綜合船橋背景下船用雷達(dá)、AIS與ECDIS的綜合應(yīng)用

張正生 張樹(shù)奎 謝保峰

摘要：本文介紹了雷達(dá)、AIS與ECDIS的主要功能，分析了三種系統(tǒng)在綜合船橋背景下綜合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)，并對(duì)其在未來(lái)智能船舶時(shí)代的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá);AIS;ECDIS;綜合船橋系統(tǒng);綜合應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U644.4 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著科技的發(fā)展，各種新型導(dǎo)航設(shè)備不斷涌現(xiàn)，但這些設(shè)備相對(duì)獨(dú)立、布置分散，各種導(dǎo)航信息缺乏有效的整合，這就給值班駕駛員（Officer of the Watch， OOW）作出綜合判斷帶來(lái)了很大壓力，也導(dǎo)致OOW容易出現(xiàn)判斷失誤。為了避免這種誤判，必須合理、集成地布置駕駛臺(tái)導(dǎo)航設(shè)備，特別是在功能上對(duì)各種導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行綜合和優(yōu)化，向OOW提供經(jīng)過(guò)有效整合的綜合導(dǎo)航信息。在這種背景下，綜合船橋系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并在航海生產(chǎn)實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

如圖1所示，雷達(dá)、AIS和ECDIS既是綜合船橋系統(tǒng)中最重要的三個(gè)設(shè)備和傳感器，也是綜合船橋系統(tǒng)中人機(jī)交互界面的硬件基礎(chǔ)。因此，雷達(dá)、AIS以及ECDIS在綜合船橋系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用對(duì)于船舶航行安全至關(guān)重要。

1 船用雷達(dá)、AIS與ECDIS及各自的主要功能

1.1 船用雷達(dá)系統(tǒng)及其主要功能

船用雷達(dá)是現(xiàn)代船舶駕駛臺(tái)上最重要的導(dǎo)航儀器之一，自二戰(zhàn)之后應(yīng)用于商船，至今已有幾十年歷史。早期船用雷達(dá)利用微波段電磁波直線傳播和反射的原理，只能獲取目標(biāo)的方位和距離。自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域廣為應(yīng)用，船用雷達(dá)的計(jì)算機(jī)處理部分通過(guò)對(duì)目標(biāo)持續(xù)的跟蹤，能夠準(zhǔn)確快速獲取目標(biāo)的方位、距離、航向、航速、DCPA、TCPA等避碰參數(shù)，并直觀地顯示出來(lái);幫助OOW判斷碰撞危險(xiǎn)，制定避碰決策，采取相應(yīng)的避碰行動(dòng)，并核查避碰行動(dòng)的有效性，確定恢復(fù)原航向 / 航速的時(shí)機(jī)，在船舶避碰應(yīng)用中顯示出特有的優(yōu)越性。在現(xiàn)代船舶的綜合船橋中，船用雷達(dá)既被看作保持正規(guī)暸望、避免船舶碰撞的有效手段，也被認(rèn)為是航行定位、導(dǎo)航的重要儀器之一，是避碰無(wú)可替代的信息終端，是避碰工作站重要的硬件基礎(chǔ)[1]。

1.2 AIS及其主要功能

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是可以在VHF的87頻和88頻上，在一定的作用范圍內(nèi)，進(jìn)行船-船和船-岸的識(shí)別、導(dǎo)航和通信信息的傳輸，自動(dòng)完成船-岸和船-船識(shí)別的現(xiàn)代助航系統(tǒng);可以不依賴?yán)走_(dá)自動(dòng)發(fā)送本船AIS信息、獲取目標(biāo)船航行數(shù)據(jù)，改善船舶避碰信息狀況。[2]AIS船臺(tái)通常由一個(gè)VHF發(fā)射機(jī)、兩個(gè)VHF接收機(jī)、一個(gè)GNSS接收機(jī)、一個(gè)通信處理器以及人機(jī)交互界面組成。AIS系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）自動(dòng)連續(xù)地接收船臺(tái)、岸臺(tái)的AIS信息，自動(dòng)連續(xù)地發(fā)射本船的AIS信息。

