船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)警方法研究

浦云青 吳昌勝 鐘慶云 汪健

摘 要：發(fā)展海上風(fēng)電是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐，然而，海上風(fēng)電場(chǎng)作為固定礙航物，與航路安全的矛盾日漸突出。從風(fēng)電場(chǎng)安全保障的角度出發(fā)，通過(guò)建立船舶與風(fēng)電場(chǎng)安全距離模型，以及多船條件和外界環(huán)境影響下的碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，將模型應(yīng)用于風(fēng)電航標(biāo)與安全管理系統(tǒng)，并提出一種基于電子圍欄的船舶與風(fēng)電場(chǎng)碰撞預(yù)警方法，對(duì)潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警，把船撞風(fēng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)值可視化顯示，進(jìn)一步完善船舶與風(fēng)電場(chǎng)碰撞預(yù)警理論體系，保障風(fēng)電場(chǎng)營(yíng)運(yùn)安全及船舶通航安全。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng);安全間距;碰撞風(fēng)險(xiǎn);風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

在全球能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的背景下，開(kāi)發(fā)和利用清潔能源成為了國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主要方向。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的快速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)與船舶的通航安全逐漸引起人們的重視，如何減少風(fēng)電場(chǎng)對(duì)通航環(huán)境的影響，確保船舶航行安全，及時(shí)有效規(guī)避碰撞風(fēng)險(xiǎn)，是現(xiàn)階段海上風(fēng)電建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)船-機(jī)碰撞安全，吳志良[1]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)遭受船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行概述，并且針對(duì)單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)型式的風(fēng)機(jī)防護(hù)進(jìn)行了探討;Lehmann和Biehl[2-3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了油輪、集裝箱船、散貨船等多種類型船舶撞擊風(fēng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，在比較不同風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)抗撞能力的情況下，提出了相應(yīng)防撞措施。針對(duì)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)，張鋒[4]提出了一種船舶進(jìn)出錨地的碰撞風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型，定量計(jì)算船舶進(jìn)出天津港各錨地的碰撞風(fēng)險(xiǎn)度大小。針對(duì)基于船舶領(lǐng)域的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，日本學(xué)者藤井[5]最先提出船舶了領(lǐng)域的概念，畢修穎[6]結(jié)合AIS傳輸數(shù)據(jù)，基于船舶碰撞危險(xiǎn)度建立了船舶動(dòng)態(tài)避碰行為領(lǐng)域模型。針對(duì)停船距離的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，明力[7]等人在分析船舶倒車(chē)沖程的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通流跟馳理論研究了超大型船舶縱向間距問(wèn)題，建立超大型船舶安全縱向間距計(jì)算模型;黃寅[8]以船舶慣性、主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率等對(duì)倒車(chē)沖程進(jìn)行研究，建立了以倒車(chē)沖程為基礎(chǔ)的船舶領(lǐng)域模型。針對(duì)碰撞預(yù)警的研究，李義山[9]基于船舶碰撞危險(xiǎn)度建立了碰撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，運(yùn)用智能識(shí)別技術(shù)，識(shí)別不同會(huì)遇局面下存在的碰撞危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)并及時(shí)預(yù)警。

結(jié)合上述分析可知，當(dāng)前針對(duì)船撞風(fēng)機(jī)的研究較少，本文通過(guò)開(kāi)展船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)碰撞研究，構(gòu)建船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)安全距離模型及碰撞概率模型，計(jì)算不同情況下的碰撞概率，提出有效的碰撞預(yù)警方法，以保障海上風(fēng)電場(chǎng)水域船舶通航安全。

