張志民（東海保障中心連云港航標(biāo)處，江蘇 連云港 222042）

一、引言

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。

二、海上風(fēng)電場(chǎng)通航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

（一）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型介紹

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。

（二）選取海上風(fēng)電場(chǎng)

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

（三）開(kāi)展通航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

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

三、風(fēng)險(xiǎn)控制措施

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：

（一）設(shè)置安全區(qū)、安全通過(guò)距離和推薦航道

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

（二）標(biāo)示推薦航道，調(diào)整燈質(zhì)

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。

（三）建設(shè)AIS、VHF、雷達(dá)和CCTV配套設(shè)備

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。

四、結(jié)語(yǔ)

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。