中國北方海域冰區航行船舶風險評估預警系統設計與開發

戴厚興, 吳兆麟, 劉大剛

(1.大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026；2.交通運輸部 煙臺打撈局，山東 煙臺 264012)

中國北方海域冰區航行船舶風險評估預警系統設計與開發

戴厚興1,2, 吳兆麟1, 劉大剛1

(1.大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026；2.交通運輸部 煙臺打撈局，山東 煙臺 264012)

在深入調查研究海事主管部門和港航企業對海冰預警產品需求的基礎上，根據自然災害風險模糊綜合評價理論和技術，建立可用于中國北方海域冰區航行船舶的風險預評估模型。使用ENVI軟件對NASA的海冰衛星遙感實況和國家海洋局發布的海冰預報信息進行再處理，提取有關海冰密集度和厚度信息作為風險評估的背景場，進而提出冰區航行船舶風險狀況動態評估預警系統的設計方案。仿真實例分析結果表明，該系統可動態、直觀、有效地給出我國北方海域冰區航行船舶未來的風險狀況，可作為保障船舶冰區航行安全的輔助決策產品，供海事主管部門、航運企業和港口生產調度部門使用。

海事氣象安全保障；冰區航行船舶；模糊綜合評價；動態風險評估；預警系統

我國北方海域每年冬季都會出現不同程度的冰情。歷史上該海域的海冰曾對海上交通運輸和船舶航行安全構成極大威脅，造成多起航運受阻、船舶受損和石油平臺倒塌等事故。[1]

通過對海事主管部門、救助打撈部門和港航企業進行調研了解到，目前我國雖然有國家海洋局環境預報中心發布的海冰預報，但缺乏對我國北方海域冰區船舶航行風險預評估的研究和可視化的預警產品。

近年來，不少相關專家和學者從社會需求的角度出發，對惡劣天氣下的海上交通風險評估進行了一系列應用研究。解以揚等對黃海和渤海的航行環境進行分析，就惡劣天氣影響船舶安全的風險預估技術進行研究；吳金龍等針對渤海和黃海海區近年來發生重大事故的主要船舶類型，采用風險分析理論和技術方法，劃分渤海和黃海海區重點船舶在大風浪條件下的風險等級，并應用模糊評判的方法建立大風浪條件下渤海海區應重點關注船舶的風險評估模型；孫成志等借鑒外軍經驗，根據我國海軍艦隊航行氣象安全保障的實際需求，研發基于安全航線的海洋水文氣象保障輔助決策系統，可根據氣象和海洋預報部門提供的風浪預報信息，分別實現24 h和48 h內艦船活動范圍內的風浪動態顯示和風險預警，以達到戰場指揮輔助決策的目的。[2]

本文借鑒已有研究成果，建立一個針對我國北方海域冰區航行船舶的風險評估模型，并采用遙感信息提取技術對海洋預報部門給出的海冰實況和預報信息進行再處理，作為風險評估的依據。[3]在此基礎上，提出一個兼具可視化動態顯示功能的中國北方海域冰區航行船舶風險狀況評估預警系統設計方案，使該系統達到有效彌補我國北方海域海冰預警服務的不足，為船舶冰區航行安全提供更有效的海事氣象安全保障的目的。

1 我國北方海域冰區航行預警服務現狀及需求分析

我國北方海域的海冰預警報主要由國家海洋預報中心發布，所發布的預報產品為定期的預報和警報，包括若干種海冰數值預報產品。

國家海洋預報中心發布的海冰定期預報產品包括年度、月份、旬和周的海冰預報，內容主要為各海區在不同預報時段內的浮冰范圍、海冰的一般厚度和最大厚度，分別以文字和示意圖的形式給出。海冰數值預報產品包括業務化數值預報、高分辨率數值預報和精細化數值預報3種。

以海冰業務化中期數值預報為例，該預報產品每天更新一次，預報時效為168 h，時間步長為12 h。預報內容主要為用不同顏色表示的不同海冰厚度分布情況、不同厚度海冰的面積和海冰的流速(見圖1)。

由此可見，國家海洋預報部門提供的海冰預報產品給出的僅僅是海冰的預報情況，并不提供針對海上航行和作業的風險評估或預警產品。實際上，包括航運企業、海事局船舶安全管理部門、港務局和輪駁公司在內的各單位對海冰狀況都十分關心，但海洋局提供的海冰實況和預報信息不能滿足其具體需求。通過對上述各單位進行調研得知，其希望得到的不僅僅是海冰的實況和預報信息，還有對冰區船舶航行和作業風險進行預評估具有指導意義的輔助決策產品。

