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船舶与海上风电场碰撞风险及预警方法研究

2020-01-03浦云青吴昌胜钟庆云汪健

中国水运 2020年12期
关键词:风险预警

浦云青 吴昌胜 钟庆云 汪健

摘 要:发展海上风电是我国能源结构转型的重要战略支撑,然而,海上风电场作为固定碍航物,与航路安全的矛盾日渐突出。从风电场安全保障的角度出发,通过建立船舶与风电场安全距离模型,以及多船条件和外界环境影响下的碰撞风险模型,将模型应用于风电航标与安全管理系统,并提出一种基于电子围栏的船舶与风电场碰撞预警方法,对潜在碰撞风险分级预警,把船撞风机的风险值可视化显示,进一步完善船舶与风电场碰撞预警理论体系,保障风电场营运安全及船舶通航安全。

關键词:海上风电场;安全间距;碰撞风险;风险预警

在全球能源危机日益严峻的背景下,开发和利用清洁能源成为了国家能源结构转型的主要方向。随着海上风电场的快速发展,风电场区与船舶的通航安全逐渐引起人们的重视,如何减少风电场对通航环境的影响,确保船舶航行安全,及时有效规避碰撞风险,是现阶段海上风电建设与运营中亟待解决的问题。

针对海上风电场船-机碰撞安全,吴志良[1]对风电场风机遭受船舶碰撞的风险进行概述,并且针对单桩基础、群桩基础等结构型式的风机防护进行了探讨;Lehmann和Biehl[2-3]通过实验研究了油轮、集装箱船、散货船等多种类型船舶撞击风机的风险,在比较不同风机基础抗撞能力的情况下,提出了相应防撞措施。针对船舶碰撞风险,张锋[4]提出了一种船舶进出锚地的碰撞风险度评价模型,定量计算船舶进出天津港各锚地的碰撞风险度大小。针对基于船舶领域的碰撞风险,日本学者藤井[5]最先提出船舶了领域的概念,毕修颖[6]结合AIS传输数据,基于船舶碰撞危险度建立了船舶动态避碰行为领域模型。针对停船距离的碰撞风险,明力[7]等人在分析船舶倒车冲程的基础上,结合交通流跟驰理论研究了超大型船舶纵向间距问题,建立超大型船舶安全纵向间距计算模型;黄寅[8]以船舶惯性、主机转速、主机功率等对倒车冲程进行研究,建立了以倒车冲程为基础的船舶领域模型。针对碰撞预警的研究,李义山[9]基于船舶碰撞危险度建立了碰撞风险预警模型,运用智能识别技术,识别不同会遇局面下存在的碰撞危险态势并及时预警。

结合上述分析可知,当前针对船撞风机的研究较少,本文通过开展船舶与海上风电场碰撞研究,构建船舶与海上风电场安全距离模型及碰撞概率模型,计算不同情况下的碰撞概率,提出有效的碰撞预警方法,以保障海上风电场水域船舶通航安全。

1 船舶与海上风电场安全距离计算

1.1基于船舶领域模型的安全距离

船舶航经海上风电场附近水域时,将海上风电场整体视为一个障碍物,对于航向不指向风电场的船舶,应保证风电场始终位于船舶领域范围外。船舶在实际通航中,受风流等外界环境干扰存在一定横向漂移,驾驶人员常通过控制舵角调整航向,使得船舶实际航向与计划航向产生偏差,船舶领域范围也发生变化,如图1所示。

