電子海圖信息系統(ECDIS)在船舶航行中的應用

蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

電子海圖顯示信息系統(Electronic Chart Display Information System，ECDIS)是在綜合導航系統的設計理念基礎上逐步發展起來的一種智能化海圖，解決了在傳統紙質海圖上定位而產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、航線設計、船位監控、避碰決策輔助及提高船舶營運效率上發揮積極的作用，成為現代航海中不可缺少的輔助導航、保障航行安全的工具。電子海圖顯示信息系統（ECDIS）被認為是續雷達/ARPA之后在船舶導航方面的又一項偉大的技術革命。

1 電子海圖顯示信息系統ECDIS的組成

ECDIS是一種數字化的海圖，其中包括海圖數據庫、顯示系統、計算機軟硬件等各種輔助手段的綜合信息處理系統[1]， ECDIS是圖形數據的輸出終端，根據需要可快速查詢航行區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絡控制著船舶的一些傳感系統，各種傳感器通過計算機進行的信息傳遞給設置系統，然后設置系統將輸入數據進行處理傳入海圖數據庫進行信息疊加，海圖數據庫是電子海圖系統的血液，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據信息保障，經過處理后最終將準確的信息傳遞給顯示系統顯示。本文就是要論述在航海中各種設備與電子海圖疊加。如圖1電子海圖數據疊加工作原理圖所示。

2 電子海圖顯示信息系統 ECDIS與雷達模擬信號的數據疊加

雷達在觀測目標時，尤其在跟蹤多個目標時存在一定的局限性，從而限制了雷達系統的整體性能。在保障船舶安全航行時，需要雷達和ECDIS的交疊區域呈現目標數據情況。目前國外部分產品已經實現了雷達和電子海圖圖像疊加的功能，現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、觸發脈沖和方位信號，通過A/D轉換、坐標系轉換和圖像處理，實現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 電子海圖數據疊加工作原理圖

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轉換模塊，把采集到的模擬信號數字化，按照方位信息對雷達目標進行標繪，并與雷達的觸發脈沖同步，形成極坐標形式的數字化視頻信息，將其傳遞給圖像處理模塊。在圖像處理模塊中，極坐標形式的視頻信息轉換為屏幕直角坐標形式的視頻信息，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。根據雷達收發機的位置信息，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 極坐標轉換為直角坐標

經過初步處理后的數字雷達視頻圖像是以極坐標形式顯示在顯示器上，在運算中雷達極坐標系和海圖直角坐標系進行轉換，進而處理雷達數字視頻圖像，使雷達視頻圖像和電子海圖的坐標相一致。雷達極坐標系和海圖直角坐標系的對應關系如圖3所示。

圖3 極坐標系和直角坐標系轉換示意圖

以O′點為原點的雷達極坐標系和以O點為原點的海圖直角坐標系的轉換關系為：

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系的統一。

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整，實現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，可適當對雷達圖像進行旋轉變換。一般可用數學仿射變換矩陣進行坐標轉換，對圖像進行縮放和旋轉處理，實現雷達和電子海圖的圖像匹配[2]。

3 電子海圖顯示信息系統ECDIS與VTS的數據疊加

VTS即船舶交通服務系統，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、網絡與信息傳輸系統、交通顯示與控制系統等系統組成，目的在于收集的水文氣象數據，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，防止航道內危險情況發生和保證船舶交通安全和高效航行。VTS監控的重心放在港區水域和進出港航道，關注于碼頭的靠離泊作業和港區的船舶航行安全[3]。

我國VTS起步較晚，在設備運行、制度管理、人員培養等方面不夠完善。在船舶密集水域，船舶航行秩序混亂，交通事故頻發的情況下，ECDIS能夠使VTS向數字化導航廣播服務方向發展，確保VTS的安全服務盡善盡美。VTS監控站通過數字化通信網絡把在船舶交通管制作用范圍內的各種船舶的位置和運動情況通報給所有相關船舶，在VTS監控范圍內的每艘船舶的ECDIS能夠準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上。并能夠查詢這些船舶的靜、動態情況。如果根據需要與他船建立通信聯系，在這區域范圍完全全面覆蓋的情況，可以及時建立相應聯系[4]。

4 AIS與電子海圖顯示信息系統 ECDIS的數據疊加

AIS即船舶自動識別系統，AIS也類似于VTS，可以周期性地發射和接收船舶的靜態信息（如船號、船只國籍、船舶名稱等）、動態信息（如船舶位置、對地航速、對地航向、航行狀態等）以及與航行相關的信息（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，系統將各類信息存入AIS信息數據庫中。當AIS有更新或者添加時，系統首先查找各船舶信息鏈表，然后對數據庫中已存有的數據做相應的更新。當AIS信息讀取時，系統建立一個體系。此體系中包含船舶動靜態信息。凡配有AIS的船舶都可以接收到這些信息，然后該AIS系統依據本船當前位置選擇合適海圖，將讀取的它船經緯度坐標轉換為屏幕坐標，并判斷它船當前位置的屏幕坐標是否在ECDIS顯示區域內，進而根據它船的船舶狀態選擇相應船符進行顯示[5]，如圖4所示。AIS可以向航行船舶提供所在航行區域的實時交通動態和相關信息，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系統上疊加顯示流程圖

AIS系統也能夠與其他輔助設備相連，便捷地從這些輔助設備中輸入數據，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，這樣可以解決在監控盲區中，覆蓋不到區域中的船舶監控問題。如果AIS向其他船舶或相關部門在必要時發送自己的航路計劃，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交通服務覆蓋范圍。AIS信息能夠替代指揮管理VTS交通服務的信息，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。系統利用雙緩沖技術原理，雙緩沖技術繪圖就是在屏幕上有圖形顯示以外，在內存中也有圖形在繪制。也就是我們將要顯示的圖形先在內存中繪制好，然后再將內存中的圖形完全覆蓋到屏幕上去。當貼到屏幕上時，因為內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 結束語

所謂數據疊加，就是指將不同設備獲得的目標船舶信息參數進行疊加處理，以消除單個設備的測量誤差，得到更加精確的參數值。但在現實航海中，電子海圖與雷達、AIS、VTS等設備的精度測量的結合還有些不完善的地方，如數據和信息交流不通暢，雖然設備捕獲目標能夠顯示在海圖上，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，沒有其他船只的協同監測。今后要解決的問題是：要盡快建立覆蓋全球網絡海圖信息系統以完善服務；對已有ECDIS的軟硬設備進行完善，使其達到智能化的要求；同高精度定位系統、雷達避碰系統、船舶通信系統、車舵控制系統等進行融合，實現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系統在航道交通管理中的應用研究[J]. 交通科技, 2010, (2)： 106～108.

[4]陳晶晶, 薛祖軍. 關于創建區域 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集成的研究[J]. 艦船科學技術, 2008, 30 (5)：92～94.

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