北極東北航道航行實踐與安全性研究*

蔡梅江 曹 偉

（1.中石化中海船舶燃料供應有限公司 廣州510623；2.中遠海運特種運輸股份有限公司 廣州510627；3.武漢理工大學智能交通系統(tǒng)研究中心 武漢430063；4.武漢理工大學國家水運安全工程技術(shù)研究中心 武漢430063）

0 引 言

在全球氣候變暖的背景下，北冰洋的冰蓋面積逐漸減少，北極航道的通航條件漸佳，目前已實現(xiàn)季節(jié)性通航。在此背景下，環(huán)北極國家針對北極的戰(zhàn)略地位、地緣政治、資源利用、北極航線等展開了新一輪的研究熱潮。北極航道的開通，大幅減少遠洋運輸經(jīng)濟成本，降低狹窄水道、通航密度高及特殊敏感海域海盜等風險，直接影響我國傳統(tǒng)海上運輸貿(mào)易格局[1]。

北極航道是指連接大西洋和太平洋的海上通道，從地理位置上劃分，目前主要分為3 條：中央航道（通過北極點）、西北航道、東北航道。中央航道由于北冰洋中心區(qū)域存在多年堅冰覆蓋，冰級較低的船舶難以穿越北極點。西北航道由于大部分航段位于加拿大境內(nèi)的北極群島水域，復雜的島嶼環(huán)境和多年冰的存在，使得船舶的通航環(huán)境十分復雜且船舶的通航窗口期較短。東北航道西起挪威海，途經(jīng)巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海，到達白令海峽。由于夏季海冰的融化，東北航道目前已實現(xiàn)季節(jié)性通航，越來越多的商船穿越北極東北航道進行商業(yè)通航，北極東北航道常態(tài)化運行的商業(yè)潛力日益凸顯。

當前我國北極東北航道的航行實踐主要為中遠海運集團所屬中遠海運特運公司的商業(yè)航行活動，從早期的工作籌備到成功實現(xiàn)商業(yè)試航，都體現(xiàn)了我國在極地商業(yè)航行上的探索與實踐。在總結(jié)中國商船北極航行經(jīng)驗的基礎上，對航次所遇到的風險和危險場景進行分析，對北極冰區(qū)船舶航行的安全性進行研究。目前北極東北航道的現(xiàn)狀尚未達到大規(guī)模商業(yè)化通航的水平，因航道條件、船舶助導航、事故應急與救援保障能力還不成熟[2]，需要投入大量人力物力進行建設，為北極航道的進一步開發(fā)創(chuàng)造更好的環(huán)境條件。

1 中國商船北極航行實踐與回顧總結(jié)

2017 年7 月，俄羅斯與我國提出開展北極航道方面的合作，共同建設“冰上絲綢之路”。2018 年1月，中國政府發(fā)布了《中國的北極政策》白皮書[3]，闡明中國在北極問題上的基本立場，以及中國參與北極事務的政策目標、基本原則、和主要政策主張。

早在2012年11月，國家提出了“海洋強國”發(fā)展戰(zhàn)略，此舉推動了北極開發(fā)的戰(zhàn)略步伐。自2013年以來，中遠海運集團積極探索和開展極地航行活動，旗下中遠海運特運（原名為中遠航運）率先開辟了北極航線，組織多艘次船舶航經(jīng)北極東北航道，形成常態(tài)化、項目化運營，開辟了中國商船極地航行的先河。

2013—2019年，中遠海運集團一共派出17艘船，共計31航次，其中東行14個航次，西行17個航次，具體航次信息見表1。在北極東北航道31 個航次中，與航經(jīng)馬六甲海峽與蘇伊士運河傳統(tǒng)航線相比，共計節(jié)省里程122 812 n miles，節(jié)省燃油12 149 t，標準煤17 356 t，共運輸貨物52.41萬t。

2 東北航道安全風險研究現(xiàn)狀

北極東北航道自實現(xiàn)季節(jié)性通航后，一直受到社會各界的高度關(guān)注。北極航道作為一個環(huán)境敏感脆弱、地理位置特殊、通航條件復雜的航行水域，船舶在通航時要高度重視和關(guān)注相關(guān)的風險因素。目前國內(nèi)外針對北極船舶航行風險控制的研究主要集中于通航環(huán)境、編隊航行、海冰氣象預報、溢油處置技術(shù)等[4]，且技術(shù)相對比較成熟。

