张凯电子海图显示与信息系统的潜在风险与对策浅析

第一章绪论1.1电子海图显示与信息系统的定义电子海图显示与信息系统（ECDIS)是指符合有关国际标准的船用电子海图显示与信息系统。它以计算机为核心，在专用计算机控制下，把海图信息、船位信息、雷达信息、船舶动态参数集中处理，以图文和音响综合表现航海情况的船用自动化系统，由海图数据文件、控制显示设备、外部传感器和专用软件构成。它以ENC为基础，综合反映船舶行驶状态，为船舶驾驶人员提供显示海区情况、查询航海资料、拟定计划航线、标绘实时航迹、检测航行情况等功能，是一种新型的船舶导航和辅助决策系统。1.2电子海图的作用自海图产生以来，在人类的航海活动中就起着重要作用。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，电子海图将传统纸质海图无可比拟的优势逐渐凸显出来。电子海图系统之所以引起高度重视，是因为它符合现代航海的驾驶需求，电子海图系统具有进行自动航线设计、航向航迹监测、定位及导航、航海信息咨询、航行记录、船舶动态实时显示、船舶报警等功能。它能够本质性地提高船舶航行的安全性，是航海领域的一场技术革命。1.3依赖风险虽然电子海图显示与信息系统这一高水平的新技术能带给现代航海舒适与便捷，但其只是一种助航仪器，其系统本身的局限性、显示误差和故障、使用者对系统设置的不当和使用中的不适当或错误、传感器的误差、备用配置使用上的不及时等都要求使用者对其决不能过分依赖。使用者不仅要充分掌握其性能并适当地利用其功能，而且在航行的过程中不能完全借助于它，还要适当的加入人的判断，要充分利用适当的了望和独立于该系统的手段和方法检验系统的有效性、判断是否有误差，以保证航行安全。第二章ECDIS的潜在风险2.1不准确的海图数据2.1.1海图数据的原始误差国际海道测量组织(IHO)颁布的“数字海道测量数据传输标准”(S-57)规定了包括有关电子导航海图(ENC)测量质量的标准，但目前缺少符合标准的电子海图，电子海图数据主要来源于纸质海图。纸质海图的水道测深数据及其标示的位置可能存在误差，从纸质海图到电子海图的转换过程中的数据扫描可能存在遗漏。驾驶人员考虑不到海图数据中可能存在着水深等问题，有可能因过分信赖防搁浅报警而导致船舶搁浅；在显示器上无限放大电子海图，很容易超出水道测量时或原纸质海图的精度；大多数纸质海图的水道测深数据及其标示的位置也可能存在误差。电子海图上显示的船位还决定于电子海图数据本身的精度。ECDIS显示精度是指显示在ECDIS屏幕上的海图信息的位置精度，海图比例尺越大，对应的极限精度越高。但即使电子海图精度足够高、比例尺足够大，仍然不能完全保证海图信息没有错误。根据纸质海图来制作电子海图数据，在不同地区、不同海图信息的叠加时常常会出现数据误差，比较典型的海图错误可能有出现遗漏，如在海图之间出现缝隙或丢失数据；也有可能出现添加一些不必要的、冗余的、无关的信息；还有可能在某些区域的两个数值出现矛盾[]。图1.海图显示数据信息错误2.1.2坐标系误差当定位系统所依据的坐标系与海图数据的坐标系不一致时，如果没有对船位误差进行修正，则海图上显示的船位不符合海图坐标系。此外由于各国海图采用的坐标系不一致，同一目标在不同坐标系绘制的海图中会得出不同的经纬度值，通常此误差达几十米乃至几百米。航行中更换海图时，若前后两张海图采用的坐标系不同，就会出现定位点差异，给海图作业造成困难，甚至危及航行安全。在采用纸海图与ECDIS共同设计航线时，就可能产生坐标系误差。GPS／DGPS和ECDIS均采用WGS84地心坐标系，能保证定位与海图的一致，但许多地区的海图数据是基于各种局部资料转换生成的，无法准确参照WGS84数据，从而出现细微却很明显的位置差。