張凱電子海圖顯示與信息系統(tǒng)的潛在風險與對策淺析

第一章緒論1.1電子海圖顯示與信息系統(tǒng)的定義電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS)是指符合有關國際標準的船用電子海圖顯示與信息系統(tǒng)。它以計算機為核心，在專用計算機控制下，把海圖信息、船位信息、雷達信息、船舶動態(tài)參數(shù)集中處理，以圖文和音響綜合表現(xiàn)航海情況的船用自動化系統(tǒng)，由海圖數(shù)據(jù)文件、控制顯示設備、外部傳感器和專用軟件構成。它以ENC為基礎，綜合反映船舶行駛狀態(tài)，為船舶駕駛人員提供顯示海區(qū)情況、查詢航海資料、擬定計劃航線、標繪實時航跡、檢測航行情況等功能，是一種新型的船舶導航和輔助決策系統(tǒng)。1.2電子海圖的作用自海圖產(chǎn)生以來，在人類的航?；顒又芯推鹬匾饔?。隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，電子海圖將傳統(tǒng)紙質海圖無可比擬的優(yōu)勢逐漸凸顯出來。電子海圖系統(tǒng)之所以引起高度重視，是因為它符合現(xiàn)代航海的駕駛需求，電子海圖系統(tǒng)具有進行自動航線設計、航向航跡監(jiān)測、定位及導航、航海信息咨詢、航行記錄、船舶動態(tài)實時顯示、船舶報警等功能。它能夠本質性地提高船舶航行的安全性，是航海領域的一場技術革命。1.3依賴風險雖然電子海圖顯示與信息系統(tǒng)這一高水平的新技術能帶給現(xiàn)代航海舒適與便捷，但其只是一種助航儀器，其系統(tǒng)本身的局限性、顯示誤差和故障、使用者對系統(tǒng)設置的不當和使用中的不適當或錯誤、傳感器的誤差、備用配置使用上的不及時等都要求使用者對其決不能過分依賴。使用者不僅要充分掌握其性能并適當?shù)乩闷涔δ?，而且在航行的過程中不能完全借助于它，還要適當?shù)募尤肴说呐袛?，要充分利用適當?shù)牧送酮毩⒂谠撓到y(tǒng)的手段和方法檢驗系統(tǒng)的有效性、判斷是否有誤差，以保證航行安全。第二章ECDIS的潛在風險2.1不準確的海圖數(shù)據(jù)2.1.1海圖數(shù)據(jù)的原始誤差國際海道測量組織(IHO)頒布的“數(shù)字海道測量數(shù)據(jù)傳輸標準”(S-57)規(guī)定了包括有關電子導航海圖(ENC)測量質量的標準，但目前缺少符合標準的電子海圖，電子海圖數(shù)據(jù)主要來源于紙質海圖。紙質海圖的水道測深數(shù)據(jù)及其標示的位置可能存在誤差，從紙質海圖到電子海圖的轉換過程中的數(shù)據(jù)掃描可能存在遺漏。駕駛人員考慮不到海圖數(shù)據(jù)中可能存在著水深等問題，有可能因過分信賴防擱淺報警而導致船舶擱淺；在顯示器上無限放大電子海圖，很容易超出水道測量時或原紙質海圖的精度；大多數(shù)紙質海圖的水道測深數(shù)據(jù)及其標示的位置也可能存在誤差。電子海圖上顯示的船位還決定于電子海圖數(shù)據(jù)本身的精度。ECDIS顯示精度是指顯示在ECDIS屏幕上的海圖信息的位置精度，海圖比例尺越大，對應的極限精度越高。但即使電子海圖精度足夠高、比例尺足夠大，仍然不能完全保證海圖信息沒有錯誤。根據(jù)紙質海圖來制作電子海圖數(shù)據(jù)，在不同地區(qū)、不同海圖信息的疊加時常常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，比較典型的海圖錯誤可能有出現(xiàn)遺漏，如在海圖之間出現(xiàn)縫隙或丟失數(shù)據(jù)；也有可能出現(xiàn)添加一些不必要的、冗余的、無關的信息；還有可能在某些區(qū)域的兩個數(shù)值出現(xiàn)矛盾[]。