海上風(fēng)電通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)展

陳麗萍,陳金海,吳志華,周 鵬,彭 澎,張恒才

(1.集美大學(xué) a.信息工程學(xué)院;b.船舶輔助導(dǎo)航技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心, 福建 廈門(mén) 361021; 2.福建海事局通航管理處, 福州 350004;3.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101)

海洋風(fēng)力發(fā)電是解決全球氣候變暖、緩解能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。[1]隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)電場(chǎng)(Offshore Wind Farms, OWF)的可靠性及其發(fā)電成本效益日益提高，海上風(fēng)電項(xiàng)目已在歐洲北海和我國(guó)沿海得到長(zhǎng)足的發(fā)展。傳統(tǒng)海上用戶(hù)可自由使用的海域，特別是海上航行船舶的自由航行，已受到新興海上用戶(hù)的擠壓。因此,新舊用戶(hù)之間難免相互影響，乃至發(fā)生激烈沖突，例如在航船舶與風(fēng)力渦輪機(jī)(Offshore Wind Turbine, OWT)之間的觸碰事件。

1.從航海者的角度看，OWF的出現(xiàn)會(huì)使海上涌現(xiàn)出更多船舶需要避開(kāi)的礙航物，可能會(huì)限制船舶的可航行水域，導(dǎo)致船舶交通密度和碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加，使航行安全問(wèn)題惡化，從而給海事業(yè)務(wù)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。[2-3]此外，OWT會(huì)干擾船上雷達(dá)和甚高頻(Very High Frequency，VHF)等無(wú)線通信設(shè)備的正常工作，這些因素都會(huì)對(duì)海上通航安全造成不利影響。[1-2,4]

2.從海洋利用的角度看，為節(jié)約利用海洋資源，我國(guó)OWF的開(kāi)發(fā)已從航運(yùn)價(jià)值較低的淺海潮間帶(東海大橋、江蘇沿海)逐漸擴(kuò)展到商船習(xí)慣航路附近的近海(福建外海)和深遠(yuǎn)海(廣東深遠(yuǎn)海)。我國(guó)能源主管部門(mén)早期在制訂OWF規(guī)劃階段對(duì)海洋能源與海上交通的相互影響的認(rèn)識(shí)不足，以福建海上風(fēng)電工程規(guī)劃方案(見(jiàn)圖1)為例，該方案將潛在場(chǎng)址設(shè)在船舶習(xí)慣航路，導(dǎo)致相關(guān)建設(shè)單位在項(xiàng)目前期的投入全都白費(fèi)。

圖1 福建海上風(fēng)電工程規(guī)劃方案

為促進(jìn)我國(guó)沿海風(fēng)電場(chǎng)與海上航運(yùn)共同發(fā)展，避免出現(xiàn)海上新舊用戶(hù)之間的沖突，需借鑒歐洲在北海海洋空間規(guī)劃(涉及英吉利海峽等船舶航行密集的國(guó)際性海峽)過(guò)程中解決兩者之間沖突的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。本文綜述國(guó)內(nèi)外關(guān)于OWF對(duì)船舶交通流、船舶助導(dǎo)航設(shè)備等方面影響的各種評(píng)價(jià)方法和評(píng)估模型，并提出一些可行性建議，為我國(guó)相關(guān)部門(mén)科學(xué)評(píng)價(jià)海上風(fēng)電通航風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 OWF對(duì)船舶交通流的影響

OWF的存在可能會(huì)限制船舶的可航行水域，改變船舶航線，導(dǎo)致海上交通密度和碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加。

很多學(xué)者致力于研究OWF附近航行的船舶與OWT之間和船舶與船舶之間的觸碰概率(包括動(dòng)力碰撞、漂移碰撞和擱淺)，提出很多工具和模型[5]，用以規(guī)避、轉(zhuǎn)移或緩解碰撞。這些觸碰事故的幾何概率一般基于船舶不遵循其航向或偏離航道的概率推算。ELLIS等[6]提出用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)數(shù)據(jù)和概率分布計(jì)算幾何接觸概率和擱淺事故；AMDAHL等[7]提出將海洋空間數(shù)據(jù)和水深等信息與AIS數(shù)據(jù)結(jié)合來(lái)評(píng)估發(fā)生接觸或擱淺事件的風(fēng)險(xiǎn)。因果概率方程是各種物理參數(shù)的函數(shù)，如船舶速度、船舶類(lèi)型、船舶與事故區(qū)/物體間的距離、交通密度和人為因素。因果概率可使用故障樹(shù)、事件樹(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法估算。LI等[8]指出人為因素的不確定性和量化對(duì)未來(lái)研究的重要性。

