基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法

本发明涉及多船避碰和区块链技术，具体涉及一种基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法。

背景技术：

1、在实际航行中，避免碰撞的有效解决方案涉及船舶与船舶之间的协调、合作和互动，特别是在繁忙水域，多船会遇、交叉等情况十分常见，此时船舶间在信息交换的前提下进行分布式协同决策，在《国际海上避碰规则》的约束下，共同合理规划避碰策略以降低碰撞风险。e-航海为船舶避碰带来了新的技术选项，类似于传统船舶之间使用基于甚高频的语音沟通，航线交换将使船舶和海事管理机构更加清晰直观地理解多船会遇海域内的船舶航行态势。船舶可以接收邻近船舶的计划航线，并相应地调整自己的航线。

2、区块链是一种随时间不断增长，利用密码学、p2p网络、智能合约以及共识机制等技术将数据块连接在一起的链式结构，同时也是一个分布式账本，具有去中心化、匿名性、透明性、可追溯性、防篡改性等特性。

3、区块链的去中心化和不可篡改性确保所有参与方能够查看并验证航线交换数据的历史记录，提高各方之间的信任，并减少由于信息不对称引起的纠纷。此外，区块链使用加密技术来保护数据，确保只有授权的参与者可以访问和修改相关信息，其数据结构也使得任何数据的篡改都会被立即检测到，保证了数据的完整性。通过智能合约，区块链可以自动执行预先定义的规则和协议。使用区块链技术，还可以创建统一的标准和协议，确保不同系统之间的数据互操作性和兼容性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，能够加强多船协同避碰时的互操作性，并提高海上航行的交流效率和安全。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，工作于以船舶为节点的船联网上，基于流言协议和关系网络建立网络组织，并形成区块链运行环境；其中，

3、每艘船舶通过自主决策生成计划航线，基于所述船联网向其他船舶广播本船的计划航线，同时对接收到的其他船舶的计划航线进行多轮评议，遵循预定的航线表示方式及航线交换协议持续协商，形成令各节点都认可的终议航线；被选举作为轮值见证人的船舶，以固定的时间间隔轮流收集各轮次评议生成的航线交换信息，然后按预设的格式编码经过区块链的流言传播、验证、组装成区块并广播到非轮值见证人的船舶，由非轮值见证人的船舶收到最新的区块后进行验证，验证通过后将最新的区块增加到所述其他船舶的本地区块链；所述的轮值见证人通过使用基于dpos共识机制的区块链算法，每隔一定时间举行见证人选举而产生；

4、所述的每艘船舶均具有自身的信誉值，信誉值基于区块链技术，通过船舶对终议航线的履行程度以及是否获得高分航线来确定和更新，并记载在区块链上；所述的高分航线是指该条航线受到其他船舶较好的整体评价；船舶之间的信息交互则需要消耗区块链燃料，其中区块链燃料有不同的获得和使用消耗途径。

5、按上述方案，所述的航线表示方式具体为：

6、航线由航路点和航段构成，航路点仅包含位置标签和时间标签，航段表示航路点之间的连接部分；船舶shipj规划的第i条航线上的航路点表示为其中shipj是唯一能标识船舶身份的数字id，j为船舶的编号，表示到达该航路点的时间，表示shipj广播的航线上的航路点总数，λ表示其中某个航路点，在二维海域平面上表示为其中表示航路点的经度，表示航路点的纬度；shipj拥有自身的信誉值和区块链燃料，具体值记载在区块链上；船舶将自己的航线计划广播到周边船舶时，包含的信息要素有

7、按上述方案，所述的航线交换协议包括：

8、涉及避碰场景的船舶加入到一个群组，在群组范围内启动协商；

9、第一轮商议：群组内的船舶将计划航线在群组内广播，并对群组内其他船舶提出的计划航线依据既定的评议规则进行投票评议，通过为1、反对为0；群组内一艘船舶的评议结果为群组内其他船舶对所述一艘船舶的计划航线的评议结果的加权和，其中每艘船舶的权重为该艘船舶的信誉值占群组内船舶总信誉值的比重；评议结果在预设值范围内的船舶，提出的计划航线称为所述的有效航线，否则为无效航线；

