基于AIS 数据的中广核大练海上风电场交通流分析

吴益新

(福州航标处，福州 350001)

1 前言

交通流理论是运用物理学、 流体力学和数学的定律来描述交通特性的一门边缘科学， 是交通工程的基础理论之一[1，2]。 海上交通运输工程的相关研究人员将交通流理论引入海上交通中来， 用其对海上交通进行研究与分析。

平潭岛海域风能资源较丰富，具有很好的开发价值，建设海上风电场能有效利用风能资源， 对于降低福建省的煤炭消耗、缓解环境污染、改善电源结构等具有积极的意义，是发展循环经济、建设节约型社会的具体体现，是福建省能源发展战略的重要组成部分。目前，中广核平潭大练300MW 海上风电场工程已经取得国家能源局的批准， 海上风电场的施工建设和运行维护将影响周边水域的海上船舶的交通安全， 同时通航安全也将面临挑战和风险。本文利用AIS 记录的数据，确定中广核大练海上风电场水域作为研究水域， 通过不同方法对研究水域的交通流进行分析， 评估涉水工程设计和建设是否合理。 另外，根据船舶交通流行为特征的影响因素分析，提出更为合理可行的优化措施和建议。

2 船舶交通流行为特征及影响因素

2.1 船舶交通流行为特征

船舶交通流模型包括5 个基本要素，即船舶交通流位置、船舶交通流方向、船舶交通流宽度、船舶交通流密度和船舶交通流速度[3]。 根据船舶交通流的整体和个体差别，船舶交通流的行为特征可分为宏观行为特征和微观行为特征两类[4]。 宏观行为特征是指在一定的环境条件下，某个区域、某段时间大量船舶相互作用下的整体行为特征，主要包括船舶流量、船舶交通流构成、时空分布特性、船舶间时距分布和等待时间分布5 类；微观行为特征是指将时间微观、空间网格化之后，在一定环境条件下单艘船舶在周围其他船舶影响下所表现出来的个体行为特征，主要以船舶的特征体现，包括船舶位置、方向、速度、宽度、船舶间距和船舶间时距等，具体如图1 所示。

图1 船舶交通流行为特征

2.2 船舶交通流行为特征影响因素

船舶交通流行为特征是船舶自身与外界环境条件共同作用的结果，船舶自身可称为内因，外界环境条件可称为外因。船舶交通流行为特征的影响因素很多，主要包括船舶特征和外界环境条件两类，如图2 所示。

图2 船舶交通流行为特征的影响因素

3 船舶交通流分析

3.1 数据的选择

本文采用的数据是利用厦门海磐海事咨询服务有限公司提供的工程附近海域2018 年的AIS 数据，主要研究分析的数据为： 船舶交通流行为特征中的宏观行为特征(船舶流量、交通流构成和时空分布特性)以及微观行为特征(位置、方向和宽度)；船舶交通流行为特征的影响因素中的船舶特征(船舶类型和船舶尺度)以及外界环境(航道、航路和港口码头)。

结合本工程所在区域如图3 所示， 考虑到受福平铁路平潭海峡公铁两用大桥施工栈桥建设的影响， 封堵了海坛海峡北东口水道， 目前海坛海峡北东口水道处于封航状态，无船舶通航。故选取两个截面的AIS 数据进行分析如图3 所示。

3.2 数据分析

3.2.1 船舶类型分析

本文根据研究水域船型特点，分为客船、货船、非运输船、液货船和不能识别5 类进行统计，两个截面船舶流量统计如下表1 所示。

截面一(人屿岛-长屿岛)，2018 年船舶流量约30969艘次，日均流量约85 艘次，其中分为经过松下航道与鼓屿门航道的船舶。货船最多，约占61%；其次为非运输船，约占总流量的16%；再次为液货船，约占5%。

截面二(小练岛-大练岛)，2018 年船舶流量约3622艘次，日均流量约10 艘次，船舶流量较小。 客船最多，约占35%；其次为非运输船，约占总流量的16%；再次为货船，约占14%。

