ECDIS模擬器功能要求及配置標(biāo)準

丁宏輝，王勝正

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院海運學(xué)院，杭州 311112;2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

在未來船橋系統(tǒng)中，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ECDIS)必將成為最主要的導(dǎo)航設(shè)備之一.根據(jù)新的國際公約要求，2012年7月新造500噸位客船和3 000噸位以上油船最先強制要求配備ECDIS［1]，在隨后幾年內(nèi)，新造及現(xiàn)有貨船也將強制要求配備ECDIS，目的在于將ECDIS作為一種基本導(dǎo)航設(shè)備替代紙海圖，以提高航行安全和效率.配備ECDIS對船員和船舶安全的意義不低于20世紀初船橋上配備無線電和雷達，而導(dǎo)航技術(shù)與400年前引入墨卡托投影一樣，具有革命性的創(chuàng)新意義.［2]著名航海家們對ECDIS的評價［3]是:“GPS和 ECDIS是航海史上出現(xiàn)的兩種最新穎的導(dǎo)航之星，GPS能顯示位置，而ECDIS能在海圖上顯示位置在哪兒.”另外，ECDIS與紙海圖相比，紙海圖能顯示航行在哪兒，或者顯示哪些地方不能航行，而ECDIS不僅顯示航行在哪兒，而且能指導(dǎo)船員安全航行.［4]

隨著 ECDIS的強制配備和使用，根據(jù) IMO STCW公約2010年馬尼拉修正案要求［5]，需要對船員進行ECDIS操作使用的培訓(xùn)和評估.為了及時履行新公約，我國修訂《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》，并且于2012年3月1日起實施，要求各航海院校及培訓(xùn)單位配備滿足相關(guān)要求的場地、設(shè)施、設(shè)備及教學(xué)人員，組織開展過渡期培訓(xùn)和相應(yīng)的培訓(xùn)［6].2013年7月1日前尚未滿足ECDIS，駕駛臺資源管理(BRM)和機艙資源管理(ERM)等3項適任內(nèi)容培訓(xùn)要求的單位，將不再具備按新的考試發(fā)證規(guī)則開展船長和高級船員適任培訓(xùn)的資質(zhì).

因此，為了達到IMO STCW公約2010年馬尼拉修正案的要求，各航海類院校都在籌建或?qū)嵤〦CDIS實訓(xùn)室項目，但是ECDIS模擬器對大多數(shù)航海類教師而言都比較陌生，雖然早期國內(nèi)外已經(jīng)在ECDIS模擬器領(lǐng)域進行深入研究［7-8]，并且有一部分院校已經(jīng)購買或者研制ECDIS模擬器，但是都無法滿足新的國際公約要求.因而在新的STCW公約生效后，很多廠商和研究單位推出新一代ECDIS模擬器產(chǎn)品，目前正在市場上推廣的ECDIS產(chǎn)品主要來自挪威的康斯伯格(Kongsberg)，英國船商(Transas)，丹麥 Seagull，英國 Kelvin Hughes，上海海事大學(xué)，大連海事大學(xué)，集美大學(xué)，海蘭信，廣州海華電子等.如此眾多的ECDIS模擬器品牌，價格和性能差異都非常大，如果選擇配置高、性能好的ECDIS模擬器，通常價格非常高;而選擇配置低或者性能較差的低端產(chǎn)品，雖然價格有很大優(yōu)勢，但是用戶擔(dān)心無法滿足培訓(xùn)需要，也無法滿足海事局的核驗要求.因此，為了更好地指導(dǎo)和建議各航海院校合理選擇高性價比的ECDIS模擬器，筆者對ECDIS模擬器中的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細闡述，并提出ECDIS模擬器建設(shè)和培訓(xùn)的幾種規(guī)范配置方案，為我國ECDIS模擬器研究者及各航海院校提供參考.