總結(jié)2013—2019年31次歷史航次數(shù)據(jù)，一共有14個航次申請破冰船護航，總結(jié)航行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，目前北極東北航道航行主要存在的風險有：通航環(huán)境復雜、冰區(qū)編隊航行缺乏理論支撐、船冰碰撞及冰困、船員疲勞駕駛、冰情預報的不確定性。

2.1 通航環(huán)境風險

東北航道地理位置特殊，地形復雜，通航環(huán)境具有不確定性與未知性的特點。國內(nèi)外學者針對通航環(huán)境的研究側(cè)重點不同，國外學者主要著重于環(huán)境風險對船舶實際航行安全的影響，而國內(nèi)學者則側(cè)重于通航環(huán)境因素的識別、分析和重要度分析。

國外學者的研究主要是結(jié)合船舶通航環(huán)境評估船舶的風險水平。A.Baksh 等[5]將北方海航道的5個海域作為對比，將風速、浪高、浮冰、冰脊和冰山等環(huán)境因素作為貝葉斯網(wǎng)絡的節(jié)點，以一艘油船為例預測船舶碰撞、擱淺以及沉沒的風險水平。M.Afenyo 等[6]建立貝葉斯網(wǎng)絡，考慮弱能見度、強風、雪暴、冰山等環(huán)境因素下船舶航行風險，對船舶事故場景進行分析。

國內(nèi)學者在通航環(huán)境方向的研究主要集中于風險影響因素的識別與分析，評估對象為船舶的航行環(huán)境。李振福等[7]對北極航線通航環(huán)境的特點進行了詳細分析，并從船舶通航的角度出發(fā)，在分析航線現(xiàn)狀及統(tǒng)計通航事故的基礎上，對北極航線通航環(huán)境進行了深度挖掘。付姍姍等[8]針對北極冰區(qū)船舶航行風險因素識別問題，提出了一種基于蒙特卡洛仿真的層次分析法，得到影響船舶北極冰區(qū)航行安全的重要環(huán)境風險因素為風、能見度、海冰密集度和氣溫，并對結(jié)果的合理性進行驗證。胡甚平等[9]基于北極東北航道的環(huán)境特點，對船舶航行過程的風險水平進行動態(tài)仿真分析。

通航環(huán)境因素的辨識與重要度分析有利于船舶航行風險防控，保障船舶航行安全。

表1 2013—2019 年北極航次匯總Tab.1 List of Arctic voyage since 2013—2019

2.2 冰區(qū)編隊航行風險

由于北極地區(qū)高緯低溫的特性，造成海冰成為船舶冰區(qū)航行的主要障礙。出于冰區(qū)船舶操縱和結(jié)構(gòu)安全性的考慮，低冰級船舶穿越冰區(qū)時需要破冰船的援助，破冰船編隊作業(yè)是冰區(qū)船舶作業(yè)常見的一種模式。目前關(guān)于船舶護航編隊作業(yè)的研究主要集中于編隊船舶的速度控制以及安全距離的確定，以保障編隊運輸?shù)陌踩c效率。

當進行編隊作業(yè)時，會根據(jù)船舶的冰級、動力性、噸位、操縱性等對船舶進行排序，確定編隊跟馳順序。破冰船作為領航船破冰前行，破冰方式為連續(xù)式破冰。由于海冰阻力的存在，破冰船的速度會在一定范圍內(nèi)波動，冰情嚴重時會造成破冰船停車。因此后方跟隨船舶與破冰船（前船）之間的距離控制是保證編隊安全航行的關(guān)鍵。在基于AIS數(shù)據(jù)和海冰反演數(shù)據(jù)的基礎上，F(xiàn).Goerlandt等[10]對護航和編隊作業(yè)類型進行分析，研究船舶間距與不同冰情之間的關(guān)系，并采用箱形圖展示了速度與不同海冰參數(shù)之間的關(guān)系。在編隊碰撞風險研究上，B.Khan 等[11]基于元胞自動機模型，模擬船舶編隊在不同的減速場景、編隊最大航速條件下船舶的碰撞風險水平。國內(nèi)學者針對冰區(qū)編隊作業(yè)安全研究，同樣發(fā)表了許多研究成果。M.Y.Zhang等[12]根據(jù)船舶跟馳理論建立船舶與破冰船碰撞概率模型，以可接受的碰撞風險概率為風險閾值，提出有效的避碰策略，以“永盛”輪與“50年勝利”號破冰船為例，仿真不同冰齡條件下的最短安全距離。船舶編隊作為一個復雜的運輸系統(tǒng)，安全距離的確定十分復雜，李振福等[13]基于道路交通流模型，分析北極冰區(qū)船舶的航行阻力以及制動性能，提出船舶的安全間距、跟馳速度的確定公式；W.B.Zhang等[14-15]基于安全距離模型和刺激反應模型分別提出了安全距離耦合運動模型和多船跟馳模型，并通過實際AIS 數(shù)據(jù)與模型輸出數(shù)據(jù)進行對比驗證。

