CN113936503A - 基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统 - Google Patents

基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，包括：新能源船舶数据模块，用于记录新能源船舶的航行数据、港口和水域环境信息；以及对新能源船舶设置轻节点，将获得的新能源船舶原始数据数据上传到轻节点中；区块链模块，用于对比数据系统中收集到的原始数据与联盟链上解密的抽样数据，获得对比数据；辅助决策模块，用于根据对比数据对行驶的新能源船舶提供航行建议。本发明通过区块链统筹和管理所有新能源船舶的航行数据，并采用记录中的数据，优化正在航行中的新能源船舶的航速，提高优化的效率与质量。本发明可广泛应用于船舶航行监控技术领域。

Description

基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统
技术领域
本发明涉及船舶监控技术领域，尤其涉及一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统。
背景技术
随着区块链技术以及新能源船舶技术进程的加快，我国不断加大对新能源船舶的航速优化的重视程度。在对航速进行优化过程中，需要不断地使用到参考的航速数据，目前的参考数据主要采用本船舶的历史数据，影响了优化的效率与质量。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，包括：
新能源船舶数据模块，用于记录新能源船舶的航行数据、港口和水域环境信息；以及对新能源船舶设置轻节点，将获得的新能源船舶原始数据数据上传到轻节点中；
区块链模块，用于对比数据系统中收集到的原始数据与联盟链上解密的抽样数据，获得对比数据；
辅助决策模块，用于根据对比数据对行驶的新能源船舶提供航行建议；
所述新能源船舶数据模块中的各个船舶可通过区块链获取其他船舶的历史航速以及能耗信息。
进一步，所述轻节点在第一阶段和第二阶段采用不同的方式进行设置；
所述第一阶段：在区块链赋能的新能源船舶的航速优化系统建立初期，以新能源船舶作为系统节点，通过船用传感器、船端前置机和API将新能源船舶上采集的原始数据直接上传至新能源船舶的航速优化系统；
所述第二阶段：随着新能源船舶加入到新能源船舶的航速优化系统中，将新能源船舶航运企业作为区块链赋能的新式系统的联盟链下级节点，通过船端前置机和API对船舶抽样数据进行分布式存储，并通过联盟链下级节点上传至联盟区块链。
进一步，所述区块链模块的联盟区块链节点成员通过网关节点接入，每个网关节点具有一套完整的BaaS平台；
BaaS平台提供加入区块链功能，新能源船舶加入区块链时，需安装船用传感器、船端前置机和API来记录自身的航行数据，为所述新能源船舶生成新的轻节点，同步上传状态数据，使新能源船舶便捷地创建或加入联盟链网络。
进一步，所述轻节点在新能源船舶大规模加入新能源船舶的航速优化系统的监管系统中后进行选举，产生超级节点，超级节点不仅储存上传数据，且需要投入相应成本，共同建立监管平台联盟链委员会。
进一步，所述新能源船舶数据模块基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，根据区块链去中心化、分布式存储以及跨层级数据共享的特点，以船公司、港口、海事局和运输公司中产生的船舶航行信息进行上链，信息的获取通过船端前置机和API进行获取，上链的信息包括航行数据，且存储在各自新能源船舶对应的轻节点中，可供区块链其它新能源船舶或机构查询。
进一步，所述辅助决策模块还用于将航速统计数据汇总比较，获得大、中、小三种类型的新能源船舶最优航速，
在无需租金的情况，则建议使用最优航速；
在有租金的情况下，将数据带入预设公式得到最优航速修正值，再将最优航速修正值发送至航行在航道上的所有的新能源船舶；
所述数据是将每千米设为一个区间采集到的数据，将每个区间数据上传到辅助决策模块。进一步，新能源船舶舶航行成本为：
K＝K0+K1