圖1 渤海海冰中期數值預報圖

2 海冰對船舶航行安全的影響分析

海冰對海上航行和作業安全的影響是多方面的，除了因海冰過厚造成船舶無法航行以外，還可能造成船體損壞、船體被海冰夾住無法動彈、海冰隨潮流移動使得拋錨船舶走錨、海底閥被海冰堵死、船舶管系凍裂及槳葉和舵葉受損等。

通過深入調研和分析研究發現，這其中很多事故或險情的發生實際上是人為造成的。對此，應從培訓和管理的角度著手，從海冰預警方面僅可給予提醒。因此，真正可通過應用海冰中航行船舶風險分析和海冰預警來避免的事故僅包括由于海冰過厚和密集度過大造成的船舶無法航行，以致可能造成船體變形、破損和失控等。具體分析見表1。

3 冰區航行船舶風險評估模型的建立

采用自然災害動態風險評估中的模糊綜合評價理論和方法，可建立針對我國北方海域冰區航行船舶的風險預評估模型。[4]

首先采用專家經驗評定的方法，并根據風險分析理論和風險管理理論中的最低合理可行(As Low As Reasonably Practicable，ALARP)原則[5]，得到我國北方海域冰區航行船舶的風險等級，并給出相應的冰況描述和航行建議(見表2)。

采用模糊綜合評價理論和方法對冰區中航行船舶的風險等級進行模糊評定，就是給出觸發因子論域U中觸發因子的模糊子集A與風險等級論域V上的各風險等級的模糊子集B之間的關系。

表1 海冰對冰區航行船舶安全的影響分析

表2 我國北方海域冰區航行船舶的風險等級

實際調查發現，船舶在冰區中航行的風險除了與海冰厚度和密集度有關以外，主要與船舶的冰級和噸位有關。考慮到在我國北方海域航行的船舶中具有Ice Class B級以上冰級的船舶很少，因此主要將船舶的噸位、海冰厚度和密集度作為觸發因子來確定船舶在冰區航行的風險等級。

將海冰厚度分為<10 cm，10～<15 cm，15～<20 cm， 20～<30 cm，30～<40 cm和≥40 cm等6種狀況，每種海冰厚度對應的海冰密集度可分為<50%，50%～70%和80%～100%等3種狀況，故共有18種作為觸發因子的海冰狀態。因此，觸發因子的論域U可記為

U={s1,s2,…,s18}

(1)

式(1)中：si為上述18種海冰狀態之一。

根據表2確定的風險等級的論域可記為

V={無風險，黃色風險，橙色風險，紅色風險}

(2)

若某種噸位的船舶在某一時刻、某種海冰狀況(包括海冰厚度及海冰密集度)下的風險矩陣為

無風險 黃色風險 橙色風險 紅色風險

(3)

式(3)中:i=1，2，…，n為各種可能的海冰狀態，這里取n=18，即共劃分18種海冰厚度與對應的密集度下的海冰狀況；j為不同的航線；t為某條航道上的某一時刻。

采用專家經驗評定的方法，可得到不同噸位船舶在不同海冰狀態下隸屬于不同風險等級的隸屬度，即不同噸位船舶在不同的海冰狀態下航行的風險矩陣。表3為5 000噸級船舶在冰區中航行的風險矩陣。其余噸位船舶的風險矩陣略。

鑒于當前海冰狀況預報的不準確性，當采用事先使用統計方法得到的預報出現在海冰狀況狀態i之后，實際出現各可能海冰狀況狀態的概率為

(4)

式(4)中：aij(j=1，2，…，n)為不同等級的海冰狀況出現的概率。[6]

表3 5 000噸級船舶在冰區中航行的風險矩陣

由此，可得到我國北方海域冰區航行船舶的風險評估模型，即對于某一時刻在任意一個冰區中航行船舶風險等級的模糊子集，可由式(5)得到。

B(t)=R(t) °Ai=

(5)

式(5)中：bi(t) (i=1, 2, 3, 4)為在當時的海冰狀態下該類船舶隸屬于無風險、黃色風險、橙色風險和紅色風險等級的隸屬度。[7]

4 中國北方海域冰區航行船舶風險評估預警系統概況

4.1 我國北方海域海冰資料來源和再處理

根據建立的我國北方海域冰區航行船舶風險等級、風險矩陣和風險預評估模型，提出一個中國北方海域冰區航行船舶風險評估預警系統。該系統所使用的我國北方海域海冰資料包括海冰實況信息和海冰預報信息。根據該系統的具體要求，需對海冰資料的原始信息進行再處理。