專(zhuān)家學(xué)者對(duì)碰撞后果也有相關(guān)研究。EHLERS等[9]提出一種綜合的數(shù)值和半分析的程序評(píng)估船舶碰撞的損傷程度；BELA等[10]提出通過(guò)有限元(Finite Element，F(xiàn)E)建模來(lái)模擬不同類(lèi)型OWT與船舶之間的碰撞，為船舶和OWT提供預(yù)期的損壞，并從OWT結(jié)構(gòu)入手，提出柔性碰撞概念設(shè)計(jì)。這些研究的數(shù)據(jù)輸入主要是AIS數(shù)據(jù)，忽略了小型船舶。在OWF運(yùn)營(yíng)期間，運(yùn)維船與OWT之間的碰撞也受到關(guān)注。隨著海上風(fēng)電向深海發(fā)展，OWF將遠(yuǎn)離船舶交通流。因此，需要增加小型船舶和運(yùn)維船與OWT之間碰撞風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。DAI等[11]提出運(yùn)維船與OWT之間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架，研究碰撞風(fēng)險(xiǎn)的大小和重要的風(fēng)險(xiǎn)影響因素，并提出降低風(fēng)險(xiǎn)措施的建議。船舶定線制被認(rèn)為是減少船舶與OWF碰撞的有效方法。CHANG等[12]在進(jìn)行實(shí)證研究之后認(rèn)為船舶定線制能降低船舶與OWF之間碰撞的概率。

由于OWF可能會(huì)遮擋較小船舶，OWF邊界與規(guī)劃航路之間應(yīng)保持多少安全距離也是研究的方向之一。荷蘭對(duì)外公開(kāi)了與OWF相關(guān)的通航安全指南，規(guī)定了船舶與OWF的安全距離?！秶?guó)際海上避碰規(guī)則》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGs)詳細(xì)介紹了海上航路與OWF之間安全距離的估算方法。為確保OWF等水中構(gòu)筑物的通航風(fēng)險(xiǎn)最小化，國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)(International Association of Lighthouse Authorities,IALA)航運(yùn)委員會(huì)在2018年發(fā)布的《海上風(fēng)電與船舶航行的相互影響》報(bào)告中提供了用于評(píng)估OWF附近航行船舶所需機(jī)動(dòng)空間和OWF與海上航路之間最小間隔距離的方法、導(dǎo)則和建議。[13]

2 OWF對(duì)船舶助導(dǎo)航設(shè)備的影響

OWT在工作時(shí)產(chǎn)生的射頻信號(hào)可能會(huì)主動(dòng)干擾某些有源無(wú)線電航標(biāo)，也可能會(huì)干擾很多專(zhuān)用于海上航行安全的無(wú)線電通信導(dǎo)航設(shè)備，如船舶交管中心雷達(dá)和船載雷達(dá)、符合全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress And Safety System, GMDSS)的水上無(wú)線電通信、AIS、無(wú)線電測(cè)向儀(Radio Directional Finder, RDF)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)等。本文主要從雷達(dá)和無(wú)線電通信2個(gè)方面進(jìn)行討論。