圖1.海圖顯示數(shù)據(jù)信息錯誤2.1.2坐標系誤差當定位系統(tǒng)所依據(jù)的坐標系與海圖數(shù)據(jù)的坐標系不一致時，如果沒有對船位誤差進行修正，則海圖上顯示的船位不符合海圖坐標系。此外由于各國海圖采用的坐標系不一致，同一目標在不同坐標系繪制的海圖中會得出不同的經(jīng)緯度值，通常此誤差達幾十米乃至幾百米。航行中更換海圖時，若前后兩張海圖采用的坐標系不同，就會出現(xiàn)定位點差異，給海圖作業(yè)造成困難，甚至危及航行安全。在采用紙海圖與ECDIS共同設計航線時，就可能產(chǎn)生坐標系誤差。GPS／DGPS和ECDIS均采用WGS84地心坐標系，能保證定位與海圖的一致，但許多地區(qū)的海圖數(shù)據(jù)是基于各種局部資料轉換生成的，無法準確參照WGS84數(shù)據(jù)，從而出現(xiàn)細微卻很明顯的位置差。有些ENC包含了重疊數(shù)據(jù)，這使在使用某些默認顯示單元的ECDIS時變得很困難，重要信息只可能在重疊區(qū)域的某一數(shù)據(jù)集出現(xiàn)，在該區(qū)域設計航線時，應同時仔細檢查兩個數(shù)據(jù)集。有些重疊區(qū)域可能較小且不易被發(fā)現(xiàn)，因此在使用重疊數(shù)據(jù)時必須非常謹慎。2.2錯誤的顯示信息2.2.1船位顯示有誤ECDIS系統(tǒng)能實現(xiàn)自動、連續(xù)定位，并在電子海圖顯示與信息系統(tǒng)上顯示出來，供駕駛人員判斷船舶是否偏離航線。然而任何定位手段都存在誤差，錯誤的GPS定位信息、雷達信息，傳感器的性能和設置問題及不同定位方式都可能造成本船船位顯示偏差。因為ECDIS顯示的船位信息主要來源于GPS／DGPS，通常民用的GPS定位精度在30—100m之間，因此盡管在ECDIS上顯示的船位依然保持在航線上，但是真實船位已經(jīng)偏移，特別是在狹水道和沿岸水域其危險性更大[]。圖2.船位顯示誤差導致航行危險2.2.2傳感器數(shù)據(jù)延時誤差ECDIS中，本船船位一般來自GPS傳感器，其他目標的位置數(shù)據(jù)主要來自雷達、AIS。一般情況下，GPS每秒應至少輸出一個位置數(shù)據(jù)。雷達一般每3秒為一個掃描周期，AIS的信息更新也存在著一定的周期性，靜態(tài)信息和航次數(shù)據(jù)每6分鐘報告一次，動態(tài)信息的更新間隔則取決于航速和航向的變化，航速為14-23kn的船舶每6秒更新一次，若同時有航向的變化，則為每2秒更新一次。ECDIS本身也是每隔1-3秒刷新一次海圖數(shù)據(jù)和其他航海信息。由此可見，上述設備輸出的信息并不是及時數(shù)據(jù)，是具有一定延時的。所以，ECDIS并非實時海圖數(shù)據(jù)，本船及其他目標的位置，存在一定的數(shù)據(jù)延時。2.2.3報警顯示有誤ECDIS系統(tǒng)的報警功能比較齊全，但若使用不當，不但不能起到提醒和警示的作用，還會引起駕駛人員的誤解或干擾正常的工作。如航路監(jiān)控功能，可以自動計算船舶偏離計劃航線的距離，防擱淺功能，可以自動檢測航行前方的暗礁、禁航區(qū)和淺灘等，必要時給出指示和報警。然而，當相關的觀測值的漂移量很小或變化很緩慢但不斷增長的時候，系統(tǒng)報警并不一定有效，當船舶駕駛人員無意識的關閉或取消報警卻沒有采取相應措施時，也容易造成船舶在“不知不覺”中進入危險狀態(tài)。圖3.ECDIS的誤報警2.3硬件設備故障和軟件問題電子海圖系統(tǒng)在商船上使用時，硬件設備必須適應海上特殊的物理、氣候和電磁等環(huán)境的要求。