发明杯-刘晓峰-航海学院

1、第十一届全国高职高专“发明杯”大学生创新创业大赛作品项目类别：发明制作类项目名称： 多功能航海平行尺的设计项目成员：渠黎明、赵满意项目指导教师：刘晓峰、赵默洋江苏海事职业技术学院二O一六年七月目录摘 要1.1 项目研究背景与现状 2.1.1 项目背景 2.1.2 项目研究现状 3.1.3 研究的意义 4.1.4 项目研究内容 5.2 传统航海平行尺的结构、功能和局限性 5.3 改进后的航海平行尺 8.31 改进的主要思路 8.32 对平行尺中方位线部分的改造 8.4 成果总结与展望 1.1.4.1 成果总结 1.1.4.2 成果展望 1.1.附录 1：已获授权专利申报（ 2项） 1.3航海平行

2、尺是船员在航海实践中的重要工具， 船员在进行航线设 计、海图作业以及海图改正等作业时，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图工具。 传统平行尺在角度度量时容 易产生较大随机误差，且仅仅具有绘画平行线、量取角度的基本功能, 较为单一。在分析了角度度量误差源的基础上，提出了解决方案，并 在此基础上，拓展了平行尺的功能，使其成为多功能的作图工具，更 加符合航海作业需求。关键词：平行尺、方位度量精度、多功能1 项目研究背景与现状1.1 项目背景船舶海洋运输行业是人类社会经济活动的重要桥梁和纽带，国际 海事组织在 2013 年的一份统计资料表明，全球国际贸易总运量中的 2/3 以上的

3、运输方式选择的是海运。作为全球第二大经济体，中国的 进出口货运总量中，这一占比更大，大约在 90%左右。可以说，海洋 运输对世界的改变是巨大的。海洋船舶运输业也是一项具有悠久历史的行业，随着科技的不断 进步，越来越多的高科技电子设备不断运用到航海中去， 替代了传统 落后的技术。 但一些传统的航海工具却并未退出舞台， 仍然在航海生 产实践中发挥着重要的作用。 本项目研究的航海平行尺就是这其中的 一种工具。航海平行尺又名海图平行尺， 在进行海图作业时， 用于绘画方位 线或航向线、量取方位线度数或航向线度数。 船舶在生产运营开始前， 船舶二副需要在海图上拟定计划航线， 航线拟定完成后要利用航海平 行

4、尺度量航线的方向， 并在海图航线上标注具体的度量数值供驾驶员 航行中随时查阅采用。 在沿岸航行过程中， 驾驶员需要观测陆标的方 位，并在海图上绘画方位线以确定船位，以此作为比对GPS船位的必 要手段。在岛礁区航行时，这种方位定位的手段由于其直观、简便、 迅速的特点， 甚至优先于卫星船位， 而期间在海图上绘画方位线时必 须使用到航海平行尺。 当然，在海图上海图上进行航迹推算等作业时，都需要使用到航海平行尺。在使用过程中， 平行尺在每次手动移动时， 会由于手部动作产生 微小的偏差，移动的次数越多，偏差积累起来，会对数据产生较大的 误差，从而导致航线方向以及定位数据产生误差， 进而导致航行的风 险增

5、加。同时，在海图作业时，还要使用到其他的工具，例如全圆仪 等作图工具以及分规等测量距离的工具， 种类繁多， 如果将这些工具 进行整合，并对平行尺的功能进行改善，减少移动时产生的误差，提 高作业效率和作业精度，将能提高航行的安全性。1.2 项目研究现状航海平行尺是船舶驾驶员在纸质海图上进行航线设计、船舶定位、 导航及避险方式选择等作业时必须使用到的重要作图工具， 作者在中 国知网中以“海图作业”“船舶定位”“船舶导航”为关键词进行全文 检索，分别共检索 443 篇、149 篇和 495 篇，以“平行尺”为关键词 进行全文检索，共计检索出论文 244 篇，其中 2010年以后的共计 56 篇；但以

