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文档简介
山东交通学院海运学院 毕业论文 电子海图系统在 用及其探讨 院 系 : 海运学院 姓 名: 黄 延 星 学 号: 044010206 专 业: 航海技术 指导老师: 乔 文 明 完成日期 : 2008创性声明 本人郑重声明:所呈交的 学士 论文是本人在导乔文明的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 年 月 日 电子海图系统在 用 及其探讨 目 录 一 绪 论 题研究的背景及意义 子海图系统概述 子海图系统的发展 子海图系统相关术语 组成部分 子海图的特点及主要功能 二 电子海图系统的发展趋势 国目前的航线设计现状 线的种类 制海图中的航线选择与确定 始航线设计 到电子海图 的方法 章小结 结论 三 对 进 使用 建议 参考文献 致 谢 摘要 电子海图系统就是随着航 海事业及科技的发展而产生的一种实时导航系统,是地理信息系统在 船舶 组合导航系统中的重要应用。 本文是作者通过在韩进威尼斯 服务期间在船长 各位驾驶员的指导下 通过对本轮学习与研究 ,并参考其他航运 公司的 电子海图系统 对当前电子海图的应用及未来的发展作出浅要的分析 ,并对当前电子海图在避碰中的功能作进一步的分析并作出一些建议 ,希望对航海事业的发展作出积极的贡献。 is a of As a it an in on it a It to a it a in we it a it be of in 1 as a it it of of is to do on on of on So we of s in At of we of a to a a 一 绪 论 题研究的背景及意义 船舶 导航系统是 船舶 航行安全的基本保障系统。现代组合导航系统是利用两种或两种以上导航设备的输出信息,采用现代控制与估计理论,借助于计算机技术构成总体性能及可 行 性远优于其中任何一种单独的导航设备的组合系统,以满足现代舰船导航和战术技术指标要求。它是一门综合的工程技术, 涉及到各个导航信息源设备的有关技术、计算机技术、显示技术等以及控制系统、数据处理的理论。 随着海洋开发和航海事业的发展,对组合导航系统功能的要求越来越高,组合导航系统的内涵已被大大拓宽。它不仅要具有接收和处理导航定位信息、水文气象信息、雷达和声纳目标信息等实时设备发送的数据信息,而且要具有提供并处理更多更复杂的航海信息的能力,如水深、底质 、助航标志、碍航物、潮汐、海流等等各种形式的航海资料信息,为 船舶 航行提供全方位的安全信息保障。 电子海图系统就是随着航 海事业及科技的发展而产生的一种实时导航系统,是地理 信息系统在 船舶 组合导航系统中的重要应用。地理信息系统 (称 对地理信息进行有效管理与处理的系统,它是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统,该系统设计来支持空间数据的获取、管理、处理、 分析、建模和显示,以解决复杂的规划和管理问题。地理信息系统与 船舶 导航的结合而产生的电子海图系统改变了古老的航海作业模式,极大地减轻了航海人员的工作负担和劳动强度,可以取代纸质海图 ,完成航线设计、航线检查、航行作业、航行计算、航行标记、信息处理等航海功能。 电子海图显示与信息系统( 属于海图显示系统,是现代航海中一项新技术、新领域,它在保障航行安全和提高航行工作效率方面发挥着显著的作用。 仅只是计算机上显示电子海图,而且为驾驶员集成了各种相关航行信息的实时航行监控与显示系统。它使航海自动化迈上一个新台阶,并发展为军用装备。其应用前景是十分可观的,必将是21 世纪现代航海中的重要航海电子设备。 子航海图 显示与信息系统是一种符合高级电子海图系统标准的 以电子海图为基础,集航海信息、航海计划、航海作业等功能为一体的航海自动化保障系统。