基于AIS 數(shù)據(jù)的中廣核大練海上風(fēng)電場(chǎng)交通流分析

吳益新

(福州航標(biāo)處，福州 350001)

1 前言

交通流理論是運(yùn)用物理學(xué)、 流體力學(xué)和數(shù)學(xué)的定律來描述交通特性的一門邊緣科學(xué)， 是交通工程的基礎(chǔ)理論之一[1，2]。 海上交通運(yùn)輸工程的相關(guān)研究人員將交通流理論引入海上交通中來， 用其對(duì)海上交通進(jìn)行研究與分析。

平潭島海域風(fēng)能資源較豐富，具有很好的開發(fā)價(jià)值，建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)能有效利用風(fēng)能資源， 對(duì)于降低福建省的煤炭消耗、緩解環(huán)境污染、改善電源結(jié)構(gòu)等具有積極的意義，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的具體體現(xiàn)，是福建省能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。目前，中廣核平潭大練300MW 海上風(fēng)電場(chǎng)工程已經(jīng)取得國(guó)家能源局的批準(zhǔn)， 海上風(fēng)電場(chǎng)的施工建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)將影響周邊水域的海上船舶的交通安全， 同時(shí)通航安全也將面臨挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。本文利用AIS 記錄的數(shù)據(jù)，確定中廣核大練海上風(fēng)電場(chǎng)水域作為研究水域， 通過不同方法對(duì)研究水域的交通流進(jìn)行分析， 評(píng)估涉水工程設(shè)計(jì)和建設(shè)是否合理。 另外，根據(jù)船舶交通流行為特征的影響因素分析，提出更為合理可行的優(yōu)化措施和建議。

2 船舶交通流行為特征及影響因素

2.1 船舶交通流行為特征

船舶交通流模型包括5 個(gè)基本要素，即船舶交通流位置、船舶交通流方向、船舶交通流寬度、船舶交通流密度和船舶交通流速度[3]。 根據(jù)船舶交通流的整體和個(gè)體差別，船舶交通流的行為特征可分為宏觀行為特征和微觀行為特征兩類[4]。 宏觀行為特征是指在一定的環(huán)境條件下，某個(gè)區(qū)域、某段時(shí)間大量船舶相互作用下的整體行為特征，主要包括船舶流量、船舶交通流構(gòu)成、時(shí)空分布特性、船舶間時(shí)距分布和等待時(shí)間分布5 類；微觀行為特征是指將時(shí)間微觀、空間網(wǎng)格化之后，在一定環(huán)境條件下單艘船舶在周圍其他船舶影響下所表現(xiàn)出來的個(gè)體行為特征，主要以船舶的特征體現(xiàn)，包括船舶位置、方向、速度、寬度、船舶間距和船舶間時(shí)距等，具體如圖1 所示。

圖1 船舶交通流行為特征

2.2 船舶交通流行為特征影響因素

船舶交通流行為特征是船舶自身與外界環(huán)境條件共同作用的結(jié)果，船舶自身可稱為內(nèi)因，外界環(huán)境條件可稱為外因。船舶交通流行為特征的影響因素很多，主要包括船舶特征和外界環(huán)境條件兩類，如圖2 所示。

圖2 船舶交通流行為特征的影響因素

3 船舶交通流分析

3.1 數(shù)據(jù)的選擇

本文采用的數(shù)據(jù)是利用廈門海磐海事咨詢服務(wù)有限公司提供的工程附近海域2018 年的AIS 數(shù)據(jù)，主要研究分析的數(shù)據(jù)為： 船舶交通流行為特征中的宏觀行為特征(船舶流量、交通流構(gòu)成和時(shí)空分布特性)以及微觀行為特征(位置、方向和寬度)；船舶交通流行為特征的影響因素中的船舶特征(船舶類型和船舶尺度)以及外界環(huán)境(航道、航路和港口碼頭)。

結(jié)合本工程所在區(qū)域如圖3 所示， 考慮到受福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋施工棧橋建設(shè)的影響， 封堵了海壇海峽北東口水道， 目前海壇海峽北東口水道處于封航狀態(tài)，無船舶通航。故選取兩個(gè)截面的AIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如圖3 所示。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 船舶類型分析

本文根據(jù)研究水域船型特點(diǎn)，分為客船、貨船、非運(yùn)輸船、液貨船和不能識(shí)別5 類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，兩個(gè)截面船舶流量統(tǒng)計(jì)如下表1 所示。

截面一(人嶼島-長(zhǎng)嶼島)，2018 年船舶流量約30969艘次，日均流量約85 艘次，其中分為經(jīng)過松下航道與鼓嶼門航道的船舶。貨船最多，約占61%；其次為非運(yùn)輸船，約占總流量的16%；再次為液貨船，約占5%。

截面二(小練島-大練島)，2018 年船舶流量約3622艘次，日均流量約10 艘次，船舶流量較小。 客船最多，約占35%；其次為非運(yùn)輸船，約占總流量的16%；再次為貨船，約占14%。

圖3 本工程位置及選取截面示意圖

表1 截面船舶流量統(tǒng)計(jì)表

表2 通航船舶尺度統(tǒng)計(jì)表

從上面分析可知本工程B 區(qū)附近的船舶流量明顯較大， 風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)期應(yīng)特別注意其與附近航道船舶的干擾。

