海上風電工程毗鄰水域通航安全評價

王子豪　范中洲　豐懿

摘要：為研究海上風電工程近岸化、規模化和集群化效應對毗鄰水域通航安全的影響，將決策試驗和評價實驗室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法與網絡分析法（analytic network process， ANP）結合對其通航安全進行評價。選取水文氣象、交通環境、通航船舶和安全保障等4個方面的影響因素建立評價指標體系，通過DEMATEL方法計算指標間綜合影響矩陣，通過ANP梳理指標網絡結構，并運用模糊重心法對系統進行定性評價。實例研究證明，所提出的模型及方法能夠較客觀地評價海上風電工程毗鄰水域通航安全水平。該方法可確定對通航安全影響較大的指標，為相關主管部門提供參考。

關鍵詞：? 海上風電; 通航安全; 決策試驗和評價實驗室（DEMATEL）方法; 網絡分析法（ANP）; DEMATELANP; 風險評價

中圖分類號：? U698文獻標志碼：? A

Evaluation on navigation safety in adjacent waters of

offshore wind power projects

Abstract： In order to study the influence of nearshore， scale and clustering effect of offshore wind power projects on navigation safety in adjacent waters，? the decisionmaking trial and evaluation laboratory （DEMATEL） method are combined with the analytic network process （ANP） to evaluate the navigation safety. The evaluation index system is established by selecting the influencing factors from four aspects： the hydrometeorology， traffic environment， navigable ships and safety guarantee. The comprehensive influence matrix between indices is calculated by DEMATEL method， the index network structure is sorted out by ANP， and the system is qualitatively evaluated by the fuzzy center of gravity method. Example studies prove that， the proposed model and method can objectively evaluate the navigation safety level in adjacent waters of offshore wind power projects. This method can determine the indices with greater impact on navigation safety， which can provide reference for the relevant competent departments.

Key words： offshore wind power; navigation safety; decisionmaking trial and evaluation laboratory （DEMATEL） method; analytic network process （ANP）; DEMATELANP; risk assessment

引言

與傳統火電相比，風電是具有顯著環保和社會效益的清潔能源。根據海上風電“十三五”規劃的發展情況，專家預測全國“十四五”海上風電新增裝機將超過32 GW，年均新增海上風電裝機6 GW以上[1]。大部分海上風電工程距離通航水域較近，海上風電機組在建成后將成為永久性的航行障礙物，對附近水域的通航安全將產生重大的影響，甚至可能發生船舶與風機碰撞的海上交通事故，造成重大人員傷亡及經濟損失。交通運輸部海事局出臺的《關于加強海上風電場海事安全監管的指導意見》，強調了合理建議海上風電場項目規劃選址、依法監管海上風電場施工作業活動、加強風電場通航安全管理、推進海上風電場協調聯動等工作。

國內外學者對海上風電工程通航安全及風電工程選址已經有了一些研究。黃意財[2]以操控船舶、安全管理為切入點，分析在風、流的影響下船舶出現漂移的規律和機理，運用模糊數學和層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）建立多級綜合評價模型，對海上風電工程的通航安全進行評估。陳肖龍[3]采用AHP與熵權法組合賦權的方式確定優選指標的權重，突破性地運用灰色關聯分析法獲得各海上風電場場址指標值與理想值的關聯系數，最后應用灰色綜合優選模型對規劃場址進行優選排序。梁帥[4]結合事故樹分析風險因子，采用模糊綜合評價方法對海上風電工程周邊水域的通航風險進行定量評價，通過計算得出風險等級。陳麗萍等[5]基于導航風險評估模型的缺點，設計了一個統一、透明的預測船舶碰撞概率和后果的通航風險評估框架，總結了海上風電場對船舶交通流和船舶助航設備的影響。YU等[6]基于海上風電機組安裝前后的AIS數據，提出了海上風電場對海上交通流影響的評估框架，從最小通過距離和海上風電場附近船舶軌跡的橫向分布來描述海上風電場對海上交通的影響。COPPING等[7]使用AIS數據確定船舶歷史航線，并模擬可避開海上風電場的未來路線，通過對潛在海上事故進行分析，確定由于海上風電場的存在而增加的船舶碰撞、擱淺和與靜止物體相撞的邊際風險。BELA等[8]深入研究了船舶撞擊速度和位置、風向、土壤剛度、船舶變形能力等各種參數影響下單樁風力渦輪機的破碎行為，為海上風電場降低碰撞風險提出相關建議。

