ECDIS模拟器功能要求及配置标准

丁宏辉，王胜正

(1.浙江交通职业技术学院海运学院，杭州 311112;2.上海海事大学 商船学院，上海 201306)

0 引言

在未来船桥系统中，电子海图显示与信息系统(ECDIS)必将成为最主要的导航设备之一.根据新的国际公约要求，2012年7月新造500吨位客船和3 000吨位以上油船最先强制要求配备ECDIS［1]，在随后几年内，新造及现有货船也将强制要求配备ECDIS，目的在于将ECDIS作为一种基本导航设备替代纸海图，以提高航行安全和效率.配备ECDIS对船员和船舶安全的意义不低于20世纪初船桥上配备无线电和雷达，而导航技术与400年前引入墨卡托投影一样，具有革命性的创新意义.［2]著名航海家们对ECDIS的评价［3]是:“GPS和 ECDIS是航海史上出现的两种最新颖的导航之星，GPS能显示位置，而ECDIS能在海图上显示位置在哪儿.”另外，ECDIS与纸海图相比，纸海图能显示航行在哪儿，或者显示哪些地方不能航行，而ECDIS不仅显示航行在哪儿，而且能指导船员安全航行.［4]

随着 ECDIS的强制配备和使用，根据 IMO STCW公约2010年马尼拉修正案要求［5]，需要对船员进行ECDIS操作使用的培训和评估.为了及时履行新公约，我国修订《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》，并且于2012年3月1日起实施，要求各航海院校及培训单位配备满足相关要求的场地、设施、设备及教学人员，组织开展过渡期培训和相应的培训［6].2013年7月1日前尚未满足ECDIS，驾驶台资源管理(BRM)和机舱资源管理(ERM)等3项适任内容培训要求的单位，将不再具备按新的考试发证规则开展船长和高级船员适任培训的资质.

因此，为了达到IMO STCW公约2010年马尼拉修正案的要求，各航海类院校都在筹建或实施ECDIS实训室项目，但是ECDIS模拟器对大多数航海类教师而言都比较陌生，虽然早期国内外已经在ECDIS模拟器领域进行深入研究［7-8]，并且有一部分院校已经购买或者研制ECDIS模拟器，但是都无法满足新的国际公约要求.因而在新的STCW公约生效后，很多厂商和研究单位推出新一代ECDIS模拟器产品，目前正在市场上推广的ECDIS产品主要来自挪威的康斯伯格(Kongsberg)，英国船商(Transas)，丹麦 Seagull，英国 Kelvin Hughes，上海海事大学，大连海事大学，集美大学，海兰信，广州海华电子等.如此众多的ECDIS模拟器品牌，价格和性能差异都非常大，如果选择配置高、性能好的ECDIS模拟器，通常价格非常高;而选择配置低或者性能较差的低端产品，虽然价格有很大优势，但是用户担心无法满足培训需要，也无法满足海事局的核验要求.因此，为了更好地指导和建议各航海院校合理选择高性价比的ECDIS模拟器，笔者对ECDIS模拟器中的关键技术进行详细阐述，并提出ECDIS模拟器建设和培训的几种规范配置方案，为我国ECDIS模拟器研究者及各航海院校提供参考.

1 ECDIS模拟器的功能要求

为了能够独立完成IMO STCW公约2010年马尼拉修正案的“ECDIS操作使用的培训和评估”指南中所要求的各项任务，ECDIS模拟器通常需要由一个教练员控制台和若干个学员端组成(见图1)，其中:教练员控制台用于编辑各种训练科目，并且通过网络及数据库通信方式，与学员端共享所有模拟船舶静态及动态数据，使得教练员控制台与所有学员端逻辑上形成一个整体，同时实现教练员控制台对所有学员的演练进行监控;学员端包括ECDIS，船舶操纵平台，虚拟三维视景通道及船用雷达显示系统，每个学员端形成一个桌面式船桥系统.

图1 ECDIS模拟器系统组成

下面分别介绍各子系统的功能要求和性能指标.

