基于元胞自動機模型的海上風電場影響分析

徐 添 張慶年

(武漢理工大學交通物流學院 武漢 430063)

0 引 言

隨著海上風電場的增加,風電場區域與船舶通航安全的矛盾逐漸引起人們的重視.

船舶與風電場碰撞是當前研究的難點問題,針對風電場區域船舶碰撞風險及海上風電場安全距離的研究,薛雙飛等[1]利用A*改進的船舶避碰算法,獲得風電場區域船舶安全航線.張明[2]針對海上風電場建成營運后期各類風險監管保障措施進行了分析.Moulas等[3]開發了一種數值非線性有限元分析(NLFEA)方法用于研究船舶碰撞風機的相關危險性,其可用于評估船舶撞擊海上風電場風機所造成的在一定程度上的損傷程度.

針對海上風電場安全距離計算問題,李國帥等[4]在研究平臺與習慣航線的安全距離時,基于船舶領域理論建立模型并對風電場安全距離進行計算.Rawson等[5]通過統計海上風電場建設前后附近的船舶交通流分布情況,發現在風電場建設前存在船舶區域,在建成后船舶與風電場的距離大于0.5 n mile.Wawruch等[6]利用MARIN和GL碰撞風險模型計算出風電場和航路距離分別為0,0.5和1.0 n mile時的船舶和風機碰撞概率,實現風了電場與航路安全距離的基礎建模.劉克中等[7]研究了海上風電場與航路船舶的不同距離對船載雷達和岸基雷達的影響,結果表明:當海上風電場與船舶的距離超過200 m時,風電場對船載雷達觀測無影響.

綜上所述可知:當前研究主要專注于海上風電場的安全距離與船舶碰撞風險計算,針對風電場建成后對船舶交通流的影響的研究較少.文中提出一種基于交通流模擬仿真的風電場影響分析模型,基于AIS數據獲得船舶交通流的特征參數,利用風電場安全距離計算模型確定風電場影響航道范圍,采用元胞自動機模型結合航道變窄換道規則對風電場建成后的船舶交通流進行模擬仿真,分析風電場對區域船舶交通流的影響.

1 模 型

1.1 風電場安全距離計算

船舶航行中存在失控發生危險的可能,海上風電場安全距離計算需要考慮船舶類型,失控船舶被救援時間T,區域風、浪、流對船舶造成漂移的影響情況.圖1為船舶失控漂移造成的風電場碰撞示意圖.

圖1 船舶失控漂移造成的風電場碰撞示意圖

使用安全距離經驗公式計算模型對風電場安全間距進行計算.計算過程為

R=H+I

(1)

式中:R為海上風電場通航安全距離;I為海上風電場安全區范圍半徑;H為船舶橫向漂移距離,船舶橫向漂移距離可以表示為沖期流致漂移Hu和沖期風致漂移Hv的和.其中Hu和Hv為

Hu=u1T-V1TC(1-e-T/Tc)sinγ

(2)

(3)

Sv=L(D-d)

(4)

Su=Ld

(5)

VT=V1e-T/TC

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:L、D和d分別為船型船長,代表船型型深和代表船型吃水.根據研究區域AIS數據分析選取標準船型,選取風速的極限值為20 m/s、流速的最大值為2.0 m/s.

1.2 風電場安全距離計算

根據NaSch(Nagel-Schreckenberg)[8]模型,船舶vessel(P,L,S)具有位置P、長度L、速度S三類屬性.vessel隨機分布在長度為Lwateway的離散模擬環境上,見圖2.利用獲得的AIS數據,船舶可以獲得一定范圍內其他船舶在某時刻的經緯度、船速、船長、DCPA、TCPA,以及船舶識別號等必要的船舶動態和靜態信息,利用這些信息,可以準確地判斷這些船舶在t+1時刻的相對位置、船速、航向,以及是否與本船構成碰撞危險等信息,從而決定本船在這一時刻的行動.

圖2 NaSch規則航道示意圖

根據元胞自動機規則,每個元胞只能被一艘船舶占據,即Pi(t)∈{0,1}.同時,作為安全范圍每艘船舶將同時占據相鄰的Li(t)個元胞,且Li(t)∈{1,2,…,Lmax}.Si(t)為第i艘船舶在t時刻的速度值,且0≤Si(t)≤Smax;Dx(t)為第x艘船舶與前方船舶y間的距離

Dx(t)=

(10)

式中:Py為前船舶位置;Sy為前船速度.

