技术的概念和应用领域进行一些说明，但是没有详细说明具体这些技术的作用机制和细节。希望未来能有机会对这几项技术能够有较为深入的研究，并真正将这些技术应用到具体产品上从而投入到航运业当中。
参考文献
- 封波.智能船舶发展战略规划研究[J].船舶工程,2020,42(03):1-8.
- Information Technology - Data Analytics; Reports from Wuhan University of Technology Provide New Insights into Data Analytics (Navigational Risk Assessment of Three Gorges Ship Lock: Field Data Analysis Using Intelligent Expert System)[J]. Information Technology Newsweekly,2020.
- 陈明忠.跨海大桥桥区航道智能助航系统研发[J].水运工程,2020(01):107-112.
- Jinwoo Choi,Jeonghong Park,Jongdae Jung,Yoongeon Lee,Hyun-Taek Choi. Validation of Acoustic and Geophysics based Underwater Localization with an Autonomous Surface Vehicle ⁎ ⁎ This research was supported by a grant from Endowment Projects of ”Development of fundamental technologies on underwater environmental recognition for long-range navigation and intelligent autonomous underwater navigation” funded by Korea Research Institute of Ships and Ocean engineering(PES3160).[J]. Elsevier Ltd,2019,52(21).
- 周学群.北斗卫星导航系统在长江航运中的应用[J].中国高新科技,2018(14):77-80.
- 船舶交通管理系统功能扩展完善的研究与设计 [D]. 孟宪宏.大连海事大学 2006
- 长江航运安全发展思考 [J]. 刘亮.中国水运.2011(07)
- 周冠男. 大数据时代长江智能航道发展的思考[C]. 中国智能交通协会.第十四届中国智能交通年会论文集（2）.中国智能交通协会:中国智能交通协会,2019:100-103.
- 郭涛.长江智能航道关键技术分析[J].水运工程,2016(01):99-105.
- 唐安慧.北斗卫星系统在澜沧江——湄公河船舶监管中的应用[J].卫星与网络,2011(10):66-71.
- 佟馨,江福才,郭颜斌,张帆,马全党.长江航道航行环境风险评价[J].上海海事大学学报,2017,38(04):32-36 42.
- 王亚琪.提高长江航道通航效率分析[J].科技视界,2016(05):149 200.
- 严新平,刘佳仑,范爱龙,马枫,李晨.智能船舶技术发展与趋势简述[J].船舶工程,2020,42(03):15-20.
- 封波.智能船舶发展战略规划研究[J].船舶工程,2020,42(03):1-8.
- 陈莹. 长江智能航运系统网络及通信协议的设计与实现[D].大连海事大学,2008.
- 徐英.人工智能技术在船舶轨迹规划中的应用[J].舰船科学技术,2019,41(10):28-30.
- 亚琪.提高长江航道通航效率分析[J].科技视界,2016(05):149 200.
- 赵肖峰. 5G赋能 让智慧航运图景愈加清晰[N]. 中国水运报,2020-04-12(001).
- 邹洁如.基于区块链技术下航运业发展的研究[J].珠江水运,2020(01):111-113.
- 刘敬贤,马杰,曾旭明.5G连接智能航运[J].中国远洋海运,2019(07):34-36.
- 汤科.区块链技术在航运交通行业的应用探讨[J].科学技术创新,2019(13):140-141.
致 谢
四年的大学生活终于到了一个终点，但是我的学习生涯并未停止，我将继续进行我的学习征程。本文是在指导老师马勇教授耐心指导下经过不断的修改完成的在此感谢老师及时在工作繁忙的情况下仍然抽空耐心指导我的论文工作，同时也感谢对我的论文提供帮助的同学朋友，向你们致以最诚挚的感谢。
请支付后下载全文，论文总字数：15872字