有些ENC包含了重叠数据，这使在使用某些默认显示单元的ECDIS时变得很困难，重要信息只可能在重叠区域的某一数据集出现，在该区域设计航线时，应同时仔细检查两个数据集。有些重叠区域可能较小且不易被发现，因此在使用重叠数据时必须非常谨慎。2.2错误的显示信息2.2.1船位显示有误ECDIS系统能实现自动、连续定位，并在电子海图显示与信息系统上显示出来，供驾驶人员判断船舶是否偏离航线。然而任何定位手段都存在误差，错误的GPS定位信息、雷达信息，传感器的性能和设置问题及不同定位方式都可能造成本船船位显示偏差。因为ECDIS显示的船位信息主要来源于GPS／DGPS，通常民用的GPS定位精度在30—100m之间，因此尽管在ECDIS上显示的船位依然保持在航线上，但是真实船位已经偏移，特别是在狭水道和沿岸水域其危险性更大[]。图2.船位显示误差导致航行危险2.2.2传感器数据延时误差ECDIS中，本船船位一般来自GPS传感器，其他目标的位置数据主要来自雷达、AIS。一般情况下，GPS每秒应至少输出一个位置数据。雷达一般每3秒为一个扫描周期，AIS的信息更新也存在着一定的周期性，静态信息和航次数据每6分钟报告一次，动态信息的更新间隔则取决于航速和航向的变化，航速为14-23kn的船舶每6秒更新一次，若同时有航向的变化，则为每2秒更新一次。ECDIS本身也是每隔1-3秒刷新一次海图数据和其他航海信息。由此可见，上述设备输出的信息并不是及时数据，是具有一定延时的。所以，ECDIS并非实时海图数据，本船及其他目标的位置，存在一定的数据延时。2.2.3报警显示有误ECDIS系统的报警功能比较齐全，但若使用不当，不但不能起到提醒和警示的作用，还会引起驾驶人员的误解或干扰正常的工作。如航路监控功能，可以自动计算船舶偏离计划航线的距离，防搁浅功能，可以自动检测航行前方的暗礁、禁航区和浅滩等，必要时给出指示和报警。然而，当相关的观测值的漂移量很小或变化很缓慢但不断增长的时候，系统报警并不一定有效，当船舶驾驶人员无意识的关闭或取消报警却没有采取相应措施时，也容易造成船舶在“不知不觉”中进入危险状态。图3.ECDIS的误报警2.3硬件设备故障和软件问题电子海图系统在商船上使用时，硬件设备必须适应海上特殊的物理、气候和电磁等环境的要求。然而即使最佳设计和安装的电子海图系统仍旧存在着比纸质海图多的问题。即使船舶上非常平常的现象，如短时间停电，也会导致系统障碍，甚至瘫痪。此外，支持电子海图系统运行的软件中可能包含各种各样的不足和错误。这些未知的或没有发现的错误，可能导致严重的后果或影响。此外系统也容易遭受电脑病毒的攻击，使系统发生故障。2.3.1ECDIS系统自身故障根据IHO初步调查的结果显示，ECDIS软件尤其是早期版本软件的操作异常，有些ECDIS不能正确显示某些海图内容和属性组合，且在少数情况下可能无法显示重要的导航信息。在IHO对官方ENC单元抽检中，发现小部分的浅水测深或水下障碍危险物，特别是在部分纸质海图上标记为“据报”的该类危险物，在标准显示模式下无法显示，在航线检测或监视模式时不会自动警报；有些可能无法对电子导航海图显示的所有陆地发出警报，即使该陆地被浅水等深线环绕，可能由于其它细节如海岸线略图标记的干扰，很难识别较小的岛屿。还有些只能对较大比例尺的SENC单元进行航线检查，无法启动警报。由此一些ECDIS厂商甚至通过WWNWS发出警告。这些风险的特点是具有隐藏性，不易识别出来，只有在发生故障后才能被制造商或用户所知。