新一代ECDIS模拟器的初探与实现

    曲峰德 刘晶晶

    

    

    摘 要：为满足STCW马尼拉修正案中关于电子海图显示和信息系统（ECDIS）的培训、考试及发证的新要求，符合国际相关标准，如电子海图数据传输格式（S-57）、电子海图显示国际标准（S-52）及IEC 61174等，将船舶操纵和综合信息显示、虚拟三维视景通道、各种传感器仿真设备融入到新一版ECDIS模拟器中。该新版模拟器可进行基于ECDIS平台的全功能、多任务的综合船桥训练，满足培训的各项需求，提高培训效率。

    关键词：ECDIS模拟器;船舶操纵;仿真设备;培训

    中图分类号：U666.158            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）06-0049-04

    1 引言

    随着“电子航海”战略的实施，电子海图显示与信息系统（ECDIS）在船舶导航和辅助决策中的地位日益突出。根据新版的STCW公约的要求，2012年7月1日或以后建造的500总吨及以上客船和3000总吨及以上油船最先强制要求配备1套ECDIS，在随后几年内，现有及新造货船也要强制要求配备安装ECDIS[1]。随着ECDIS的强制安装和使用，依据STCW公约马尼拉修订案要求，需对船员进行关于ECDIS操作及使用的培训和评估。同时，我国《中华人民共和国海船船员适任考试和发证规则》也对此做出了相应规定。

    为满足STCW马尼拉修正案中新增的要求及中国海事局履约要求，各航海类院校及培训机构都在致力于ECDIS的培训[2]。同时，各厂商和研究机构陆续推出一些ECDIS模拟器用以进行相应的操作培训和安全评估工作[3]。因此根据相关公约要求，并遵循国际标准，研发了新一代的ECDIS模拟器。新版ECDIS模拟器并非简单选择单机版ECDIS作为培训系统，而是将教练员站以及学员站的ECDIS、船舶操纵和综合信息显示系统（Conning）、虚拟三维视景通道、各种传感器的仿真设备相集成，如全球定位系统（GPS）、自动识别系统（AIS）、测深仪（Echo sounder）、计程仪（LOG）、磁罗经（Magnetic Compass）、电罗经（Gyrocompass）等。学员基于该ECDIS模拟器可进行全功能、多方位的综合训练，满足STCW公约马尼拉修正案对电子海图系统的培训要求。

    2 ECDIS模拟器的总体架构

    为实现单独基于ECDIS模拟器就能够完成STCW公约马尼拉修正案中关于ECDIS的操作、培训和评估的要求，新版ECDIS模拟器由一个教练员控制站和若干个学员站组成[4]。其中，教练员站主要用于监控学员训练过程、设置各种训练题目等;学员站作为学员训练培训的关键，集成了ECDIS、Conning、虚拟三维视景、各种传感器的仿真设备、船舶操纵单元等模块。

    该版本ECDIS模拟器中教练员站和学员站之间通过局域网相连接，采用TCP/IP技术进行网络通信，不仅支持多达40个学员终端，且系统稳定性强，其系统结构如图1所示。教练员控制站与学员站的Conning、各传感器、三维视景、船舶操纵单元等进行实时通信，学员通过桌面式ECDIS模拟器即可完成ECDIS培训计划的相关训练。

    3 教练员控制站

    教练员控制站是整个电子海图培训系统的核心控制单元[5]。教练员可通过教练员控制站实时监控学员训练过程，并可编辑各种训练题目，如设置航行环境、特殊水域和交通状况等。教练员控制站通过图形界面、对话框、菜单按钮、工具条等操作对象，为教练员提供简便的操作界面。通过教练员站可方便地实现：①编制各种训练题目;②控制整个系统的运行，对本船和各目标船进行实时监控;③设置本船故障;④航行环境的实时控制（风向、风速、流向、流速、最大潮高、潮汐及潮时）;⑤目标船号灯、号型的实时控制;⑥雷达回波的控制;⑦数据的实时记录和各船航迹的动态显示和打印;⑧各本船训练过程的重演和打印功能;⑨主本船计划航线的设计;⑩与各本船间的通信。教练员控制站各功能模块均集成在同一应用程序中，教练员通过操作相应菜单或工具按钮，即可实现训练题目的编辑和制作、本船模拟启动、本船运动控制等操作。教练员站界面如图2所示。

    4 学员站

    学员站提供ECDIS、虚拟三维视景通道、综合操作单元（包括Conning、船舶操纵单元、各种传感器仿真设备、引航卡等），对学员进行ECDIS综合培训。

    在该版ECDIS模拟器中，学员端有两种可选的配置方案。第一种方案：双屏显示，由一台主机支撑两个显示器，其中一个独立显示ECDIS，另一個独立显示综合操作单元，包括Conning、船舶操纵单元、各种传感器仿真设备、引航卡等。第二种方案：三屏显示，其中两台显示器由同一主机支撑，如图3所示，用于独立显示ECDIS和综合操作单元;第三台显示器由另外一台主机独立支撑，用于显示高仿真三维视景通道。

    4.1 ECDIS操作单元

    在该模拟器中ECDIS操作单元为大连海事大学VDragon4000系列电子海图导航系统，可用于船舶安全航行、航线计划和航行监控等。该电子海图根据国际海事组织（IMO）、国际航道组织（IHO）、国际电工委员会（IEC）相关标准进行设计和研发[6]。与模拟器中各船舶导航传感器仿真设备相连，可提供本船位置、航向、船艏向、航速、风速、水深、AIS等信息，如图4所示。

