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user: 4. 内河航运通信平台架构 基于新一代通信技术的内河航运通信平台，将会加速航运业趋于智能化发展。航运不同于公路运输，一旦出现交通堵塞，一方面会造成重要物资的运输延误，造成运输船运价上涨，无法满足实际需求；另一方面也会造成港口货物积压。简化过闸流程，缩短船舶滞留时间会有很大的改善。目前采用人工对船舶及港口进行监控，依靠提出的通信平台，可以更加准确的对监控视频进行处理，省时省力。船舶的安全行驶离不开精确的导航地图，目前GPS系统易受到环境、设备等因素影响，北斗导航系统提供的高精度地图将更好助力船舶的安全行驶。 基于5G、低轨道卫星的通信平台架构，为航运带来便利。基于通信平台可以简化船舶过闸繁琐的手续，节省过闸时间；向地面终端提供高清实时监控视频；搭建船舶定位导航系统。 4.1. 船舶过闸收费 随着科技的迅速发展，智慧航运是交通运输业发展的新趋势。过去船舶过闸的流程：登记、收费 [ 3 ]、调度、船舶进闸、超载查补/强档处罚、过闸确认。船舶过闸流程必须设立远方调度站，增大了工程建设成本和运营成本；过闸手续全部由人工处理，效率低；船舶身份只能用证书识别，耗时耗力，可靠性差。 实现船舶信息交互和手机终端APP，需要物联网采集大量数据。而5G以高速率、低时延、大带宽的优点成为目前实现智慧船舶的重要通信手段。5G环境下，可以提供更快的响应速度、更丰富的内容、更智能的应用模式及更直观的用户体验。 2020年12月1日，江苏省政务办和省交通运输厅联合召开“全省交通运输电子证照应用推进会”，部署道路运输经营许可证等5类交通运输电子证照通过江苏“政务服务码”在政务服务和行政执法场景中推广应用 [ 4 ]。实体证照的电子化实现了与公安部门身份证、驾驶证、行驶证、市场监管部门营业执照等电子证照的关联共享，实现跨部门实体证照免带。 电子证照解决了过去利用人工办理船舶各项服务的繁琐与不足。参照高速公路收费站车辆安装的ETC，船舶过闸收费同样可以采用先进技术简化手续、节省过闸时间。船员只需要在手机端下载APP，将联合调度与移动数字化相结合，实现船闸智能一体化联合调度。APP不仅是船只通过闸门的通行证，船员经过身份认证后还可以通过查看APP知晓航道有关的信息，这些数据可以帮助船只快速了解船闸的通航船舶数量，闸门排队进程，水位情况等基本信息，以便合理规划航运计划。同时支付增加了微信、支付宝等多种方式，线上支付更加方便快捷。 图9. 船闸综合服务系统物理架构图 如图9所示的船闸综合服务系统架构图，当船舶准备过船闸时，会提前与无线通信基站进行信息交互，通过5G、低轨道卫星通信技术将船舶的信息、电子标签等通过船闸远程综合业务服务器进行数据采集，船舶无需停靠，船员只需在手机或其他设备终端处理过闸手续即可快速通过。 4.2. 高清实时监控视频传输 监控系统需要高清实时视频，光纤通信虽然可以满足大带宽的需求，但其存在一些缺点：质地脆，机械强度差；切断和接续需要一定的工具、设备和技术；分路、耦合不灵活；弯曲半径不能过小(>20 cm)；有供电困难问题。5G和低轨卫星通信的融合应用可以避免铺设大量的设设备、线路，同时可以满足大数据、高清实时视频传输的要求。 5G技术需要建设大量基站，而船舶在过湖时，无地面可以建设基站，此时无法通过5G基站进行数据传输，低轨道卫星可以有效解决海洋、湖泊等偏远地区的通信问题。 5G与卫星网络的融合通信如图10所示，融合5G与低轨卫星的具体方案有：1) 在有陆地的岸边，密集铺设5G基站，以便船舶间通信；2) 在海域上空利用低轨卫星与5G基站进行信息交互，将远距离船舶的位置信息、远处的水域状况等及时反馈到船舶接收端，以便船员及时作出应急措施。 低轨卫星通信与5G融合网络支持船员和岸上控制端在低轨5G接入网与地面5G接入网间无缝切换，主要是通过在船舶的移动平台上安装具有低轨星座接入能力的通信终端，即可在移动过程中保持连续、不间断的5G网络接入服务。