新一代ECDIS模擬器的初探與實(shí)現(xiàn)

曲峰德 劉晶晶

摘 要：為滿足STCW馬尼拉修正案中關(guān)于電子海圖顯示和信息系統(tǒng)（ECDIS）的培訓(xùn)、考試及發(fā)證的新要求，符合國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如電子海圖數(shù)據(jù)傳輸格式（S-57）、電子海圖顯示國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（S-52）及IEC 61174等，將船舶操縱和綜合信息顯示、虛擬三維視景通道、各種傳感器仿真設(shè)備融入到新一版ECDIS模擬器中。該新版模擬器可進(jìn)行基于ECDIS平臺(tái)的全功能、多任務(wù)的綜合船橋訓(xùn)練，滿足培訓(xùn)的各項(xiàng)需求，提高培訓(xùn)效率。

關(guān)鍵詞：ECDIS模擬器;船舶操縱;仿真設(shè)備;培訓(xùn)

中圖分類號(hào)：U666.158 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）06-0049-04

1 引言

隨著“電子航?！睉?zhàn)略的實(shí)施，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）在船舶導(dǎo)航和輔助決策中的地位日益突出。根據(jù)新版的STCW公約的要求，2012年7月1日或以后建造的500總噸及以上客船和3000總噸及以上油船最先強(qiáng)制要求配備1套ECDIS，在隨后幾年內(nèi)，現(xiàn)有及新造貨船也要強(qiáng)制要求配備安裝ECDIS[1]。隨著ECDIS的強(qiáng)制安裝和使用，依據(jù)STCW公約馬尼拉修訂案要求，需對(duì)船員進(jìn)行關(guān)于ECDIS操作及使用的培訓(xùn)和評(píng)估。同時(shí)，我國(guó)《中華人民共和國(guó)海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》也對(duì)此做出了相應(yīng)規(guī)定。

為滿足STCW馬尼拉修正案中新增的要求及中國(guó)海事局履約要求，各航海類院校及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都在致力于ECDIS的培訓(xùn)[2]。同時(shí)，各廠商和研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)推出一些ECDIS模擬器用以進(jìn)行相應(yīng)的操作培訓(xùn)和安全評(píng)估工作[3]。因此根據(jù)相關(guān)公約要求，并遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)了新一代的ECDIS模擬器。新版ECDIS模擬器并非簡(jiǎn)單選擇單機(jī)版ECDIS作為培訓(xùn)系統(tǒng)，而是將教練員站以及學(xué)員站的ECDIS、船舶操縱和綜合信息顯示系統(tǒng)（Conning）、虛擬三維視景通道、各種傳感器的仿真設(shè)備相集成，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、測(cè)深儀（Echo sounder）、計(jì)程儀（LOG）、磁羅經(jīng)（Magnetic Compass）、電羅經(jīng)（Gyrocompass）等。學(xué)員基于該ECDIS模擬器可進(jìn)行全功能、多方位的綜合訓(xùn)練，滿足STCW公約馬尼拉修正案對(duì)電子海圖系統(tǒng)的培訓(xùn)要求。

2 ECDIS模擬器的總體架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)單獨(dú)基于ECDIS模擬器就能夠完成STCW公約馬尼拉修正案中關(guān)于ECDIS的操作、培訓(xùn)和評(píng)估的要求，新版ECDIS模擬器由一個(gè)教練員控制站和若干個(gè)學(xué)員站組成[4]。其中，教練員站主要用于監(jiān)控學(xué)員訓(xùn)練過程、設(shè)置各種訓(xùn)練題目等;學(xué)員站作為學(xué)員訓(xùn)練培訓(xùn)的關(guān)鍵，集成了ECDIS、Conning、虛擬三維視景、各種傳感器的仿真設(shè)備、船舶操縱單元等模塊。

該版本ECDIS模擬器中教練員站和學(xué)員站之間通過局域網(wǎng)相連接，采用TCP/IP技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，不僅支持多達(dá)40個(gè)學(xué)員終端，且系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。教練員控制站與學(xué)員站的Conning、各傳感器、三維視景、船舶操縱單元等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，學(xué)員通過桌面式ECDIS模擬器即可完成ECDIS培訓(xùn)計(jì)劃的相關(guān)訓(xùn)練。

