0 引　言

船舶其运行状况与效率直接关系到全球经济的脉动与海洋资源的开发利用^[1]。船舶信息采集和检索系统实时采集船舶的航行数据、设备状态、环境参数等信息，为船舶运营者提供详尽、准确的数据支持，助力及时了解船舶的运行状况，发现潜在问题，并采取相应的措施进行干预，从而确保船舶的安全航行。

为此李志平等^[2]构建了港航物流信息系统，集成了船舶运输、货主与港口三方信息，采用排队论和随机过程优化港口群泊位资源共享。在船舶信息采集上，实现了对船舶运输动态、挂靠港选择及航线网络结构变化的实时监控；在检索系统方面，通过双层规划模型和时空网络分析，提高了港口群泊位资源分配效率，减少了等泊时间和物流成本。但是该系统在船舶遇到信号覆盖不稳定或信号盲区时，数据采集的实时性和准确性会受到影响，影响整个系统的运行效率和可靠性。斯园园^[3]构建智能化船岸一体数据管理系统，实现了船舶航行、机舱、货舱等关键系统数据的全面采集与船岸数据的实时交互。在此基础上，开发了故障诊断、货舱监测及货损分析等核心技术，显著提升了船舶管理水平。但是面向海上通信环境复杂多变影响，极易导致船岸数据交互的稳定性和可靠性下降，影响数据的实时性和准确性。张玉涛等^[4]通过双层嵌套主机设计、多传感器数据融合、自适应通信切换等技术手段，完成了船载终端系统的开发，实现了多源传感器的接入与数据处理，提高了数据传输效率与数据管理的智能化水平。但是该系统涉及多种通信协议和设备的集成，会由于差异性能通信协议和设备之间的兼容性问题，增加系统集成的难度和成本^[4]。

5G技术以其高速度、低时延、大连接数和广覆盖的特性，为船舶信息采集和检索系统提供了强大的技术支撑。为此本文设计基于5G通信技术的船舶信息采集和检索系统，并分析其性能。

1 船舶信息采集和检索系统 1.1 基于5G通信的船舶信息采集和检索系统架构

有效利用具备低延时、高可靠性的5G通信技术设计一个包含数据采集层、数据传输层、数据存储层以及数据应用层的船舶信息采集和检索系统，实现船舶数据的远程管理，实现多个数据应用部分之间的信息无障碍交互，系统架构如图1所示。

1.2 基于Zigbee的船舶信息采集层

选取网络结构的Zigbee网络拓扑结构作为系统数据采集层的网络结构，具体结构如图2所示。将GPS（全球定位系统）、罗经、速度传感器、声纳、测流仪等多种传感器作为Zigbee的终端设备，进行船舶位置、航向、速度信息以及水深水下地形水流速度等信息采集，获取船舶信息经数据路由器转发至Zigbee协调器后，实现船舶内部信息采集，将采集船舶信息上报至数据传输层，由5G通信网络统一实现船舶信息的外部传输。

1.3 基于5G通信技术的数据传输层

基于5G 通信技术设计的数据传输层是实现数据采集层获取数据到数据存储层进行综合分析的核心^[5]，也是保障整个系统通信效率的关键，数据传输层5G通信结构如图3所示。

1.4 数据应用层的船舶信息检索方法

为实现船舶信息检索，更好地满足应用对船舶信息的需求，首先需要对输入的检索信息进行关键词提取，依据关键词提取结果构建船舶数据的检索索引，以便在数据库中为检索信息匹配最佳的船舶数据检索结果。采用KL散度和TF-IDF（词频-逆文档频率）对检索信息进行关键词提取。在舰船信息检索中，不同数据源或不同时间段的信息可能存在差异。利用KL散度来量化这些差异，评估不同舰船数据分布之间的相似性，从而识别出那些对于检索最具代表性的关键词。这有助于减少因信息偏差带来的检索误差。KL散度计算表达式为：

$ D_{KL}(P|Q)=\int_{ }^{ }p(x)log\frac{p(x)}{q(x)}\mathrm{d}x。$

(1)

式中：在舰船信息检索中，$ P $为理想情况下正确检索的概率分布；Q为检索系统根据检索信息和现有舰船信息数据库计算出的各个候选结果项被选中的概率分布，p(x) 、q(x)分别对应P、Q的概率分布函数。

TF（词频）为舰船相关术语在船舶信息中出现的频率，是衡量其在船舶信息中重要性的基本指标。其计算表达式为：

$ T{F_{ij}} = \frac{{{n_{i,j}}}}{{\displaystyle\sum\nolimits_k {{n_{k,j}}} }}。$

(2)