在计算机信息处理和实时接口技术的支持下,电子航海图显示与信息系统实现了舰船导航系统的所有设备的集中管理、导航信息的优化处理,从而大大提高导航系统的整体效能和可性。 然而,作为一个完备的电子海图显示与信息系统( 不仅应该具备基本的海图显示功能,而且还应该具备各项导航功能,其中必须包括计划航线的设计。船舶在开航前,二副需要根据航海图书、推荐航线、航用海图 等资料,为船舶本航次设计计划航线,以确保船舶沿着计划航线可以安全、经济地航行到目标港口。 简单地实现计划航线设计功能是较容易的,系统只需要为船舶驾驶人员提供航线设计接口,再由船舶驾驶人员根据查阅的航海图书资料、推荐航线;分析潮流、绕越障碍物、计算航程,确定好计划航线的转向点之后,手动地通过图形界面或以数字形式输入到系统中。但是,如此设计计划航线与使用纸制海图进行计划航线设计并没有本质上的区别,二副的工作量依然如故,没有发挥出电子海图系统的智能性。所以,在 的航线设计,有必要改变纸制海图中的航 线设计模式。设计优良的计算机算法来实现航线的自动生成和优化过程,船舶驾驶员只需要输入起始港、目的港和安全水深值,算法将根据海图中的详细数据信息来进行路径的动态规划,最终找到安全、最短路径。这将使航线设计过程更加简单,降低二副工作量,提高计划航线安全可 行 性,力求做到设计出最佳航线。 本课题的目的就是在本校现有的电子海图显示与信息系统的基础上,进行航线设计的研究与实现,为将来电子海图显示与信息系统的功能扩展打下理论基础。 子海图系统概述 子海图系统的发展 世界上大约在人们出海的最 早舟船时代就有了海图,海图是随着世界海运事业的发展而发展起来的。第一张被公认的海图出现在中世纪,我国历史上的郑和下西洋是世界航海史上的壮举,而 “郑和航海图 ”是我国现存最早的海图,也是我国海图发展史上的一个光辉里程碑。 18 世纪末 19 世纪初,人们掌握了经度计算方法后,使以前只能推测的陆地位置能够予以确定,从而大大改善了海图的精度,使其真正成为航海必须拥有的工具之一。到了 20 世纪, 精确的最新纸海图已被公认为实际安全航海的基础。除了海图之外,增进航海安全的重大技术进步还有无线电通信、陀螺罗经、雷达、无线电定位系统和 测深系统的问世,它们为保障海上的人命安全,促进海运事业的发展发挥了极大的作用。而电子海图和这些设备综合而成是在 70 年代和 80年代发生了微电子革命后才出现的。计算机的出现使纸海图的数字化及海图的电子复制变成了现实。 目前能查询到的最早的电子海图系统出现在 1979 年。 80 年代初,微型电子计算机和信息技术的发展促使人们开始电子海图系统的研制和试用,到了 90 年代,关于电子海图系统的讨论和相应的国际规范相继出台。这期间出现了一种叫 “图标绘器) ”的设备,它是一种简单的自动航迹标绘系统 ,在屏幕上能显示简化了的轮廓海图、岸线和水深,并在上面标绘船舶航迹。这类系统的早期产品和 、 定位系统相连,以获取船位,后期产品一般同雷达设备相连,从而能在轮廓海图上叠加图像。 证航行安全,当然还无法取代纸海图。 看作是电子海图的雏形和前身,它是通向电子海图的过渡设备。 进 电子海图系统是一种集成式导航信息系统,它在使用电子海图的基础上 ,完成综合的船舶驾驶任务。其集成特点在于,系统将推算船位信息、卫星和无线电导航系统数据、海图信息和雷达信息集成在一起处理和显示,处理的结果传回到各种控制设备对船舶进行控制或以图像、声音、语音等多媒体形式提示航海人员。其信息特点在于,它能根据航海人员的需求为其提供海图物标的咨询信息,如航标、碍航物和航道等的特征,及整个航线上的航行条件信息。其导航特点在于,它不仅能完成在传统纸海图上进行的作业,包括计划航线设计、距离和方位的计算和推算船位修改、定位计算、航迹显示等,而且还能解决新的问题,如船舶驶进危险区域时的自 动报警、船舶避礁防浅、把电子海图同雷达图像叠加以提供更直观的避碰信息、海图的自动改正等。 