电子海图显示与信息系统培训教材.doc

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第1章电子海图显示与信息系统概念

1．1  引言

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。

从最初纸海图的简单电子复制品到过渡性的电子海图系统（ENS），ECDIS已发展成为一种新型的船舶导航系统和辅助决策系统，它不仅能连续给出船位，还能提供和综合与航海有关的各种信息，有效地防范各种险情。

据不完全统计，目前世界上安装各类电子海图的商船、渔船、客船、游船及军舰在二十万条以上。

对于SOLAS船舶而言，随着各国官方电子航海图（ENC）逐步完备、标准ECDIS的出现以及IMO对ECDIS的认可，ECDIS势必取代沿用了几百年的传统纸海图。

（2）VectorCharts

  矢量海图，是电子海图数据库的另一种形式，数字化的海图信息分类存储，因此可查询任意图标的细节（如灯标位置、颜色、周期等），海图要素分层显示，使用者可根据需要选择不同层次的信息量（如只显示小于10m的水深），并能设置警戒区、危险区的自动报警，还可以查询其他航海信息（如港口、潮汐、海流等），有人称矢量海图为“智能化电子海图”。

（4）SENC

  系统电子导航海图，英文为SystemElectronicNavigationalChart，它是ECDIS内部的一个数据库。

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，并且由航海人员注入其他航线信息，包括航线设计使用的点、线和区域以及ECDIS图库中的任何符号和文本注记信息。

SENC供ECDIS显示存取以及完成其他航海功能，且是ECDIS的一个组成部分，它还包含来自其他信息源的信息。

SENC是ECDIS中直接读取和显示的数据库，它是由ECDIS对ENC进行格式转换而得到的，目的是为了快速显示ENC。

SENC中包括ENC的所有信息，还可包括ENC的改正信息。

ENC、SENC和ECDIS三者的关系

如图所示，SENC中只包括经常使用航线上的ENC，SENC是ECDIS从ENC中选取的，转换成本身的格式而产生的，与ENC有不同的数据组织格式。

SENC包括不属于ENC中的信息，如开发人员添加的数据域、航海人员的改正信息和其他信息。

ECDIS根据SENC来显示。

（8）DX-90

  电子海图数据提供和交换1990（S-57早期版本中使用格式），英文为FormatforSupplyandInterchangeofDigitalCartographicData（1990）。

  （9）S-52

  IHO关于ECDIS的电子海图内容和显示标准，英文为IHOSpecificationforChartContentandDisplayofECDIS。

它详细规定了海图内容、显示信息、色彩、符号及海图改正应遵循的规则。

（10）S-57

  IHO关于数字化水道测量数据即电子海图数据的传输标准，英文为IHOTransferStandardforDigitalHydrographicData。

它包括目标分类、DX-90格式、ENC产品规格、ENC更新图表，1996年11月发布第3版。

（13）ECDB

  电子海图数据库，英文为ElectronicChartDataBase。

包括由国家航道测量部门提供的电子导航海图ENC以及如航路指南、潮汐表、灯塔表等一些航海出版物的信息，包括海图信息和航道测量信息，使用时从中选用所需部分，并可以适当地处理以满足不同使用者、不同场合对显示海图信息的需求。

（14）RNC

  光栅导航海图，英文为RasterNavigationalChart。

光栅格式海图是一个数字信息文件的数据库。

它是由直接数字化纸海图而得到的，是纸海图的复制品。

（2）具有同纸海图一样的精度和可靠性，能完成标准导航任务，而且信息更多。

（3）光栅海图的数字信息文件是一种图像文件，形成过程简单、可行。

这些信息未经分门别类，因此不能对光栅海图进行查询式操作（如查询本船周围某一个距离内的危险物情况，本船周围水深情况等）。

  （4）RCDS系统对计算机软、硬件性能的要求不高，开发这种系统从技术上来说比较简单，因而它的开发费用也较低，产品的价格相应较低。

  （5）当加入其他信息时，图像变得杂乱无章。

  （6）不能任意旋转海图方向，不能提供自动深度报警。

  （7）一般比矢量海图占用空间大。

  （4）全世界大洋中的矢量海图不可能在几年内得到。

  （5）海图可以旋转。

  （6）使用者可以裁剪、粘贴图像，图像可放大和缩小，为安全使用ENC需培训。

  （7）显示数据完整，并且更容易用于其他导航设备，如与Radar进行数据交换。

  矢量海图比光栅海图有许多优点，相信最终会取代光栅海图。

但是，只有各国官方航道测量部门提供的电子导航海图ENC或数据（符合S-57标准）才能被IMO和IHO承认与纸海有相同的法律效果，因为国家航道机构提供的资料或数据，赋有对产品的质量、安全等方面的法律责任。

