海上风电场通航安全风险评估模型

张志民（东海保障中心连云港航标处，江苏 连云港 222042）

一、引言

海上风能是一种零二氧化碳排放的可再生清洁能源。根据世界海上风电论坛统计，中国海上风电行业持续快速增长，2020年在建总装机容量达到4.4 GW[1]。然而，海上风电产业的快速发展使航行环境变得更加复杂。例如，风电场与航路、航道和锚地的距离不足可能会造成船舶与风机发生碰撞；航标设置和维护不当可能对驾驶员造成困扰；风电场运营期产生的电磁辐射可能会影响船载导航设备[2]的性能。人们普遍认为，在海上风电场的设计、施工和运营期，应及时开展通航安全风险评估，为风电场选址、最小安全距离等提供决策支持。

二、海上风电场通航安全风险评估

（一）风险评估模型介绍

目前提出的风险评估方法大致为以下两种: 一是使用“客观”数据的定量方法，包括事件树分析、故障树分析、预先危险性分析和风险贡献树分析等；二是使用“主观”专家判断的定性方法[3]，包括故障模式、危害和可操作性分析、模糊综合评价和贝叶斯网络等。

近年来，许多学者提出了不同的风险评估模型。然而，不同单位针对同一个海上风电场开展的风险评估得到的结果却不一致。这种评估结果上的差异源于不同的国家和组织使用不同的风险评估模型和程序[4]。目前，我国《水上水下活动通航安全管理规定》并未规定使用何种通航风险评估模型。因此，模型应用呈现多样化。Ellis等人[4]的报告指出，某些模型的计算结果是不可复制的，因为所使用的方程和数值并不透明。

（二）选取海上风电场

滨海风电场位于江苏中山河口至滨海港近海海域，包含两个区块（H1＆H2），分别建设于2017年和2018年。根据江苏海事局2012年印发的《江苏沿海船舶航路规划》，有四条航路位于滨海风电场附近，如图1所示。

图1 滨海风电场附近航路

（三）开展通航安全风险评估

OpenCPN是一款简洁而稳定的海图绘图仪和导航软件，能够满足国际海事组织（IMO）相关要求。该软件支持S57海图和S63矢量海图显示、船舶自动识别系统（AIS）输入解码、目标跟踪和碰撞预警、航线规划、导航等功能。OpenCPN可以通过插件进行功能扩展，例如开发基于AIS的船舶交通流特性统计平台，从AIS信息中提取船舶的静动态信息。通过AIS数据对船舶交通流量、密度、航迹、航速、间距等主要信息进行研究，从中挖掘和快速统计船舶交通流特性，可以为滨海风电场通航安全风险评估提供数据支持。

1. 船舶交通流数据分析

首先，选择一个覆盖滨海风电场的矩形工作区。然后，从连云港航标处提取一定时间范围内（2020年9月至2021年5月）该工作区的船舶AIS源数据，并进行数据解析。最后，将解析数据导入OpenCPN，从而得到风险评估结果。在该时间范围内，对所有航经工作区内船舶的历史轨迹进行合成，如图2所示。可以看出，许多船舶在滨海风电场内部和附近航行。

图2 2020年9月至2021年5月工作区内船舶历史轨迹

为了便于统计，设置三个横截面。第一截AB面穿过灌河口至滨海港的近岸航路，第二截面AC穿过滨海H1风电场，第三截面BD穿过滨海H2风电场。三个截面船舶交通流分布如图3所示，蓝色条形图代表北上船舶，红色条形图代表南下船舶。分别对三个截面的船舶尺度进行统计分析，见表1。其中，航经第一截面的最大船舶长270 m，宽30 m。

图3 三个截面船舶交通流分布

表1 船舶尺度统计表

2. 最接近距离和平均接近距离的数学计算

利用OpenCPN对船舶交通流特性的统计分析为我们提供了滨海风电场附近船舶航行状态的直观认知。为了更客观地了解通航风险，首次提出一种基于船舶AIS数据计算过往船舶与海上风电场之间的最接近距离和平均接近距离的数学方法，并进行实际应用。

首先，建立数学公式。假设水平线段MN是穿越航路的横截面，1艘船舶垂直投影于平面，如图4所示。O点位于该船驾驶台半宽处，代表船舶的全球卫星导航系统（GNSS）坐标位置。当船舶穿越MN时，其船艏向为C，船宽为B。若忽略定位误差和风流压差，M与P（MN与船舶左舷投影的交点）的距离，及N与S（MN与船舶右舷投影的交点）的距离可表示为：

图4 横截面MN与船舶垂直投影

若横截面不是水平方向，且横截面与纬度存在夹角β，如图5所示：

图5 船艏向与MN的位置关系

图5仅显示了船舶航向介于0°至90°之间的情况，其实无论船舶航向位于哪个象限，均可以归纳为以下三种情形：

（1）N点的纬度高于M点纬度。则M与P，N与S的距离可表示为：

（2）N点的纬度低于M点纬度，且C＞β。则M与P，N与S的距离可表示为

（3）N点的纬度低于M点纬度，且C＜β。则M与P，N与S的距离可表示为：

对于第一截面的计算可以采用上面的公式。将顶点A和B作为滨海风电场外围的两点，然后获取相关船舶的船艏向、坐标、船宽等所需要的值。最终计算得到过往船舶与滨海H1、H2风电场的最接近距离和平均接近距离，见表2。从计算结果可以看出，一些船舶以很小的距离（约0.27 n mile）通过滨海风电场，显然不是安全通过距离。

