海上風電通航風險評估進展

陳麗萍,陳金海,吳志華,周 鵬,彭 澎,張恒才

(1.集美大學 a.信息工程學院;b.船舶輔助導航技術國家地方聯合工程研究中心, 福建 廈門 361021; 2.福建海事局通航管理處, 福州 350004;3.中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境信息系統國家重點實驗室， 北京 100101)

海洋風力發電是解決全球氣候變暖、緩解能源危機、實現經濟可持續發展的有效途徑。[1]隨著風電技術的發展，海上風電場(Offshore Wind Farms, OWF)的可靠性及其發電成本效益日益提高，海上風電項目已在歐洲北海和我國沿海得到長足的發展。傳統海上用戶可自由使用的海域，特別是海上航行船舶的自由航行，已受到新興海上用戶的擠壓。因此,新舊用戶之間難免相互影響，乃至發生激烈沖突，例如在航船舶與風力渦輪機(Offshore Wind Turbine, OWT)之間的觸碰事件。

1.從航海者的角度看，OWF的出現會使海上涌現出更多船舶需要避開的礙航物，可能會限制船舶的可航行水域，導致船舶交通密度和碰撞風險增加，使航行安全問題惡化，從而給海事業務帶來一定的風險。[2-3]此外，OWT會干擾船上雷達和甚高頻(Very High Frequency，VHF)等無線通信設備的正常工作，這些因素都會對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，為節約利用海洋資源，我國OWF的開發已從航運價值較低的淺海潮間帶(東海大橋、江蘇沿海)逐漸擴展到商船習慣航路附近的近海(福建外海)和深遠海(廣東深遠海)。我國能源主管部門早期在制訂OWF規劃階段對海洋能源與海上交通的相互影響的認識不足，以福建海上風電工程規劃方案(見圖1)為例，該方案將潛在場址設在船舶習慣航路，導致相關建設單位在項目前期的投入全都白費。

圖1 福建海上風電工程規劃方案

為促進我國沿海風電場與海上航運共同發展，避免出現海上新舊用戶之間的沖突，需借鑒歐洲在北海海洋空間規劃(涉及英吉利海峽等船舶航行密集的國際性海峽)過程中解決兩者之間沖突的經驗和技術。本文綜述國內外關于OWF對船舶交通流、船舶助導航設備等方面影響的各種評價方法和評估模型，并提出一些可行性建議，為我國相關部門科學評價海上風電通航風險提供參考。

1 OWF對船舶交通流的影響

OWF的存在可能會限制船舶的可航行水域，改變船舶航線，導致海上交通密度和碰撞風險增加。

很多學者致力于研究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(包括動力碰撞、漂移碰撞和擱淺)，提出很多工具和模型[5]，用以規避、轉移或緩解碰撞。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]提出用船舶自動識別系統(Automatic Identification System, AIS)數據和概率分布計算幾何接觸概率和擱淺事故；AMDAHL等[7]提出將海洋空間數據和水深等信息與AIS數據結合來評估發生接觸或擱淺事件的風險。因果概率方程是各種物理參數的函數，如船舶速度、船舶類型、船舶與事故區/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、事件樹和貝葉斯網絡等風險評估方法估算。LI等[8]指出人為因素的不確定性和量化對未來研究的重要性。

專家學者對碰撞后果也有相關研究。EHLERS等[9]提出一種綜合的數值和半分析的程序評估船舶碰撞的損傷程度；BELA等[10]提出通過有限元(Finite Element，FE)建模來模擬不同類型OWT與船舶之間的碰撞，為船舶和OWT提供預期的損壞，并從OWT結構入手，提出柔性碰撞概念設計。這些研究的數據輸入主要是AIS數據，忽略了小型船舶。在OWF運營期間，運維船與OWT之間的碰撞也受到關注。隨著海上風電向深海發展，OWF將遠離船舶交通流。因此，需要增加小型船舶和運維船與OWT之間碰撞風險的評估。DAI等[11]提出運維船與OWT之間碰撞的風險評估框架，研究碰撞風險的大小和重要的風險影響因素，并提出降低風險措施的建議。船舶定線制被認為是減少船舶與OWF碰撞的有效方法。CHANG等[12]在進行實證研究之后認為船舶定線制能降低船舶與OWF之間碰撞的概率。

由于OWF可能會遮擋較小船舶，OWF邊界與規劃航路之間應保持多少安全距離也是研究的方向之一。荷蘭對外公開了與OWF相關的通航安全指南，規定了船舶與OWF的安全距離。《國際海上避碰規則》(International Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGs)詳細介紹了海上航路與OWF之間安全距離的估算方法。為確保OWF等水中構筑物的通航風險最小化，國際航標協會(International Association of Lighthouse Authorities,IALA)航運委員會在2018年發布的《海上風電與船舶航行的相互影響》報告中提供了用于評估OWF附近航行船舶所需機動空間和OWF與海上航路之間最小間隔距離的方法、導則和建議。[13]