（2）對(duì)與安全有關(guān)和優(yōu)先級(jí)別高的的調(diào)用優(yōu)先回應(yīng)。

（3）作為VTS的工具向主管部門(mén)提供船舶和貨物信息，幫助其對(duì)船舶進(jìn)行精確跟蹤和動(dòng)態(tài)監(jiān)視。

（4）提供標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出數(shù)據(jù)的接口，接收其他設(shè)備的信息以及向其他設(shè)備輸出信息，以作為綜合船橋系統(tǒng)中最重要的一個(gè)目標(biāo)信息來(lái)源。

1.3 ECDIS系統(tǒng)及主要功能

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）是通過(guò)專用計(jì)算機(jī)的控制，把海圖信息、船位信息、雷達(dá)信息等其他船舶動(dòng)態(tài)信息集中處理，并主要以圖文形式顯示在專用顯示器上的新型船舶導(dǎo)航及輔助決策系統(tǒng)，是繼雷達(dá)之后，航運(yùn)領(lǐng)域的又一里程碑式的重大技術(shù)應(yīng)用，是綜合船橋系統(tǒng)的航線設(shè)計(jì)工作站。其主要功能如下：

（1）以各種顯示方式進(jìn)行海圖顯示，并根據(jù)需要可分層顯示海圖信息。

（2）可以進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，是綜合船橋系統(tǒng)的航線設(shè)計(jì)工作站。

（3）可以通過(guò)人工、自動(dòng)或半自動(dòng)的方式進(jìn)行更新。

（4）可以查詢組成電子航海圖的物標(biāo)航海信息或者整個(gè)航線上的航行條件信息。

（5）可以對(duì)航行中的船舶， 按照事先預(yù)設(shè)的計(jì)劃航線進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管、計(jì)算偏離量等，必要時(shí)給出指示和報(bào)警。

（6）可以記錄船舶航行過(guò)程中所用海圖的詳細(xì)信息以及航行要素， 并具有法律效力。

綜上，單獨(dú)從三個(gè)設(shè)備的各自功能來(lái)看，它們各有短板，因此，最優(yōu)方案應(yīng)該是設(shè)備間的綜合應(yīng)用，組合互補(bǔ)。

2 船用雷達(dá)、AIS與ECDIS在綜合船橋背景下的綜合應(yīng)用

目前，隨著綜合船橋系統(tǒng)的普及推廣，雷達(dá)、AIS與ECDIS已很少被當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)航設(shè)備來(lái)使用，而是相互之間互為傳感器、互為子系統(tǒng)，在綜合船橋的框架之下綜合應(yīng)用。航海人員應(yīng)充分了解這三種設(shè)備綜合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)，充分發(fā)揮設(shè)備、系統(tǒng)組合互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，盡量避免其帶來(lái)的不利影響，確保航行安全。

2.1 船用雷達(dá)、AIS與ECDIS綜合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

2.1.1 信息高度集成

綜合船橋其中的一個(gè)基本思想就是要把相互獨(dú)立的設(shè)備信息有效整合，以供船舶駕駛?cè)藛T更為高效地使用。在目前主流廠商生產(chǎn)的綜合船橋系統(tǒng)中，基本都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在駕駛臺(tái)的任意一臺(tái)綜合顯示器上（兩個(gè)雷達(dá)綜合顯示器、一個(gè)或兩個(gè)ECDIS綜合顯示器），獲取AIS、雷達(dá)或ECDIS的所有信息，并且這種信息的集成不是簡(jiǎn)單的設(shè)備疊加，而是對(duì)功能的綜合和對(duì)信息的綜合處理。由此帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，它降低了OOW的工作強(qiáng)度和判斷失誤，大大改善了船舶導(dǎo)航的有效性和安全性。