1.1.1基于船舶领域模型的安全距离建模

日本学者藤井经长期观测某水道船舶交通流,得出藤井船舶领域模型如图2所示。

1.1.2基于船舶领域模型的安全距离计算

本文选取不同尺度散货船,航速取6m/s,常风向为SE,与附近习惯航路夹角为15°,风速取10m/s,表层流速取2m/s,涨潮流方向为WSW。

综上可知:不同尺度散货船与风电场的安全距离不同,最小安全距离随着尺度增加而增大,其中15万吨级散货船在正常航行状态下所需最小安全距离为1600m。

1.2基于船舶领域模型的安全距离

船舶航经风电场附近水域时,对于指向风电场的船舶,船舶需在进入风电场前停船,安全距离如图4所示。

1.2.1基于船舶停船距离的安全距离建模

综上可知:船舶与风电场的最小安全距离随着船速增加而增大,当航速在4m/s、6m/s时,15万吨级散货船最小安全距离分别为1288m、2460m。

2 船舶与海上风电场碰撞风险研究

2.1船舶与海上风电场碰撞模型

2.1.1船舶偏航概率

上述模型中相邻风机间距1km,船舶在点A1处正北向航行。由Kunz模型可知,船舶偏航角呈正态分布,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海上风电场碰撞风险案例

本文以江苏滨海300MW风电场为例,风机组行距约1000m,风机直径2m,设定东南风6级,能见度2000~2500m,涨潮对应流速为2.5m/s。

2.2.1 1万吨级散货船偏航概率及未停船概率

从偏航角度来看,1万吨级散货船偏向37号风机的角度最小约11.3°,偏向19号风机的角度最大约88.5°;从停船距离来看,距离1号风机最近约707m,距离56号风机最远约19660m。

从偏航概率来看,1万吨级散货船偏向37号风机的概率最大为2.06×10-2,偏向19号风机的概率最小为4×10-19;从未停船概率来看,船舶至1号风机的未停船概率最大为2.29×10-1,船舶至56号风机的未停船概率最小为1.98×10-6。

1万吨级散货船与1、20、37、38号风机的碰撞风险较大,且与1号风机的碰撞风险最大为2.95×10-5。

2.2.2  5000吨级散货船偏航概率及未停船概率

从偏航角度来看,5000吨级散货船偏向46、47号风机的角度最小约9.5°,偏向1号风机的角度最大约83.9°;从停船距离来看,距离10、11号风机最近约1118m,距离56号风机最远约9962m。

从偏航概率来看,5000吨级散货船偏向46、47号风机的概率最大为2.54×10-2,偏向1号风机的概率最小为2.97×10-17;从未停船概率来看,船舶至10、11号风机的未停船概率最大为3.29×10-5,船舶至56号风机的未停船概率最小为3.28×10-5。

5000吨级散货船与10、11、29、30、47、48、49、50号风机的碰撞风险较大,且与48、49号风机的碰撞风险最大为8.33×10-5。

3 基于网格的风险可视化

本文将风电场风机网格划分為大小相同的矩形,将船舶与风机碰撞风险值可视化显示。

由图9~图10可知,1万吨级散货船与外侧的1、20、37号风机的碰撞风险等级为Ⅳ级(较高风险),其余等级为I级(低风险); 5000吨级散货船与风电场内10、11、29、30、47~50号风机的碰撞风险等级为Ⅳ级(较高风险),其余等级为I级(低风险)。

4 结束语

(1)本文提出了船舶与海上风电场安全距离的计算方法,对于航向不指向风电场的船舶,基于船舶领域模型计算船舶在不同风流压差下的安全距离;对于航向指向风电场的船舶,基于船舶停船理论计算安全距离。

(2)构建了船舶碰撞风电场风机的概率模型和风险模型。改进了Kunz模型提出一种船撞风机概率模型,基于碰撞风险模型对碰撞风险实例计算,并利用网格的风险可视化方法,将各风机与船舶碰撞风险可视化予以展示。

参考文献:

[1]吴志良,王凤武.海上风电场风机基础型式及计算方法[J].水运工程,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] 张峰. 基于AIS信息的天津港锚地碰撞风险度研究[D].集美大学,2019.

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

[6]毕修颖,贾传荧,吴兆麟,姜广生.船舶避碰行动领域模型的研究[J].大连海事大学学报,2003(01):9-12.

[7]明力,刘敬贤,王先锋.超大型船舶安全纵向间距计算模型[J].中国航海,2014,37(04):40-43.

[8]黄寅. 风流作用下的内河船舶领域模型及应用研究[D].武汉理工大学,2012.

[9]李义山. 基于随机森林的船舶碰撞风险预警研究[D].武汉理工大学,2017.

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