學者們主要采用模糊綜合評價法[9]和AHP[10]對海上風電工程毗鄰水域的通航安全進行評價。這兩種評價方法都存在一定的缺陷：雖然評價結果易于量化且評價方法易于實施，但未考慮各評價指標之間的互相作用。為彌補這一不足，本文運用決策試驗和評價實驗室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法與網絡分析法（analytic network process， ANP）組合的方法（記為DEMATELANP）構建各評價指標的網絡關系，考慮各指標間的相互影響計算重要度，采用模糊重心法[11]對海上風電工程毗鄰水域的通航安全進行定性評價。

1海上風電工程毗鄰水域通航安全評價分析鑒于海上風電工程與船舶通航安全有較大矛盾，海上風電工程毗鄰水域面臨較高的通航安全風險。綜合相關規定和文獻，確定毗鄰水域為以海上風電工程外緣線為起點，向四周擴展10 km的海域。在此海域內，基于水文氣象、交通環境、通航船舶和安全保障等4個方面的指標進行分析評價。

（1）水文氣象。船舶在航行過程中受風、流的影響會產生偏轉和橫搖等漂移運動，能見度不良使操船人員對距離和位置的判斷有相當大的誤差，給船舶正常航行帶來一定的困難。

（2）交通環境。船舶交通流能直接反映該水域的交通繁忙程度，船舶交通流越大、航路越窄，船舶會遇的概率就越高。海上風電工程作為永久性的礙航物，若與航路較近或其周邊發生交通事故，將會干擾船舶的習慣航行方式，增大船舶航行密度，使船舶避讓頻率增大。

（3）通航船舶。代表船型的旋回直徑對船舶與風電工程的安全距離有較大的影響，IMO船舶操縱性標準（IMO決議MSC.137（76）和MSC/CIRC.1053）確定的操縱性指標與船舶長度密切相關。海上風電工程有利于漁業和養殖業，因此風電工程毗鄰水域漁船增多，而漁船具有設備簡陋、船員航海技術水平整體不高、無固定的航路、航行隨意性大等特點，加上一些特殊的作業方式，如底拖網、耙網等，均會對風電工程周邊船舶的通航安全產生重要影響。

（4）安全保障。助航設施包括海上燈標、燈浮和船載通信導航設備等，主要功能是危險警告、確認及指示交通，是保障通航安全的重要設施。海上風電工程規模較大，有時會影響船員對助航標志的辨識。風電工程的磁場也會對周圍船舶的船載通信導航設備產生一定的影響。防撞保護設施可以有效減小碰撞對風機基礎所造成的破壞。海事監管是保障船舶通航安全的一個重要因素，如果監管得當、手段先進、信息渠道通暢，則可以有效降低船舶通航風險、提高通航效率，從而達到優化通航資源、保障船舶通航安全的目的。

2DEMATELANP模型建立

DEMATEL方法[12]對要素關系不確定的系統更為有效。通過分析各指標間直接影響矩陣的邏輯關系進行矩陣中心度和原因度的計算，將所有指標分為原因類因素和導致類因素兩大類。相比于AHP，ANP[13]考慮了指標間的相互影響，克服了AHP只考慮互相獨立因素的局限性。

先利用DEMATEL方法研究各指標間的相互關系，然后利用ANP基于指標間的相互關系搭建海上風電工程毗鄰水域通航安全評價指標的網絡結構。然而，用來計算綜合影響矩陣的DEMATEL方法將所有指標的影響程度視為是相同的，而實際情況下各指標的影響程度并不相同，因此引入ANP法計算混合權重，采用模糊重心法對本系統進行定性評價。根據已得到的指標分類，對混合權重較高的導致類指標進行著重管理。

2.1評價指標體系的建立

在船舶通航安全評價過程中，研究由船舶、環境、管理組成的復雜系統，得出影響船舶通航安全的主要因素，由此構建評價指標體系。船舶、環境和管理之間相互影響、相互依存，DEMATELANP[1415]能夠處理這樣的復雜系統。

秉承代表性、科學性、全面性和可操作性等原則，通過查閱文獻[27，1617]、廣泛征求專家意見等，構建海上風電工程毗鄰水域通航安全評價指標體系，見表1。評價等級見表2。