1 ECDIS模擬器的功能要求

為了能夠獨立完成IMO STCW公約2010年馬尼拉修正案的“ECDIS操作使用的培訓(xùn)和評估”指南中所要求的各項任務(wù)，ECDIS模擬器通常需要由一個教練員控制臺和若干個學(xué)員端組成(見圖1)，其中:教練員控制臺用于編輯各種訓(xùn)練科目，并且通過網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫通信方式，與學(xué)員端共享所有模擬船舶靜態(tài)及動態(tài)數(shù)據(jù)，使得教練員控制臺與所有學(xué)員端邏輯上形成一個整體，同時實現(xiàn)教練員控制臺對所有學(xué)員的演練進行監(jiān)控;學(xué)員端包括ECDIS，船舶操縱平臺，虛擬三維視景通道及船用雷達顯示系統(tǒng)，每個學(xué)員端形成一個桌面式船橋系統(tǒng).

圖1 ECDIS模擬器系統(tǒng)組成

下面分別介紹各子系統(tǒng)的功能要求和性能指標(biāo).

1.1 教練員控制臺

教練員控制臺系統(tǒng)是桌面電子海圖培訓(xùn)系統(tǒng)的中央控制單元，供教練員設(shè)置訓(xùn)練項目，并且掌握整個模擬器訓(xùn)練和評估中的控制、監(jiān)視、重放和事后學(xué)員訓(xùn)練評估過程的分析，并對訓(xùn)練考試合理性進行評估.教練員控制臺可改變評估考試和訓(xùn)練難度，設(shè)置航行環(huán)境、交通狀況和特殊水域等.通過圖形、對話框、菜單、工具條等簡便操作，教練員控制臺為教練員提供友好界面，使教練員至少具有下列特征功能:(1)設(shè)置訓(xùn)練項目;(2)正確顯示訓(xùn)練區(qū)域的電子海圖，并且編輯和管理海域浮標(biāo)、航道、警戒區(qū)、錨區(qū)、潮汐、潮流、氣象環(huán)境及航行計劃等;(3)管理本船和目標(biāo)船(如添加和刪除目標(biāo))，并控制本船及目標(biāo)船，如船舶航行操縱(支持隨動和自動兩種模式，其中自動模式包括航向?qū)Ш胶秃桔E導(dǎo)航，信號燈、拖船及錨纜等設(shè)備的控制);(4)監(jiān)控本船和目標(biāo)船的航行信息;(5)支持外部接入AIS目標(biāo);(6)設(shè)定船舶故障;(7)訓(xùn)練過程視頻記錄;(8)訓(xùn)練過程音頻記錄;(9)訓(xùn)練過程打印.典型的ECDIS模擬器教練員控制臺見圖2.

