基于AIS 數據的中廣核大練海上風電場交通流分析

吳益新

(福州航標處，福州 350001)

1 前言

交通流理論是運用物理學、 流體力學和數學的定律來描述交通特性的一門邊緣科學， 是交通工程的基礎理論之一[1，2]。 海上交通運輸工程的相關研究人員將交通流理論引入海上交通中來， 用其對海上交通進行研究與分析。

平潭島海域風能資源較豐富，具有很好的開發價值，建設海上風電場能有效利用風能資源， 對于降低福建省的煤炭消耗、緩解環境污染、改善電源結構等具有積極的意義，是發展循環經濟、建設節約型社會的具體體現，是福建省能源發展戰略的重要組成部分。目前，中廣核平潭大練300MW 海上風電場工程已經取得國家能源局的批準， 海上風電場的施工建設和運行維護將影響周邊水域的海上船舶的交通安全， 同時通航安全也將面臨挑戰和風險。本文利用AIS 記錄的數據，確定中廣核大練海上風電場水域作為研究水域， 通過不同方法對研究水域的交通流進行分析， 評估涉水工程設計和建設是否合理。 另外，根據船舶交通流行為特征的影響因素分析，提出更為合理可行的優化措施和建議。

2 船舶交通流行為特征及影響因素

2.1 船舶交通流行為特征

船舶交通流模型包括5 個基本要素，即船舶交通流位置、船舶交通流方向、船舶交通流寬度、船舶交通流密度和船舶交通流速度[3]。 根據船舶交通流的整體和個體差別，船舶交通流的行為特征可分為宏觀行為特征和微觀行為特征兩類[4]。 宏觀行為特征是指在一定的環境條件下，某個區域、某段時間大量船舶相互作用下的整體行為特征，主要包括船舶流量、船舶交通流構成、時空分布特性、船舶間時距分布和等待時間分布5 類；微觀行為特征是指將時間微觀、空間網格化之后，在一定環境條件下單艘船舶在周圍其他船舶影響下所表現出來的個體行為特征，主要以船舶的特征體現，包括船舶位置、方向、速度、寬度、船舶間距和船舶間時距等，具體如圖1 所示。

圖1 船舶交通流行為特征

2.2 船舶交通流行為特征影響因素

船舶交通流行為特征是船舶自身與外界環境條件共同作用的結果，船舶自身可稱為內因，外界環境條件可稱為外因。船舶交通流行為特征的影響因素很多，主要包括船舶特征和外界環境條件兩類，如圖2 所示。

圖2 船舶交通流行為特征的影響因素

3 船舶交通流分析

3.1 數據的選擇

本文采用的數據是利用廈門海磐海事咨詢服務有限公司提供的工程附近海域2018 年的AIS 數據，主要研究分析的數據為： 船舶交通流行為特征中的宏觀行為特征(船舶流量、交通流構成和時空分布特性)以及微觀行為特征(位置、方向和寬度)；船舶交通流行為特征的影響因素中的船舶特征(船舶類型和船舶尺度)以及外界環境(航道、航路和港口碼頭)。

結合本工程所在區域如圖3 所示， 考慮到受福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋施工棧橋建設的影響， 封堵了海壇海峽北東口水道， 目前海壇海峽北東口水道處于封航狀態，無船舶通航。故選取兩個截面的AIS 數據進行分析如圖3 所示。

3.2 數據分析

3.2.1 船舶類型分析

本文根據研究水域船型特點，分為客船、貨船、非運輸船、液貨船和不能識別5 類進行統計，兩個截面船舶流量統計如下表1 所示。

截面一(人嶼島-長嶼島)，2018 年船舶流量約30969艘次，日均流量約85 艘次，其中分為經過松下航道與鼓嶼門航道的船舶。貨船最多，約占61%；其次為非運輸船，約占總流量的16%；再次為液貨船，約占5%。

截面二(小練島-大練島)，2018 年船舶流量約3622艘次，日均流量約10 艘次，船舶流量較小。 客船最多，約占35%；其次為非運輸船，約占總流量的16%；再次為貨船，約占14%。

