杜一村， 楊家軒， 趙梁濱

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2.遼寧省航海安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026)

ECDIS外接傳感器信號(hào)模擬

杜一村1,2， 楊家軒1,2， 趙梁濱1,2

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026；2.遼寧省航海安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026)

為提高電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)實(shí)操培訓(xùn)的質(zhì)量，減少資源浪費(fèi)，提出利用ECDIS實(shí)船系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)。由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作為主控制器，對(duì)已設(shè)定的船舶初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和封裝，完成傳感器信號(hào)的模擬，并添加相應(yīng)的按鍵操作，實(shí)時(shí)控制船舶航向和航速。根據(jù)相關(guān)傳輸協(xié)議,通過(guò)串口將相關(guān)數(shù)據(jù)分別發(fā)送至ECDIS的相應(yīng)傳感器接口，使ECDIS實(shí)船系統(tǒng)正常工作，這樣便模擬出船舶海上航行的情況。經(jīng)初步測(cè)試，證明該方法可行，可進(jìn)一步拓展和完善，以全面應(yīng)用到ECDIS實(shí)操培訓(xùn)中。

水路運(yùn)輸；ECDIS培訓(xùn)；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；傳感器信號(hào)；傳輸協(xié)議

Abstract: In order to improve the quality of training and save resources, the operation training of ECDIS are proposed to be conducted on available marine ECDIS equipment. The exterior sensors for the ECDIS to work are simulated by the circuits based on Field Programmable Gate Array (FPGA), which perform data computing and packaging as well as panel controlling. The ship course and speed can be set on the panel and transmitted to the ECDIS equipment via serial ports in required transport protocols. The scheme has been tried out and welcomed．

Keywords: waterway transportation； ECDIS training； FPGA； sensors signal； transport protocol

2010年通過(guò)的“STCW公約馬尼拉修正案”就電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System，ECDIS)的應(yīng)用作出了說(shuō)明。對(duì)此，我國(guó)海事局于2012年發(fā)布《關(guān)于做好STCW公約馬尼拉修正案履約準(zhǔn)備工作有關(guān)事項(xiàng)的通知》(海船員〔2011〕923號(hào))，明確ECDIS適任培訓(xùn)場(chǎng)地、設(shè)施、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)人員的要求，強(qiáng)制要求培訓(xùn)單位至少配備一套ECDIS實(shí)船系統(tǒng)且該系統(tǒng)必須通過(guò)ECDIS類型的認(rèn)證，符合IEC 61174標(biāo)準(zhǔn)。[1-2]

隨著國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)發(fā)布電子海圖使用規(guī)范，電子海圖的培訓(xùn)和考核開(kāi)始成為各航海院校的研究?jī)?nèi)容。因此，對(duì)ECDIS實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)及資源的合理利用進(jìn)行研究是具有理論和實(shí)踐價(jià)值的課題。[3-4]

1 ECDIS實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

根據(jù)我國(guó)海事局的最新規(guī)定，在進(jìn)行ECDIS實(shí)操培訓(xùn)時(shí)必須配備實(shí)船系統(tǒng)。因?yàn)閱我坏碾娮雍D系統(tǒng)無(wú)法顯示船舶信息，只有接入傳感器信號(hào)后才能真正發(fā)揮教學(xué)作用，否則ECDIS就只是簡(jiǎn)單的電子海圖顯示平臺(tái)，無(wú)法發(fā)揮其信息系統(tǒng)的作用。但是，由于傳感器設(shè)備的價(jià)格較為昂貴，一些培訓(xùn)單位

可能因經(jīng)費(fèi)受限而無(wú)法及時(shí)購(gòu)置。此外，即使傳感器設(shè)備都已配置好，電子海圖可以工作，仍存在本船位置固定(即GPS天線位置固定)、航速為零等問(wèn)題，使得電子海圖上只能顯示一個(gè)固定的船位，無(wú)法模擬航行，因此還是起不到實(shí)操培訓(xùn)的作用。

