航海专业论文电子海图信息系统 ecdis的发展及应用.docx

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航海专业论文电子海图信息系统ecdis的发展及应用

电子海图信息系统（ECDIS）的发展及应用

[摘要]电子海图显示与信息系统（ECDIS）被认为是继雷达／ARPA之后在船舶导航方

面又一项伟大的技术革命，可以说将航海安全技术提升到了一个全新的高度，对航运相关行业带来了深远的影响。

本文简单介绍ECDIS系统和ECDIS的发展现状与趋势，结合实际重点研究ECDIS在船上的实际应用。

[关键词]ECDIS航海安全技术发展现状实际应用

Developmentandapplicationofelectronicchartdisplayandinformationsystem

[abstract]ElectronicchartdisplayandinformationsystemisconsideredtobeaGreattechnologyrevolutionafterradar/ARPAonnavigationoftheship.itcanbesaidthatthenavigationsafetytechnologytoanewheight,theshippingindustryhasbroughttheprofoundinfluence.ThepapersimplyintroducestheECDISsystemandthepresentsituationandthetendencyofthedevelopmentofECDIS,combinedwiththeactualfocusonECDISpracticalapplicationintheship.

[keyword]ECDISMaritimesecuritytechnologythetendencyofthedevelopmentThepracticalapplication

引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1

第1章ECDIS系统简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

1.1ECDIS的由来．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

1.2ECDIS的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

1.3ECDIS的功能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

第2章ECDIS的发展现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

2.1ECDIS现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

2.2ECDIS的发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

2.3E_Navigation环境下ECDIS发展研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

2.4国际海事组织IMO对ECDIS发展的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

第3章ECDIS的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

3.1ECDIS在船舶航行中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

3.2ECDIS在港口引航的应用研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

第4章ECDIS潜在的风险与控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

4.1ECDIS潜在的风险．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

4.2化解潜在风险的对策．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

致谢语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23

引言

电子海图显示信息系统（ElectronicChartDisplayInformationSystem，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后在船舶导航方面的又一项伟大的技术革命。

2O世纪70年代，电子计算机技术的迅速发展及彩色图像显示器的出现，使纸海图数字化及海图的电子复制成为现实。

一些简易电子海图在船上的使用，使人们看到了电子海图比纸海图具有以下明显的优点：

用彩色动态画面显示海图、航迹、助航标志等信息{当接入GPS、雷达、ARPA等导航传感信息后，显示本船位置、航向、航速、目标动态等信息；可以进行航线设计；进行危险预测和报警；记录航行信息等。

这些优点使航海者可方便地连续不断地了解本船所处的态势，在各种航行紧急和危险局面中做出正确判断，从而提高了航行安全和航行效益[1]。

1995年11月IMO（世界海事组织）第l9届全体大会通过了ECDIS性能执行标准，并列人IMO第l9卷《文集》，向全世界公布，使ECDIS在法律上等效于纸海图。

ECDIS执行标准规定了ECDIS的核心文件是国家航道部门的官方数据。

国际航道组织（IHO）要求各成员国制定相应的国家条例，并鼓励各成员国开发全世界适用的海图数据库。

目前世界上安装电子海图的船舶在20万艘以上，随着各国官方电子海图（ENC）逐步完备、标准ECDIS的出现以及IMO的认可，未来l0年左右ECDIS将全面取代纸海图，成为21世纪航海信息综合处理手段和主要电子助航设备。

