中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

戴厚興, 吳兆麟, 劉大剛

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.交通運輸部 煙臺打撈局，山東 煙臺 264012)

中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

戴厚興1,2, 吳兆麟1, 劉大剛1

(1.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.交通運輸部 煙臺打撈局，山東 煙臺 264012)

在深入調(diào)查研究海事主管部門和港航企業(yè)對海冰預(yù)警產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險模糊綜合評價理論和技術(shù)，建立可用于中國北方海域冰區(qū)航行船舶的風(fēng)險預(yù)評估模型。使用ENVI軟件對NASA的海冰衛(wèi)星遙感實況和國家海洋局發(fā)布的海冰預(yù)報信息進行再處理，提取有關(guān)海冰密集度和厚度信息作為風(fēng)險評估的背景場，進而提出冰區(qū)航行船舶風(fēng)險狀況動態(tài)評估預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案。仿真實例分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)可動態(tài)、直觀、有效地給出我國北方海域冰區(qū)航行船舶未來的風(fēng)險狀況，可作為保障船舶冰區(qū)航行安全的輔助決策產(chǎn)品，供海事主管部門、航運企業(yè)和港口生產(chǎn)調(diào)度部門使用。

海事氣象安全保障；冰區(qū)航行船舶；模糊綜合評價；動態(tài)風(fēng)險評估；預(yù)警系統(tǒng)

我國北方海域每年冬季都會出現(xiàn)不同程度的冰情。歷史上該海域的海冰曾對海上交通運輸和船舶航行安全構(gòu)成極大威脅，造成多起航運受阻、船舶受損和石油平臺倒塌等事故。[1]

通過對海事主管部門、救助打撈部門和港航企業(yè)進行調(diào)研了解到，目前我國雖然有國家海洋局環(huán)境預(yù)報中心發(fā)布的海冰預(yù)報，但缺乏對我國北方海域冰區(qū)船舶航行風(fēng)險預(yù)評估的研究和可視化的預(yù)警產(chǎn)品。

近年來，不少相關(guān)專家和學(xué)者從社會需求的角度出發(fā)，對惡劣天氣下的海上交通風(fēng)險評估進行了一系列應(yīng)用研究。解以揚等對黃海和渤海的航行環(huán)境進行分析，就惡劣天氣影響船舶安全的風(fēng)險預(yù)估技術(shù)進行研究；吳金龍等針對渤海和黃海海區(qū)近年來發(fā)生重大事故的主要船舶類型，采用風(fēng)險分析理論和技術(shù)方法，劃分渤海和黃海海區(qū)重點船舶在大風(fēng)浪條件下的風(fēng)險等級，并應(yīng)用模糊評判的方法建立大風(fēng)浪條件下渤海海區(qū)應(yīng)重點關(guān)注船舶的風(fēng)險評估模型；孫成志等借鑒外軍經(jīng)驗，根據(jù)我國海軍艦隊航行氣象安全保障的實際需求，研發(fā)基于安全航線的海洋水文氣象保障輔助決策系統(tǒng)，可根據(jù)氣象和海洋預(yù)報部門提供的風(fēng)浪預(yù)報信息，分別實現(xiàn)24 h和48 h內(nèi)艦船活動范圍內(nèi)的風(fēng)浪動態(tài)顯示和風(fēng)險預(yù)警，以達到戰(zhàn)場指揮輔助決策的目的。[2]

本文借鑒已有研究成果，建立一個針對我國北方海域冰區(qū)航行船舶的風(fēng)險評估模型，并采用遙感信息提取技術(shù)對海洋預(yù)報部門給出的海冰實況和預(yù)報信息進行再處理，作為風(fēng)險評估的依據(jù)。[3]在此基礎(chǔ)上，提出一個兼具可視化動態(tài)顯示功能的中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險狀況評估預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案，使該系統(tǒng)達到有效彌補我國北方海域海冰預(yù)警服務(wù)的不足，為船舶冰區(qū)航行安全提供更有效的海事氣象安全保障的目的。

1 我國北方海域冰區(qū)航行預(yù)警服務(wù)現(xiàn)狀及需求分析

我國北方海域的海冰預(yù)警報主要由國家海洋預(yù)報中心發(fā)布，所發(fā)布的預(yù)報產(chǎn)品為定期的預(yù)報和警報，包括若干種海冰數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。