1) 元胞加速條件

Si(t)=min(Si(t)+1,Smax)

(11)

2) 元胞減速條件

Si(t)=min(Si(t),Di(t)-Dsafe+Li(t))

(12)

3) 速度隨機慢化

Si(t)=max(Si(t)-1,0)

(13)

4) 位置及速度更新

原船舶尺寸、位置及速度

Li(t+1)=0

(14)

Pi:(i+Li(t)-1)(t+1)=0

(15)

Si(t+1)=0

(16)

新船舶尺寸、位置及速度

Li+Si(t)(t+1)=Li(t)

(17)

Vi+Si(t)(t+1)=S(t)

(18)

P(i+S(t)):(i+Si(t)+Li(t)-1)(t+1)=1

(19)

當Li(t)=1時,本模型為經典的NaSch模型.其中,加速條件表示為船舶具有追求較高航速的期望;減速條件表示船舶將與前船保持安全距離;隨機慢化規則表示船舶在航道內具有的緊急制動等特殊駕駛情況.

1.3 風電場模擬航道變窄換道規則

經典的NaSch模型在一般情況下僅適用于單航道船舶交通流模擬仿真情況[9].當存在風電場對航道擠壓(見圖3),造成航道局部縮減時需采用換道規則來控制船舶換道行為[10].

圖3 基于元胞自動機的航道變窄換道規則示意圖

Dsafel>Di(t+1)

(20)

Dsafe2

(21)

Dsafe3

(22)

式中:Di,other(t+1)和Di,back(t+1)分別為在t+1時刻第i艘船與鄰道上相鄰的前后船之間的距離;Dsafel,Dsafe2和Dsafe3分別為本船與前船、鄰道前船及后船之間的安全距離.式(20)為換道動機,即在本道上第i艘船前方沒有足夠空間讓其按期望速度行駛;式(21)為鄰道的行駛條件,即第i艘船在鄰道上比在本道上行駛條件更好;式(22)為安全條件,當第i艘船換道時不會造成鄰道后面臨近船舶減速.

2 實驗分析

2.1 研究水域

選取北部灣港水域作為研究對象,見圖4.其中方形框為本文模擬仿真水域,水域船舶主要為白龍港至越南航線.為獲得船舶交通流模擬仿真參數,采集了2017—2018全年該水域的岸基AIS數據,水域交通流密度分布見圖5.

圖4 研究水域

圖5 研究水域交通流密度分布

2.2 風電場模擬航道變窄換道規則

對該區域的歷史AIS數據進行統計分析,其中船長船速分布見圖6.由圖6可知:該區域的船速主要集中在0～15 kn,選用20 kn作為最高限速.該區域船舶呈現兩極化趨勢,船舶主要集中在25,100和150 m,見表1.由表1可知:該區域的船舶主要為貨船,為簡化模型,選用150 m貨船作為研究對象.

表1 基于AIS數據的研究水域船型分布統計量

圖6 AIS數據下水域船長、船速分布

該區域的船舶交通流間時距分布見圖7.文中使用指數分布對船舶交通流間時距進行統計,獲得船舶到達規律,利用指數分布生成船舶元胞.

圖7 船舶到達規律分布

2.3 風電場模擬航道變窄換道規則

取每個元胞長度為60 m,獲得模擬仿真航道長度為2 000個元胞,航道船舶尺度Lwateway∈[3,10],航道船舶速度為2～20 kn,船舶位置更新步長為30 s,模擬仿真1 d為2 880個步長.選用船舶間安全距離為長軸6倍船長,短軸1.6倍船長.模擬仿真結果見圖8.由圖8可知:由于風電場造成航道變窄,在航道變窄區域船舶航速降低,說明風電場的建設將造成船舶交通流的航行習慣變化,為了減少風電場對船舶交通流的影響,有必要對對風電場區域船舶進行警示,提高風電場區域船舶航行安全.

圖8 風電場造成航道情況變窄模擬仿真結果

3 結 束 語

文中基于風電場水域的歷史AIS數據模擬仿真,利用船舶失控漂移模型分析了風電場影響范圍,利用元胞自動機模型結合換道規則對風電場水域進行了模擬仿真驗證.結果表明:當風電場區域的航行規則不發生變化時,風電場的建造將影響船舶交通流的速度和密度,風電場將明顯降低周圍船舶的速度與區域船舶通過能力.因此,當風電場建設和運營過程中應合理的規劃船舶航線,減小風電場對船舶交通流的影響.