[摘要]随着电子海图的不断发展，它被应用到航海的各个方面，尤其是在船舶避碰上。电子海图在避碰中的广泛应用在很大程度上减轻了船舶驾驶员的工作强度，协助他们更好的做出避碰决策，以减少避碰事故的发生。本文简要的介绍了ECDIS,主要是它的产生背景，概念以及组成部分。通过利用ECDIS，可以显示他船的相关信息以及显示船舶之间的会遇态势以便船舶采取相应的避碰措施，此外，在ECDIS上还可以模拟船舶避碰局面。最后，提出了ECDIS在实际使用中存在的不足之处以及相应的解决对策。本文主要运用了定性分析法，通过文献的收集和自身的知识积累完成了这篇论文。
[关键词]ECDIS；功能；避碰；必要性；应用
引言
随着海运业的不断发展，船舶发展趋势偏向于大型化高速化，航道越来越拥挤，使得船舶的碰撞事故频发，鉴于船舶避碰带来的巨大的危害，船舶避碰问题以成为目前急需解决的重要问题。对于船舶避碰问题的研究，那就一定离不开电子海图显示与信息系统(Electronic chart display system)。ECDIS作为船舶综合导航系统的核心，能够把本船位置、所在的静态环境、周围船舶的动态信息集中显示在一个屏幕上，使得船舶的驾驶员能快速获取这些信息，从而及时有效地做出避碰决策。本文围绕ECDIS在避碰中的应用展开，同时在文章最后也阐述一些在实际应用中出现的问题和相关注意事项。
第1章电子海图显示与信息系统ECDIS
1.1 ECDIS产生背景
在传统的纸质海图上进行海图作业是驾驶员在船舶上的一个重要业务，海图对于航海的重要意义不言而喻。随着船舶运输量逐年迅速地增长，航道越来越拥挤，船舶向大型化以及高速化的发展，纸质海图已无法满足海运事业发展的需要。主要表现在：靠传统的人工在纸质海图上定位已经无法与连续的高精度GPS船位相适应，一些重要的船位航迹数据无法标注在纸质海图上；纸质海图表示的只是航海上的静止信息，而不能表示周围目标的动态信息，这样不利于驾驶员做出操船决策。ECDIS就是在这样的一个背景下产生的。[[[1]吴秋峰,蔡永剑.浅谈电子海图显示与信息系统在现代航海技术中的应用[J].浙江港航,2011(2)]]
1.2 ECDIS概念
ECDIS是电子海图显示和信息系统（Electronic Chart Display and Information System）的简称。IMO MSC 232（82）性能标准对ECDIS的定义为：电子海图显示和信息系统（ECDIS）系指一种有足够后备布置，能视为符合经修正的1974年SOLAS公约第V/19条和第V/27条要求的最新海图的航行信息系统，可有选择地显示系统电子航海图（SENC）信息及航行传感器的位置信息来帮助航海人员计划航线和监控航线，如有要求，还可显示其他关于航行的信息。ECDIS主要用于大型船舶的综合导航，利用ECDIS，可以接收船舶的位置、所在水域深度、雷达等航海信息，为船员提供实时的航行中需要使用的航海知识和地理信息。[[[2]许开宇.符合国际标准的电子海图显示和信息系统[J].船舶工程,1999(5)]]
1.3 ECDIS的组成
当前一般的ECDIS主要由以下4个部分组成:
①导航传感器输人:包括卫星导航仪、罗兰C、罗经、计程仪、测深仪、雷达、ARPA等,由于GPS和DGPS精度高、可全球全时覆盖,具有连续且实时的定位信息,可能是ECDIS的首选定位设备。
②计算机处理器:包括数据处理和指挥控制;目前已经出现了以486微机为主体的海图工作站,配备了高速图形加速卡、光驱、网卡等,因此,显示和贮存海图的能力、实时处理能力、网络传送能力均较以前有所提高,而且可以实现海图的缩放、分层和漫游功能。
③电子海图数据库(ECDB):它是一个关系数据库,可分层相关检索,有专家分析等智能手段;目前使用的大多数ECDB是由非官方机构建立的,制作方法包括光栅扫描和矢量法。光栅扫描是通过扫描仪将海图输人计算机,再进行拼接、裁剪处理来形成数字文件。矢量法是通过数字化仪沿海图轮廓人工移动光标,表示轮廓上的点的数字信息流形成代表那种属性的单独文件,不同的属性构成不同的文件。