我国海域辽阔，改革开放以来，对外交流日益繁多，海运的需求也随之剧增。

只有现代化的航海设施及导航技术才能适应我国经济发展的迫切需要，同时这也是世界航海领域的大势所趋。

除了海运方面的需要之外，远洋考察、渔业、海上石油勘探、海洋救援等也都需要先进的电子海图显示与信息系统。

第1章ECDIS系统简介

1.1ECDIS的由来

ECDIS的概念是在总结船用电子海图系统ECS的结构、功能和应用的基础上提炼出来的。

功能更加完善并可取代纸海图的系统称为/电子海图显示与信息系统,英文缩写为ECDIS。

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。

1998年10月,IMO和IHO联合组织了北海工程实验,以评价ECDIS的功能,分析其潜在用途。

有6个来自不同国家的多功能船用电子海图系统参加了实验。

实验结果表明,ECDIS不仅仅是纸海图的等效物,而且是未来智能化船舶的必要组成部分,ECDIS必须走国际标准化的道路,各国政府和国际组织应提供法律保证。

在之后的近10年间,由于IMO和IHO的积极努力,ECDIS的各类标准和规范不断地建立、更新和完善,各种具有优良性能的ECDIS产品也不断地推陈出新。

可靠、精确的最新纸海图已被公认为安全航运的基础。

电子海图和各种传感器组合而成的综合显示器则是在20世纪70年代和80年代随微电子技术的发展才出现的,电子计算机和与其相关的彩色图像显示器的出现,使纸海图的数字化以及海图的电子复制变成现实。

ECDIS是在总结了船用电子海图系统（ECS）的结构、功能和应用的基础上提出来的,专门用来显示官方电子导航海图。

1.2ECDIS的组成

ECDIS是一种数字化形式储存的海图，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，ECDIS实质上是包括各种导航传感器与数字海图和其他航用数据结合在一起的自动导航系统的图形数据输出终端，见图1－1所示。

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陀螺罗经、计程仪、GPS／DGPS、气象传真机等传感器，接收航向、航速、船位及气象信息，解出本船的最佳船位，将计算结果实时地显示在显示器上，并对航向航迹进行监测与报警（如偏航、危险区等）。

用户根据需要可快速查询航行区域

的海图及其他航海出版物所提供的信息，与其他导航设备进行数据和信息交流，将RADAR／ARPA捕获到的目标船动态叠示显加在海图上并且可在海图背景上显示船位，进行自动标绘；进行航线辅助设计、航向监视、航次记录与回放、报警设置、海图自动改正等作业；自动选择显示区域，进行缩放、剪接，对船舶航行提供安全保证。

图1-1ECDIS的组成

1.3ECDIS的功能

（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纬度，以减小海图的投影变形）。

主要形式是：

以“正北向上”或“船首向上”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）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、航迹和时间等。

（3）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通告中提取的改正数据，实现ENC的自动、半自动和手工改正。

（4）定位及导航。

能够同计程仪、罗经、测深仪和气象仪等设备连接，接收来自这些传感器的信息，并进行综合处理，确定船位；能够进行各种陆标定位计算。

（5）航海信息查询。

获取电子海图上物标的详细描述信息以及整个航线上的航行条件信息，如潮汐、海流和气象等。

（6）雷达信息处理。

提供本船、显示在电子海图上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。

同时，还能在电子海图上检测该避碰决策是否可行。

（7）航路监视。

在船舶航行过程中，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暗礁、禁航区和浅滩等，实现避礁、防浅。

（8）航线设计。

根据IMO性能标准规定：

应包括直线和曲线两者在内的航线设计；能够通过下述方法修改航线：

1）在航线上增加转向点；

2）在航线上删除转向点；

3）改变转向点的位置；

4）改变航线中转向点的次序；

除选定的航线外，应能准备一条备用航线，选定的航线与其他航线明显区别：

如果航海人员拟定穿越本船的安全等深线，应给出一个指示；如果航海人员拟定的航线会穿越禁航区的边界或存在特殊区域的边界，应给出指示；航海人员应规定一个偏离计划航线的限度，根据此限度接通自动报警装置。