2.3 船冰碰撞及冰困風險

船舶在冰區(qū)航行過程中，無法避免會與海冰相互作用。在船冰碰撞方面，由于船舶冰級以及船體結(jié)構(gòu)上的原因，船舶與海冰直接的碰撞會影響到船體的結(jié)構(gòu)安全，甚至在航行過程中可能與漂移的冰山相撞。在2019年1月，雪龍?zhí)柨瓶即谀蠘O航行時撞上漂移的冰山，導致船頭桅桿斷裂。在冰困方面，當船舶的破冰能力不足，會導致船舶發(fā)生冰困事件。

考慮到船舶操作系統(tǒng)和人員的不確定性，B.Khan 等[16]提出一種面向?qū)ο蟮呢惾~斯網(wǎng)絡模型，基于船舶導航和操作狀態(tài)、天氣、冰況、認為失誤等節(jié)點，動態(tài)預測船舶與冰山碰撞的概率，保障船舶航行安全。M.Afenyo等[6]借助貝葉斯網(wǎng)絡對船-冰山碰撞場景進行研究，分析導致碰撞事故的關(guān)鍵因素，有助于風險場景的決策制定。國內(nèi)研究主要集中于冰載荷研究，船體結(jié)構(gòu)安全分析。最早對冰載荷的分析預測主要采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式，但是適用范圍受限[17]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，最常見的有離散元分析方法對冰載荷進行分析[18]、有限元方法對船體結(jié)構(gòu)進行分析[19]。在冰山識別與避讓研究上，船舶在能見度不良條件下，采用船載雷達設備識別冰山要采取合適的量程和夜間如何有效使用探照燈，并做好提前避讓冰山的操作[20]。

在船舶冰困研究上，F(xiàn)u 等[21-22]建立貝葉斯網(wǎng)絡模型，對風險影響因素進行分析，通過構(gòu)建海冰密集度、海水溫度、冰厚度、船速等網(wǎng)絡節(jié)點，對船舶冰困概率進行預測，同樣的，提出另一種定量方法對冰困事件進行分析，從專家知識中提取初始事件和中間事件發(fā)生的概率，利用蒙特卡洛仿真和模糊集理論，定量分析船舶冰困的概率水平，有助于北極冰區(qū)風險管理和事故預防。當船舶遭遇冰困時，要及時分析造成冰困的原因，了解事件的嚴重程度，周圍海冰情況以及船舶自身結(jié)構(gòu)強度與貨物裝載情況，根據(jù)《極地水域操作手冊編寫指南》提出的解困措施，使船舶盡快脫困[23]。

2.4 船員疲勞駕駛風險

在北極低溫的環(huán)境下，對船員的生理和心理會造成一定的挑戰(zhàn)，尤其船舶冰區(qū)航行時與海冰巨大的撞擊聲對船員的心理狀態(tài)提出了更高的挑戰(zhàn)。在船舶連續(xù)長時間遭遇嚴重冰情時，或配備的大副缺乏冰區(qū)航行經(jīng)驗，將會導致船長在駕駛臺連續(xù)指揮航行時間過長，容易引發(fā)疲勞駕駛問題。

S.Kum 等[24]運用模糊故障樹分析法，對1993 至2011 年北極海上事故進行挖掘和分析，研究結(jié)果表明導致事故最重要的原因在于船員疏忽，該研究成果有助于指導船員適任能力培訓，規(guī)范船員安全操作。對此，在條件允許的情況下，可考慮配備2名船長，或者1 名具有冰區(qū)航行經(jīng)驗和船舶操縱能力的大副，交替航行值班，防止船員疲勞駕駛。