另一種方法是單純使用模擬器進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)，目前已有較為成熟、實(shí)用性較強(qiáng)的培訓(xùn)系統(tǒng)(如大連海事大學(xué)、上海海事大學(xué)和船商公司等)，這些系統(tǒng)一般以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，由教練臺(tái)向?qū)W員機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后學(xué)員進(jìn)行模擬航行。系統(tǒng)中有車鐘和舵的操作面板可對(duì)航速和航向進(jìn)行控制，效果與實(shí)際情況相似，畫面真實(shí)、成本較低，可基本完成相關(guān)實(shí)操培訓(xùn)。但是，這些模擬器是單獨(dú)工作的，很少與實(shí)船系統(tǒng)連接，這樣ECDIS實(shí)船系統(tǒng)就起不到實(shí)際作用；同時(shí)，模擬器畢竟不是真實(shí)設(shè)備，一些功能可能無(wú)法有效模擬出來(lái)。此外，設(shè)備的硬件檢查和日常維護(hù)也是模擬器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)對(duì)電子海圖實(shí)船系統(tǒng)和電子海圖模擬器進(jìn)行比較分析可知，電子海圖模擬器雖然有缺陷，但能達(dá)到ECDIS實(shí)操培訓(xùn)的目的。為進(jìn)一步提高培訓(xùn)質(zhì)量，并有效利用資源，將實(shí)船系統(tǒng)與模擬器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，這樣更接近實(shí)際航行情況，培訓(xùn)效果也將得到較大提升。設(shè)計(jì)的主要思路為：PC機(jī)通過(guò)串口發(fā)送船舶相關(guān)參數(shù)至信號(hào)發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)可編程門列(Field Programmable Gate Array,FPGA)，由FPGA進(jìn)行運(yùn)算并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式的航向、航速、GPS和AIS等信息語(yǔ)句；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并將其發(fā)送至ECDIS相應(yīng)傳感器接口，即可模擬真實(shí)傳感器的數(shù)據(jù)，并在ECDIS實(shí)船系統(tǒng)上顯示船舶信息；同時(shí)，添加一些按鍵即可對(duì)船舶航行進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)船系統(tǒng)與模擬器的結(jié)合，更好地完成ECDIS培訓(xùn)。

2 ECDIS實(shí)船系統(tǒng)識(shí)別的傳感器數(shù)據(jù)格式

ECDIS實(shí)船系統(tǒng)可接收的傳感器信號(hào)主要來(lái)自于電子定位系統(tǒng)(GPS,北斗等)，羅經(jīng)，ARPA，計(jì)程儀，AIS，測(cè)深儀及風(fēng)速風(fēng)向儀。這些信號(hào)均符合IEC 61162協(xié)議(該協(xié)議是國(guó)際電工委員會(huì)為方便船舶設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享制定的一種與美國(guó)航海電子協(xié)會(huì)的NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)兼容的協(xié)議,現(xiàn)已國(guó)際通用，包含計(jì)程儀、測(cè)深儀、羅經(jīng)方位系統(tǒng)、GPS及AIS等多種接口和通信協(xié)議定義)。

IEC 61162協(xié)議是單個(gè)發(fā)話器和多個(gè)收話器的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了硬件電氣特性、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)內(nèi)容。硬件上采用與RS422/RS485兼容的電氣規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸采用異步串行方式，4 800 Bite/s或38 400 Bite/s的波特率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中以語(yǔ)句為一個(gè)意義單位，每條語(yǔ)句以“$”或“!”開(kāi)始，后面是語(yǔ)句頭。語(yǔ)句頭由5個(gè)字母組成:前2個(gè)字母表示“系統(tǒng)ID”，即表示該語(yǔ)句是屬于何種系統(tǒng)或設(shè)備;后3個(gè)字母表示“語(yǔ)句ID”，表示該語(yǔ)句是哪方面的數(shù)據(jù)。語(yǔ)句頭后為數(shù)據(jù)體，包含不同的數(shù)據(jù)體字段;語(yǔ)句末尾為檢驗(yàn)碼，代表“$”與“*”或“！”與“*”之間所有的ASCII碼數(shù)據(jù)相異或的結(jié)果(不包括這2個(gè)字符)。語(yǔ)句以回車換行符結(jié)束。語(yǔ)句中每個(gè)數(shù)據(jù)域都有專門的定義，數(shù)據(jù)域之間使用“，”作為分隔符，符號(hào)“*”表示后面跟有校驗(yàn)數(shù)據(jù)。每條語(yǔ)句的總字符數(shù)不超過(guò)82個(gè)。[5]

