新一代ECDIS模擬器的初探與實現

曲峰德 劉晶晶

摘 要：為滿足STCW馬尼拉修正案中關于電子海圖顯示和信息系統（ECDIS）的培訓、考試及發證的新要求，符合國際相關標準，如電子海圖數據傳輸格式（S-57）、電子海圖顯示國際標準（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、各種傳感器仿真設備融入到新一版ECDIS模擬器中。該新版模擬器可進行基于ECDIS平臺的全功能、多任務的綜合船橋訓練，滿足培訓的各項需求，提高培訓效率。

關鍵詞：ECDIS模擬器;船舶操縱;仿真設備;培訓

中圖分類號：U666.158 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）06-0049-04

1 引言

隨著“電子航海”戰略的實施，電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）在船舶導航和輔助決策中的地位日益突出。根據新版的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制要求配備1套ECDIS，在隨后幾年內，現有及新造貨船也要強制要求配備安裝ECDIS[1]。隨著ECDIS的強制安裝和使用，依據STCW公約馬尼拉修訂案要求，需對船員進行關于ECDIS操作及使用的培訓和評估。同時，我國《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》也對此做出了相應規定。

為滿足STCW馬尼拉修正案中新增的要求及中國海事局履約要求，各航海類院校及培訓機構都在致力于ECDIS的培訓[2]。同時，各廠商和研究機構陸續推出一些ECDIS模擬器用以進行相應的操作培訓和安全評估工作[3]。因此根據相關公約要求，并遵循國際標準，研發了新一代的ECDIS模擬器。新版ECDIS模擬器并非簡單選擇單機版ECDIS作為培訓系統，而是將教練員站以及學員站的ECDIS、船舶操縱和綜合信息顯示系統（Conning）、虛擬三維視景通道、各種傳感器的仿真設備相集成，如全球定位系統（GPS）、自動識別系統（AIS）、測深儀（Echo sounder）、計程儀（LOG）、磁羅經（Magnetic Compass）、電羅經（Gyrocompass）等。學員基于該ECDIS模擬器可進行全功能、多方位的綜合訓練，滿足STCW公約馬尼拉修正案對電子海圖系統的培訓要求。

2 ECDIS模擬器的總體架構

為實現單獨基于ECDIS模擬器就能夠完成STCW公約馬尼拉修正案中關于ECDIS的操作、培訓和評估的要求，新版ECDIS模擬器由一個教練員控制站和若干個學員站組成[4]。其中，教練員站主要用于監控學員訓練過程、設置各種訓練題目等;學員站作為學員訓練培訓的關鍵，集成了ECDIS、Conning、虛擬三維視景、各種傳感器的仿真設備、船舶操縱單元等模塊。

該版本ECDIS模擬器中教練員站和學員站之間通過局域網相連接，采用TCP/IP技術進行網絡通信，不僅支持多達40個學員終端，且系統穩定性強，其系統結構如圖1所示。教練員控制站與學員站的Conning、各傳感器、三維視景、船舶操縱單元等進行實時通信，學員通過桌面式ECDIS模擬器即可完成ECDIS培訓計劃的相關訓練。

3 教練員控制站

教練員控制站是整個電子海圖培訓系統的核心控制單元[5]。教練員可通過教練員控制站實時監控學員訓練過程，并可編輯各種訓練題目，如設置航行環境、特殊水域和交通狀況等。教練員控制站通過圖形界面、對話框、菜單按鈕、工具條等操作對象，為教練員提供簡便的操作界面。通過教練員站可方便地實現：①編制各種訓練題目;②控制整個系統的運行，對本船和各目標船進行實時監控;③設置本船故障;④航行環境的實時控制（風向、風速、流向、流速、最大潮高、潮汐及潮時）;⑤目標船號燈、號型的實時控制;⑥雷達回波的控制;⑦數據的實時記錄和各船航跡的動態顯示和打印;⑧各本船訓練過程的重演和打印功能;⑨主本船計劃航線的設計;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用程序中，教練員通過操作相應菜單或工具按鈕，即可實現訓練題目的編輯和制作、本船模擬啟動、本船運動控制等操作。教練員站界面如圖2所示。

4 學員站

學員站提供ECDIS、虛擬三維視景通道、綜合操作單元（包括Conning、船舶操縱單元、各種傳感器仿真設備、引航卡等），對學員進行ECDIS綜合培訓。

在該版ECDIS模擬器中，學員端有兩種可選的配置方案。第一種方案：雙屏顯示，由一臺主機支撐兩個顯示器，其中一個獨立顯示ECDIS，另一個獨立顯示綜合操作單元，包括Conning、船舶操縱單元、各種傳感器仿真設備、引航卡等。第二種方案：三屏顯示，其中兩臺顯示器由同一主機支撐，如圖3所示，用于獨立顯示ECDIS和綜合操作單元;第三臺顯示器由另外一臺主機獨立支撐，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VDragon4000系列電子海圖導航系統，可用于船舶安全航行、航線計劃和航行監控等。該電子海圖根據國際海事組織（IMO）、國際航道組織（IHO）、國際電工委員會（IEC）相關標準進行設計和研發[6]。與模擬器中各船舶導航傳感器仿真設備相連，可提供本船位置、航向、船艏向、航速、風速、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關于ECDIS性能標準的要求。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本船實時標繪;④目標船動態監控;⑤航行監控;⑥航線設計;⑦航行記錄;⑧報警與指示;⑨航跡繪算;⑩信息集成;雷達圖像疊加等。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關于ECDIS操作使用的培訓和評估不可或缺的部分[7]。其目的在于提高ECDIS模擬訓練的環境真實感，用以提供港口水域的仿真三維視景，及本船周邊的靜態和動態物標，形成的虛擬環境高度真實且沉浸感強。視景采用OpenGL作為驅動引擎，模擬景物包括本船、目標船、岸線、海面、自然環境等，圖像顯示流暢，可實時渲染模擬港口水域的三維場景。同時可模擬雨、雪、霧等自然環境，如圖6所示，調節海浪、風浪等因素。

