張志民(東海保障中心連云港航標(biāo)處,江蘇 連云港 222042)
海上風(fēng)能是一種零二氧化碳排放的可再生清潔能源。根據(jù)世界海上風(fēng)電論壇統(tǒng)計(jì),中國(guó)海上風(fēng)電行業(yè)持續(xù)快速增長(zhǎng),2020年在建總裝機(jī)容量達(dá)到4.4 GW[1]。然而,海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使航行環(huán)境變得更加復(fù)雜。例如,風(fēng)電場(chǎng)與航路、航道和錨地的距離不足可能會(huì)造成船舶與風(fēng)機(jī)發(fā)生碰撞;航標(biāo)設(shè)置和維護(hù)不當(dāng)可能對(duì)駕駛員造成困擾;風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期產(chǎn)生的電磁輻射可能會(huì)影響船載導(dǎo)航設(shè)備[2]的性能。人們普遍認(rèn)為,在海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)期,應(yīng)及時(shí)開(kāi)展通航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為風(fēng)電場(chǎng)選址、最小安全距離等提供決策支持。
目前提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法大致為以下兩種: 一是使用“客觀”數(shù)據(jù)的定量方法,包括事件樹(shù)分析、故障樹(shù)分析、預(yù)先危險(xiǎn)性分析和風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)樹(shù)分析等;二是使用“主觀”專家判斷的定性方法[3],包括故障模式、危害和可操作性分析、模糊綜合評(píng)價(jià)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等。
近年來(lái),許多學(xué)者提出了不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。然而,不同單位針對(duì)同一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得到的結(jié)果卻不一致。這種評(píng)估結(jié)果上的差異源于不同的國(guó)家和組織使用不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和程序[4]。目前,我國(guó)《水上水下活動(dòng)通航安全管理規(guī)定》并未規(guī)定使用何種通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。因此,模型應(yīng)用呈現(xiàn)多樣化。Ellis等人[4]的報(bào)告指出,某些模型的計(jì)算結(jié)果是不可復(fù)制的,因?yàn)樗褂玫姆匠毯蛿?shù)值并不透明。
濱海風(fēng)電場(chǎng)位于江蘇中山河口至濱海港近海海域,包含兩個(gè)區(qū)塊(H1&H2),分別建設(shè)于2017年和2018年。根據(jù)江蘇海事局2012年印發(fā)的《江蘇沿海船舶航路規(guī)劃》,有四條航路位于濱海風(fēng)電場(chǎng)附近,如圖1所示。
圖1 濱海風(fēng)電場(chǎng)附近航路
OpenCPN是一款簡(jiǎn)潔而穩(wěn)定的海圖繪圖儀和導(dǎo)航軟件,能夠滿足國(guó)際海事組織(IMO)相關(guān)要求。該軟件支持S57海圖和S63矢量海圖顯示、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)輸入解碼、目標(biāo)跟蹤和碰撞預(yù)警、航線規(guī)劃、導(dǎo)航等功能。OpenCPN可以通過(guò)插件進(jìn)行功能擴(kuò)展,例如開(kāi)發(fā)基于AIS的船舶交通流特性統(tǒng)計(jì)平臺(tái),從AIS信息中提取船舶的靜動(dòng)態(tài)信息。通過(guò)AIS數(shù)據(jù)對(duì)船舶交通流量、密度、航跡、航速、間距等主要信息進(jìn)行研究,從中挖掘和快速統(tǒng)計(jì)船舶交通流特性,可以為濱海風(fēng)電場(chǎng)通航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。