2.1GPS數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為:$GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:GP表示該語(yǔ)句是GPS的;GLL表示該語(yǔ)句輸出的是GPS地理定位信息，后面是數(shù)據(jù)體;hh為校驗(yàn)位;<1>為緯度;<2>為緯度符號(hào),N=北緯,S=南緯;<3>為經(jīng)度;<4>為經(jīng)度符號(hào),E=東經(jīng),W=西經(jīng);<5>為UTC時(shí)間;<6>為狀態(tài)位,A=數(shù)據(jù)有效,V=數(shù)據(jù)無(wú)效。示例:$GPGLL,3852.3110,N,12131.6019,E,075738.00,A,A*66。

2.2羅經(jīng)數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為:$HEHDT,<1>,<2>*hh。其中:HE表示該語(yǔ)句是指北陀螺羅經(jīng)的;HDT表示該語(yǔ)句輸出的是航向信息;<1>為艏向度數(shù);<2>T=真航向。示例:$HEHDT,200.0,T*2D。

2.3ARPA數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為：$RATTM,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>*hh。其中:RA表示該語(yǔ)句是雷達(dá)或ARPA的;TTM表示該語(yǔ)句輸出的是跟蹤目標(biāo)信息;<1>為目標(biāo)數(shù)目;<2>為目標(biāo)距離;<3>為與本船方位;<4>為方位單位;<5>為目標(biāo)速度;<6>為目標(biāo)航線;<7>為航線單位;<8>為最近途徑的最近點(diǎn)的距離;<9>為到達(dá)最近點(diǎn)的時(shí)間;<10>中負(fù)號(hào)表示增加;<11>為目標(biāo)名稱;<12>為目標(biāo)狀態(tài)位;<13>為參考目標(biāo)。示例:$RATTM,02,0.823,125.0,T,7.91,184.4,T,0.709,-3.1,N,TGT 02,T,,040235.18,M*7D。

2.4計(jì)程儀數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為:$VDVBW,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:VD表示該語(yǔ)句是速度傳感器-多普勒及其他的;VBM表示該語(yǔ)句輸出的是雙重對(duì)地/水速度;<1>為縱向?qū)λ俣?負(fù)號(hào)表示向船尾;<2>為橫向?qū)λ俣?負(fù)號(hào)表示向左舷;<3>為狀態(tài)位,A=數(shù)據(jù)有效,V=數(shù)據(jù)無(wú)效;<4>為縱向?qū)Φ厮俣?負(fù)號(hào)表示向船尾;<5>為橫向?qū)Φ厮俣?負(fù)號(hào)表示向左舷;<6>為狀態(tài)位,A=數(shù)據(jù)有效,V=數(shù)據(jù)無(wú)效。示例:$VDVBW,2.0,,A,,,A*7D。

2.5AIS數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為:!AIVDM,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:AI表示該語(yǔ)句是AIS的;VDM表示該語(yǔ)句輸出的是VHF數(shù)據(jù)鏈電文;<1>為傳送電文需要的語(yǔ)句總數(shù);<2>為語(yǔ)句順序號(hào);<3>為序列電文識(shí)別碼;<4>為AIS頻道“A”或“B”;<5>為封裝的ITU-R M.1371無(wú)線電電文;<6>為填充比特?cái)?shù)。示例:!AIVDM,1,1,,B,1697;WP02T8eGdRFA;dG?mgh0D5S,0*3A。

2.6測(cè)深儀數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為:$SDDBT,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:SD表示該語(yǔ)句是測(cè)深儀的;DBT表示該語(yǔ)句輸出的是深度信息;<1>為深度;<2>為單位,f=英尺;<3>為深度;<4>為單位,M=m;<5>為深度;<6>為單位,F=6英尺。示例:$SDDBT,00305.7,f,0093.2,M,0050.9,F*03。