國家海洋預(yù)報中心發(fā)布的海冰定期預(yù)報產(chǎn)品包括年度、月份、旬和周的海冰預(yù)報，內(nèi)容主要為各海區(qū)在不同預(yù)報時段內(nèi)的浮冰范圍、海冰的一般厚度和最大厚度，分別以文字和示意圖的形式給出。海冰數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品包括業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報、高分辨率數(shù)值預(yù)報和精細化數(shù)值預(yù)報3種。

以海冰業(yè)務(wù)化中期數(shù)值預(yù)報為例，該預(yù)報產(chǎn)品每天更新一次，預(yù)報時效為168 h，時間步長為12 h。預(yù)報內(nèi)容主要為用不同顏色表示的不同海冰厚度分布情況、不同厚度海冰的面積和海冰的流速(見圖1)。

由此可見，國家海洋預(yù)報部門提供的海冰預(yù)報產(chǎn)品給出的僅僅是海冰的預(yù)報情況，并不提供針對海上航行和作業(yè)的風(fēng)險評估或預(yù)警產(chǎn)品。實際上，包括航運企業(yè)、海事局船舶安全管理部門、港務(wù)局和輪駁公司在內(nèi)的各單位對海冰狀況都十分關(guān)心，但海洋局提供的海冰實況和預(yù)報信息不能滿足其具體需求。通過對上述各單位進行調(diào)研得知，其希望得到的不僅僅是海冰的實況和預(yù)報信息，還有對冰區(qū)船舶航行和作業(yè)風(fēng)險進行預(yù)評估具有指導(dǎo)意義的輔助決策產(chǎn)品。

圖1 渤海海冰中期數(shù)值預(yù)報圖

2 海冰對船舶航行安全的影響分析

海冰對海上航行和作業(yè)安全的影響是多方面的，除了因海冰過厚造成船舶無法航行以外，還可能造成船體損壞、船體被海冰夾住無法動彈、海冰隨潮流移動使得拋錨船舶走錨、海底閥被海冰堵死、船舶管系凍裂及槳葉和舵葉受損等。

通過深入調(diào)研和分析研究發(fā)現(xiàn)，這其中很多事故或險情的發(fā)生實際上是人為造成的。對此，應(yīng)從培訓(xùn)和管理的角度著手，從海冰預(yù)警方面僅可給予提醒。因此，真正可通過應(yīng)用海冰中航行船舶風(fēng)險分析和海冰預(yù)警來避免的事故僅包括由于海冰過厚和密集度過大造成的船舶無法航行，以致可能造成船體變形、破損和失控等。具體分析見表1。

3 冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估模型的建立

采用自然災(zāi)害動態(tài)風(fēng)險評估中的模糊綜合評價理論和方法，可建立針對我國北方海域冰區(qū)航行船舶的風(fēng)險預(yù)評估模型。[4]

首先采用專家經(jīng)驗評定的方法，并根據(jù)風(fēng)險分析理論和風(fēng)險管理理論中的最低合理可行(As Low As Reasonably Practicable，ALARP)原則[5]，得到我國北方海域冰區(qū)航行船舶的風(fēng)險等級，并給出相應(yīng)的冰況描述和航行建議(見表2)。

采用模糊綜合評價理論和方法對冰區(qū)中航行船舶的風(fēng)險等級進行模糊評定，就是給出觸發(fā)因子論域U中觸發(fā)因子的模糊子集A與風(fēng)險等級論域V上的各風(fēng)險等級的模糊子集B之間的關(guān)系。

表1 海冰對冰區(qū)航行船舶安全的影響分析

表2 我國北方海域冰區(qū)航行船舶的風(fēng)險等級

實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，船舶在冰區(qū)中航行的風(fēng)險除了與海冰厚度和密集度有關(guān)以外，主要與船舶的冰級和噸位有關(guān)?？紤]到在我國北方海域航行的船舶中具有Ice Class B級以上冰級的船舶很少，因此主要將船舶的噸位、海冰厚度和密集度作為觸發(fā)因子來確定船舶在冰區(qū)航行的風(fēng)險等級。

