電子海圖信息系統(tǒng)(ECDIS)在船舶航行中的應(yīng)用

蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

電子海圖顯示信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display Information System，ECDIS)是在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計理念基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的一種智能化海圖，解決了在傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖上定位而產(chǎn)生的船位獲取滯后的問題，可以自動地將即時船位顯示在海圖上。ECDIS已在改善駕駛臺工作強度、航行安全、航線設(shè)計、船位監(jiān)控、避碰決策輔助及提高船舶營運效率上發(fā)揮積極的作用，成為現(xiàn)代航海中不可缺少的輔助導(dǎo)航、保障航行安全的工具。電子海圖顯示信息系統(tǒng)（ECDIS）被認(rèn)為是續(xù)雷達/ARPA之后在船舶導(dǎo)航方面的又一項偉大的技術(shù)革命。

1 電子海圖顯示信息系統(tǒng)ECDIS的組成

ECDIS是一種數(shù)字化的海圖，其中包括海圖數(shù)據(jù)庫、顯示系統(tǒng)、計算機軟硬件等各種輔助手段的綜合信息處理系統(tǒng)[1]， ECDIS是圖形數(shù)據(jù)的輸出終端，根據(jù)需要可快速查詢航行區(qū)域的海圖所提供的信息。在航行中，ECDIS的計算機處理器通過網(wǎng)絡(luò)控制著船舶的一些傳感系統(tǒng)，各種傳感器通過計算機進行的信息傳遞給設(shè)置系統(tǒng)，然后設(shè)置系統(tǒng)將輸入數(shù)據(jù)進行處理傳入海圖數(shù)據(jù)庫進行信息疊加，海圖數(shù)據(jù)庫是電子海圖系統(tǒng)的血液，由光柵海圖和矢量海圖組成，目的是使海圖能夠顯示在儀器的屏幕上提供數(shù)據(jù)信息保障，經(jīng)過處理后最終將準(zhǔn)確的信息傳遞給顯示系統(tǒng)顯示。本文就是要論述在航海中各種設(shè)備與電子海圖疊加。如圖1電子海圖數(shù)據(jù)疊加工作原理圖所示。

2 電子海圖顯示信息系統(tǒng) ECDIS與雷達模擬信號的數(shù)據(jù)疊加

雷達在觀測目標(biāo)時，尤其在跟蹤多個目標(biāo)時存在一定的局限性，從而限制了雷達系統(tǒng)的整體性能。在保障船舶安全航行時，需要雷達和ECDIS的交疊區(qū)域呈現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)情況。目前國外部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了雷達和電子海圖圖像疊加的功能，現(xiàn)在提出一種雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法，采集雷達的模擬視頻信號、觸發(fā)脈沖和方位信號，通過A/D轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和圖像處理，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像的匹配，完成雷達和電子海圖的疊加。

圖1 電子海圖數(shù)據(jù)疊加工作原理圖

2.1 雷達與電子海圖疊加過程

雷達模擬信號和電子海圖圖像疊加通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，把采集到的模擬信號數(shù)字化，按照方位信息對雷達目標(biāo)進行標(biāo)繪，并與雷達的觸發(fā)脈沖同步，形成極坐標(biāo)形式的數(shù)字化視頻信息，將其傳遞給圖像處理模塊。在圖像處理模塊中，極坐標(biāo)形式的視頻信息轉(zhuǎn)換為屏幕直角坐標(biāo)形式的視頻信息，對雷達視頻圖像在比例尺和顯示方式上進行處理，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像匹配，如圖 2 雷達模擬視頻與電子海圖圖像疊加流程圖所示。根據(jù)雷達收發(fā)機的位置信息，以電子海圖為底圖，完成雷達和電子海圖的疊加顯示。

圖2 雷達模擬視頻與電子海圖圖像疊加流程圖

2.2 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)

經(jīng)過初步處理后的數(shù)字雷達視頻圖像是以極坐標(biāo)形式顯示在顯示器上，在運算中雷達極坐標(biāo)系和海圖直角坐標(biāo)系進行轉(zhuǎn)換，進而處理雷達數(shù)字視頻圖像，使雷達視頻圖像和電子海圖的坐標(biāo)相一致。雷達極坐標(biāo)系和海圖直角坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