1 船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)安全距離計(jì)算

1.1基于船舶領(lǐng)域模型的安全距離

船舶航經(jīng)海上風(fēng)電場(chǎng)附近水域時(shí)，將海上風(fēng)電場(chǎng)整體視為一個(gè)障礙物，對(duì)于航向不指向風(fēng)電場(chǎng)的船舶，應(yīng)保證風(fēng)電場(chǎng)始終位于船舶領(lǐng)域范圍外。船舶在實(shí)際通航中，受風(fēng)流等外界環(huán)境干擾存在一定橫向漂移，駕駛?cè)藛T常通過(guò)控制舵角調(diào)整航向，使得船舶實(shí)際航向與計(jì)劃航向產(chǎn)生偏差，船舶領(lǐng)域范圍也發(fā)生變化，如圖1所示。

1.1.1基于船舶領(lǐng)域模型的安全距離建模

日本學(xué)者藤井經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè)某水道船舶交通流，得出藤井船舶領(lǐng)域模型如圖2所示。

1.1.2基于船舶領(lǐng)域模型的安全距離計(jì)算

本文選取不同尺度散貨船，航速取6m/s，常風(fēng)向?yàn)镾E，與附近習(xí)慣航路夾角為15°，風(fēng)速取10m/s，表層流速取2m/s，漲潮流方向?yàn)閃SW。

綜上可知：不同尺度散貨船與風(fēng)電場(chǎng)的安全距離不同，最小安全距離隨著尺度增加而增大，其中15萬(wàn)噸級(jí)散貨船在正常航行狀態(tài)下所需最小安全距離為1600m。

1.2基于船舶領(lǐng)域模型的安全距離

船舶航經(jīng)風(fēng)電場(chǎng)附近水域時(shí)，對(duì)于指向風(fēng)電場(chǎng)的船舶，船舶需在進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)前停船，安全距離如圖4所示。

1.2.1基于船舶停船距離的安全距離建模

綜上可知：船舶與風(fēng)電場(chǎng)的最小安全距離隨著船速增加而增大，當(dāng)航速在4m/s、6m/s時(shí)，15萬(wàn)噸級(jí)散貨船最小安全距離分別為1288m、2460m。

2 船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究

2.1船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)碰撞模型

2.1.1船舶偏航概率

上述模型中相鄰風(fēng)機(jī)間距1km，船舶在點(diǎn)A1處正北向航行。由Kunz模型可知，船舶偏航角呈正態(tài)分布，均值取0，方差取10°。船舶偏航概率公式如下：

2.1.2船舶未停船概率

2.2海上風(fēng)電場(chǎng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)案例

本文以江蘇濱海300MW風(fēng)電場(chǎng)為例，風(fēng)機(jī)組行距約1000m，風(fēng)機(jī)直徑2m，設(shè)定東南風(fēng)6級(jí)，能見(jiàn)度2000～2500m，漲潮對(duì)應(yīng)流速為2.5m/s。

2.2.1 1萬(wàn)噸級(jí)散貨船偏航概率及未停船概率

從偏航角度來(lái)看，1萬(wàn)噸級(jí)散貨船偏向37號(hào)風(fēng)機(jī)的角度最小約11.3°，偏向19號(hào)風(fēng)機(jī)的角度最大約88.5°;從停船距離來(lái)看，距離1號(hào)風(fēng)機(jī)最近約707m，距離56號(hào)風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)約19660m。

從偏航概率來(lái)看，1萬(wàn)噸級(jí)散貨船偏向37號(hào)風(fēng)機(jī)的概率最大為2.06×10-2，偏向19號(hào)風(fēng)機(jī)的概率最小為4×10-19;從未停船概率來(lái)看，船舶至1號(hào)風(fēng)機(jī)的未停船概率最大為2.29×10-1，船舶至56號(hào)風(fēng)機(jī)的未停船概率最小為1.98×10-6。

1萬(wàn)噸級(jí)散貨船與1、20、37、38號(hào)風(fēng)機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)較大，且與1號(hào)風(fēng)機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)最大為2.95×10-5。