1.1 教练员控制台

教练员控制台系统是桌面电子海图培训系统的中央控制单元，供教练员设置训练项目，并且掌握整个模拟器训练和评估中的控制、监视、重放和事后学员训练评估过程的分析，并对训练考试合理性进行评估.教练员控制台可改变评估考试和训练难度，设置航行环境、交通状况和特殊水域等.通过图形、对话框、菜单、工具条等简便操作，教练员控制台为教练员提供友好界面，使教练员至少具有下列特征功能:(1)设置训练项目;(2)正确显示训练区域的电子海图，并且编辑和管理海域浮标、航道、警戒区、锚区、潮汐、潮流、气象环境及航行计划等;(3)管理本船和目标船(如添加和删除目标)，并控制本船及目标船，如船舶航行操纵(支持随动和自动两种模式，其中自动模式包括航向导航和航迹导航，信号灯、拖船及锚缆等设备的控制);(4)监控本船和目标船的航行信息;(5)支持外部接入AIS目标;(6)设定船舶故障;(7)训练过程视频记录;(8)训练过程音频记录;(9)训练过程打印.典型的ECDIS模拟器教练员控制台见图2.

图2 ECDIS模拟器教练员控制台

1.2 学员端ECDIS操作单元

ECDIS操作单元是整个ECDIS模拟器系统的核心单元，其功能应完全满足IMO关于ECDIS性能标准要求［9].其基本特征功能有6个.(1)电子海图数据和显示:①满足UKHO官方认可的ENC数据S63加密文件的安装，S57数据的导入及转换，ENC数据调用、出版、发行及改正信息查询;②电子海图数据管理(查询海图状况及其改正时间、装载海图、改正海图、更新许可证);③信息显示功能(包括分层显示，局部放大或缩小，屏幕移动)，可随时查询电子海图上所有要素的信息和含义，如海图数据来源、海图出版或改正日期、灯标(经纬度、颜色和周期)、浮标及各种海图标志等;④支持ECDIS软件界面和ENC海图数据的中英文显示;⑤电子海图颜色选择(白天、清晨、黄昏、夜晚);⑥电子海图显示模式选择(North Up，Head Up，Course Up);⑦支持自动和手动改正海图及辅助数据;⑧支持船员标绘、数据更新检验;⑨标志圈/电子方位线(可迅速获得任何点的坐标(经纬度)，船位至任意点的方位，任意点至船位的方位，船位至任意点的CPA和TCPA，海图上任意两点间的距离).(2)航行计划:①航线设计功能，支持新创建航段和转向点、生成航线、保存航线，支持导入航线、修改航线(添加或删除航线)，支持大圆航线设计;②航行选择功能，支持选择航段或转向点并合并已存在的多条航线作为一条新的航线，支持航线反向使用，对航线进行安全检查;③航次计划表，调出航线计划表对航线进行有关转向点、大圆航线或恒向线航线、安全偏航距、航向、开航时间、停留时间、预计航速等参数的调整、编辑及存储.(3)航行监控:①系统安全参数的设置，本船参数的设置(包括本船尺度、吃水，与系统连接的定位系统天线、雷达天线、测深仪的位置);本船安全等深线的设定;安全水深(安全水域)和安全距离的设定;②航行监视功能，能清楚地给出船舶当前状态与计划航线的关系，ECDIS能自动计算船舶偏离计划航线的距离，必要时给出指示和报警，实现航迹保持;ECDIS还可自动检测航行前方的危险海区、暗礁、禁航区和浅滩等，实现避碰，防止搁浅;当本船船位偏离计划航线的距离大于设定距离时，该系统会发出报警;③报警功能，能提供定位仪器和助航仪器失灵、横向偏移 (XTE)、偏离航向、偏离航线、换图、接近转向点(WP)、接近危险(如沉船、浅摊、礁石等，以及用户自己设定的危险标志)、时区改变、预防搁浅(接近预警区域(Guard Zone)、进入某设定边界或区域、CPA和TCPA小于设定值、接近设定水深、接近设定的安全等深线)等报警.(4)航行日志与记录:①航行记录功能(包括电子航海日志存储，航线设计和船舶动态监控)，航迹自动记录(包括随意选择的比例);②支持对航行历史数据回放.(5)外部传感器接入模拟功能:支持 GPS，LOG，GYRO，AIS等设备的模拟信号接入，支持学员配置各种传感器信号的参数.(6)训练与考试过程记录:支持对学生整个训练或考试过程进行屏幕视频记录和回放.

