聶園園， 劉克中,b,c， 楊 星,b， 陳蜀喆,b， 馬 杰,b

(武漢理工大學(xué) a.航運學(xué)院；b.內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室； c.國家水運安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，海上風(fēng)電場建設(shè)占用可航水域的面積也在逐漸增加，海上風(fēng)電場水域船舶通航安全也越來越受到人們的關(guān)注。在進行海上風(fēng)電場選址時，合理地設(shè)置擬建海上風(fēng)電場與航路的安全距離是保障風(fēng)電場附近船舶通航安全的最直接有效的措施，已成為海上船舶安全航行研究領(lǐng)域備受關(guān)注的問題之一。[1-4]

相對于海上石油平臺和橋梁而言，海上風(fēng)電場建設(shè)起步較晚，因此，在海上設(shè)施與航路安全距離定量研究方面，針對石油平臺或橋梁的研究占大多數(shù)，而對于海上風(fēng)電場的研究相對較少。例如，朱曼等[5]在分析失控船舶漂移運動模型的基礎(chǔ)上，建立失控船舶-橋碰撞概率計算模型，并根據(jù)可接受碰撞概率定量獲取橋區(qū)水域的通航范圍。HASSEL等[6]為研究船舶與石油平臺的安全距離，對平臺建設(shè)前后附近水域的船舶交通流數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，研究結(jié)果表明:在平臺建成后，大多數(shù)船舶自覺地與平臺保持1 n mile以上的通行距離。學(xué)者們在確定海上風(fēng)電場與航路安全距離時往往會參照相關(guān)國際公約、法律法規(guī)以及行業(yè)規(guī)定等，或借鑒其他海上設(shè)施的研究成果，直接設(shè)定為某一具體范圍。[7-8]目前，也存在一些學(xué)者在研究海上風(fēng)電場水域船舶交通或碰撞風(fēng)險時，對兩者與風(fēng)電場和航路距離之間的關(guān)系進行分析。例如，RAWSON等[2]通過統(tǒng)計Thanet海上風(fēng)電場建設(shè)前后附近的船舶交通分布后，發(fā)現(xiàn)在建設(shè)前存在部分船舶穿過風(fēng)電場場區(qū)的現(xiàn)象，而在建成后船舶與風(fēng)電場的距離基本>0.5 n mile。WAWRUCH等[9]在對MARIN和GL碰撞風(fēng)險模型進行對比分析之后，利用這兩種模型計算出風(fēng)電場和航路距離分別為0 n mile、0.5 n mile和1.0 n mile時的船舶和風(fēng)機碰撞概率，實現(xiàn)風(fēng)電場與航路安全距離的基礎(chǔ)建模。CHANG等[10]為評價船舶定線對海上風(fēng)電場水域通航安全的影響，在距離風(fēng)電場不同位置處選取多個截面，并對各截面上的船舶交通流進行擬合，在此基礎(chǔ)上利用IWRAP模型計算出有、無船舶定線時船舶與風(fēng)電場的碰撞概率。該研究涉及碰撞概率與風(fēng)電場和航路距離之間的對應(yīng)關(guān)系分析，能夠為風(fēng)電場與航路的安全距離研究提供一種參考思路。

綜上所述，現(xiàn)有海上風(fēng)電場水域船舶航行安全研究對于風(fēng)電場與航路安全距離的定量分析探索較少，一些學(xué)者雖然能從船舶交通分布和船舶碰撞風(fēng)險的角度進行分析，但研究不夠深入，缺少考慮船舶交通流、風(fēng)、流和風(fēng)電場規(guī)模等因素對安全距離界定的影響?；诖?，本文構(gòu)建全面的船舶與海上風(fēng)電場碰撞概率計算模型，并根據(jù)可接受碰撞概率的標(biāo)準(zhǔn)來界定海上風(fēng)電場與航路安全距離，從而建立一種滿足船舶與風(fēng)電場碰撞概率處于可接受水平以內(nèi)的安全距離計算方法，為風(fēng)電場選址和風(fēng)電場水域船舶航行風(fēng)險研究提供理論支持。