表2 计算结果

三、风险控制措施

从滨海风电场附近航行船舶的历史轨迹可以看出，许多船舶在风电场附近甚至内部航行。这种航行习惯不仅危及船舶自身安全，且对海上风电场构成威胁。为了降低碰撞风险，提出以下风险控制措施：

（一）设置安全区、安全通过距离和推荐航道

根据《联合国海洋公约法》第60条第4款规定，“沿海国在必要时可以在人工岛、设施和离岸构筑物周围建立合理的安全区，并可在安全区内采取适当措施，以确保船舶航行安全和人工岛、设施和离岸构筑物的安全”。因此，建议在风电场外围设置宽度为500 m的安全区，所有船舶在风电场附近航行时应遵守和履行国际、国内公认的有关安全区规定。

船舶与风机的安全通过距离拟运用较为成熟的“最小安全距离”[5]模型计算得出，该模型是由世界水上运输基础设施协会（PIANC）提出，其最终计算公式如下：

（1）风电场位于船舶左舷（见图6左）：6倍船长 +500 m；

（2）风电场位于船舶右舷（见图6右）：0.3 n mile +6倍船长 + 500 m。

图6 风电场分别位于船舶左右舷

注：• 0.3 n mile是船舶在开始转向前偏离原航迹的距离；

• 6倍船长是船舶回转直径；

• 500 m是安全区宽度。

考虑到近岸航路位于风电场之间，船舶左右舷均有风机，因此应采用计算公式（2）。从评估结果可知，在风电场附近航行的船舶最大船长为270 m，考虑到船舶大型化趋势和水深条件，此处船长取300 m。最终计算安全通过距离=0.3 n mile+6×300 m +500 m≈1.5 n mile。设置安全通过距离前，辖区海事和航保部门应通过海上安全信息、海图和航海出版物等渠道进行充分宣传。

由评估结果可知，部分过往船舶通过风电场时距离很小，不利于船舶及风电场安全。根据连云港海事局2019年水上事故统计分析，全年共发生21起事故，其中有一起事故与海上风电场有关。因此，建议选定一支推荐航道，促进过往船舶航行安全。推荐航道起止点坐标可选为：34°30′11.30″N / 120°10′12″E,34°21′12″N / 120°20′23″E。由评估结果得知，使用该航路的船舶数量约为556艘次/年。根据荷兰海事研究所的一项AIS研究[5]，航道每年可容纳556艘次船舶，最大船长300 m，则该航道最小宽度=（2×2×船长）=2×2×300=1 200 m。考虑到该水域宽度充裕，推荐航道宽度建议拓宽至2 n mile。安全区和推荐航道见图7：

图7 滨海风电场安全区和推荐航道示意图

（二）标示推荐航道，调整灯质

推荐航道建议用安全水域标标示可航水域并分隔双向交通流。6座安全水域标可以设置于推荐航道中央，标志技术参数见表3。

表3 6座安全水域标技术参数表

《国际海上人命安全公约》第5章第13.2条规定，“为了尽可能统一助航设施，缔约国各政府在设置助航设施时应充分考虑国际推荐和指南”。根据国际航标协会（IALA）推荐R0139，一般而言，风电场外围重要设施应显示莫（C）黄光，灯光射程不低于5 n mile；风电场外围中间设施应显示莫（C）黄光，其闪光节奏应明显不同于外围重要设施的节奏，灯光射程不低于2 n mile。然而，滨海H1风电场设置于外围重要设施的4座灯桩和外围中间设施的2座灯桩显示着相同的闪光节奏。为了更好辨识，建议将设置于外围中间设施的2座灯桩的闪光节奏由12 s调整为15 s，且射程由5 n mile调整为2 n mile。

（三）建设AIS、VHF、雷达和CCTV配套设备

受岸基AIS基站作用距离和风电场信号干扰的影响，AIS信号丢失和通信中断时常发生。根据全球海上遇险与安全系统（GMDSS）海区划分，A1海区覆盖了以海岸电台为中心，半径约25 n mile的沿海水域。距滨海风电场最近的海岸电台位于连云港，其信号覆盖范围不包含滨海风电场。岸基雷达系统是船舶交通管理（VTS）服务的关键设备，滨海风电场同样不在滨海港VTS服务范围内。CCTV系统已广泛应用于重要港口和航道，实现了交通流的实时监控。鉴于此，建议在海上升压站上安装AIS及VHF基站、雷达和CCTV系统，以加强风电场附近水域的信号覆盖。以上所有数据可以接入至辖区海事局VTS，以实现船舶静动态信息全方位无缝监管。

四、结语

目前，已有多种通航风险评估模型广泛应用于海上风电场风险管理中，但模型使用多样化问题迫切需要解决。可以肯定地说，没有放之四海而皆准的模型。因此，在开展通航安全风险评估时，应选择具有互补性的模型，尽可能得出全面客观的评估结果。利用OpenCPN和提出的数学模型成功完成滨海风电场的通航风险评估，可为海上风电场通航风险评估提供一种基于AIS数据的定量分析工具。

海上风电场风险管理是一个新兴的课题，当前成熟的实践做法较少，上述风险控制措施尚待检验。当前存在的风险控制措施与风险程度不匹配问题，归根结底是因为海事行业与海上风电行业只关注各自领域，忽视了彼此行业的技术细节。随着无人船和浮式风机等更加复杂系统的诞生，双方应加强合作，制定与风险程度相匹配，既充分、成本效益又好的风险控制措施。只有这样，才能提升海洋空间利用率，促进航行安全与海上风电场和谐共存。