ECDIS外接傳感器信號模擬

杜一村， 楊家軒， 趙梁濱

(1.大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026；2.遼寧省航海安全保障重點實驗室， 遼寧 大連 116026)

ECDIS外接傳感器信號模擬

杜一村1,2， 楊家軒1,2， 趙梁濱1,2

(1.大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026；2.遼寧省航海安全保障重點實驗室， 遼寧 大連 116026)

為提高電子海圖顯示與信息系統(Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)實操培訓的質量，減少資源浪費，提出利用ECDIS實船系統進行實操培訓。由現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作為主控制器，對已設定的船舶初始數據進行運算和封裝，完成傳感器信號的模擬，并添加相應的按鍵操作，實時控制船舶航向和航速。根據相關傳輸協議,通過串口將相關數據分別發送至ECDIS的相應傳感器接口，使ECDIS實船系統正常工作，這樣便模擬出船舶海上航行的情況。經初步測試，證明該方法可行，可進一步拓展和完善，以全面應用到ECDIS實操培訓中。

水路運輸；ECDIS培訓；現場可編程門陣列；傳感器信號；傳輸協議

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年通過的“STCW公約馬尼拉修正案”就電子海圖顯示與信息系統(Electronic Chart Display and Information System，ECDIS)的應用作出了說明。對此，我國海事局于2012年發布《關于做好STCW公約馬尼拉修正案履約準備工作有關事項的通知》(海船員〔2011〕923號)，明確ECDIS適任培訓場地、設施、設備標準和教學人員的要求，強制要求培訓單位至少配備一套ECDIS實船系統且該系統必須通過ECDIS類型的認證，符合IEC 61174標準。[1-2]

隨著國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)發布電子海圖使用規范，電子海圖的培訓和考核開始成為各航海院校的研究內容。因此，對ECDIS實操培訓系統的設計和改進及資源的合理利用進行研究是具有理論和實踐價值的課題。[3-4]

1 ECDIS實操培訓系統的現狀

根據我國海事局的最新規定，在進行ECDIS實操培訓時必須配備實船系統。因為單一的電子海圖系統無法顯示船舶信息，只有接入傳感器信號后才能真正發揮教學作用，否則ECDIS就只是簡單的電子海圖顯示平臺，無法發揮其信息系統的作用。但是，由于傳感器設備的價格較為昂貴，一些培訓單位

可能因經費受限而無法及時購置。此外，即使傳感器設備都已配置好，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)、航速為零等問題，使得電子海圖上只能顯示一個固定的船位，無法模擬航行，因此還是起不到實操培訓的作用。

另一種方法是單純使用模擬器進行實操培訓，目前已有較為成熟、實用性較強的培訓系統(如大連海事大學、上海海事大學和船商公司等)，這些系統一般以計算機為平臺，由教練臺向學員機發送數據，然后學員進行模擬航行。系統中有車鐘和舵的操作面板可對航速和航向進行控制，效果與實際情況相似，畫面真實、成本較低，可基本完成相關實操培訓。但是，這些模擬器是單獨工作的，很少與實船系統連接，這樣ECDIS實船系統就起不到實際作用；同時，模擬器畢竟不是真實設備，一些功能可能無法有效模擬出來。此外，設備的硬件檢查和日常維護也是模擬器無法實現的。

通過對電子海圖實船系統和電子海圖模擬器進行比較分析可知，電子海圖模擬器雖然有缺陷，但能達到ECDIS實操培訓的目的。為進一步提高培訓質量，并有效利用資源，將實船系統與模擬器相結合，實現互聯，這樣更接近實際航行情況，培訓效果也將得到較大提升。設計的主要思路為：PC機通過串口發送船舶相關參數至信號發生器現場可編程門列(Field Programmable Gate Array,FPGA)，由FPGA進行運算并將其轉化為標準格式的航向、航速、GPS和AIS等信息語句；然后對數據進行分類，并將其發送至ECDIS相應傳感器接口，即可模擬真實傳感器的數據，并在ECDIS實船系統上顯示船舶信息；同時，添加一些按鍵即可對船舶航行進行實時操作，實現實船系統與模擬器的結合，更好地完成ECDIS培訓。

