強對流天氣下海上風電運維船舶避險方案多目標決策研究

張永剛，郗林，許長榮，王廣祿

（1.南通海事局，江蘇 南通 226004；2.天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456）

強對流天氣主要包括短時強降水、雷雨大風、龍卷風、冰雹和颮線等，具有持續時間短、局地性強、破壞性強等特點，其預報難度大，災害性極大，易對人民的生命財產安全造成較大的損失[1]。近年來，由于海上風電的迅猛發展，海域離岸距離更遠、水深更深的風電場建設逐漸增多，給海上風電場的運維工作帶來了新的挑戰和難度。因此，在強對流天氣來臨前及時采取有效的避險措施，并保證運維船舶和人員的安全，是目前亟待解決的關鍵問題。為了解決這個問題，從多維度分析提出六種船舶避險方案。采用多目標決策方法對各種方案進行比較[2]，從而得到最優方案。

常用的多目標決策方法有主成分分析法、德爾菲法、目標規劃法、多目標模糊決策法、TOPSIS 法、層次分析法、熵權法等。其中，層次分析法是較為常用的多目標決策方法之一，它可以根據具體情況分析權重分配問題，有效地得出最優方案。通過對影響項目方案各因素的分析,建立評價項目方案優劣的指標體系，應用統計分析法確定關聯矩陣。由于不同的目標所具有的不同屬性決定了其間不便直接進行比較，采用均值化算子對原始數據進行規范化處理，得到規范指標矩陣，同時通過隨機賦權法確定各評價指標的權重向量值[3-4]，采用加權和法求六個方案的綜合評價值，綜合權重值最大的項目方案為最優方案。

1 強對流天氣危害

1.1 對海上交通運輸的影響

強對流天氣災害對海上交通運輸造成影響，雷雨大風和強降水會影響船舶的正常行駛，甚至引發船舶碰撞等事故，航行中的船只突然遭到其襲擊，容易造成船只損壞或沉沒。

2013 年6 月7 日約1745 時，“N998”、“N1308”、“N868”、“N988”等四艘船舶，由長江下行，在吳淞口水域遭遇突發強對流天氣，4 艘船舶貨艙進水后先后自沉，船上人員全部落水，17 人獲救，1 人失蹤。

2021 年4 月30 日傍晚，江蘇南通、泰州等8 個地市遭遇大風冰雹等強對流天氣。最大風力出現在南通通州區，達14 級。海安城東鎮和大公鎮、通州十總鎮、如東陽光島等地出現直徑1～3 厘米的冰雹。受災人口3000 余人，造成11 人死亡，因災受傷人員102 人。因突遇大風，蘇海門漁01728 傾覆，11 名船員落水。

1.2 對海上人員安全的威脅

強對流天氣災害發生時，往往對海上人員的生命構成威脅。雷暴發生時，在風電機組中作業的維修人員易遭受雷擊。同時隨著船舶的側翻和沉沒，導致船上人員落水，造成人員死亡。

2015 年6 月1 日21 時30 分，長江流域湖北監利航段發生了“東方之星”號客輪特大傾覆事故，客輪上共有454 人,其中，成功獲救僅僅12 人，遇難442 人。經國務院調查組調查認定，“東方之星”號客輪翻沉事件是一起由突發罕見的強對流天氣—颮線伴有下擊暴流——帶來的強風暴雨襲擊導致的特別重大災難性事件。

2019 年4 月18 日19：30 分，受強對流天氣影響，珠海市萬山區大萬山島附近海域形成瞬時強海旋風并伴有狂風暴雨和冰雹，兩艘漁船不幸翻沉，粵珠漁運23291 號船被成功救起，但“珠香1746 號”船不幸翻沉，船上8 名人員全部失聯[6]。

1.3 對風電基礎設施的損害

強對流天氣災害發生時，伴隨著狂風暴雨對風電基礎設施造成損害。如輸電線路的破壞，造成停電或通信中斷事故。當風力過大時，發生風力發電機組葉片損毀，嚴重的導致風機倒塌。

2 海上風電運維船應急避險方案設計

如東縣作為我國海上風電的重點開發區域之一，已經建成20 座風電場、1470 臺風機，總裝機規模583.4萬千瓦，預計年上網電量超150 億千瓦時。2022 年，如東縣海上風電全面進入長達25 年的運維期，據統計，每天參與海上運維作業船舶120 只左右，參與作業人員近1000 人。安全生產責任重大。一方面，運維船舶在深遠海區長時間航行和作業，受到海況變化影響較大；另一方面，強對流天氣是如東海域常見的惡劣氣象現象，給運維船舶帶來了極大的安全隱患。為保證運維船舶和人員的安全，本文以如東H8 風場為例，提出了六種避險方案，并運用層次分析法進行多目標決策分析，得出最優方案。本文旨在為海上風電運維船避險措施的設計和選擇提供一種科學的方法和參考。

