[科普中国]-电子海图显示与信息系统

简介

ECDIS（电子海图显示与信息系统）是指符合有关国际标准的航用电子海图系统。它以计算机为核心，连接定位、测深、计程仪、雷达等设备，以ENC（电子海图\航道图）为基础，综合反映船舶行驶状态，为船舶驾驶人员提供各种信息查询、量算和航海记录专门工具，是一种专题地理信息系统（GIS）。ECDIS相关的国际标准有：S57—IHO水道测量数据交换标准；S52—电子海图内容与显示规范；S58—推荐ENC验证检查标准；S63—IHO数据保护方案；IEC61174—ECDIS硬件检测标准等。

电子海图显示与信息系统组成ECDIS的组成和一般的电子海图系统类似，主要包括硬件、软件、数据三部分。所不同的是硬件、使用数据以及功能方面的标准应根据国际标准进行设计和配置。

系统硬件组成ECDIS实质上由一个具有高性能的内、外部接口且符合IHO S-52标准要求的船用计算机系统和相应传感器组成。系统的核心是高速中央处理器和大容量的内部和外部存储器。外部存储器存储容量应保证能够容纳整个ENC、ENC更新数据和SENC。

中央处理器、内存和显存容量应保证显示一幅电子海图所需时间不超过5s。事实上，随着计算机硬件技术的迅速发展，加上对SENC的合理设计，完全可以做到在1s内完成一幅电子海图的显示。

系统显示器可以配置1个也可以配置多个，其尺寸、颜色和分辨率应符合IHO S-52标准的最低要求。无论配备几个显示器，海图显示区的最小有效尺寸应为270mm * 270mm，不少于64种颜色，像素尺寸小于0.312 mm。

文本可以与海图显示在同一个显示器的海图要求的最小区域(270mm * 270 mm)之外部，也可以单独设立文本显示器。文本显示区或显示器用于显示航行警告、航路指南、航标表等航海咨询信息。

内部接口应包括图形卡、声卡、硬盘和光盘控制卡等。以光盘或软盘为载体的ENC及其改正数据，以及用于测试ECDIS性能的测试数据集可通过内部接口直接录入硬盘，船舶驾驶员在电子海图上所进行的一些手工标绘、注记，以及电子海图的手动改正数据的输入等可通过键盘和鼠标实现。同扬声器相连接的声卡，用以实现语音报警。

利用打印机可实现电子海图和航行状态的硬拷贝，以便事后分析。外部接口一般是含有CPU的智能接口，保证从外部传感器接收信息（如GPS、罗经、雷达、AIS、计程仪、测深仪、风速风向仪、自动舵等设备的信息）并按照一定的调度策略向主机发送这些信息。

通过船用通信设备不仅可以自动接收ENC的改正数据，实现电子海图的自动更新，而且还可接收其他诸如气象预报数据等。

通过与其他传感器连接，ECDIS可以接收、解析、处理各种传感器数据并以文字或图形等方式显示，从而可以为航海人员集成显示所需信息并提供有效的决策支持。定位设备（如GPS、DGPS等）、陀螺罗经、航速与航程测量设备（如计程仪）是性能标准所要求的必须与ECDIS连接的三类传感器，对于未装有陀螺罗经的船舶，可采用首向发送装置代替。此外，性能标准也对ECDIS与雷达、AIS的连接要求做了较为详细的规定，但并没有强制要求与这两类传感器连接。实际上，许多ECDIS产品基本能与主要的船舶助航设备连接，如测深仪、风速风向仪、自动舵等。

系统软件组成ECDIS软件是ECDIS系统的核心，该软件需要包括以下基本功能模块：

1)海图信息处理

由ENC向SENC转换软件、电子海图自动和手动改正软件、海图符号库的管理软件、航海咨询信息的管理软件、电子海图库的管理软件、海图要素分类及编码系统的管理软件、用户数据的管理软件等。

2)电子海图显示系统

电子海图合成软件（给定显示区域、比例尺和投影方式，搜索合适的海图数据并进行投影和裁剪计算，生成图形文件）、电子海图显示软件（根据图形文件调用符号库，在屏幕上绘制海图）、电子海图上要素的搜索软件、航海咨询信息的显示软件。