1 船舶與風(fēng)電場碰撞概率計算模型

1.1 船舶與風(fēng)電場碰撞過程分析

根據(jù)船舶主機是否出現(xiàn)故障，可將船舶與風(fēng)電場碰撞分為漂移碰撞和動力碰撞兩種類型。漂移碰撞是指船舶在風(fēng)電場附近航行時，出現(xiàn)主機故障導(dǎo)致船舶失控，受風(fēng)、流等環(huán)境因子的影響，可能漂移至風(fēng)電場內(nèi)與風(fēng)機發(fā)生碰撞。船舶k失控后受到風(fēng)、流的拖曳力，其漂移速度指向風(fēng)電場，經(jīng)過一段時間的漂移將進入風(fēng)電場內(nèi),見圖1。船舶k若能在進入風(fēng)電場前，及時自救或得到外界援助，也可避免發(fā)生碰撞。動力碰撞是指由于人為錯誤、惡劣天氣和風(fēng)機干擾等因素引起的航行失誤，船舶在不斷接近風(fēng)電場的過程中未能及時調(diào)整航向，船舶機動避碰失敗，導(dǎo)致與風(fēng)電場發(fā)生碰撞。在既定航路上航行時，船舶航向改變通常較小，因此，動力碰撞發(fā)生的一個前提條件是船舶航行在將與風(fēng)電場發(fā)生碰撞的區(qū)域內(nèi)。船舶j與風(fēng)電場發(fā)生動力碰撞的碰撞區(qū)域見圖1。

圖1 船舶與風(fēng)電場碰撞過程

1.2 計算模型構(gòu)建

1.2.1基本模型

基于對碰撞過程的分析，可將船舶與風(fēng)電場碰撞概率計算模型分為漂移碰撞和動力碰撞概率子模型。通過拆分碰撞過程的不同階段，在漂移碰撞概率子模型中，需判斷船舶是否發(fā)生故障、漂移航跡是否朝向風(fēng)電場及在進入風(fēng)電場前能否獲得救援。在動力碰撞概率子模型中，判斷船舶是否位于碰撞區(qū)域內(nèi)，主要取決于船舶位置和船舶航向。駛?cè)肱鲎矃^(qū)域上的船舶并不必然會與風(fēng)電場發(fā)生碰撞，因此，還需考慮船員能否及時采取避碰措施。在上述分析的基礎(chǔ)上，考慮船舶交通量和船舶類型的影響，構(gòu)建船舶與風(fēng)電場碰撞概率計算模型為

P=P1+P2

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：P為船舶與風(fēng)電場發(fā)生碰撞的年平均概率；P1為船舶失控后與風(fēng)電場發(fā)生漂移碰撞的年平均概率；P2為船舶與風(fēng)電場發(fā)生動力碰撞的年平均概率；Ni為航路上第i類船舶的年交通量；Pib為第i類船舶發(fā)生失控的概率；x為船舶位置的橫坐標(biāo)(以航路中軸線為縱坐標(biāo)軸，以垂直于航路中軸線的直線為橫坐標(biāo)軸)；Bi為第i類船舶的平均寬度；f(x)為船舶橫向分布的概率密度函數(shù)；Pcw為船舶受風(fēng)、流作用漂移至風(fēng)電場的概率；PM1為船舶未能成功自救的概率；PM2為船舶未能成功得到外界援助的概率；θ為船舶航向；f(θ)為船舶的航向分布密度函數(shù)；θ1、θ2為船舶位于碰撞區(qū)域內(nèi)時航向指向風(fēng)電場邊界時的航向臨界值，θ1<θ2；xW1、xW2分別為W1、W2的橫坐標(biāo)；PC為因果概率；Pr為船員無法及時做出避碰反應(yīng)的概率。

1.2.2主要參數(shù)求取

Pib與船舶平均失控概率和船舶在航路上航行的時間有關(guān)，即

(4)

式(4)中：Pb為船舶每小時發(fā)生失控的概率，可通過統(tǒng)計事故數(shù)據(jù)獲得；L為航路長度；vi為第i類船舶的平均航速。

f(x)可通過統(tǒng)計船舶數(shù)據(jù)之后對船舶在航路寬度方向的數(shù)量進行擬合獲得。海上風(fēng)電場一般建設(shè)于開闊水域，對于開闊水域而言，f(x)通常服從正態(tài)分布,[9-10]且

