蔡新梅

（遼寧省葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

電子海圖顯示信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display Information System，ECDIS)是在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的一種智能化海圖，解決了在傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖上定位而產(chǎn)生的船位獲取滯后的問(wèn)題，可以自動(dòng)地將即時(shí)船位顯示在海圖上。ECDIS已在改善駕駛臺(tái)工作強(qiáng)度、航行安全、航線設(shè)計(jì)、船位監(jiān)控、避碰決策輔助及提高船舶營(yíng)運(yùn)效率上發(fā)揮積極的作用，成為現(xiàn)代航海中不可缺少的輔助導(dǎo)航、保障航行安全的工具。電子海圖顯示信息系統(tǒng)（ECDIS）被認(rèn)為是續(xù)雷達(dá)/ARPA之后在船舶導(dǎo)航方面的又一項(xiàng)偉大的技術(shù)革命。

1 電子海圖顯示信息系統(tǒng)ECDIS的組成

ECDIS是一種數(shù)字化的海圖，其中包括海圖數(shù)據(jù)庫(kù)、顯示系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟硬件等各種輔助手段的綜合信息處理系統(tǒng)[1]， ECDIS是圖形數(shù)據(jù)的輸出終端，根據(jù)需要可快速查詢航行區(qū)域的海圖所提供的信息。在航行中，ECDIS的計(jì)算機(jī)處理器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制著船舶的一些傳感系統(tǒng)，各種傳感器通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的信息傳遞給設(shè)置系統(tǒng)，然后設(shè)置系統(tǒng)將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理傳入海圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息疊加，海圖數(shù)據(jù)庫(kù)是電子海圖系統(tǒng)的血液，由光柵海圖和矢量海圖組成，目的是使海圖能夠顯示在儀器的屏幕上提供數(shù)據(jù)信息保障，經(jīng)過(guò)處理后最終將準(zhǔn)確的信息傳遞給顯示系統(tǒng)顯示。本文就是要論述在航海中各種設(shè)備與電子海圖疊加。如圖1電子海圖數(shù)據(jù)疊加工作原理圖所示。

2 電子海圖顯示信息系統(tǒng) ECDIS與雷達(dá)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)疊加

雷達(dá)在觀測(cè)目標(biāo)時(shí)，尤其在跟蹤多個(gè)目標(biāo)時(shí)存在一定的局限性，從而限制了雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能。在保障船舶安全航行時(shí)，需要雷達(dá)和ECDIS的交疊區(qū)域呈現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)情況。目前國(guó)外部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和電子海圖圖像疊加的功能，現(xiàn)在提出一種雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法，采集雷達(dá)的模擬視頻信號(hào)、觸發(fā)脈沖和方位信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和圖像處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的匹配，完成雷達(dá)和電子海圖的疊加。

圖1 電子海圖數(shù)據(jù)疊加工作原理圖

2.1 雷達(dá)與電子海圖疊加過(guò)程

雷達(dá)模擬信號(hào)和電子海圖圖像疊加通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊，把采集到的模擬信號(hào)數(shù)字化，按照方位信息對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)繪，并與雷達(dá)的觸發(fā)脈沖同步，形成極坐標(biāo)形式的數(shù)字化視頻信息，將其傳遞給圖像處理模塊。在圖像處理模塊中，極坐標(biāo)形式的視頻信息轉(zhuǎn)換為屏幕直角坐標(biāo)形式的視頻信息，對(duì)雷達(dá)視頻圖像在比例尺和顯示方式上進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像匹配，如圖 2 雷達(dá)模擬視頻與電子海圖圖像疊加流程圖所示。根據(jù)雷達(dá)收發(fā)機(jī)的位置信息，以電子海圖為底圖，完成雷達(dá)和電子海圖的疊加顯示。

圖2 雷達(dá)模擬視頻與電子海圖圖像疊加流程圖

2.2 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)

經(jīng)過(guò)初步處理后的數(shù)字雷達(dá)視頻圖像是以極坐標(biāo)形式顯示在顯示器上，在運(yùn)算中雷達(dá)極坐標(biāo)系和海圖直角坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而處理雷達(dá)數(shù)字視頻圖像，使雷達(dá)視頻圖像和電子海圖的坐標(biāo)相一致。雷達(dá)極坐標(biāo)系和海圖直角坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖

