电子海图信息系统(ECDIS)在船舶航行中的应用

蔡新梅

（辽宁省葫芦岛市渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

0 引言

电子海图显示信息系统(Electronic Chart Display Information System，ECDIS)是在综合导航系统的设计理念基础上逐步发展起来的一种智能化海图，解决了在传统纸质海图上定位而产生的船位获取滞后的问题，可以自动地将即时船位显示在海图上。ECDIS已在改善驾驶台工作强度、航行安全、航线设计、船位监控、避碰决策辅助及提高船舶营运效率上发挥积极的作用，成为现代航海中不可缺少的辅助导航、保障航行安全的工具。电子海图显示信息系统（ECDIS）被认为是续雷达/ARPA之后在船舶导航方面的又一项伟大的技术革命。

1 电子海图显示信息系统ECDIS的组成

ECDIS是一种数字化的海图，其中包括海图数据库、显示系统、计算机软硬件等各种辅助手段的综合信息处理系统[1]， ECDIS是图形数据的输出终端，根据需要可快速查询航行区域的海图所提供的信息。在航行中，ECDIS的计算机处理器通过网络控制着船舶的一些传感系统，各种传感器通过计算机进行的信息传递给设置系统，然后设置系统将输入数据进行处理传入海图数据库进行信息叠加，海图数据库是电子海图系统的血液，由光栅海图和矢量海图组成，目的是使海图能够显示在仪器的屏幕上提供数据信息保障，经过处理后最终将准确的信息传递给显示系统显示。本文就是要论述在航海中各种设备与电子海图叠加。如图1电子海图数据叠加工作原理图所示。

2 电子海图显示信息系统 ECDIS与雷达模拟信号的数据叠加

雷达在观测目标时，尤其在跟踪多个目标时存在一定的局限性，从而限制了雷达系统的整体性能。在保障船舶安全航行时，需要雷达和ECDIS的交叠区域呈现目标数据情况。目前国外部分产品已经实现了雷达和电子海图图像叠加的功能，现在提出一种雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法，采集雷达的模拟视频信号、触发脉冲和方位信号，通过A/D转换、坐标系转换和图像处理，实现雷达和电子海图图像的匹配，完成雷达和电子海图的叠加。

图1 电子海图数据叠加工作原理图

2.1 雷达与电子海图叠加过程

雷达模拟信号和电子海图图像叠加通过A/D转换模块，把采集到的模拟信号数字化，按照方位信息对雷达目标进行标绘，并与雷达的触发脉冲同步，形成极坐标形式的数字化视频信息，将其传递给图像处理模块。在图像处理模块中，极坐标形式的视频信息转换为屏幕直角坐标形式的视频信息，对雷达视频图像在比例尺和显示方式上进行处理，实现雷达和电子海图图像匹配，如图 2 雷达模拟视频与电子海图图像叠加流程图所示。根据雷达收发机的位置信息，以电子海图为底图，完成雷达和电子海图的叠加显示。

图2 雷达模拟视频与电子海图图像叠加流程图

2.2 极坐标转换为直角坐标

经过初步处理后的数字雷达视频图像是以极坐标形式显示在显示器上，在运算中雷达极坐标系和海图直角坐标系进行转换，进而处理雷达数字视频图像，使雷达视频图像和电子海图的坐标相一致。雷达极坐标系和海图直角坐标系的对应关系如图3所示。

图3 极坐标系和直角坐标系转换示意图

以O′点为原点的雷达极坐标系和以O点为原点的海图直角坐标系的转换关系为：

其中 x1, y1为显示中心值，这样就能达到雷达图像和电子海图直角坐标系的统一。

2.3 雷达与电子海图的图像匹配

电子海图具有任意缩放的特点，而雷达显示量程是十分有限的，所以，我们基于电子海图的缩放变化，对电子海图进行合理的比例调整，实现雷达和电子海图图像的比例尺匹配。而且雷达显示和电子海图显示方式不同，雷达存在北向上、船艏向上和航向向上等显示方式，而电子海图一般都是北向上的显示方式。基于显示方式不同的特点，可适当对雷达图像进行旋转变换。一般可用数学仿射变换矩阵进行坐标转换，对图像进行缩放和旋转处理，实现雷达和电子海图的图像匹配[2]。

3 电子海图显示信息系统ECDIS与VTS的数据叠加

VTS即船舶交通服务系统，是为了解决海上船舶航行安全与效率而建立的。VTS主要由水文/气象系统、网络与信息传输系统、交通显示与控制系统等系统组成，目的在于收集的水文气象数据，港口和航道信息进行分析、评估和处理，从而完善出船舶交通管理制度，防止航道内危险情况发生和保证船舶交通安全和高效航行。VTS监控的重心放在港区水域和进出港航道，关注于码头的靠离泊作业和港区的船舶航行安全[3]。

