ГИС
.pdf
ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
Арктический факультет
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
Кафедра «Гидрография моря» Ю. Г. Фирсов
МОРСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ГИДРОГРАФИИ
Введение в морские информационные технологий.
Конспект лекций
2005
ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С.О.Макарова
Ю.Г. Фирсов
МОРСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ГИДРОГРАФИИ
Введение в морские информационные технологий.
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2005 г.
2
Конспект лекций «Морские электронные информационные системы в гидрографии. Введение в морские геоинформационные технологий» разработан кандидатом технических наук, доцентом Фирсовым Ю.Г. на основе лекций, читаемых для курсантов старших курсов на Арктическом факультете ГМА имени адмирала С. О. Макарова.
Конспект лекций может быть использован курсантами и студентами заочного факультета гидрографической специальности, а также инженерами гидрографами, желающими самостоятельно освоить современные морские геоинформационные технологии.
3
Ведение.
Современные морские электронные информационные системы (МИС) представляют собой аппаратно-программные комплексы, предназначенные для автоматизированного или автоматического решения широкого класса задач, вязанных с управлением технологическими процессами в морской навигации и гидрографии.
В зависимости от целевого предназачения современные МИС можно подразделить На следующие классы:
-МЭИС транспортных и пассажирских судов общего назначения,
-МЭИС специализированных гражданских судов,
-МЭИС кораблей ВМФ,
-МЭИС научно-исследовательских судов (включая гидрографические).
Данное подразделение в достаточной степени условно, ввиду того что конкретные Функции МЭИС во многом зависят от состава программного обеспечения.
Мы в основном будем рассматривать МЭИС транспортных и научно-исследовательских судов в первую очередь гидрографических.
Любая МЭИС включает следующие компоненты:
-датчики навигационной информации,
-средства вычислительной техники,
-приемники навигационной информации.
Современные МЭИС прошли период своего становления в последние 25-30 лет ХХ века. Становление МИС было теснейшим образом связано с успехами в развитии радиоэлектроники. Именно появление в последнем десятилетие ХХ века достаточно надежных и Мощных средств вычислительной техники явилось основной предпосылкой по настоящему
Широкого внедрения МЭИС на морском флоте.
Основние этапы технического прогресса в судовождение.
Этап 1. |
Впервые |
вековая мечта моряков о |
надежном и точном всепогодном способе |
определения места |
своего судна в море стала |
реальностью летом 1944 года, когда |
|
корабли |
союзников ненастной июньской ночью скрытно высадили десант на побережье |
||
Нормандии, используя первую в истории мореплавания радионавигационную систему (РНС). Вторая мировая война явилась стимулом бурного развития технических средств судовождения. В первую очередь это связано с широким применением радиолокационных станций (РЛС) на боевых кораблях. Можно с уверенностью сказать, что именно РЛС обеспечили победу союзников на море во второй мировой войне.
Широкое послевоенное внедрение РЛС в гражданской сфере во всем мире явилось первым этапом революции в технологии как морской так и воздушной навигации.
Этап 2. Первые опыты в области автоматизации судовождения были связаны главным образом в с обеспечением решения расчетных навигационых задач в первую очередь астрономических, а также задач преобразованием гиперболических координат РНС в географические. Для этих целей на судах в 70-80 годах устанавливались специализорованые и универсальные электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Их использование позволяло отказаться от утомительных ручных вычислений координат и тем самым освобождало время штурмана для решения его главной задачи – обеспечения безопасности.
Этап 3. В последние два десятиления ХХ века произошла очередная революция в технологии Навигации. Вплоть до конца 80-х годов РНС «Deccca», »Loran-C», «Omega», «Марс-75», «РСДН-3» и ряд других активно использовались как моряками, так и авиаторами наряду со спутниковой радионавигационной системой (СРНС) первого поколения, аппаратура которой некоторое время еще оставалась недоступной для большинства гражданских потребителей. Бортовая аппаратура СРНС уже не могла обходится без ЭВМ. Первые гражданские
4
спутниковые приемники, сопряженные с универсальными мини-ЭВМ были дороги и ненадежны. Вместе с тем они сразу нашли применение на специальных и научноисследовательских судах как у нас, так и зарубежном. Наряду с решением задачи дискретного определения местоположения, такие системы обеспечивали также расчет некоторых штурманских задач.
Революционным шагом в технологии навигации явилось широкое внедрение на судах И самолетах микропроцессорной спутниковой навигационной аппаратуры, пришедшийся на Начало 80-х годов. Благодаря стремительному развитию радиоэлетроники удалось создать Весьма портативную и надежную бортовую спутниковую навигационную аппаратуру, которая по стоимости, высоким эксплуатационным характеристикам и доступности приобретения получила чрезвычайно широкое применение на судах самого разного класса.