2.2.2? 5000噸級(jí)散貨船偏航概率及未停船概率

從偏航角度來(lái)看，5000噸級(jí)散貨船偏向46、47號(hào)風(fēng)機(jī)的角度最小約9.5°，偏向1號(hào)風(fēng)機(jī)的角度最大約83.9°;從停船距離來(lái)看，距離10、11號(hào)風(fēng)機(jī)最近約1118m，距離56號(hào)風(fēng)機(jī)最遠(yuǎn)約9962m。

從偏航概率來(lái)看，5000噸級(jí)散貨船偏向46、47號(hào)風(fēng)機(jī)的概率最大為2.54×10-2，偏向1號(hào)風(fēng)機(jī)的概率最小為2.97×10-17;從未停船概率來(lái)看，船舶至10、11號(hào)風(fēng)機(jī)的未停船概率最大為3.29×10-5，船舶至56號(hào)風(fēng)機(jī)的未停船概率最小為3.28×10-5。

5000噸級(jí)散貨船與10、11、29、30、47、48、49、50號(hào)風(fēng)機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)較大，且與48、49號(hào)風(fēng)機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)最大為8.33×10-5。

3 基于網(wǎng)格的風(fēng)險(xiǎn)可視化

本文將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)網(wǎng)格劃分為大小相同的矩形，將船舶與風(fēng)機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)值可視化顯示。

由圖9～圖10可知，1萬(wàn)噸級(jí)散貨船與外側(cè)的1、20、37號(hào)風(fēng)機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)（較高風(fēng)險(xiǎn)），其余等級(jí)為I級(jí)（低風(fēng)險(xiǎn)）; 5000噸級(jí)散貨船與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)10、11、29、30、47～50號(hào)風(fēng)機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)（較高風(fēng)險(xiǎn)），其余等級(jí)為I級(jí)（低風(fēng)險(xiǎn)）。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文提出了船舶與海上風(fēng)電場(chǎng)安全距離的計(jì)算方法，對(duì)于航向不指向風(fēng)電場(chǎng)的船舶，基于船舶領(lǐng)域模型計(jì)算船舶在不同風(fēng)流壓差下的安全距離;對(duì)于航向指向風(fēng)電場(chǎng)的船舶，基于船舶停船理論計(jì)算安全距離。

（2）構(gòu)建了船舶碰撞風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的概率模型和風(fēng)險(xiǎn)模型。改進(jìn)了Kunz模型提出一種船撞風(fēng)機(jī)概率模型，基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)實(shí)例計(jì)算，并利用網(wǎng)格的風(fēng)險(xiǎn)可視化方法，將各風(fēng)機(jī)與船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)可視化予以展示。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳志良，王鳳武.海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式及計(jì)算方法[J].水運(yùn)工程，2008（10）：249-258.

[2] Lehmann E， Peschmann J. Energy Absorption by the Steel Structure of Ships in the Event of Collisions[C]. Preprints of 2nd International Conference on Collision and Grounding of Ships， Copenhagen， 2001.

[3] Biehl F， Lehmann E. Offshore Wind Energy， Chapter 17， Collisions of Ships with Offshore Wind Turbines： Calculation and Risk Evaluation [M]. Berlin， Heidelberg， Springer. 2006..

[4] 張峰. 基于AIS信息的天津港錨地碰撞風(fēng)險(xiǎn)度研究[D].集美大學(xué)，2019.

[5] Yahei Fujii，Kenichi Tanaka. Traffic Capacity. The Journal of Neuroscience . 1971.

[6]畢修穎，賈傳熒，吳兆麟，姜廣生.船舶避碰行動(dòng)領(lǐng)域模型的研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（01）：9-12.

[7]明力，劉敬賢，王先鋒.超大型船舶安全縱向間距計(jì)算模型[J].中國(guó)航海，2014，37（04）：40-43.

[8]黃寅. 風(fēng)流作用下的內(nèi)河船舶領(lǐng)域模型及應(yīng)用研究[D].武漢理工大學(xué)，2012.

[9]李義山. 基于隨機(jī)森林的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究[D].武漢理工大學(xué)，2017.