2 ECDIS實船系統識別的傳感器數據格式

ECDIS實船系統可接收的傳感器信號主要來自于電子定位系統(GPS,北斗等)，羅經，ARPA，計程儀，AIS，測深儀及風速風向儀。這些信號均符合IEC 61162協議(該協議是國際電工委員會為方便船舶設備進行數據交換和共享制定的一種與美國航海電子協會的NMEA 0183標準兼容的協議,現已國際通用，包含計程儀、測深儀、羅經方位系統、GPS及AIS等多種接口和通信協議定義)。

IEC 61162協議是單個發話器和多個收話器的標準，規定了硬件電氣特性、數據傳輸、數據格式和數據內容。硬件上采用與RS422/RS485兼容的電氣規范，數據傳輸采用異步串行方式，4 800 Bite/s或38 400 Bite/s的波特率，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位。數據傳輸過程中以語句為一個意義單位，每條語句以“$”或“!”開始，后面是語句頭。語句頭由5個字母組成:前2個字母表示“系統ID”，即表示該語句是屬于何種系統或設備;后3個字母表示“語句ID”，表示該語句是哪方面的數據。語句頭后為數據體，包含不同的數據體字段;語句末尾為檢驗碼，代表“$”與“*”或“！”與“*”之間所有的ASCII碼數據相異或的結果(不包括這2個字符)。語句以回車換行符結束。語句中每個數據域都有專門的定義，數據域之間使用“，”作為分隔符，符號“*”表示后面跟有校驗數據。每條語句的總字符數不超過82個。[5]

2.1GPS數據

標準格式為:$GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:GP表示該語句是GPS的;GLL表示該語句輸出的是GPS地理定位信息，后面是數據體;hh為校驗位;<1>為緯度;<2>為緯度符號,N=北緯,S=南緯;<3>為經度;<4>為經度符號,E=東經,W=西經;<5>為UTC時間;<6>為狀態位,A=數據有效,V=數據無效。示例:$GPGLL,3852.3110,N,12131.6019,E,075738.00,A,A*66。

2.2羅經數據

標準格式為:$HEHDT,<1>,<2>*hh。其中:HE表示該語句是指北陀螺羅經的;HDT表示該語句輸出的是航向信息;<1>為艏向度數;<2>T=真航向。示例:$HEHDT,200.0,T*2D。

2.3ARPA數據

標準格式為：$RATTM,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>,<13>*hh。其中:RA表示該語句是雷達或ARPA的;TTM表示該語句輸出的是跟蹤目標信息;<1>為目標數目;<2>為目標距離;<3>為與本船方位;<4>為方位單位;<5>為目標速度;<6>為目標航線;<7>為航線單位;<8>為最近途徑的最近點的距離;<9>為到達最近點的時間;<10>中負號表示增加;<11>為目標名稱;<12>為目標狀態位;<13>為參考目標。示例:$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計程儀數據

標準格式為:$VDVBW,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:VD表示該語句是速度傳感器-多普勒及其他的;VBM表示該語句輸出的是雙重對地/水速度;<1>為縱向對水速度,負號表示向船尾;<2>為橫向對水速度,負號表示向左舷;<3>為狀態位,A=數據有效,V=數據無效;<4>為縱向對地速度,負號表示向船尾;<5>為橫向對地速度,負號表示向左舷;<6>為狀態位,A=數據有效,V=數據無效。示例:$VDVBW,2.0,,A,,,A*7D。

2.5AIS數據

標準格式為:!AIVDM,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh。其中:AI表示該語句是AIS的;VDM表示該語句輸出的是VHF數據鏈電文;<1>為傳送電文需要的語句總數;<2>為語句順序號;<3>為序列電文識別碼;<4>為AIS頻道“A”或“B”;<5>為封裝的ITU-R M.1371無線電電文;<6>為填充比特數。示例:!AIVDM,1,1,,B,1697;WP02T8eGdRFA;dG?mgh0D5S,0*3A。

2.6測深儀數據

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

2.7風速風向儀數據

標準格式為:$WIMWV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>*hh。其中:WI表示該語句是氣象儀的;MWV表示該語句輸出的是風向和風速信息;<1>為風向;<2>為R,相對風向;<3>為風速;<4>為M,米制單位,m/s;<5>為狀態位,A=數據有效,V=數據無效。示例:$WIMWV,175,R,01.4,M,A*22。

3 信號發生平臺的設計與實現

產品設計框架見圖1。

圖1 產品設計框架

先由PC機通過串口發送船舶相關數據至FPGA，進行參數交互；然后FPGA進行數據運算、封裝和分類；最后發送至ECDIS相應的傳感器接口，實現模擬航行的功能。

3.1初始數據設置

船舶的初始數據信息由PC機通過串口發送至信號發生器。在PC機上利用VC++制作基于MFC(Microsoft Foundation Classes)的對話框，用以發送船舶的初始位置、初始航向和航速。用于發送船舶初始數據的軟件界面見圖2。

