船舶與海上風電場碰撞風險及預警方法研究

浦云青 吳昌勝 鐘慶云 汪健

摘 要：發展海上風電是我國能源結構轉型的重要戰略支撐，然而，海上風電場作為固定礙航物，與航路安全的矛盾日漸突出。從風電場安全保障的角度出發，通過建立船舶與風電場安全距離模型，以及多船條件和外界環境影響下的碰撞風險模型，將模型應用于風電航標與安全管理系統，并提出一種基于電子圍欄的船舶與風電場碰撞預警方法，對潛在碰撞風險分級預警，把船撞風機的風險值可視化顯示，進一步完善船舶與風電場碰撞預警理論體系，保障風電場營運安全及船舶通航安全。

關鍵詞：海上風電場;安全間距;碰撞風險;風險預警

在全球能源危機日益嚴峻的背景下，開發和利用清潔能源成為了國家能源結構轉型的主要方向。隨著海上風電場的快速發展，風電場區與船舶的通航安全逐漸引起人們的重視，如何減少風電場對通航環境的影響，確保船舶航行安全，及時有效規避碰撞風險，是現階段海上風電建設與運營中亟待解決的問題。

針對海上風電場船-機碰撞安全，吳志良[1]對風電場風機遭受船舶碰撞的風險進行概述，并且針對單樁基礎、群樁基礎等結構型式的風機防護進行了探討;Lehmann和Biehl[2-3]通過實驗研究了油輪、集裝箱船、散貨船等多種類型船舶撞擊風機的風險，在比較不同風機基礎抗撞能力的情況下，提出了相應防撞措施。針對船舶碰撞風險，張鋒[4]提出了一種船舶進出錨地的碰撞風險度評價模型，定量計算船舶進出天津港各錨地的碰撞風險度大小。針對基于船舶領域的碰撞風險，日本學者藤井[5]最先提出船舶了領域的概念，畢修穎[6]結合AIS傳輸數據，基于船舶碰撞危險度建立了船舶動態避碰行為領域模型。針對停船距離的碰撞風險，明力[7]等人在分析船舶倒車沖程的基礎上，結合交通流跟馳理論研究了超大型船舶縱向間距問題，建立超大型船舶安全縱向間距計算模型;黃寅[8]以船舶慣性、主機轉速、主機功率等對倒車沖程進行研究，建立了以倒車沖程為基礎的船舶領域模型。針對碰撞預警的研究，李義山[9]基于船舶碰撞危險度建立了碰撞風險預警模型，運用智能識別技術，識別不同會遇局面下存在的碰撞危險態勢并及時預警。

結合上述分析可知，當前針對船撞風機的研究較少，本文通過開展船舶與海上風電場碰撞研究，構建船舶與海上風電場安全距離模型及碰撞概率模型，計算不同情況下的碰撞概率，提出有效的碰撞預警方法，以保障海上風電場水域船舶通航安全。

1 船舶與海上風電場安全距離計算

1.1基于船舶領域模型的安全距離

船舶航經海上風電場附近水域時，將海上風電場整體視為一個障礙物，對于航向不指向風電場的船舶，應保證風電場始終位于船舶領域范圍外。船舶在實際通航中，受風流等外界環境干擾存在一定橫向漂移，駕駛人員常通過控制舵角調整航向，使得船舶實際航向與計劃航向產生偏差，船舶領域范圍也發生變化，如圖1所示。

