电子海图系统

电子海图系统大连海事大学航海学院张英俊教授、博士生导师

ecdis@Tel（0411）847244662010年8月绪论电子海图系统是近十几年来航海领域出现并逐渐成熟的一项新技术。这项新技术适应了海运船舶驾驶实践的需求。原因是：航道拥挤程度的提高、船舶的大型化、以及超高速船舶的出现给船舶航行安全提出了严峻的挑战。解决这个问题的一种方式是集成式地把本船的位置、所处的静态环境、周围的动态目标信息显示在一个屏幕上，使得船舶驾驶员能够迅速地获取所有这些信息，及时地做出操船决策海运船舶驾驶中使用各种现代化的导航设备和雷达设备，能够在很短的时间间隔内获取精确可靠的关于船位、船舶运动参数以及周围环境方面的信息。使用电子海图，能够把驾驶员从海图作业这一事务性工作中解脱出来，使其把主要精力放在航行监视和及时制定操船决策上来绪论20世纪70年代末，微电子技术的迅猛发展为电子海图的产生创造了条件。当时的船用电子海图系统被称为“视频航迹标绘仪”。多功能船用电子海图系统在八十年代中期蓬勃发展起来。该系统是一种集成式的导航信息系统，它在使用电子海图的基础上，完成综合的船舶驾驶任务。绪论多功能船用电子海图系统对保证船舶航行安全所起的重要作用得到了IMO和IHO以及众多航海专家的认可。ECDIS的概念正是在总结多功能船用电子海图系统的结构、功能和应用的基础上提出来的。1986年7月，IMO和IHO开始合作,成立了ECDIS协调小组（HGE），共同研究ECDIS。1988年10月IMO和IHO联合组织了著名的北海工程实验，以评价ECDIS的功能，分析其潜在用途。

绪论

此后，IMO和IHO均积极地对ECDIS进行研究，讨论制定相关的标准和规范：IMO1995年11月在第19届大会上，作为A.817(19)号决议正式批准了现行的“IMOECDIS性能标准”。1996年通过了MSC.64(67)决议，增加了性能标准附件6“ECDIS备份需求”。1998年通过了MSC.86(70)决议，增加了性能标准附件7“光栅海图操作模式”。2006年通过了MSC.232(82)决议，对标准进行了较全面的修订，使之成为了现行的“IMOECDIS性能标准”。2009年IMO.MSC.282(86)决议通过了SOLAS公约修正案，规定从2012年起陆续强制装载ECDIS。绪论IHO1991年颁布了数字化海道测量数据传输标准SP-57，1993年11月颁布了该标准的第二版，并称为S-57。1996年11月颁布了S-57的第三版,也即现行标准。2000年修订为3.1版1990年5月IHO电子海图显示系统委员会（COE）发布了ECDIS海图内容和显示暂行规范SP-52，1992年9月颁布了该规范的第二版，1993年10月颁布了该规范的第三版，并称为S-52。1996年12月颁布了S-52的第五版，2010年3月发布了标准第六版,即现行标准。第一章基础知识

第一节ECDIS使用中的法律问题与责任1.1SOLAS公约关于海图的配备SOLAS公约关于海图的配备要求位于该公约第5章，主要有以下几个方面：第2条－对海图进行定义：海图和图书是由政府、政府认可的水道测量部门或相关政府机构出版或授权出版的用于满足航海需要的专用图或书及编辑这种图或书所用数据库。1.1SOLAS公约关于海图的配备

SOLAS公约关于海图的配备要求位于该公约第5章，主要有以下几个方面：第19条－规定不同船舶应配备的设备，其中关于海图的配备要求为：船舶无论大小应配备整个航次制定计划、显示、航行定位和航行监控所需的海图和图书，电子海图显示与信息系统可以被认为是符合本条海图配备要求。如果使用电子设备完成或部分完成航次所需的以上功能，必须有满足功能要求的备用配置。（关于满足功能要求的备用配置在IMOA817（19）决议中进行了规定）。1.1SOLAS公约关于海图的配备SOLAS公约关于海图的配备要求位于该公约第5章，主要有以下几个方面：第27条－改正与更新：航次所需的海图和诸如航路指南、灯标表、航海通告、潮汐表及其它航行所需的图书应该是适当的且改正到最近之日。(电子海图改正)1.2ECDIS性能标准IMO在1995年11月第19届大会上，作为A.817(19)号决议正式批准“IMOECDIS性能标准”，此后海安会分别在1996年通过MSC.64(67)决议,在1998年通过MSC86(70)决议,在2006年通过了MSC.232(82),对其进行了三次修订。该标准给出了ECDIS的定义，规定了信息的显示、海图改正、航线设计、航路监视、航行记录等性能要求。该标准有7个附件：