2.1.2 信息更全面可靠

在單獨(dú)使用雷達(dá)、AIS或ECDIS時(shí)，OOW始終無(wú)法同時(shí)獲得航行時(shí)所需的航行環(huán)境或目標(biāo)的全部信息。比如，我們單獨(dú)使用雷達(dá)時(shí)無(wú)法獲得盲區(qū)內(nèi)、扇形陰影區(qū)被雜波淹沒(méi)的目標(biāo)信息以及周?chē)叫协h(huán)境的信息（潮、流、底質(zhì)等）;單獨(dú)使用AIS時(shí)無(wú)法獲得沒(méi)有安裝AIS設(shè)備的目標(biāo)信息以及周?chē)叫协h(huán)境的信息[3];單獨(dú)使用ECDIS時(shí)無(wú)法獲得周?chē)鷦?dòng)態(tài)目標(biāo)的信息。而在綜合船橋平臺(tái)上綜合應(yīng)用以上設(shè)備時(shí)，不同設(shè)備之間可以相互取長(zhǎng)補(bǔ)短。借助雷達(dá)、AIS與ECDIS的綜合，我們可以同時(shí)獲取雷達(dá)盲區(qū)內(nèi)、雨雪海浪雜波干擾區(qū)內(nèi)的目標(biāo)信息（AIS不存在近距離盲區(qū)，受雨雪海浪干擾?。?可以獲取周?chē)叫协h(huán)境中潮、流、底質(zhì)以及所有組成電子航海圖物標(biāo)的航海信息（ECDIS可查詢信息）;還可以獲得本船周?chē)鷦?dòng)態(tài)目標(biāo)的信息，包括那些沒(méi)有安裝AIS設(shè)備的動(dòng)態(tài)目標(biāo)（雷達(dá)可主動(dòng)獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)）。

綜上，通過(guò)不同設(shè)備的綜合應(yīng)用，可以同時(shí)獲取單一設(shè)備無(wú)法獲取的信息。并且不同設(shè)備獲取的同一目標(biāo)信息，可以經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)運(yùn)算后，大幅提高目標(biāo)信息的可靠性和可用度。船舶駕駛?cè)藛T在信息充分的基礎(chǔ)上，可以作出更為及時(shí)、準(zhǔn)確、全面的判斷，保障船舶航行安全。

2.1.3 目標(biāo)信息獲取更及時(shí)

從原理上看，無(wú)論計(jì)算機(jī)的處理速度有多快，雷達(dá)都要持續(xù)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤才能獲取目標(biāo)信息，因而無(wú)論多先進(jìn)的雷達(dá)都會(huì)存在跟蹤延時(shí)的問(wèn)題;而AIS從原理上看，獲取目標(biāo)的信息延時(shí)極短，特別是高動(dòng)態(tài)的目標(biāo)，對(duì)于船舶這樣速度的用戶來(lái)說(shuō)，在多數(shù)情況下幾乎可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)的。在綜合船橋的框架下，通過(guò)雷達(dá)、AIS和ECDIS的綜合應(yīng)用，我們可以利用AIS獲取目標(biāo)信息的低延時(shí)特性，提供給雷達(dá)和ECDIS更多的實(shí)時(shí)信息;在船只密集區(qū)，如碼頭、港區(qū)、河口等區(qū)域，迅速獲取環(huán)境與目標(biāo)信息，迅速作出判斷，迅速采取安全可行的避讓措施[4]。

2.2 雷達(dá)、AIS與ECDIS綜合應(yīng)用應(yīng)注意的幾點(diǎn)

2.2.1 統(tǒng)一公共基準(zhǔn)點(diǎn)

統(tǒng)一公共基準(zhǔn)點(diǎn)（CCRP）是指在本船上確定一個(gè)位置點(diǎn)，關(guān)于本船的所有水平測(cè)數(shù)據(jù)，方位、距離、目標(biāo)相對(duì)航向、目標(biāo)相對(duì)航速、CPA、TCPA，均以此位置點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)所得。通常，CCRP設(shè)為本船駕駛臺(tái)的指揮位置，在系統(tǒng)安裝時(shí)設(shè)定。在被明確標(biāo)示和能夠顯著區(qū)分的情況下，有的設(shè)備上可以設(shè)置多個(gè)CCRP，在航行中由駕駛?cè)藛T根據(jù)航行任務(wù)的需要酌情選擇。CCRP是多設(shè)備綜合應(yīng)用時(shí)保障精確觀測(cè)目標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)。因此，在雷達(dá)、AIS以及ECDIS多設(shè)備綜合應(yīng)用時(shí)，要特別注意CCRP設(shè)置是否合理。