10、以后每一轮商议：保留上一轮商议中已产生的有效航线；群组内未产生有效航线的船舶重新规划计划路线并广播，由群组内所有船舶再次依据既定的评议规则进行投票评议；重新规划的计划路线满足对已产生的所有有效航线的整体避让，并为上一轮商议过程中对自身的计划航线投反对的船舶进行避让；

11、直至群组内所有船舶均产生有效航线，商议结束，所有有效航线的组合构成所述的终议航线。

12、按上述方案，所述的评议规则包括安全性评议和直行让路关系评议；其中，

13、所述的安全性评议为：判断本船与他船的计划航线之间无碰撞风险，则给他船的计划航线评议通过；

14、所述的直行让路关系评议为：当本船与他船的计划航线之间存在碰撞风险，那么：在可能碰撞的区域，若本船计划航线为直行航线，他船计划航线为让路航线，则给他船的计划航线评议反对；在可能碰撞的区域，若本船为让路，他船为直行，则给他船的计划航线评议通过，并修改本船的计划航线。

15、按上述方案，通过本船与他船的计划航线间的最近时空距离，判断本船与他船的计划航线之间是否存在碰撞风险；

16、所述的航线间的最近时空距离cstd具体计算如下：

17、航线间的cstd定义为在时-空维度上，两条船舶计划航线之间距离的最小值。对于由离散航路点序列表示的两条航线和得到航线间cstd包括两个步骤，首先将航路点进行插值拟合，得到连续的航线函数，其次在两个航线函数上找到满足时空距离最近的时间，并得到cstd；

18、通过三次样条插值可以计算得到上述航路点关于t的拟合函数和其中t为两条航线共同的时间变量；

19、设当时，取得最小值，那么这个值就表示两条航线的cstd；若则不存在碰撞风险，若则存在碰撞风险，其中conflictthreshold是一个预定义的船舶间安全阈值常量；

20、航线由一系列带有时间标签的航路点构成，通过两条航线的地理位置交点来反映它们的直行-让路关系；存在碰撞风险的航线之间的直行-让路关系由其地理位置交点的时间标签决定，到达交叉点时间较早的航线确定为直行航线，后通过的航线确定为让路航线，由此得出船舶航线间的两两直行-让路关系，直行-让路关系由各轮次需要广播评议的计划航线决定。

21、按上述方案，所述区块链燃料的获取途径包括：由实际货币作支撑的、节点主动发起的交易，通过信誉值来兑换；在所述的评议中，对得到高分航线的船舶给予一定的区块链燃料作为奖励，由智能合约支撑；作为轮值见证人的船舶得到一定的区块链燃料作为区块打包费，由区块链协议本身支撑；

22、所述区块链燃料的使用消耗包括：向其他船舶广播本船的计划航线时消耗，由智能合约支撑；给他船的计划航线评议反对时消耗，由智能合约支撑；每个参与评议的船舶支付一定的区块链燃料，由区块链协议本身支撑，支付的区块链燃料一部分作为得到高分航线的船舶的奖励，另一部分作为轮值见证人的区块打包费。