第2章ECDIS的发展现状

2.1ECDIS现状

自本世纪70年代末以来，电子海图作为综合导航系统的显示背景，开始在日、美，加等国出现，此后挪威、德国、英国等各主要航运国家也陆续着手此项研究。

国际海事组织（IMO）及国际水道测量组织（IHO）全面负责电子海图的国际化和标准化。

与1996年成立由多国专家组成的电子海图专门委员会，并对各国的ECDIS即电子海图信息系统进行调研和协调，通报ECDIS发展，商定ECDIS的规范，并于1987、1989年两次起草了ECDIS的规范草案，1989IMO通过了ECDIS草案的第三稿，1993年又对该规范的某些指标作出了进一步的修改。

该规范肯定了ECDIS，确认了电子海图在海图功能上是“纸质海图的合法等效物”并具有更高的安全性和方便性，同时对ECDIS的基本功能，制图结构，海图作业、数据结构、修改方法等，也都作出了具体规定。

1997年，国际电工委员会技术委员会提出了ECDIS硬件设备的细则。

迄今为止，德国、英国、挪威、瑞典、日本、美国、加拿大、澳大利亚、荷兰、香港等国家和地区均推出了各自的ECDIS产品。

我国的电子海图研究起步稍晚。

自80年代末开始。

海军航保部海洋测绘研究所等单位相继开始了此项研究。

这无疑增加了ECDIS研究的经验和技术积累，同时也推进了ECDIS在我国的发展和完善。

从所了解的电子海图情况看，面向海图管理及航迹标绘的功能大都得到了比较完善的解决。

有的系统还具有部分航行管理、海图信息及航海资料的检索查询和报警功能。

但不同单位研制的海图，都采用了自己特有的海图数据结构，并且自成体系，不仅实现的技术途径各异，其功能和精度也个不相同。

IMO及IHO始终重视电子海图的规范化问题，制定了一系列的电子海图技术标准，我国的《电子海图技术规范》也已经作为国际正式颁发实行。

2.2ECDIS的发展趋势

目前ECDIS的性能标准、海图显示规范、数据标准、硬件设备标准均已确立。

ECDIS的标准问题已经解决,这为其合法化和实用化彻底铺平了道路。

ECDIS全面取代纸海图的时代已经来临。

今后要解决的关键问题是:

要尽快建立覆盖全球的合法的ENC以及健全的海图改正服务网络；已有ECS的软硬件进行改进,使其完全符合ECDIS各项标准的要求；扩充ECDIS的标准功能,使其具备智能化的特点;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集成,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。

同时可以控制船舶以最经济的方式航行在最优航路上,提高航运效益。

ECDIS系统的运行离不开数字海图（又称电子海图ENC一ElectronicNauticalchart）的支持,就象汽车离开了汽油不能行走那样，数字海图就好比是ECDIS系统运行的“燃料”，ECDIS系统的发展是与数字海图的发展密不可分的，随着全球范围内的数字海图覆盖范围越来越广,ECD路系统的使用也将越来越普及。

纸质海图至今仍然是舰船航行必不可少的文件资料。

对于装备了ECDIS的舰船来说,其活动海域的数字海图更是不可缺少的，系统功能可以很复杂，也可以简单，但是所用的数字海图必须确保其精度和质量。

国外先进国家的数字海图生产不仅在质量上有保证,而且形成了规模化生产格局。

以意大利CMAP公司为例,该公司至今己生产了近2000幅数字海图。

我国国内生产的数字海图在图形的表现力方面完全达到了纸质海图的效果。

由于数字海图往往是与舰船导航软件联系在一起，在数字海图上进行图上量算和海图作业要比纸质海图上简单容易方便得多，数字海图可以包含许多纸质海图上不存在的或根本无法表达的信息,如与航行有关的属性信息。

各种助航设备的高度、标身颜色、建造年月、无线电雷达及雾号性质等，再如障碍物的深度、发现时间、对航行的危险程度等。

还可以挂接一些多媒体信息，如航行警告语音报警、港口及航标等的录象资料和图片、航路指南等的超文本信息等，这些信息都是受图纸载负量或技术条件限制在纸质海图上无法体现的,在数字海图上却可以按需要随时调用，不需要时作为后台信息存储在数据库中。