    ECDIS（配以ENC）已经成为合法的纸海图的替代品，使用光栅海图的船舶必须要同时配备纸海图。

在过渡期内即合法的ENC不能覆盖全部海域时，在有ENC的水域使用ENC而无ENC的水域使用RNC。

在使用RNC水域必须配备相应的纸海图，也就是说RNC不能取代纸海图，最终在航运市场上最代表纸海图的是矢量格式数据而不是光栅格式数据。

1．4  ECS与ECDIS

1．4．1  电子海图系统ECS

一般来说，完整的电子海图系统ECS由三部分组成，如图所示。

（1）硬件设备：

包括显示器、处理器、电源、控制台和接口单元。

（2）海图显示系统（ECS、ECDIS、RCDS）：

是对电子海图操纵和控制的软件系统。

  （3）电子海图数据库：

按某一种格式（如Raster或Vector）制成的海图文件，由海图显示系统打开和显示。

1．4．2  电子海图显示与信息系统ECDIS

  电子海图显示与信息系统ECDIS，是指以数字形式储存的海图及包括有关上述海图的数据、设备、系统、计算机软件和硬件等各种

    ECDIS之所以在航海界引起高度重视，是因为它具有纸海图无法比拟的优点。

ECDIS系统分别从陀螺罗经、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，按一定的算法解出本船的最佳船位，将计算结果实时地显示在显示器上，并对航向航迹监测、航行自动警报（如偏航、误入危险区等）。

根据用户的需要，显示器还可快速查询船舶航行区域的海图及其他航海出版物所提供的信息，与其他航海仪器进行数据和信息交流，将Radar／ARPA捕获到的目标船动态叠显在海图上。

可在海图背景上显示船位、注释船位，进行自动标绘。

电子海图目前发展可完全脱离普通纸海图，还可以进行航线辅助设计、航向监视、航次记录与回放、多种报警设置、海图自动改正（数千幅海图改正只需几分钟）等自动化作业方式。

1．5  RCDS与ECDIS的功能

1．5．1  光栅海图显示系统RCDS的功能

（1）将大量的海图以数字化形式存储在计算机的硬盘或CD-ROM中，便于保管、传递，极大地减少了航海保证部门在制作、保存、管理和开发过程中的人员和资金的开支。

（2）查询与提取海图方便、快捷，只要将各种海图的图号、名称、比例尺、海区、基准等信息收集存入它的数据库，就可以查询到任一张所需的海图，并将它显示在荧光屏上，整个过程所需时间可以达到秒级。

（3）更新海图快捷、方便，画面及时更新、滚动、拷贝，光栅数据进入RCDS时不需要进行转换，可以快速显示在屏幕上。

海区情况会不断发生变化，比如说某个地方沉了船，某个地方灯标移了位置等，发生这些情况后航海保证部门都会以航海通告的形式通知航海人员。

有了电子海图系统后，就可以将改正过的海图制成光盘或拷人软盘发给或出售给使用者，由使用者利用RCDS提供的海图改正模块将对应的海图替换为经过改正后的海图。

另外，也可以通过无线电或卫星通信的方式（比如使用INMARSAT船站）来改正海图。

1．5．2  电子海图显示与信息系统ECDIS的功能

  它具有光栅海图所有的功能，同时还具有许多光栅海图所没有的功能：

（1）可以对海图上任意一个点进行查询操作，比如可以用光标单击某灯标符号就可以查询它的有关灯质、设计的年份、可靠程度等信息。

用光标点击引航站位置，可显示该引航站的通信频率、呼号等，特别是ECDIS能显示出一些在纸海图上不能反映出来而需要查找其他航海资料才能获得的信息。

  1．6  ECDIS的国际标准

  1．6．1  IMO的ECDIS使用性能标准

  1995年11月召开的IMO第19次大会通过，该标准对ECDIS的各种使用性能做出明确的规定，为未来电子海图的发展奠定了基础。

该标准还规定，ECDIS可以作为“1974年海上人命安全公约（SOLAS）中V／20条”所要求的纸海图的等价物，换句话说，ECDIS（配以ENC）可以取代传统的纸海图。