2.1 OWF對(duì)雷達(dá)的干擾

OWF對(duì)雷達(dá)的干擾主要是反射影響、遮擋影響和風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾。OWT對(duì)雷達(dá)波有鏡面效應(yīng)，可能會(huì)產(chǎn)生虛假回波，并造成虛假回波與他船的回聲相混淆。在夜間和能見(jiàn)度較差的情況下會(huì)產(chǎn)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)。為使雷達(dá)能有效分辨出風(fēng)機(jī)與位于風(fēng)機(jī)附近的物標(biāo)，劉克中等[14]提出一種物標(biāo)與OWT之間最小垂向距離的計(jì)算方法。由于電磁波具有繞射能力，OWT遮擋部分的一定范圍內(nèi)仍然可探測(cè)到物標(biāo)。張連迎等[15]基于有限寬度屏蔽繞射模型，對(duì)單風(fēng)機(jī)繞射損耗進(jìn)行仿真計(jì)算，分析損耗對(duì)雷達(dá)漏警和虛警率的影響。王樹(shù)武等[16]在單風(fēng)機(jī)建模的基礎(chǔ)上提出整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的繞射損耗模型。風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，這不僅取決于旋轉(zhuǎn)速度,而且取決于方位角、仰角和葉片長(zhǎng)度等。隨著對(duì)風(fēng)能需求的增加，海上風(fēng)機(jī)的尺寸將增大，對(duì)雷達(dá)的影響也將更大[17]；若在信號(hào)處理中沒(méi)有使用多普勒分析或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示器，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不會(huì)引起干擾。[13]文獻(xiàn)[18]提出在風(fēng)電場(chǎng)安裝前就進(jìn)行徹底的影響研究，以便提出風(fēng)電場(chǎng)和雷達(dá)服務(wù)共存的解決方案。

2.2 OWF對(duì)無(wú)線電通信的干擾

除了對(duì)雷達(dá)的干擾，OWF的存在還可能影響在海上運(yùn)行的通信系統(tǒng)，如船-船、船-岸和船-空的通信鏈接，如VHF和AIS等。

LING等[19]對(duì)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)位于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)或周?chē)鷷r(shí)的情景進(jìn)行建模發(fā)現(xiàn):在塔后面觀察到明顯的陰影區(qū)域，在陰影區(qū)域外觀察到多徑干擾；當(dāng)多個(gè)風(fēng)機(jī)相對(duì)于收發(fā)器視線方向并排而立時(shí)，陰影加深，衰減風(fēng)險(xiǎn)增加。迄今為止，與雷達(dá)系統(tǒng)中觀察到的干擾相比，尚未發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)無(wú)線電通信系統(tǒng)的顯著影響。

3 OWF通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的比較

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估即識(shí)別和分析不良事件或過(guò)程結(jié)果，確定風(fēng)險(xiǎn)是否可接受的過(guò)程。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是確定該海域需要管理的風(fēng)險(xiǎn)，并尋求將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受水平的措施。OWF建設(shè)前要求證實(shí)已進(jìn)行徹底的海上風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并實(shí)施了足夠的風(fēng)險(xiǎn)管理措施[20],這一過(guò)程被稱(chēng)為通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(Navigation Risk Assessment，NRA)。NRA的一般流程為：收集數(shù)據(jù)、識(shí)別危險(xiǎn)、評(píng)估概率與后果、評(píng)估現(xiàn)有緩解措施和尋求其他風(fēng)險(xiǎn)控制選項(xiàng)(Risk Control Option，RCO)。NRA考慮的主要因素有船舶類(lèi)型、船舶交通、船舶航線、OWF相關(guān)數(shù)據(jù)(布局和位置等)、靜/動(dòng)態(tài)環(huán)境條件、現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)控制措施(船舶交通服務(wù)、分道通航制)和對(duì)海上助導(dǎo)航設(shè)備的影響等。通過(guò)開(kāi)展NRA，可評(píng)估OWF的建設(shè)是否會(huì)增加通航風(fēng)險(xiǎn)，若超過(guò)可接受水平，則須采取RCO，如改變船舶航線、設(shè)置航標(biāo)和設(shè)定OWF與航道之間的安全距離等。多年來(lái)，學(xué)者們已為許多情景開(kāi)發(fā)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和工具[21]，本文就現(xiàn)有NRA使用的框架和模型工具進(jìn)行分析和總結(jié)。

1) 綜合安全評(píng)估(Formal Safety Assessment，F(xiàn)SA)由國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)于2002年提出，2015年發(fā)布修訂版指南。[22]FSA是目前用于分析海事安全和制定相關(guān)監(jiān)管政策的結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的方法，為風(fēng)險(xiǎn)降低選項(xiàng)提供成本和效益評(píng)估。FSA方法可針對(duì)特定類(lèi)型的船舶或航行區(qū)域，也可用于解決特定的海事安全問(wèn)題。FSA方法中用戶(hù)可自由選擇用于概率和后果計(jì)算的模型和工具。

