淺談VANET 在智能航運中的應用與潛力

周德宇，袁學松

（1.昆明理工大學信息工程院自動化學院，云南 昆明 650000；2.安徽機電職業技術學院互聯網通信學院，安徽 蕪湖 241002）

“中國開放的大門永遠不會關上，只會越開越大”，“促進貿易投資自由化便利化，推動經濟全球化朝著更加開放、包容、普惠、平衡、共贏的方向發展”這是習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。這也是歷史足音的蕩氣回腸，擲地有聲。船聯網、智能航運、高效運輸等新興產業是傳統航運與人工智能、優化算法、現代信息等高新技術高度結合后形成的新概念航運生態鏈[1]。然而隨著中國經濟的迅速崛起、智能航運的高速發展，水上運輸設備日益增加，水上交通壓力迅速上升，導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)是移動組織網絡（MANET）中的一種特殊協議[2]。作為智能交通系統中最具潛力的其中一種通訊協議，VANET 具有無限能量供應、移動受道路模型限制以及定位等特性，被廣泛應用于交通線路決策、道路風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 的優勢。在第三章將對全文進行簡單的總結，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，從本質上來說是無線通信網絡中的一種移動自組織網絡，VANET 路由協議則是在通信網絡中將數據分組從一個通信實體傳輸至另外一個通信實體的協議機制，在通信過程中可以實現數據之間的交換[3]。在使用最少的網絡資源的情況下達到最小的通信延時、最高的包成功接受率是VANET 研究中追求的最高目標。

VANET 路由協議的傳播機制一般基于以下三種情況，如圖1 所示：

圖1 VANET 路由協議分類圖

（1）基于位置信息的路由協議：其核心思想為在通信傳輸的過程中根據數據包的目的節點位置以及鄰居節點的位置自動選擇最短的轉發路徑得到最優解。由于不需要網絡中的全局信息，這種路由協議具有較小的延遲，而且其安全能夠得到極大的保護。但在壓力測試下表明，頻繁的節點數據更新會造成信息冗余和網絡資源重復利用，同時其拓展性也受到一定的限制[4]。

（2）基于拓撲結構的路由協議：這類路由協議采用了“多跳”無線傳輸的方式，使用鏈路信息選擇從源節點到目標節點的傳播路徑，具有更優秀的傳輸速度和效率。

（3）基于電子地圖的路由協議：這類協議一般特指地址容忍式路由協議，通過算法計算得到鏈路中節點之間的距離矢量，然后仔細組織通信的網絡結構。

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 受限于局域網協議，但在局域網內，其任何數據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制或者硬件設施。因此信息通信交互的過程變得透明，也無法造假。

（2）安全性：數據節點的控制受到一定的干涉，避免了收到惡意的人為修改，數據與信息的通信得到了安全保證。同時，數據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 在智能航運中的應用

如圖2 所示，船舶通過基于VANET 路由協議的衛星服務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據庫中長期存儲（如：某航線由于地震導致了航線細微變化，可以讓其他行駛此航線船舶在均能提前得知消息并避開），若后續出現人工對航線進行調整的情況，也可以通過計算機對數據庫內容進行修改，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的其他船舶傳遞信息（如：某航線中某一段出現極端天氣，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圖

2.1 智能航線的選擇

水路運輸作為國際國內貿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行改進和優化，就能節省大量的營運成本，提高航運效率[5]。盡管國內智能航運在國家的扶持下處于高速發展中，但是由于缺少細粒度的統籌管理與建設，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、重復運力浪費等問題依然客觀存在。基于VANET 路由協議的信息傳輸則從以下兩步進行問題切入。首先是與航線已經處于航線中的船舶進行信息的交互，也可以通過基站獲得最新的航線交通路況，使船舶能更好地規劃航行路線。同時，與停港的船舶進行信息交互，分享各自的出港時間、線路，判斷是否會出現航線擁擠，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，一般將其量化成6 個自由度的運動，集中體現在規則地域化、控制力不足、不穩定性、非一致性等方面[6]，這也側面反映了目前仍存在的兩個問題。首先是由于船舶質量大、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境氣候相匹配。在這種場景下的船舶可以通過終端獲取當前海域內的航線交通狀況、當前海域的氣象狀況等信息，并將獲取信息共享給其他船舶。根據不同船舶的配置參數，結合環境的參數做出綜合判斷從而進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，盡可能地降低船舶事故造成的損失。

3 結論

VANET 的概念自20 世紀90 年代末提出后經久不衰，被廣泛應用于交通設備的信息傳輸中。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之前交互的航線信息計算出最優航線與最優交易港口。在航運途中遇到突發情況能夠及時將現場情況傳輸給其他船舶，做出自我保護并警示其他船舶。

VANET 在智能航運中的合理應用或許會成為我國智能航運發展的雙翼，成為我國智能航運業在國際競爭中嶄露頭角的關鍵。