我国VTS起步较晚，在设备运行、制度管理、人员培养等方面不够完善。在船舶密集水域，船舶航行秩序混乱，交通事故频发的情况下，ECDIS能够使VTS向数字化导航广播服务方向发展，确保VTS的安全服务尽善尽美。VTS监控站通过数字化通信网络把在船舶交通管制作用范围内的各种船舶的位置和运动情况通报给所有相关船舶，在VTS监控范围内的每艘船舶的ECDIS能够准确的显示所接收到的其他船只位置和运动情况，这信息也被同时显示在船舶交通控制中心系统上。并能够查询这些船舶的静、动态情况。如果根据需要与他船建立通信联系，在这区域范围完全全面覆盖的情况，可以及时建立相应联系[4]。

4 AIS与电子海图显示信息系统 ECDIS的数据叠加

AIS即船舶自动识别系统，AIS也类似于VTS，可以周期性地发射和接收船舶的静态信息（如船号、船只国籍、船舶名称等）、动态信息（如船舶位置、对地航速、对地航向、航行状态等）以及与航行相关的信息（如船舶吃水、危险货物种类等）。在与ECDIS叠加过程中，系统采用多线程方式，主要不影响ECDIS海图的显示情况。主线程为ECDIS和AIS信息显示，辅线程为AIS信息解码。在对AIS信息解码后，系统将各类信息存入AIS信息数据库中。当AIS有更新或者添加时，系统首先查找各船舶信息链表，然后对数据库中已存有的数据做相应的更新。当AIS信息读取时，系统建立一个体系。此体系中包含船舶动静态信息。凡配有AIS的船舶都可以接收到这些信息，然后该AIS系统依据本船当前位置选择合适海图，将读取的它船经纬度坐标转换为屏幕坐标，并判断它船当前位置的屏幕坐标是否在ECDIS显示区域内，进而根据它船的船舶状态选择相应船符进行显示[5]，如图4所示。AIS可以向航行船舶提供所在航行区域的实时交通动态和相关信息，最大限度地避免船舶碰撞，提高海上搜救的工作效率。

图4 AIS信息在ECDIS系统上叠加显示流程图

AIS系统也能够与其他辅助设备相连，便捷地从这些辅助设备中输入数据，其外部终端是ECDIS。电子海图与AIS的信息相叠加，可使将自己的导航信息和其他船只的信息全部显示在电子海图上，这样可以解决在监控盲区中，覆盖不到区域中的船舶监控问题。如果AIS向其他船舶或相关部门在必要时发送自己的航路计划，并在ECDIS上能够清晰地显示。因此，ECDIS也是最好的显示其信息的理想工具。AIS与ECDIS的叠加也可能扩大VTS交通服务覆盖范围。AIS信息能够替代指挥管理VTS交通服务的信息，弥补了VTS有限的覆盖范围，进一步地提高了交通服务的覆盖范围。

在显示时需要进行消除闪烁处理，造成图像闪烁的原因是相邻两帧图像之间存在着差异。系统利用双缓冲技术原理，双缓冲技术绘图就是在屏幕上有图形显示以外，在内存中也有图形在绘制。也就是我们将要显示的图形先在内存中绘制好，然后再将内存中的图形完全覆盖到屏幕上去。当贴到屏幕上时，因为内存中最终的图形与屏幕显示图形差别很小，这样看起来就不会闪[6]。

5 结束语

所谓数据叠加，就是指将不同设备获得的目标船舶信息参数进行叠加处理，以消除单个设备的测量误差，得到更加精确的参数值。但在现实航海中，电子海图与雷达、AIS、VTS等设备的精度测量的结合还有些不完善的地方，如数据和信息交流不通畅，虽然设备捕获目标能够显示在海图上，只显示船位、航向、航速、及海域气象信息等等，但没有显示水域交叉船舶危险信息，没有其他船只的协同监测。今后要解决的问题是：要尽快建立覆盖全球网络海图信息系统以完善服务；对已有ECDIS的软硬设备进行完善，使其达到智能化的要求；同高精度定位系统、雷达避碰系统、船舶通信系统、车舵控制系统等进行融合，实现信息的综合处理与显示；辅助制定操船决策，更大程度地保证船舶航行安全。

[1]柳桂财, 栾法敏. 电子海图的种类和使用[J]. 世界海运, 2007, 30(4)： 31～33.

[2]邓康全, 于浩, 窦玉宝. 雷达模拟视频和电子海图图像叠加方法[J]. 天津航海, 2010, (3)： 1～4.

[3]姜凤娇, 赵晓凤, 赵树平. VTS系统在航道交通管理中的应用研究[J]. 交通科技, 2010, (2)： 106～108.

[4]陈晶晶, 薛祖军. 关于创建区域 VTS中心的思考和建议[J]. 交通科技, 2011, (4)： 118～121.

[5]邢春光, 王直, 马晓军. AIS信息处理及其与电子海图系统集成的研究[J]. 舰船科学技术, 2008, 30 (5)：92～94.

[6]张哲源, 熊庆国, 李文翔. 基于双缓冲技术解决游戏开发中画面更新问题[J]. 信息技术, 2011, (8)：17～19.