2.7風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)格式為:$WIMWV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>*hh。其中:WI表示該語(yǔ)句是氣象儀的;MWV表示該語(yǔ)句輸出的是風(fēng)向和風(fēng)速信息;<1>為風(fēng)向;<2>為R,相對(duì)風(fēng)向;<3>為風(fēng)速;<4>為M,米制單位,m/s;<5>為狀態(tài)位,A=數(shù)據(jù)有效,V=數(shù)據(jù)無(wú)效。示例:$WIMWV,175,R,01.4,M,A*22。

3 信號(hào)發(fā)生平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架

先由PC機(jī)通過(guò)串口發(fā)送船舶相關(guān)數(shù)據(jù)至FPGA，進(jìn)行參數(shù)交互；然后FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、封裝和分類；最后發(fā)送至ECDIS相應(yīng)的傳感器接口，實(shí)現(xiàn)模擬航行的功能。

3.1初始數(shù)據(jù)設(shè)置

船舶的初始數(shù)據(jù)信息由PC機(jī)通過(guò)串口發(fā)送至信號(hào)發(fā)生器。在PC機(jī)上利用VC++制作基于MFC(Microsoft Foundation Classes)的對(duì)話框，用以發(fā)送船舶的初始位置、初始航向和航速。用于發(fā)送船舶初始數(shù)據(jù)的軟件界面見(jiàn)圖2。

圖2 用于發(fā)送船舶初始數(shù)據(jù)的軟件界面

3.2信號(hào)發(fā)生器

該信號(hào)發(fā)生器是基于FPGA設(shè)計(jì)的。FPGA作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路出現(xiàn)，不僅可以彌補(bǔ)定制電路的不足，而且可以消除原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

試驗(yàn)采用ALTERA公司的CycloneII系列FPGA開(kāi)發(fā)板作為信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)嵌入式設(shè)計(jì)添加許多串口，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)運(yùn)算、封裝和分類功能。信號(hào)發(fā)生器對(duì)從PC機(jī)上獲取的船舶初始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后實(shí)時(shí)發(fā)送信號(hào)至ECDIS實(shí)船系統(tǒng)的各個(gè)傳感器接口，使ECDIS正常工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)流程如下。

1) 通過(guò)SOPC Builder建立NIOSII處理器系統(tǒng)，添加CLOCK，NIOSII處理器，SDRAM控制器，EPCS控制器，SYSTEM ID，JTAG(Joint Test Action Group) UART和UART等組件；隨后配置并編譯。[9]SOPC添加組件見(jiàn)圖3。

(1) CLOCK：提供時(shí)鐘信號(hào)。

(2) NIOSII處理器：Altera公司推出的一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集處理器軟核。

(3) SDRAM控制器：提供一個(gè)簡(jiǎn)單的Avalon接口，與片外的SDRAM溝通，支持8位、16位、32位和64位數(shù)據(jù)寬度。

(4) EPCS控制器：串行存貯器，NiosII 不能直接從中執(zhí)行程序，實(shí)際執(zhí)行的是EPCS控制器片內(nèi)ROM中的代碼，把EPCS中的程序搬到RAM中執(zhí)行。

圖3 SOPC添加組件

(5) SYSTEM ID：一種標(biāo)示符，類似于校驗(yàn)和，在下載程序前或重啟后都會(huì)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，以防止Quartus與NIOS程序版本不一致。

(6) JTAG UART：通過(guò)Altera FPGA內(nèi)置的JTAG電路實(shí)現(xiàn)PC與SOPC Builder的數(shù)據(jù)流通信。

(7) UART：提供通用串行接口，支持可變波特率、校驗(yàn)、停止和數(shù)據(jù)位及流控制信號(hào)等。

2) 新建Quartus II Block Symbol File，加入NIOSII軟核、PLL及其他模塊，連接電路圖，分配管腳，編譯，完成硬件設(shè)計(jì)。

PLL為鎖相環(huán)，對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻并設(shè)置為SDRAM的時(shí)鐘偏移量。硬件電路圖搭建見(jiàn)圖4。