1. 船舶交通流數(shù)據(jù)分析
首先,選擇一個(gè)覆蓋濱海風(fēng)電場(chǎng)的矩形工作區(qū)。然后,從連云港航標(biāo)處提取一定時(shí)間范圍內(nèi)(2020年9月至2021年5月)該工作區(qū)的船舶AIS源數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。最后,將解析數(shù)據(jù)導(dǎo)入OpenCPN,從而得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。在該時(shí)間范圍內(nèi),對(duì)所有航經(jīng)工作區(qū)內(nèi)船舶的歷史軌跡進(jìn)行合成,如圖2所示。可以看出,許多船舶在濱海風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部和附近航行。
圖2 2020年9月至2021年5月工作區(qū)內(nèi)船舶歷史軌跡
為了便于統(tǒng)計(jì),設(shè)置三個(gè)橫截面。第一截AB面穿過(guò)灌河口至濱海港的近岸航路,第二截面AC穿過(guò)濱海H1風(fēng)電場(chǎng),第三截面BD穿過(guò)濱海H2風(fēng)電場(chǎng)。三個(gè)截面船舶交通流分布如圖3所示,藍(lán)色條形圖代表北上船舶,紅色條形圖代表南下船舶。分別對(duì)三個(gè)截面的船舶尺度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,見(jiàn)表1。其中,航經(jīng)第一截面的最大船舶長(zhǎng)270 m,寬30 m。
圖3 三個(gè)截面船舶交通流分布
表1 船舶尺度統(tǒng)計(jì)表
2. 最接近距離和平均接近距離的數(shù)學(xué)計(jì)算
利用OpenCPN對(duì)船舶交通流特性的統(tǒng)計(jì)分析為我們提供了濱海風(fēng)電場(chǎng)附近船舶航行狀態(tài)的直觀認(rèn)知。為了更客觀地了解通航風(fēng)險(xiǎn),首次提出一種基于船舶AIS數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)往船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)之間的最接近距離和平均接近距離的數(shù)學(xué)方法,并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
首先,建立數(shù)學(xué)公式。假設(shè)水平線段MN是穿越航路的橫截面,1艘船舶垂直投影于平面,如圖4所示。O點(diǎn)位于該船駕駛臺(tái)半寬處,代表船舶的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)坐標(biāo)位置。當(dāng)船舶穿越MN時(shí),其船艏向?yàn)镃,船寬為B。若忽略定位誤差和風(fēng)流壓差,M與P(MN與船舶左舷投影的交點(diǎn))的距離,及N與S(MN與船舶右舷投影的交點(diǎn))的距離可表示為:
圖4 橫截面MN與船舶垂直投影
若橫截面不是水平方向,且橫截面與緯度存在夾角β,如圖5所示:
圖5 船艏向與MN的位置關(guān)系
圖5僅顯示了船舶航向介于0°至90°之間的情況,其實(shí)無(wú)論船舶航向位于哪個(gè)象限,均可以歸納為以下三種情形:
(1)N點(diǎn)的緯度高于M點(diǎn)緯度。則M與P,N與S的距離可表示為:
(2)N點(diǎn)的緯度低于M點(diǎn)緯度,且C>β。則M與P,N與S的距離可表示為
(3)N點(diǎn)的緯度低于M點(diǎn)緯度,且C<β。則M與P,N與S的距離可表示為:
對(duì)于第一截面的計(jì)算可以采用上面的公式。將頂點(diǎn)A和B作為濱海風(fēng)電場(chǎng)外圍的兩點(diǎn),然后獲取相關(guān)船舶的船艏向、坐標(biāo)、船寬等所需要的值。最終計(jì)算得到過(guò)往船舶與濱海H1、H2風(fēng)電場(chǎng)的最接近距離和平均接近距離,見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出,一些船舶以很小的距離(約0.27 n mile)通過(guò)濱海風(fēng)電場(chǎng),顯然不是安全通過(guò)距離。
表2 計(jì)算結(jié)果