2.3.2ECDIS使用时出现的问题电子海图系统是一台以计算机为硬件基础的电子航海设备，在海上航行过程中长时间的使用，使得ECDIS设备和普通计算机一样，因为设备过热、CPU过载、设备震动过大等因素，可能出现电脑蓝屏、死机、开机自检不通过、系统运行缺少必要文件等问题。同时ECDIS软件中还可能存在各种各样的不足和错误，这些都可能会导致严重的后果。2.3.3与ECDIS连接的设备误差与ECDIS连接的传感器都存在一定的误差或出现工作异常，使用时间过长、部件老化等都可能引起设备的使用性能下降而无法达到其设计使用的标准。如果ECDIS与外部设备的连接出现问题，外部就无法为ECDIS提供数据，ECDIS也就无法提供相应的信息。ECDIS的使用误差与传感器误差是紧密相关的。传感器产生的误差主要有以下几种；（1）ECDIS的定位和导航数据主要源自GPS，正确设置和使用GPS是极为重要的。GPS的HDOP值设定和测地系的选用不当，会影响定位导航精度。（2）RADAR／ARPA定位会受所测物标方位误差的影响、物标回波失真的影响、雨雪和海浪回波的影响、假回波的影响以及物标识别错误等的影响。ARPA存在跟踪时目标丢失、误跟踪、误报警等问题。（3）陀螺分罗经与主罗经航向不匹配，陀螺罗经消除纬度和速度误差的调节不当，将影响航行和定位的精度。计程仪跟踪方式选用不对，也会影响定位导航精度。（4）测深仪所测水深受海底地形、换能器下方的杂草或污物等影响，使显示的水深精度存在读差或错误。（5）自动操舵时舵角、反舵角、天气、轻载／重载、开阔海面／受限海面等设定不合适或不对也会影响航行质量。2.4ECDIS使用中人为风险因素2.4.1对设备不熟悉带来的风险因素ECDIS在航海上投入使用的时间不长，直到现在有些船舶还未配备该设备，此外学校对ECDIS系统的教学时间和重视程度都不够，再加上不同生产商的设备的使用方法甚至操作界面都大相径庭，因此当船员在船上实际操作时不是非常熟练，甚至畏手畏脚。2.4.2驾驶人员对系统的设置和使用不当电子海图系统有多种显示亮度或显示方式供驾驶人员选择。白天模式与夜间模式，其底色和显示信息的色彩差别非常大，选择不当可能导致识读错误或困难。使用漫游(Scan)方式时，船舶位置可能不在显示界面中，显示界面显示的并不是船舶周围的情况，不能作为船舶是否存在航行危险的依据。使用首向上或航向向上时，电子海图的显示与纸质海图的显示有着明显的区别，对于习惯使用传统纸质海图的驾驶人员来讲，很容易出现混淆。在电子海图上叠加雷达影像可能带来显示信息过载，减慢电子海图系统的运算速度。如果叠加的雷达图像质量比较差，如存在雨雪干扰等，一些小的物标就有可能被忽略。仅叠加ARPA信息时也有可能造成信息解读的失误，如ARPA跟踪物标丢失或者没能及时捕捉物标，利用电子海图显示避让，有可能因为不能及时发现和跟踪物标而造成碰撞危险[]。图4.电子海图信息显示过多导航设备参数的设定误差会产生一个固定的船位偏差，在狭水道时危害巨大。没有及时调整当前吃水，即使ECDIS的防搁浅功能工作正常，但小于设定值的浅点是不会触发报警的。设置航线偏移量报警不当，同样也会影响航行安全，设定过大时，不会触发警报，而设定过小时，只取消报警而没有采用相应措施，同样会发生危险。另外，使用者不熟悉ECDIS的操作，选择功能错误或没有正常退出当前功能，可能会造成显示和实际情况不一致从而存在潜在危险。第三章化解电子海图使用风险的对策3.1对ECDIS的使用进行专门的培训我们在学校培训学习时，实际上只能完成基本功能的认知，甚至有的连对ECDIS系统的基本认识都没有，远远达不到熟练掌握的要求，因此一些有条件的大公司应该对如何正确使用ECDIS系统进行专门的培训。3.2使用改正到最新的ENCECDIS应使用官方ENC，应考虑使用纸海图进行参考和核对。