圖2 ECDIS模擬器教練員控制臺

1.2 學(xué)員端ECDIS操作單元

ECDIS操作單元是整個ECDIS模擬器系統(tǒng)的核心單元，其功能應(yīng)完全滿足IMO關(guān)于ECDIS性能標(biāo)準要求［9].其基本特征功能有6個.(1)電子海圖數(shù)據(jù)和顯示:①滿足UKHO官方認可的ENC數(shù)據(jù)S63加密文件的安裝，S57數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及轉(zhuǎn)換，ENC數(shù)據(jù)調(diào)用、出版、發(fā)行及改正信息查詢;②電子海圖數(shù)據(jù)管理(查詢海圖狀況及其改正時間、裝載海圖、改正海圖、更新許可證);③信息顯示功能(包括分層顯示，局部放大或縮小，屏幕移動)，可隨時查詢電子海圖上所有要素的信息和含義，如海圖數(shù)據(jù)來源、海圖出版或改正日期、燈標(biāo)(經(jīng)緯度、顏色和周期)、浮標(biāo)及各種海圖標(biāo)志等;④支持ECDIS軟件界面和ENC海圖數(shù)據(jù)的中英文顯示;⑤電子海圖顏色選擇(白天、清晨、黃昏、夜晚);⑥電子海圖顯示模式選擇(North Up，Head Up，Course Up);⑦支持自動和手動改正海圖及輔助數(shù)據(jù);⑧支持船員標(biāo)繪、數(shù)據(jù)更新檢驗;⑨標(biāo)志圈/電子方位線(可迅速獲得任何點的坐標(biāo)(經(jīng)緯度)，船位至任意點的方位，任意點至船位的方位，船位至任意點的CPA和TCPA，海圖上任意兩點間的距離).(2)航行計劃:①航線設(shè)計功能，支持新創(chuàng)建航段和轉(zhuǎn)向點、生成航線、保存航線，支持導(dǎo)入航線、修改航線(添加或刪除航線)，支持大圓航線設(shè)計;②航行選擇功能，支持選擇航段或轉(zhuǎn)向點并合并已存在的多條航線作為一條新的航線，支持航線反向使用，對航線進行安全檢查;③航次計劃表，調(diào)出航線計劃表對航線進行有關(guān)轉(zhuǎn)向點、大圓航線或恒向線航線、安全偏航距、航向、開航時間、停留時間、預(yù)計航速等參數(shù)的調(diào)整、編輯及存儲.(3)航行監(jiān)控:①系統(tǒng)安全參數(shù)的設(shè)置，本船參數(shù)的設(shè)置(包括本船尺度、吃水，與系統(tǒng)連接的定位系統(tǒng)天線、雷達天線、測深儀的位置);本船安全等深線的設(shè)定;安全水深(安全水域)和安全距離的設(shè)定;②航行監(jiān)視功能，能清楚地給出船舶當(dāng)前狀態(tài)與計劃航線的關(guān)系，ECDIS能自動計算船舶偏離計劃航線的距離，必要時給出指示和報警，實現(xiàn)航跡保持;ECDIS還可自動檢測航行前方的危險海區(qū)、暗礁、禁航區(qū)和淺灘等，實現(xiàn)避碰，防止擱淺;當(dāng)本船船位偏離計劃航線的距離大于設(shè)定距離時，該系統(tǒng)會發(fā)出報警;③報警功能，能提供定位儀器和助航儀器失靈、橫向偏移 (XTE)、偏離航向、偏離航線、換圖、接近轉(zhuǎn)向點(WP)、接近危險(如沉船、淺攤、礁石等，以及用戶自己設(shè)定的危險標(biāo)志)、時區(qū)改變、預(yù)防擱淺(接近預(yù)警區(qū)域(Guard Zone)、進入某設(shè)定邊界或區(qū)域、CPA和TCPA小于設(shè)定值、接近設(shè)定水深、接近設(shè)定的安全等深線)等報警.(4)航行日志與記錄:①航行記錄功能(包括電子航海日志存儲，航線設(shè)計和船舶動態(tài)監(jiān)控)，航跡自動記錄(包括隨意選擇的比例);②支持對航行歷史數(shù)據(jù)回放.(5)外部傳感器接入模擬功能:支持 GPS，LOG，GYRO，AIS等設(shè)備的模擬信號接入，支持學(xué)員配置各種傳感器信號的參數(shù).(6)訓(xùn)練與考試過程記錄:支持對學(xué)生整個訓(xùn)練或考試過程進行屏幕視頻記錄和回放.

1.3 學(xué)員端船舶操縱(Conning)及三維視景通道(Visual Channel)