1.2ECDIS性能标准附件一给出了制定标准时所参照的其它标准，包括S-52及其附件、S-57、IEC61174“电子海图显示与信息系统（ECDIS）测试方法和要求的测试结果”、IEC60945“组成GMDSS的船载无线电设备和船用导航设备的一般要求”等；附件二给出了ECDIS在完成计划航线设计和航路监视期间可用的海图信息分类（显示基础、标准显示、附加信息）；附件三给出了ECDIS中所使用的航行要素和参数的术语及其缩写；附件四给出了ECDIS在完成计划航线设计和航路监视期间应自动检测到的特殊地理区域；附件五给出了ECDIS的报警及指示的形式和内容；附件六列出了对ECDIS后备装置的要求附件七给出了光栅海图操作模式1.2ECDIS性能标准根据该标准：如果有适当的备用配置ECDIS便可以满足SOLAS公约第5章第19和27条关于海图配置的要求，即可以取代纸质海图。但如果工作在RCDS（RasterChartDisplaySystems）模式，不能取代纸质海图。1.3IHO关于ECDIS的主要文件IHO关于电子海图的文件主要包括：IHOS-52海图内容和显示规范：规定了电子航海图的内容和显示、数据结构、改正方法和信息传输途径，以及屏幕上电子海图的颜色和符号使用等。该标准有3个附件。附件一：对电子航海图的改正问题作了详细的规定；附件二描述了ECDIS屏幕上电子海图的颜色和符号使用细节；附件三定义了ECDIS的相关术语。1.3IHO关于ECDIS的主要文件IHOS-57数字化海道测量数据传输标准：描述了用于各国航道部门之间的数字化海道测量数据的交换以及向航海人员、ECDIS的生产商发布这类数据的标准。它包括三章：一般性介绍、理论数据模型（海图信息描述的理论模型）、数据结构（电子航海图的数据格式），以及两个附件：IHO物标目录（物标分类和编码系统）、产品规范（电子航海图产品规范、IHO物标目录数据字典产品规范）。该标准是具有法律效力的矢量形式的电子航海图的数据传输标准1.4IEC关于ECDIS的标准ECDIS硬件设备的性能和测试标准IEC61174：描述了符合IMO标准的ECDIS的性能测试工作方法和要求的测试结果。符合该标准是ECDIS得到类型认可，从而合法地成为船用设备的前提。1.5ECDIS取代纸质海图通过型式认可的ECDIS使用改正至最新的官方ENC（官方水道测量部门提供的符合IHOS-57标准，具体内容、显示方式、以及颜色和符号的使用等要符合IHOS-52规范）并配备适当的备用配置，可以取代纸质海图。1.6ECDIS培训目前，国际海事组织STCW95公约没有对ECDIS提出特别的正式要求，而是认为其归于关于海图的培训与评估。但是，通过提出示范课程的方式强调了ECDIS培训的重要性：ECDIS是需要高操作技能的复杂的航行系统，不仅具有大量的航行功能，而且是有很多部分组成的复杂的基于计算机的信息系统，诸如硬件、软件、传感器、输入、详细精确的ECDIS数据及其显示规则、状态指示与报警、人机交互等。因此，在使用ECDIS航行和使其功能时必须注意避免误用信息和系统失灵。所有在配备有ECDIS的船舶上值班的船长、大副和驾驶员应在完成了使用ECDIS的课程后才能胜任使用该设备。为了航行安全，ECDIS的培训和发证要求是必要的。1.7获取数据的责任使用者有责任明确使用符合实际的有效数据，必须保证海图改正至最新。对于海图的改正不仅要知道如何改正而且要知道改正数据的来源。要善于对海图数据的正确性进行确认－系统运行中任何时候都可以查询使用中的数据的详细描述。第一章基础知识第二节电子海图与电子海图系统2.1电子海图电子海图（Electronicchart）是在显示器上显示出海图信息和其它航海信息，所以也称为“屏幕海图”。电子海图和其应用环境组成电子海图系统。2.1电子海图（1）电子海图种类矢量化海图（Vectorcharts）：是将数字化的海图信息分类存储的数据库，使用者可以选择性的查询、显示和使用数据，并可以和其他船舶系统相结合，提供诸如警戒区、危险区的自动报警等功能。光栅扫描海图（Rastercharts）：通过对纸质海图的光学扫描形成的数据信息文件，可以看作是纸质海图的复制品。因此，不能提供选择性的查询和显示功能。2.1电子海图（2）电子航海图（ElectronicNavigationalChart－ENC）ENC：内容、结构、格式均标准化了的数据库，这个数据库由官方授权的权威海道测量部门制作发行，供ECDIS使用。这种海图不仅具有安全航行所需要的所有信息，还可以具有被认为是航行安全所需的纸质海图没有的其他信息。ENC具有以下属性：2.1电子海图－ENC属性内容基于主管水道测量局的原始数据或官方海图；根据国际标准进行编码和编制；基于WGS84坐标系；内容的保证由发行数据的水道测量局负责；只由主管水道测量局发行；根据数字化分发的官方改正数据进行定期改正。2.1电子海图（3）光栅扫描航海图（RasterNavigationalChart－RNC）通过国家水道测量部门或其授权出版的海图数字扫描而成，并结合显示系统提供连续自动的定位功能的电子海图。RNC具有以下属性：

