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.