海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全評價

王子豪　范中洲　豐懿

摘要：為研究海上風(fēng)電工程近岸化、規(guī)?；图夯?yīng)對毗鄰水域通航安全的影響，將決策試驗和評價實驗室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法與網(wǎng)絡(luò)分析法（analytic network process， ANP）結(jié)合對其通航安全進(jìn)行評價。選取水文氣象、交通環(huán)境、通航船舶和安全保障等4個方面的影響因素建立評價指標(biāo)體系，通過DEMATEL方法計算指標(biāo)間綜合影響矩陣，通過ANP梳理指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并運用模糊重心法對系統(tǒng)進(jìn)行定性評價。實例研究證明，所提出的模型及方法能夠較客觀地評價海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全水平。該方法可確定對通航安全影響較大的指標(biāo)，為相關(guān)主管部門提供參考。

關(guān)鍵詞：? 海上風(fēng)電; 通航安全; 決策試驗和評價實驗室（DEMATEL）方法; 網(wǎng)絡(luò)分析法（ANP）; DEMATELANP; 風(fēng)險評價

中圖分類號：? U698文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

Evaluation on navigation safety in adjacent waters of

offshore wind power projects

Abstract： In order to study the influence of nearshore， scale and clustering effect of offshore wind power projects on navigation safety in adjacent waters，? the decisionmaking trial and evaluation laboratory （DEMATEL） method are combined with the analytic network process （ANP） to evaluate the navigation safety. The evaluation index system is established by selecting the influencing factors from four aspects： the hydrometeorology， traffic environment， navigable ships and safety guarantee. The comprehensive influence matrix between indices is calculated by DEMATEL method， the index network structure is sorted out by ANP， and the system is qualitatively evaluated by the fuzzy center of gravity method. Example studies prove that， the proposed model and method can objectively evaluate the navigation safety level in adjacent waters of offshore wind power projects. This method can determine the indices with greater impact on navigation safety， which can provide reference for the relevant competent departments.

Key words： offshore wind power; navigation safety; decisionmaking trial and evaluation laboratory （DEMATEL） method; analytic network process （ANP）; DEMATELANP; risk assessment

引言

與傳統(tǒng)火電相比，風(fēng)電是具有顯著環(huán)保和社會效益的清潔能源。根據(jù)海上風(fēng)電“十三五”規(guī)劃的發(fā)展情況，專家預(yù)測全國“十四五”海上風(fēng)電新增裝機將超過32 GW，年均新增海上風(fēng)電裝機6 GW以上[1]。大部分海上風(fēng)電工程距離通航水域較近，海上風(fēng)電機組在建成后將成為永久性的航行障礙物，對附近水域的通航安全將產(chǎn)生重大的影響，甚至可能發(fā)生船舶與風(fēng)機碰撞的海上交通事故，造成重大人員傷亡及經(jīng)濟損失。交通運輸部海事局出臺的《關(guān)于加強海上風(fēng)電場海事安全監(jiān)管的指導(dǎo)意見》，強調(diào)了合理建議海上風(fēng)電場項目規(guī)劃選址、依法監(jiān)管海上風(fēng)電場施工作業(yè)活動、加強風(fēng)電場通航安全管理、推進(jìn)海上風(fēng)電場協(xié)調(diào)聯(lián)動等工作。

國內(nèi)外學(xué)者對海上風(fēng)電工程通航安全及風(fēng)電工程選址已經(jīng)有了一些研究。黃意財[2]以操控船舶、安全管理為切入點，分析在風(fēng)、流的影響下船舶出現(xiàn)漂移的規(guī)律和機理，運用模糊數(shù)學(xué)和層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）建立多級綜合評價模型，對海上風(fēng)電工程的通航安全進(jìn)行評估。陳肖龍[3]采用AHP與熵權(quán)法組合賦權(quán)的方式確定優(yōu)選指標(biāo)的權(quán)重，突破性地運用灰色關(guān)聯(lián)分析法獲得各海上風(fēng)電場場址指標(biāo)值與理想值的關(guān)聯(lián)系數(shù)，最后應(yīng)用灰色綜合優(yōu)選模型對規(guī)劃場址進(jìn)行優(yōu)選排序。梁帥[4]結(jié)合事故樹分析風(fēng)險因子，采用模糊綜合評價方法對海上風(fēng)電工程周邊水域的通航風(fēng)險進(jìn)行定量評價，通過計算得出風(fēng)險等級。陳麗萍等[5]基于導(dǎo)航風(fēng)險評估模型的缺點，設(shè)計了一個統(tǒng)一、透明的預(yù)測船舶碰撞概率和后果的通航風(fēng)險評估框架，總結(jié)了海上風(fēng)電場對船舶交通流和船舶助航設(shè)備的影響。YU等[6]基于海上風(fēng)電機組安裝前后的AIS數(shù)據(jù)，提出了海上風(fēng)電場對海上交通流影響的評估框架，從最小通過距離和海上風(fēng)電場附近船舶軌跡的橫向分布來描述海上風(fēng)電場對海上交通的影響。COPPING等[7]使用AIS數(shù)據(jù)確定船舶歷史航線，并模擬可避開海上風(fēng)電場的未來路線，通過對潛在海上事故進(jìn)行分析，確定由于海上風(fēng)電場的存在而增加的船舶碰撞、擱淺和與靜止物體相撞的邊際風(fēng)險。BELA等[8]深入研究了船舶撞擊速度和位置、風(fēng)向、土壤剛度、船舶變形能力等各種參數(shù)影響下單樁風(fēng)力渦輪機的破碎行為，為海上風(fēng)電場降低碰撞風(fēng)險提出相關(guān)建議。