3)航线设计

在电子海图上手工绘制和修改计划航线、计划航线有效性检验、经验（推荐）航线库的管理、航行计划列表的生成（每段航线的距离、航速、航向、航行时间等）。

4)传感器接口

与外部设备（如GPS、雷达、AIS、罗经、计程仪、测深仪、风速风向仪、卫星船站、自动舵等）的接口软件，以及从这些传感器所读取的信息的调度和综合处理软件。

5)航行监控

计算船舶偏离计划航线的距离、检测航行前方的危险物和浅水域、危险报警和警示等。

6)航行记录

用于记录船舶航行过程中所使用的海图的详细信息以及航行要素，实现类似“黑匣子”的功能。

7)航海问题的求解

船位推算、恒向线和大圆航法计算、距离和方位计算、陆标定位计算、大地问题正反解计算、不同大地坐标系之间的换算、船舶避碰要素( CPA、TCPA)计算等。1

ECDIS的优点电子海图系统可以进行自动航线设计、航向航迹监测、自动存储本船航迹、历史航程重新演示、航行自动警报(如偏航、误入危险区等)、快速查询各种信息(如水文、港口、潮汐、海流等)、船舶动态实时显示(如每秒刷新船位、航速、航向等)，将雷达/ARPA的回波图像叠显在海图上，数千幅海图的自动更正只需几分钟。

发展背景与基本构成电子海图的发展大致经历了三个阶段：

1）纸质海图等同物，1970年代末到1984年，人们主要是想减少体积和减轻海图作业的劳动强度，因此，仅仅是把纸质海图经数字化处理后存入计算机中。

2）功能开拓阶段，到1986年，人们开始挖掘电子海图的各种潜能。如在电子海图上显示船位、航线设计，显示船速、航向等船舶参数、报警等等。

3）航行信息系统阶段，将电子海图作为航行信息核心，包括电子海图数据库的完善，与雷达、定位仪、计程仪、测深仪、GPS、VTS、AIS等各种设备和系统的接口和组合等等。

多功能船用电子海图系统对保证船舶航行安全所起的重要作用，得到了IMO和IHO（国际航道测量组织）以及众多航海专家的认可。1986年7月，IMO和IHO成立了ECDIS协调小组，ECDIS各类标准和规范不断地建立和完善，各种性能优良的ECDIS产品也不断地推陈出新。
ECDIS是由主计算机系统、电子海图数据库、输入传感器、输出终端设备等四个基本部分构成。主计算机是电子海图的核心，需要用它完成大量计算、逻辑推理，很重要的一点是对计算机图形的处理。电子航行图（ENC）由官方授权发行。ECDIS除可以显示精确的电子海图以外，还应显示本船船位、航速、航向及周围目标的有关信息，因此，系统需要接入各种导航传感器及其他信息传感器。
系统终端设备包括图形显示器、打印机及航迹记录仪等。它要显示或输出海图各项航行要素的数据、人机对话的内容、告警信息、供航海人员操作使用的热键和菜单等。

电子海图显示与信息系统的发展趋势目前ECDIS的性能标准、海图显示规范、数据标准均已确立，为其合法化和普及铺平了道路。今后要解决的关键问题就是：要尽快建立覆盖全球的ENC以及海图改正服务网络；扩充ECDIS的标准功能，使其具备智能化的特点；同高精度定位系统、雷达避碰系统、船舶通信系统、车舵控制系统等进行集成，辅助制定操船决策，同时可以控制船舶以最经济的方式航行在最优航路上，提高航运效益。
目前，世界上某些海运技术开发公司已将其ECDIS同导航系统、ARPA、自动舵等连接在一起，构成了所谓的组合船桥系统。主要思路是将来自这些航海仪器的信息进行综合处理，向航海人员提供一个集成的信息环境，使其能迅速地做出操船决策，提高航行的安全性。让机器代替航海人员完成这项工作，以减小人为因素造成海难事故发生的可能性并且减少船员定额，已成为当今海运界关注的课题。
ECDIS可以实现在内河航道中的船舶导航。由于内河通航环境的特殊性，对定位的要求更高，特别是在闸区、桥区、狭窄河段等航区，在高精度的DGPS和动态电子江图的前提下，则可以在内河航道中实现高精度高可靠性的导航，从而在安全、疏浚、航道管理等方面带来非常可观的经济效益。2