电子海图系统对保证船舶航行安全所起到的重要作用得到了 国际组织以及众多航海专家的认可, 概念正是在总结船用电子海图系统的结构、功能和应用的基础上提出来的。它是功能更完善并可取代纸海图的系统。 1986 年 7 月, 立了 调小组( 共同研究 1998年 10 月 合组织了著名的北海工程试验,以评价 析其潜在用途。 有来自不同国家的六个船用电子海图系统参加了试验。著名的实验还包括汉堡渡船 验平台(德国 1991年)、荷兰 程(荷兰海道测量局 1991 年)、美国 验(德国、英国、芬兰 1993 1995)、美国海岸警备队手工数据更新现场试验( 1996 年)。实验结果表明:仅是纸海图的等效物,而且是未来智能化船舶的必要组成部分。 须走国际标准化的道路,各国政府和国际组织应提供法律保证。之后的近 10 年间, 各类标准和规范不断地建立、更新和完善。 研究涉及航海技术、计算机应用技术、海洋测绘技术、图形图像处理技术及现代通信技术等学科和领域。在我国自 20 世纪90 年代初,就有一些同航海有关的大学或研究机构开始研制电子海图系统,并在电子海图的显示和船舶航行信息的处理方面取得了可喜的经验和成果。但到目前为止,作为系统信息基础的电子海图数据基本上还是研制者自行从纸质海图数字化得到,而不是由权威的海道测量部门以标准的数据格式提供,因此这类电子海图系统从概念(国际标准)上来说并不是真正意义上的电子海图显示与信息系统,它的用户即船舶驾驶员对其提供的海 图信息的信任程度较低。因此,目前在我国的远洋商船上 只有少部分 使用电子海图系统。 在国际标准电子海图方面,海事局系统内部正在加紧有关技术问题的研究。上海海事局已完成了国际标准电子海图制作软件的设计;天津海事局应用加拿大的软件 具备批量生产 准 子海图改正)的能力,目前正与武汉测绘科技大学联合研制准电子海图质量控制软件。海司航保部目前已完成了 1: 50 万、1: 25 万、 1: 10 万数字海图的建库工作,但是还没有 准电子海图的生产能力。如果他们解决了 统数据的 出问题,很快就能够大批量生产 子海图系统相关术语 我们通常所指的 “电子海图 ”是一个很模糊的概念,一般把各种数字式海图及其应用系统统称为电子海图。下面介绍几个相关术语: 电子海图( 是指各种非标准的数字式海图,其表示内容、数据格式和显示方式可以由用户或设计者自行定义。 电子海图系统( 似,是指各种非标准的电子海图应用系统。通常所指的 “电子海图 ”就是指它。 电子航海图( 是指在内容、结构和格式上均已标准化,专为 用而由官方海道测量局( 行的数据库。 含安全航行需要的全部海图信息,以及其它一些纸海图上没有的但被认为是保证航行安全所必需的补充信息(如航路指南、港口概况等)。经 认的 据格式为矢量数据格式标准 系统电子航海图( 是 直接读取和显示的数据库,是 部的一个数据库。它由 行格式转换而成,还包括 正信息和有航海人员输入的其它信息,如航线信息,包括航线设计使用的点、线和区域以及 库中的任何符号和文本注记信息。其目的是为了快速地显示 电子海图显示与信息系统( 指符合有关国际标准的船用电子海图系统。它是以计算机为核心,连接定位、测深、雷达等设备,以 结合接收到的导航信息以及雷达信息等综合反映船舶行驶状态,为船舶安全航行提供各种信息查询、量算和航海记录等功能的一种航海信息综合处理手段。 组成部分 近年来国际上正在研究发展的一种新型导航设备, 1、主计算机:包括数据处理和控制系统,配备高速图形卡等硬件,具有显示和贮存海图、海图缩放和分层、实时处理能力、 网络传输能力等。 2、电子海图数据库:存储海图信息的数据库。 3、显示器及输出设备:包括彩色显示器、打印机、附加监视器等。 4、导航传感器:包括罗经、计程仪、测深仪、雷达、 兰、卫星导航仪等。 