將海冰厚度分為<10 cm，10～<15 cm，15～<20 cm， 20～<30 cm，30～<40 cm和≥40 cm等6種狀況，每種海冰厚度對應(yīng)的海冰密集度可分為<50%，50%～70%和80%～100%等3種狀況，故共有18種作為觸發(fā)因子的海冰狀態(tài)。因此，觸發(fā)因子的論域U可記為

U={s1,s2,…,s18}

(1)

式(1)中：si為上述18種海冰狀態(tài)之一。

根據(jù)表2確定的風(fēng)險等級的論域可記為

V={無風(fēng)險，黃色風(fēng)險，橙色風(fēng)險，紅色風(fēng)險}

(2)

若某種噸位的船舶在某一時刻、某種海冰狀況(包括海冰厚度及海冰密集度)下的風(fēng)險矩陣為

無風(fēng)險 黃色風(fēng)險 橙色風(fēng)險 紅色風(fēng)險

(3)

式(3)中:i=1，2，…，n為各種可能的海冰狀態(tài)，這里取n=18，即共劃分18種海冰厚度與對應(yīng)的密集度下的海冰狀況；j為不同的航線；t為某條航道上的某一時刻。

采用專家經(jīng)驗評定的方法，可得到不同噸位船舶在不同海冰狀態(tài)下隸屬于不同風(fēng)險等級的隸屬度，即不同噸位船舶在不同的海冰狀態(tài)下航行的風(fēng)險矩陣。表3為5 000噸級船舶在冰區(qū)中航行的風(fēng)險矩陣。其余噸位船舶的風(fēng)險矩陣略。

鑒于當(dāng)前海冰狀況預(yù)報的不準確性，當(dāng)采用事先使用統(tǒng)計方法得到的預(yù)報出現(xiàn)在海冰狀況狀態(tài)i之后，實際出現(xiàn)各可能海冰狀況狀態(tài)的概率為

(4)

式(4)中：aij(j=1，2，…，n)為不同等級的海冰狀況出現(xiàn)的概率。[6]

表3 5 000噸級船舶在冰區(qū)中航行的風(fēng)險矩陣

由此，可得到我國北方海域冰區(qū)航行船舶的風(fēng)險評估模型，即對于某一時刻在任意一個冰區(qū)中航行船舶風(fēng)險等級的模糊子集，可由式(5)得到。

B(t)=R(t) °Ai=

(5)

式(5)中：bi(t) (i=1, 2, 3, 4)為在當(dāng)時的海冰狀態(tài)下該類船舶隸屬于無風(fēng)險、黃色風(fēng)險、橙色風(fēng)險和紅色風(fēng)險等級的隸屬度。[7]

4 中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估預(yù)警系統(tǒng)概況

4.1 我國北方海域海冰資料來源和再處理

根據(jù)建立的我國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險等級、風(fēng)險矩陣和風(fēng)險預(yù)評估模型，提出一個中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)所使用的我國北方海域海冰資料包括海冰實況信息和海冰預(yù)報信息。根據(jù)該系統(tǒng)的具體要求，需對海冰資料的原始信息進行再處理。

該系統(tǒng)所使用的我國北方海域海冰實況信息為美國NASA發(fā)布的分辨率為1 km的MODIS-1B衛(wèi)星遙感原始數(shù)據(jù)集。利用遙感圖像處理軟件ENVI對該信息進行預(yù)處理，使其達到可提取海冰要素的前提條件。[8]預(yù)處理內(nèi)容包括輻射定標、幾何校正及感興趣區(qū)的圖像(矢量)裁剪。此外，為使提取海冰的要素更加精確，對裁剪后的圖像進行大氣校正，從而達到降低云霧影響的效果。

在利用ENVI軟件先后進行冰水分離和海冰面積提取之后，采用目前普遍應(yīng)用的單通道算法，利用單通道的反照率和亮溫數(shù)據(jù)求取海冰密集度。[9]

這里使用在實際工作中操作容易、效果較好的“海洋1號A”衛(wèi)星海冰反演系統(tǒng)給出的海冰厚度與反射率關(guān)系的經(jīng)驗性曲線進行海冰厚度反演。[10]利用ENVI獲取的海冰反射率數(shù)值，結(jié)合文獻中得到的海冰厚度與反射率對應(yīng)的經(jīng)驗性函數(shù)，即可得到海冰厚度信息。