2.1电子海图－RNC属性由官方纸质海图复制而成；根据国际标准制作；内容的保证由发行数据的水道测量局负责；根据数字化分发的官方改正数据进行定期改正。2.1电子海图（4）系统电子航海图（SENC）SENC是一个数据库，这个数据库是为了恰当使用ENC而由ECDIS将其进行格式转换，同时通过恰当方法改正ENC，并且由航海人员添加了其它数据后而形成的。这个数据库被ECDIS直接使用来显示电子海图以及完成其它航海功能，并且与最新的纸质海图等价。SENC还可包含来自其它信息源的信息。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（1）ECDIS的定义ECDIS是一个航行信息系统，如果这个系统具有适当的备用配置，便能被接受为符合1974年SOLAS公约中第5章第19和27条关于改正至最新的海图的配备要求。该系统可有选择地显示系统电子航海图中的信息以及从导航传感器获得的位置信息以帮助航海人员进行航线设计和航路监视，并且能够按要求显示其它与航海相关的补充信息。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（2）ECDIS的组成电子海图显示与信息系统的组成分为硬件部分和软件部分2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（2）ECDIS的组成：硬件部分ECDIS实质上是一个具有高性能的内、外部接口符合S52标准要求的船用计算机系统。系统的中心是高速中央处理器和大容量的内部和外部存储器。外部存储器的容量应保证能够容纳整个ENC、ENC改正数据和SENC。中央处理器、内存和显存容量应保证显示一幅电子海图所需时间不超过5秒。内部接口应包括图形卡、语音卡、硬盘和光盘控制卡等。以光盘或软盘为载体的ENC及其改正数据，以及用于测试ECDIS性能的测试数据集可通过内部接口直接录入硬盘，船舶驾驶员在电子海图上所进行的一些手工标绘、注记，以及电子海图的手工改正数据的输入等可通过键盘和游标实现。同喇叭相连接的语音卡，以实现语音报警。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（2）ECDIS的组成：硬件部分图形显示器用于显示电子海图，其尺寸、颜色和分辩率应符合IHOS-52的最低要求，即有效画面最小尺寸应为350x270mm，不少于64种颜色，像素尺寸小于0.3mm。在进行航路监视时显示海图的有效尺寸至少应为270mmx270mm（IMOECDIS性能标准的要求）。文本显示器用于显示航行警告、航路指南、航标表等航海咨询信息，其尺寸应不小于14寸，支持24x80字符显示。利用打印机可实现电子海图和航行状态的硬拷贝，以便事后分析。可按国际海事组织的要求记录航行数据。外部接口一般是含有CPU的智能接口，保证从外部传感器接收信息（包括GPS、LORAN-C、罗经、计程仪、风速风向仪、测深仪、AIS、雷达/ARPA、卫星船站、自动舵等设备的信息）并按照一定的调度策略向主机发送这些信息。通过船用通信设备（如INMARSAT-C）不仅自动接收ENC的改正数据，实现电子海图的自动改正；而且还可接收其他诸如气象预报数据等。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（2）ECDIS的组成：软件部分：海图信息处理软件：由ENC向SENC转换的软件、电子海图自动和手工改正软件、海图符号库的管理软件、航海咨询信息的管理软件、电子海图库的管理软件、海图要素分类及编码系统的管理软件、用户数据的管理软件等。电子海图显示系统软件：电子海图合成软件（给定显示区域、比例尺和投影方式，搜索合适的海图数据，并进行投影和裁剪计算，生成图形文件）、电子海图显示软件（根据图形文件调用符号库，在屏幕上绘制海图）、电子海图上要素的搜索软件、航海咨询信息的显示软件等。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（2）ECDIS的组成：软件部分：计划航线设计软件:在电子海图上手工绘制和修改计划航线、计划航线可行性检查、经验（推荐）航线库的管理、航行计划列表的生成（每个航行段的距离、航速、航向、航行时间等）。