由导航传感器输入的航向、速度、水深、位置、风向、风速等信息进行综合处理,求得最佳的船位及航向、航速等,然后进行航海计算,在显示器上显示出海图上的船位,并且将各种指令输出至操船及指挥控制系统。 结构如下图所示: 图 基本组成图 子海图的特点及主要功 能 由于在电子海图显示系统中采用高清晰度、高分辨率的彩色大屏幕显示器,利用分层、开窗、放缩、漫游、自动换屏、快速调图等图形处理技术,使电子海图与纸质海图相比具有许多优越性: (1) 可将数十张或数百张相当于纸质海图的电子数据存储于光盘或大容量硬盘中,实现海图自动检索、调出和显示。 (2) 色彩鲜明,图像清晰悦目,可视性好。 (3) 纸海图把所有信息都充斥在一个纸质画面上,比较乱。利用分层显示技术,电子海图可方便地实现对显示内容的选择,集中显示那些对当前航行必要的内容。 (4) 实时接收和显示船位、航迹, 并可存储航迹,重放航行过程。 (5) 利用覆盖显示层显示雷达信息,可在电子海图上动态显示本船和他船的运动态势,便于指挥和操纵,尤其在进出港时,有利于避碰操作。 电子海图是近代航海技术的新发展,可自动完成各种航海作业, 结合了传统的人工海图标绘作业, 在实际应用中大大避免 避免了由于职业素质和操作者身心状态差异造成的失误,大大减轻了工作强度,提 高了自 动化水平。电子海图直观地、实时地反映舰船动态态势,提供 船舶 运动的综合信息,使航海和指挥人员能把主要精力和时间集中在思考与决断方面,提高了舰船快速反应能力。 二 电子海图系统的发展趋势 目前 标准化问题已经解决,这为其合法化和实用化彻底铺平了道路, 面取代纸海图的时代已经来临。今后要解决的问题是:尽快建立覆盖全球的合法的 健全的 正服务网络;对已有 硬件进行改进,使其完全符合 项标准的要求;扩充 标准功能,使其具备智能化的特点;同高精度定位系统、雷达 避碰系统、船舶通信系统、车舵控制系统等进行集成,实现信息的综合处理与显示,辅助制定操船决策,更大程度地保证船舶航行安全。使 未来 10 年左右的时间全面取代自有航海活动以来沿用至今的纸海图,成为 21 世纪的航海信息综合处理平台,为航海自动化提供底层支持。 国目前的航线设计现状 线的种类 传统的航线可分为大圆航线、恒向线航线、等纬圈航线和混合航线。这些航线的特点分别是: 大圆航线:即基本沿着两点间大圆弧航行的航线。这是两点间地理航程最短的航线,特别是在高纬度海区航行接 近东西、横跨经差较大时,大圆航程比恒向线航程要短达数百海里。但是,由于大圆弧和所有子午线相交角度不等,如果严格沿大圆航线航行,则必须不断改变航向。 恒向线航线:即沿两点间恒向线航行的航线。这不是航程最短的航线,而是操纵方便的沿单一航向航行的航线 在低纬度海区或航向接近南北方向时,它和大圆航线的航程相差甚小。 等纬圈航线:即出发点与到达点位于同一纬度时沿着等纬圈航行的航线,等纬圈航线是恒向线航线的特例。 混合航线:为了避开高纬度海区恶劣的气象条件与岛礁危险区,要求航线不超过某限制 纬度,在这种情况下所采用的是大圆航线和限制纬度上的等纬圈航线相结合的最短距离航线,即为混合航线。 在进行具体航线设计的时候,船舶需要根据起始港和目的港位置来确定选用哪种航线。以上四种航线中,如果船舶是跨大洋航行,则应该优先考虑大圆航线和混合航线,因为跨洋航行的特点是离岸远、航行距离长,在这种情况下,大圆航线正是距离最短的航线;如果船舶是近岸航行,则应该优先考虑恒向线航线,因为近岸航行的总航程不是很长,大圆航线与恒向线航线的航程差别不大,但恒向线航线便于船舶操纵。 制海图中的航线选择与确定 在传统纸制海图航线设计中,航线按照船舶起始港和目的港之间的距离可分为大洋航线和近岸航线两类。制定计划航线时,需要考虑各种因素。