學(xué)者們主要采用模糊綜合評價法[9]和AHP[10]對海上風(fēng)電工程毗鄰水域的通航安全進(jìn)行評價。這兩種評價方法都存在一定的缺陷：雖然評價結(jié)果易于量化且評價方法易于實施，但未考慮各評價指標(biāo)之間的互相作用。為彌補這一不足，本文運用決策試驗和評價實驗室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法與網(wǎng)絡(luò)分析法（analytic network process， ANP）組合的方法（記為DEMATELANP）構(gòu)建各評價指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，考慮各指標(biāo)間的相互影響計算重要度，采用模糊重心法[11]對海上風(fēng)電工程毗鄰水域的通航安全進(jìn)行定性評價。

1海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全評價分析鑒于海上風(fēng)電工程與船舶通航安全有較大矛盾，海上風(fēng)電工程毗鄰水域面臨較高的通航安全風(fēng)險。綜合相關(guān)規(guī)定和文獻(xiàn)，確定毗鄰水域為以海上風(fēng)電工程外緣線為起點，向四周擴展10 km的海域。在此海域內(nèi)，基于水文氣象、交通環(huán)境、通航船舶和安全保障等4個方面的指標(biāo)進(jìn)行分析評價。

（1）水文氣象。船舶在航行過程中受風(fēng)、流的影響會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)和橫搖等漂移運動，能見度不良使操船人員對距離和位置的判斷有相當(dāng)大的誤差，給船舶正常航行帶來一定的困難。

（2）交通環(huán)境。船舶交通流能直接反映該水域的交通繁忙程度，船舶交通流越大、航路越窄，船舶會遇的概率就越高。海上風(fēng)電工程作為永久性的礙航物，若與航路較近或其周邊發(fā)生交通事故，將會干擾船舶的習(xí)慣航行方式，增大船舶航行密度，使船舶避讓頻率增大。

（3）通航船舶。代表船型的旋回直徑對船舶與風(fēng)電工程的安全距離有較大的影響，IMO船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)（IMO決議MSC.137（76）和MSC/CIRC.1053）確定的操縱性指標(biāo)與船舶長度密切相關(guān)。海上風(fēng)電工程有利于漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，因此風(fēng)電工程毗鄰水域漁船增多，而漁船具有設(shè)備簡陋、船員航海技術(shù)水平整體不高、無固定的航路、航行隨意性大等特點，加上一些特殊的作業(yè)方式，如底拖網(wǎng)、耙網(wǎng)等，均會對風(fēng)電工程周邊船舶的通航安全產(chǎn)生重要影響。

（4）安全保障。助航設(shè)施包括海上燈標(biāo)、燈浮和船載通信導(dǎo)航設(shè)備等，主要功能是危險警告、確認(rèn)及指示交通，是保障通航安全的重要設(shè)施。海上風(fēng)電工程規(guī)模較大，有時會影響船員對助航標(biāo)志的辨識。風(fēng)電工程的磁場也會對周圍船舶的船載通信導(dǎo)航設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。防撞保護設(shè)施可以有效減小碰撞對風(fēng)機基礎(chǔ)所造成的破壞。海事監(jiān)管是保障船舶通航安全的一個重要因素，如果監(jiān)管得當(dāng)、手段先進(jìn)、信息渠道通暢，則可以有效降低船舶通航風(fēng)險、提高通航效率，從而達(dá)到優(yōu)化通航資源、保障船舶通航安全的目的。