传感器接口软件：与GPS、LORAN-C、罗经、计程仪、风速风向仪、测深仪、AIS、雷达/ARPA、卫星船站、自动舵等设备的接口软件，以及从这些传感器所读取的信息的调度和综合处理软件。航路监视软件：计算船舶偏离计划航线的距离、检测航行前方的危险物和浅水域、危险指示和报警等。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（2）ECDIS的组成：软件部分：航行记录软件：记录船舶航行过程中所使用的海图的详细信息以及航行要素，实现类似“黑匣子”的功能。航海问题的求解软件：船位推算、恒向线和大圆航法计算、距离和方位计算、陆标定位计算、大地问题正反解计算、不同大地坐标系之间的换算、船舶避碰要素（CPA、TCPA）计算等。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（3）ECDIS的主要功能海图显示，包括：在给定的投影方式下合成和显示海图（在使用墨卡托投影方式时，可适当选取海图的基准纬度，以减小海图的投影变形）；以“正北向上”或“航向向上”方式显示海图；以“相对运动”或“绝对运动”方式显示海图；随机改变电子海图的比例尺（缩放显示及漫游）；分层显示海图信息（隐去本船在特定航行条件下不需要的信息）。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（3）ECDIS的主要功能海图作业：在电子海图上进行计划航线设计（依照推荐航线进行手工设计或进行大圆航线计算）；以灵活的方式计算任意两点间的距离和方位（如，利用电子方位线、可变距离圈等方式）；标绘船位、航迹和时间。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（3）ECDIS的主要功能海图改正：能够接受由官方ENC制作部门提供的正式改正数据以及由航海人员从纸质航海通告或无线电航行警告中提取的改正数据，实现ENC的自动和手工改正。定位及导航。能够同计程仪、电罗经、GPS、Loran-C、测深仪、气象仪等设备连接，接收来自这些传感器的信息，并进行综合处理，求得最佳船位；能够进行各种陆标定位计算。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（3）ECDIS的主要功能雷达信息处理。ECDIS可将雷达图象和ARPA信息叠加显示在电子海图上，提供本船、本船周围的静态目标，本船周围的动态目标三者之间的位置关系。航海人员可据此判断避碰态势，做出避碰决策。同时，还能够在电子海图上检测该避碰决策可行与否。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（3）ECDIS的主要功能航路监视。在船舶航行过程中，ECDIS能够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还能够自动检测到航行前方的暗礁、禁航区、浅滩等，实现避礁、防浅。航海信息咨询。获取电子海图上要素的详细描述信息以及整个航线上的航行条件信息，如潮汐、海流、气象等。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（3）ECDIS的主要功能航行记录。ECDIS能够自动记录前12小时内所使用过的ENC单元及其来源、版本、日期和改正历史，以及每隔一分钟的船位、航速、航向等。一旦船舶发生事故，这些信息足以再现当时的航行情况。记录的信息不允许被操纵和改变。也就是说，ECDIS应具备类似“黑匣子”的功能。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（4）光栅扫描海图显示系统（RasterChartDisplaySystems－RCDS）光栅扫描海图显示系统是ECDIS的一种使用光栅扫描航海图的工作模式。使用在没有ENC覆盖的海域。这种工作模式有以下局限性：2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（4）光栅扫描海图显示系统（RasterChartDisplaySystems－RCDS）－局限性：光栅扫描海图为有边界海图，这种模式如使用一套纸质海图一样。光栅扫描海图不能启动诸如防止搁浅的自动报警功能，但可以由用户加入信息的方式产生某些报警功能。海图基准面和投影可能和ENC不同。海图上的特征不能被简化或移除以适合某种特定的航行要求。