IMO明确地要求国际水道测量组织成员国生产电子海图（ENC）并尽可能早地进行联合更新服务，在设计和生产ECDIS时要保证产品质量符合性能标准。

1996年11月，IMO又增补了ECDIS备用设备的条款。

1．6．3  IEC的ECDIS测试标准

  与此同时，国际电工委员会IEC提出了对ECDIS硬件设备的检验和测试结果的标准。

1998年7月，这个标准（即IEC61174）被IEC确定为ECDIS系统的测试认可标准。

任何厂家生产的

ECDIS系统必须按该标准经严格测试并达到标准要求的结果，才能被官方认可投入市场。

IEC还有一个对船用导航设备的“环境测试标准”，成为IEC60945，用来检测ECDIS系统在不同温度、湿度、振动等情况下的可靠性。

      IMOECDIS性能标准给出了ECDIS的定义：

电子海图显示与信息系统ECDID是一种航海信息系统，该系统有足够的备用装置，可以认为符合1974SOLAS公约的V／20条规则要求的现实性海图的规定，通过从系统电子导航海图SENC中选择的信息与从导航传感器获得的位置信息的显示来帮助航海人员进行航线设计和航路监视。

若需要可显示与航行有关的其他信息。

规定了信息的显示、海图改正、航线设计、航路监视和航行记录等性能要求。

      IHOS-52，规定了电子海图的内容和显示、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等使用细节。

IHOS-57（Edition3．0）描述了用于各国航道测量部门之间的数字化航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，是具有法律效力的矢量式电子导航海图和数据交换和传输标准。

      IEC61174描述了ECDIS的性能测试方法和要求的测试结果。

通过该标准的测试是ECDIS合法地成为船用设备的前提。

      ECDIS的功能要满足IMOECDIS性能标准的要求，所使用的海图信息应是由官方航道测量部门提供的符合IHOS-57标准的最新（经过改正后的）信息，ECDIS中电子海图的具体内容、显示方式以及颜色和符号的使用等要符合IHOS-52规范，ECDIS作为船用设备要通过IEC的性能测试。

上述标准的制定，使厂家生产ECDIS有了明确的依据，也使ECDIS用户更加放心，并会激起船东购买该系统的更高热情，为ECDIS系统早日进入市场，促进海上安全，减轻驾驶员负担做出贡献。

第2章  电子海图的设计

2．1  电子导航海图ENC的设计

2．1．1  电子海图的内容和显示

（1）ENC的内容

    ENC最少应包含现有纸海图上所描述的与航海有关的全部信息。

目前包含在各种出版物（如灯标表等）中的某些文本类HO信息也可编入ENC。

    ②标准显示包括：

显示基础；干出礁范围线；固定和浮动的助航标志；航路、水道的边界；视觉和雷达可测的显著物标；禁航区和限航区；海图比例尺边界；警告事项的指示。

  ③其他信息包括：

水深点；海底电缆及管线；渡船航线；所有孤立危险物的详细信息；助航设备的细节；警告事项的内容；ENC版本日期；测量基准面；磁差资料；经纬线图网；地名。

  ⑥HO提供的，经用户请求时才显示的数据；⑦雷达信息；

⑧用户数据：

点、线和面（用户在电子海图上所做的标注）；

⑨ECDIS制造商的数据：

点、线和面；

⑩用户的颜色填充区域的数据；

  ECDIS制造商的填充区域数据。

  上述各级是按照优先顺序排列的，每一级都不能遮盖其上面的各级。

雷达信息应具有显示／关闭控制开关。

应当指出，上述优先级顺序并不是指绘图时的先后顺序，例如颜色填充要在点线之前绘出。

  2．2  系统电子导航海图设计的总体要求

2．2．1  SENC的总体要求

    ECDIS的信息基础是SENC。

ECDIS功能的强弱、运行速度和工作效率取决于SENC的内容、结构和数据文件格式。

SENC的设计是ECDIS研制的关键技术，它的建立是ECDIS的研制者所面临的首要任务。

（1）符合IHOS-57标准

    IMOECDIS性能标准要求，ECDIS中使用的海图信息应是由海道测量权威部门提供的符合IHO标准的最新的信息；ECDIS应能够接受符合IHO标准的正式的ENC改正数据。