(5)

失控船舶在風(fēng)、流等因素的共同作用下將產(chǎn)生一定的漂移速度，通過判斷該漂移速度的方向與風(fēng)電場方位的一致性能夠確定Pcw的大小。其計算公式為

(6)

A={w|vw<0.2 m/s,w∈[1,Nw]}

(7)

式(6)～(7)中：Nw為風(fēng)向種類數(shù)；Nc為流向種類數(shù)；Pw為w風(fēng)向的概率；Pc為c流向的概率；Pa1、Pa2為在w風(fēng)向和c流向時，失控船漂移速度vd的方向指向風(fēng)電場的概率，主要與船舶失控位置以及風(fēng)電場邊界長度Lf有關(guān)；w∈A指風(fēng)向種類為靜風(fēng)的情況。

確定vd的大小和方向首先需要掌握失控船舶的受力情況，失控船舶主要受風(fēng)、流、波的作用，通過對失控船舶進行受力分析，可得到受力公式為

(8)

(9)

(10)

式(8)～式(10)中：M為船舶載重噸；mf為科氏力；Fw為風(fēng)的拖曳力；FC為水的拖曳力；Fw為波浪輻射力；ρw和ρc分別為空氣和海水的密度；Sw和Sc分別為失控船舶暴露于水面以上和浸沒于水面以下的面積；Cw和Cc分別為空氣和水流的曳力系數(shù)。

假設(shè)失控船舶在任意時刻都處于平衡狀態(tài)，即dvd/dt=0，同時，忽略波浪的輻射力和mf，可得到

Fw+Fc=0

(11)

從而推導(dǎo)出vd的大小和vd與vw的夾角α分別見式(12)和式(13)。在Cw/Cc一定時，vd除與vw和vc有關(guān)，還與Sw/Sc有關(guān)。在船舶滿載時，Sw/Sc主要與船舶載重量M有關(guān)。

(12)

(13)

船員能通過修理故障，拋錨停航以及獲取外界援助等措施，避免與風(fēng)電場發(fā)生碰撞。相關(guān)研究[11]通過統(tǒng)計分析，可得出船員未能及時修理船舶主機故障的概率取決于主機故障時間，見式(14)。船員未能通過拋錨阻止船舶漂移的概率隨風(fēng)速的變化關(guān)系，也可通過查閱文獻得出。[11]

(14)

式(14)中：f(t)為船員沒能成功修理故障的概率，主要與vd和船舶與風(fēng)電場的距離ds有關(guān)，vd越大，ds越小，f(t)越大；t為主機故障時間。

外界援助通常指應(yīng)急拖船的救援行動。PM2主要與拖船噸位Mt、拖船速度vt、拖船與失控船舶的初始距離dt、失控船漂移速度vd和失控船舶載重量M等因素有關(guān)，具體為

PM2=f(Mt,vt,dt,vd,M)

(15)

對于P2而言，首先應(yīng)獲得船舶交通橫向分布以及船舶航向分布，根據(jù)風(fēng)電場位置和規(guī)模，確定船舶在碰撞區(qū)域內(nèi)且航向也指向風(fēng)電場的概率，通過分析船舶位置、航向與風(fēng)電場間的幾何關(guān)系，得出θ1和θ2為

(16)

(17)

式(16)～式(17)中：y為船舶位置的縱坐標(biāo)；yW1和yW2分別為W1和W2的縱坐標(biāo)。

PC為船舶采取避碰措施失敗的概率，與船舶噸位、速度、導(dǎo)助航設(shè)備、通航環(huán)境和人為因素等有關(guān)，難以進行定量分析。國外相關(guān)學(xué)者已進行一些研究，F(xiàn)UJII等[12]通過分析歷史數(shù)據(jù)，提取事故發(fā)生之前船舶偏移被糾正的頻率，從而確定PC的數(shù)值。Pr主要取決于ds，借鑒MARIN碰撞模型[13]中的經(jīng)驗公式，認(rèn)為Pr=exp(-0.575×ds)。