④显示器及输出设备:包括彩显、打印机和dl系统等;显示屏可达加英寸以上,显示分辨率达1280X1024,可显示256种颜色,另外还配备了附加的监视器。其组成结构图如图1-1所示。
图1-1 ECDIS的组成[[[3]任松涛,陈雪峰.ECDIS的功能与应用[J].广州航海高等专科学校学报,2005,13(1)]]
1.4 ECDIS的主要功能
1.4.1海图显示
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维度，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”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）。[[[4]郭禹.航海学[M].大连:大连海事大学出版社,2009]]
1.4.2海图改正
ECDIS能够接收由官方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警告中提取的改正数据，实现ENC的自动和手工改正。
1.4.3制定航行计划
使用优良的电子海图设备可以使制定航行计划变得简单起来。可以方便地形成、修改和提取关于转向点和航线库的数据。可用大圆或恒向线段形成航线,而航线可以按海图的各种比例显示出来,便于清楚地观察危险海域情况。还可以自动计算航向和距离,快速推出滞后及超前的时间。
矢量系统能对航线进行自主检测,能够发现穿过的任何禁止地区或特殊区域,如交通分隔带、航道、军事演习区、禁止抛锚区等。特种矢量系统还可检测所规划的航线是否符合本船安全深度的要求。[[[5]吴晓进.ECDIS在现代船舶导航中的应用和发展[J].航海科技动态,1998(3)]]
1.4.4航线监视和报警
ECDIS不仅能将来自GPS等各种传感器的位置、速度和航向信息以不断更新的矢量显示在相关背景的电子海图上,清楚地给出船舶的当前状态与计划航线的关系,还能显示过去的航迹,以便完成监视能力。此外,矢量系统还能检查海图上本船前方的危险海域、禁止或特殊海域,并向航海人员提供相应的报警和显示。[[[6]梅雄，钟成雄.电子海图显示与信息系统简介[D].宁波:公安海警高等专科学校，2006]]
1.4.5航程记录
与使用纸海图相似,ECDIS性能标准草案要求该系统能够存贮并重新建立前h8内的航行情况,包括本船的位置和航首,时间间隔不大于1min。另外还要保证所记录的信息不受到1998年第3期航海科技动态处理和改变。建议所有的电子海图系统均采用相似形式的航程记录,因为这些信息在事故发生以后是特别有用的,这些信息足以再现当时的航行情况，也就是说，ECDIS具备类似“黑匣子”的功能。
1.4.6雷达图像和ARPA信息的叠加显示
在彩色显示器上,以电子海图为背景,叠加显示雷达图像可以认为是一种最有效的叠加显示方法。它既可以完成导航功能,又可以达到避碰的目的。海图背景、本船位置以及周围目标雷达图像的组合显示构成了安全航行所需要的全部信息。在海图上显示本船位置表明由浅滩或水下障碍物、暗礁等引起的安全威胁是可见的;在同一屏幕上叠加雷达图象又说明来自海面目标产生的危险也是可见的。因此,在遇到海底危险和海面障碍时,操作人员可根据相对于目的地和转向点的本船位置以及航道和助航标志来直接选择适当的航路。
如果船上使用了雷达自动标绘仪(ARPA),雷达图象与海图的组合显示将更加有效。如果ARPA的符号和方向显示在电子海图上,并且由ARPA显示避碰机动过程,用户还可以判断所设计的航路是否安全。[[[7]蔡新梅.电子海图信息系统(ECDIS)在船舶航行中的应用[J].船电技术,2012,32(6)]]
第2章利用ECDIS实现避碰的必要性