1.3 学员端船舶操纵(Conning)及三维视景通道(Visual Channel)

船舶操纵及三维视景模块是实现船桥模拟的重要组成部分，也是完成IMO关于“ECDIS操作使用的培训和评估”不可缺少的组成部分.其中船舶操纵软件需要模拟各种不同类型船舶的操纵，计算船舶航行的水动力模型，并显示船舶航行过程中的主机转速、罗经航向、航速、风向、风速等主要信息.三维视景软件目的在于提高ECDIS模拟训练的真实性，其主要功能特征是提供港口水域的三维视景，显示本船周围的静态环境和动态目标，提供一个高度沉浸感的虚拟环境.视景要素包括本船、目标船、岸上景物、海浪、自然环境、能见度、明亮度等，具体视景技术性能如下:(1)视景驱动引擎为OpenGL;(2)数字非线性图像映射，图像显示流畅，帧速率大于等于25帧;(3)视景系统能显示水平视角45°的景物(根据实际投影屏幕决定)，垂直视角30°;(4)实时渲染模拟航行水域三维真实场景模型，视景中的景物具有丰富的纹理;(5)岸线、航标等主要碍航物或航标的位置及船舶尺度准确且与岸线等的显示比例一致，主要显著标志建筑的外形、纹理色彩等尽可能与实物一致;(6)显示全部导航标志，能见距离和闪烁规律严格按有关规则确定;(7)设置的各种航行信号灯可以真实反映在视景中;(8)在航船舶具有与船速相应的船尾尾迹效果;(9)能模拟雾(浓度0～100级可调)、雨、雷、闪电、雪花等气象环境;(10)海浪(1～12级风流)和风浪方向可调;(11)模拟全天候(白天、夜晚、晨昏等)航行环境;(12)本船船首图形与其他景物协调运动，能体现本船的纵摇、横摇以及随波浪的运动;(13)本船船首与船舶运动速度、航向相对应，并随波浪运动.

1.4 学员端雷达信息的显示

模拟雷达/ARPA指采用高分辨率显示器显示、完全由计算机产生雷达/ARPA图像的雷达模拟器，并提供必要的雷达图像数据.

1.5 系统数据通信

ECDIS模拟器的学员终端数量多，数据通信量大，并且要求准确实时，因此对系统构架和通信机制要求高，这也是国内外桌面式ECDIS模拟器的一个瓶颈.世界著名的Kongsberg研制的桌面ECDIS模拟器最多支持28个终端.为了解决此问题，提出使用数据库与TCP/IP技术相结合的双重数据通信方式，不仅可以接入多达60个学员终端，而且大大提高系统的可靠性.其具体的通信方式为:教练员控制台与各学员端的ECDIS系统利用数据库DB进行动态及静态船舶数据通信，教练员控制台与各学员端的船舶操纵、视景和雷达利用TCP/IP进行通信，实现内部的实时通信.

2 ECDIS模拟器的配置要求和标准

根据文献［5]的要求，完成ECDIS培训计划的目标、理论和演示以及模拟器训练，包括ECDIS系统的基本知识、错误信息的识别、局限性、与雷达和AIS联机的操作使用等，并且根据IMO示范培训教程2012的要求［10]，提出ECDIS模拟器的3种配置方案，分别为ECDIS模拟器基本配置要求(A类)、中端配置要求(B类)及高端配置要求(C类).

2.1 A 类配置

A类配置实际上就是ECDIS模拟器的最低配置要求.图3为ECDIS模拟器学员端基本配置方案，即双屏显示，其中一个屏幕独立显示认可型ECDIS，另外一个屏幕显示各种模拟功能，包括船舶操纵、视景通道、航行信息、各种传感器(如 GPS，GRYO，LOG，AIS等).A类配置要求满足国家海事局对船员ECDIS适任考试补差大纲和ECDIS适任评估补差大纲的要求，同时满足文献［10]的培训要求，但是配置缺乏雷达/ARPA的配合使用，不适用于高级船员的综合训练，也不适用于海员雷达操作和模拟器专业培训.

图3 ECDIS模拟学员端双屏显示器

表1为A类配置方案的详细配置要求.

表1 ECDIS模拟器基本配置要求(A类)

2.2 B 类配置

图4为B类配置方案，即3屏显示.图中:第1屏独立显示认可型ECDIS;第2屏显示各种模拟功能，包括船舶操纵、视景通道、航行信息、各种传感器(如 GPS，GRYO，LOG，AIS 等);第 3 屏显示雷达/ARPA.该方案不仅满足国家海事局对船员ECDIS适任考试补差大纲和ECDIS适任评估补差大纲的要求，同时满足文献［10]的培训要求，而且适用于海员雷达操作和模拟器专业培训，系统功能完备、利用率高、性价比高.表2为B类配置方案的详细配置要求.

