海上风电通航风险评估进展

陈丽萍,陈金海,吴志华,周 鹏,彭 澎,张恒才

(1.集美大学 a.信息工程学院;b.船舶辅助导航技术国家地方联合工程研究中心, 福建 厦门 361021; 2.福建海事局通航管理处, 福州 350004;3.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室， 北京 100101)

海洋风力发电是解决全球气候变暖、缓解能源危机、实现经济可持续发展的有效途径。[1]随着风电技术的发展，海上风电场(Offshore Wind Farms, OWF)的可靠性及其发电成本效益日益提高，海上风电项目已在欧洲北海和我国沿海得到长足的发展。传统海上用户可自由使用的海域，特别是海上航行船舶的自由航行，已受到新兴海上用户的挤压。因此,新旧用户之间难免相互影响，乃至发生激烈冲突，例如在航船舶与风力涡轮机(Offshore Wind Turbine, OWT)之间的触碰事件。

1.从航海者的角度看，OWF的出现会使海上涌现出更多船舶需要避开的碍航物，可能会限制船舶的可航行水域，导致船舶交通密度和碰撞风险增加，使航行安全问题恶化，从而给海事业务带来一定的风险。[2-3]此外，OWT会干扰船上雷达和甚高频(Very High Frequency，VHF)等无线通信设备的正常工作，这些因素都会对海上通航安全造成不利影响。[1-2,4]

2.从海洋利用的角度看，为节约利用海洋资源，我国OWF的开发已从航运价值较低的浅海潮间带(东海大桥、江苏沿海)逐渐扩展到商船习惯航路附近的近海(福建外海)和深远海(广东深远海)。我国能源主管部门早期在制订OWF规划阶段对海洋能源与海上交通的相互影响的认识不足，以福建海上风电工程规划方案(见图1)为例，该方案将潜在场址设在船舶习惯航路，导致相关建设单位在项目前期的投入全都白费。

图1 福建海上风电工程规划方案

为促进我国沿海风电场与海上航运共同发展，避免出现海上新旧用户之间的冲突，需借鉴欧洲在北海海洋空间规划(涉及英吉利海峡等船舶航行密集的国际性海峡)过程中解决两者之间冲突的经验和技术。本文综述国内外关于OWF对船舶交通流、船舶助导航设备等方面影响的各种评价方法和评估模型，并提出一些可行性建议，为我国相关部门科学评价海上风电通航风险提供参考。

1 OWF对船舶交通流的影响

OWF的存在可能会限制船舶的可航行水域，改变船舶航线，导致海上交通密度和碰撞风险增加。

很多学者致力于研究OWF附近航行的船舶与OWT之间和船舶与船舶之间的触碰概率(包括动力碰撞、漂移碰撞和搁浅)，提出很多工具和模型[5]，用以规避、转移或缓解碰撞。这些触碰事故的几何概率一般基于船舶不遵循其航向或偏离航道的概率推算。ELLIS等[6]提出用船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)数据和概率分布计算几何接触概率和搁浅事故；AMDAHL等[7]提出将海洋空间数据和水深等信息与AIS数据结合来评估发生接触或搁浅事件的风险。因果概率方程是各种物理参数的函数，如船舶速度、船舶类型、船舶与事故区/物体间的距离、交通密度和人为因素。因果概率可使用故障树、事件树和贝叶斯网络等风险评估方法估算。LI等[8]指出人为因素的不确定性和量化对未来研究的重要性。

专家学者对碰撞后果也有相关研究。EHLERS等[9]提出一种综合的数值和半分析的程序评估船舶碰撞的损伤程度；BELA等[10]提出通过有限元(Finite Element，FE)建模来模拟不同类型OWT与船舶之间的碰撞，为船舶和OWT提供预期的损坏，并从OWT结构入手，提出柔性碰撞概念设计。这些研究的数据输入主要是AIS数据，忽略了小型船舶。在OWF运营期间，运维船与OWT之间的碰撞也受到关注。随着海上风电向深海发展，OWF将远离船舶交通流。因此，需要增加小型船舶和运维船与OWT之间碰撞风险的评估。DAI等[11]提出运维船与OWT之间碰撞的风险评估框架，研究碰撞风险的大小和重要的风险影响因素，并提出降低风险措施的建议。船舶定线制被认为是减少船舶与OWF碰撞的有效方法。CHANG等[12]在进行实证研究之后认为船舶定线制能降低船舶与OWF之间碰撞的概率。

由于OWF可能会遮挡较小船舶，OWF边界与规划航路之间应保持多少安全距离也是研究的方向之一。荷兰对外公开了与OWF相关的通航安全指南，规定了船舶与OWF的安全距离。《国际海上避碰规则》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGs)详细介绍了海上航路与OWF之间安全距离的估算方法。为确保OWF等水中构筑物的通航风险最小化，国际航标协会(International Association of Lighthouse Authorities,IALA)航运委员会在2018年发布的《海上风电与船舶航行的相互影响》报告中提供了用于评估OWF附近航行船舶所需机动空间和OWF与海上航路之间最小间隔距离的方法、导则和建议。[13]

