發(fā)明杯-劉曉峰-航海學(xué)院

1、第十一屆全國高職高專“發(fā)明杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作品項 目 類 別： 發(fā)明制作類 項 目 名 稱： 多功能航海平行尺的設(shè)計 項 目 成 員： 渠黎明、趙滿意 項目指導(dǎo)教師： 劉曉峰、趙默洋 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院二O一六年七月目錄摘 要11 項目研究背景與現(xiàn)狀21.1項目背景21.2項目研究現(xiàn)狀31.3研究的意義41.4項目研究內(nèi)容52傳統(tǒng)航海平行尺的結(jié)構(gòu)、功能和局限性53 改進(jìn)后的航海平行尺831改進(jìn)的主要思路832對平行尺中方位線部分的改造84成果總結(jié)與展望114.1成果總結(jié)114.2成果展望11附錄1：已獲授權(quán)專利申報（2項）1313摘 要航海平行尺是船員在航海實踐中的重要工具，船員在進(jìn)行

2、航線設(shè)計、海圖作業(yè)以及海圖改正等作業(yè)時，都要使用到航海平行尺，是一件古老但又必不可缺的的航海作圖工具。傳統(tǒng)平行尺在角度度量時容易產(chǎn)生較大隨機(jī)誤差，且僅僅具有繪畫平行線、量取角度的基本功能，較為單一。在分析了角度度量誤差源的基礎(chǔ)上，提出了解決方案，并在此基礎(chǔ)上，拓展了平行尺的功能，使其成為多功能的作圖工具，更加符合航海作業(yè)需求。關(guān)鍵詞： 平行尺、方位度量精度、多功能1 項目研究背景與現(xiàn)狀1.1項目背景船舶海洋運(yùn)輸行業(yè)是人類社會經(jīng)濟(jì)活動的重要橋梁和紐帶，國際海事組織在2013年的一份統(tǒng)計資料表明，全球國際貿(mào)易總運(yùn)量中的2/3以上的運(yùn)輸方式選擇的是海運(yùn)。作為全球第二大經(jīng)濟(jì)體，中國的進(jìn)出口貨運(yùn)總量中，

3、這一占比更大，大約在90%左右?？梢哉f，海洋運(yùn)輸對世界的改變是巨大的。海洋船舶運(yùn)輸業(yè)也是一項具有悠久歷史的行業(yè)，隨著科技的不斷進(jìn)步，越來越多的高科技電子設(shè)備不斷運(yùn)用到航海中去，替代了傳統(tǒng)落后的技術(shù)。但一些傳統(tǒng)的航海工具卻并未退出舞臺，仍然在航海生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著重要的作用。本項目研究的航海平行尺就是這其中的一種工具。航海平行尺又名海圖平行尺，在進(jìn)行海圖作業(yè)時，用于繪畫方位線或航向線、量取方位線度數(shù)或航向線度數(shù)。船舶在生產(chǎn)運(yùn)營開始前，船舶二副需要在海圖上擬定計劃航線，航線擬定完成后要利用航海平行尺度量航線的方向，并在海圖航線上標(biāo)注具體的度量數(shù)值供駕駛員航行中隨時查閱采用。在沿岸航行過程中，駕駛員需

4、要觀測陸標(biāo)的方位，并在海圖上繪畫方位線以確定船位，以此作為比對GPS船位的必要手段。在島礁區(qū)航行時，這種方位定位的手段由于其直觀、簡便、迅速的特點(diǎn)，甚至優(yōu)先于衛(wèi)星船位，而期間在海圖上繪畫方位線時必須使用到航海平行尺。當(dāng)然，在海圖上海圖上進(jìn)行航跡推算等作業(yè)時，都需要使用到航海平行尺。在使用過程中，平行尺在每次手動移動時，會由于手部動作產(chǎn)生微小的偏差，移動的次數(shù)越多，偏差積累起來，會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的誤差，從而導(dǎo)致航線方向以及定位數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，進(jìn)而導(dǎo)致航行的風(fēng)險增加。同時，在海圖作業(yè)時，還要使用到其他的工具，例如全圓儀等作圖工具以及分規(guī)等測量距離的工具，種類繁多，如果將這些工具進(jìn)行整合，并對平行尺的