以O(shè)′點(diǎn)為原點(diǎn)的雷達(dá)極坐標(biāo)系和以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)的海圖直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中 x1, y1為顯示中心值，這樣就能達(dá)到雷達(dá)圖像和電子海圖直角坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

2.3 雷達(dá)與電子海圖的圖像匹配

電子海圖具有任意縮放的特點(diǎn)，而雷達(dá)顯示量程是十分有限的，所以，我們基于電子海圖的縮放變化，對(duì)電子海圖進(jìn)行合理的比例調(diào)整，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖圖像的比例尺匹配。而且雷達(dá)顯示和電子海圖顯示方式不同，雷達(dá)存在北向上、船艏向上和航向向上等顯示方式，而電子海圖一般都是北向上的顯示方式。基于顯示方式不同的特點(diǎn)，可適當(dāng)對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。一般可用數(shù)學(xué)仿射變換矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對(duì)圖像進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)處理，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和電子海圖的圖像匹配[2]。

3 電子海圖顯示信息系統(tǒng)ECDIS與VTS的數(shù)據(jù)疊加

VTS即船舶交通服務(wù)系統(tǒng)，是為了解決海上船舶航行安全與效率而建立的。VTS主要由水文/氣象系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與信息傳輸系統(tǒng)、交通顯示與控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，目的在于收集的水文氣象數(shù)據(jù)，港口和航道信息進(jìn)行分析、評(píng)估和處理，從而完善出船舶交通管理制度，防止航道內(nèi)危險(xiǎn)情況發(fā)生和保證船舶交通安全和高效航行。VTS監(jiān)控的重心放在港區(qū)水域和進(jìn)出港航道，關(guān)注于碼頭的靠離泊作業(yè)和港區(qū)的船舶航行安全[3]。

我國(guó)VTS起步較晚，在設(shè)備運(yùn)行、制度管理、人員培養(yǎng)等方面不夠完善。在船舶密集水域，船舶航行秩序混亂，交通事故頻發(fā)的情況下，ECDIS能夠使VTS向數(shù)字化導(dǎo)航廣播服務(wù)方向發(fā)展，確保VTS的安全服務(wù)盡善盡美。VTS監(jiān)控站通過(guò)數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)把在船舶交通管制作用范圍內(nèi)的各種船舶的位置和運(yùn)動(dòng)情況通報(bào)給所有相關(guān)船舶，在VTS監(jiān)控范圍內(nèi)的每艘船舶的ECDIS能夠準(zhǔn)確的顯示所接收到的其他船只位置和運(yùn)動(dòng)情況，這信息也被同時(shí)顯示在船舶交通控制中心系統(tǒng)上。并能夠查詢這些船舶的靜、動(dòng)態(tài)情況。如果根據(jù)需要與他船建立通信聯(lián)系，在這區(qū)域范圍完全全面覆蓋的情況，可以及時(shí)建立相應(yīng)聯(lián)系[4]。

4 AIS與電子海圖顯示信息系統(tǒng) ECDIS的數(shù)據(jù)疊加

AIS即船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，AIS也類(lèi)似于VTS，可以周期性地發(fā)射和接收船舶的靜態(tài)信息（如船號(hào)、船只國(guó)籍、船舶名稱等）、動(dòng)態(tài)信息（如船舶位置、對(duì)地航速、對(duì)地航向、航行狀態(tài)等）以及與航行相關(guān)的信息（如船舶吃水、危險(xiǎn)貨物種類(lèi)等）。在與ECDIS疊加過(guò)程中，系統(tǒng)采用多線程方式，主要不影響ECDIS海圖的顯示情況。主線程為ECDIS和AIS信息顯示，輔線程為AIS信息解碼。在對(duì)AIS信息解碼后，系統(tǒng)將各類(lèi)信息存入AIS信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)AIS有更新或者添加時(shí)，系統(tǒng)首先查找各船舶信息鏈表，然后對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中已存有的數(shù)據(jù)做相應(yīng)的更新。當(dāng)AIS信息讀取時(shí)，系統(tǒng)建立一個(gè)體系。此體系中包含船舶動(dòng)靜態(tài)信息。凡配有AIS的船舶都可以接收到這些信息，然后該AIS系統(tǒng)依據(jù)本船當(dāng)前位置選擇合適海圖，將讀取的它船經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，并判斷它船當(dāng)前位置的屏幕坐標(biāo)是否在ECDIS顯示區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而根據(jù)它船的船舶狀態(tài)選擇相應(yīng)船符進(jìn)行顯示[5]，如圖4所示。AIS可以向航行船舶提供所在航行區(qū)域的實(shí)時(shí)交通動(dòng)態(tài)和相關(guān)信息，最大限度地避免船舶碰撞，提高海上搜救的工作效率。

