臺風(fēng)期船舶航行海區(qū)風(fēng)險評估和避臺規(guī)劃

靳衛(wèi)衛(wèi)，肖強(qiáng)，羅教彬，于波，趙建平，安偉

（1．中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300452；2．中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院，北京 102209；3．中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067；4．中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200032；5．中國海洋石油集團(tuán)有限公司，北京 100011)

我國處于西太平洋臺風(fēng)多發(fā)地，每天都會遭受20余起臺風(fēng)影響，其中，南海海域生成臺風(fēng)，由于其地理位置特點(diǎn)，留給船舶避臺應(yīng)急反應(yīng)時間短，造成臺風(fēng)期船舶無法及時撤離等風(fēng)險。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者圍繞船舶避臺規(guī)劃開展了一些相關(guān)研究，多以臺風(fēng)路徑和風(fēng)圈為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展避臺規(guī)劃。隨著臺風(fēng)預(yù)報模型和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展，提供了更加精細(xì)化的臺風(fēng)預(yù)報數(shù)據(jù)，動態(tài)評估風(fēng)險區(qū)劃，開展動態(tài)路徑規(guī)劃技術(shù)研究，可以更大程度地降低臺風(fēng)期船舶航行風(fēng)險。本文將以網(wǎng)格化的風(fēng)、浪、流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合評估船舶航行海區(qū)的風(fēng)險區(qū)劃，以此建立底圖，基于臺風(fēng)時間序列數(shù)據(jù)開展動態(tài)的路徑規(guī)劃和船舶避臺動作，為臺風(fēng)期船舶避險提供更加可靠的保障。

1 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理

海上船舶風(fēng)險評估考慮的主要海洋環(huán)境要素有：風(fēng)場、流場、海浪，通過網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)化數(shù)據(jù)服務(wù)接口，每天定時獲取2 次，每次獲取未來7 天預(yù)報數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間間隔3 小時，使用Netcdf 數(shù)據(jù)格式壓縮傳輸。

不用的海洋環(huán)境要素由不同機(jī)構(gòu)的數(shù)值模式運(yùn)行計(jì)算所得，因此，導(dǎo)致風(fēng)、浪、流具有不同的空間分辨率，這里，使用的風(fēng)場分辨率為1/12 度，海浪場分辨率為1/4 度，流場分辨率為1/24 度，不同網(wǎng)格分辨率的數(shù)據(jù)無法直接應(yīng)用與區(qū)劃網(wǎng)格風(fēng)險評價。因此，這里根據(jù)應(yīng)用需求，統(tǒng)一以1/12 度為準(zhǔn)，使用反距離空間插值法（IDW）對海浪數(shù)據(jù)進(jìn)行加密插值，得到1/12 度海浪網(wǎng)格數(shù)據(jù)；以隔行抽取的方法對流場數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，得到1/12 度流場網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖1 海洋環(huán)境網(wǎng)格化數(shù)據(jù)示意圖

2 海區(qū)風(fēng)險區(qū)劃

根據(jù)ALARP(As Low As Reasonably Practicable)原則，由不可容忍線和可忽略線將海洋工程作業(yè)船舶在風(fēng)浪條件下的風(fēng)險劃分為分：風(fēng)險嚴(yán)重區(qū)、風(fēng)險可容忍區(qū)和風(fēng)險可接受區(qū)，分別對應(yīng)高、中、低不同的風(fēng)險等級。

表1 基于ALARP 的海上船舶風(fēng)險等級劃分表

臺風(fēng)期海上船舶風(fēng)險評價屬于模糊集合概念，不具備確定性，應(yīng)用模糊系統(tǒng)的原理，從多個因素對被評判事物的隸屬度等級狀況進(jìn)行綜合評判。因此，這里采用模糊綜合評價法進(jìn)行海洋環(huán)境區(qū)劃風(fēng)險評價。