5、功能進(jìn)行改善，減少移動時產(chǎn)生的誤差，提高作業(yè)效率和作業(yè)精度，將能提高航行的安全性。1.2項目研究現(xiàn)狀航海平行尺是船舶駕駛員在紙質(zhì)海圖上進(jìn)行航線設(shè)計、船舶定位、導(dǎo)航及避險方式選擇等作業(yè)時必須使用到的重要作圖工具，作者在中國知網(wǎng)中以“海圖作業(yè)”“船舶定位”“船舶導(dǎo)航”為關(guān)鍵詞進(jìn)行全文檢索，分別共檢索443篇、149篇和495篇，以“平行尺”為關(guān)鍵詞進(jìn)行全文檢索，共計檢索出論文244篇，其中2010年以后的共計56篇；但以“航海平行尺”為關(guān)鍵詞檢索，未檢索出任何文獻(xiàn)資料。在對檢索的論文進(jìn)行歸納分析中，我們看到，雖然船舶發(fā)生海事事故的原因往往很復(fù)雜，但其中占主導(dǎo)因素的是人為的誤判斷和誤操作，而這其中，

6、包含了在定位、導(dǎo)航、避險作業(yè)中，由于平行尺等作圖工具使用不當(dāng)導(dǎo)致航線或者船位發(fā)生偏差的因素。根據(jù)函數(shù)三角關(guān)系，我們可以計算出，在不考慮其他誤差的情況下，僅僅由于航向線繪畫中1°的角度誤差，在船舶航行100海里（即185.2公里）的情況下，真實船位會與海圖上求取的船位之間產(chǎn)生1.75海里（即3.23公里）的誤差。當(dāng)船舶在沿海淺水區(qū)域航行時，這一誤差將會使船舶擱淺、觸礁風(fēng)險增加，其中能見度不良情況下風(fēng)險更高。而一旦這類事故發(fā)生后，事故調(diào)查分析研究時，由于海事事故的復(fù)雜性，往往將其歸咎于人為操作不當(dāng)、船員業(yè)務(wù)能力欠缺等原因。平行尺等傳統(tǒng)航海作圖工具在使用中的誤差卻并未引起航海者的重視。綜合

7、分析可知，航海者們關(guān)注到了船舶定位和船舶導(dǎo)航對航行安全的重要意義，并展開了一定的研究，由于航海定位與導(dǎo)航屬于傳統(tǒng)科學(xué)，平行尺等作圖工具歷史悠久且未發(fā)生過較大改變，普遍對其使用中存在的問題未進(jìn)行深入研究。因此，本著提高平行尺的性能、更加方便航海者的使用并適當(dāng)拓展其功能，研制一種更加合理的航海平行尺對航海安全有著重要意義。1.3研究的意義 在信息化越來越高的電子信息航海時代（E-navigation），我們研究航海平行尺這種傳統(tǒng)作圖工具仍然具有重大意義。1、雖然電子化設(shè)備大有取代傳統(tǒng)航海技術(shù)之勢，但利用平行尺等作圖工具在紙質(zhì)海圖上進(jìn)行航線擬定、定位、導(dǎo)航、避險作業(yè)作為傳統(tǒng)航海文化的傳承，在今后一段

8、時間中，仍然是航海者所必須掌握的一項基本技能。在國際海事組織（IMO）針對船員培訓(xùn)、發(fā)證、值班方面的STCW國際公約，以及國家海事局中華人民共和國海船船員適任考試、評估和發(fā)證規(guī)則，都對這一技能作出了明確的要求。2、一種優(yōu)化功能的航海平行尺，可以縮小在紙質(zhì)海圖上進(jìn)行航線設(shè)計、船舶定位、導(dǎo)航、避險作業(yè)時產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，有利于船舶航信安全。同時如果增加一些特殊功能的話，可以減輕航海者的工作量，使作業(yè)變得更加輕松快捷。3、研究平行尺的優(yōu)化所需的理論基礎(chǔ)并不復(fù)雜，作為在校學(xué)生，在系統(tǒng)學(xué)習(xí)了船舶定位與導(dǎo)航課程后進(jìn)行研究，可以強(qiáng)化他們對知識的理解，同時培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識、安全意識、實踐動手能力和分析問題解決

9、問題的能力，這些無疑是對他們今后從事的職業(yè)是不無裨益的。1.4項目研究內(nèi)容 “多功能航海平行尺”的研究主要是在原有的航海平行尺的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)其原來方位量取的功能，減少量取方位時移動平行尺的次數(shù)，借以減少其中產(chǎn)生的人為隨機(jī)誤差。同時增加常見海圖作業(yè)時的一些特殊圖形的模板，例如常見的不同尺寸大小的圓形、菱形，畫電纜、石油運(yùn)輸管線等特定形狀，所有形狀標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中國航海圖編繪規(guī)范（GB12320-1998）和中國海圖圖式（GB12319-1998）兩個國家標(biāo)準(zhǔn)，拓展其功能，提高海圖作業(yè)時的工作效率，提升工具的應(yīng)用價值，使其更加具備推廣性。2傳統(tǒng)航海平行尺的結(jié)構(gòu)、功能和局限性傳統(tǒng)航海平行尺主要有600MM