2) SAMSON(Safety Assessment Model for Shipping and Offshore in the North Sea)是由荷蘭海事研究所開(kāi)發(fā)的一種數(shù)值模型，可計(jì)算和比較OWF興建前后的海上交通事故的概率和后果,不僅可對(duì)船舶損壞、預(yù)期OWF停機(jī)時(shí)間、人員傷亡等可能性和后果進(jìn)行定量概率和后果評(píng)估，而且能評(píng)估各種風(fēng)險(xiǎn)控制(如重新規(guī)劃航線)的經(jīng)濟(jì)和效率成本，是FSA的理想補(bǔ)充。該模型與其他大多數(shù)模型一樣，數(shù)據(jù)來(lái)源為AIS數(shù)據(jù)。除了NRA考慮的一般因素以外，該模型還考慮了船舶機(jī)動(dòng)性和最小航道寬度。荷蘭和比利時(shí)更愿意遵循IMO的FSA方法，并贊同SAMSON模型。但是，SAMSON模型是一種商業(yè)模型，某些參數(shù)對(duì)公眾來(lái)說(shuō)可能不完全透明。

3) 英國(guó)Anatec公司的COLLRISK(Collision Risk Modelling Suite)是一種定量的概率模型，主要依靠船舶交通數(shù)據(jù)估算OWF建設(shè)前后海上交通事故風(fēng)險(xiǎn)的差異。COLLRISK模型使用動(dòng)能公式估計(jì)沖擊能量，使用過(guò)去的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)事故后果的概率和程度，如人命傷亡或環(huán)境破壞。英國(guó)雖然推薦FSA方法，并在為OWF建設(shè)單位制定海洋可再生能源工程設(shè)施(Offshore Renewable Energy Installation，OREI)的指南文件《關(guān)于OREI帶來(lái)海上通航安全和應(yīng)急處置風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法》《MGN 543(M+F)與OREI相關(guān)的通航安全事宜-英國(guó)的航海實(shí)踐、通航安全和緊急響應(yīng)》中提出各種可用的數(shù)值模型，但建設(shè)單位更傾向于使用COLLRISK模型。

4) IALA開(kāi)發(fā)的IWRAP(IALA Waterway Risk Assessment Program)工具[23]是一種定量的概率計(jì)算工具，可根據(jù)研究水域的船舶交通量及其特征參數(shù)計(jì)算各種船舶類(lèi)型在不同幾何形狀和空間特征的航線上的碰撞和擱淺事故概率。IWRAP背后的理論和方程已有詳細(xì)記載和深入研究[24]，并被許多從業(yè)者使用。IMO認(rèn)可并推薦IWRAP作為計(jì)算碰撞風(fēng)險(xiǎn)的理想工具。

5) SSPA公司開(kāi)發(fā)的模型也主要依賴(lài)AIS數(shù)據(jù)，定性和定量地預(yù)測(cè)給定海域中OWF建立前后的海上交通事故發(fā)生概率，并結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)事故統(tǒng)計(jì)定量分析出事故后果的概率和水平。SSPA開(kāi)發(fā)的模型旨在明確說(shuō)明有關(guān)模型的所有信息，如模型的結(jié)構(gòu)、輸入數(shù)據(jù)等，具有一定的有透明度。SSPA研究的重點(diǎn)是船舶交通，與其他模型不同的是漁船和游艇也在一定程度上被包括在內(nèi)。瑞典雖然在相關(guān)NRA工作中推薦IWRAP工具，但SSPA開(kāi)發(fā)的模型和工具在瑞典更受歡迎。

6) MARCS(Marine Accident Risk Calculation System)模型由挪威船級(jí)社開(kāi)發(fā)，將AIS交通流數(shù)據(jù)與OWF的位置和布局結(jié)合在一起，用以估算OWF安裝前后的事故發(fā)生概率和后果水平。該模型計(jì)算船舶動(dòng)力碰撞和漂移碰撞的參數(shù)幾乎不透明。

除了上述各種方法、模型和工具以外，學(xué)者們還提出一些新的NRA框架，包括主航跡帶邊界[25]等先進(jìn)的工具和模型，以解決現(xiàn)有NRA存在的問(wèn)題，但這些研究并沒(méi)有在實(shí)踐中得到充分應(yīng)用。