1.2.3蒙特卡洛模擬

蒙特卡洛模擬方法是一種運用隨機數(shù)解決計算問題的方法，能夠通過多次抽樣試驗獲得問題的近似解，在水上交通安全領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。[14-15]通過不斷生成服從船舶特征分布、環(huán)境特征分布的隨機數(shù)來計算船舶與風(fēng)電場碰撞概率。

船舶位置、船舶航向一般服從一個特定分布，可通過實地調(diào)研獲取。環(huán)境因素如風(fēng)況、流況也遵從一定規(guī)律，可從氣象網(wǎng)站上獲得。在獲得船舶特征、環(huán)境特征的分布函數(shù)之后，分別產(chǎn)生船舶位置、航向、主機狀態(tài)等特征以及風(fēng)況、流況的隨機數(shù)。據(jù)此，結(jié)合其他相關(guān)參數(shù)可求得船舶與風(fēng)電場的碰撞概率。

2 船舶與風(fēng)電場碰撞概率影響因子分析

通過計算在不同條件下船舶與風(fēng)電場碰撞概率，分析碰撞概率隨各因子的變化趨勢，探究船舶與風(fēng)電場碰撞概率的一般規(guī)律，是基于可接受碰撞概率界定航路與風(fēng)電場安全距離的基礎(chǔ)。

整機測試儀通過裝置電源把座上的閉環(huán)測試連接線，實時檢測裝置閉鎖接點復(fù)位信號。當(dāng)裝置上電后，裝置閉鎖信號會從閉合到斷開，表明裝置已處于正常運行狀態(tài)，可以進行整機測試。WDT將裝置正常運行信號反饋給ITCC，有其根據(jù)信號來源，觸發(fā)左側(cè)或右側(cè)測試系統(tǒng)的掃描儀。掃描儀掃描裝置側(cè)面的機箱條碼，并將條碼信息提交給大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐模塊。大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐模塊根據(jù)裝置條碼獲取裝置硬件板卡等多維度數(shù)據(jù)，智能測試控制中心根據(jù)該數(shù)據(jù)控制對應(yīng)氣閥，完成該型號裝置測試連接線的自動連接，為整機智能測試構(gòu)建閉環(huán)測試環(huán)境。

2.1 試驗參數(shù)確定

本文以莆田轄區(qū)擬建的海上風(fēng)電場E區(qū)為試驗對象，通過多組模擬試驗驗證所提出的計算方法。試驗中一些因子的取值見表1，風(fēng)玫瑰圖見圖2。

表1 參數(shù)取值

圖2 風(fēng)玫瑰圖

根據(jù)概率模型分析可知:P與諸多因素有關(guān)。為從船舶和風(fēng)電場特征兩方面分析P，在梳理P的主要影響因素之后，選取v(船舶平均速度)、M和Lf作為主要參數(shù)，深入探索P隨主要影響參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)對風(fēng)電場E區(qū)水域的船舶交通流統(tǒng)計可知:船舶速度通常在6～13 kn，船舶以中小型船舶為主，船舶載重量一般低于2萬t。此外，風(fēng)電場E區(qū)靠近航路一側(cè)的邊界線長度約為7 000 m?；谝陨蠈嶋H數(shù)據(jù)，對試驗參數(shù)進行假設(shè)，設(shè)計3組試驗方案見表2。

表2 試驗設(shè)計

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1P隨v的變化

P隨v的變化趨勢見圖3。當(dāng)M和Lf一定時，若設(shè)定某一風(fēng)電場與航路距離，P隨v的增大而減??；當(dāng)風(fēng)電場與航路距離d<4 200 m時，v取不同取值時對應(yīng)的P值之間的差異較為明顯，隨著d的增加，這種差異也隨之縮小。

圖3 P隨v的變化

2.2.2P隨M的變化

P隨M的變化趨勢見圖4。當(dāng)v和Lf一定時，若設(shè)定某一風(fēng)電場與航路距離，P基本隨M的增大而減小。當(dāng)d<1 000 m或900 m2 400 m時，P幾乎不變化，逐漸趨向于0.001。