Этап 4. Выполнив свою миссию СРНС «Транзит» в начале 90-х годов уступил место новой СРНС «НАВСТАР» (GPS). Благодаря практической непрерывности обсерваций, высокой точности, малогабаритности и высокой надежности в сочетании с сравнительно низкой стимости приемники-вычислители GPS в течение короткого времени стали основным навигационным инструментом практически каждого морского и воздушного судна. В настоящее время подобная аппаратура перестает быть «экзотикой» и на автомобильном транспорте.
Для повышения надежности определений приемники GPS часто комплексируют с приемниками отечественной СРНС «Глонасс». Для многих отечественных применений это является обязательным.
Парадоксальным является тот факт, что широкое внедрение технологии GPS/Глонасс Навигации по времени совпал с появлением и интенсивным развитием вычислительной техники нового класса –персональных ЭВМ. Первые ПЭВМ, появившиеся в нашей стране в Конце 80-х годов и имевшие по современным понятиям весьма скромные технические характеристики, в буквальном смысле слова произвели революцию в сфере автоматизации самой разнообразной деятельности, в том числе и в сфере автоматизации морской навигации.
Наиболее радикальное отличия от предшествовавших систем автоматизации, выдававших навигационную информацию в цифровой виде, заключалось в том, что ПЭВМ оборудованные вначале монохромными, а затем и цветными мониторами впервые обеспечили возможНость наряду с цифрами отображать графическую информацию, наиболее наглядную и удобную для восприятия человеком и в первую очередь для решения транспортных задач. Тем самым было положено начало качественно нового этапа технологической революции
вобласти навигации.
Вэтот же период наряду с ПЭВМ и GPS-технологиями интенсивно развивались и Другие навигационные инструменты. Качественно улучшилась радиолокация, стандартом стала цифровая обработка радиолокационного сигнала. Наряду с такими традиционными приборами, как магнитный и гирокомпас, лаг, эхолот, Международная Конвенция SOLAS (Safety Of Life At Sea) вводит принципиально новую систему автоматической классификации судна (AIS)[Automatic Identification System]; « черный ящик »(VDR) [Voyage Data Recorder],
системы управления судном по заданной траектории, системы экстренной связи GMDSS и, наконец электронную картографическую информационную систему ECDIS (Electronic Chart Display and Information System).
Бурное развитие электроники, вычислительной техники и связи, с одной стороны, и настоятельная необходимость в повышение безопасности судоходства, защите жизни людей, дорогостоящих грузов с одновременными требованиями охраны окружающей среды, в условиях тенденций сокращения численности экипажей с другой стороны стимулирует создание и внедрений промышленной технологии навигации и гидрографии ХХI века.
Этап 5. В настоящее время мы являемся свидетелями начала пятого этапа технологической
5
революции в области навигации. Характерной особенностью данного этапа является высокий уровень организационного обеспечения современных высоких технологий судовождения.
Требования к технологическому уровню навигации в море регулируются международ-
ными документами, выпускаемыми IMO (International Maritime Organisation), а также национальными правилами, издаваемыми Морской администрацией флага. Основные технические средства навигации должны быть сертифицированы на основании эксплуатационных стандартов, принятых IMO и технических стандартов разработанных Международной электротехнической комиссией (IEC [International Electrotechnical Commission](?)). Контроль за соблюдением международных и национальных правил, включая комплектацию судов, осуществляется морскими администрациями портов.
Международная организационная и законодательная поддержка является исключительно важным элементом современной технологии навигации, цель которой предельно четко отражена в названии ее основополагающего документа –Конвенции SOLAS (Safety Of Life At Sea).
Отличительной особенностью современного этапа развития навигационных технологий является появление на судах качественно нового средства автоматизации судовожденияМорской информационной систем ядром которой является электронная картографическая система (ECS). Помимо отображения электронной карты на экране монитора такая система Ведет непрерывную прокладку места судна, автоматически контролирует исполнение задан Ного маршрута, отображает радиолокационные цели, проигрывает маневр, выдает команды управления на авторулевой для движения по заранее проложенному и автоматически проверяемому маршруту.
Ряд промышленных фирм к настоящему времени освоили производство и поставляют На мировой рынок электронные картографические системы различного уровня сложности. Среди российских коммерческих компаний можно выделить ТРАНЗАС (TRANSAS), C-MAP, Моринтех (MORINTECH).