6、“航海平行尺”为关键词检索，未检索出任何文献资料。在 对检索的论文进行归纳分析中， 我们看到， 虽然船舶发生海事事故的 原因往往很复杂， 但其中占主导因素的是人为的误判断和误操作， 而 这其中，包含了在定位、导航、避险作业中，由于平行尺等作图工具 使用不当导致航线或者船位发生偏差的因素。根据函数三角关系，我们可以计算出，在不考虑其他误差的情况 下，仅仅由于航向线绘画中 1°的角度误差，在船舶航行 100 海里（即185.2 公里）的情况下，真实船位会与海图上求取的船位之间产生 1.75 海里（即 3.23 公里）的误差。当船舶在沿海浅水区域航行时， 这一误差将会使船舶搁浅、 触礁风险

7、增加， 其中能见度不良情况下风 险更高。而一旦这类事故发生后，事故调查分析研究时，由于海事事 故的复杂性， 往往将其归咎于人为操作不当、 船员业务能力欠缺等原 因。平行尺等传统航海作图工具在使用中的误差却并未引起航海者的 重视。综合分析可知，航海者们关注到了船舶定位和船舶导航对航行安 全的重要意义， 并展开了一定的研究， 由于航海定位与导航属于传统 科学，平行尺等作图工具历史悠久且未发生过较大改变， 普遍对其使 用中存在的问题未进行深入研究。因此，本着提高平行尺的性能、更 加方便航海者的使用并适当拓展其功能， 研制一种更加合理的航海平 行尺对航海安全有着重要意义。1.3 研究的意义在信息化越来

8、越高的电子信息航海时代( E-navigation )，我们 研究航海平行尺这种传统作图工具仍然具有重大意义。1、虽然电子化设备大有取代传统航海技术之势，但利用平行尺 等作图工具在纸质海图上进行航线拟定、定位、导航、避险作业作为 传统航海文化的传承， 在今后一段时间中， 仍然是航海者所必须掌握 的一项基本技能。在国际海事组织(IMO针对船员培训、发证、值 班方面的STCV国际公约，以及国家海事局中华人民共和国海船船 员适任考试、评估和发证规则 ，都对这一技能作出了明确的要求。2、一种优化功能的航海平行尺，可以缩小在纸质海图上进行航 线设计、船舶定位、导航、避险作业时产生的随机误差，有利于船舶

9、航信安全。 同时如果增加一些特殊功能的话， 可以减轻航海者的工作量，使作业变得更加轻松快捷。3、研究平行尺的优化所需的理论基础并不复杂， 作为在校学生， 在系统学习了船舶定位与导航课程后进行研究， 可以强化他们对知识 的理解，同时培养他们的创新意识、安全意识、实践动手能力和分析 问题解决问题的能力， 这些无疑是对他们今后从事的职业是不无裨益 的。1.4 项目研究内容“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 础上，增强其原来方位量取的功能， 减少量取方位时移动平行尺的次 数，借以减少其中产生的人为随机误差。 同时增加常见海图作业时的 一些特殊图形的模板，例如常见的不同尺寸大小的圆形

10、、菱形，画电 缆、石油运输管线等特定形状，所有形状标准依据中国航海图编绘 规范（GB12320-1998和中国海图图式（GB12319-1998两个国 家标准，拓展其功能，提高海图作业时的工作效率，提升工具的应用 价值，使其更加具备推广性。2 传统航海平行尺的结构、功能和局限性传统航海平行尺主要有600MM平行尺和450MM平行尺两种，尺身 均由2把宽度相同的，长度为600MM或 450MM直尺组成，两直尺合并 时宽度为70MM或者75MM厚度为5.5MM（图1）。在使用过程中，两 只手各持一把尺的柄、交替平行移动。在使用的过程中，要一只手压住静尺，另一只手推动动尺，两尺交替平行移动，整个过程