然而即使最佳設計和安裝的電子海圖系統(tǒng)仍舊存在著比紙質海圖多的問題。即使船舶上非常平常的現(xiàn)象，如短時間停電，也會導致系統(tǒng)障礙，甚至癱瘓。此外，支持電子海圖系統(tǒng)運行的軟件中可能包含各種各樣的不足和錯誤。這些未知的或沒有發(fā)現(xiàn)的錯誤，可能導致嚴重的后果或影響。此外系統(tǒng)也容易遭受電腦病毒的攻擊，使系統(tǒng)發(fā)生故障。2.3.1ECDIS系統(tǒng)自身故障根據(jù)IHO初步調查的結果顯示，ECDIS軟件尤其是早期版本軟件的操作異常，有些ECDIS不能正確顯示某些海圖內(nèi)容和屬性組合，且在少數(shù)情況下可能無法顯示重要的導航信息。在IHO對官方ENC單元抽檢中，發(fā)現(xiàn)小部分的淺水測深或水下障礙危險物，特別是在部分紙質海圖上標記為“據(jù)報”的該類危險物，在標準顯示模式下無法顯示，在航線檢測或監(jiān)視模式時不會自動警報；有些可能無法對電子導航海圖顯示的所有陸地發(fā)出警報，即使該陸地被淺水等深線環(huán)繞，可能由于其它細節(jié)如海岸線略圖標記的干擾，很難識別較小的島嶼。還有些只能對較大比例尺的SENC單元進行航線檢查，無法啟動警報。由此一些ECDIS廠商甚至通過WWNWS發(fā)出警告。這些風險的特點是具有隱藏性，不易識別出來，只有在發(fā)生故障后才能被制造商或用戶所知。2.3.2ECDIS使用時出現(xiàn)的問題電子海圖系統(tǒng)是一臺以計算機為硬件基礎的電子航海設備，在海上航行過程中長時間的使用，使得ECDIS設備和普通計算機一樣，因為設備過熱、CPU過載、設備震動過大等因素，可能出現(xiàn)電腦藍屏、死機、開機自檢不通過、系統(tǒng)運行缺少必要文件等問題。同時ECDIS軟件中還可能存在各種各樣的不足和錯誤，這些都可能會導致嚴重的后果。2.3.3與ECDIS連接的設備誤差與ECDIS連接的傳感器都存在一定的誤差或出現(xiàn)工作異常，使用時間過長、部件老化等都可能引起設備的使用性能下降而無法達到其設計使用的標準。如果ECDIS與外部設備的連接出現(xiàn)問題，外部就無法為ECDIS提供數(shù)據(jù)，ECDIS也就無法提供相應的信息。ECDIS的使用誤差與傳感器誤差是緊密相關的。傳感器產(chǎn)生的誤差主要有以下幾種；（1）ECDIS的定位和導航數(shù)據(jù)主要源自GPS，正確設置和使用GPS是極為重要的。GPS的HDOP值設定和測地系的選用不當，會影響定位導航精度。（2）RADAR／ARPA定位會受所測物標方位誤差的影響、物標回波失真的影響、雨雪和海浪回波的影響、假回波的影響以及物標識別錯誤等的影響。ARPA存在跟蹤時目標丟失、誤跟蹤、誤報警等問題。（3）陀螺分羅經(jīng)與主羅經(jīng)航向不匹配，陀螺羅經(jīng)消除緯度和速度誤差的調節(jié)不當，將影響航行和定位的精度。計程儀跟蹤方式選用不對，也會影響定位導航精度。（4）測深儀所測水深受海底地形、換能器下方的雜草或污物等影響，使顯示的水深精度存在讀差或錯誤。（5）自動操舵時舵角、反舵角、天氣、輕載／重載、開闊海面／受限海面等設定不合適或不對也會影響航行質量。2.4ECDIS使用中人為風險因素2.4.1對設備不熟悉帶來的風險因素ECDIS在航海上投入使用的時間不長，直到現(xiàn)在有些船舶還未配備該設備，此外學校對ECDIS系統(tǒng)的教學時間和重視程度都不夠，再加上不同生產(chǎn)商的設備的使用方法甚至操作界面都大相徑庭，因此當船員在船上實際操作時不是非常熟練，甚至畏手畏腳。