2.5 冰情預報不確定性風險

海冰是制約北極通航的最主要因素，它影響船舶破冰、導航、航速、船體結(jié)構(gòu)等[25]。無論是海冰密集度、厚度、覆蓋范圍估計，還是海冰運動預測，都對船舶航行安全造成威脅。由于極地風、洋流的影響，實際冰況與預報冰況存在較大誤差。

鑒于海冰檢測和采集方式的不同，最終的冰情預報數(shù)據(jù)是多源數(shù)據(jù)融合的結(jié)果，Liu等[26]分析目前多源數(shù)據(jù)融合的難點：有限的時空范圍和觀測存在的不確定性。李春花等[27]采集衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對北極航道的冰情變化和開通窗口期進行分析，給航道利用提供科學參考。船舶在航行期間，密切關(guān)注冰情預報，時刻掌握設計航線附近的風、流、海況以及氣溫變化趨勢，確保獲取即使可靠的冰情預報信息。

3 東北航道實際航次風險與防控措施

北極東北航道由于地處高緯度偏遠地區(qū)，航行條件惡劣，地緣政治敏感，航海資料及岸基救援力量匱乏，確保船舶航行安全是極地航行的首要任務。由于地理環(huán)境復雜、氣候及水文環(huán)境多變、信息的時效性等因素，實際航次遭遇的風險與事前理論評估風險存在很大的差異性。

3.1 通導設備工況惡劣

北極東北航道地處高緯度地區(qū)，惡劣的工況對船舶的通信導航設備提出了挑戰(zhàn)。一些傳統(tǒng)的船載通信終端會出現(xiàn)信號不穩(wěn)定或者斷網(wǎng)，尤其在75°N以北，根本接收不到信號。船舶電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)，自穿越白令海峽駛?cè)霒|北航道后，開始產(chǎn)生較大誤差。

對此，為克服北極高緯度地區(qū)通信困難，船舶配備了銥星通信等設備，覆蓋極地高緯區(qū)；并安裝了VSAT 和視頻傳輸設備，滿足大數(shù)據(jù)流量通信需求和視頻傳輸?shù)男枰?，為船舶的遠程指揮和安全監(jiān)管提供便利。

3.2 船員冰區(qū)航行經(jīng)驗匱乏

與傳統(tǒng)海域不同，北極東北航道由于海冰的存在，對船員的操作提出了更高的要求。自2013年以來，盡管一共組織了31 個航次的航行任務，但是船員的經(jīng)驗還不夠豐富，需要對船員開展相關(guān)安全知識和業(yè)務技能培訓。

為保障任務船舶航行安全，在2019年的實際航次中，每艘船舶都選調(diào)符合要求的船舶三長，確保每一艘參與計劃的船舶配置至少一名具有極地冰區(qū)航行經(jīng)歷的船長或大副。并根據(jù)任務船舶的實時動態(tài)，結(jié)合船員調(diào)配工作，靈活有序地組織開展相應安全知識、業(yè)務技能和心理輔導培訓。

3.3 船舶編隊航行風險

在北方海航道局的法規(guī)以及船舶自身抗冰能力不足條件下，船舶必須申請破冰船護航作業(yè)。由于破冰船與被護航船的抗冰能力差異較大，且在航行過程中被護航船需要跟隨破冰船的“尾跡”航行，對船舶的操縱性能和船長的操船技能要求較高。在編隊航行過程中，破冰船的任務是壓碎堅冰，開辟一條無冰航道，編隊船舶則在一個安全距離范圍內(nèi)，以與破冰船相近的速度跟隨，在跟馳的過程中需要頻繁調(diào)整航速、航向，控制與破冰船或其他船之間的間距。

在編隊作業(yè)過程中，破冰船作為領航船，整個編隊的航線、航速均由其全面指揮。編隊的順序有破冰船船長根據(jù)船舶的船寬、動力性、冰級、吃水等進行排序，從而保證編隊航行的最大通航安全和效率。編隊船舶之家的距離是由經(jīng)驗豐富的破冰船船長確定的，其大小與船速、船舶操縱性能、冰況等相關(guān)。

3.4 航線風險

航線風險涉及的因素非常多，例如習慣海峽的通航情況、船舶吃水、海冰漂移、氣象信息等。在任務船舶出發(fā)前，會根據(jù)冰情預報信息、氣象數(shù)據(jù)、船舶油耗等進行規(guī)劃航線[28]，為船舶實際航行提供路線參考。但是在實際航行過程中，海冰運動軌跡的不確定性、風、浪、流等會對設計航線造成威脅，嚴重的情況下融化的海冰會阻塞海峽，逼迫船舶繞行。