其中，K为总成本，K0为能耗成本，K1为租金成本。
进一步，所述能耗成本的表达式如下：
K0＝a(v+v′)2S
其中，a为系数；v为最优船速；v′为在考虑租金情况下的航速修正值；S为航次里程。
进一步，所述租金成本的表达式为：
Figure BDA0003328518730000021
其中，h为船舶日租金。
进一步，所述区块链模块通过建立共识机制和布设智能合约，对联盟链上的新能源船舶的位置信息、能耗信息、排放信息以及安全信息进行存储解析或交叉验证，并分布式存储。
本发明的有益效果是：本发明通过区块链统筹和管理所有新能源船舶的航行数据，并采用记录中的航行数据，优化正在航行中的新能源船舶的航速，提高优化的效率与质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中基于区块链BaaS系统的新能源船舶航速监测及优化系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中新能源船舶的数据采集并上传的示意图；
图3是本发明实施例中轻节点的设置以及数据储存示意图；
图4是本发明实施例中区块链BaaS系统赋能的新能源船舶监控系统的抽样数据流程示意图；
图5是本发明实施例中一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，在传统新能源船舶航速监测及优化系统基础上，基于底层IoT，依托区块链技术和信息基础设施(大数据、物联网、云系统等)赋能新能源船舶航速优化系统。基于区块链BaaS系统的新能源船舶航速优化系统能够溯源新能源船舶数据、港口和水域环境等信息，区块链系统层(BaaS)作为基础应用层，通过基础组件和拓展组件为新能源船舶航速优化系统开发优化职能，优化职能包括智能合约管理、安全监管、联盟链管理、运维管理等。
对新能源船舶优化数据进行存储解析或交叉验证，并分布式存储，再由BaaS系统进行数据共享、上链存证管理、数据验真、智能合约管理、多方协同等，并可根据需要进行航速优化系统特色功能扩展及操作端联动配置第三方特色功能接口。
具体地，依托区块链加密数据以保证数据的可信度。通过BaaS系统建立的新能源船舶航速优化系统能够对所有新能源船舶做到统一收集数据及对数据优化，再发放给所有新能源船舶，最大化地实现新能源船舶航速优化系统的优化职能。
如图2所示，区别基于区块链BaaS系统的新能源船舶航速监测及优化系统与传统航速监测及优化系统的框架。传统的航速优化系统对航运企业和船舶通过无线通讯链路所上传的数据进行监控和管理，上传的数据在后期无法查证其真伪。而区块链赋能的新能源船舶航速优化系统作为新一代国家级新能源船舶监管实验系统，根据区块链去中心化、分布式存储及跨层级数据共享的特点，可以通过对比系统中收集的原始数据与联盟链上解密的抽样数据就可以实现后期的数据存证与验真工作。
具体地，建议分两个阶段来建立区块链赋能的新能源船舶航速监测及优化系统：
第一阶段：在区块链赋能的新能源船舶航速优化系统建立初期，由于监管范围和影响还比较有限，新能源船舶样本总量较少，应以新能源船舶作为系统节点，通过船用传感器、船端前置机和API(Application Programming Interface，应用程序接口)将新能源船舶上采集的原始数据直接上传至国家新能源船舶航速监测及优化系统，并在系统上存储至数据库前通过区块链对抽样数据进行加密和开展分布式存储，以节省大量船端硬件成本；
第二阶段：随着新能源船舶大规模加入到新能源船舶监管国家级系统的监管体系中：应该逐步将新能源船舶航运企业作为区块链赋能的新式航速优化系统的联盟链下级节点，通过船端前置机和API对船舶抽样数据进行分布式存储，并通过联盟链下级节点上传至联盟区块链；而原始数据将通过同样的方式上传至新能源船舶运输企业的航速优化系统，由国家级与企业级新能源船舶航速优化系统共同实现对新能源船舶的并行监管，并通过区块链落实船舶运输企业的主体责任，由企业开展内部航运分公司及单个船舶的效率、安全及能耗和排放方面的考核评价。在此基础上，由国家级新能源船舶航速优化系统开展各海事局管理区域、航运公司和港口等相关责任主体在以上船舶运输指标方面的核定与考核评价，并开展相应的具有国家级权威性的航运市场信息服务(如发布相应的航运安全、绿色与发展指数)。