2DEMATELANP模型建立

DEMATEL方法[12]對要素關(guān)系不確定的系統(tǒng)更為有效。通過分析各指標(biāo)間直接影響矩陣的邏輯關(guān)系進(jìn)行矩陣中心度和原因度的計算，將所有指標(biāo)分為原因類因素和導(dǎo)致類因素兩大類。相比于AHP，ANP[13]考慮了指標(biāo)間的相互影響，克服了AHP只考慮互相獨立因素的局限性。

先利用DEMATEL方法研究各指標(biāo)間的相互關(guān)系，然后利用ANP基于指標(biāo)間的相互關(guān)系搭建海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全評價指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，用來計算綜合影響矩陣的DEMATEL方法將所有指標(biāo)的影響程度視為是相同的，而實際情況下各指標(biāo)的影響程度并不相同，因此引入ANP法計算混合權(quán)重，采用模糊重心法對本系統(tǒng)進(jìn)行定性評價。根據(jù)已得到的指標(biāo)分類，對混合權(quán)重較高的導(dǎo)致類指標(biāo)進(jìn)行著重管理。

2.1評價指標(biāo)體系的建立

在船舶通航安全評價過程中，研究由船舶、環(huán)境、管理組成的復(fù)雜系統(tǒng)，得出影響船舶通航安全的主要因素，由此構(gòu)建評價指標(biāo)體系。船舶、環(huán)境和管理之間相互影響、相互依存，DEMATELANP[1415]能夠處理這樣的復(fù)雜系統(tǒng)。

秉承代表性、科學(xué)性、全面性和可操作性等原則，通過查閱文獻(xiàn)[27，1617]、廣泛征求專家意見等，構(gòu)建海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全評價指標(biāo)體系，見表1。評價等級見表2。

2.2DEMATEL方法分析指標(biāo)間相互關(guān)系

采用問卷調(diào)查的方式收集專家意見。調(diào)查問卷采用03標(biāo)度法來表明指標(biāo)間的影響程度（0代表完全沒有影響，3代表非常有影響）。

將專家評分平均后，建立直接影響矩陣D，其中aij代表指標(biāo)i對指標(biāo)j的影響程度。（1）對D進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到（2）

（3）計算綜合影響矩陣T，其中E為單位矩陣。（4）對綜合影響矩陣T（=（tij）n×n）進(jìn)行分析，令ri=nj=1tij，cj=ni=1tij，當(dāng)i=j時，記ri+cj為第i個指標(biāo)的中心度，記ri-cj為第i個指標(biāo)的原因度。中心度越大表示該指標(biāo)的重要程度越高;當(dāng)原因度為正時，認(rèn)為該指標(biāo)會對其他指標(biāo)產(chǎn)生影響，為原因類因素;當(dāng)原因度為負(fù)時，認(rèn)為該指標(biāo)會受到其他指標(biāo)的影響，為導(dǎo)致類因素。

2.3構(gòu)建ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

各指標(biāo)間的影響關(guān)系會隨實際情況發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)關(guān)系也隨實際情況變化。借助前文建立的評價指標(biāo)體系，結(jié)合綜合影響矩陣T，構(gòu)建ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，分析各指標(biāo)間的影響關(guān)系，見圖1。圖1中，箭頭表示首端指標(biāo)對末端指標(biāo)產(chǎn)生影響。

ANP賦權(quán)的核心工作是求解超矩陣，計算過程非常復(fù)雜，這里采用專門應(yīng)用于ANP計算的超級決策軟件SD進(jìn)行處理。首先，根據(jù)直接影響矩陣D設(shè)計調(diào)查問卷，對專家評分進(jìn)行整理，列出重要度矩陣，輸入SD軟件中生成極限超矩陣W*，取其代表各個指標(biāo)全局權(quán)重的列向量，記作w。

首先，計算混合權(quán)重：（5）其次，根據(jù)已建立的指標(biāo)體系采用專家問卷調(diào)查法獲得指標(biāo)評價矩陣R，然后計算綜合評價矩陣：（6）然后，采用模糊重心法得到定性評價得分A，其中vi代表第i個評價結(jié)果。（7）最后，根據(jù)結(jié)果對該海上風(fēng)電工程毗鄰水域船舶通航安全進(jìn)行定性評價并提出管理建議。具體計算過程見圖2。