这就规定了ECDIS的研制者在设计SENC时，必须考虑IHOS-57标准的要求，使其从内容上能够完整体现和表示S-57格式的ENC所描述的信息。

（3）支持IHOS-52标准

符合IHOS-52标准是对电子海图显示的基本要求。

在设计SENC时必须考虑使数据的组织支持该标准。

例如，为了使ECDIS屏幕上的信息能够按照预期的叠盖次序（点状物标和线状物标可以叠盖在区域状物标上，重要物标可以叠盖在次要物标上）显示，必须为每类信息规定显示优先级，也就是说，必须将SENC中的每类信息按照这个优先级顺序排序，以便于电子海图的显示。

IHOS-52标准所推荐的显示库（PresentationLibrary，简称PL）中将上述显示优先级分为9级，在设计SENC时可以参考。

（1）非标准电子海图转换为标准电子海图的过程

船舶航行世界各地，可能取得各国的电子海图，而不同国家采用的纲要及其制作的ENC均有所不同，不能要求应用系统设计出针对每一种ENC的数据接口，各国电子海图要能互相交换，数据模型与数据结构需要一致，或至少让应用系统得知其数据结构。

这就要求有一个国际标准ENC，“IHOS-57数字海道测量数据转换标准”正是为此而制定的，它要求各国能将非标准ENC转换为S-57标准ENC（同一产品规范），这个过程如图所示，可用程序自动完成。

（3）S-57标准ENC与SENC数据的转换

S-57标准ENC与SENC数据的转换依赖以下3点：

①S-57定义了标准ENC数据结构，每个ECDIS都应能够接受ENC并将其转换为内部存储格式，ENC中的数据不容许ECDIS制造商和用户擦除、重写或修改。

在ECDIS中必须存储ENC的拷贝，再加上自动航海通告（ENC改正信息，同样采用S-57格式），将它们由ECDIS转换成SENC，如图所示。

②数据字典记录或S-57标准定义了对象、属性和属性值。

③用ISO／IEC8211"信息交换的数据描述文件规范”包装S-57标准数据库，使得每个文件的数据组织形式相当明确，应用系统可进行数据处理。

以上3点使得不同的ECDIS迅速对标准ENC解码，将S-57标准ENC转换为基于不同计算机系统的SENC。

2．2．3  电子海图数据库

    ECDB（ElectronicChartDataBase），即电子海图数据库，是指提供电子海图数据（ENCD）的基础数据库。

由国家航道测量组织采用数字形式建立，包括海图信息以及其他航海信息和航道测量信息。

应当指出，国家航道测量组织应当有权对自己所负责的海域独立制作和发布ENC并进行通告改正服务。

实用意义下的电子海图系统应当具备相当大的全球海图数据库（例如数千幅），具有相当数量的专业制图人员来维持和扩展海图数据库，具有完善的电子海图自动改正系统，具有庞大而有效的全球分销网点，具有与各国官方航道测量局签署的版权协议，能够兼容其他国家航道测量局制作的光栅海图（如ARCS、NOAA）和矢量海图（如ENC）数据库，具有国际组织和各国海运部门的认证证书。

第3章  ECDIS的使用及发展

3．1  ECDIS主要使用特性

（1）海图显示

在给定的投影方式下合成的显示海图（在使用墨卡托投影方式时，可适当选取海图的基准纬度，以减小海图投影变形）；以“正北向上”或“船首向上”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（隐去本船在特定条件下不需要的信息）。

（3）海图改正

ECDIS有许多优点，更主要的优点是与纸海图相比，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降低了误差出现的机会。

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警告中提取的改正数据，实现ENC的自动、半自动和手工改正。

多种导航传感器实时连续地接收各种信息，ECDIS能够同计程仪、陀螺罗经、GPS、Loran-C、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，求得最佳船位、航迹、航向和航速等；能够进行各种陆标定位计算。