2 OWF对船舶助导航设备的影响

OWT在工作时产生的射频信号可能会主动干扰某些有源无线电航标，也可能会干扰很多专用于海上航行安全的无线电通信导航设备，如船舶交管中心雷达和船载雷达、符合全球海上遇险和安全系统(Global Maritime Distress And Safety System, GMDSS)的水上无线电通信、AIS、无线电测向仪(Radio Directional Finder, RDF)和全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)等。本文主要从雷达和无线电通信2个方面进行讨论。

2.1 OWF对雷达的干扰

OWF对雷达的干扰主要是反射影响、遮挡影响和风机叶片转动产生的干扰。OWT对雷达波有镜面效应，可能会产生虚假回波，并造成虚假回波与他船的回声相混淆。在夜间和能见度较差的情况下会产生碰撞风险。为使雷达能有效分辨出风机与位于风机附近的物标，刘克中等[14]提出一种物标与OWT之间最小垂向距离的计算方法。由于电磁波具有绕射能力，OWT遮挡部分的一定范围内仍然可探测到物标。张连迎等[15]基于有限宽度屏蔽绕射模型，对单风机绕射损耗进行仿真计算，分析损耗对雷达漏警和虚警率的影响。王树武等[16]在单风机建模的基础上提出整个风电场的绕射损耗模型。风机叶片的旋转会产生多普勒频移，这不仅取决于旋转速度,而且取决于方位角、仰角和叶片长度等。随着对风能需求的增加，海上风机的尺寸将增大，对雷达的影响也将更大[17]；若在信号处理中没有使用多普勒分析或运动目标指示器，风机转子的旋转不会引起干扰。[13]文献[18]提出在风电场安装前就进行彻底的影响研究，以便提出风电场和雷达服务共存的解决方案。

2.2 OWF对无线电通信的干扰

除了对雷达的干扰，OWF的存在还可能影响在海上运行的通信系统，如船-船、船-岸和船-空的通信链接，如VHF和AIS等。

LING等[19]对发射机或接收机位于风电场内或周围时的情景进行建模发现:在塔后面观察到明显的阴影区域，在阴影区域外观察到多径干扰；当多个风机相对于收发器视线方向并排而立时，阴影加深，衰减风险增加。迄今为止，与雷达系统中观察到的干扰相比，尚未发现风电场对无线电通信系统的显著影响。

3 OWF通航风险评估模型的比较

风险评估即识别和分析不良事件或过程结果，确定风险是否可接受的过程。风险评估的目的是确定该海域需要管理的风险，并寻求将风险控制在可接受水平的措施。OWF建设前要求证实已进行彻底的海上风险评估，并实施了足够的风险管理措施[20],这一过程被称为通航风险评估(Navigation Risk Assessment，NRA)。NRA的一般流程为：收集数据、识别危险、评估概率与后果、评估现有缓解措施和寻求其他风险控制选项(Risk Control Option，RCO)。NRA考虑的主要因素有船舶类型、船舶交通、船舶航线、OWF相关数据(布局和位置等)、静/动态环境条件、现有风险控制措施(船舶交通服务、分道通航制)和对海上助导航设备的影响等。通过开展NRA，可评估OWF的建设是否会增加通航风险，若超过可接受水平，则须采取RCO，如改变船舶航线、设置航标和设定OWF与航道之间的安全距离等。多年来，学者们已为许多情景开发海事风险评估模型和工具[21]，本文就现有NRA使用的框架和模型工具进行分析和总结。

1) 综合安全评估(Formal Safety Assessment，FSA)由国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)于2002年提出，2015年发布修订版指南。[22]FSA是目前用于分析海事安全和制定相关监管政策的结构化和系统化的方法，为风险降低选项提供成本和效益评估。FSA方法可针对特定类型的船舶或航行区域，也可用于解决特定的海事安全问题。FSA方法中用户可自由选择用于概率和后果计算的模型和工具。

2) SAMSON(Safety Assessment Model for Shipping and Offshore in the North Sea)是由荷兰海事研究所开发的一种数值模型，可计算和比较OWF兴建前后的海上交通事故的概率和后果,不仅可对船舶损坏、预期OWF停机时间、人员伤亡等可能性和后果进行定量概率和后果评估，而且能评估各种风险控制(如重新规划航线)的经济和效率成本，是FSA的理想补充。该模型与其他大多数模型一样，数据来源为AIS数据。除了NRA考虑的一般因素以外，该模型还考虑了船舶机动性和最小航道宽度。荷兰和比利时更愿意遵循IMO的FSA方法，并赞同SAMSON模型。但是，SAMSON模型是一种商业模型，某些参数对公众来说可能不完全透明。