如图3所示，基于区块链的新能源船舶航速监测及优化系统根据区块链去中心化、分布式存储以及跨层级数据共享的特点，以船公司、港口、海事局和运输公司等相关航运企业中产生的船舶航行信息进行上链，信息的获取通过船端前置机和API进行获取，这些上链信息存储在各自节点中，并由超级节点监管，超级节点是区块链航速优化系统实现商业化运营的重要合作伙伴，主要包括国家水运安全工程技术研究中心等科研机构、各级海事局、船级社以及大型航运企业、能源企业和船舶设备厂商等，其主要职责是为节点的有效运行提供必要的硬件资源，并参与区块链航速优化系统的业务开拓与构建，协助区块链航速优化系统对申请接入的业务项目进行专业的投票和点评，同时享受有关奖励与收益。轻节点主要包括由中小型航运企业、能源企业及船舶设备厂商等。基于区块链+泛在运输服务大数据的新能源船舶监控及管理系统采集的抽样数据主要包括船舶新能源系统数据以及船舶位置信息数据。其中船舶新能源系统数据主要包括电池电压、电池温度、环境温度、充电状态(state of charge，SOC)、能源消耗量等各项数据。
如图4所示，区块链BaaS系统赋能的新能源船舶监控系统(第二阶段)的抽样数据流程具体流程如下：
通过安装在新能源船舶上的IoT设备，实时采集新能源船舶在船舶运动状态、轨迹、环境、机械运动、能源消耗、排放及人员等多方面的原始数据；
通过AIS/VHF将新能源船舶的以上原始数据上传至企业级新能源船舶航速优化系统的数据库；
船端数据库对船舶抽样数据进行DES(Data Encryption Standard)加密，每100条船舶信息数据一次性打包存证，数据库修改记录也做存证，完成新能源船舶存证数据上链至国家级新能源船舶航速优化系统；
联盟链节点成员可通过区块链浏览器或查验系统确认相关船舶信息数据已上链；
第三方审计机构通过区块链浏览器和查验系统抽查船舶信息数据，验证船舶信息数据是否上链至企业级和国家级航速优化系统；
在区块链浏览器中输入TxID(交易哈希)值，将查询到的船舶信息数据密文发至查验系统，查验系统反馈DES解密后的明文，最终确认船舶信息数据是否在国家级航速优化系统上链存证，并通过解密后的明文和在企业级航速优化系统的原始数据对比来实现数据的验真。
如图5所示，总的数据传输方向是从船舶自身出发，发送到区块链，将数据共享给所有参与进新能源船舶航速监测及优化系统的船舶，根据船舶自身需要，参考别的船只的既有数据，选择自身的航速，区块链所有新能源船舶数据还将发送给辅助决策系统，通过对航线交集部分的比对，得到暂时的最优航速，在综合是否需要考虑租金的情况下，将数据带入公式计算得到修正航速，并将计算所得航速数据共享到区块链模块，给新能源船舶提供参考。
在一些可选的实施例中，辅助决策模块能够对所有航行数据进行查询并设计出最优航行路线。所述数据为对大中小型船舶分别统计获得的航行数据并进行同航道比较，得出不同大小船舶在某个区域正常航行状态下耗费能量最少的航速。所述航行数据是将每千米设为一个区间，对每个区间数据上传到辅助决策系统。所述区间中单船的区间独立存在，区间汇总则是单船的总路径，在内河航行所有船的区间不独立存在，可以与其他船舶区间形成交集，交集为多船共有航线，从而在交集中获得最优航速。
船舶航行成本有：
K＝K0+K1
其中，K为总成本，K0为能耗成本，K1为租金成本。
预测能耗成本表达式为：
K0＝a(v+v′)2S
其中，a为系数；v为最优船速；v′为在考虑租金情况下的航速修正值；S为航次里程。
租金成本的表达式为：
Figure BDA0003328518730000061
其中，h为船舶日租金。
当总成本K′＝0时成本达到最低，即当
Figure BDA0003328518730000062
时，成本有最小值。将所得数据通过辅助决策系统发给航行在航线上的所有新能源船舶供其参考。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，包括：