ENC必须及时进行更新，可以通过改正光盘或网络下载数据改正，必要时还需要使用手工进行改正，特别是临时性通告和预告的改正。以确保ECDIS的海图资料是最新并且是完全的。3.3正确解读显示信息了解电子海图系统的各项性能。正确的进行各传感器的切换，充分发挥设备或仪器的功能优势，选取最佳的定位或导航方式。在了解到定位设备与电子海图的位置偏差后，在保持船舶航线时显示船位虽然偏离航线，但船舶实际航行在计划航线上，从而可有效避离航线附近的浅滩。图5.避离危险区域熟悉相关航路资料。单凭ECDIS对预设航线进行检查和航行监控是不科学、不完整的。尤其是在近岸和进出港口水域,有较为完善的陆地导航系统,如浮标、导标、叠标等,利用这些标志或系统进行导航或避险时,方法简单、结果直观,而且便于检查、校核电子海图系统工作是否正确。在ECDIS运行的过程中，有很多信息是没有显示出来的，而这些信息又是对航行安全又一定影响的，所以船员也应正确把握这些未显示的信息。例如，在基础显示模式下，很多海图信息被屏蔽，仅从看到的海图物标，不能完全保证航行安全的识别；航行监控时，ECDIS是依据SENC内可用的最大比例尺数据判断，而非显示的电子海图。正确解读告警信息。危险信息一般用红色表示;安全信息一般用黄色表示,航行监控时如果系统还设置在浏览模式,那么系统会自动出现黄色的信息予以提醒。定位传感器故障等也会发出类似信息。3.4正确设置ECDIS系统熟悉ECDIS的不同的显示方式及其特点。在不同水域、不同时间或使用不同的船舶监控功能时选用合适的显示方式。特别注意报警参数的正确输入和报警功能的合理使用。要熟练掌握初始参数设置、航线设计、航路监控、报警的设置与排除、电子海图的改正、安全水深的设置、各种相关数据的判断与处理等与航行安全密切相关的操作和信息。充分熟悉系统和传感器的功能，按照说明书的指导，熟练掌握操作方法，充分发挥设备的功能优势。充分认识到GPS的局限，不要单纯依赖GPS定位和航行监控，尤其在近岸和进出港时，应利用陆地导航系统或物标手工定位，检查并校核ECDIS是否正确[]。输入准确可靠的参数，使各传感器工作在最佳状态。船员在对相关参数进行设置时，应综合考虑航行环境、水文环境、本船状态和性能、船员技术水平和心理素质、其他特殊要求等多方面的信息，设定合理的参数，以有效运用ECDIS的报警与警示功能，达到最佳的显示效果，充分发挥ECDIS的功能。应避免由于参数设置不当而引起的不当的报警，甚至误报警。航线偏航报警设置或防搁浅设置,一般使用于港外航路。在进出港口时，航道的宽度有限，与定位精度、偏航报警阈值等不相称，所以要充分利用港口设置的各种导航标志。3.5正确保养系统设备电子海图系统工作时间长，从开航前拟定航行计划开机，到抵达目的港关机，往往要持续几天甚至几十天的时间。船舶可能跨越的空间大，从低温地区到高温地区，从干燥地区到潮湿地区，设备硬件要经受各种不同环境的考验。因此驾驶台要保持合适的温度，要注意防尘、防潮。配备双套电子海图系统的船舶，要定期转换使用，让每台设备都得到休整。长时间不使用电子海图系统时，要定期通电除潮。要正确使用备份装置。ECDIS需要备份装置，在紧急情况下可以取代主系统执行各种功能直到抵达下一港口。如果在雾中航行或进出狭水道时，出现电子海图系统等故障，应该降低船速，按照传统的航行方式航行。3.6正确维护系统软件船员应及时对软件进行升级更新。一方面，相关国际组织、机构在不断的修订ECDIS标准，修订现有要求或者增加新的要求；另一方面，各ECDIS产品在使用过程中可能发现存在一些缺陷或不足，这就要求ECDIS生产商需要对系统软件进行维护。