23、按上述方案，所述的高分航线具体满足以下条件：待判断的计划航线为有效航线；对所述的待判断的计划航线的评议结果为所有评议结果中的最高分；

24、对高分航线的船舶给予一定的信誉值作为奖励。

25、按上述方案，所述的对终议航线的履行程度具体为：

26、智能合约计算船舶实际行驶航线与终议航线的差异值，若差异值在规定的阈值范围内，则调增对应船舶的信誉值，反之则减少对应船舶的信誉值。

27、按上述方案，所述的见证人选举具体如下：

28、由整个系统下的所有船舶提名初始见证人；

29、获得提名最高的前若干名船舶成为轮值见证人，轮值见证人具有一定的任职周期；

30、在每轮轮值见证人的任职周期到期后，组织除轮值见证人以外的所有船舶进行提名选举，获得提名最高的前若干名船舶替换在任时间最长的同数量的轮值见证人；

31、航线交换协议中所包含的信息交互都视作区块链的交易，并基于区块链的交易和验证机制由轮值见证人加载到一致共享的区块链数据中。

32、按上述方案，所述的非轮值见证人的船舶收到最新的区块后进行验证，具体包括：

33、进行区块头验证，检查区块头的格式是否正确，并确保区块头中的前一区块哈希值与当前链上最新区块的哈希值匹配，时间戳比当前时间早、并且与前一区块时间戳的时间差在一定范围内；

34、见证人权限验证，节点需要确认生成区块的见证人是否有权力在当前轮次中生成区块，通过验证见证人签名和检查见证人列表来完成；

35、交易验证，节点需要对区块中的每笔交易进行验证，确保每个交易的格式正确、数字签名有效、没有双重支付问题，以及每个交易的输入总和大于或等于输出总和；

36、进行merkle树验证，确保区块中的交易哈希值与区块头中记录的merkle根匹配。

37、本发明的有益效果为：本发明基于区块链运行环境，在多船会遇并蕴含碰撞的场景中，通过多轮评议的方式展开协同避碰，最终产生各方均认可的终议航线，从而加强多船协同避碰时的互操作性；同时通过船舶计划航线的打分、检验船舶对终议航线的履行程度，对船舶进行一定的奖惩约束；基于dpos共识机制选取轮值见证人，轮流负责验证航线交换信息的合规性并打包成区块，区块中记录了航线交换和协商过程中的关键交互信息。本发明对多船协同避碰互操作过程用区块链进行记录，其不可篡改性和公开性由区块链得到保证，由此加强陌生船舶间航线交换信息的可靠和可信性，进而提高海上航行的交流效率和安全。

技术特征：

1.一种基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：工作于以船舶为节点的船联网上，基于流言协议和关系网络建立网络组织，并形成区块链运行环境；其中，

2.根据权利要求1所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：所述的评议规则包括安全性评议和直行让路关系评议；其中，

5.根据权利要求4所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：通过本船与他船的计划航线间的最近时空距离，判断本船与他船的计划航线之间是否存在碰撞风险；

6.根据权利要求1所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：所述区块链燃料的获取途径包括：由实际货币作支撑的、节点主动发起的交易，通过信誉值来兑换；在所述的评议中，对得到高分航线的船舶给予一定的区块链燃料作为奖励，由智能合约支撑；作为轮值见证人的船舶得到一定的区块链燃料作为区块打包费，由区块链协议本身支撑；

7.根据权利要求3所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：所述的高分航线具体满足以下条件：待判断的计划航线为有效航线；对所述的待判断的计划航线的评议结果为所有评议结果中的最高分；

8.根据权利要求3所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：所述的对终议航线的履行程度具体为：

9.根据权利要求1所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：所述的见证人选举具体如下：

10.根据权利要求1或9所述的基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，其特征在于：所述的非轮值见证人的船舶收到最新的区块后进行验证，具体包括：

技术总结
本发明提供一种基于区块链的可信航线交换协议与多船协同避碰互操作方法，每艘船舶通过自主决策生成计划航线，遵循航线交换协议向其他船舶广播本船的计划航线，同时对来自其他船舶的计划航线进行评议，持续协商形成令各方都认可的终议航线；船舶实际航行数据与终议航线之间的相符程度，作为衡量这艘船舶信誉的依据；采用基于DPoS共识机制，选取轮值见证人，轮流负责验证航线交换信息的合规性并打包成区块，区块中记录了航线交换和协商过程中的关键交互信息。本发明对多船协同避碰互操作过程用区块链进行记录，其不可篡改性和公开性由区块链得到保证，由此加强陌生船舶间航线交换信息的可靠和可信性。

技术研发人员：汪洋,叶强生,叶挺,王腾飞,陈德山
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5