在大洋航线中,因为距离较远,航行时间较长,所以应考虑以下因素: 1、气象条件:查阅资料诸如世界大洋航路、航路设计图、航路指南、相关气候图,综合中长期天气预报,进行仔细分析,充分考虑本航次中遭遇诸如盛行风、季风、热带气旋等大风和灾害性天气及雾的可能性。 2、海况;重点应研究海流、海浪、流冰和冰山对航行的影响。 3、障碍物:大洋航行时,必须对岛 、礁等危险障碍物予以充分的注意,留有足够的安全距离。 4、定位与避让条件:选择航线时,应充分考虑利用各种方法定位的可能性。接近陆地时,应选有显著物标或等深线有明显特征的水域。注意避让条件,特别是能见度不良时更应尽可能避免航线通过渔区和拥挤水域。 5、本船条件:选择大洋航线时,必须充分考虑本船条件,如本船的船型、航行能力、船速、续航能力等。对船员的适航能力和熟练程度,以及载货情况等,做到心中有数。 6、推荐航线和分道通航:一般应尽量采用世界大洋航路和航路设计图中的推荐航线;在有分道 通航制的区域,应遵守分道通航的规定。 以上这些因素,应该本着首先考虑安全的前提,尽量节约航行时间和节省油耗。 在近岸航线中,因为距离较短,危险物较多,应进行以下三大方面的工作: 航次情况:应根据航次的任务,主要考虑本船的性能、客货载情况、船员技术状况和航程的长短等,做好准备。 有关的资料:根据航行季节和航次任务的一般要求,仔细阅读和分析天气预报,详细研究海图、航路指南、航标表和潮汐潮流表等有关航海图书资料,了解本航次的气象特点,掌握海区内风流、能见度、障碍物和导航定位物 标等情况,特别是可能遇到的灾害性天气和避风港等。要注意根据航海通告和航海警告对有关图书资料进行仔细改正。对本航次中可能遇到的困难条件,做好必要的安排和预防措施。必要时要结合装卸和泊位情况,以及航线和进出港的航行条件,确定开航时间。 预画航线:根据航行安全和经济的原则,充分考虑下列各点,慎重确定和预画航线,尽可能采用推荐航线,确定适当的离岸距离,确定避离危险物的安全距离。 始航线设计 到电子海图 的方法 原始航线的设计一般遵循以下步骤: (1)听取船长结合本船航次任务对航线 进行的分析、提出的要求、以及具体实施的原则。 (2)在综合考虑船长指示意见和图书资料内容后、在总图上画出全段计划航线。 (3)在航行图上,画出分段计划航线,并根据危险物距离来调整航线。然后,在海图航线上标出专用符号和数字。 (4)设计完成后请船长审问。船长一般会提出一些更具体的问题,需要再做修改。经船长批准后生效。 (5)将海图按使用的先后顺序,放在特定的海图栏内;并把相关航线的图书资料也放在海图桌附近,以便随时查阅。 ( 6)按照原始海图设计的顺序将有关数据及转向点依次输入 用 。 依照以上步骤设计航线,对二副的要求比较高,二副的工作量比较大。 章小结 本章主要介绍一下本课题的研究背景、意义、内容以及电子海图的一些相关知识 及 子海图的应用 。同时分析了当前存在的航线设计方法,存在的不足。 三 对 韩进 使用 建议: 合应用 。 概念和意义 船舶自动识别系统 称一种新型的助航系统及设备。目前 发展成通用自动识别系统 ( 如果所有的船舶都安装 这些船只都可以被其他船舶“看得见”。这意味着不需要人为介入便能够连续交换重要的航行数据和动态信息,包括国籍、船位、航线、航速、航向、转向速度等。由于用 段交换数 据,所以 备的成本比雷达低,而它的 “可视”范围却等于雷达。 整体思想是: ( 1) 是一种船舶改善避碰效果的方法; ( 2) 是一种不用雷达获得交通状态的方法; ( 3) 是一种指定船舶报告制度的方法。 合应用助航避碰技术 传统的避碰方式是使用雷达 /航系统进行观测根据历史航迹标 绘方法来作出避让决定的。它多采用来自雷达的被动信息,通过雷达的历次历史数据推算得出 矢量图。与 比雷达数据精度要低的多,耗费时间也要多,使用 行标绘要经过一段时间才能判断出其他船舶的操作意图。在船舶拥挤的水域中
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