11、要防止静尺移位，避免所平移直线的度数发生变化。由于在海图上进行方位量取或者绘画方向线时，都是在海图上的罗经花 上量取的，例如在读 取图中某线的方位时，我们需要先用平行尺边沿与该线条对齐， 然后 将平行尺移动到罗经花上量取(图 2)，用平行尺画方位线的方法与 之恰好相反。由于不同位置的线离罗经花距离不同， 有时需要平行尺 多次交替平移才能移到罗经花上， 在这过程中，很容易由于手在移动 静尺过程中导致静尺发生偏移而产生随机误差，移动的次数越多，这一误差就越大。根据两方位陆标定位基本理论，我们可以对这一误差作出定量分析。船位随机误差圆半径的表达公式为：M(nmile)BDi D257?3 sin式中

12、B为方位线的误差数值，以°为单位，B是两方位线的夹 角，90°为最佳值，D1和D2分别为两物标与船位的距离，越小越好， 所求得的M以海里为单位，是随机误差船位误差圆的半径。考虑航海实践中的安全问题，我们要求任何情况下，距离危险物 标不能小于1海里，故本1处我们按照极限，取两物标的距离D仁D2=1罗经花是海图上绘制的供驾驶员度量角度的圆形图形，圆上标出了 360角度，海图上的方位度量均利用平行尺在罗经花上进行度量。海里，方位线角度误差值取1°,带入公式计算得到，M=0.03海里' 当夹角取60°,距离取2海里时，M=0.06海里；如物标的距离达到

13、5海里，这一误差将达到0.14海里。上述数据看似误差不大，但考虑到我们取的都是1°的方位误差, 如方位误差增加，误差将按照同等倍数增加。并且，该项误差并非单 独存在，在定位过程中还有其他随机误差和系统误差。综合考虑，这 些因素都会对船位差生较大影响， 进而影响航行安全，我们需要将各 种误差都作出适当评估，并缩小或者消除这些误差带来的影响。图2 传统航海平行尺在海图上度量方位示意图除了利用平行尺平移度量方向外，传统航海平行尺还在尺侧一段 画出以垂直尺身的90°线为基准的左右各80°范围的方位线，配合 海图上度量位置附近的经线来进行角度的度量， 只要稍微移动平行尺,

14、使度量的线与这些刻度线中某条线相重合， 根据重合的角度数值判断 度量的角度。这种方法虽然克服了上述平行尺在移动过程中产生的角 度随机误差，但由于尺身较窄，这些线条不够长，不容易判断是否重 合，其中产生的误差甚至大于平行移动产生的误差。3改进后的航海平行尺3. 1改进的主要思路上述分析中，我们发现了平行尺度量角度误差的主要误差源为移动尺身过程中产生的偏移，很显然，只要能够减少平行尺的移动次数， 就能在很大程度上缩小甚至近乎消除这种误差。 传统航海平行尺尺侧 的方位线给了我们以思路，这种利用尺身自带的方位线来度量的方法， 可以最大程度上减少移动的次数从而减少移动产生的误差，其线条过短，不宜对齐的缺

15、陷可以通过扩大尺身的宽度， 增加线条的长度来实 现，同时，尺身增加的部分，还可以镂空制作一些航海常用的形状和 符号的模板，便于驾驶员在进行海图作业及海图改正时使用。3. 2对平行尺中方位线部分的改造增加平行尺绘有方位线的那部分尺身的宽度，从原来的35MM增加到65MM并将原来的方位线进行延长，使其中16个整十刻度横向 投影长度达到48MM其他刻度的横向投影长度达到37MM经过改造， 性能得到了明显提高。在误差分析理论中，对于随机误差的度量，航海上主要依据白 塞尔（Bessel）观测标准差计算公式，在未知真实值的情况下，观测 值的标准差m为：m= ±E?- 1其中V为最概率值与真实值之