該系統所使用的我國北方海域海冰實況信息為美國NASA發布的分辨率為1 km的MODIS-1B衛星遙感原始數據集。利用遙感圖像處理軟件ENVI對該信息進行預處理，使其達到可提取海冰要素的前提條件。[8]預處理內容包括輻射定標、幾何校正及感興趣區的圖像(矢量)裁剪。此外，為使提取海冰的要素更加精確，對裁剪后的圖像進行大氣校正，從而達到降低云霧影響的效果。

在利用ENVI軟件先后進行冰水分離和海冰面積提取之后，采用目前普遍應用的單通道算法，利用單通道的反照率和亮溫數據求取海冰密集度。[9]

這里使用在實際工作中操作容易、效果較好的“海洋1號A”衛星海冰反演系統給出的海冰厚度與反射率關系的經驗性曲線進行海冰厚度反演。[10]利用ENVI獲取的海冰反射率數值，結合文獻中得到的海冰厚度與反射率對應的經驗性函數，即可得到海冰厚度信息。

該系統使用的海冰預報信息來自于國家海洋局環境預報中心，但該海冰厚度和密集度數值預報圖與相關行業部門的需求不能很好地銜接。

為切實解決該實際問題，將上述海冰信息預報圖的原有形式細化為網格圖像形式。細化之后的海冰厚度和密集度預報信息網格為10 n mile×10 n mile。

4.2 中國北方海域冰區航行船舶風險評估預警系統的功能和工作流程

該系統可在得到海冰厚度和密集度的實況信息及預報信息之后，根據事先調查得到的船舶在不同冰情條件下的風險矩陣，計算得出船舶在未來72 h的冰情條件下處于整個海區或任意航線上各時刻所在位置的風險等級，供下一步進行動態顯示使用。

該系統可根據使用者的要求，分別實現對整個海區風險分布和航線風險評估的顯示功能。

若使用該系統的海區風險評估功能，則當使用者查看整個海區的風險分布時，只需選擇所關心的船舶噸位及所需評估時間，系統就將會自動提供未來72 h，時間步長為12 h的風險預報。此外，系統還可根據使用者的需求選擇顯示參數，更加直接清晰地獲得實時及未來的海冰密集度或厚度信息。

若使用該系統的航線風險評估功能，則該系統可根據使用者給出的計劃航線得出其所關注的船舶在其計劃航線上從預計開航時間至預計到港時間這段時間內的最長未來72 h，每12 h一段的風險等級。圖2為系統工作流程圖。

圖2 系統工作流程圖

5 應用實例分析

下面舉例說明該系統的操作過程和預期效果，應用實例是2015年1月22日10:00時，一艘5 000噸級的船舶預計在22日12:00時從京唐港開航，計劃航速為10 kn，預計于23日04:00時前后到達營口鲅魚圈港。若使用國家海洋局環境預報中心的網站，則僅能查詢到當日海冰密集度和海冰厚度的實況及預報狀況，并不能直觀地了解船舶未來在冰區中航行時面臨的風險狀況，更無助于制訂或及時修正在冰區內航行的計劃航線(見圖3)。

a)渤海海冰中期數值預報b)渤海海冰密集度預預報

圖3 國家海洋局環境預報中心給出的海冰厚度和海冰密集度預報

相比之下，若使用本文提出的系統，則可較好地解決這些問題。使用者打開系統操作界面，輸入相關參數，系統會自動給出22日08：00時整個我國北方海域對于5 000噸級船舶未來在冰區中航行的風險等級分布情況。同時，可從風險分布圖下端的時間欄中直觀地看到從22日08：00時起未來72 h每12 h 1次的各時刻5 000噸級船舶在整個海區內的冰區中航行的最大風險等級分布情況(見圖4)。

圖4 2015年1月22日08：00時冰區航行船舶風險分布圖

使用者通過點擊冰區航行船舶風險分布圖下端的時間欄，可選擇查看22日20：00時和23日08：00時相應的風險分布圖，這樣即可更加詳細地了解到該船在整個海區航行時段內的風險分布情況(見圖5和圖6)。

圖5 2015年1月22日20：00時冰區航行船舶風險分布圖

圖6 2015年1月23日08：00時冰區航行船舶風險分布圖

系統的另一個重要功能是冰區航行船舶航線風險預評估。使用者可在系統界面右側相應區域的菜單中選擇“航線設計”功能選項，開始進行航線風險評估。在系統頁面上繪制出由京唐港到鲅魚圈港的計劃航線，輸入相關信息之后，系統會根據所能得到的冰況預報信息給出22日10：00時至22日20：00時和22日20：00時至23日04：00時兩時段5 000噸級船舶的冰區航行風險等級(見圖7和圖8)。