2.2DEMATEL方法分析指標間相互關系

采用問卷調查的方式收集專家意見。調查問卷采用03標度法來表明指標間的影響程度（0代表完全沒有影響，3代表非常有影響）。

將專家評分平均后，建立直接影響矩陣D，其中aij代表指標i對指標j的影響程度。（1）對D進行標準化處理，得到（2）

（3）計算綜合影響矩陣T，其中E為單位矩陣。（4）對綜合影響矩陣T（=（tij）n×n）進行分析，令ri=nj=1tij，cj=ni=1tij，當i=j時，記ri+cj為第i個指標的中心度，記ri-cj為第i個指標的原因度。中心度越大表示該指標的重要程度越高;當原因度為正時，認為該指標會對其他指標產生影響，為原因類因素;當原因度為負時，認為該指標會受到其他指標的影響，為導致類因素。

2.3構建ANP網絡結構

各指標間的影響關系會隨實際情況發生變化，因此網絡關系也隨實際情況變化。借助前文建立的評價指標體系，結合綜合影響矩陣T，構建ANP網絡結構圖，分析各指標間的影響關系，見圖1。圖1中，箭頭表示首端指標對末端指標產生影響。

ANP賦權的核心工作是求解超矩陣，計算過程非常復雜，這里采用專門應用于ANP計算的超級決策軟件SD進行處理。首先，根據直接影響矩陣D設計調查問卷，對專家評分進行整理，列出重要度矩陣，輸入SD軟件中生成極限超矩陣W*，取其代表各個指標全局權重的列向量，記作w。

首先，計算混合權重：（5）其次，根據已建立的指標體系采用專家問卷調查法獲得指標評價矩陣R，然后計算綜合評價矩陣：（6）然后，采用模糊重心法得到定性評價得分A，其中vi代表第i個評價結果。（7）最后，根據結果對該海上風電工程毗鄰水域船舶通航安全進行定性評價并提出管理建議。具體計算過程見圖2。

3實例計算

以山東東營渤中基地（BZ3#）一期300 MW海上風電場項目（地理圖見圖3）為例進行計算。該工程在山東省東營市北部海域布置58臺5.2 MW風力發電機組，總裝機容量為301.6 MW，場址中心離岸距離約為27 km，場址面積48 km2。結合前文建立的DEMATELANP結構，設計調查問卷，內容包括各指標間影響關系調查表、重要度調查表和指標評價表。共向熟悉該水域的通航專家、經常使用該航路的船長和東營海事局VTS工作人員發出調查問卷200份，收回的有效問卷為182份，問卷有效率為91%。

（1）根據問卷的各指標間影響關系調查結果，建立指標間直接影響矩陣，根據式（1）～（4）計算指標間的綜合影響矩陣，結果見表3和4。

由表3可知：水文氣象的原因度為正值，屬于原因類因素，其他3個一級指標的原因度都為負值，屬于導致類因素，即交通環境、通航船舶和安全保障指標容易被影響，需要對其進行著重管理;由中心度排序可知，交通環境對本工程有較強的影響。根據表4的中心度排序得到，交通環境指標下附近航路的寬度、附近航路與風電場的距離、交通流量等二級指標對系統影響最強。

（2）根據問卷的指標重要度調查結果，確立ANP網絡結構，并運用SD軟件進行計算得到極限超矩陣W*，見表5。

（3）從極限超矩陣中選取代表全局權重的列向量w，根據式（5）計算混合權重Z，結果見表6。

（4）對問卷的指標評價結果進行處理，得到評價矩陣R，見表7。根據式（6）和（7）分別計算綜合評價矩陣B和定性評價得分A。

B=（0.141 1，0.412 7，0.354 4，0.067 6，0.013 8）

A=3.606

由定性評價得分A可知，該海上風電工程毗鄰水域的通航安全水平在“一般”與“較高”之間，需要進一步提高。根據綜合影響矩陣原因度分析，水文氣象能夠對其他指標產生影響而不會被其他指標影響。而交通環境、通航船舶和安全保障是會被互相影響的導致類因素，因此可以從這3方面進一步提

高通航安全水平。其中，附近航路與風電場的距離、附近航路寬度和交通流量的權重最大，因此需要重點對這3個導致類指標進行分析并加強監管，提高該海上風電工程毗鄰水域的通航安全水平。

4結束語

本文將決策試驗和評價實驗室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法與網絡層次分析法（ANP）相結合（記為DEMATELANP），對海上風電工程毗鄰水域通航安全進行評價，得出以下結論：

（1）在風險評估常用的方法中，DEMATEL方法將所有指標的重要程度視為是相同的，層次分析法（AHP）沒有考慮各指標間的相互影響，而本文采用的DEMATELANP有效地彌補了這兩種方法的不足，保證了指標重要度的客觀性與科學性。