2 OWF對船舶助導航設備的影響

OWT在工作時產生的射頻信號可能會主動干擾某些有源無線電航標，也可能會干擾很多專用于海上航行安全的無線電通信導航設備，如船舶交管中心雷達和船載雷達、符合全球海上遇險和安全系統(Global Maritime Distress And Safety System, GMDSS)的水上無線電通信、AIS、無線電測向儀(Radio Directional Finder, RDF)和全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)等。本文主要從雷達和無線電通信2個方面進行討論。

2.1 OWF對雷達的干擾

OWF對雷達的干擾主要是反射影響、遮擋影響和風機葉片轉動產生的干擾。OWT對雷達波有鏡面效應，可能會產生虛假回波，并造成虛假回波與他船的回聲相混淆。在夜間和能見度較差的情況下會產生碰撞風險。為使雷達能有效分辨出風機與位于風機附近的物標，劉克中等[14]提出一種物標與OWT之間最小垂向距離的計算方法。由于電磁波具有繞射能力，OWT遮擋部分的一定范圍內仍然可探測到物標。張連迎等[15]基于有限寬度屏蔽繞射模型，對單風機繞射損耗進行仿真計算，分析損耗對雷達漏警和虛警率的影響。王樹武等[16]在單風機建模的基礎上提出整個風電場的繞射損耗模型。風機葉片的旋轉會產生多普勒頻移，這不僅取決于旋轉速度,而且取決于方位角、仰角和葉片長度等。隨著對風能需求的增加，海上風機的尺寸將增大，對雷達的影響也將更大[17]；若在信號處理中沒有使用多普勒分析或運動目標指示器，風機轉子的旋轉不會引起干擾。[13]文獻[18]提出在風電場安裝前就進行徹底的影響研究，以便提出風電場和雷達服務共存的解決方案。

2.2 OWF對無線電通信的干擾

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

LING等[19]對發射機或接收機位于風電場內或周圍時的情景進行建模發現:在塔后面觀察到明顯的陰影區域，在陰影區域外觀察到多徑干擾；當多個風機相對于收發器視線方向并排而立時，陰影加深，衰減風險增加。迄今為止，與雷達系統中觀察到的干擾相比，尚未發現風電場對無線電通信系統的顯著影響。

3 OWF通航風險評估模型的比較

風險評估即識別和分析不良事件或過程結果，確定風險是否可接受的過程。風險評估的目的是確定該海域需要管理的風險，并尋求將風險控制在可接受水平的措施。OWF建設前要求證實已進行徹底的海上風險評估，并實施了足夠的風險管理措施[20],這一過程被稱為通航風險評估(Navigation Risk Assessment，NRA)。NRA的一般流程為：收集數據、識別危險、評估概率與后果、評估現有緩解措施和尋求其他風險控制選項(Risk Control Option，RCO)。NRA考慮的主要因素有船舶類型、船舶交通、船舶航線、OWF相關數據(布局和位置等)、靜/動態環境條件、現有風險控制措施(船舶交通服務、分道通航制)和對海上助導航設備的影響等。通過開展NRA，可評估OWF的建設是否會增加通航風險，若超過可接受水平，則須采取RCO，如改變船舶航線、設置航標和設定OWF與航道之間的安全距離等。多年來，學者們已為許多情景開發海事風險評估模型和工具[21]，本文就現有NRA使用的框架和模型工具進行分析和總結。

1) 綜合安全評估(Formal Safety Assessment，FSA)由國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)于2002年提出，2015年發布修訂版指南。[22]FSA是目前用于分析海事安全和制定相關監管政策的結構化和系統化的方法，為風險降低選項提供成本和效益評估。FSA方法可針對特定類型的船舶或航行區域，也可用于解決特定的海事安全問題。FSA方法中用戶可自由選擇用于概率和后果計算的模型和工具。

2) SAMSON(Safety Assessment Model for Shipping and Offshore in the North Sea)是由荷蘭海事研究所開發的一種數值模型，可計算和比較OWF興建前后的海上交通事故的概率和后果,不僅可對船舶損壞、預期OWF停機時間、人員傷亡等可能性和后果進行定量概率和后果評估，而且能評估各種風險控制(如重新規劃航線)的經濟和效率成本，是FSA的理想補充。該模型與其他大多數模型一樣，數據來源為AIS數據。除了NRA考慮的一般因素以外，該模型還考慮了船舶機動性和最小航道寬度。荷蘭和比利時更愿意遵循IMO的FSA方法，并贊同SAMSON模型。但是，SAMSON模型是一種商業模型，某些參數對公眾來說可能不完全透明。