4 OWF通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的選擇

比較上述各種模型可知:現(xiàn)有NRA使用的框架和模型工具中需要考慮的因素大同小異，大都倡導(dǎo)遵循IMO的FSA方法，但NRA報(bào)告的側(cè)重點(diǎn)不同，例如德國(guó)更關(guān)注對(duì)后果的評(píng)估，且大多是針對(duì)在OWF附近航行的船舶通行影響的評(píng)估，并未考慮其他海事作業(yè)情況，船舶類(lèi)型考慮的主要是大型船舶，忽略了運(yùn)維船、拖船、漁船和休閑船等小型船舶。不同模型使用的船舶類(lèi)型和船舶分類(lèi)方式也不同，很難對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。NRA使用的大量數(shù)據(jù)源于事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有足夠的事故樣本來(lái)創(chuàng)建可靠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。各利益相關(guān)方缺乏一定的溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，導(dǎo)致諸如規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)占用習(xí)慣航路的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。對(duì)于海上交通事故的概率和后果水平的最低可接受度(As Low As Reasonably Practicable，ALARP)的問(wèn)題，國(guó)際上暫時(shí)沒(méi)有通用的指南。

在選擇與新興海上風(fēng)電相關(guān)的NRA模型時(shí)，可參照FSA方法建立一個(gè)統(tǒng)一、透明的NRA框架(見(jiàn)圖2)，其中步驟2.2的船舶觸碰概率和后果建議采用IWRAP工具分析，不僅要考慮OWF附近航行的船舶，而且應(yīng)考慮其他海事作業(yè)，如運(yùn)維船、拖船和海上搜救等。IWRAP工具滿(mǎn)足透明性需求。

圖2 海上風(fēng)電NRA統(tǒng)一模型的概念設(shè)計(jì)框架

對(duì)于擬建OWF的通航風(fēng)險(xiǎn)是否可接受，建議采用ALARP圖判定，ALARP圖上不同區(qū)域的限制由海事管理部門(mén)、相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液秃Ｉ巷L(fēng)電各利益相關(guān)方共同商定。步驟4建議參照IMO文件中的具體公式。即使所有的風(fēng)險(xiǎn)都滿(mǎn)足ALARP，也應(yīng)在OWF全生命周期內(nèi)定期監(jiān)測(cè)和審查風(fēng)險(xiǎn)。如果在某個(gè)區(qū)域計(jì)劃建立多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，還需進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的累積影響研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)大力推動(dòng)海洋產(chǎn)業(yè)布局向綠色低碳型和海洋戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展的趨勢(shì)下，海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)逐漸挺進(jìn)設(shè)有船舶習(xí)慣航路的近海區(qū)域，尤其是在福建沿海，已出現(xiàn)OWF規(guī)劃場(chǎng)址與既有船舶航路沖突的問(wèn)題。為避免OREI的功能海域干擾國(guó)際航運(yùn)(或其他航?；顒?dòng))關(guān)鍵海上通道，同時(shí)不會(huì)對(duì)船舶助導(dǎo)航設(shè)施造成不利影響，應(yīng)在OWF規(guī)劃和實(shí)施之前進(jìn)行徹底的NRA，并實(shí)施足夠的風(fēng)險(xiǎn)管理措施?，F(xiàn)有NRA使用的框架和模型工具中需要考慮的因素大同小異，大都遵循IMO倡導(dǎo)的FSA方法，但目前廣泛應(yīng)用于歐洲的NRA商業(yè)模型的內(nèi)部參數(shù)大多對(duì)用戶(hù)不透明。特別是COLLRISK、IWRAP和SSPA等商業(yè)NRA模型中部分輸入數(shù)據(jù)依賴(lài)于既有的海上事故案例統(tǒng)計(jì)。目前，OWF在國(guó)內(nèi)還是新興行業(yè)，暫不具有足夠的船舶觸碰風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)事故樣本創(chuàng)建可靠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，因此，在我國(guó)OWF尚處于發(fā)展中的現(xiàn)階段，可能不適用上述商業(yè)模型。為此，本文提出一個(gè)統(tǒng)一、透明的NRA框架，提供預(yù)測(cè)船舶觸碰概率和后果的評(píng)估工具。目前該模型還只是概念模型，其在工業(yè)界的可操作性和接受程度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。