3) 英国Anatec公司的COLLRISK(Collision Risk Modelling Suite)是一种定量的概率模型，主要依靠船舶交通数据估算OWF建设前后海上交通事故风险的差异。COLLRISK模型使用动能公式估计冲击能量，使用过去的事故统计数据预测事故后果的概率和程度，如人命伤亡或环境破坏。英国虽然推荐FSA方法，并在为OWF建设单位制定海洋可再生能源工程设施(Offshore Renewable Energy Installation，OREI)的指南文件《关于OREI带来海上通航安全和应急处置风险的评估方法》《MGN 543(M+F)与OREI相关的通航安全事宜-英国的航海实践、通航安全和紧急响应》中提出各种可用的数值模型，但建设单位更倾向于使用COLLRISK模型。

4) IALA开发的IWRAP(IALA Waterway Risk Assessment Program)工具[23]是一种定量的概率计算工具，可根据研究水域的船舶交通量及其特征参数计算各种船舶类型在不同几何形状和空间特征的航线上的碰撞和搁浅事故概率。IWRAP背后的理论和方程已有详细记载和深入研究[24]，并被许多从业者使用。IMO认可并推荐IWRAP作为计算碰撞风险的理想工具。

5) SSPA公司开发的模型也主要依赖AIS数据，定性和定量地预测给定海域中OWF建立前后的海上交通事故发生概率，并结合历史经验事故统计定量分析出事故后果的概率和水平。SSPA开发的模型旨在明确说明有关模型的所有信息，如模型的结构、输入数据等，具有一定的有透明度。SSPA研究的重点是船舶交通，与其他模型不同的是渔船和游艇也在一定程度上被包括在内。瑞典虽然在相关NRA工作中推荐IWRAP工具，但SSPA开发的模型和工具在瑞典更受欢迎。

6) MARCS(Marine Accident Risk Calculation System)模型由挪威船级社开发，将AIS交通流数据与OWF的位置和布局结合在一起，用以估算OWF安装前后的事故发生概率和后果水平。该模型计算船舶动力碰撞和漂移碰撞的参数几乎不透明。

除了上述各种方法、模型和工具以外，学者们还提出一些新的NRA框架，包括主航迹带边界[25]等先进的工具和模型，以解决现有NRA存在的问题，但这些研究并没有在实践中得到充分应用。

4 OWF通航风险评估模型的选择

比较上述各种模型可知:现有NRA使用的框架和模型工具中需要考虑的因素大同小异，大都倡导遵循IMO的FSA方法，但NRA报告的侧重点不同，例如德国更关注对后果的评估，且大多是针对在OWF附近航行的船舶通行影响的评估，并未考虑其他海事作业情况，船舶类型考虑的主要是大型船舶，忽略了运维船、拖船、渔船和休闲船等小型船舶。不同模型使用的船舶类型和船舶分类方式也不同，很难对评估结果进行对比分析。NRA使用的大量数据源于事故统计数据，目前还没有足够的事故样本来创建可靠的训练数据集。各利益相关方缺乏一定的沟通协调机制，导致诸如规划风电场占用习惯航路的问题时有发生。对于海上交通事故的概率和后果水平的最低可接受度(As Low As Reasonably Practicable，ALARP)的问题，国际上暂时没有通用的指南。

在选择与新兴海上风电相关的NRA模型时，可参照FSA方法建立一个统一、透明的NRA框架(见图2)，其中步骤2.2的船舶触碰概率和后果建议采用IWRAP工具分析，不仅要考虑OWF附近航行的船舶，而且应考虑其他海事作业，如运维船、拖船和海上搜救等。IWRAP工具满足透明性需求。

图2 海上风电NRA统一模型的概念设计框架

对于拟建OWF的通航风险是否可接受，建议采用ALARP图判定，ALARP图上不同区域的限制由海事管理部门、相关领域专家和海上风电各利益相关方共同商定。步骤4建议参照IMO文件中的具体公式。即使所有的风险都满足ALARP，也应在OWF全生命周期内定期监测和审查风险。如果在某个区域计划建立多个风电场，还需进行风险的累积影响研究。

5 结束语

在我国大力推动海洋产业布局向绿色低碳型和海洋战略型新兴产业方向发展的趋势下，海上风电开发逐渐挺进设有船舶习惯航路的近海区域，尤其是在福建沿海，已出现OWF规划场址与既有船舶航路冲突的问题。为避免OREI的功能海域干扰国际航运(或其他航海活动)关键海上通道，同时不会对船舶助导航设施造成不利影响，应在OWF规划和实施之前进行彻底的NRA，并实施足够的风险管理措施。现有NRA使用的框架和模型工具中需要考虑的因素大同小异，大都遵循IMO倡导的FSA方法，但目前广泛应用于欧洲的NRA商业模型的内部参数大多对用户不透明。特别是COLLRISK、IWRAP和SSPA等商业NRA模型中部分输入数据依赖于既有的海上事故案例统计。目前，OWF在国内还是新兴行业，暂不具有足够的船舶触碰风机基础事故样本创建可靠的训练数据集，因此，在我国OWF尚处于发展中的现阶段，可能不适用上述商业模型。为此，本文提出一个统一、透明的NRA框架，提供预测船舶触碰概率和后果的评估工具。目前该模型还只是概念模型，其在工业界的可操作性和接受程度有待进一步验证。