2.1纸质海图的现状与不足
海图（chart）是以海洋及其毗邻的陆地为描述对象的地图：是为航海需要而专门绘制的种地图,是航海必备的资料和工具。海图长详细地绘画了航海所需要的资料,如岸形、岛屿、礁石、浅滩、沉船、水深、底质和水流资料等。在航行前拟定计划航线、制订航行计划,航行中进行航迹推算和定位,以及航行后总结航行经验、发生海事后判断事故责任等,都离不开海图。目前航海上使用的是等角正圆柱海图,它的投影原理是由荷兰人墨卡托开创的,所以亦称墨卡托海图。但纸质海图只是一幅幅具有不同疆界的图象,它具有如下缺点：
纸质海图显区域是有界限的,需要大量的库存与相应的存放处,保管与传递均不方便,海图改正工作量大,要消耗二副很大的精力,显示方式受标准化的限制；
显示信息单一,只能显示海图上现有的资料,对于各种现代化的导航设备和雷达设备,在很短的时问间隔内获取的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,在使用传统的纸质海图的条件下,驾驶员需要手工完成海图，很明显,这种方式不能及时、准确、可靠地反映这些信息,从而不利于提高航行安全和效率。[[[8]史婧力.ECDIS终结纸质海图时代[J].中国船检,2011(12)]]
2.2 ECDIS的技术优势
电子海图在现代船舶航行中的应用极为广泛,它利用大量丰富的航海信息和有关情况的资料,采用当代较先进的显示技术,迅速方便地提供要求区域和不同比例的海图,为船舶的航行提供安全保证。
2.2.1海图信息选择性显示
ECDIS可以隐去本船在特定航行条件下不需要的海图信息，而是只显示保证航行安全所需的海图信息，从而克服了纸质海图上信息的冗余性。
2.2.2海图改正简单易行
ECDIS巧有许多优点,与纸海图相比,电子海图的改正更容易、迅速和准确,大大地减轻了航海人员的工作量并减少了误差。ECDIS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海图航海通告或无线电航行弊告中提取的改正数据,实现ENC的自动、半自动和手工改正。[[[9]王立军,王思思.AIS与ECDIS组合系统在船舶避碰中的应用分析[J].中国水运,2007,07(11)]]
2.2.3自动化程度高
通过利用ECDIS能够自动完成海图作业、制定计划航线、航路监视、自动完成航行数据的记录等，这在很大程度上减轻了船舶驾驶员的负担，同时也避免了由于主观因素而造成的各种计算、标绘、测量、辨认的错误。在制定计划航线和进行航路监视时，能够自动且全方面的综合考虑系统电子海图中所描述的航海水文地理环境，也就是本船周围的静态目标情况，实现船舶避碰和防止搁浅;系统电子海图可以检验由驾驶员做出的避碰决策是否可行，并且也能判断本船是否航行在可航水域中。得益与ECDIS的高自动化水平，船舶驾驶员能从繁琐的事务性工作中得以解脱，从而能把主要精力放在航行监视和及时制定操船决策上来，由此极大的提高了航行安全性。[[[10]王娟.ECDIS与航行安全[D].从化:中国航海学会，2009]]
2.2.4定位及导航功能强大
ECDIS能够同测深仪、气象仪计程仪、陀螺罗经、GPS、Loran-C、测深仪、气象仪等设备连接，来自这些传感器的信息可以被ECDIS所接收，而且会将这些信息整合起来进行综合处理，从而求得最佳船位。除此之外，ECDIS也能够进行各种陆标定位计算来求得船位。[[[11]陈孝强.基于AIS/ECDIS的海上避碰研究[D].上海;上海海事大学出版社,2005]]
第3章ECDIS在避碰中的应用
3.1利用ECDIS显示船舶信息
ECDIS的一种重要功能是在电子海图上可以显示海图区域内可以接收到的AIS信息，通过AIS信息，可以获得包括船舶识别码、船名和呼号、船长和船宽、船型等静态信息，船舶位置及精度对地航向和航速、船首向、航行状态等动态信息，以及吃水、货物种类、目的港和预计到达时间等与航次有关的信息。[[[12]许施平安,王敬全.ECDIS及其对船舶避碰智能决策系统研究的影响[C].广州:航海技术现状与发展趋势论文集,2001]]