3 教練員控制站

教練員控制站是整個(gè)電子海圖培訓(xùn)系統(tǒng)的核心控制單元[5]。教練員可通過教練員控制站實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)員訓(xùn)練過程，并可編輯各種訓(xùn)練題目，如設(shè)置航行環(huán)境、特殊水域和交通狀況等。教練員控制站通過圖形界面、對(duì)話框、菜單按鈕、工具條等操作對(duì)象，為教練員提供簡(jiǎn)便的操作界面。通過教練員站可方便地實(shí)現(xiàn)：①編制各種訓(xùn)練題目;②控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)本船和各目標(biāo)船進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;③設(shè)置本船故障;④航行環(huán)境的實(shí)時(shí)控制（風(fēng)向、風(fēng)速、流向、流速、最大潮高、潮汐及潮時(shí)）;⑤目標(biāo)船號(hào)燈、號(hào)型的實(shí)時(shí)控制;⑥雷達(dá)回波的控制;⑦數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和各船航跡的動(dòng)態(tài)顯示和打印;⑧各本船訓(xùn)練過程的重演和打印功能;⑨主本船計(jì)劃航線的設(shè)計(jì);⑩與各本船間的通信。教練員控制站各功能模塊均集成在同一應(yīng)用程序中，教練員通過操作相應(yīng)菜單或工具按鈕，即可實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練題目的編輯和制作、本船模擬啟動(dòng)、本船運(yùn)動(dòng)控制等操作。教練員站界面如圖2所示。

4 學(xué)員站

學(xué)員站提供ECDIS、虛擬三維視景通道、綜合操作單元（包括Conning、船舶操縱單元、各種傳感器仿真設(shè)備、引航卡等），對(duì)學(xué)員進(jìn)行ECDIS綜合培訓(xùn)。

在該版ECDIS模擬器中，學(xué)員端有兩種可選的配置方案。第一種方案：雙屏顯示，由一臺(tái)主機(jī)支撐兩個(gè)顯示器，其中一個(gè)獨(dú)立顯示ECDIS，另一個(gè)獨(dú)立顯示綜合操作單元，包括Conning、船舶操縱單元、各種傳感器仿真設(shè)備、引航卡等。第二種方案：三屏顯示，其中兩臺(tái)顯示器由同一主機(jī)支撐，如圖3所示，用于獨(dú)立顯示ECDIS和綜合操作單元;第三臺(tái)顯示器由另外一臺(tái)主機(jī)獨(dú)立支撐，用于顯示高仿真三維視景通道。

4.1 ECDIS操作單元

在該模擬器中ECDIS操作單元為大連海事大學(xué)VDragon4000系列電子海圖導(dǎo)航系統(tǒng)，可用于船舶安全航行、航線計(jì)劃和航行監(jiān)控等。該電子海圖根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）、國(guó)際航道組織（IHO）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)[6]。與模擬器中各船舶導(dǎo)航傳感器仿真設(shè)備相連，可提供本船位置、航向、船艏向、航速、風(fēng)速、水深、AIS等信息，如圖4所示。

VDragon4000系列的ECDIS操作單元其功能完全滿足IMO關(guān)于ECDIS性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。其主要功能包括：①電子海圖的加載和更新;②海圖信息的顯示與控制;③本船實(shí)時(shí)標(biāo)繪;④目標(biāo)船動(dòng)態(tài)監(jiān)控;⑤航行監(jiān)控;⑥航線設(shè)計(jì);⑦航行記錄;⑧報(bào)警與指示;⑨航跡繪算;⑩信息集成;雷達(dá)圖像疊加等。其主要功能模塊如圖5所示。

4.2 三維視景通道

三維視景是模擬船橋的重要組成部分，也是IMO關(guān)于ECDIS操作使用的培訓(xùn)和評(píng)估不可或缺的部分[7]。其目的在于提高ECDIS模擬訓(xùn)練的環(huán)境真實(shí)感，用以提供港口水域的仿真三維視景，及本船周邊的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物標(biāo)，形成的虛擬環(huán)境高度真實(shí)且沉浸感強(qiáng)。視景采用OpenGL作為驅(qū)動(dòng)引擎，模擬景物包括本船、目標(biāo)船、岸線、海面、自然環(huán)境等，圖像顯示流暢，可實(shí)時(shí)渲染模擬港口水域的三維場(chǎng)景。同時(shí)可模擬雨、雪、霧等自然環(huán)境，如圖6所示，調(diào)節(jié)海浪、風(fēng)浪等因素。

4.3 綜合操作單元

為滿足STCW公約馬尼拉修正案的要求，產(chǎn)生模擬操作環(huán)境，在設(shè)計(jì)和研發(fā)新版ECDIS模擬器時(shí)，加入綜合操作單元。該單元由船舶綜合信息（Conning）、船舶操縱單元、各種傳感器的仿真設(shè)備、時(shí)鐘、引航卡組成，如圖7所示。其中，時(shí)鐘模塊用于顯示船時(shí)（LT）和世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）;引航卡用于顯示船舶各種靜態(tài)信息和船舶數(shù)學(xué)模型測(cè)試結(jié)果。