圖7 22日10：00時至22日20：00時航線區域風險分布圖

圖8 22日20：00時至23：00日04：00時航線區域

由系統給出的結果可知，上述兩時段內從京唐港到鲅魚圈港航線上5 000噸級船舶的最大風險等級均達不到黃色風險，這意味著海冰對5 000噸級船舶的正常航行基本無影響，僅需視冰量的多少改冷卻水外循環為內循環，即可保證船舶在冰區航行的安全。

經與鲅魚圈海事局交通管理中心(Vessel Traffic Services, VTS)、營口港務局輪駁公司調度室及營口港引航站等部門確認，2015年1月22—23日，鲅魚圈港及附近海面冰情較輕，5 000噸級船舶無需具有破冰功能的拖船協助即可自行進入鲅魚圈港，與該系統得到的結論一致。

6 結束語

將海冰等水文氣象預報產品與海上交通安全管理工作流程結合起來，提供切合海事管理和船舶安全管理需求的水文氣象安全保障服務，是保障海上交通安全的發展趨勢。國內這方面的工作尚處于起步階段，僅少數氣象和海洋預報部門進行初步嘗試。

本文提出并研發的具有動態顯示和風險評估功能的中國北方海域冰區航行船舶風險評估系統能為海事主管部門監督管理船舶、港航企業調度管理船舶和航海者安全操縱船舶提供科學指導，可作為保障船舶冰區航行安全的輔助決策產品，供海事主管部門、港航企業和航海者在實際工作中應用。

[1] 袁本坤, 曹叢華, 江崇波，等. 我國海冰災害風險評估和區劃研究[J]. 災害學, 2016, 31(2): 42-46.

[2] 劉大剛, 吳彬貴, 解以揚，等. 海事氣象保障服務現狀及發展趨勢[J]. 中國航海, 2014, 37(1): 131-135.

[3] 黃崇福. 自然災害動態風險分析基本原理的探討[J]. 災害學, 2015, 30(2): 1-7.

[4] COX L A. Confronting Deep Uncertainties in Risk Ana-lysis [J]. Risk Analysis, 2012, 32(10): 1607-1629.

[5] JUN K S, CHUNG E S, KIM Y G. A Fuzzy Multi-Criteria Approach to Flood Risk Vulnerability in South Korea by Considering Climate Change Impacts [J]. Expert Systems with Applications, 2013, 40(1): 1003-1013.

[6] 范中洲, 劉大剛, 劉濤，等. 海面遇險目標快速接近輔助決策系統[J]. 交通運輸工程學報, 2012， 12(4): 83-92.

[7] 劉大剛, 解以揚, 劉斌賢，等. 大風浪條件下船舶風險狀況動態評估預警系統[J]. 中國航海, 2015, 38(1): 63-67.

[8] 鄧書斌. ENVI遙感圖像處理方法[M]. 北京：科學出版社，2010.

[9] 劉志強, 蘇潔, 時曉旭，等. 渤海AVHRR多通道海冰密集度反演算法試驗研究[J]. 海洋學報, 2014, 36(11): 74-84.

[10] 羅亞威, 張蘊斐, 孫從容，等. “海洋1號”衛星在海冰監測和預報中的應用[J]. 海洋學報, 2005，27(1):7-18.

RiskEvaluationandEarlyWarningSystemforIceNavigatingVesselsinNorthernSeaAreasofChina

DAIHouxing1,2,WUZhaolin1,LIUDagang1

(1.School of Navigation, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2.Yantai Salvage Bureau， Ministry of Transport, Yantai 264012, China)

Based on the thorough investigation and research on the needs of maritime safety authorities and port & shipping companies for aids of ice navigation warning, a risk pre-evaluation model which can be used for ice navigating vessels in northern sea areas of China is proposed according to the theory and technique of fuzzy comprehensive risk assessment of natural disaster. Using ENVI software to reprocess satellite remote sensing ice data from NASA and sea ice forecasting information issued by NMEFC of China as necessary background field for risk evaluation, a dynamic risk pre-evaluation and warning system is developed. Simulation analysis shows that this system can dynamically, intuitively and effectively provide the risk degrees for sailing vessels in northern sea areas of China for the coming 72 hours. The system can be used as a kind of aids for decision-making to guarantee safety navigation in ice sea areas for maritime safety authorities, shipping companies and port control centers.

meteorological guarantee of maritime safety; ice navigating vessel; fuzzy comprehensive assessment; dynamic risk evaluation; early warning system

2017-11-14

交通運輸部海事局項目(0706-14400003N010)

戴厚興(1966—)，男，山東臨沂人，船長，高級工程師，博士生，研究方向為交通運輸安全保障與防護技術。E-mail: capt.dai@163.com

1000-4653(2018)01-0092-06

U676.1

A