3.2利用ECDIS自动监测防避碰
航行过程中,ECDIS能给出船舶当前状态与计划航线的关系,自动计算XTE,必要时给出批示、指示和报警,实现航迹保持;自动检测航行前方的危险海区、暗礁、禁航区和浅滩,实现避碰,防搁浅。[[[13]张英俊,东昉.ECDIS与船舶航行安全张英俊[J].大连海事大学学报，1999，25（2）]]
3.3利用ECDIS判断避碰态势
在彩色显示器上,以电子海图为背景,叠加显示雷达图像,以达到导航及避碰的目的.ECDIS可将雷达图像或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与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,还能在电子海图上检测该避碰决策是否可行.ARPA避碰框图如图3-1所示
图3-1 ARPA避碰程序框图
3.4利用ECDIS实现仿真的船舶会遇局面
在ECDIS这个平台上实现船舶避碰时，首先要利用AIS收集来船的信息并储存在数据库中，另外，还要将本船的信息传送到系统中，然后利用本船的信息和从数据库中提取的目标船的信息进行船舶会遇参数的计算，并将结果保存在船舶避碰系统的会遇信息的对话框中，启用避碰分析，这时会出现粒子群优化算法给出的分析结果的对话框，说明本船在避碰行动中责任和义务，并给出了本船的避碰决策建议。[[[14]苑冰.ECDIS在船舶避碰系统中的应用研究[J].中国水运,2017,17(1)]]
首先设计一个AIS设置对话框，其主要是对目标船进行跟踪和报警的。在这个对话框中，可以设置本船的监控范围，即当目标船进入监控范围内，本船开始跟踪目标船，并持续一段时间，直到该船驶出监控范围；此外，当目标船与本船构成紧迫局势时，通过声音进行报警，这些都对海上船舶的安全航行有着重要的作用。具体如图3-2所示
图3-2船舶避碰系统的跟踪、报警对话框
现模拟在能见度良好，水域情况良好，船舶操纵者水平较好，船舶的操纵性能良好等情况下，本船为让路船的船舶避碰，假定目标船一直保速保向航行。
3.3.1两船会遇仿真实现
通过输入本船信息，接收目标船的信息，计算所得出船舶会遇信息如图3-3所示
图3-3两船模拟仿真会遇信息
点击“避碰分析”按钮，系统利用粒子群优化算法给出避碰决策建议，如图3-4所示。
图3-4系统避碰决策建议
若本船采取系统避碰决策建议，则在ECDIS中，本船的计划避碰航线如图3-5所示
图3-5本船计划避碰航线示意图
在图3-5中，可以清楚的看出本船和目标船的会遇态势是交叉相遇，本是让路船，而目标船是直航船。图3-5中001、002、003是本船转向点，其中001至002段航线长1.6298 n mile，本船第一次转向后航行9.9588min；002至003这段航线长2.3596 n mile，本船要航行14.1574min，加上本船3次转向所需时间，本船将在27.7031min后复航成功。复航后，本船继续着003至004航线的方向，即沿着原航线继续航行。[[[15]孙海南.基于AIS和电子海图的船舶智能避碰系统研究[D].大连:大连海事大学出版社，2013]]
3.3.2多船会遇仿真实现
通过输入本船信息，接收目标船的信息，计算所得出船舶会遇信息如图3-6所示
图3-6多船模拟仿真会遇信息
点击“避碰分析”按钮，系统利用粒子群优化算法给出避碰决策建议，如图3-8所示。
图3-8系统避碰决策建议
若本船采取系统避碰决策建议，则在ECDIS中，本船的计划避碰航线如图3-9所示。
图3-9本船计划避碰航线示意图