圖4 AIS信息在ECDIS系統(tǒng)上疊加顯示流程圖

AIS系統(tǒng)也能夠與其他輔助設(shè)備相連，便捷地從這些輔助設(shè)備中輸入數(shù)據(jù)，其外部終端是ECDIS。電子海圖與AIS的信息相疊加，可使將自己的導(dǎo)航信息和其他船只的信息全部顯示在電子海圖上，這樣可以解決在監(jiān)控盲區(qū)中，覆蓋不到區(qū)域中的船舶監(jiān)控問(wèn)題。如果AIS向其他船舶或相關(guān)部門(mén)在必要時(shí)發(fā)送自己的航路計(jì)劃，并在ECDIS上能夠清晰地顯示。因此，ECDIS也是最好的顯示其信息的理想工具。AIS與ECDIS的疊加也可能擴(kuò)大VTS交通服務(wù)覆蓋范圍。AIS信息能夠替代指揮管理VTS交通服務(wù)的信息，彌補(bǔ)了VTS有限的覆蓋范圍，進(jìn)一步地提高了交通服務(wù)的覆蓋范圍。

在顯示時(shí)需要進(jìn)行消除閃爍處理，造成圖像閃爍的原因是相鄰兩幀圖像之間存在著差異。系統(tǒng)利用雙緩沖技術(shù)原理，雙緩沖技術(shù)繪圖就是在屏幕上有圖形顯示以外，在內(nèi)存中也有圖形在繪制。也就是我們將要顯示的圖形先在內(nèi)存中繪制好，然后再將內(nèi)存中的圖形完全覆蓋到屏幕上去。當(dāng)貼到屏幕上時(shí)，因?yàn)閮?nèi)存中最終的圖形與屏幕顯示圖形差別很小，這樣看起來(lái)就不會(huì)閃[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

所謂數(shù)據(jù)疊加，就是指將不同設(shè)備獲得的目標(biāo)船舶信息參數(shù)進(jìn)行疊加處理，以消除單個(gè)設(shè)備的測(cè)量誤差，得到更加精確的參數(shù)值。但在現(xiàn)實(shí)航海中，電子海圖與雷達(dá)、AIS、VTS等設(shè)備的精度測(cè)量的結(jié)合還有些不完善的地方，如數(shù)據(jù)和信息交流不通暢，雖然設(shè)備捕獲目標(biāo)能夠顯示在海圖上，只顯示船位、航向、航速、及海域氣象信息等等，但沒(méi)有顯示水域交叉船舶危險(xiǎn)信息，沒(méi)有其他船只的協(xié)同監(jiān)測(cè)。今后要解決的問(wèn)題是：要盡快建立覆蓋全球網(wǎng)絡(luò)海圖信息系統(tǒng)以完善服務(wù)；對(duì)已有ECDIS的軟硬設(shè)備進(jìn)行完善，使其達(dá)到智能化的要求；同高精度定位系統(tǒng)、雷達(dá)避碰系統(tǒng)、船舶通信系統(tǒng)、車(chē)舵控制系統(tǒng)等進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)信息的綜合處理與顯示；輔助制定操船決策，更大程度地保證船舶航行安全。

[1]柳桂財(cái), 欒法敏. 電子海圖的種類(lèi)和使用[J]. 世界海運(yùn), 2007, 30(4)： 31～33.

[2]鄧康全, 于浩, 竇玉寶. 雷達(dá)模擬視頻和電子海圖圖像疊加方法[J]. 天津航海, 2010, (3)： 1～4.

[3]姜鳳嬌, 趙曉鳳, 趙樹(shù)平. VTS系統(tǒng)在航道交通管理中的應(yīng)用研究[J]. 交通科技, 2010, (2)： 106～108.

[4]陳晶晶, 薛祖軍. 關(guān)于創(chuàng)建區(qū)域 VTS中心的思考和建議[J]. 交通科技, 2011, (4)： 118～121.

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[6]張哲源, 熊慶國(guó), 李文翔. 基于雙緩沖技術(shù)解決游戲開(kāi)發(fā)中畫(huà)面更新問(wèn)題[J]. 信息技術(shù), 2011, (8)：17～19.