該系統(tǒng)使用的海冰預(yù)報信息來自于國家海洋局環(huán)境預(yù)報中心，但該海冰厚度和密集度數(shù)值預(yù)報圖與相關(guān)行業(yè)部門的需求不能很好地銜接。

為切實解決該實際問題，將上述海冰信息預(yù)報圖的原有形式細化為網(wǎng)格圖像形式。細化之后的海冰厚度和密集度預(yù)報信息網(wǎng)格為10 n mile×10 n mile。

4.2 中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估預(yù)警系統(tǒng)的功能和工作流程

該系統(tǒng)可在得到海冰厚度和密集度的實況信息及預(yù)報信息之后，根據(jù)事先調(diào)查得到的船舶在不同冰情條件下的風(fēng)險矩陣，計算得出船舶在未來72 h的冰情條件下處于整個海區(qū)或任意航線上各時刻所在位置的風(fēng)險等級，供下一步進行動態(tài)顯示使用。

該系統(tǒng)可根據(jù)使用者的要求，分別實現(xiàn)對整個海區(qū)風(fēng)險分布和航線風(fēng)險評估的顯示功能。

若使用該系統(tǒng)的海區(qū)風(fēng)險評估功能，則當(dāng)使用者查看整個海區(qū)的風(fēng)險分布時，只需選擇所關(guān)心的船舶噸位及所需評估時間，系統(tǒng)就將會自動提供未來72 h，時間步長為12 h的風(fēng)險預(yù)報。此外，系統(tǒng)還可根據(jù)使用者的需求選擇顯示參數(shù)，更加直接清晰地獲得實時及未來的海冰密集度或厚度信息。

若使用該系統(tǒng)的航線風(fēng)險評估功能，則該系統(tǒng)可根據(jù)使用者給出的計劃航線得出其所關(guān)注的船舶在其計劃航線上從預(yù)計開航時間至預(yù)計到港時間這段時間內(nèi)的最長未來72 h，每12 h一段的風(fēng)險等級。圖2為系統(tǒng)工作流程圖。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

5 應(yīng)用實例分析

下面舉例說明該系統(tǒng)的操作過程和預(yù)期效果，應(yīng)用實例是2015年1月22日10:00時，一艘5 000噸級的船舶預(yù)計在22日12:00時從京唐港開航，計劃航速為10 kn，預(yù)計于23日04:00時前后到達營口鲅魚圈港。若使用國家海洋局環(huán)境預(yù)報中心的網(wǎng)站，則僅能查詢到當(dāng)日海冰密集度和海冰厚度的實況及預(yù)報狀況，并不能直觀地了解船舶未來在冰區(qū)中航行時面臨的風(fēng)險狀況，更無助于制訂或及時修正在冰區(qū)內(nèi)航行的計劃航線(見圖3)。

a)渤海海冰中期數(shù)值預(yù)報b)渤海海冰密集度預(yù)預(yù)報

圖3 國家海洋局環(huán)境預(yù)報中心給出的海冰厚度和海冰密集度預(yù)報

相比之下，若使用本文提出的系統(tǒng)，則可較好地解決這些問題。使用者打開系統(tǒng)操作界面，輸入相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會自動給出22日08：00時整個我國北方海域?qū)τ? 000噸級船舶未來在冰區(qū)中航行的風(fēng)險等級分布情況。同時，可從風(fēng)險分布圖下端的時間欄中直觀地看到從22日08：00時起未來72 h每12 h 1次的各時刻5 000噸級船舶在整個海區(qū)內(nèi)的冰區(qū)中航行的最大風(fēng)險等級分布情況(見圖4)。

圖4 2015年1月22日08：00時冰區(qū)航行船舶風(fēng)險分布圖

使用者通過點擊冰區(qū)航行船舶風(fēng)險分布圖下端的時間欄，可選擇查看22日20：00時和23日08：00時相應(yīng)的風(fēng)險分布圖，這樣即可更加詳細地了解到該船在整個海區(qū)航行時段內(nèi)的風(fēng)險分布情況(見圖5和圖6)。