圖4 P隨M的變化

2.2.3P隨Lf的變化

P隨Lf的變化趨勢見圖5。當(dāng)v和M一定時，若設(shè)定某一風(fēng)電場與航路距離，P隨Lf的增大而增大。當(dāng)900 m4 800 m時，Lf取不同值時對應(yīng)的P值之間的差異很小，但仍有所區(qū)分。

2.3 試驗結(jié)論

在以上參數(shù)的設(shè)置下，得出P的最大值約為0.049艘次/a。在其他參數(shù)不變時，P隨船舶平均速度的增大而增大，且幅度明顯，而隨船舶載重噸和風(fēng)電場邊界線長度的變化不明顯。

圖5P隨Lf的變化

3 海上風(fēng)電場與航路安全距離界定

根據(jù)試驗結(jié)果可知:船舶和風(fēng)電場碰撞概率與航路和風(fēng)電場距離密切相關(guān)。為保障風(fēng)電場水域船舶航行安全，可通過控制航路與風(fēng)電場距離，達到降低船舶與風(fēng)電場碰撞概率的目的。

本文借鑒德國在海上設(shè)施碰撞風(fēng)險研究中的可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[16]，將航路中船舶與海上風(fēng)電場發(fā)生碰撞事故的可接受概率設(shè)定為0.006 7艘次/a。據(jù)此，計算出滿足年平均碰撞概率小于0.006 7艘次時的風(fēng)電場與航路距離，將其作為安全距離。

在參數(shù)設(shè)置下，當(dāng)v、M、Lf取不同值時，風(fēng)電場與航路安全距離變化趨勢見圖6。當(dāng)M、Lf一定時，安全距離隨v的增大而減?。划?dāng)v<8 kn時，安全距離會發(fā)生明顯波動；當(dāng)v>8 kn時，安全距離的變化較為平順。當(dāng)M、v一定時，安全距離基本上隨Lf的增加而增大；當(dāng)v、Lf一定時，隨著M的增大，安全距離逐漸減小。安全距離隨v、M、Lf的變化趨勢與P的變化規(guī)律相對應(yīng)，在3個參數(shù)中，安全距離隨v的變化最大，而隨Lf的變化最小，說明雖然縮小風(fēng)電場邊界線長度能夠降低船舶與風(fēng)電場碰撞的概率，從而降低對于風(fēng)電場與航路的安全距離的要求，但成效不大，建議適當(dāng)提高附近船舶平均速度。

a) M=1 000 t

b) M=5 000 t

c) M=10 000 t

圖6 風(fēng)電場與航路安全距離變化曲面圖

在參數(shù)設(shè)置下，風(fēng)電場與航路的安全距離在1 300～3 000 m。相對于英國海事與海岸警衛(wèi)署提出的安全距離范圍[1]，本文得出的安全距離閾值更小，在確保船舶通航安全水平滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，所提出的安全距離模型能夠更好地優(yōu)化海域資源配置，同時，能夠減小對原船舶交通流的壓縮及通航環(huán)境的改變，在一定程度上將減少海上風(fēng)電場建設(shè)對船舶通航安全的影響。

4 結(jié)束語

在分析船舶與海上風(fēng)電場碰撞過程的基礎(chǔ)上，考慮船舶類型、位置、速度、風(fēng)和流等因素的影響，建立基于蒙特卡洛仿真的船舶與風(fēng)電場碰撞概率模型，分析船舶與風(fēng)電場碰撞概率的分布特征。隨后，剖析碰撞概率與風(fēng)電場和航路的距離之間的相互關(guān)系，確定碰撞概率的可接受程度，據(jù)此獲取風(fēng)電場與航路的可接受安全距離范圍，從而提出一種定量計算海上風(fēng)電場與航路安全距離的方法。研究結(jié)果表明:船舶平均速度越小，船舶載重噸越小，風(fēng)電場邊界線長度越大，風(fēng)電場與航路的安全距離閾值也越高，特別是當(dāng)v<8 kn時，安全距離閾值將大幅度提高。