5G与卫星的融合能更完善通信网络，丰富卫星通信和地面通信的内容。 依靠地面基站的通信方式，会存在两个基站之间位置过远而导致信号无法送达或者信号被遮挡的问题。对于只在船舶上建设5G基站的方式，现有的通信方式和定位系统无法保障船舶行驶的安全性和信息传输的高效性。而低轨道卫星因为离地面近，可以提供更大的信号接收发射角度，更强的信号。 图10. 5G与卫星网络的融合通信 低地球轨道(LEO)卫星通信系统有助于提供清晰的地球表面图像。它还为最终用户提供了详尽的详细图像和其他因素，例如任务连续性效率，在轨数据等。LEO有效载荷数量的增加为开发卫星部署系统提供了有利的机会。低地球轨道卫星还将实现高精度地图服务。 4.3. 船舶定位导航 确保船舶的安全、平稳行驶，在满足高清实时监控视频传输的前提下，还需要通过船舶的定位导航系统获取水域上所有船舶的位置，航速等信息，以便及时获取水域交通状况，及时调度，保证航行的安全、高效(见图11)。 过去，结合AIS [ 5 ] 和GPS [ 6 ] 系统实现在网络平台上对船舶定位导航，但这两种技术各有特点，也存在一些不足。 AIS [ 7 ] 适合开阔水域船舶航行和海事监管工作。但在内河通航水域，其一些主要优势功能难以发挥，如它的避碰功能、导航功能在狭窄的内河航道和船舶密度较大的水域应用价值不够大。另外，它还有一些不足：一是存在船舶终端安装成本和岸台基站建设成本均较高、系统建设使用操作复杂、船上运行环境恶劣影响正常使用等问题；二是由于AIS对外自动发出的有关本船的船名、船籍港等报文信息均为船上AIS使用人自行录入，存在一定的信用，以及汉化释义问题。 GPS系统可实现海事等管理部门对相关船舶的实时动态跟踪监督，及时发现船舶是否有超越航区违规航行，或一旦发生事故可快速查找到事故发生地点；另外可通过轨迹回放功能了解船舶的运行轨迹，协助有关事故调查取证等；还可以通过GPS平台发布信息。 GPS的不足主要有：对船主的服务不够多，信号覆盖不够好；船舶尤其是小型船舶的物理环境条件一般较差，如温湿度随气候季节变化反差巨大、船上供电不稳等，容易导致GPS终端损坏或工作不正常，因而难以发挥其应有的作用；使用GPS的船舶需要较高的一次性设备安装费用，及一定的月租费来维持正常运行，使用成本较高。 图11. 船舶高精度定位系统 北斗导航系统 [ 8 ] 采用三种轨道卫星组成的混合星座，较多的高轨道卫星提供了高精度的抗遮挡能力，低轨道卫星因为离地面近，可以提供更大的信号接收发射角度，更强的信号。低轨增强为卫星导航带来的新赋能：1) 低轨卫星轨道低、重量小，卫星造价和发射成本较低；2) 落地信号强度更高，可改善遮挡遮蔽条件下定位效果，提升可用性；3) 低轨卫星运行速度快，加快高精度定位收敛时间，用户体验更优；4) 更高的信息速率，能播发更多的精密改正信息；5) 终端小型化、集成化、低功耗，易于用户使用。增加低轨卫星通信，一方面可以扩充5G地面通信网所无法覆盖的区域，另一方面其承载更高信息速率和带宽使得卫星导航更加精准。 与传统导航地图相比，北斗卫星导航高精度地图 [ 9 ] 的图层更多，地图信息量更大、更复杂。高精度地图有更详细的内河航道信息，比如前方船舶形式速度，水域情况等。 在船舶的行驶中，需要利用导航技术 [ 10 ] 来运行，即北斗导航系统，包含卫星定位，速度检测、高清地图、航位推算等，而在充分利用这些技术后，可以很好地对船舶的位置、状态等进行信息交互，从而确保航行的安全、质量。同时，利用这些技术也可以很好的缓解水上交通的拥堵现象，及时调度或转换航线。 利用5G及低轨卫星通信技术可以开发一款数字化地图软件，像百度、高德地图，他们使用的GPS，而这款软件则搭载北斗导航系统，并且只针对于航运，涵盖所有船舶行驶的水域，在船舶控制室内下载安装导航APP [ 11 ]。船员按需求点击APP提供的各项功能，即可实时掌握航道及附近船舶的所有信息，如船舶位置、航速、闸道交通状况、水位、天气等。