图3 本工程位置及选取截面示意图

表1 截面船舶流量统计表

表2 通航船舶尺度统计表

从上面分析可知本工程B 区附近的船舶流量明显较大， 风电场建设与运营期应特别注意其与附近航道船舶的干扰。

3.2.2 船舶尺度分析

本文根据研究水域船舶尺度中船长的分布特点，分为5 类进行统计，两个截面船舶尺度统计如表2 所示。

截面一(人屿岛-长屿岛)，通航船舶中，船长≤90m 的通航船舶占75%， 船长90～150m 的船舶约占24%，150～300m 的船舶约占1%，无超过300m 的船舶。

截面二(小练岛-大练岛)，通航船舶中，船长小于等于90m 的通航船舶23336 条占99%，大型船舶150～200m 仅1 条。

从上面分析可知，本工程附近大部分为中小型船舶，风电场在施工与运营期应特别注意中小型船舶航行规律， 并做好相关导助航设施引导中小型船舶安全穿越风电水域。

3.2.3 区域船舶密度分析

区域船舶密度图分析如图4 所示， 鼓屿门航道为第1 等级(红色)，密度最大，松下航道为第二等级(橙色)，大小炼岛之间为4 级区域(绿色)。 从图4 还可以看出，由于C 区正在施工， 出现了明显穿越风电场施工船舶的交通流。 根据以上分析，存在部分横穿风电场区域船舶，需要在风电场施工区与运营期做好引导， 特别是运营期需要在风电桩相关重要位置布置导助航设施， 引导穿越风电场的小型船舶，特别是小型渔船。

3.2.4 截面单位长度的船舶流量分析

本次针对AIS 数据还绘制了截面单位长度(100m)船舶流量柱状图， 可以看出两个截面中松下航道与鼓屿门航道所在的位置船舶流量较集中，具体详见图5，说明本工程附近水域船舶航行还是遵循航路与习惯航路， 具有一定规律性。 风电场施工期与营运期应特别注意做好航道与习惯航路上的船舶引导，保证安全。

图4 区域船舶密度图截图

图5 截面一单位长度(100m)船舶流量柱状图

3.3 建议

通过对两个截面AIS 船舶流量在类型、尺度、密度以及单位长度流量的统计分析，风电场在施工期与营运期，为保护风电场的安全需注意以下几个方面：

(1)B 区靠近松下航道一侧应注意引导大型船舶，做好导助航设施设备，且考虑到该侧流量较大，应加强日常监管。

(2)还存在少量穿越风电场船舶，需要在施工期与运营期做好引导， 特别是运营期需在关键风电桩位置上设置必要的导助航设施， 引导穿越船舶安全通过与驶离风电场区域。

(3)鉴于船舶航行还是遵循航路与习惯航路，具有一定规律性， 建议风电场施工期与运营期设置的导助航设施应避免与已经设置好的导助航设施互相干扰， 保证安全。

(4)考虑到本文AIS 数据为2018 年，其中受福平铁路平潭海峡公铁两用大桥施工栈桥的影响， 封堵了海坛海峡北东口水道， 目前海坛海峡北东口水道仍处于封航状态，无船舶通航，后期铁路桥建成后，还应补强海坛海峡北东口水道通航后的AIS 船舶数据进行相对应的分析。

(5)由于海上航行船舶还有部分未装AIS 小型船舶与渔船，并没有在分析中体现，应在风电场实际施工与运营期间，加强观察与通过实地考察的方式补充该方面数据，进行细致的科学分析。

4 总结

船舶交通流行为特征是进行船舶交通流统计分析、预测、应用等研究的重要基础理论。本文从不同船舶特征初步分析了中广核平潭大练海上风电场工程附近水域船舶交通流行为特征，并给出相关统计分析数据，另外根据分析的结果提出针对性的措施和建议。 考虑到AIS 数据的不完整性， 建议后续还应根据实际船舶流量的数据情况进行合理化补充分析， 更好地保障风电场施工期与运营期的安全。