因此需要船员需要对船上的ECDIS及时更新升级，以完善其功能，符合标准要求。坚持专机专用，不能将设备挪作他用，否则容易影响设备的性能或感染计算机病毒。要预防计算机病毒，使用经过系统供应商认可的正版杀毒软件定期杀毒。要坚持导航手段多样化，通过其他手段检验和校核电子海图系统的观测结果，及时发现系统可能存在的问题和缺陷。同时也应注意制造商发布的信息，对可能存在问题或缺陷进行修正。删除数据或文件都会给船舶带来危险，驾驶人员不得随意删除或淘汰对航行安全有关的数据。ECDIS对所有与航行安全有关的数据都会显示出来，用户不能删除。3.7合理配置各传感器要注意电子海图系统与船舶其他系统之间的匹配。要正确的进行系统设置，如DGPS选用的坐标系统应该与ECDIS的坐标系统一致。要输入准确可靠的导航参数，如航向、航路点的经纬度、陀螺罗经差、磁罗经自差、磁差、风流压差；各种仪器启动时的初始数据等。要熟悉掌握ECDIS中各种传感器的原理、特性和功能，使各种传感器工作在最佳状态。要充分认识到各种传感器的局限性，最好将定位数据、导航参数等进行比较分析，选择精确度高和可靠性好的船位。当然，并非介入的传感器数据越多，安全保障就越高。实际应用中，船员要根据实际情况选择适当的数据来帮助判断航行态势[]。第四章“育鲲”轮电子海图系统的使用情况4.1“育鲲”轮电子海图系统简介“育鲲”轮电子海图系统为挪威康斯伯格公司的产品，是符合国际标准的电子海图显示与信息系统。此系统在windowsxp平台上运行，将ENC数据读出并显示在电脑显示器上。其位于驾驶台的主系统由两台计算机通过LAN连接，网络系统包括位于综合驾驶台系统的电子海图控制台KongsbergSeaMap10™和位于海图室的电子海图航行规划站PlanningStation10™。ENC数据来源为挪威C-Map公司符合IHOS57标准的CM-93Edition3数据库，可用软盘和光盘更新。图6.电子海图控制台图7.航行规划站本船SeaMap10™系统通过本船局域网与雷达系统、操舵系统、AIS、GPS等相连接。系统中所有显示单元均共享海图和航线信息、与每一单元连接的传感器信息、本船信息、雷达跟踪标绘信息等，当在某一显示单元上编辑某条航线或修改某些信息时，这些改动会自动同步更新到其他显示单元中。所以，即使其中某一显示单元关机或出故障而不能正常工作时，其他显示单元仍能保持显示性能不受影响。4.2系统使用中的几点问题本人在“育鲲”轮上实习的过程中，通过对ECDIS的观察和学习，结合上述对电子海图显示与信息系统潜在风险的分析，发现了“育鲲”上使用ECDIS系统的几点问题。4.2.1传感器故障由于使用时间过长、部件老化等原因导致部分外部设备的使用性能下降，无法达到设计使用的标准。测深仪经常发出警报，不能正常显示水深而影响了其正常工作，使得驾驶员对电子海图显示水深存有怀疑时缺少了水深依据，无法判断、预知船舶的航行状况。4.2.2参数设置不当“育鲲”轮的设计吃水为5.4m，而电子海图安全等深线中设置的安全水深、安全等深线均为30m，均大大超过了“育鲲”轮的实际吃水值。在航线设计中航线检验这一环节，即使是实际水深值大于船舶实际吃水的海区也会被检测出搁浅的误告，容易产生很多多余的搁浅警告，影响了驾驶员对真正危险区域的辨识，并降低了准备航次计划的效率。另外，一些报警参数的设置总是导致系统发出误报警，干扰了驾驶人员的正常工作，这种现象在“育鲲”轮上经常发生。图8.安全水深设置不当4.3对“育鲲”轮电子海图系统使用的建议为规避电子海图系统各类风险对船舶航行安全的威胁，航海人员应：（1）及时发现系统的缺陷并及早做出修正措施。（2）注意系统设备和传感器设备的维修保养与更新，制定合理的维护保养计