数字海图还能做到分层显示，即把数字海图上的所有信息按用户的意愿重新组织后有选择地显示在当前画面上。

ECDIS巧系统对舰船航行的强大支持除了得益于数字海图外,还与现代化的各种船用仪器有关。

首先是定位仪的精度越来越高,特别是高精度GPS、差分GPS、GPS和GLONSSS双星定位系统等定位设备，有的精度达到了米级和分米级。

其次是数字雷达的安装,使雷达图像的显示再现速度很快，与海图的图形图像之间的匹配更容易实现:

功能强大的三维图形图像技术使舰船的海上模拟航行变得更加逼真;现代化的通讯手段使舰船之间、舰船与航管部门的联系更加紧密，便于监控和避碰。

只有依靠ECDIS系统才能把上述各种先进的技术集成在一起，组成功能强大的综合性导航系统。

传统的导航手段做不到这一点，不能充分发挥各种先进技术的组合功能。

因此，ECDIS是电子导航技术发展到今天的必然趋势。

用过ECDIS的航海人员无不对之推崇备至,就连中小渔船渔民对一些最简单的ECDIS设备都爱不释手。

2.3E_Navigation环境下ECDIS发展研究

2.3.1E-Navigation概念的提出

E-Navigation（以下简称e-Nav）概念的提出，是由于航海技术的飞速发展，导致VTS、GPS、ECDIS、PNT技术、AIS等多种助航技术的出现，这些助航系统的存在，一方面为航海人员提供了丰富的助航手段，但同时这些助航系统并存，独自发展，相互之间难以兼

容，信息难以共享。

航海人员难以全部熟悉这些，操作难度大，从而增加了船舶驾驶的负担，也使得这些助航系统本应发挥的助航作用大打折扣。

因此，人们希望，能否将上述各种船载、岸基助、导航系统信息进行整合，形成一个综合的船－岸助航信息系统，实现助航信息更为广泛和全面的共享，从而进一步提高船舶航行安全和船岸之间的管理效率，促进航海安全和环境保护。

2005年，国际海事组织（IMO）采纳了国际航标协会（IALA）提出的关于e-Nav的概念：

“E-Navigation就是通过电子的方式，在船上和岸上，收集、综合和显示海事信息，以增强船舶泊位到泊位的全程航行能力，增强相应的海上服务，加强安全和保安能力，以及海洋环境保护能力。

”

2009年，IALA的e-Nav委员会初步提出了关于e-Nav的框架结构。

图2-1是e-Nav系统结构简图。

（见下页）

图2-1

图1-2e-Nav结构简图

2.3.2E-Nav概念对ECDIS的影响

ECDIS符合e-Nav的概念。

e-Nav是一个“在船上和岸上，收集、综合和显示海事信息”的系统。

e-Nav利用无线电等通信手段，通过各种海事信息服务应用系统，在船-岸之间传递、共享各类海事信息，提高船舶航行效率、促进航海安全和海洋环境保护。

而ECDIS本身正好是一个助航信息服务系统，它通过以电子海图为背景的显示器，为航海人员提供多重助航信息服务。

因此，ECDIS完全符合e-Nav的概念。

目前，国际海事界在IMO主导下，对e-Nav进行研究。

由于ECDIS符合e-Nav概念，而且IMO已决定自2012年开始强制配备ECDIS。

因此，ECDIS必将在未来的e-Nav环境中发挥重要作用。

ECDIS本质上是助航信息服务系统，其通过其显示器，为航海人员提供丰富的有关航海的各类信息。

因此，在未来的e-Nav环境中，ECDIS系统将是各类航海信息的传输和显示的理想平台，是航海人员与e-Nav环境之间重要的人机界面，为航海人员提供信息服务。

同时，随着e-Nav概念的提出与发展，将进一步助推ECDIS的发展。

2.3.3E-Nav环境下ECDIS系统功能设想

E-Nav的发展，将进一步助推ECDIS的发展，同时，ECDIS的发展，也应符合E-Nav的概念。

目前，全球海事界正在IMO的推动下，根据IMO关于E-Nav的发展战略和工作计划，合力进行E-Nav发展各方面的研究与探索，但未来E-Nav环境下ECDIS的标准尚未出台。