從濱海風(fēng)電場(chǎng)附近航行船舶的歷史軌跡可以看出,許多船舶在風(fēng)電場(chǎng)附近甚至內(nèi)部航行。這種航行習(xí)慣不僅危及船舶自身安全,且對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)成威脅。為了降低碰撞風(fēng)險(xiǎn),提出以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施:
根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋公約法》第60條第4款規(guī)定,“沿海國(guó)在必要時(shí)可以在人工島、設(shè)施和離岸構(gòu)筑物周圍建立合理的安全區(qū),并可在安全區(qū)內(nèi)采取適當(dāng)措施,以確保船舶航行安全和人工島、設(shè)施和離岸構(gòu)筑物的安全”。因此,建議在風(fēng)電場(chǎng)外圍設(shè)置寬度為500 m的安全區(qū),所有船舶在風(fēng)電場(chǎng)附近航行時(shí)應(yīng)遵守和履行國(guó)際、國(guó)內(nèi)公認(rèn)的有關(guān)安全區(qū)規(guī)定。
船舶與風(fēng)機(jī)的安全通過(guò)距離擬運(yùn)用較為成熟的“最小安全距離”[5]模型計(jì)算得出,該模型是由世界水上運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)會(huì)(PIANC)提出,其最終計(jì)算公式如下:
(1)風(fēng)電場(chǎng)位于船舶左舷(見(jiàn)圖6左):6倍船長(zhǎng) +500 m;
(2)風(fēng)電場(chǎng)位于船舶右舷(見(jiàn)圖6右):0.3 n mile +6倍船長(zhǎng) + 500 m。
圖6 風(fēng)電場(chǎng)分別位于船舶左右舷
注:? 0.3 n mile是船舶在開(kāi)始轉(zhuǎn)向前偏離原航跡的距離;
? 6倍船長(zhǎng)是船舶回轉(zhuǎn)直徑;
? 500 m是安全區(qū)寬度。
考慮到近岸航路位于風(fēng)電場(chǎng)之間,船舶左右舷均有風(fēng)機(jī),因此應(yīng)采用計(jì)算公式(2)。從評(píng)估結(jié)果可知,在風(fēng)電場(chǎng)附近航行的船舶最大船長(zhǎng)為270 m,考慮到船舶大型化趨勢(shì)和水深條件,此處船長(zhǎng)取300 m。最終計(jì)算安全通過(guò)距離=0.3 n mile+6×300 m +500 m≈1.5 n mile。設(shè)置安全通過(guò)距離前,轄區(qū)海事和航保部門應(yīng)通過(guò)海上安全信息、海圖和航海出版物等渠道進(jìn)行充分宣傳。
由評(píng)估結(jié)果可知,部分過(guò)往船舶通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)距離很小,不利于船舶及風(fēng)電場(chǎng)安全。根據(jù)連云港海事局2019年水上事故統(tǒng)計(jì)分析,全年共發(fā)生21起事故,其中有一起事故與海上風(fēng)電場(chǎng)有關(guān)。因此,建議選定一支推薦航道,促進(jìn)過(guò)往船舶航行安全。推薦航道起止點(diǎn)坐標(biāo)可選為:34°30′11.30″N / 120°10′12″E,34°21′12″N / 120°20′23″E。由評(píng)估結(jié)果得知,使用該航路的船舶數(shù)量約為556艘次/年。根據(jù)荷蘭海事研究所的一項(xiàng)AIS研究[5],航道每年可容納556艘次船舶,最大船長(zhǎng)300 m,則該航道最小寬度=(2×2×船長(zhǎng))=2×2×300=1 200 m??紤]到該水域?qū)挾瘸湓#扑]航道寬度建議拓寬至2 n mile。安全區(qū)和推薦航道見(jiàn)圖7:
圖7 濱海風(fēng)電場(chǎng)安全區(qū)和推薦航道示意圖
推薦航道建議用安全水域標(biāo)標(biāo)示可航水域并分隔雙向交通流。6座安全水域標(biāo)可以設(shè)置于推薦航道中央,標(biāo)志技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 6座安全水域標(biāo)技術(shù)參數(shù)表