（2）海上風電工程毗鄰水域通航環境復雜，且“船舶環境管理”系統中各因素相互影響，DEMATEL方法能夠梳理網絡結構，ANP可以計算指標權重，因此DEMATELANP適用于海上風電工程毗鄰水域通航安全評價研究。

（3）以山東東營渤中基地（BZ3#）一期300 MW海上風電場項目為例進行了實例分析，評價出該水域的通航安全水平處于“一般”與“較高”之間。根據指標分類與排序可知，附近航路與風電場的距離、附近航路的寬度和交通流量這3個導致類指標對這個海上風電場毗鄰水域通航安全的影響最大，該結果可為相關主管部門提供參考。

參考文獻：

[1]時智勇， 王彩霞， 李瓊慧. “十四五”中國海上風電發展關鍵問題[J]. 中國電力， 2020， 53（7）： 817.

[2]黃意財. 海上風電工程通航風險的評估[J]. 低碳世界， 2018（7）： 252253. DOI： 10.16844/j.cnki.cn101007/tk.2018.07.152.

[3]陳肖龍. 考慮通航安全因素的海上風電場場址優選研究[D]. 大連： 大連海事大學， 2017.

[4]梁帥. 浙江海上風電場通航風險及安全防范策略研究[D]. 大連： 大連海事大學， 2018.

[5]陳麗萍， 陳金海， 吳志華， 等. 海上風電通航風險評估進展[J]. 中國航海， 2020， 43（3）： 5256.

[6]YU Q， LIU K Z， TEIXEIRA A P， et al. Assessment of the influence of offshore wind farms on ship traffic flow based on AIS data[J]. Journal of Navigation， 2019， 73： 131148. DOI： 10.1017/S0373463319000444.

[7]COPPING A， BREITHAUPT S， WHITING J， et al. Likelihood of a marine vessel accident from wind energy development in the Atlantic[J]. Wind Energy， 2016， 19（9）： 15571566. DOI： 10.1002/we.1935.

[8]BELA A， SOURNE H L， BULDGEN L， et al. Ship collision analysis on offshore wind turbine monopile foundations[J]. Marine Structures， 2017， 51： 220241. DOI： 10.1016/j.marstruc.2016.10.009.

[9]馬松山， 任鵬飛， 馬仁利， 等. 基于模糊綜合評價的目標排序方法[J]. 山東理工大學學報（自然科學版）， 2021， 35（3）： 79， 16. DOI： 13367/j.cnki.sdgc.2021.03.002.

[10]趙浪， 王亮. 層次分析法的兩處缺陷改進及實例[J]. 西安科技大學學報， 2007， 27（3）： 507510. DOI： 10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2007.03.039.

[11]劉立國. 基于模糊重心法的航海實習船安全評價[J]. 船舶標準化工程師， 2018， 51（2）： 5760， 64. DOI： 10.14141/j.311981.2018.02.012.

[12]孫永河， 韓瑋， 段萬春. 復雜系統DEMATEL算法研究進展評述[J]. 控制與決策， 2017， 32（3）： 385392. DOI： 10.13195/j.kzyjc.2016.0823.

[13]孫銘憶. 層次分析法（AHP）與網絡層次分析法（ANP）的比較[J]. 中外企業家， 2014（10）： 6768.

[14]張曉雷， 隋忠義. 基于DEMATELANP的水上大規模人命救助能力評價研究[J]. 航海， 2020（6）： 4247.

[15]DEHDASHT G， ZIN R M， FERWATI M S， et al. DEMATELANP risk assessment in oil and gas construction projects[J]. Sustainability， 2017， 9（8）： 1420. DOI： 10.3390/su9081420.

[16]劉克中， 張金奮， 嚴新平， 等. 海上風電場對航海雷達探測性能影響研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2010， 34（3）： 561564. DOI： 10.3969/j.issn.10062823.2010.03.033.

[17]聶園園， 劉克中， 楊星， 等. 海上風電場與航路安全距離[J]. 中國航海， 2019， 42（4）： 1217.

（編輯趙勉）

收稿日期： 20210402修回日期： 20210917

作者簡介： 王子豪（1995—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為航海安全保障，（Email）wangzihao@foxmail.com;

范中洲（1970—），男，浙江湖州人，教授，船長，博士，研究方向為航海安全保障，（Email）ffzz101@163.com