2.4.2駕駛人員對系統(tǒng)的設置和使用不當電子海圖系統(tǒng)有多種顯示亮度或顯示方式供駕駛人員選擇。白天模式與夜間模式，其底色和顯示信息的色彩差別非常大，選擇不當可能導致識讀錯誤或困難。使用漫游(Scan)方式時，船舶位置可能不在顯示界面中，顯示界面顯示的并不是船舶周圍的情況，不能作為船舶是否存在航行危險的依據(jù)。使用首向上或航向向上時，電子海圖的顯示與紙質海圖的顯示有著明顯的區(qū)別，對于習慣使用傳統(tǒng)紙質海圖的駕駛人員來講，很容易出現(xiàn)混淆。在電子海圖上疊加雷達影像可能帶來顯示信息過載，減慢電子海圖系統(tǒng)的運算速度。如果疊加的雷達圖像質量比較差，如存在雨雪干擾等，一些小的物標就有可能被忽略。僅疊加ARPA信息時也有可能造成信息解讀的失誤，如ARPA跟蹤物標丟失或者沒能及時捕捉物標，利用電子海圖顯示避讓，有可能因為不能及時發(fā)現(xiàn)和跟蹤物標而造成碰撞危險[]。圖4.電子海圖信息顯示過多導航設備參數(shù)的設定誤差會產(chǎn)生一個固定的船位偏差，在狹水道時危害巨大。沒有及時調整當前吃水，即使ECDIS的防擱淺功能工作正常，但小于設定值的淺點是不會觸發(fā)報警的。設置航線偏移量報警不當，同樣也會影響航行安全，設定過大時，不會觸發(fā)警報，而設定過小時，只取消報警而沒有采用相應措施，同樣會發(fā)生危險。另外，使用者不熟悉ECDIS的操作，選擇功能錯誤或沒有正常退出當前功能，可能會造成顯示和實際情況不一致從而存在潛在危險。第三章化解電子海圖使用風險的對策3.1對ECDIS的使用進行專門的培訓我們在學校培訓學習時，實際上只能完成基本功能的認知，甚至有的連對ECDIS系統(tǒng)的基本認識都沒有，遠遠達不到熟練掌握的要求，因此一些有條件的大公司應該對如何正確使用ECDIS系統(tǒng)進行專門的培訓。3.2使用改正到最新的ENCECDIS應使用官方ENC，應考慮使用紙海圖進行參考和核對。ENC必須及時進行更新，可以通過改正光盤或網(wǎng)絡下載數(shù)據(jù)改正，必要時還需要使用手工進行改正，特別是臨時性通告和預告的改正。以確保ECDIS的海圖資料是最新并且是完全的。3.3正確解讀顯示信息了解電子海圖系統(tǒng)的各項性能。正確的進行各傳感器的切換，充分發(fā)揮設備或儀器的功能優(yōu)勢，選取最佳的定位或導航方式。在了解到定位設備與電子海圖的位置偏差后，在保持船舶航線時顯示船位雖然偏離航線，但船舶實際航行在計劃航線上，從而可有效避離航線附近的淺灘。圖5.避離危險區(qū)域熟悉相關航路資料。單憑ECDIS對預設航線進行檢查和航行監(jiān)控是不科學、不完整的。尤其是在近岸和進出港口水域,有較為完善的陸地導航系統(tǒng),如浮標、導標、疊標等,利用這些標志或系統(tǒng)進行導航或避險時,方法簡單、結果直觀,而且便于檢查、校核電子海圖系統(tǒng)工作是否正確。在ECDIS運行的過程中，有很多信息是沒有顯示出來的，而這些信息又是對航行安全又一定影響的，所以船員也應正確把握這些未顯示的信息。例如，在基礎顯示模式下，很多海圖信息被屏蔽，僅從看到的海圖物標，不能完全保證航行安全的識別；航行監(jiān)控時，ECDIS是依據(jù)SENC內(nèi)可用的最大比例尺數(shù)據(jù)判斷，而非顯示的電子海圖。正確解讀告警信息。危險信息一般用紅色表示;安全信息一般用黃色表示,航行監(jiān)控時如果系統(tǒng)還設置在瀏覽模式,那么系統(tǒng)會自動出現(xiàn)黃色的信息予以提醒。定位傳感器故障等也會發(fā)出類似信息。3.4正確設置ECDIS系統(tǒng)熟悉ECDIS的不同的顯示方式及其特點。在不同水域、不同時間或使用不同的船舶監(jiān)控功能時選用合適的顯示方式。