船舶操縱及三維視景模塊是實現(xiàn)船橋模擬的重要組成部分，也是完成IMO關(guān)于“ECDIS操作使用的培訓(xùn)和評估”不可缺少的組成部分.其中船舶操縱軟件需要模擬各種不同類型船舶的操縱，計算船舶航行的水動力模型，并顯示船舶航行過程中的主機轉(zhuǎn)速、羅經(jīng)航向、航速、風(fēng)向、風(fēng)速等主要信息.三維視景軟件目的在于提高ECDIS模擬訓(xùn)練的真實性，其主要功能特征是提供港口水域的三維視景，顯示本船周圍的靜態(tài)環(huán)境和動態(tài)目標(biāo)，提供一個高度沉浸感的虛擬環(huán)境.視景要素包括本船、目標(biāo)船、岸上景物、海浪、自然環(huán)境、能見度、明亮度等，具體視景技術(shù)性能如下:(1)視景驅(qū)動引擎為OpenGL;(2)數(shù)字非線性圖像映射，圖像顯示流暢，幀速率大于等于25幀;(3)視景系統(tǒng)能顯示水平視角45°的景物(根據(jù)實際投影屏幕決定)，垂直視角30°;(4)實時渲染模擬航行水域三維真實場景模型，視景中的景物具有豐富的紋理;(5)岸線、航標(biāo)等主要礙航物或航標(biāo)的位置及船舶尺度準確且與岸線等的顯示比例一致，主要顯著標(biāo)志建筑的外形、紋理色彩等盡可能與實物一致;(6)顯示全部導(dǎo)航標(biāo)志，能見距離和閃爍規(guī)律嚴格按有關(guān)規(guī)則確定;(7)設(shè)置的各種航行信號燈可以真實反映在視景中;(8)在航船舶具有與船速相應(yīng)的船尾尾跡效果;(9)能模擬霧(濃度0～100級可調(diào))、雨、雷、閃電、雪花等氣象環(huán)境;(10)海浪(1～12級風(fēng)流)和風(fēng)浪方向可調(diào);(11)模擬全天候(白天、夜晚、晨昏等)航行環(huán)境;(12)本船船首圖形與其他景物協(xié)調(diào)運動，能體現(xiàn)本船的縱搖、橫搖以及隨波浪的運動;(13)本船船首與船舶運動速度、航向相對應(yīng)，并隨波浪運動.

1.4 學(xué)員端雷達信息的顯示

模擬雷達/ARPA指采用高分辨率顯示器顯示、完全由計算機產(chǎn)生雷達/ARPA圖像的雷達模擬器，并提供必要的雷達圖像數(shù)據(jù).

1.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

ECDIS模擬器的學(xué)員終端數(shù)量多，數(shù)據(jù)通信量大，并且要求準確實時，因此對系統(tǒng)構(gòu)架和通信機制要求高，這也是國內(nèi)外桌面式ECDIS模擬器的一個瓶頸.世界著名的Kongsberg研制的桌面ECDIS模擬器最多支持28個終端.為了解決此問題，提出使用數(shù)據(jù)庫與TCP/IP技術(shù)相結(jié)合的雙重數(shù)據(jù)通信方式，不僅可以接入多達60個學(xué)員終端，而且大大提高系統(tǒng)的可靠性.其具體的通信方式為:教練員控制臺與各學(xué)員端的ECDIS系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫DB進行動態(tài)及靜態(tài)船舶數(shù)據(jù)通信，教練員控制臺與各學(xué)員端的船舶操縱、視景和雷達利用TCP/IP進行通信，實現(xiàn)內(nèi)部的實時通信.

2 ECDIS模擬器的配置要求和標(biāo)準

根據(jù)文獻［5]的要求，完成ECDIS培訓(xùn)計劃的目標(biāo)、理論和演示以及模擬器訓(xùn)練，包括ECDIS系統(tǒng)的基本知識、錯誤信息的識別、局限性、與雷達和AIS聯(lián)機的操作使用等，并且根據(jù)IMO示范培訓(xùn)教程2012的要求［10]，提出ECDIS模擬器的3種配置方案，分別為ECDIS模擬器基本配置要求(A類)、中端配置要求(B類)及高端配置要求(C類).

2.1 A 類配置

A類配置實際上就是ECDIS模擬器的最低配置要求.圖3為ECDIS模擬器學(xué)員端基本配置方案，即雙屏顯示，其中一個屏幕獨立顯示認可型ECDIS，另外一個屏幕顯示各種模擬功能，包括船舶操縱、視景通道、航行信息、各種傳感器(如 GPS，GRYO，LOG，AIS等).A類配置要求滿足國家海事局對船員ECDIS適任考試補差大綱和ECDIS適任評估補差大綱的要求，同時滿足文獻［10]的培訓(xùn)要求，但是配置缺乏雷達/ARPA的配合使用，不適用于高級船員的綜合訓(xùn)練，也不適用于海員雷達操作和模擬器專業(yè)培訓(xùn).

圖3 ECDIS模擬學(xué)員端雙屏顯示器

表1為A類配置方案的詳細配置要求.