    VDragon4000系列的ECDIS操作单元其功能完全满足IMO关于ECDIS性能标准的要求。其主要功能包括：①电子海图的加载和更新;②海图信息的显示与控制;③本船实时标绘;④目标船动态监控;⑤航行监控;⑥航线设计;⑦航行记录;⑧报警与指示;⑨航迹绘算;⑩信息集成;雷达图像叠加等。其主要功能模块如图5所示。

    4.2 三维视景通道

    三维视景是模拟船桥的重要组成部分，也是IMO关于ECDIS操作使用的培训和评估不可或缺的部分[7]。其目的在于提高ECDIS模拟训练的环境真实感，用以提供港口水域的仿真三維视景，及本船周边的静态和动态物标，形成的虚拟环境高度真实且沉浸感强。视景采用OpenGL作为驱动引擎，模拟景物包括本船、目标船、岸线、海面、自然环境等，图像显示流畅，可实时渲染模拟港口水域的三维场景。同时可模拟雨、雪、雾等自然环境，如图6所示，调节海浪、风浪等因素。

    4.3 综合操作单元

    为满足STCW公约马尼拉修正案的要求，产生模拟操作环境，在设计和研发新版ECDIS模拟器时，加入综合操作单元。该单元由船舶综合信息（Conning）、船舶操纵单元、各种传感器的仿真设备、时钟、引航卡组成，如图7所示。其中，时钟模块用于显示船时（LT）和世界协调时（UTC）;引航卡用于显示船舶各种静态信息和船舶数学模型测试结果。

    4.3.1 各种传感器的仿真设备

    在真实船桥中ECDIS集成了GPS、AIS、Echo Sounder、LOG、Magnetic Compass、Gyrocompass等航海仪器，可从以上仪器中获得船舶航行信息。在新版ECDIS模拟器中引入各传感器的仿真设备，ECDIS从各传感器中获取相应信息，使每个学员站形成一个全功能的桌面式船桥系统。

    根据STCW公约马尼拉修正案及中华人们共和国海事局船员适任考试评估规范的相关要求，在开启ECDIS时要检查各传感器信号是否正常接入。在该版ECDIS模拟器中接入各传感器的仿真设备，并可控制各设备的正常或故障状态，而后把相应信息传给ECDIS并显示，学员通过ECDIS提示信息检查各传感器是否正常接入。

    在设计仿真设备时尽量保证学员在操作时的体验与操作真实设备时一致。各个仿真设备采用二维贴图的方式逼真模拟操作界面，并对设备基本功能进行了仿真实现，如图8所示。磁罗经和陀螺罗经基于三维场景呈现，模拟罗经的三维结构和相关功能，可对罗经进行正常交互[8]，磁罗经如图9所示。以上传感器的仿真设备均如真实设备般可进行信息的传输、设置、接收和显示，与ECDIS形成一个整体，用于学员的综合训练。

    4.3.2 船舶操纵和综合信息显示（Conning）

    船舶操纵模块用于模拟不同类型船舶的操作、计算船舶航行时的水动力。在该ECDIS模拟器中提供两种操舵方式，软件操舵和真设备操舵。在Conning中显示当前船舶的操舵模式（Steering mode）信息：自动（AUTO）、随动（HAND）和应急（NFU）三种模式。自动操舵模式需在教练员站进行设置，编辑好练习后发送到学员站，并在Conning界面显示船舶航行信息;在随动操舵操纵模式下，可通过真实舵轮进行操纵;在应急舵模式下，可通过软件进行操舵，同时可利用模拟车钟进行加车操纵。

    Conning用以显示船舶航行过程中本船信息（左主机转速、速度、航向、舵角、右主机转速、经纬度、LT和UTC）和环境信息（风速、风向、流速、流向、水深等）。在新版ECDIS模拟器中集成的Conning包含信息全面、界面美观简洁、综合性强，如图10所示，为学员操作提供友好界面。

    5 结语

    新版ECDIS模拟器满足STCW公约马尼拉修正案的培训要求，符合IMO关于ECDIS的性能标准。使ECDIS培训不再是简单地学习ECDIS的操作，而是进行基于ECDIS模拟器的全功能、多任务的综合训练。ECDIS与船舶操纵、三维视景通道、各种传感器等集成为学员站，通过局域网与教练员站进行网络通信。新一代ECDIS模拟器在性能和功能上都有很大优势，能够满足学员培训的需求，为学员训练提供一个综合平台。

    参考文献：

    [1]金一丞，尹勇. STCW公约马尼拉修正案下的航海模拟器发展战略[J].中国航海，2012， 03：5-10

    [2]丁宏辉，王胜正. ECDIS模拟器功能要求及配置标准[J]. 上海海事大学学报，2012，04：5-10.

    [3]张如凯，吴金龙，孝建伟，程文阁. 基于航海操纵模拟器的ECDIS培训方法探究[J]. 航海教育研究，2015，03：84-87.

    [4]周建文，杨神化，索永峰. ECDIS模拟器实训的智能评估模型与系统实现[J]. 中国航海，2014，02：1-4.

    [5]赵丽宁，赵学俊，郝江凌，赵德鹏. 基于网络的AIS和电子海图模拟培训系统[J]. 大连海事大学学报，2004，04：6-8+12.

    [6]沈毅强. 电子海图（ECDIS）的应用与发展[J]. 航海，2015，06：56-61.

    [7]金一丞，尹勇. 公约、技术与航海模拟器的发展[J]. 中国航海，2010，01：1-6+36.

    [8]刘晶晶，任鸿翔，尹金岗，蒋效彬. 多平台的船用陀螺罗经交互仿真系统[J]. 大连海事大学学报，2016，01：17-20。

    基金项目：大连海事大学2016教学改革项目“关于‘育鹏轮航海技术专业毕业实习方案的研究”（2016Z01）