1.1.1基于船舶領域模型的安全距離建模

日本學者藤井經長期觀測某水道船舶交通流，得出藤井船舶領域模型如圖2所示。

1.1.2基于船舶領域模型的安全距離計算

本文選取不同尺度散貨船，航速取6m/s，常風向為SE，與附近習慣航路夾角為15°，風速取10m/s，表層流速取2m/s，漲潮流方向為WSW。

綜上可知：不同尺度散貨船與風電場的安全距離不同，最小安全距離隨著尺度增加而增大，其中15萬噸級散貨船在正常航行狀態下所需最小安全距離為1600m。

1.2基于船舶領域模型的安全距離

船舶航經風電場附近水域時，對于指向風電場的船舶，船舶需在進入風電場前停船，安全距離如圖4所示。

1.2.1基于船舶停船距離的安全距離建模

綜上可知：船舶與風電場的最小安全距離隨著船速增加而增大，當航速在4m/s、6m/s時，15萬噸級散貨船最小安全距離分別為1288m、2460m。

2 船舶與海上風電場碰撞風險研究

2.1船舶與海上風電場碰撞模型

2.1.1船舶偏航概率

上述模型中相鄰風機間距1km，船舶在點A1處正北向航行。由Kunz模型可知，船舶偏航角呈正態分布，均值取0，方差取10°。船舶偏航概率公式如下：

2.1.2船舶未停船概率

2.2海上風電場碰撞風險案例

本文以江蘇濱海300MW風電場為例，風機組行距約1000m，風機直徑2m，設定東南風6級，能見度2000～2500m，漲潮對應流速為2.5m/s。

2.2.1 1萬噸級散貨船偏航概率及未停船概率

從偏航角度來看，1萬噸級散貨船偏向37號風機的角度最小約11.3°，偏向19號風機的角度最大約88.5°;從停船距離來看，距離1號風機最近約707m，距離56號風機最遠約19660m。

從偏航概率來看，1萬噸級散貨船偏向37號風機的概率最大為2.06×10-2，偏向19號風機的概率最小為4×10-19;從未停船概率來看，船舶至1號風機的未停船概率最大為2.29×10-1，船舶至56號風機的未停船概率最小為1.98×10-6。

1萬噸級散貨船與1、20、37、38號風機的碰撞風險較大，且與1號風機的碰撞風險最大為2.95×10-5。

2.2.2? 5000噸級散貨船偏航概率及未停船概率

從偏航角度來看，5000噸級散貨船偏向46、47號風機的角度最小約9.5°，偏向1號風機的角度最大約83.9°;從停船距離來看，距離10、11號風機最近約1118m，距離56號風機最遠約9962m。

從偏航概率來看，5000噸級散貨船偏向46、47號風機的概率最大為2.54×10-2，偏向1號風機的概率最小為2.97×10-17;從未停船概率來看，船舶至10、11號風機的未停船概率最大為3.29×10-5，船舶至56號風機的未停船概率最小為3.28×10-5。

5000噸級散貨船與10、11、29、30、47、48、49、50號風機的碰撞風險較大，且與48、49號風機的碰撞風險最大為8.33×10-5。

3 基于網格的風險可視化

本文將風電場風機網格劃分為大小相同的矩形，將船舶與風機碰撞風險值可視化顯示。

由圖9～圖10可知，1萬噸級散貨船與外側的1、20、37號風機的碰撞風險等級為Ⅳ級（較高風險），其余等級為I級（低風險）; 5000噸級散貨船與風電場內10、11、29、30、47～50號風機的碰撞風險等級為Ⅳ級（較高風險），其余等級為I級（低風險）。

4 結束語

（1）本文提出了船舶與海上風電場安全距離的計算方法，對于航向不指向風電場的船舶，基于船舶領域模型計算船舶在不同風流壓差下的安全距離;對于航向指向風電場的船舶，基于船舶停船理論計算安全距離。

（2）構建了船舶碰撞風電場風機的概率模型和風險模型。改進了Kunz模型提出一種船撞風機概率模型，基于碰撞風險模型對碰撞風險實例計算，并利用網格的風險可視化方法，將各風機與船舶碰撞風險可視化予以展示。

參考文獻：

[1]吳志良，王鳳武.海上風電場風機基礎型式及計算方法[J].水運工程，2008（10）：249-258.

[2] Lehmann E， Peschmann J. Energy Absorption by the Steel Structure of Ships in the Event of Collisions[C]. Preprints of 2nd International Conference on Collision and Grounding of Ships， Copenhagen， 2001.

[3] Biehl F， Lehmann E. Offshore Wind Energy， Chapter 17， Collisions of Ships with Offshore Wind Turbines： Calculation and Risk Evaluation [M]. Berlin， Heidelberg， Springer. 2006..

[4] 張峰. 基于AIS信息的天津港錨地碰撞風險度研究[D].集美大學，2019.

[5] Yahei Fujii，Kenichi Tanaka. Traffic Capacity. The Journal of Neuroscience . 1971.

[6]畢修穎，賈傳熒，吳兆麟，姜廣生.船舶避碰行動領域模型的研究[J].大連海事大學學報，2003（01）：9-12.

[7]明力，劉敬賢，王先鋒.超大型船舶安全縱向間距計算模型[J].中國航海，2014，37（04）：40-43.

[8]黃寅. 風流作用下的內河船舶領域模型及應用研究[D].武漢理工大學，2012.

[9]李義山. 基于隨機森林的船舶碰撞風險預警研究[D].武漢理工大學，2017.