На рисунке представлена ЭКС NAVI-SAILOR компании ТРАНЗАС, предназначенная для транспортных судов. Функциональные возможности системы включают автоматическое выполнение следующих функций:
-планирование маршрута на ЭК,
-ведение судового журнала,
-выбор карт из каталога,
-выдача навигационных предупреждений,
-измерения на карте с помощью электронной линейки,
-создание твердой копии (распечатка экрана мониторакарты),
-ввод данных о дрейфе, течение и температуре,
-воспроизведение записанной навигационной ситуации,
-использование информации из базы данных по приливам и течениям,
-получение информации по портам,
-корректура коллекции карт,
-редактирование навигационных карт,
-использование функций встроенного радара (совмещение РЛС данных с ЭК),
Всистеме NAVI-SAILOR могут быть использованы ЭК формата DX-90, Transas TX97 (векторные карты), растровые карты Британского Адмиралтейства (ARCS), а также
карты Гидрографических служб США и Канады (NDI/BSB). Компания ТРАНЗАС обладает в настоящее время одной из самых крупных коллекций электронных навигационных карт (около 7000 карт).
Ближайшим конкурентом компании ТРАНЗАС является компания С-МАР, специализирующаяся на разработке программного обеспечения для создания электронных карт. Комплект электронных навигационных карт компании С-МАР в настоящее время включает более 20000 карт. ЭК компании С-МАР выпускаются в фомате СМ-93\3.
6
Фирма Моринтех (морские информационные технологии) создана в Санкт-Петербурге в 1988 году. Основными направлениями деятельности ООО Моринтех является разработка программного обеспечения в области навигации, гидрографии и морской картографии.
В основе развития программных продуктов ООО Моринтех лежит единая концепция - dKart (дКарт), предназначенная для создания приложений, использующих электронные карты. К их числу относятся:
·dKart Office - система производства бумажных и электронных карт, навигационных книг, пособий и извещений мореплавателям;
·dKart Inspector - программа тестирования электронных карт и наборов обмена стандартов S- 57 edition 3 (3.1) и DX90;
·dKart Navigator - навигационные электронно-картографические системы (ECS/ECDIS), предназначенные для использования на судах всех типов и назначений;
·dKart Explorer - морские геоинформационные системы;
·dKart Catalogue - система распространения Извещений Мореплавателям, содержащая также электронный каталог карт и книг.
Моринтех активно сотрудничает с национальными Гидрографическими Службами в области издания официальных электронных морских навигационных карт международного стандарта S57 edition 3. Взяв за основу систему dKart Base Line (предшественник dKart Office), Главное Управление Навигации и Океанографии МО России оцифровало более 2100 адмиралтейских номеров, что на сегодняшний день является наивысшим показателем в Мире. Большое внимание уделяется вопросам качества производимой картографической продукции. Так, система dKart Inspector является фактическим международным стандартом качества данных и широко используется Гидрографическими Службами и фирмами различных государств - Англии, Италии, Германии, Канады, России и др.
Значительный опыт накоплен в области разработки, установки и обслуживания на судах навигационных электронно-картографических систем. Системы dKart Navigator удовлетворяют принятым для ECDIS стандартам Международной Морской Организации и ориентированы на официальные данные, издаваемые государственными Гидрографическими Службами. Вместе с тем предусмотрено использование мировой коллекции электронных карт фирмы С-МАР, что обеспечивает работоспособность систем в любом районе Мирового океана.
Основным направлением деятельности компании Моринтех является создание и внедрение современных технологий связанных со сбором, обработкой и использованием навигационногидрографической информации. Технологические средства, объединенные единой торговой маркой dKart, предлагают решение для следующих задач:
·проведение гидрографической съемки
·картпроизводство (традиционные бумажные и электронные карты и публикации)
·судовые навигационные системы с электронной картой
·информационные системы с электронной картой
Основой для составления любой морской карты являются данные гидрографической съемки. Компания Моринтех предлагает комплекс программ dKart Hydrographer, обеспечивающий планирование съемки, сбор данных в реальном масштабе времени и обработку полученной информации. Основной особенностью предлагаемой технологии является использование электронных карт на всех этапах выполнения работ, при этом программа также обеспечивает и представление материалов в традиционной бумажной форме.
dKart Hydrographer полностью совместим с технологией составления бумажных и электронных карт - dKart OFFICE. Иными словами, полученные в ходе выполнения гидрографической съемки данные могут быть непосредственно использованы в картпроизводстве. Как показывает практика, такой подход позволяет значительно сократить временной интервал от момента завершения съемки до момента публикации карты в бумажном или электронном виде. В некоторых случаях электронная карта в международном
7
стандарте обмена S-57 edition 3 выпускается спустя всего несколько часов после окончания промера.