4.3.1 各種傳感器的仿真設(shè)備

在真實(shí)船橋中ECDIS集成了GPS、AIS、Echo Sounder、LOG、Magnetic Compass、Gyrocompass等航海儀器，可從以上儀器中獲得船舶航行信息。在新版ECDIS模擬器中引入各傳感器的仿真設(shè)備，ECDIS從各傳感器中獲取相應(yīng)信息，使每個(gè)學(xué)員站形成一個(gè)全功能的桌面式船橋系統(tǒng)。

根據(jù)STCW公約馬尼拉修正案及中華人們共和國(guó)海事局船員適任考試評(píng)估規(guī)范的相關(guān)要求，在開啟ECDIS時(shí)要檢查各傳感器信號(hào)是否正常接入。在該版ECDIS模擬器中接入各傳感器的仿真設(shè)備，并可控制各設(shè)備的正?；蚬收蠣顟B(tài)，而后把相應(yīng)信息傳給ECDIS并顯示，學(xué)員通過ECDIS提示信息檢查各傳感器是否正常接入。

在設(shè)計(jì)仿真設(shè)備時(shí)盡量保證學(xué)員在操作時(shí)的體驗(yàn)與操作真實(shí)設(shè)備時(shí)一致。各個(gè)仿真設(shè)備采用二維貼圖的方式逼真模擬操作界面，并對(duì)設(shè)備基本功能進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。磁羅經(jīng)和陀螺羅經(jīng)基于三維場(chǎng)景呈現(xiàn)，模擬羅經(jīng)的三維結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能，可對(duì)羅經(jīng)進(jìn)行正常交互[8]，磁羅經(jīng)如圖9所示。以上傳感器的仿真設(shè)備均如真實(shí)設(shè)備般可進(jìn)行信息的傳輸、設(shè)置、接收和顯示，與ECDIS形成一個(gè)整體，用于學(xué)員的綜合訓(xùn)練。

4.3.2 船舶操縱和綜合信息顯示（Conning）

船舶操縱模塊用于模擬不同類型船舶的操作、計(jì)算船舶航行時(shí)的水動(dòng)力。在該ECDIS模擬器中提供兩種操舵方式，軟件操舵和真設(shè)備操舵。在Conning中顯示當(dāng)前船舶的操舵模式（Steering mode）信息：自動(dòng)（AUTO）、隨動(dòng)（HAND）和應(yīng)急（NFU）三種模式。自動(dòng)操舵模式需在教練員站進(jìn)行設(shè)置，編輯好練習(xí)后發(fā)送到學(xué)員站，并在Conning界面顯示船舶航行信息;在隨動(dòng)操舵操縱模式下，可通過真實(shí)舵輪進(jìn)行操縱;在應(yīng)急舵模式下，可通過軟件進(jìn)行操舵，同時(shí)可利用模擬車鐘進(jìn)行加車操縱。

Conning用以顯示船舶航行過程中本船信息（左主機(jī)轉(zhuǎn)速、速度、航向、舵角、右主機(jī)轉(zhuǎn)速、經(jīng)緯度、LT和UTC）和環(huán)境信息（風(fēng)速、風(fēng)向、流速、流向、水深等）。在新版ECDIS模擬器中集成的Conning包含信息全面、界面美觀簡(jiǎn)潔、綜合性強(qiáng)，如圖10所示，為學(xué)員操作提供友好界面。

5 結(jié)語(yǔ)

新版ECDIS模擬器滿足STCW公約馬尼拉修正案的培訓(xùn)要求，符合IMO關(guān)于ECDIS的性能標(biāo)準(zhǔn)。使ECDIS培訓(xùn)不再是簡(jiǎn)單地學(xué)習(xí)ECDIS的操作，而是進(jìn)行基于ECDIS模擬器的全功能、多任務(wù)的綜合訓(xùn)練。ECDIS與船舶操縱、三維視景通道、各種傳感器等集成為學(xué)員站，通過局域網(wǎng)與教練員站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。新一代ECDIS模擬器在性能和功能上都有很大優(yōu)勢(shì)，能夠滿足學(xué)員培訓(xùn)的需求，為學(xué)員訓(xùn)練提供一個(gè)綜合平臺(tái)。

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基金項(xiàng)目：大連海事大學(xué)2016教學(xué)改革項(xiàng)目“關(guān)于‘育鵬輪航海技術(shù)專業(yè)畢業(yè)實(shí)習(xí)方案的研究”（2016Z01）