對于不同的船舶類型，應(yīng)根據(jù)其船舶尺寸、噸位、載重、船齡、航速、貨物類型等自身影響因素，建立模糊綜合評價體系和模型。

2.1 建立評價因素集

針對不同船舶，根據(jù)關(guān)注的風(fēng)力、浪高、流速等海洋環(huán)境要素因素的不同惡劣程度，建立評價指標(biāo)集，用U 表示。

U = （u，u，...，u）

其中，元素 ui 代表影響評價對象的第i 個因素。

2.2 建立評價集

根據(jù)ALARP 原則，將海上船舶風(fēng)險劃分為高、中、低三級，用V 表示。

V = （v，v，...，v）

其中，元素 v代表第j 種評價結(jié)果。

2.3 構(gòu)建評價矩陣

因素集U 中第i 個元素對評價集V 中第1 個元素的隸屬度為r則對第i 個元素因素評價的結(jié)果用模糊集合表示為：

R= （r，r，...，r）

則，m 個單因素評價集為行組成矩陣Rm*n 稱為模糊綜合評價矩陣。

2.4 確定因素權(quán)重

各因素的重要程度有所不同，為此，給各因素ui一個權(quán)重ai，各因素的權(quán)重集合的模糊集，權(quán)重系數(shù)可以通過層次分析法AHP的成對比較陣來構(gòu)造，用A表示:

A = （a，a，...，a）

2.5 建立綜合評價模型

確定單因素評判矩陣R 和因素權(quán)向量A 之后，通過模糊變化將U上的模糊向量A變?yōu)閂上的模糊向量B，即：

根據(jù)上面建立的海上船舶環(huán)境風(fēng)險等級模糊綜合評價模型，對每個網(wǎng)格內(nèi)的風(fēng)、浪、流進(jìn)行綜合評價，計(jì)算其風(fēng)險等級，即可得到整個關(guān)注海區(qū)的整體風(fēng)險區(qū)劃，為下一步避臺路徑規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 基于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的風(fēng)險區(qū)動態(tài)劃分示意圖

3 避臺規(guī)劃

根據(jù)風(fēng)險程度區(qū)劃評估結(jié)果，各個網(wǎng)格賦予不同的權(quán)重系數(shù)，高、中、低不同的風(fēng)險對應(yīng)著不同的數(shù)值系數(shù)，作為路徑規(guī)劃中不同路徑經(jīng)過當(dāng)前網(wǎng)格的代價系數(shù)。經(jīng)過中風(fēng)險區(qū)網(wǎng)格的路徑雖然比低風(fēng)險區(qū)近，但整體路徑上的代價系數(shù)較大，將不利整體路徑，以此動態(tài)規(guī)避風(fēng)險。

海上船舶避臺航行中，由于臺風(fēng)預(yù)報的精度和不確定性，需要保持與臺風(fēng)保持一定的安全距離，用于保證突發(fā)情況下，船舶有充足的時間做出調(diào)整避開風(fēng)險，將此安全距離稱為安全“瞭望”距離?！安t望”距離這里設(shè)定為船舶與高風(fēng)險區(qū)邊緣的最短距離，根據(jù)不同的海況情況可以設(shè)置不用的“瞭望”距離，通常以船舶航速和應(yīng)急反應(yīng)時間計(jì)算所得，這里以5 小時應(yīng)急反應(yīng)時間為例，則安全“瞭望”距離約為100 公里左右。

基于海上風(fēng)險程度區(qū)劃建立船舶路線規(guī)劃網(wǎng)格底圖，網(wǎng)格賦予不同的代價系數(shù)，結(jié)合“瞭望”距離反向考慮，通過膨脹擴(kuò)大不同風(fēng)險區(qū)的網(wǎng)格范圍，來使船舶與實(shí)際風(fēng)險區(qū)保持一定的安全距離。在此基礎(chǔ)上引入經(jīng)典的路徑規(guī)劃D-star lite 算法，根據(jù)時間序列不同時刻的臺風(fēng)強(qiáng)度場預(yù)報，實(shí)時計(jì)算風(fēng)險評估和建立路徑底圖，開展動態(tài)多階段路徑規(guī)劃，計(jì)算不同的避臺優(yōu)化路徑，根據(jù)預(yù)測路徑開展減速、改向、拋錨等不同的船舶避臺操作。

4 結(jié)論

圖3 臺風(fēng)過程某時刻船舶航行避臺路徑規(guī)劃示意圖

基于臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，可以實(shí)時地開展局部海區(qū)的船舶航行風(fēng)險區(qū)劃評估，結(jié)合安全“瞭望”距離建立船舶避臺路徑規(guī)劃風(fēng)險底圖，結(jié)合路徑規(guī)劃算法，動態(tài)開展多階段避臺路徑規(guī)劃，以此為據(jù)開展有效的船舶避臺動作。相比較與基于路徑和風(fēng)圈的避臺路徑規(guī)劃技術(shù)，本文提出的基于臺風(fēng)網(wǎng)格強(qiáng)度和動態(tài)路徑規(guī)劃，可以提供更加安全和有效的船舶臺風(fēng)期航行避臺優(yōu)化方案。