10、平行尺和450MM平行尺兩種，尺身均由2把寬度相同的，長度為600MM或450MM直尺組成，兩直尺合并時寬度為70MM或者75MM，厚度為5.5MM（圖1）。在使用過程中，兩只手各持一把尺的柄、交替平行移動。在使用的過程中，要一只手壓住靜尺，另一只手推動動尺，兩尺交替平行移動，整個過程要防止靜尺移位，避免所平移直線的度數(shù)發(fā)生變化。由于在海圖上進(jìn)行方位量圖1 傳統(tǒng)航海平行尺示意圖取或者繪畫方向線時，都是在海圖上的羅經(jīng)花上量取的，例如在讀取圖中某線的方位時，我們需要先用平行尺邊沿與該線條對齊，然后將平行尺移動到羅經(jīng)花上量取（圖2），用平行尺畫方位線的方法與之恰好相反。由于不同位置的線離羅經(jīng)花距離不

11、同，有時需要平行尺多次交替平移才能移到羅經(jīng)花上，在這過程中，很容易由于手在移動靜尺過程中導(dǎo)致靜尺發(fā)生偏移而產(chǎn)生隨機(jī)誤差，移動的次數(shù)越多，這一誤差就越大。根據(jù)兩方位陸標(biāo)定位基本理論，我們可以對這一誤差作出定量分析。船位隨機(jī)誤差圓半徑的表達(dá)公式為：式中 為方位線的誤差數(shù)值，以°為單位，是兩方位線的夾角，90°為最佳值，D1和D2分別為兩物標(biāo)與船位的距離，越小越好，所求得的M以海里為單位，是隨機(jī)誤差船位誤差圓的半徑?？紤]航海實踐中的安全問題，我們要求任何情況下，距離危險物標(biāo)不能小于1海里，故本 羅經(jīng)花是海圖上繪制的供駕駛員度量角度的圓形圖形，圓上標(biāo)出了360角度，海圖上的方位度量

12、均利用平行尺在羅經(jīng)花上進(jìn)行度量。處我們按照極限，取兩物標(biāo)的距離D1=D2=1海里，方位線角度誤差值取1°，帶入公式計算得到，M=0.03海里。當(dāng)夾角取60°，距離取2海里時，M=0.06海里；如物標(biāo)的距離達(dá)到5海里，這一誤差將達(dá)到0.14海里。上述數(shù)據(jù)看似誤差不大，但考慮到我們?nèi)〉亩际?°的方位誤差，如方位誤差增加，誤差將按照同等倍數(shù)增加。并且，該項誤差并非單獨(dú)存在，在定位過程中還有其他隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。綜合考慮，這些因素都會對船位差生較大影響，進(jìn)而影響航行安全，我們需要將各種誤差都作出適當(dāng)評估，并縮小或者消除這些誤差帶來的影響。圖2 傳統(tǒng)航海平行尺在海圖上度量

13、方位示意圖除了利用平行尺平移度量方向外，傳統(tǒng)航海平行尺還在尺側(cè)一段畫出以垂直尺身的90°線為基準(zhǔn)的左右各80°范圍的方位線，配合海圖上度量位置附近的經(jīng)線來進(jìn)行角度的度量，只要稍微移動平行尺，使度量的線與這些刻度線中某條線相重合，根據(jù)重合的角度數(shù)值判斷度量的角度。這種方法雖然克服了上述平行尺在移動過程中產(chǎn)生的角度隨機(jī)誤差，但由于尺身較窄，這些線條不夠長，不容易判斷是否重合，其中產(chǎn)生的誤差甚至大于平行移動產(chǎn)生的誤差。3 改進(jìn)后的航海平行尺31改進(jìn)的主要思路上述分析中，我們發(fā)現(xiàn)了平行尺度量角度誤差的主要誤差源為移動尺身過程中產(chǎn)生的偏移，很顯然，只要能夠減少平行尺的移動次數(shù)，就能在