新能源船舶数据模块，用于记录新能源船舶的航行数据、港口和水域环境信息；以及对新能源船舶设置轻节点，将获得的新能源船舶原始数据数据上传到轻节点中；
区块链模块，用于对比数据系统中收集到的原始数据与联盟链上解密的抽样数据，获得对比数据；
辅助决策模块，用于根据对比数据对行驶的新能源船舶提供航行建议；
所述新能源船舶数据模块中的各个船舶可通过区块链获取其他船舶的历史航速以及能耗信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述轻节点在第一阶段和第二阶段采用不同的方式进行设置；
所述第一阶段：在区块链赋能的新能源船舶的航速优化系统建立初期，以新能源船舶作为系统节点，通过船用传感器、船端前置机和API将新能源船舶上采集的原始数据直接上传至新能源船舶的航速优化系统；
所述第二阶段：随着新能源船舶加入到新能源船舶的航速优化系统中，将新能源船舶航运企业作为区块链赋能的新式系统的联盟链下级节点，通过船端前置机和API对船舶抽样数据进行分布式存储，并通过联盟链下级节点上传至联盟区块链。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述区块链模块的联盟区块链节点成员通过网关节点接入，每个网关节点具有一套完整的BaaS平台；
BaaS平台提供加入区块链功能，新能源船舶加入区块链时，需安装船用传感器、船端前置机和API来记录自身的航行数据，为所述新能源船舶生成新的轻节点，同步上传状态数据，使新能源船舶便捷地创建或加入联盟链网络。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述轻节点在新能源船舶大规模加入新能源船舶的航速优化系统的监管系统中后进行选举，产生超级节点，超级节点不仅储存上传数据，且需要投入相应成本，共同建立监管平台联盟链委员会。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述新能源船舶数据模块基于区块链的新能源船舶的航速优化系统，根据区块链去中心化、分布式存储以及跨层级数据共享的特点，以船公司、港口、海事局和运输公司中产生的船舶航行信息进行上链，信息的获取通过船端前置机和API进行获取，上链的信息包括航行数据，且存储在各自新能源船舶对应的轻节点中，可供区块链其它新能源船舶或机构查询。
6.根据权利要求1所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述辅助决策模块还用于将航速统计数据汇总比较，获得大、中、小三种类型的新能源船舶最优航速，
在无需租金的情况，则建议使用最优航速；
在有租金的情况下，将数据带入预设公式得到最优航速修正值，再将最优航速修正值发送至航行在航道上的所有的新能源船舶；
所述数据是将每千米设为一个区间采集到的数据，将每个区间数据上传到辅助决策模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，新能源船舶航行成本为：
K＝K0+K1
其中，K为总成本，K0为能耗成本，K1为租金成本。
8.根据权利要求7所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述能耗成本的表达式如下：
K0＝a(v+v’)2S
其中，a为系数；v为最优船速；v’为在考虑租金情况下的航速修正值；S为航次里程。
9.根据权利要求8所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述租金成本的表达式为：
Figure FDA0003328518720000021
其中，h为船舶日租金。
10.根据权利要求1所述的一种基于区块链的新能源船舶的航速监测及优化系统，其特征在于，所述区块链模块通过建立共识机制和布设智能合约，对联盟链上的新能源船舶的位置信息、能耗信息、排放信息以及安全信息进行存储解析或交叉验证，并分布式存储。
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