特別注意報警參數(shù)的正確輸入和報警功能的合理使用。要熟練掌握初始參數(shù)設置、航線設計、航路監(jiān)控、報警的設置與排除、電子海圖的改正、安全水深的設置、各種相關數(shù)據(jù)的判斷與處理等與航行安全密切相關的操作和信息。充分熟悉系統(tǒng)和傳感器的功能，按照說明書的指導，熟練掌握操作方法，充分發(fā)揮設備的功能優(yōu)勢。充分認識到GPS的局限，不要單純依賴GPS定位和航行監(jiān)控，尤其在近岸和進出港時，應利用陸地導航系統(tǒng)或物標手工定位，檢查并校核ECDIS是否正確[]。輸入準確可靠的參數(shù)，使各傳感器工作在最佳狀態(tài)。船員在對相關參數(shù)進行設置時，應綜合考慮航行環(huán)境、水文環(huán)境、本船狀態(tài)和性能、船員技術水平和心理素質、其他特殊要求等多方面的信息，設定合理的參數(shù)，以有效運用ECDIS的報警與警示功能，達到最佳的顯示效果，充分發(fā)揮ECDIS的功能。應避免由于參數(shù)設置不當而引起的不當?shù)膱缶?，甚至誤報警。航線偏航報警設置或防擱淺設置,一般使用于港外航路。在進出港口時，航道的寬度有限，與定位精度、偏航報警閾值等不相稱，所以要充分利用港口設置的各種導航標志。3.5正確保養(yǎng)系統(tǒng)設備電子海圖系統(tǒng)工作時間長，從開航前擬定航行計劃開機，到抵達目的港關機，往往要持續(xù)幾天甚至幾十天的時間。船舶可能跨越的空間大，從低溫地區(qū)到高溫地區(qū)，從干燥地區(qū)到潮濕地區(qū)，設備硬件要經(jīng)受各種不同環(huán)境的考驗。因此駕駛臺要保持合適的溫度，要注意防塵、防潮。配備雙套電子海圖系統(tǒng)的船舶，要定期轉換使用，讓每臺設備都得到休整。長時間不使用電子海圖系統(tǒng)時，要定期通電除潮。要正確使用備份裝置。ECDIS需要備份裝置，在緊急情況下可以取代主系統(tǒng)執(zhí)行各種功能直到抵達下一港口。如果在霧中航行或進出狹水道時，出現(xiàn)電子海圖系統(tǒng)等故障，應該降低船速，按照傳統(tǒng)的航行方式航行。3.6正確維護系統(tǒng)軟件船員應及時對軟件進行升級更新。一方面，相關國際組織、機構在不斷的修訂ECDIS標準，修訂現(xiàn)有要求或者增加新的要求；另一方面，各ECDIS產(chǎn)品在使用過程中可能發(fā)現(xiàn)存在一些缺陷或不足，這就要求ECDIS生產(chǎn)商需要對系統(tǒng)軟件進行維護。因此需要船員需要對船上的ECDIS及時更新升級，以完善其功能，符合標準要求。堅持專機專用，不能將設備挪作他用，否則容易影響設備的性能或感染計算機病毒。要預防計算機病毒，使用經(jīng)過系統(tǒng)供應商認可的正版殺毒軟件定期殺毒。要堅持導航手段多樣化，通過其他手段檢驗和校核電子海圖系統(tǒng)的觀測結果，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能存在的問題和缺陷。同時也應注意制造商發(fā)布的信息，對可能存在問題或缺陷進行修正。刪除數(shù)據(jù)或文件都會給船舶帶來危險，駕駛人員不得隨意刪除或淘汰對航行安全有關的數(shù)據(jù)。ECDIS對所有與航行安全有關的數(shù)據(jù)都會顯示出來，用戶不能刪除。3.7合理配置各傳感器要注意電子海圖系統(tǒng)與船舶其他系統(tǒng)之間的匹配。要正確的進行系統(tǒng)設置，如DGPS選用的坐標系統(tǒng)應該與ECDIS的坐標系統(tǒng)一致。要輸入準確可靠的導航參數(shù)，如航向、航路點的經(jīng)緯度、陀螺羅經(jīng)差、磁羅經(jīng)自差、磁差、風流壓差；各種儀器啟動時的初始數(shù)據(jù)等。