14、很大程度上縮小甚至近乎消除這種誤差。傳統(tǒng)航海平行尺尺側(cè)的方位線給了我們以思路，這種利用尺身自帶的方位線來度量的方法，可以最大程度上減少移動的次數(shù)從而減少移動產(chǎn)生的誤差，其線條過短，不宜對齊的缺陷可以通過擴(kuò)大尺身的寬度，增加線條的長度來實現(xiàn)，同時，尺身增加的部分，還可以鏤空制作一些航海常用的形狀和符號的模板，便于駕駛員在進(jìn)行海圖作業(yè)及海圖改正時使用。32對平行尺中方位線部分的改造增加平行尺繪有方位線的那部分尺身的寬度，從原來的35MM增加到65MM，并將原來的方位線進(jìn)行延長，使其中16個整十刻度橫向投影長度達(dá)到48MM，其他刻度的橫向投影長度達(dá)到37MM，經(jīng)過改造，性能得到了明顯提高。 在誤差分

15、析理論中，對于隨機(jī)誤差的度量，航海上主要依據(jù)白塞爾（Bessel）觀測標(biāo)準(zhǔn)差計算公式，在未知真實值的情況下，觀測值的標(biāo)準(zhǔn)差m為 ：m=±n-1其中為最概率值與真實值之間的差值，n為有效采樣的次數(shù)。為了驗證思路的合理性，我們制作了樣尺（圖3），并由同一個人，對同張海圖上的同個方位線分別進(jìn)行了8次測量，其中，利用傳統(tǒng)航海平行尺得出的標(biāo)準(zhǔn)差為±0.87°，利用改進(jìn)后的平行尺得出的標(biāo)準(zhǔn)差為±0.34°。由此可見，依次方法改進(jìn)的平行尺度量精度得到了很大的提高，高于傳統(tǒng)航海平行尺。具體觀測原始數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果見表1和表2。圖3 多功能航海平行尺表1 利用改

16、進(jìn)后的平行尺測量的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差測量值i測量值i100.80,390.1521100.4-0.010.0001100.90.290.0841100.50.090.008199.9-0.610.3721100.0-0.410.1681100.50.090.0081L=100.430.8288100.6-0.410.0361m=0.34°測量值i測量值i101.51.091.1881101.40.990.9801101.20.790.624199.5-0.910.8281100.50.090.0081100-0.410.168199.6-0.810.6561L=100.415.280899.

17、5-0.910.8281m=0.87°表2 利用改進(jìn)前的平行尺測量的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差 33在平行尺中增加新功能由于為了滿足上述度量方位需要，我們增加了平行尺的寬度，將上半部尺的寬度從35MM增加到了65MM，如果下半部尺的尺寸仍然維持原來的35M不變，則在實際運(yùn)用中，一側(cè)重一側(cè)輕，平移時也會產(chǎn)生移動導(dǎo)致誤差。在設(shè)計時，我們也考慮將這部分作拓寬，由原來的35MM增至55MM。這樣增加后，就不會產(chǎn)生上述移動了。由于駕駛員在海圖作業(yè)及海圖改正作業(yè)時，經(jīng)常會用到一些常用的菱形、圓、波狀曲線和點(diǎn)線，用于在海圖上繪制轉(zhuǎn)向點(diǎn)符號、引航站符號、無線電標(biāo)志符號、海底電纜、石油管線等常見標(biāo)志的標(biāo)注。這些符號的

18、繪制中，各種圓形一般都是利用圓規(guī)繪制，但圓規(guī)在使用時會在海圖上留下針孔，損壞海圖。各種菱形、波狀曲線、點(diǎn)線，一般利用直尺繪制，但畫出來不美觀，還可能污染海圖。 考慮到下半部尺拓展出來的這部分空間沒有任何東西，我們在尺上鏤空刻出不同的圖形模板，以滿足一般作圖需要，其中，包括半徑1MM到7MM的七個圓形模板，五個不同尺寸的菱形模板，一條用于繪制海底電纜的波狀曲線模板和一條用于繪制海底石油管線點(diǎn)線結(jié)合的線條模板。這樣即有效利用了拓寬的那部分空間，也拓展了平行尺的功能，提改了工具的利用率。4成果總結(jié)與展望4.1成果總結(jié)作為當(dāng)代大學(xué)生，社會期盼我們每位畢業(yè)生都具備有創(chuàng)新精神，所謂創(chuàng)新精神是指要具有能夠綜合運(yùn)用已有的知識、信息、技能和方法,提出新方法、新觀點(diǎn)的思維能力和進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、改革、革新的意志、信心、勇氣和智慧。作為航海技術(shù)專業(yè)專科學(xué)生，在經(jīng)過海上實踐、經(jīng)過專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和鉆研，結(jié)合自己在實習(xí)和課堂中