3) 英國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據估算OWF建設前后海上交通事故風險的差異。COLLRISK模型使用動能公式估計沖擊能量，使用過去的事故統計數據預測事故后果的概率和程度，如人命傷亡或環境破壞。英國雖然推薦FSA方法，并在為OWF建設單位制定海洋可再生能源工程設施(Offshore Renewable Energy Installation，OREI)的指南文件《關于OREI帶來海上通航安全和應急處置風險的評估方法》《MGN 543(M+F)與OREI相關的通航安全事宜-英國的航海實踐、通航安全和緊急響應》中提出各種可用的數值模型，但建設單位更傾向于使用COLLRISK模型。

4) IALA開發的IWRAP(IALA Waterway Risk Assessment Program)工具[23]是一種定量的概率計算工具，可根據研究水域的船舶交通量及其特征參數計算各種船舶類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記載和深入研究[24]，并被許多從業者使用。IMO認可并推薦IWRAP作為計算碰撞風險的理想工具。

5) SSPA公司開發的模型也主要依賴AIS數據，定性和定量地預測給定海域中OWF建立前后的海上交通事故發生概率，并結合歷史經驗事故統計定量分析出事故后果的概率和水平。SSPA開發的模型旨在明確說明有關模型的所有信息，如模型的結構、輸入數據等，具有一定的有透明度。SSPA研究的重點是船舶交通，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。瑞典雖然在相關NRA工作中推薦IWRAP工具，但SSPA開發的模型和工具在瑞典更受歡迎。

6) MARCS(Marine Accident Risk Calculation System)模型由挪威船級社開發，將AIS交通流數據與OWF的位置和布局結合在一起，用以估算OWF安裝前后的事故發生概率和后果水平。該模型計算船舶動力碰撞和漂移碰撞的參數幾乎不透明。

除了上述各種方法、模型和工具以外，學者們還提出一些新的NRA框架，包括主航跡帶邊界[25]等先進的工具和模型，以解決現有NRA存在的問題，但這些研究并沒有在實踐中得到充分應用。

4 OWF通航風險評估模型的選擇

比較上述各種模型可知:現有NRA使用的框架和模型工具中需要考慮的因素大同小異，大都倡導遵循IMO的FSA方法，但NRA報告的側重點不同，例如德國更關注對后果的評估，且大多是針對在OWF附近航行的船舶通行影響的評估，并未考慮其他海事作業情況，船舶類型考慮的主要是大型船舶，忽略了運維船、拖船、漁船和休閑船等小型船舶。不同模型使用的船舶類型和船舶分類方式也不同，很難對評估結果進行對比分析。NRA使用的大量數據源于事故統計數據，目前還沒有足夠的事故樣本來創建可靠的訓練數據集。各利益相關方缺乏一定的溝通協調機制，導致諸如規劃風電場占用習慣航路的問題時有發生。對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)的問題，國際上暫時沒有通用的指南。

在選擇與新興海上風電相關的NRA模型時，可參照FSA方法建立一個統一、透明的NRA框架(見圖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，而且應考慮其他海事作業，如運維船、拖船和海上搜救等。IWRAP工具滿足透明性需求。

圖2 海上風電NRA統一模型的概念設計框架

對于擬建OWF的通航風險是否可接受，建議采用ALARP圖判定，ALARP圖上不同區域的限制由海事管理部門、相關領域專家和海上風電各利益相關方共同商定。步驟4建議參照IMO文件中的具體公式。即使所有的風險都滿足ALARP，也應在OWF全生命周期內定期監測和審查風險。如果在某個區域計劃建立多個風電場，還需進行風險的累積影響研究。

5 結束語

在我國大力推動海洋產業布局向綠色低碳型和海洋戰略型新興產業方向發展的趨勢下，海上風電開發逐漸挺進設有船舶習慣航路的近海區域，尤其是在福建沿海，已出現OWF規劃場址與既有船舶航路沖突的問題。為避免OREI的功能海域干擾國際航運(或其他航海活動)關鍵海上通道，同時不會對船舶助導航設施造成不利影響，應在OWF規劃和實施之前進行徹底的NRA，并實施足夠的風險管理措施。現有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倡導的FSA方法，但目前廣泛應用于歐洲的NRA商業模型的內部參數大多對用戶不透明。特別是COLLRISK、IWRAP和SSPA等商業NRA模型中部分輸入數據依賴于既有的海上事故案例統計。目前，OWF在國內還是新興行業，暫不具有足夠的船舶觸碰風機基礎事故樣本創建可靠的訓練數據集，因此，在我國OWF尚處于發展中的現階段，可能不適用上述商業模型。為此，本文提出一個統一、透明的NRA框架，提供預測船舶觸碰概率和后果的評估工具。目前該模型還只是概念模型，其在工業界的可操作性和接受程度有待進一步驗證。