4.3 綜合操作單元

為滿足STCW公約馬尼拉修正案的要求，產生模擬操作環境，在設計和研發新版ECDIS模擬器時，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備、時鐘、引航卡組成，如圖7所示。其中，時鐘模塊用于顯示船時（LT）和世界協調時（UTC）;引航卡用于顯示船舶各種靜態信息和船舶數學模型測試結果。

4.3.1 各種傳感器的仿真設備

在真實船橋中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備，ECDIS從各傳感器中獲取相應信息，使每個學員站形成一個全功能的桌面式船橋系統。

根據STCW公約馬尼拉修正案及中華人們共和國海事局船員適任考試評估規范的相關要求，在開啟ECDIS時要檢查各傳感器信號是否正常接入。在該版ECDIS模擬器中接入各傳感器的仿真設備，并可控制各設備的正常或故障狀態，而后把相應信息傳給ECDIS并顯示，學員通過ECDIS提示信息檢查各傳感器是否正常接入。

在設計仿真設備時盡量保證學員在操作時的體驗與操作真實設備時一致。各個仿真設備采用二維貼圖的方式逼真模擬操作界面，并對設備基本功能進行了仿真實現，如圖8所示。磁羅經和陀螺羅經基于三維場景呈現，模擬羅經的三維結構和相關功能，可對羅經進行正常交互[8]，磁羅經如圖9所示。以上傳感器的仿真設備均如真實設備般可進行信息的傳輸、設置、接收和顯示，與ECDIS形成一個整體，用于學員的綜合訓練。

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、計算船舶航行時的水動力。在該ECDIS模擬器中提供兩種操舵方式，軟件操舵和真設備操舵。在Conning中顯示當前船舶的操舵模式（Steering mode）信息：自動（AUTO）、隨動（HAND）和應急（NFU）三種模式。自動操舵模式需在教練員站進行設置，編輯好練習后發送到學員站，并在Conning界面顯示船舶航行信息;在隨動操舵操縱模式下，可通過真實舵輪進行操縱;在應急舵模式下，可通過軟件進行操舵，同時可利用模擬車鐘進行加車操縱。

Conning用以顯示船舶航行過程中本船信息（左主機轉速、速度、航向、舵角、右主機轉速、經緯度、LT和UTC）和環境信息（風速、風向、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、界面美觀簡潔、綜合性強，如圖10所示，為學員操作提供友好界面。

5 結語

新版ECDIS模擬器滿足STCW公約馬尼拉修正案的培訓要求，符合IMO關于ECDIS的性能標準。使ECDIS培訓不再是簡單地學習ECDIS的操作，而是進行基于ECDIS模擬器的全功能、多任務的綜合訓練。ECDIS與船舶操縱、三維視景通道、各種傳感器等集成為學員站，通過局域網與教練員站進行網絡通信。新一代ECDIS模擬器在性能和功能上都有很大優勢，能夠滿足學員培訓的需求，為學員訓練提供一個綜合平臺。

參考文獻：

[1]金一丞，尹勇. STCW公約馬尼拉修正案下的航海模擬器發展戰略[J].中國航海，2012， 03：5-10

[2]丁宏輝，王勝正. ECDIS模擬器功能要求及配置標準[J]. 上海海事大學學報，2012，04：5-10.

[3]張如凱，吳金龍，孝建偉，程文閣. 基于航海操縱模擬器的ECDIS培訓方法探究[J]. 航海教育研究，2015，03：84-87.

[4]周建文，楊神化，索永峰. ECDIS模擬器實訓的智能評估模型與系統實現[J]. 中國航海，2014，02：1-4.

[5]趙麗寧，趙學俊，郝江凌，趙德鵬. 基于網絡的AIS和電子海圖模擬培訓系統[J]. 大連海事大學學報，2004，04：6-8+12.

[6]沈毅強. 電子海圖（ECDIS）的應用與發展[J]. 航海，2015，06：56-61.

[7]金一丞，尹勇. 公約、技術與航海模擬器的發展[J]. 中國航海，2010，01：1-6+36.

[8]劉晶晶，任鴻翔，尹金崗，蔣效彬. 多平臺的船用陀螺羅經交互仿真系統[J]. 大連海事大學學報，2016，01：17-20。

基金項目：大連海事大學2016教學改革項目“關于‘育鵬輪航海技術專業畢業實習方案的研究”（2016Z01）