發(fā)明杯-劉曉峰-航海學(xué)院

1、第十一屆全國(guó)高職高專“發(fā)明杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作品項(xiàng)目類別：發(fā)明制作類項(xiàng)目名稱： 多功能航海平行尺的設(shè)計(jì)項(xiàng)目成員：渠黎明、趙滿意項(xiàng)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1.1 項(xiàng)目研究背景與現(xiàn)狀 2.1.1 項(xiàng)目背景 2.1.2 項(xiàng)目研究現(xiàn)狀 3.1.3 研究的意義 4.1.4 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容 5.2 傳統(tǒng)航海平行尺的結(jié)構(gòu)、功能和局限性 5.3 改進(jìn)后的航海平行尺 8.31 改進(jìn)的主要思路 8.32 對(duì)平行尺中方位線部分的改造 8.4 成果總結(jié)與展望 1.1.4.1 成果總結(jié) 1.1.4.2 成果展望 1.1.附錄 1：已獲授權(quán)專利申報(bào)（ 2項(xiàng)） 1.3航海平行

2、尺是船員在航海實(shí)踐中的重要工具， 船員在進(jìn)行航線設(shè) 計(jì)、海圖作業(yè)以及海圖改正等作業(yè)時(shí)，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(shí)容 易產(chǎn)生較大隨機(jī)誤差，且僅僅具有繪畫(huà)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(xiàng)目研究背景與現(xiàn)狀1.1 項(xiàng)目背景船舶海洋運(yùn)輸行業(yè)是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要橋梁和紐帶，國(guó)際 海事組織在 2013 年的一份統(tǒng)計(jì)資料表明，全球國(guó)際貿(mào)易總運(yùn)量中的 2/3 以上的

3、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(guó)的 進(jìn)出口貨運(yùn)總量中，這一占比更大，大約在 90%左右?？梢哉f(shuō)，海洋 運(yùn)輸對(duì)世界的改變是巨大的。海洋船舶運(yùn)輸業(yè)也是一項(xiàng)具有悠久歷史的行業(yè)，隨著科技的不斷 進(jìn)步，越來(lái)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(tái)， 仍然在航海生 產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著重要的作用。 本項(xiàng)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(shí)， 用于繪畫(huà)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(yíng)開(kāi)始前， 船舶二副需要在海圖上擬定計(jì)劃航線， 航線擬定完成后要利用航海平 行

4、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(shí)查閱采用。 在沿岸航行過(guò)程中， 駕駛員需要觀測(cè)陸標(biāo)的方 位，并在海圖上繪畫(huà)方位線以確定船位，以此作為比對(duì)GPS船位的必 要手段。在島礁區(qū)航行時(shí)，這種方位定位的手段由于其直觀、簡(jiǎn)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(huà)方位線時(shí)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(shí)，都需要使用到航海平行尺。在使用過(guò)程中， 平行尺在每次手動(dòng)移動(dòng)時(shí)， 會(huì)由于手部動(dòng)作產(chǎn)生 微小的偏差，移動(dòng)的次數(shù)越多，偏差積累起來(lái)，會(huì)對(duì)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(xiǎn)增

5、加。同時(shí)，在海圖作業(yè)時(shí)，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(cè)量距離的工具， 種類繁多， 如果將這些工具 進(jìn)行整合，并對(duì)平行尺的功能進(jìn)行改善，減少移動(dòng)時(shí)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(xiàng)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(jì)、船舶定位、 導(dǎo)航及避險(xiǎn)方式選擇等作業(yè)時(shí)必須使用到的重要作圖工具， 作者在中 國(guó)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(jì)檢索出論文 244 篇，其中 2010年以后的共計(jì) 56 篇；但以

6、“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(duì)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，包含了在定位、導(dǎo)航、避險(xiǎn)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(jì)算出，在不考慮其他誤差的情況 下，僅僅由于航向線繪畫(huà)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(shí)船位會(huì)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(shí)， 這一誤差將會(huì)使船舶擱淺、 觸礁風(fēng)險(xiǎn)

7、增加， 其中能見(jiàn)度不良情況下風(fēng) 險(xiǎn)更高。而一旦這類事故發(fā)生后，事故調(diào)查分析研究時(shí)，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。綜合分析可知，航海者們關(guān)注到了船舶定位和船舶導(dǎo)航對(duì)航行安 全的重要意義， 并展開(kāi)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(guò)較大改變， 普遍對(duì)其使 用中存在的問(wèn)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(duì)航海安全有著重要意義。1.3 研究的意義在信息化越來(lái)