2.3 C 类配置

图4 ECDIS模拟器学员端3屏显示器

表2 ECDIS模拟器中端配置要求(B类)

该方案是按照未来主流的综合船桥系统(IBS)模式设计的［11]，图5为ECDIS C类配置方案，即4屏显示.图中:第1屏独立显示认可型ECDIS;第2屏显示各种模拟功能，包括船舶操纵、航行信息、各种传感器(如 GPS，GRYO，LOG，AIS等);第3屏显示三维视景通道;第4屏显示雷达/ARPA.该配置不仅满足A类和B类的所有培训与发证办法，同时满足BRM培训的基本要求，并且适用于先进船桥IBS的所有船员培训，具有先进性、前瞻性等特征.表3为C类配置方案的详细配置要求.

图5 ECDIS模拟器学员端4屏显示器

表3 ECDIS模拟器中高端配置要求(C类)

3 ECDIS模拟器的选型

用户根据自身需求和第2.2节中列出的配置标准和规范，首先选择合适的ECDIS模拟器配置种类和规模，然后再选择合适的ECDIS模拟器产品.目前，上海海事大学的NAVI-PILOT 1000，挪威康斯伯格(Kongsberg)的K-Bridge，英国船商(Transas)的NTPRO 5000等ECDIS模拟器产品已经通过世界著名船级社DNV的认证，其认证依据主要是IMO关于ECDIS的性能标准，IMO示范培训教程2012以及STCW公约2010年马尼拉修正案等国际公约的培训要求，因此这些产品在功能完备性和性能上具有一定的优势.

4 结束语

对满足IMO STCW公约2010年马尼拉修正案、IMO示范培训教程2012以及IMO ECDIS性能标准的ECDIS模拟器的关键技术进行详细介绍，并提出3种不同标准的配置方案.这些方案表明新的ECDIS模拟器不再是传统的单机版ECDIS模拟器，新的ECDIS培训也不再是简单地学习ECDIS操作培训，而是进行基于ECDIS平台的全功能、多任务的综合船桥训练.因此，在建设ECDIS模拟器过程中:(1)不能简单选择单机版ECDIS或者ECS系统作为培训系统，必须选择认可型ECDIS，并与船舶操纵平台、三维视景水域、各种传感器(GPS，LOG，GYRO，AIS，RADAR等)相互集成，并通过教练员控制台与其他学员端(本船)相互对抗训练;(2)不能盲目选择价格低廉的产品，因为这些产品通常在功能上不完备，在性能上也不能满足相关国际公约和国内法规要求，因而需要通过本文阐述的系统组成和关键技术检测其系统是否满足要求及规范.

［1]THE MARITIME SAFETY COMMITTEE.1974 SOLAS convention，regulations V/19，V/20 and V/27，as amended 2009［S]//International Maritime Organization(IMO).IMO Res.MSC 282(86).London:International Maritime Organization(IMO)，2009.

［2]WEINTRIT A.The electronic chart display and information system(ECDIS):an operational handbook［M].Gydnia:Gydnia Maritime Univ，2009.

［3]NORRIS A.ECDIS and positioning［D].London:Nautical Institute，2010.

［4]GALE H.From paper charts to ECDIS［D].London:Nautical Institute，2009.

［5]International Maritime Organization(IMO).Standards of Training，Certification and Watch-standing for seafarers(STCW Convention)，as amended［S].Manila:International Maritime Organization(IMO)，2010.

［6]中国海事局(MSA).中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则(交通运输部2011年第12号令)［S].北京:中国海事局(MSA)，2012.

［7]石永辉.多用途电子海图综合模拟器实验室的建立及其作用［J].上海海运学院学报，1994，15(3):170-174.

［8]赵丽宁，赵学俊，郝江凌，等.基于网络的AIS和电子海图模拟培训系统［J].大连海事大学学报，2004，30(4):6-8.

［9]International Maritime Organization(IMO).ECDIS performance standards［S].London:International Maritime Organization(IMO)，2009.

［10]The United States Merchant Marine Academy.The operational use of ECDIS，IMO model course 1.27［S].New York:International Maritime Organization(IMO)，2012.

［11]王胜正，施朝健，石永辉.新一代船舶操纵模拟器关键技术［J].上海海事大学学报，2007，28(1):44-49.