要熟悉掌握ECDIS中各種傳感器的原理、特性和功能，使各種傳感器工作在最佳狀態(tài)。要充分認識到各種傳感器的局限性，最好將定位數(shù)據(jù)、導航參數(shù)等進行比較分析，選擇精確度高和可靠性好的船位。當然，并非介入的傳感器數(shù)據(jù)越多，安全保障就越高。實際應用中，船員要根據(jù)實際情況選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)來幫助判斷航行態(tài)勢[]。第四章“育鯤”輪電子海圖系統(tǒng)的使用情況4.1“育鯤”輪電子海圖系統(tǒng)簡介“育鯤”輪電子海圖系統(tǒng)為挪威康斯伯格公司的產(chǎn)品，是符合國際標準的電子海圖顯示與信息系統(tǒng)。此系統(tǒng)在windowsxp平臺上運行，將ENC數(shù)據(jù)讀出并顯示在電腦顯示器上。其位于駕駛臺的主系統(tǒng)由兩臺計算機通過LAN連接，網(wǎng)絡系統(tǒng)包括位于綜合駕駛臺系統(tǒng)的電子海圖控制臺KongsbergSeaMap10?和位于海圖室的電子海圖航行規(guī)劃站PlanningStation10?。ENC數(shù)據(jù)來源為挪威C-Map公司符合IHOS57標準的CM-93Edition3數(shù)據(jù)庫，可用軟盤和光盤更新。圖6.電子海圖控制臺圖7.航行規(guī)劃站本船SeaMap10?系統(tǒng)通過本船局域網(wǎng)與雷達系統(tǒng)、操舵系統(tǒng)、AIS、GPS等相連接。系統(tǒng)中所有顯示單元均共享海圖和航線信息、與每一單元連接的傳感器信息、本船信息、雷達跟蹤標繪信息等，當在某一顯示單元上編輯某條航線或修改某些信息時，這些改動會自動同步更新到其他顯示單元中。所以，即使其中某一顯示單元關機或出故障而不能正常工作時，其他顯示單元仍能保持顯示性能不受影響。4.2系統(tǒng)使用中的幾點問題本人在“育鯤”輪上實習的過程中，通過對ECDIS的觀察和學習，結合上述對電子海圖顯示與信息系統(tǒng)潛在風險的分析，發(fā)現(xiàn)了“育鯤”上使用ECDIS系統(tǒng)的幾點問題。4.2.1傳感器故障由于使用時間過長、部件老化等原因導致部分外部設備的使用性能下降，無法達到設計使用的標準。測深儀經(jīng)常發(fā)出警報，不能正常顯示水深而影響了其正常工作，使得駕駛員對電子海圖顯示水深存有懷疑時缺少了水深依據(jù)，無法判斷、預知船舶的航行狀況。4.2.2參數(shù)設置不當“育鯤”輪的設計吃水為5.4m，而電子海圖安全等深線中設置的安全水深、安全等深線均為30m，均大大超過了“育鯤”輪的實際吃水值。在航線設計中航線檢驗這一環(huán)節(jié)，即使是實際水深值大于船舶實際吃水的海區(qū)也會被檢測出擱淺的誤告，容易產(chǎn)生很多多余的擱淺警告，影響了駕駛員對真正危險區(qū)域的辨識，并降低了準備航次計劃的效率。另外，一些報警參數(shù)的設置總是導致系統(tǒng)發(fā)出誤報警，干擾了駕駛人員的正常工作，這種現(xiàn)象在“育鯤”輪上經(jīng)常發(fā)生。圖8.安全水深設置不當4.3對“育鯤”輪電子海圖系統(tǒng)使用的建議為規(guī)避電子海圖系統(tǒng)各類風險對船舶航行安全的威脅，航海人員應：（1）及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷并及早做出修正措施。（2）注意系統(tǒng)設備和傳感器設備的維修保養(yǎng)與更新，制定合理的維護保養(yǎng)計