方案一區劃臨時緊急避險水域，強對流天氣不能及時返港的船舶,采取就近水域避風能夠起到減少船舶人員受到損害的概率。緊急避險水域應遵循路程短、海水淺、底質抓力大、避開海纜和航道的規則，在風場間隙布設避風區域，作為臨時停泊水域不涉及海域和航運規劃，在經濟上沒有額外支出。在實施方面經過指導即可指揮船舶駛入。該方案不能作為一以貫之的避險操作行為，只有在突發強對流天氣不能及時返港的情況下實施的避險動作。

方案二布設系泊浮筒，系泊浮筒作為海上系泊設施應用由來已久，相應的產品也非常成熟，抗風能力高于直接拋錨，能有效減少走錨情形。泊浮筒作為海工設施，在布設前要通過交通部門的水上水下活動許可，在運維期還要考慮浮筒的清潔護理。該方案可操作性強，布設周期短。

方案三設計浮式防波堤，浮式防波堤在外海形成臨時性避風港，有效減少船舶受風浪的影響，縮短緊急避險的航行路徑，是較為穩妥的避險設施。浮式防波堤形式多種多樣，其主要設計指標是消浪能力，但是在外海如果達到沿海港區的消浪能力，則需要設計及其龐大設備，造價昂貴，還涉及到環境、海域、航運等規劃和管理約束，其實現難度大。

方案四停泊設施改造，對升壓站或風基礎增加系泊設施，可提升船舶緊急避風能力，但增加對風基礎荷載，在設計上可能無法通過。停泊設施改造實施難度較大，不適用于當前運維工作。

方案五建造運維母船，運維母船目前處于在建過程，運維母船無論是在安全性、自持力、舒適性都遠高于現有的運維船舶和安全方案，只有在極端天下才需考慮避風的情況。

方案六船舶升級，船錨改造升級對增加船舶抗風能力有積極作用，但也有上限。單體船改用雙體船，在航速和抗浪能力均有提升，在運維中有充分的實踐證明雙體船在遠海的穩定性，在應對極端天氣和緊急避險中優勢更大。船錨升級改造需要在船級社備案，會涉及手續和材料等相關費用，改造過程需要耗費一段時間，不能滿足目前運維工作；船型改用雙體船運維成本要比單體船高，并且雙體船供給數量可能達不到全員配備的要求。

3 多目標決策分析

對六種船舶避險方案采用多目標決策的模型進行比選，根據海事管理部門要求和風電運維企業的工作訴求，從提高船舶安全性、降低經濟成本、易操作性、節約時間四個方面，7 個子目標進行考慮，分別為減少風險概率A、減少損害程度B、減少投入費用C、減少維護費用D、便于操E 作、方案容易推進實施F、方案見效快，提高運維效率G。按差、中、優三個等級，用百分制對每個子目標評分，評分值為0-100 分，避險方案評分指標見表1。

表1 避險方案評分指標表

3.1 決策矩陣

根據表1 得到決策矩陣：

3.2 權重確定

采用隨機賦權法確定各個指標的權重，統計各個權重分值發生的概率和累計概率如表2 所示。

表2 指標權重及累計概率分布

其中，指標C 的各權重分值發生的概率和累計概率如圖1 所示。

圖1 指標C 的權重分數累積分布線

3.3 方案決策

根據圖2 找到頻率對應的峰值0.18，其對應的權重為最佳權重12。根據同樣的方法可以確定其它六個指標的權重分值，則權重向W=[11,13,12,8,15,18,19]，歸一化后為：[0.115,0.135,0.125,0.083,0.156,0.188,0.198]。

可見第一種方案分值最高，為最優方案。

4 研究結論

通過多目標決策的模型計算可確定第一種方案為最佳策略。方案一（區劃臨時緊急避險水域）最適合當前運維工作需求，最容易實施，但有潛在風險，因此建議結合方案二（布設系泊浮筒）、方案六（船舶升級）逐步實施。

運維母船正在實施過程可作為中遠期方案，浮式防波堤和停泊設施改造在設計和審批方面都需要投入大量時間和經費，實現困難，可作為備選方案。備選方案可由相關單位組織專項研究。以上方案都是針對在強對流天氣提出，在預警時間短、不能及時返港的緊急情況使用的，并非絕對安全的做法。方案是以盡量小的代價減小強對流天氣的危害為目的，在條件允許下應首先服從相關部門下發撤離指令。

目前，海上風電的運維正處于高強度作業階段，而強對流天氣即將進入高發期。為了保障運維工作的順利進行，并且確保船舶和人員的安全，同時最大限度地服從海事部門的防控要求，建議采取區劃臨時緊急避難水域的方案，作為近期應對強對流天氣的緊急措施。