以O(shè)′點為原點的雷達極坐標(biāo)系和以O(shè)點為原點的海圖直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中 x1, y1為顯示中心值，這樣就能達到雷達圖像和電子海圖直角坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

2.3 雷達與電子海圖的圖像匹配

電子海圖具有任意縮放的特點，而雷達顯示量程是十分有限的，所以，我們基于電子海圖的縮放變化，對電子海圖進行合理的比例調(diào)整，實現(xiàn)雷達和電子海圖圖像的比例尺匹配。而且雷達顯示和電子海圖顯示方式不同，雷達存在北向上、船艏向上和航向向上等顯示方式，而電子海圖一般都是北向上的顯示方式。基于顯示方式不同的特點，可適當(dāng)對雷達圖像進行旋轉(zhuǎn)變換。一般可用數(shù)學(xué)仿射變換矩陣進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對圖像進行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，實現(xiàn)雷達和電子海圖的圖像匹配[2]。

3 電子海圖顯示信息系統(tǒng)ECDIS與VTS的數(shù)據(jù)疊加

VTS即船舶交通服務(wù)系統(tǒng)，是為了解決海上船舶航行安全與效率而建立的。VTS主要由水文/氣象系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與信息傳輸系統(tǒng)、交通顯示與控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，目的在于收集的水文氣象數(shù)據(jù)，港口和航道信息進行分析、評估和處理，從而完善出船舶交通管理制度，防止航道內(nèi)危險情況發(fā)生和保證船舶交通安全和高效航行。VTS監(jiān)控的重心放在港區(qū)水域和進出港航道，關(guān)注于碼頭的靠離泊作業(yè)和港區(qū)的船舶航行安全[3]。

我國VTS起步較晚，在設(shè)備運行、制度管理、人員培養(yǎng)等方面不夠完善。在船舶密集水域，船舶航行秩序混亂，交通事故頻發(fā)的情況下，ECDIS能夠使VTS向數(shù)字化導(dǎo)航廣播服務(wù)方向發(fā)展，確保VTS的安全服務(wù)盡善盡美。VTS監(jiān)控站通過數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)把在船舶交通管制作用范圍內(nèi)的各種船舶的位置和運動情況通報給所有相關(guān)船舶，在VTS監(jiān)控范圍內(nèi)的每艘船舶的ECDIS能夠準(zhǔn)確的顯示所接收到的其他船只位置和運動情況，這信息也被同時顯示在船舶交通控制中心系統(tǒng)上。并能夠查詢這些船舶的靜、動態(tài)情況。如果根據(jù)需要與他船建立通信聯(lián)系，在這區(qū)域范圍完全全面覆蓋的情況，可以及時建立相應(yīng)聯(lián)系[4]。

4 AIS與電子海圖顯示信息系統(tǒng) ECDIS的數(shù)據(jù)疊加

AIS即船舶自動識別系統(tǒng)，AIS也類似于VTS，可以周期性地發(fā)射和接收船舶的靜態(tài)信息（如船號、船只國籍、船舶名稱等）、動態(tài)信息（如船舶位置、對地航速、對地航向、航行狀態(tài)等）以及與航行相關(guān)的信息（如船舶吃水、危險貨物種類等）。在與ECDIS疊加過程中，系統(tǒng)采用多線程方式，主要不影響ECDIS海圖的顯示情況。主線程為ECDIS和AIS信息顯示，輔線程為AIS信息解碼。在對AIS信息解碼后，系統(tǒng)將各類信息存入AIS信息數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)AIS有更新或者添加時，系統(tǒng)首先查找各船舶信息鏈表，然后對數(shù)據(jù)庫中已存有的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的更新。當(dāng)AIS信息讀取時，系統(tǒng)建立一個體系。此體系中包含船舶動靜態(tài)信息。凡配有AIS的船舶都可以接收到這些信息，然后該AIS系統(tǒng)依據(jù)本船當(dāng)前位置選擇合適海圖，將讀取的它船經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，并判斷它船當(dāng)前位置的屏幕坐標(biāo)是否在ECDIS顯示區(qū)域內(nèi)，進而根據(jù)它船的船舶狀態(tài)選擇相應(yīng)船符進行顯示[5]，如圖4所示。AIS可以向航行船舶提供所在航行區(qū)域的實時交通動態(tài)和相關(guān)信息，最大限度地避免船舶碰撞，提高海上搜救的工作效率。