根据E-Nav的概念，站在为航海人员提供综合海事信息服务角度和助航服务角度，我们可以设想，未来E-Nav环境下ECDIS应具备如下功能：

①友好用户界面

航海人员通过ECDIS终端与显示屏幕操作系统进行关联，因此ECDIS应具备友好的用户界面，既要功能强大，符合ECDIS功能要求，又要便于操作。

②显示船舶综合PNT系统信息

船舶综合PNT系统能够利用船载导航系统、船载传感器，确定船舶实时位置、计算船舶航向和航速。

ECDIS系统应能够处理船舶综合PNT系统数据，并在ECDIS显示器上把船舶船位等信息显示在电子海图上，并具备船舶航线标绘、危险警告等功能。

通过ECDIS系统显示、处理船舶综合PNT信息，应是ECDIS系统的核心功能。

③雷达图像叠加功能

ECDIS应能够接收、处理船载雷达信号，并将雷达图像显示在电子海图上。

当雷达目标成为危险目标时，ECDIS应自动产生报警信息提示航海人员。

④AIS信息显示功能

AIS是一个信息服务系统，可利用其通信功能，实现船与船、船与岸之间航海安全及相关信息的交换。

IMO已经确认，AIS将是未来e-Nav环境中的重要组成部分。

因此，ECDIS能够处理、显示AIS信息，是ECDIS系统发展的必然趋势。

ECDIS显示AIS信息，应

是ECDIS系统的另一个核心功能。

⑤NAVTEX及其它航海信息显示功能

ECDIS系统应能够读取NAVTEX信息，并根据需要，显示给航海用户。

在显示NAVTEX信息时，ECDIS系统应具备一定的智能，可根据NAVTEX信息的种类、优先度等特性，对信息综合处理并显示。

同时，还能够对船载传感器、气象及预报、海洋信息等进行处理

综上所述，在未来e-Nav环境下，ECDIS是船舶助航系统中显示系统的核心。

船舶通过各种电子系统和船载传感器收集各种为船舶提供定位导航的海事信息，ECDIS对这些信息进行综合处理，按照主动/被动方式显示给航海人员，从而增强船舶全程航行能力，加强航行安全，保护海洋环境。

2.4国际海事组织IMO对ECDIS发展的影响

当前,影响ECDIS侣发展的因素很多，除了技术因素、价格因素外，国际海事组织IMO的作用很大,因为任何船用设备的安装使用都要经过它的许可。

从1948年IMO公布SOLAS协议（海上人命安全国际公约）以来,随着技术的进步，IMO每隔若千年就要对SOLAS公约进行必要的修改。

由于电子海图在航海领域的应用日益广泛，IMO起草了电子海图显示信息系统（ECDIS）性能标准A8l9（l9）决议案，规定了被称作ECDIS的系统必须符合上述标准。

其中包括了系统组成、性能指标和系统应达到的功能,其最初的目的是有利于安全航行，为了这一目的，要求ECDIS具有一定的备用部件。

关于ECDIS所采用的电子海图数据（ENC），要求符合国际海道测量组织（IHO）规定的要素属性编码标准S52和数据交换标准S57。

在IMO的要求下,国际电子技术委员会（IEC）拟对ECDIS设备进行必要的性能试验和检测，以IMO和IHO的标准和规范为依据，以IEC1174号证书的形式签发合格证。

与ECDIS系统相关的还有另外两种系统,即综合船用系统（IBS）和船舶交通管制系统（VTS），国际海事组织也一并作了相应的规定。

根据IMO1996年12月的决议MSC64（67），IMO确定了综合船用系统IBS的性能标准，该标准将于1999年1月1日起生效。

综合