圖4 硬件電路圖搭建

3) 編寫代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、封裝和分類，并通過(guò)相應(yīng)串口發(fā)送這些數(shù)據(jù)，完成軟件設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)運(yùn)算采用中分緯度的航跡計(jì)算方法(已處理好船舶跨赤道航行的情況)。正常運(yùn)行時(shí)，程序根據(jù)設(shè)定好的初始船位、航向和航速計(jì)算下一時(shí)刻船舶的位置(航向和航速可通過(guò)響應(yīng)按鍵進(jìn)行改變)，然后由當(dāng)前的船位、航向和航速計(jì)算下一時(shí)刻船舶的位置。每次計(jì)算得到的船位會(huì)作為下一次計(jì)算的初始值，這樣循環(huán)計(jì)算，即實(shí)現(xiàn)船舶航行的簡(jiǎn)單模擬。該程序的運(yùn)算周期為1 s，與GPS船位更新的頻率一致,且在運(yùn)算過(guò)程中需要將船位、航向和航速信息轉(zhuǎn)化成IEC 61162標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句，并通過(guò)串口實(shí)時(shí)發(fā)送出去。該程序只作簡(jiǎn)單的驗(yàn)證，后續(xù)工作中需要考慮船舶的操縱性能和風(fēng)流情況設(shè)計(jì)適當(dāng)算法。

數(shù)據(jù)分類主要是判斷接收到的每條語(yǔ)句的語(yǔ)句頭。由前述可知，語(yǔ)句頭由“系統(tǒng)ID”和“語(yǔ)句ID”組成，這里根據(jù)系統(tǒng)ID進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)流程及系統(tǒng)ID的含義分別見(jiàn)圖5和表1。

圖5 信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)ID英文名稱中文解釋備注GPGPS全球定位系統(tǒng)GPSAIAIS船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AISHENorthSeekingGyro指北陀螺儀羅經(jīng)類RARADAR/ARPA雷達(dá)/ARPA雷達(dá)SDSounder，Depth測(cè)深儀測(cè)深儀VDVelocitySensor速度傳感器計(jì)程儀

4) 將程序燒寫至FPGA開(kāi)發(fā)板中。

4 試驗(yàn)結(jié)果

將產(chǎn)品的各個(gè)部分連接起來(lái)進(jìn)行測(cè)試。接入模擬傳感器信號(hào)后的ECDIS界面見(jiàn)圖6：主界面右上角顯示航向、航速和位置信息；中間顯示船舶當(dāng)前位置的海圖、矢量化的航向和航速及船舶運(yùn)動(dòng)的歷史軌跡。該過(guò)程模擬的是船舶駛離大連港，實(shí)現(xiàn)了船舶航行的基本功能，顯然該方法可行。

圖6 試驗(yàn)時(shí)的ECDIS界面

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)STCW對(duì)ECDIS培訓(xùn)的要求及當(dāng)前ECDIS培訓(xùn)方法存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種將ECDIS實(shí)船系統(tǒng)與模擬器互聯(lián)的培訓(xùn)模式。通過(guò)逐步驗(yàn)證，最終完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)一些基本功能。但是,其與真正應(yīng)用到實(shí)際ECDIS的培訓(xùn)相比還有很大差距，需要在后續(xù)項(xiàng)目重構(gòu)和升級(jí)中進(jìn)一步完善。

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SimulationofECDISExteriorSensorsSignal

DUYicun1,2，YANGJiaxuan1,2，ZHAOLiangbin1,2

(1.Navigation College，Dalian Maritime University，Dalian 116026， China；2. Key Laboratory of Navigation Safety Guarantee of Liaoning Province, Dalian 116026, China)

2015-12-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2009AA045003);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132015009)

杜一村(1993—)，男，河南駐馬店人，碩士生，從事交通運(yùn)輸工程研究。E-mail: nsbsd@126.com 楊家軒(1981—),男,山東濟(jì)寧人,副教授,博士,從事交通信息工程及航海安全保障研究。E-mail:yangjiaxuan@dlmu.edu.cn

1000-4653(2016)01-0005-05

U675.81；U665.261

A