圖4 AIS信息在ECDIS系統(tǒng)上疊加顯示流程圖

AIS系統(tǒng)也能夠與其他輔助設(shè)備相連，便捷地從這些輔助設(shè)備中輸入數(shù)據(jù)，其外部終端是ECDIS。電子海圖與AIS的信息相疊加，可使將自己的導(dǎo)航信息和其他船只的信息全部顯示在電子海圖上，這樣可以解決在監(jiān)控盲區(qū)中，覆蓋不到區(qū)域中的船舶監(jiān)控問題。如果AIS向其他船舶或相關(guān)部門在必要時發(fā)送自己的航路計劃，并在ECDIS上能夠清晰地顯示。因此，ECDIS也是最好的顯示其信息的理想工具。AIS與ECDIS的疊加也可能擴大VTS交通服務(wù)覆蓋范圍。AIS信息能夠替代指揮管理VTS交通服務(wù)的信息，彌補了VTS有限的覆蓋范圍，進一步地提高了交通服務(wù)的覆蓋范圍。

在顯示時需要進行消除閃爍處理，造成圖像閃爍的原因是相鄰兩幀圖像之間存在著差異。系統(tǒng)利用雙緩沖技術(shù)原理，雙緩沖技術(shù)繪圖就是在屏幕上有圖形顯示以外，在內(nèi)存中也有圖形在繪制。也就是我們將要顯示的圖形先在內(nèi)存中繪制好，然后再將內(nèi)存中的圖形完全覆蓋到屏幕上去。當(dāng)貼到屏幕上時，因為內(nèi)存中最終的圖形與屏幕顯示圖形差別很小，這樣看起來就不會閃[6]。

5 結(jié)束語

所謂數(shù)據(jù)疊加，就是指將不同設(shè)備獲得的目標(biāo)船舶信息參數(shù)進行疊加處理，以消除單個設(shè)備的測量誤差，得到更加精確的參數(shù)值。但在現(xiàn)實航海中，電子海圖與雷達、AIS、VTS等設(shè)備的精度測量的結(jié)合還有些不完善的地方，如數(shù)據(jù)和信息交流不通暢，雖然設(shè)備捕獲目標(biāo)能夠顯示在海圖上，只顯示船位、航向、航速、及海域氣象信息等等，但沒有顯示水域交叉船舶危險信息，沒有其他船只的協(xié)同監(jiān)測。今后要解決的問題是：要盡快建立覆蓋全球網(wǎng)絡(luò)海圖信息系統(tǒng)以完善服務(wù)；對已有ECDIS的軟硬設(shè)備進行完善，使其達到智能化的要求；同高精度定位系統(tǒng)、雷達避碰系統(tǒng)、船舶通信系統(tǒng)、車舵控制系統(tǒng)等進行融合，實現(xiàn)信息的綜合處理與顯示；輔助制定操船決策，更大程度地保證船舶航行安全。

[1]柳桂財, 欒法敏. 電子海圖的種類和使用[J]. 世界海運, 2007, 30(4)： 31～33.

[2]鄧康全, 于浩, 竇玉寶. 雷達模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法[J]. 天津航海, 2010, (3)： 1～4.

[3]姜鳳嬌, 趙曉鳳, 趙樹平. VTS系統(tǒng)在航道交通管理中的應(yīng)用研究[J]. 交通科技, 2010, (2)： 106～108.

[4]陳晶晶, 薛祖軍. 關(guān)于創(chuàng)建區(qū)域 VTS中心的思考和建議[J]. 交通科技, 2011, (4)： 118～121.

[5]邢春光, 王直, 馬曉軍. AIS信息處理及其與電子海圖系統(tǒng)集成的研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2008, 30 (5)：92～94.

[6]張哲源, 熊慶國, 李文翔. 基于雙緩沖技術(shù)解決游戲開發(fā)中畫面更新問題[J]. 信息技術(shù), 2011, (8)：17～19.