式中，$ {n_{i,j}} $、$ {n_{k,j}} $分别用于描述第$ i $个单词在舰船信息中出现频率、第$ j $个舰船信息中的总单词数量。一旦某个单词的出现频率较高，其成为关键词的概率就越大。

IDF（逆文档频率）则考虑了舰船信息检索关键词在整个数据集中的普遍重要性，降低了常见关键词的权重，增加了稀有但关键的舰船关键词权重。其计算表达式为：

$ ID{F_I} = \log \frac{{M + 1}}{{\left\{ {j:{t_i} \in {d_j}} \right\} + 1}} 。$

(3)

式中，$ M $、t_i、d_j、$ j $分别用于描述舰船信息总数、第$ i $个单词在船舶信息中出现的位置、含有t_i的船舶信息、含有t_i的船舶信息数量。

综合考虑KL散度和TF-IDF关键词的提取结果计算表达式为：

$ KL-TF-IDF_i=D_{KL}(P|Q)\cdot TF_{i,j}\cdot IDF_i。$

(4)

为此将式(4)所示的关键词提取结果作为检索船舶信息关键词，从数据库中检索所需要的船舶信息。

以提取到的检索信息关键词为依据，创建船舶信息检索索引，流程图如图4所示。确认提取到的关键词正确存在于存储器中后，建立船舶信息检索索引，找出关键词对应的船舶信息检索结果。通过式(5)计算输入关键词与船舶信息之间的语义相似度：

$ {\lambda _{sim}}({\gamma _i},{\gamma _j}) = \frac{{\gamma _i^2}}{{\left| {{\gamma _i}} \right| \times \left| {{\gamma _j}} \right|}}。$

(5)

式中，$ {\gamma _i} $、$ {\gamma _j} $分别用于描述船舶信息特征向量、关键词数量特征。通过比较全部船舶数据，按照$ {\lambda _{sim}}({\gamma _i},{\gamma _j}) $数值高低进行检索结果排序，按照检索需求，将$ {\lambda _{sim}}({\gamma _i},{\gamma _j}) $排序靠前的对比船舶数据作为检索结果进行输出，为多种船舶信息应用提供数据。

2 结果与分析

以某船舶为实验对象，应用本文设计系统进行该船舶信息采集、传输存储与管理。应用本文设计系统采集某时刻的船舶信息详情见表1。可知本文系统可以有效地通过集成多种传感器的Zigbee网络采集船舶的信息，获取的数据较为全面。

为验证本文系统应用5G通信技术进行船舶信息传输的效果，在岸基地面设立5G基站，在船端进行船舶信息端到端传输实验，测试船舶信息传输过程中的时延、用户附着以及FTP文件上传和下载情况，结果见表2。可知PING测试和附着测试均达到了100%的成功率，表明5G通信技术在船舶信息传输过程中提供了极高的连接稳定性。PING测试的时延均值为425.54 ms，表明5G通信技术即使在海上也保持了良好的实时性。FTP上传和下载测试的结果显示了5G通信技术在船舶信息传输中的高速性能。上行速率均值达到12.85 mbit/s，峰值更是达到18.45 mbit/s，这对于传输大量船舶数据来说是非常有利的。综上所述，5G技术在船舶信息传输中展现了高稳定性、低时延和高速率的显著优势

为验证本文系统的船舶信息检索效果，以“船舶B2BBC49在2022年9月18日12:30:00的航行状态”为输入，得到的船舶信息检索结果见表3。可知本文为输入检索输出了3个船舶信息，相似度大小分别为0.95、0.82、0.60，第一个结果的语义相似度高达0.95，表明它与输入查询高度匹配，是用户最可能需要的信息。因此系统将其排列在第一位。实验结果表明，该系统能够有效地从数据库中检索出与输入查询高度相关的船舶信息，并通过计算语义相似度对检索结果进行排序，从而为用户提供了最准确、最相关的检索结果。

3 结　语

本文设计的船舶信息采集和检索系统展现了其高效性和准确性。系统成功集成了多种传感器，实现了船舶信息的全面采集，并通过5G通信技术实现了船舶信息的低时延、高稳定性及高速率的传输。在船舶信息检索方面，系统能够根据用户输入准确检索出相关船舶信息，并通过语义相似度排序，为用户提供最匹配的结果。本文系统的设计不仅提升了船舶信息管理的效率，还为船舶的实时监控和数据分析提供了强有力的支持，具有较高的实际应用价值。