同樣地，高緯度航線與沿岸航線之間也存在巨大的差異。高緯度航線，距離短，轉(zhuǎn)向點較少，但是冰情嚴重；沿岸航線雖然無冰或者少冰，但是船舶需要頻繁調(diào)整航向，并且只適合吃水較小的船舶通行。

航線安全是保障船舶安全穿越北極東北航道的關(guān)鍵。習慣航線和深吃水航線的選擇、習慣航行海峽的風險判斷很大程度上依賴于最新的氣象預報數(shù)據(jù)、豐富的船員經(jīng)驗。

4 對推動北極航道建設的政策建議

一直以來，世界各國探索北極的腳步從未停止，自北極航道季節(jié)性通航實現(xiàn)后，各國目光紛紛聚焦于北極。繼2017年提出中俄雙方提出“冰上絲綢之路”的戰(zhàn)略后，2018年1月，國務院辦公室發(fā)布《中國的北極政策》白皮書。就依法合理利用北極資源，參與北極航道開發(fā)利用，闡明了中國愿依托北極航道的開發(fā)利用[3]，與各方共建“冰上絲綢之路”的基本立場，并鼓勵各方企業(yè)積極參與北極航道建設，依法開展商業(yè)試航，穩(wěn)步推進北極航道的商業(yè)化、常態(tài)化、項目化運行。

構(gòu)建“冰上絲綢之路”是“一帶一路”戰(zhàn)略的完美補充，是中國開拓發(fā)展的重大機會，但也面臨著巨大的政治障礙和技術(shù)挑戰(zhàn)。總之北極航線的開發(fā)利用，機遇與挑戰(zhàn)并存。

4.1 加大北極科考活動

截止到2019年夏季，中國一共組織35次南極科學考察，9次北極科學考察。科學考察時我國在北極的主要活動之一，通過科考記錄北極的航道、環(huán)境、氣候數(shù)據(jù)，對鞏固我國在北極的合法權(quán)益具有重要意義[29]。在推進北極科學研究方面，有序推動北極生命科學、物理科學、氣象學等方面的研究?！把?號”科考船在2019年7月順利下水，該船擁有雙向破冰能力和更先進的科考設備，我國極地科考研究即將邁入雙龍?zhí)綐O的新階段。

4.2 鼓勵國內(nèi)企業(yè)參與北極航道基礎設施建設

中國作為北極理事會正式觀察員國，又作為近北極國家，要堅持“尊重、合作、共贏、可持續(xù)”四大基本原則參與北極事務[30]。囿于北極航道特殊的氣候環(huán)境和政治環(huán)境的約束，參與北極建設應當以國家層面為主導，加強與環(huán)北極國家的合作，在能源、港口、鐵路等方面進行投資合作。為航道商業(yè)化運作和當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展做出實際的貢獻，確保綠色開發(fā)，持續(xù)利用，做到互利共贏。

4.3 構(gòu)建近北極國家戰(zhàn)略合作平臺

北極航道的開通，將會改變?nèi)蚝Ｉ线\輸貿(mào)易格局。另一方面，北極航道的開發(fā)也是北極利益相關(guān)者之間的較量。如何跨區(qū)域共同建設北極航道，是未來政策建設的重點，而北極理事會在協(xié)調(diào)事務方面的作用十分有限[31]。構(gòu)建近北極國家戰(zhàn)略合作平臺，需要各國進行資源共享、戰(zhàn)略對接、政策對接，實現(xiàn)北極航道的共商、共建、共享，實現(xiàn)統(tǒng)一化的戰(zhàn)略合作平臺。

5 總結(jié)與展望

目前北極東北航道已實現(xiàn)季節(jié)性通航，中遠海運集團以先行者的姿態(tài)，穩(wěn)步推動北極東北航道的商業(yè)化、常態(tài)化、項目化運營。針對實際航次信息，在通航環(huán)境、船冰碰撞及冰困、編隊航行安全等方面取得了一定的研究進展，保障船舶航行安全?！氨辖z綢之路”戰(zhàn)略是我國北極航道發(fā)展的重大機遇，為我國參與北極事務提供有力支撐。