2.2.2 傳感器誤差

當(dāng)雷達(dá)、AIS以及ECDIS多設(shè)備綜合應(yīng)用時(shí)，涉及到的關(guān)鍵傳感器主要包括：GNSS（位置）傳感器、THD（艏向）傳感器、SDME（速度與距離）傳感器、AIS本身以及雷達(dá)本身。這些關(guān)鍵傳感器的誤差在很大程度上決定了目標(biāo)數(shù)據(jù)的精度和對(duì)局面判斷的正確與否，尤其在航行精度要求高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、富余水深受限、航速較低等航行環(huán)境中，需要雷達(dá)、AIS以及ECDIS多設(shè)備綜合應(yīng)用協(xié)助航行，駕駛團(tuán)隊(duì)要特別注意這些關(guān)鍵傳感器提供極限數(shù)據(jù)精度的限制，避免盲目使用和疏于核查關(guān)鍵傳感器提供的數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的不利安全情景發(fā)生。

2.2.3 ECDIS本身局限性

ECDIS局限性包括：（1）軟件維護(hù)問(wèn)題。導(dǎo)致系統(tǒng)可能不滿足 SOLASA公約V192.14規(guī)定，不符合IHO《ENC產(chǎn)品規(guī)范》最新版本或表示庫(kù)，無(wú)法正確加載和顯示最新繪制的航道特征;或即使航道特征已經(jīng)包含于ENC，也可能無(wú)法啟動(dòng)應(yīng)有的報(bào)警和指示。（2）運(yùn)行異常問(wèn)題。隨著 ECDIS在船上強(qiáng)制配備，IMO收到了一定數(shù)量的 ECDIS運(yùn)行異常報(bào)告。如果 ECDIS作為本船海圖的唯一來(lái)源，則要特別注意駕駛團(tuán)隊(duì)對(duì)此應(yīng)有完備的知識(shí)儲(chǔ)備和充分的應(yīng)變能力。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然，現(xiàn)行的綜合船橋系統(tǒng)下船用雷達(dá)、AIS與ECDIS的綜合應(yīng)用對(duì)信息航海發(fā)展的推動(dòng)作用具有里程碑式的意義，但隨著信息航海深入發(fā)展，現(xiàn)行系統(tǒng)仍需繼續(xù)大幅改進(jìn)，以適應(yīng)智能化船舶時(shí)代的到來(lái)。筆者認(rèn)為未來(lái)航海導(dǎo)航系統(tǒng)之間的功能綜合和數(shù)據(jù)綜合處理（數(shù)據(jù)融合）將是更深度的融合，在智能識(shí)別、態(tài)勢(shì)評(píng)估和自動(dòng)航行方向會(huì)有很大的發(fā)展?jié)摿?，并且?duì)航運(yùn)的安全、高效和環(huán)保起到積極的作用。需要特別指出的是在船-船間、船-岸間信息傳輸方面，現(xiàn)行的AIS系統(tǒng)會(huì)因?yàn)槠鋫鬏攷捳鬏斔俣扰c效率低、傳輸協(xié)議版本陳舊等因素，注定不會(huì)是未來(lái)信息航海的最佳系統(tǒng)平臺(tái)和載體，會(huì)被全新的高速、高效、安全的船舶自動(dòng)信息傳輸技術(shù)取代。

（責(zé)任編輯：武多多）

參考文獻(xiàn)：

[1]趙燕.船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)雷達(dá)與AIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

[2]劉彤，陳鐸，張國(guó)強(qiáng).船舶綜合駕駛臺(tái)通信與導(dǎo)航系統(tǒng)[M].大連海事大學(xué)出版社，2012：188-211.

[3]苑靖國(guó)，張海奉.船用導(dǎo)航雷達(dá)和AIS綜合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與局限[J].科學(xué)創(chuàng)新與運(yùn)用，2012（2）：12-13.

[4]王小金.船載AIS和導(dǎo)航雷達(dá)在使用中應(yīng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[J].航海技術(shù)，2002（6）：30-31.