3.2.2 船舶尺度分析

本文根據(jù)研究水域船舶尺度中船長(zhǎng)的分布特點(diǎn)，分為5 類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，兩個(gè)截面船舶尺度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

截面一(人嶼島-長(zhǎng)嶼島)，通航船舶中，船長(zhǎng)≤90m 的通航船舶占75%， 船長(zhǎng)90～150m 的船舶約占24%，150～300m 的船舶約占1%，無超過300m 的船舶。

截面二(小練島-大練島)，通航船舶中，船長(zhǎng)小于等于90m 的通航船舶23336 條占99%，大型船舶150～200m 僅1 條。

從上面分析可知，本工程附近大部分為中小型船舶，風(fēng)電場(chǎng)在施工與運(yùn)營(yíng)期應(yīng)特別注意中小型船舶航行規(guī)律， 并做好相關(guān)導(dǎo)助航設(shè)施引導(dǎo)中小型船舶安全穿越風(fēng)電水域。

3.2.3 區(qū)域船舶密度分析

區(qū)域船舶密度圖分析如圖4 所示， 鼓嶼門航道為第1 等級(jí)(紅色)，密度最大，松下航道為第二等級(jí)(橙色)，大小煉島之間為4 級(jí)區(qū)域(綠色)。 從圖4 還可以看出，由于C 區(qū)正在施工， 出現(xiàn)了明顯穿越風(fēng)電場(chǎng)施工船舶的交通流。 根據(jù)以上分析，存在部分橫穿風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域船舶，需要在風(fēng)電場(chǎng)施工區(qū)與運(yùn)營(yíng)期做好引導(dǎo)， 特別是運(yùn)營(yíng)期需要在風(fēng)電樁相關(guān)重要位置布置導(dǎo)助航設(shè)施， 引導(dǎo)穿越風(fēng)電場(chǎng)的小型船舶，特別是小型漁船。

3.2.4 截面單位長(zhǎng)度的船舶流量分析

本次針對(duì)AIS 數(shù)據(jù)還繪制了截面單位長(zhǎng)度(100m)船舶流量柱狀圖， 可以看出兩個(gè)截面中松下航道與鼓嶼門航道所在的位置船舶流量較集中，具體詳見圖5，說明本工程附近水域船舶航行還是遵循航路與習(xí)慣航路， 具有一定規(guī)律性。 風(fēng)電場(chǎng)施工期與營(yíng)運(yùn)期應(yīng)特別注意做好航道與習(xí)慣航路上的船舶引導(dǎo)，保證安全。

圖4 區(qū)域船舶密度圖截圖

圖5 截面一單位長(zhǎng)度(100m)船舶流量柱狀圖

3.3 建議

通過對(duì)兩個(gè)截面AIS 船舶流量在類型、尺度、密度以及單位長(zhǎng)度流量的統(tǒng)計(jì)分析，風(fēng)電場(chǎng)在施工期與營(yíng)運(yùn)期，為保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)的安全需注意以下幾個(gè)方面：

(1)B 區(qū)靠近松下航道一側(cè)應(yīng)注意引導(dǎo)大型船舶，做好導(dǎo)助航設(shè)施設(shè)備，且考慮到該側(cè)流量較大，應(yīng)加強(qiáng)日常監(jiān)管。

(2)還存在少量穿越風(fēng)電場(chǎng)船舶，需要在施工期與運(yùn)營(yíng)期做好引導(dǎo)， 特別是運(yùn)營(yíng)期需在關(guān)鍵風(fēng)電樁位置上設(shè)置必要的導(dǎo)助航設(shè)施， 引導(dǎo)穿越船舶安全通過與駛離風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域。

(3)鑒于船舶航行還是遵循航路與習(xí)慣航路，具有一定規(guī)律性， 建議風(fēng)電場(chǎng)施工期與運(yùn)營(yíng)期設(shè)置的導(dǎo)助航設(shè)施應(yīng)避免與已經(jīng)設(shè)置好的導(dǎo)助航設(shè)施互相干擾， 保證安全。

(4)考慮到本文AIS 數(shù)據(jù)為2018 年，其中受福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋施工棧橋的影響， 封堵了海壇海峽北東口水道， 目前海壇海峽北東口水道仍處于封航狀態(tài)，無船舶通航，后期鐵路橋建成后，還應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)海壇海峽北東口水道通航后的AIS 船舶數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的分析。

(5)由于海上航行船舶還有部分未裝AIS 小型船舶與漁船，并沒有在分析中體現(xiàn)，應(yīng)在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際施工與運(yùn)營(yíng)期間，加強(qiáng)觀察與通過實(shí)地考察的方式補(bǔ)充該方面數(shù)據(jù)，進(jìn)行細(xì)致的科學(xué)分析。

4 總結(jié)

船舶交通流行為特征是進(jìn)行船舶交通流統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)測(cè)、應(yīng)用等研究的重要基礎(chǔ)理論。本文從不同船舶特征初步分析了中廣核平潭大練海上風(fēng)電場(chǎng)工程附近水域船舶交通流行為特征，并給出相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，另外根據(jù)分析的結(jié)果提出針對(duì)性的措施和建議。 考慮到AIS 數(shù)據(jù)的不完整性， 建議后續(xù)還應(yīng)根據(jù)實(shí)際船舶流量的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行合理化補(bǔ)充分析， 更好地保障風(fēng)電場(chǎng)施工期與運(yùn)營(yíng)期的安全。