8、越高的電子信息航海時(shí)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(shì)，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(xiǎn)作業(yè)作為 傳統(tǒng)航海文化的傳承， 在今后一段時(shí)間中， 仍然是航海者所必須掌握 的一項(xiàng)基本技能。在國(guó)際海事組織(IMO針對(duì)船員培訓(xùn)、發(fā)證、值 班方面的STCV國(guó)際公約，以及國(guó)家海事局中華人民共和國(guó)海船船 員適任考試、評(píng)估和發(fā)證規(guī)則 ，都對(duì)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(jì)、船舶定位、導(dǎo)航、避險(xiǎn)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差，有利于船舶

9、航信安全。 同時(shí)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(duì)知識(shí) 的理解，同時(shí)培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)、安全意識(shí)、實(shí)踐動(dòng)手能力和分析 問(wèn)題解決問(wèn)題的能力， 這些無(wú)疑是對(duì)他們今后從事的職業(yè)是不無(wú)裨益 的。1.4 項(xiàng)目研究?jī)?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(lái)方位量取的功能， 減少量取方位時(shí)移動(dòng)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(shí)增加常見(jiàn)海圖作業(yè)時(shí)的 一些特殊圖形的模板，例如常見(jiàn)的不同尺寸大小的圓形

10、、菱形，畫(huà)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(guó)航海圖編繪 規(guī)范（GB12320-1998和中國(guó)海圖圖式（GB12319-1998兩個(gè)國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)，拓展其功能，提高海圖作業(yè)時(shí)的工作效率，提升工具的應(yīng)用 價(jià)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平行尺和450MM平行尺兩種，尺身 均由2把寬度相同的，長(zhǎng)度為600MM或 450MM直尺組成，兩直尺合并 時(shí)寬度為70MM或者75MM厚度為5.5MM（圖1）。在使用過(guò)程中，兩 只手各持一把尺的柄、交替平行移動(dòng)。在使用的過(guò)程中，要一只手壓住靜尺，另一只手推動(dòng)動(dòng)尺，兩尺交替平行移動(dòng)，整個(gè)過(guò)程

11、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)行方位量取或者繪畫(huà)方向線時(shí)，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(shí)，我們需要先用平行尺邊沿與該線條對(duì)齊， 然后 將平行尺移動(dòng)到羅經(jīng)花上量取(圖 2)，用平行尺畫(huà)方位線的方法與 之恰好相反。由于不同位置的線離羅經(jīng)花距離不同， 有時(shí)需要平行尺 多次交替平移才能移到羅經(jīng)花上， 在這過(guò)程中，很容易由于手在移動(dòng) 靜尺過(guò)程中導(dǎo)致靜尺發(fā)生偏移而產(chǎn)生隨機(jī)誤差，移動(dòng)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(duì)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：M(nmile)BDi D257?3 sin式中

12、B為方位線的誤差數(shù)值，以°為單位，B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(shí)踐中的安全問(wèn)題，我們要求任何情況下，距離危險(xiǎn)物 標(biāo)不能小于1海里，故本1處我們按照極限，取兩物標(biāo)的距離D仁D2=1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，海圖上的方位度量均利用平行尺在羅經(jīng)花上進(jìn)行度量。海里，方位線角度誤差值取1°,帶入公式計(jì)算得到，M=0.03海里' 當(dāng)夾角取60°,距離取2海里時(shí)，M=0.06海里；如物標(biāo)的距離達(dá)到

13、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(xiàng)誤差并非單 獨(dú)存在，在定位過(guò)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(huì)對(duì)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(píng)估，并縮小或者消除這些誤差帶來(lái)的影響。圖2 傳統(tǒng)航海平行尺在海圖上度量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(huà)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(lái)進(jìn)行角度的度量， 只要稍微移動(dòng)平行尺,

14、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(dòng)過(guò)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(zhǎng)，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(dòng)產(chǎn)生的誤差。3改進(jìn)后的航海平行尺3. 1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(dòng)尺身過(guò)程中產(chǎn)生的偏移，很顯然，只要能夠減少平行尺的移動(dòng)次數(shù)， 就能在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(lái)度量的方法， 可以最大程度上減少移動(dòng)的次數(shù)從而減少移動(dòng)產(chǎn)生的誤差，其線條過(guò)短，不宜對(duì)齊的缺