圖5 2015年1月22日20：00時冰區(qū)航行船舶風(fēng)險分布圖

圖6 2015年1月23日08：00時冰區(qū)航行船舶風(fēng)險分布圖

系統(tǒng)的另一個重要功能是冰區(qū)航行船舶航線風(fēng)險預(yù)評估。使用者可在系統(tǒng)界面右側(cè)相應(yīng)區(qū)域的菜單中選擇“航線設(shè)計”功能選項，開始進行航線風(fēng)險評估。在系統(tǒng)頁面上繪制出由京唐港到鲅魚圈港的計劃航線，輸入相關(guān)信息之后，系統(tǒng)會根據(jù)所能得到的冰況預(yù)報信息給出22日10：00時至22日20：00時和22日20：00時至23日04：00時兩時段5 000噸級船舶的冰區(qū)航行風(fēng)險等級(見圖7和圖8)。

圖7 22日10：00時至22日20：00時航線區(qū)域風(fēng)險分布圖

圖8 22日20：00時至23：00日04：00時航線區(qū)域

由系統(tǒng)給出的結(jié)果可知，上述兩時段內(nèi)從京唐港到鲅魚圈港航線上5 000噸級船舶的最大風(fēng)險等級均達不到黃色風(fēng)險，這意味著海冰對5 000噸級船舶的正常航行基本無影響，僅需視冰量的多少改冷卻水外循環(huán)為內(nèi)循環(huán)，即可保證船舶在冰區(qū)航行的安全。

經(jīng)與鲅魚圈海事局交通管理中心(Vessel Traffic Services, VTS)、營口港務(wù)局輪駁公司調(diào)度室及營口港引航站等部門確認，2015年1月22—23日，鲅魚圈港及附近海面冰情較輕，5 000噸級船舶無需具有破冰功能的拖船協(xié)助即可自行進入鲅魚圈港，與該系統(tǒng)得到的結(jié)論一致。

6 結(jié)束語

將海冰等水文氣象預(yù)報產(chǎn)品與海上交通安全管理工作流程結(jié)合起來，提供切合海事管理和船舶安全管理需求的水文氣象安全保障服務(wù)，是保障海上交通安全的發(fā)展趨勢。國內(nèi)這方面的工作尚處于起步階段，僅少數(shù)氣象和海洋預(yù)報部門進行初步嘗試。

本文提出并研發(fā)的具有動態(tài)顯示和風(fēng)險評估功能的中國北方海域冰區(qū)航行船舶風(fēng)險評估系統(tǒng)能為海事主管部門監(jiān)督管理船舶、港航企業(yè)調(diào)度管理船舶和航海者安全操縱船舶提供科學(xué)指導(dǎo)，可作為保障船舶冰區(qū)航行安全的輔助決策產(chǎn)品，供海事主管部門、港航企業(yè)和航海者在實際工作中應(yīng)用。

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RiskEvaluationandEarlyWarningSystemforIceNavigatingVesselsinNorthernSeaAreasofChina

DAIHouxing1,2,WUZhaolin1,LIUDagang1

(1.School of Navigation, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2.Yantai Salvage Bureau， Ministry of Transport, Yantai 264012, China)

Based on the thorough investigation and research on the needs of maritime safety authorities and port & shipping companies for aids of ice navigation warning, a risk pre-evaluation model which can be used for ice navigating vessels in northern sea areas of China is proposed according to the theory and technique of fuzzy comprehensive risk assessment of natural disaster. Using ENVI software to reprocess satellite remote sensing ice data from NASA and sea ice forecasting information issued by NMEFC of China as necessary background field for risk evaluation, a dynamic risk pre-evaluation and warning system is developed. Simulation analysis shows that this system can dynamically, intuitively and effectively provide the risk degrees for sailing vessels in northern sea areas of China for the coming 72 hours. The system can be used as a kind of aids for decision-making to guarantee safety navigation in ice sea areas for maritime safety authorities, shipping companies and port control centers.

meteorological guarantee of maritime safety; ice navigating vessel; fuzzy comprehensive assessment; dynamic risk evaluation; early warning system

2017-11-14

交通運輸部海事局項目(0706-14400003N010)

戴厚興(1966—)，男，山東臨沂人，船長，高級工程師，博士生，研究方向為交通運輸安全保障與防護技術(shù)。E-mail: capt.dai@163.com

1000-4653(2018)01-0092-06

U676.1

A