不能随意选择海图显示比例，可能会影响到对下一步航行的计划功能。2.2电子海图显示与信息系统系统（ECDIS）（4）光栅扫描海图显示系统（RasterChartDisplaySystems－RCDS）－局限性：RCDS的海图变向显示可能影响海图资料的读取。不能够通过查询方式获取海图物标的附加信息。不能设置安全警戒等深线或水深点并使其强调性显示。基于光栅扫描海图，不同的颜色可能用于显示同样的海图信息，也可能出现白天和夜间颜色的不同。光栅扫描海图应以其纸质海图的比例尺显示，过份的放大或缩小会严重降低RCDS的性能。2.3电子海图系统（ECS）ECS指所有没有通过测试证明符合ECDIS性能标准的系统。ECS可以显示ENC或RNC或其他私自出版的海图。也可以有类似于ECDIS的功能。在ECDIS性能标准未制订之前的电子海图系统基本属于这一类。如果船舶安装ECS，无论使用什么海图，都不能解除其配备纸质海图的要求。第一章基础知识第三节ECDIS数据3.1ECDIS数据基础ECDIS数据格式是S57格式，其将现实世界的实体用特征对象（FeatuerObjiect）和空间对象（SpatialObject）的组合来描述：特征对象：描述实体的种类、性质和特征等属性信息。空间对象：描述实体的空间位置特性。每个空间对象有特征对象与此对应，编码组成数据库。3.2ENC的制作（1）相关术语电子航海图数据（ElectronicNavigationalChartData-ENCD):国家水道测量组织提供的制作ENC的数据。电子航海图数据库（ElectronicNavigationalChartDataBase-ENCDB):生产和维护ENC的基础数据库，由ENCD编制而成。电子海图数据库（ElectronicChartDataBase－ECDB）：海洋测绘基础数据库。单元（Cell）：某地理区域的ENC数据分发的基本单位，数据文件大小不超过5MB。3.2ENC的制作（2）制作过程3.3ENC数据至少包括：控制点、高程点、陆地方位物海岸、岛屿陆地地貌、水系、道路、境界、桥梁、涵闸、管线居民地港口设施、近海设施干出滩水深、等深线、底质航行障碍物助航设施航道、锚地、各种海区界线海流与潮汐对景图、观景点、磁差各种地名、专有名称标记、说明标记地理坐标网及标记、图解比例尺3.4ENC的改正手工改正：根据航海通告进行改正数据加入SENC不能改动ENC；自动改正数据区别于手工改正数据改正记录保存、显示自动改正：官方数据（根据S57编码）3.5ECDIS显示（1）基础显示（DisplayBase）：不能去除的SENC信息（但不保证满足安全航行的需要）：海岸线（高潮水位）安全等深线－由航海人员选择安全等深线所定义的安全水域内深度小于安全等深线的水下孤立危险物安全等深线所定义的安全水域内的孤立危险物，如桥梁和架空电缆等，包括浮标和立标无论其是否为助航所用各种分道通航制比例尺、范围、方向（真北向上或航向向上）和显示方式（真运动或相对运动）深度和高程单位3.5ECDIS显示（2）标准显示（StandardDisplay）：ECDIS最初显示时包含的SENC的信息（在航线设计和航路监视期间可由航海人员根据需要调整）：基础显示信息干出线固定和浮动的助航标志航道和运河等的边界视觉和雷达显著物标禁航区和受限区域海图比例尺边界警告注记标志3.5ECDIS显示（3）其他信息（AllOtherInformation）：根据要求显示的信息。如：水深点海底电缆和管线孤立危险物的详细信息助航标志的详细信息警告标记的内容ENC版本日期测量基准面磁差经纬线网地名3.5ECDIS显示（4）数据分层与显示优先级ECDIS处理的全部数据，包括海图信息、雷达信息和其他传感器的数据按照S－52进行分层管理。S－52规定，ECDIS应将处理的数据至少分成11级（1级内可以分为多层信息，1层内可分为多种要素)。级别排列靠后的信息不能覆盖其前级信息。分级信息如下：3.5ECDIS显示信息分级：ECDIS警告信息（如坐标系、深度基准面异常警告、显示比例大于或小于ENC原始比例尺的警告）水道测量组织（HO）数据：点、线、面和自动航海通告（官方改正）手工输入的航海通告和无线电航海警告ENC警告（海图上的警告和注意信息）HO的颜色填充区域数据HO提供的，根据用户要求显示的数据雷达信息用户数据：点、线、面（用户在电子海图上做的标注）ECDIS制造商的数据：点、线、面用户的颜色填充区域数据ECDIS制造商的填充区域数据3.6结论性问题ECDIS数据是其核心要素，只有官方数据可以使用。ENC数据的储存独立于任何应用软件，这使得