16、间的差值，n为有效采样的次数。为了验证思路的合理性，我们制作了样尺（图3），并由同一个人，对同张海图上的同个方位线分别进行了8次测量，其中，利用传统航海平行尺得出的标准差为士 0.87。，利用改进后的平行尺得出的 标准差为士 0.34 °。由此可见，依次方法改进的平行尺度量精度得到 了很大的提高，高于传统航海平行尺。具体观测原始数据及标准差结 果见表1和表2。，- ： . W ：.；.： -£ ; / : ''. y：.- .".-.JU护他冲 to 铀 2 神虫雅30MOOOOo OOOOo、心21 % iA t£ rr la- IS

17、U t3 U £.1 B9 IBl l< 7 t 5432£0 L 234& fl 7£ A11 12 13 M 15 34 1? IB IQ 20 211 iuki. Jaili it isILJ<ViL 1111.11图3 多功能航海平行尺表1利用改进后的平行尺测量的数据标准差测量值V iV测量值V iV100.80,390.1521100.4-0.010.0001100.90.290.0841100.50.090.008199.9-0.610.3721100.0-0.410.1681100.50.090.0081L=100.430.828

18、8100.6-0.410.0361m=0.34°表2 利用改进前的平行尺测量的数据标准差测量值V iV测量值V iV101.51.091.1881101.40.990.9801101.20.790.624199.5-0.910.8281100.50.090.0081100-0.410.168199.6-0.810.6561L=100.415.280899.5-0.910.8281m=0.87°33 在平行尺中增加新功能由于为了满足上述度量方位需要，我们增加了平行尺的宽度，将上半部尺的宽度从35MM曽加到了 65MM如果下半部尺的尺寸仍然维 持原来的35M不变，则在实际运用中

19、，一侧重一侧轻，平移时也会产 生移动导致误差。在设计时，我们也考虑将这部分作拓宽，由原来的 35MM增至55MM这样增加后，就不会产生上述移动了。由于驾驶员在海图作业及海图改正作业时，经常会用到一些常用 的菱形、圆、波状曲线和点线，用于在海图上绘制转向点符号、引航 站符号、无线电标志符号、海底电缆、石油管线等常见标志的标注。 这些符号的绘制中， 各种圆形一般都是利用圆规绘制， 但圆规在使用 时会在海图上留下针孔，损坏海图。各种菱形、波状曲线、点线，一 般利用直尺绘制，但画出来不美观，还可能污染海图。考虑到下半部尺拓展出来的这部分空间没有任何东西，我们在 尺上镂空刻出不同的图形模板，以满足一般作

20、图需要，其中，包括半 径1MM到7MM的七个圆形模板，五个不同尺寸的菱形模板，一条用于 绘制海底电缆的波状曲线模板和一条用于绘制海底石油管线点线结 合的线条模板。 这样即有效利用了拓宽的那部分空间， 也拓展了平行 尺的功能，提改了工具的利用率。4 成果总结与展望4.1 成果总结作为当代大学生，社会期盼我们每位毕业生都具备有创新精神， 所谓创新精神是指要具有能够综合运用已有的知识、 信息、技能和方 法 , 提出新方法、新观点的思维能力和进行发明创造、改革、革新的 意志、信心、勇气和智慧。作为航海技术专业专科学生，在经过海上 实践、经过专业课程的学习和钻研， 结合自己在实习和课堂中的所思、 所误，

21、再加上指导老师的点拨，我们从不起眼的小东西入手，依靠自 己的理论知识、在实践中发现问题，分析问题，坚持不懈从而找到解 决方案，并动手把它制作出来，成果虽然很小，但是我们走出了创新 的第一步，就此开始我们今后不断追求创新的道路。本作品是我们在上课和实习中，使用传统平行尺时，发现经常会 由于操作中的不稳，导致数据精度不高，在进行分析研究后，我们将 上半部尺拓宽， 增加方位线的长度， 使原有的方位线直接度量海图角 度的功能得以增强， 并通过实验对比表明确实提高了性能。 同时为了 方便海图上的其他作业， 在下半部尺的拓展出来的部分制成绘图模板， 拓展了平行尺的功能，使其更加满足航海者的需要。4.2 成果展望本项目的研究实现了航海平行尺性能的提高， 减少了由于平行尺 量取方