表1 ECDIS模擬器基本配置要求(A類)

2.2 B 類配置

圖4為B類配置方案，即3屏顯示.圖中:第1屏獨立顯示認可型ECDIS;第2屏顯示各種模擬功能，包括船舶操縱、視景通道、航行信息、各種傳感器(如 GPS，GRYO，LOG，AIS 等);第 3 屏顯示雷達/ARPA.該方案不僅滿足國家海事局對船員ECDIS適任考試補差大綱和ECDIS適任評估補差大綱的要求，同時滿足文獻［10]的培訓(xùn)要求，而且適用于海員雷達操作和模擬器專業(yè)培訓(xùn)，系統(tǒng)功能完備、利用率高、性價比高.表2為B類配置方案的詳細配置要求.

2.3 C 類配置

圖4 ECDIS模擬器學(xué)員端3屏顯示器

表2 ECDIS模擬器中端配置要求(B類)

該方案是按照未來主流的綜合船橋系統(tǒng)(IBS)模式設(shè)計的［11]，圖5為ECDIS C類配置方案，即4屏顯示.圖中:第1屏獨立顯示認可型ECDIS;第2屏顯示各種模擬功能，包括船舶操縱、航行信息、各種傳感器(如 GPS，GRYO，LOG，AIS等);第3屏顯示三維視景通道;第4屏顯示雷達/ARPA.該配置不僅滿足A類和B類的所有培訓(xùn)與發(fā)證辦法，同時滿足BRM培訓(xùn)的基本要求，并且適用于先進船橋IBS的所有船員培訓(xùn)，具有先進性、前瞻性等特征.表3為C類配置方案的詳細配置要求.

圖5 ECDIS模擬器學(xué)員端4屏顯示器

表3 ECDIS模擬器中高端配置要求(C類)

3 ECDIS模擬器的選型

用戶根據(jù)自身需求和第2.2節(jié)中列出的配置標(biāo)準和規(guī)范，首先選擇合適的ECDIS模擬器配置種類和規(guī)模，然后再選擇合適的ECDIS模擬器產(chǎn)品.目前，上海海事大學(xué)的NAVI-PILOT 1000，挪威康斯伯格(Kongsberg)的K-Bridge，英國船商(Transas)的NTPRO 5000等ECDIS模擬器產(chǎn)品已經(jīng)通過世界著名船級社DNV的認證，其認證依據(jù)主要是IMO關(guān)于ECDIS的性能標(biāo)準，IMO示范培訓(xùn)教程2012以及STCW公約2010年馬尼拉修正案等國際公約的培訓(xùn)要求，因此這些產(chǎn)品在功能完備性和性能上具有一定的優(yōu)勢.

4 結(jié)束語

對滿足IMO STCW公約2010年馬尼拉修正案、IMO示范培訓(xùn)教程2012以及IMO ECDIS性能標(biāo)準的ECDIS模擬器的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細介紹，并提出3種不同標(biāo)準的配置方案.這些方案表明新的ECDIS模擬器不再是傳統(tǒng)的單機版ECDIS模擬器，新的ECDIS培訓(xùn)也不再是簡單地學(xué)習(xí)ECDIS操作培訓(xùn)，而是進行基于ECDIS平臺的全功能、多任務(wù)的綜合船橋訓(xùn)練.因此，在建設(shè)ECDIS模擬器過程中:(1)不能簡單選擇單機版ECDIS或者ECS系統(tǒng)作為培訓(xùn)系統(tǒng)，必須選擇認可型ECDIS，并與船舶操縱平臺、三維視景水域、各種傳感器(GPS，LOG，GYRO，AIS，RADAR等)相互集成，并通過教練員控制臺與其他學(xué)員端(本船)相互對抗訓(xùn)練;(2)不能盲目選擇價格低廉的產(chǎn)品，因為這些產(chǎn)品通常在功能上不完備，在性能上也不能滿足相關(guān)國際公約和國內(nèi)法規(guī)要求，因而需要通過本文闡述的系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)檢測其系統(tǒng)是否滿足要求及規(guī)范.

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