圖3 本工程位置及選取截面示意圖

表1 截面船舶流量統計表

表2 通航船舶尺度統計表

從上面分析可知本工程B 區附近的船舶流量明顯較大， 風電場建設與運營期應特別注意其與附近航道船舶的干擾。

3.2.2 船舶尺度分析

本文根據研究水域船舶尺度中船長的分布特點，分為5 類進行統計，兩個截面船舶尺度統計如表2 所示。

截面一(人嶼島-長嶼島)，通航船舶中，船長≤90m 的通航船舶占75%， 船長90～150m 的船舶約占24%，150～300m 的船舶約占1%，無超過300m 的船舶。

截面二(小練島-大練島)，通航船舶中，船長小于等于90m 的通航船舶23336 條占99%，大型船舶150～200m 僅1 條。

從上面分析可知，本工程附近大部分為中小型船舶，風電場在施工與運營期應特別注意中小型船舶航行規律， 并做好相關導助航設施引導中小型船舶安全穿越風電水域。

3.2.3 區域船舶密度分析

區域船舶密度圖分析如圖4 所示， 鼓嶼門航道為第1 等級(紅色)，密度最大，松下航道為第二等級(橙色)，大小煉島之間為4 級區域(綠色)。 從圖4 還可以看出，由于C 區正在施工， 出現了明顯穿越風電場施工船舶的交通流。 根據以上分析，存在部分橫穿風電場區域船舶，需要在風電場施工區與運營期做好引導， 特別是運營期需要在風電樁相關重要位置布置導助航設施， 引導穿越風電場的小型船舶，特別是小型漁船。

3.2.4 截面單位長度的船舶流量分析

本次針對AIS 數據還繪制了截面單位長度(100m)船舶流量柱狀圖， 可以看出兩個截面中松下航道與鼓嶼門航道所在的位置船舶流量較集中，具體詳見圖5，說明本工程附近水域船舶航行還是遵循航路與習慣航路， 具有一定規律性。 風電場施工期與營運期應特別注意做好航道與習慣航路上的船舶引導，保證安全。

圖4 區域船舶密度圖截圖

圖5 截面一單位長度(100m)船舶流量柱狀圖

3.3 建議

通過對兩個截面AIS 船舶流量在類型、尺度、密度以及單位長度流量的統計分析，風電場在施工期與營運期，為保護風電場的安全需注意以下幾個方面：

(1)B 區靠近松下航道一側應注意引導大型船舶，做好導助航設施設備，且考慮到該側流量較大，應加強日常監管。

(2)還存在少量穿越風電場船舶，需要在施工期與運營期做好引導， 特別是運營期需在關鍵風電樁位置上設置必要的導助航設施， 引導穿越船舶安全通過與駛離風電場區域。

(3)鑒于船舶航行還是遵循航路與習慣航路，具有一定規律性， 建議風電場施工期與運營期設置的導助航設施應避免與已經設置好的導助航設施互相干擾， 保證安全。

(4)考慮到本文AIS 數據為2018 年，其中受福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋施工棧橋的影響， 封堵了海壇海峽北東口水道， 目前海壇海峽北東口水道仍處于封航狀態，無船舶通航，后期鐵路橋建成后，還應補強海壇海峽北東口水道通航后的AIS 船舶數據進行相對應的分析。

(5)由于海上航行船舶還有部分未裝AIS 小型船舶與漁船，并沒有在分析中體現，應在風電場實際施工與運營期間，加強觀察與通過實地考察的方式補充該方面數據，進行細致的科學分析。

4 總結

船舶交通流行為特征是進行船舶交通流統計分析、預測、應用等研究的重要基礎理論。本文從不同船舶特征初步分析了中廣核平潭大練海上風電場工程附近水域船舶交通流行為特征，并給出相關統計分析數據，另外根據分析的結果提出針對性的措施和建議。 考慮到AIS 數據的不完整性， 建議后續還應根據實際船舶流量的數據情況進行合理化補充分析， 更好地保障風電場施工期與運營期的安全。