《國(guó)際海上人命安全公約》第5章第13.2條規(guī)定,“為了盡可能統(tǒng)一助航設(shè)施,締約國(guó)各政府在設(shè)置助航設(shè)施時(shí)應(yīng)充分考慮國(guó)際推薦和指南”。根據(jù)國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)(IALA)推薦R0139,一般而言,風(fēng)電場(chǎng)外圍重要設(shè)施應(yīng)顯示莫(C)黃光,燈光射程不低于5 n mile;風(fēng)電場(chǎng)外圍中間設(shè)施應(yīng)顯示莫(C)黃光,其閃光節(jié)奏應(yīng)明顯不同于外圍重要設(shè)施的節(jié)奏,燈光射程不低于2 n mile。然而,濱海H1風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置于外圍重要設(shè)施的4座燈樁和外圍中間設(shè)施的2座燈樁顯示著相同的閃光節(jié)奏。為了更好辨識(shí),建議將設(shè)置于外圍中間設(shè)施的2座燈樁的閃光節(jié)奏由12 s調(diào)整為15 s,且射程由5 n mile調(diào)整為2 n mile。
受岸基AIS基站作用距離和風(fēng)電場(chǎng)信號(hào)干擾的影響,AIS信號(hào)丟失和通信中斷時(shí)常發(fā)生。根據(jù)全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GMDSS)海區(qū)劃分,A1海區(qū)覆蓋了以海岸電臺(tái)為中心,半徑約25 n mile的沿海水域。距濱海風(fēng)電場(chǎng)最近的海岸電臺(tái)位于連云港,其信號(hào)覆蓋范圍不包含濱海風(fēng)電場(chǎng)。岸基雷達(dá)系統(tǒng)是船舶交通管理(VTS)服務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備,濱海風(fēng)電場(chǎng)同樣不在濱海港VTS服務(wù)范圍內(nèi)。CCTV系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于重要港口和航道,實(shí)現(xiàn)了交通流的實(shí)時(shí)監(jiān)控。鑒于此,建議在海上升壓站上安裝AIS及VHF基站、雷達(dá)和CCTV系統(tǒng),以加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)附近水域的信號(hào)覆蓋。以上所有數(shù)據(jù)可以接入至轄區(qū)海事局VTS,以實(shí)現(xiàn)船舶靜動(dòng)態(tài)信息全方位無(wú)縫監(jiān)管。
目前,已有多種通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理中,但模型使用多樣化問(wèn)題迫切需要解決??梢钥隙ǖ卣f(shuō),沒(méi)有放之四海而皆準(zhǔn)的模型。因此,在開(kāi)展通航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),應(yīng)選擇具有互補(bǔ)性的模型,盡可能得出全面客觀的評(píng)估結(jié)果。利用OpenCPN和提出的數(shù)學(xué)模型成功完成濱海風(fēng)電場(chǎng)的通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,可為海上風(fēng)電場(chǎng)通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種基于AIS數(shù)據(jù)的定量分析工具。
海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理是一個(gè)新興的課題,當(dāng)前成熟的實(shí)踐做法較少,上述風(fēng)險(xiǎn)控制措施尚待檢驗(yàn)。當(dāng)前存在的風(fēng)險(xiǎn)控制措施與風(fēng)險(xiǎn)程度不匹配問(wèn)題,歸根結(jié)底是因?yàn)楹J滦袠I(yè)與海上風(fēng)電行業(yè)只關(guān)注各自領(lǐng)域,忽視了彼此行業(yè)的技術(shù)細(xì)節(jié)。隨著無(wú)人船和浮式風(fēng)機(jī)等更加復(fù)雜系統(tǒng)的誕生,雙方應(yīng)加強(qiáng)合作,制定與風(fēng)險(xiǎn)程度相匹配,既充分、成本效益又好的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。只有這樣,才能提升海洋空間利用率,促進(jìn)航行安全與海上風(fēng)電場(chǎng)和諧共存。