圖2 用于發送船舶初始數據的軟件界面

3.2信號發生器

該信號發生器是基于FPGA設計的。FPGA作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路出現，不僅可以彌補定制電路的不足，而且可以消除原有可編程器件門電路數有限的缺點。

試驗采用ALTERA公司的CycloneII系列FPGA開發板作為信號發生器，通過嵌入式設計添加許多串口，并設計數據運算、封裝和分類功能。信號發生器對從PC機上獲取的船舶初始數據進行運算處理，然后實時發送信號至ECDIS實船系統的各個傳感器接口，使ECDIS正常工作，實現對模擬船舶的實時監控。設計流程如下。

1) 通過SOPC Builder建立NIOSII處理器系統，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添加組件見圖3。

(1) CLOCK：提供時鐘信號。

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

(3) SDRAM控制器：提供一個簡單的Avalon接口，與片外的SDRAM溝通，支持8位、16位、32位和64位數據寬度。

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

圖3 SOPC添加組件

(5) SYSTEM ID：一種標示符，類似于校驗和，在下載程序前或重啟后都會對其進行檢驗，以防止Quartus與NIOS程序版本不一致。

(6) JTAG UART：通過Altera FPGA內置的JTAG電路實現PC與SOPC Builder的數據流通信。

(7) UART：提供通用串行接口，支持可變波特率、校驗、停止和數據位及流控制信號等。

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，完成硬件設計。

PLL為鎖相環，對時鐘進行倍頻并設置為SDRAM的時鐘偏移量。硬件電路圖搭建見圖4。

圖4 硬件電路圖搭建

3) 編寫代碼，實現對數據的運算、封裝和分類，并通過相應串口發送這些數據，完成軟件設計。

數據運算采用中分緯度的航跡計算方法(已處理好船舶跨赤道航行的情況)。正常運行時，程序根據設定好的初始船位、航向和航速計算下一時刻船舶的位置(航向和航速可通過響應按鍵進行改變)，然后由當前的船位、航向和航速計算下一時刻船舶的位置。每次計算得到的船位會作為下一次計算的初始值，這樣循環計算，即實現船舶航行的簡單模擬。該程序的運算周期為1 s，與GPS船位更新的頻率一致,且在運算過程中需要將船位、航向和航速信息轉化成IEC 61162標準語句，并通過串口實時發送出去。該程序只作簡單的驗證，后續工作中需要考慮船舶的操縱性能和風流情況設計適當算法。

數據分類主要是判斷接收到的每條語句的語句頭。由前述可知，語句頭由“系統ID”和“語句ID”組成，這里根據系統ID進行數據分類。信號發生器設計流程及系統ID的含義分別見圖5和表1。

圖5 信號發生器設計流程

系統ID英文名稱中文解釋備注GPGPS全球定位系統GPSAIAIS船舶自動識別系統AISHENorthSeekingGyro指北陀螺儀羅經類RARADAR/ARPA雷達/ARPA雷達SDSounder，Depth測深儀測深儀VDVelocitySensor速度傳感器計程儀

4) 將程序燒寫至FPGA開發板中。

4 試驗結果

將產品的各個部分連接起來進行測試。接入模擬傳感器信號后的ECDIS界面見圖6：主界面右上角顯示航向、航速和位置信息；中間顯示船舶當前位置的海圖、矢量化的航向和航速及船舶運動的歷史軌跡。該過程模擬的是船舶駛離大連港，實現了船舶航行的基本功能，顯然該方法可行。

圖6 試驗時的ECDIS界面

5 結束語

針對STCW對ECDIS培訓的要求及當前ECDIS培訓方法存在的問題，設計一種將ECDIS實船系統與模擬器互聯的培訓模式。通過逐步驗證，最終完成產品的開發，實現一些基本功能。但是,其與真正應用到實際ECDIS的培訓相比還有很大差距，需要在后續項目重構和升級中進一步完善。

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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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)課題(2009AA045003);中央高校基本科研業務費專項資金(3132015009)

杜一村(1993—)，男，河南駐馬店人，碩士生，從事交通運輸工程研究。E-mail: nsbsd@126.com 楊家軒(1981—),男,山東濟寧人,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