臺風期船舶航行海區風險評估和避臺規劃

靳衛衛，肖強，羅教彬，于波，趙建平，安偉

（1．中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300452；2．中海油能源發展股份有限公司北京安全環保工程技術研究院，北京 102209；3．中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067；4．中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200032；5．中國海洋石油集團有限公司，北京 100011)

我國處于西太平洋臺風多發地，每天都會遭受20余起臺風影響，其中，南海海域生成臺風，由于其地理位置特點，留給船舶避臺應急反應時間短，造成臺風期船舶無法及時撤離等風險。國內相關學者圍繞船舶避臺規劃開展了一些相關研究，多以臺風路徑和風圈為基礎數據，開展避臺規劃。隨著臺風預報模型和網絡傳輸技術的發展，提供了更加精細化的臺風預報數據，動態評估風險區劃，開展動態路徑規劃技術研究，可以更大程度地降低臺風期船舶航行風險。本文將以網格化的風、浪、流數據為基礎，綜合評估船舶航行海區的風險區劃，以此建立底圖，基于臺風時間序列數據開展動態的路徑規劃和船舶避臺動作，為臺風期船舶避險提供更加可靠的保障。

1 數據網格化處理

海上船舶風險評估考慮的主要海洋環境要素有：風場、流場、海浪，通過網絡業務化數據服務接口，每天定時獲取2 次，每次獲取未來7 天預報數據，數據時間間隔3 小時，使用Netcdf 數據格式壓縮傳輸。

不用的海洋環境要素由不同機構的數值模式運行計算所得，因此，導致風、浪、流具有不同的空間分辨率，這里，使用的風場分辨率為1/12 度，海浪場分辨率為1/4 度，流場分辨率為1/24 度，不同網格分辨率的數據無法直接應用與區劃網格風險評價。因此，這里根據應用需求，統一以1/12 度為準，使用反距離空間插值法（IDW）對海浪數據進行加密插值，得到1/12 度海浪網格數據；以隔行抽取的方法對流場數據進行抽稀，得到1/12 度流場網格數據。

圖1 海洋環境網格化數據示意圖

2 海區風險區劃

根據ALARP(As Low As Reasonably Practicable)原則，由不可容忍線和可忽略線將海洋工程作業船舶在風浪條件下的風險劃分為分：風險嚴重區、風險可容忍區和風險可接受區，分別對應高、中、低不同的風險等級。

表1 基于ALARP 的海上船舶風險等級劃分表

臺風期海上船舶風險評價屬于模糊集合概念，不具備確定性，應用模糊系統的原理，從多個因素對被評判事物的隸屬度等級狀況進行綜合評判。因此，這里采用模糊綜合評價法進行海洋環境區劃風險評價。

對于不同的船舶類型，應根據其船舶尺寸、噸位、載重、船齡、航速、貨物類型等自身影響因素，建立模糊綜合評價體系和模型。

2.1 建立評價因素集

針對不同船舶，根據關注的風力、浪高、流速等海洋環境要素因素的不同惡劣程度，建立評價指標集，用U 表示。

U = （u，u，...，u）

其中，元素 ui 代表影響評價對象的第i 個因素。

2.2 建立評價集

根據ALARP 原則，將海上船舶風險劃分為高、中、低三級，用V 表示。

V = （v，v，...，v）

其中，元素 v代表第j 種評價結果。

2.3 構建評價矩陣

因素集U 中第i 個元素對評價集V 中第1 個元素的隸屬度為r則對第i 個元素因素評價的結果用模糊集合表示為：

R= （r，r，...，r）

則，m 個單因素評價集為行組成矩陣Rm*n 稱為模糊綜合評價矩陣。

2.4 確定因素權重

各因素的重要程度有所不同，為此，給各因素ui一個權重ai，各因素的權重集合的模糊集，權重系數可以通過層次分析法AHP的成對比較陣來構造，用A表示:

A = （a，a，...，a）

2.5 建立綜合評價模型

確定單因素評判矩陣R 和因素權向量A 之后，通過模糊變化將U上的模糊向量A變為V上的模糊向量B，即：

根據上面建立的海上船舶環境風險等級模糊綜合評價模型，對每個網格內的風、浪、流進行綜合評價，計算其風險等級，即可得到整個關注海區的整體風險區劃，為下一步避臺路徑規劃提供基礎數據。

圖2 基于海洋環境數據的風險區動態劃分示意圖

3 避臺規劃

根據風險程度區劃評估結果，各個網格賦予不同的權重系數，高、中、低不同的風險對應著不同的數值系數，作為路徑規劃中不同路徑經過當前網格的代價系數。經過中風險區網格的路徑雖然比低風險區近，但整體路徑上的代價系數較大，將不利整體路徑，以此動態規避風險。

海上船舶避臺航行中，由于臺風預報的精度和不確定性，需要保持與臺風保持一定的安全距離，用于保證突發情況下，船舶有充足的時間做出調整避開風險，將此安全距離稱為安全“瞭望”距離。“瞭望”距離這里設定為船舶與高風險區邊緣的最短距離，根據不同的海況情況可以設置不用的“瞭望”距離，通常以船舶航速和應急反應時間計算所得，這里以5 小時應急反應時間為例，則安全“瞭望”距離約為100 公里左右。

基于海上風險程度區劃建立船舶路線規劃網格底圖，網格賦予不同的代價系數，結合“瞭望”距離反向考慮，通過膨脹擴大不同風險區的網格范圍，來使船舶與實際風險區保持一定的安全距離。在此基礎上引入經典的路徑規劃D-star lite 算法，根據時間序列不同時刻的臺風強度場預報，實時計算風險評估和建立路徑底圖，開展動態多階段路徑規劃，計算不同的避臺優化路徑，根據預測路徑開展減速、改向、拋錨等不同的船舶避臺操作。

4 結論

圖3 臺風過程某時刻船舶航行避臺路徑規劃示意圖

基于臺風強度預報的網格化數據，可以實時地開展局部海區的船舶航行風險區劃評估，結合安全“瞭望”距離建立船舶避臺路徑規劃風險底圖，結合路徑規劃算法，動態開展多階段避臺路徑規劃，以此為據開展有效的船舶避臺動作。相比較與基于路徑和風圈的避臺路徑規劃技術，本文提出的基于臺風網格強度和動態路徑規劃，可以提供更加安全和有效的船舶臺風期航行避臺優化方案。