在图3-9中，可以看出本船和三艘目标船的会遇态势是对遇。图6.8中001、002、003是本船转向点，其中001至002这段航线长约1.9187 n mile，本船航行7.6749min；002至003这段航线长约2.4718 n mile，本船要航行9.8871min，加上本船3次转向所需时间，本船将在20.0450min后复航成功。复航后，本船将沿着原航线继续航行。[[[16]陈立家，黄春娥，曾伟伟，许毅，黄立文.基于电子海图的船舶避碰技术的研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2013,37(5)]]
第4章ECDIS使用中的缺陷与不足及解决的方法
4.1 ECDIS使用中的缺陷与不足
ECDIS在很大程度上减轻了航海人员的工作负担,提高了工作效率。但随着航海保障要求的越来越高,ECDIS在实际应用中尚存在着诸多缺陷。
4.1.1航海人员的专业素质影响ECDIS效能发挥
“人”作为船舶营运四要素人、机、环、管中最积极的要素,很大程度上决定了的使用效果。
（1）盲目依赖心理严重
ECDIS直观的用户操作界面,快捷的菜单操作,强大的海图标绘功能等诸
图作业、天文定位、陆标定位、实测风流压差等传统航海手段。航海人员在船舶操纵中缺少对外界环境系统的、真实的“瞭望”和风险评估,仅仅依靠保障做出的决策必然存在安全隐患。
（2）ECDIS基本操作技巧欠缺
随着对标准的逐步确立以及计算机技术的迅速发展,具有各种性能的产品也在不断推出。这就要求航海人员必须具备一定的理论基础、航海英语及计算机软硬件知识。[[[17]顾伟新.ECDIS对航行船舶的安全保障及使用注意事项[J].航海技术,2007(5)]]
4.1.2 ECDIS本身结构组成要求较高
(1)系统配置要求高
ECDIS需要长时间24h工作,工作中必须实时快速处理GPS、罗经、雷达等诸多信号以及显示高分辨率的电子海图,由此导致ECDIS的零部件相比一般计算机损耗较快,从而对ECDIS的主机、显示器以及网络配置提出了较高要求。
（2）电子海图配备要求高
电子海图作为ECDIS重要组成部分,国际海道测量组织(IHO)制定了与数字数据格式相关的数字海道测量数据传输标准(IHO S-57),以及ECDIS内容和显示规范(IHOS一52)。目前使用的S一57、C一Map等电子海图均是被IMO认可的具有法律效力的电子海图,而航海人员自己扫描制作的数字化电子海图无法律效力。船舶长时间海上航行,缺少实时的航行警告更新数据,导致部分电子海图无法实时更新。[[[18]Riches B.A.E.ECDIS–Its Impact Today[J].Journal of Navigation，1995，48(2)]]
4.1.3外部环境要求较高
(1)ECDIS工作环境要求高
合适的工作环境是ECDIS稳定工作的前提。船舶航行过程中引起的震动,海上工作环境的高温、高湿,均不同程度地影响着ECDIS稳定工作。船舶短时断电容易导致ECDIS死机、电源损毁等故障。
(2)传感器信号输入要求高
ECDIS需要有GPS、罗经、雷达等多路信号输入,对各类信号的数据格式、彼特率等参数设置各有不同。对于GPS、罗经等重要导航信号,至少有两路信号接入,其中一路信号作为备份使用。
4.1.4 ECDIS日常管理要求较高
(1)硬件维护保养要求高
ECDIS集成度较高,线缆连接复杂给日常维护保养、故障排查带来一定困难。船舶航行中的震动,恶劣的海上工作环境,长时间地开机运行,均容易导致内部线缆松动、主机电源、CPU等元器件老化损毁。
(2)软件维护更新要求高
ECDIS长时间运行,必然产生大量系统垃圾,影响ECDIS运行的速度和稳定性。数字化仪、光驱等外部终端的使用,容易使ECDIS感染病毒。系统的异常死机,容易导致配置文件丢失或被篡改。软件版本的快速更新或许对计算机配置提出更高要求。
4.2 ECDIS的使用对策
4.2.1提高航海人员素质
(1)正确对待使用ECDIS