Необходимыми техническими средствами для проведения гидрографической съемки с использованием dKart Hydrographer являются:
·персональный компьютер, как правило NoteBook;
·приемоиндикатор GPS;
·эхолот с цифровым выходом;
·принтер (если необходимо получить твердую копию планшета).
Проведение съемки осуществляется в три этапа - планирование, сбор данных и обработка собранной информации. На этапе планирования оператор осуществляет построение промерных галсов на электронной карте. Далее в процессе сбора информации данные поступающие в программу от эхолота и GPS автоматически регистрируются на жестком диске. На этапе обработки информации осуществляется отбраковка промахов, учет поправок, построение модели рельефа и изобат. На заключительном этапе проводится построение электронной карты и вывод отчетного планшета на принтер.
Часть 1. Электронные картографические системы (ECS).
Для того, чтобы понять текущее состояние развития электронных катрографических Систем целесообразно рассмотреть международные правила и требования регулирующие Их создание и использование.
Прежде всего рассмотрим разницу между ECS и ECDIS. Как уже упоминалось ранее Аббревиатура ECDIS расшифровывается: Электронная картографическая и информационная система, в то время как ECS – это «электронная картографическая система». Разница между подобными системами не только чисто терминологическая, а носит в основном
юридический характер.
В самом общем виде ECDIS состоит из базы данных электронных карт вместе с электронными компонентами (hardware) и программным обеспечением (software), необхо-
Димым для совместного отображения электронной карты и положения с судна |
(как правило |
||
от GPS/DGPS),а также выполнения навигационных функций, таких как прокладка маршрута, |
|||
контроль следования по заданному маршруту, измерение расстояний на |
карте и т.д. Одним |
||
из важнейших свойств ECDIS, делающих ее уникальным средством для |
навигации является |
||
наличие в ней элементов искусственного интеллекта - |
ее способность |
генерировать |
|
тревоги и предупреждения (например о возможной |
посадки на мель, выходе в |
||
запретный район, опасном уклонение от маршрута и.т.д.). |
Такая тревожная |
сигнализация |
|
основывается на программном анализе картографической информации из базы данных и
информации, поступающей от сопряженных навигационных датчиков. |
Таким образом, |
ECDIS – это имеено то, что надо морякам для автоматизации их деятельности – обеспечения |
|
безопасной навигации судов на любых даже очень стесненных |
акваториях. Это |
основное и главное средство морской навигации |
|
Вместе с тем, для того чтобы обозначаться как ECDIS электронная картографическая Система (ECS) должна удовлетворять определенным международным стандартам и правилам, среди которых наиболее важными и существенными являются требования IHO и IMO
Любая ECDIS не удовлетворяющая этим правилам с юридической точки зрения на может Рассматриваться как основное средство морской навигации, а только как вспомогательное Средство и в этом случае оно получает наименование: ECS.
Рассмотрим далее на чем основываются требования предъявляется международным морским сообществом к ECDIS. В первую очередь это стандарты IHO, резолюции IMO и стандарты IEC.
8
Стандарт на электронные карты Международной Гидрографической организации (специальная публикация S-57 – редакция 3).
В данной публикации излагается требования к распространению гидрографических данных Впервые опубликованный в 1996 году, данный стандарт детально описывает структуру и форматы данных, которые должны использовать гидрографические организации (агентства) при обмене электронными навигационными картами (Electronic Navigational Chart - ENC), которые официально выпущены ими на акватории, входящие в зону их ответственности. Обмен данными включает: обмен между самими гидрографическими организациями, между Гидрографическими организациями и коммерческими организациями – разработчиками ECDIS, а также всеми другими пользователями. Иными словами – это стандарт на электронную карту, которая может быть использована в одобренной к применению ECDIS.
Здесь необходимо особо отметить что ENC, созданная национальной гидрографической организацией, не может быть напрямую использована в ECDIS. Файлы электронной навигационной карты должны пройти процесс компиляции и включения в определенную базу дан-
Ных, известную под англоязычной аббревиатурой: SENC(System Electronic Navigational Chart)
База данных SENC может быть сгенерирована из отдельных ENC как на берегу с использованием специального программного обеспечения, так и в море с использованием средств самой ECDIS. Предпочтительно, чтобы процесс генерации SENC проходил на берегу С использованием специализированных программных средств и квалифицированного персонала. Опыт показывает, что разные гидрографические организации своеобразно пониМают требования стандарта S-57/3. Это сказывается на качестве поставляемых ими электронных навигационных карт, что может привести к нарушению надежной работы ECDIS.