在航行中，来自GPS或DGPS的本船船位可连续自动地显示在电子海图上，并连续地显示出航迹，以便与计划航线比较。

根据IMO的性能标准：

雷达信息或其他导航信息可以叠加到ECDIS显示中，但不得减少SENC信息并且明显地与SENC信息加以区别。

（5）航海信息咨询

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。

在航行期间，可以用鼠标捕获目标，该目标属性及文字说明可显示在屏幕上，例如将鼠标置于引航站位置，该引航站的通信频率、呼号等可以得到显示。

还可以查询本地的潮汐数据，也可计算到达位置的潮汐数据。

通过复杂烦琐的绘算才能求得某一特定时间、特定地点的潮汐潮流计算问题，简化为在屏幕上的轻轻一击。

（7）航线设计

根据IMO性能标准的规定：

应包括直线和曲线两者在内的航线设计；能通过下述方法去修改航线：

①在航线上增加转向点；

②从航线上删除转向点；

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。

选定的航线应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，接通自动偏航报警装置。

（9）航行记录

根据IMO性能标准的规定：

ECDIS应存储并能重现12h的航行过程和使用官方数据库所要求的最少量要素。

ECDIS应能以1min的时间间隔记录如下数据：

①本船航迹的记录：

时间、位置、航向和航速。

②使用官方数据的记录：

ENC来源、版本、日期、单元和改正情况。

另外，ECDIS应记录时间标记间隔不超过4h的整个航程的完整航迹；ECDIS不能对记录的信息进行处理或变更；ECDIS应能保留前12h的航海记录和航迹记录。

也就是说，ECDIS应具备类似“黑匣子”的功能。

3．2．1  ECDIS与AIS

AIS系统能够与其他传感器相连，以便自动地从这些传感器中输入数据。

AlS系统的外部终端是电子海图与信息系统（ECDIS），如图所示。

自动识别系统（AIS）的符号已经包括在电子导航海图符号丛书中。

    3．2．2  ECDIS与VTS

    ECDIS在船舶交通管制（VTS）方面也将得到广泛的应用。

在狭水道和港口运作的VTS通过数字化通信网络（数字广播）把在其作用范围内的各种船舶的识别码、通信设备情况、航速、航向等通报给所有有关船舶。

进入VTS作用范围的每艘船舶上的ECDIS能够自动显示所接收到的其他船舶的位置和运动情况，并能查询这些船舶的其他静、动态信息。

在需要避让时，本船可根据识别码同其他船舶建立通信联系，将拟采取的避让措施及时通知对方，从而达到协调行动的目的。

这种方式克服了在狭水道中通信目标容易混淆的缺点。

3．3．1  ECDIS避礁石、防搁浅和航迹保持

ECDIS在保证船舶航行安全方面最根本的一点在于，它包含最新的或经过改正后最新的海图信息（存储在SENC中），即系统总是“知道”船舶所处的静态地理环境，从而能够自动判断船舶与其周围的陆地、岛屿、暗礁、浅水域、禁航区等之间的相对位置关系，因此，ECDIS可以检测航海人员制定的计划航线（船舶的预定运动轨迹）是否合理，船舶在航行过程中同各种静态目标之间的相对位置是否安全。

这在一定程度上可减轻航海人员的疏忽等人为因素对航行安全所造成的不利影响。

在进行航路监视时，航海人员可预先设置一个船舶偏离计划航线的限度，达到这个限度时，ECDIS将自动发出偏离航线报警。

这就要求ECDIS当收到来自导航系统，如GPS的船位时，计算船位距相应的计划航线段的距离，并比较此距离与预设限度的大小以及实现航迹保持的功能。

（2）在ECDIS发生故障的情况下，提供备用设备保证剩余航程的安全航行。

ECDIS备份系统的进一步定义是：

航行安全不会因为ECDIS系统的瘫痪受到影响，这包括在出现紧急情况时能及时切换到备份系统上，并保证船舶安全完成余下的航程。

ECDIS备份系统的基本功能应包括航线设计，航线监控，显示官方电子海图信息，更新记录航行信息。

按照如下几条都可以达到备份系统的功能要求：

①另备一套独立的ECDIS，它应该符合IMO性能标准的要求或部分符合IMO性能标准的要求（比如：

显示器尺寸略小等）。

②使用官方航道数据的光栅电子海图系统（RCDS）。

③使用官方航道局的光栅数据或官方航道局的矢量数据的一般电子海图系统（ECS）。

④各国航道局发行的最新纸海图，并可用来做航线设计和定位。