15、陷可以通過(guò)擴(kuò)大尺身的寬度， 增加線條的長(zhǎng)度來(lái)實(shí) 現(xiàn)，同時(shí)，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(hào)的模板，便于駕駛員在進(jìn)行海圖作業(yè)及海圖改正時(shí)使用。3. 2對(duì)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(lái)的35MM增加到65MM并將原來(lái)的方位線進(jìn)行延長(zhǎng)，使其中16個(gè)整十刻度橫向 投影長(zhǎng)度達(dá)到48MM其他刻度的橫向投影長(zhǎng)度達(dá)到37MM經(jīng)過(guò)改造， 性能得到了明顯提高。在誤差分析理論中，對(duì)于隨機(jī)誤差的度量，航海上主要依據(jù)白 塞爾（Bessel）觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式，在未知真實(shí)值的情況下，觀測(cè) 值的標(biāo)準(zhǔn)差m為：m= ±E?- 1其中V為最概率值與真實(shí)值之

16、間的差值，n為有效采樣的次數(shù)。為了驗(yàn)證思路的合理性，我們制作了樣尺（圖3），并由同一個(gè)人，對(duì)同張海圖上的同個(gè)方位線分別進(jìn)行了8次測(cè)量，其中，利用傳統(tǒng)航海平行尺得出的標(biāo)準(zhǔn)差為士 0.87。，利用改進(jìn)后的平行尺得出的 標(biāo)準(zhǔn)差為士 0.34 °。由此可見(jiàn)，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(cè)原始數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié) 果見(jiàn)表1和表2。，- ： . W ：.；.： -£ ; / : ''. y：.- .".-.JU護(hù)他沖 to 鈾 2 神蟲(chóng)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圖3 多功能航海平行尺表1利用改進(jìn)后的平行尺測(cè)量的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)量值V iV測(cè)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 利用改進(jìn)前的平行尺測(cè)量的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)量值V iV測(cè)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為了滿足上述度量方位需要，我們?cè)黾恿似叫谐叩膶挾龋瑢⑸习氩砍叩膶挾葟?5MM曽加到了 65MM如果下半部尺的尺寸仍然維 持原來(lái)的35M不變，則在實(shí)際運(yùn)用中

19、，一側(cè)重一側(cè)輕，平移時(shí)也會(huì)產(chǎn) 生移動(dòng)導(dǎo)致誤差。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們也考慮將這部分作拓寬，由原來(lái)的 35MM增至55MM這樣增加后，就不會(huì)產(chǎn)生上述移動(dòng)了。由于駕駛員在海圖作業(yè)及海圖改正作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)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(hào)、引航 站符號(hào)、無(wú)線電標(biāo)志符號(hào)、海底電纜、石油管線等常見(jiàn)標(biāo)志的標(biāo)注。 這些符號(hào)的繪制中， 各種圓形一般都是利用圓規(guī)繪制， 但圓規(guī)在使用 時(shí)會(huì)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(huà)出來(lái)不美觀，還可能污染海圖?？紤]到下半部尺拓展出來(lái)的這部分空間沒(méi)有任何東西，我們?cè)?尺上鏤空刻出不同的圖形模板，以滿足一般作

20、圖需要，其中，包括半 徑1MM到7MM的七個(gè)圓形模板，五個(gè)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(huì)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(shí)、 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)?？茖W(xué)生，在經(jīng)過(guò)海上 實(shí)踐、經(jīng)過(guò)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和鉆研， 結(jié)合自己在實(shí)習(xí)和課堂中的所思、 所誤，

21、再加上指導(dǎo)老師的點(diǎn)撥，我們從不起眼的小東西入手，依靠自 己的理論知識(shí)、在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題，堅(jiān)持不懈從而找到解 決方案，并動(dòng)手把它制作出來(lái)，成果雖然很小，但是我們走出了創(chuàng)新 的第一步，就此開(kāi)始我們今后不斷追求創(chuàng)新的道路。本作品是我們?cè)谏险n和實(shí)習(xí)中，使用傳統(tǒng)平行尺時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會(huì) 由于操作中的不穩(wěn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不高，在進(jìn)行分析研究后，我們將 上半部尺拓寬， 增加方位線的長(zhǎng)度， 使原有的方位線直接度量海圖角 度的功能得以增強(qiáng)， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明確實(shí)提高了性能。 同時(shí)為了 方便海圖上的其他作業(yè)， 在下半部尺的拓展出來(lái)的部分制成繪圖模板， 拓展了平行尺的功能，使其更加滿足航海者的需要。4.2 成果展望本項(xiàng)目的研究實(shí)現(xiàn)了航海平行尺性能的提高， 減少了由于平行尺 量取方