航海人员必须时刻提高警惕,加强值班晾望。在船舶操纵中,采用“目力晾望、ARPA标绘、ECDIS操作”等多种手段进行信息筛选处理,综合分析各类信息并进行风险评估后,作出科学决策。
(2)加强ECDIS操作使用培训
新上岗人员在操作ECDIS前,必须围绕”ECDIS,的结构组成、基本的操作使用以及日常维护保养”等方面进行系统的学习与培训,特别是常见故障的排除以及故障发生后的应急预案等内容,必要时可以组织应急预案演练以提高航海人员应急能力。
4.2.2备份升级结构组成部件
(1)科学申领备品件
对于长时间海上作业特别是船期较长,靠港较少的远洋船舶,在出航前,航海人员应统计分析以往ECDIS硬件故障中的易损、单点失效以及使用寿命较短的部件,如主机电源、CPU、风扇等,据此拟制备品件补给计划。
(2)及时更新电子海图
出航前,ECDIS必须加装IMO认可的电子海图并更新至最新。电子海图手工改正的依据为纸版《航海通告》、通过Navtex、EGC等接收到的航行警告以及航行途中新发现的在纸版海图上无标识的内容。[[[19]应忠于，李宏亮.ECDIS系统面临的挑战及应用前景[D].宁波:浙江宁波海警高等专科学校雷通教研室，2001]]
4.2.3加强巡视外部环境
(1)建立工作环境监视制度
机房加装温湿度计、除湿机等设备,掌握并确保ECDIS在规定的温湿度范围内工作。把的工作环境作为一项交接班内容。天气异常时,充分考虑外界环境对ECDIS造成的不利影响。加装减震设施、设备以降低船舶震动、短时断电带来的不利影响。
(2)定期查核传感器信号输入
掌握ECDIS各类导航信号的输出格式与线路走向,定期核对ECDIS中的各项参数设置,导航设备更新换代后,输出信号应能与ECDIS兼容。ECDIS接收导航信号异常时,应按ECDIS—信号源–连接线缆与接头”的顺序排查故障。
4.2.4正规ECDIS维护保养
(1)按章维护保养硬件
严格按照ECDIS设备维护保养要求,进行“日、周、月、换季”维护,清除机箱、显示器尘土,检查接地线,消除线缆松动、螺丝脱落隐患。对于配有多台工作站的ECDIS,可以采用轮流工作方式,延长设备使用寿命。
(2)及时维护系统软件
加装系统优化和杀毒软件,严禁带有病毒的光盘、U盘接入ECDIS网络。定期整理ECDIS中过期的海图、航行计划、数据日志等文件,提高系统运行速度。备份系统各项设置参数,联系服务商及时升级新版软件。[[[20]WEINTRIT,A&K.STAWICKI.Operational requirements for electronic chart display and information systems(ECDIS)[J].Risk of overreliance on ECDIS.Transport Problems An International Scientific Journa，2008，3（2）]]
结论
ECDIS作为船舶重要的助航系统，在船舶避碰中发挥了十分重要的作用，不仅能在提前获得目标船舶的动态信息，而且能通过ECDIS显示的雷达和ARPA信息来判断船舶会遇的态势，从而给驾驶员充分的时间做出操船决策，除此之外，还能实现仿真的船舶会遇局面，检验避碰措施的合理性和可行性。虽然ECDIS的功能强大，但由于自身的缺陷和实际使用中存在很多问题，这就需要驾驶员合理的正确的使用，减少因人为的失误引起的问题。
致谢
毕业临近了，论文可以说是我们走向毕业的最后一道关卡，为此我付出了大量的时间和心血，但是由于自身的知识积累欠缺，在撰写论文过程中存在很多问题。幸运的是我的同学和老师们给予了我很多的帮助和指导，在此，我要向所有帮助过我的老师和同学表示感谢，特别要感谢熊振南老师，从选题一直到论文完成，倾注了大量的心血，给予我悉心的指导，才能让我顺利的完成这篇论文。
参考文献
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