Второй стандарт на электронные навигационные карты выпущен Международной Гидрографической организацией в виде специальной публикации S-52 (IHO special Publication S-52). В этом документе детально регламентируются требования в изданию карт, Корректуре и обновлению карт, а также процессу отображения и символам, изображаемым на карте (внешний вид условных символов, их цвета, варианты представления и.т.д.)
Кроме требований Международной Гидрографической Организации имеются еще и Требования Международной Морской организации, содержащиеся в резолюции А/817 IMO. (IMO resolution A/817, IMO Performance Standards for ECDIS).
Данная резолюция содержит минимальные требования , относящиеся к функционированию ECDIS, касающиеся как электронных компонентов, так и программного обеспечения. Здесь же регламентируются требования к корректуры электронных карт, а также интерфейсу пользователя, взаимодействию с навигационными датчиками, радиолокационной станцией И другим судовым оборудованием.
Требования к испытаниям электронных картографических систем, претендующих на
Звание ECDIS, излагаются |
в стандарте 61174 |
Международной Электротехнической |
|
Комиссии (IEC International standard 61174). |
Этот |
документ регламентирует требования к |
|
испытаниям электронных |
компонентов и |
программного обеспечения, которых должны |
|
придерживаться официальные организации, уполномоченные для проведения подобных тестов BSH (Германия), DNV ( Норвегия ).
В настоящее время ( май 2001 года) в мире существует весьма ограниченное число Электронных картографических систем, получивших статус ECDIS. Это системы, выпуска-
емые следующие фирмами: STN Atlas (Германия), Transas (Россия), Kelvin Hughes,Litton Marine, Navintra( Италия) и др.
9
Часть 2. Общие требования к ECDIS.
Для того чтобы ECDIS была признана основным средством навигации и официальным Эквивалентом бумажной карты должны быть выполнены следующие условия:
-ECDIS должна быть одобрена официальным международно уполнимоченным органом,
-Система должна быть дополнена аналогичной по функциональным характеристикам Резервной системой, которая должна мгновенно включится и обеспечить навигацию в Случае выхода из строя основной системы,
-система должна отображать официальную электронную навигационную карту (ENC) издаваемую национальной Гидрографической организацией,
-электронная навигационная карта должна быть современной (обеспеченной своевременной корректурой).
Когда система удовлетворяет всем изложенным требованиям, она считается эквивалентом Навигационной карты требуемой Конвенции SOLAS, имея ввиду , что бумажные карты в этом случае могут не находится на борту.
Как только одно из требований не выполняется, официальное требование конвенции нарушается. Когда одобренная ECDIS отображает не официальную электронную карту, она перестает быть эквивалентом бумажной карты и мореплаватель не должен полагаться на нее Как на единственный источник навигационной информации. В этом случае откорректированные бумажные карты должны находится на борту.
В заключение можно утверждать, что официальная одобренная ECS – ECDIS является Сложным и дорогим оборудованием, как с точки зрения создания, так и поставки (продажи). Многочисленные правила и регламентации, связанные с ECDIS во многом ограничивают разработчиков электронных картографических систем с точки зрения того, какая информация должна отображаться и каким образом. Электронная картографическая система не связана с такими строгими регламентациями, ввиду того, что она является просто вспомогаТельным средством для навигации. Это дает возможность разработчикам значительную свободу в отношение того, какую информацию отображать для пользователя.
Например, носимая лоцманская электронная карта, реализованная на портативной ПЭВМ Может быть охарактеризована как ECS но никак ни ECDIS. Выполнить все требования, регламентированные для ECDIS на ППЭВМ очевидно невозможно. Например, требования по Качеству отображению электронной карты в части качества монитора и цветовой палитры настолько строги, что только один поставщик цветных мониторов в мире способен им соответствовать. Стоимость такого монитора может превосходить цену самой ECS.
Часть 3. Морские электронные карты
3.1. Электронные карты .
Среди современных средств навигации и судовождения особое место занимают электронные карты и навигационные электронно-картографические системы. Достоверность и полнота картографических данных являются критическими параметрами для безопасности судовождения и именно в данном аспекте проявляются преимущества электронных карт над традиционными бумажными изданиями.
Основная цель электронных карт и навигационных систем, построенных на их основе, - упрощение повседневного труда штурмана и повышение безопасности мореплавания.
3.2. Развитие электронной картографии
Первые электронные карты появились на рубеже 80-х годов и представляли собой сканированные копии бумажных источников. Подобные карты принято называть растровыми
10