3實例計算

以山東東營渤中基地（BZ3#）一期300 MW海上風(fēng)電場項目（地理圖見圖3）為例進(jìn)行計算。該工程在山東省東營市北部海域布置58臺5.2 MW風(fēng)力發(fā)電機組，總裝機容量為301.6 MW，場址中心離岸距離約為27 km，場址面積48 km2。結(jié)合前文建立的DEMATELANP結(jié)構(gòu)，設(shè)計調(diào)查問卷，內(nèi)容包括各指標(biāo)間影響關(guān)系調(diào)查表、重要度調(diào)查表和指標(biāo)評價表。共向熟悉該水域的通航專家、經(jīng)常使用該航路的船長和東營海事局VTS工作人員發(fā)出調(diào)查問卷200份，收回的有效問卷為182份，問卷有效率為91%。

（1）根據(jù)問卷的各指標(biāo)間影響關(guān)系調(diào)查結(jié)果，建立指標(biāo)間直接影響矩陣，根據(jù)式（1）～（4）計算指標(biāo)間的綜合影響矩陣，結(jié)果見表3和4。

由表3可知：水文氣象的原因度為正值，屬于原因類因素，其他3個一級指標(biāo)的原因度都為負(fù)值，屬于導(dǎo)致類因素，即交通環(huán)境、通航船舶和安全保障指標(biāo)容易被影響，需要對其進(jìn)行著重管理;由中心度排序可知，交通環(huán)境對本工程有較強的影響。根據(jù)表4的中心度排序得到，交通環(huán)境指標(biāo)下附近航路的寬度、附近航路與風(fēng)電場的距離、交通流量等二級指標(biāo)對系統(tǒng)影響最強。

（2）根據(jù)問卷的指標(biāo)重要度調(diào)查結(jié)果，確立ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并運用SD軟件進(jìn)行計算得到極限超矩陣W*，見表5。

（3）從極限超矩陣中選取代表全局權(quán)重的列向量w，根據(jù)式（5）計算混合權(quán)重Z，結(jié)果見表6。

（4）對問卷的指標(biāo)評價結(jié)果進(jìn)行處理，得到評價矩陣R，見表7。根據(jù)式（6）和（7）分別計算綜合評價矩陣B和定性評價得分A。

B=（0.141 1，0.412 7，0.354 4，0.067 6，0.013 8）

A=3.606

由定性評價得分A可知，該海上風(fēng)電工程毗鄰水域的通航安全水平在“一般”與“較高”之間，需要進(jìn)一步提高。根據(jù)綜合影響矩陣原因度分析，水文氣象能夠?qū)ζ渌笜?biāo)產(chǎn)生影響而不會被其他指標(biāo)影響。而交通環(huán)境、通航船舶和安全保障是會被互相影響的導(dǎo)致類因素，因此可以從這3方面進(jìn)一步提

高通航安全水平。其中，附近航路與風(fēng)電場的距離、附近航路寬度和交通流量的權(quán)重最大，因此需要重點對這3個導(dǎo)致類指標(biāo)進(jìn)行分析并加強監(jiān)管，提高該海上風(fēng)電工程毗鄰水域的通航安全水平。

4結(jié)束語

本文將決策試驗和評價實驗室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法與網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）相結(jié)合（記為DEMATELANP），對海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全進(jìn)行評價，得出以下結(jié)論：

（1）在風(fēng)險評估常用的方法中，DEMATEL方法將所有指標(biāo)的重要程度視為是相同的，層次分析法（AHP）沒有考慮各指標(biāo)間的相互影響，而本文采用的DEMATELANP有效地彌補了這兩種方法的不足，保證了指標(biāo)重要度的客觀性與科學(xué)性。

（2）海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航環(huán)境復(fù)雜，且“船舶環(huán)境管理”系統(tǒng)中各因素相互影響，DEMATEL方法能夠梳理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ANP可以計算指標(biāo)權(quán)重，因此DEMATELANP適用于海上風(fēng)電工程毗鄰水域通航安全評價研究。

（3）以山東東營渤中基地（BZ3#）一期300 MW海上風(fēng)電場項目為例進(jìn)行了實例分析，評價出該水域的通航安全水平處于“一般”與“較高”之間。根據(jù)指標(biāo)分類與排序可知，附近航路與風(fēng)電場的距離、附近航路的寬度和交通流量這3個導(dǎo)致類指標(biāo)對這個海上風(fēng)電場毗鄰水域通航安全的影響最大，該結(jié)果可為相關(guān)主管部門提供參考。

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（編輯趙勉）

收稿日期： 20210402修回日期： 20210917

作者簡介： 王子豪（1995—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為航海安全保障，（Email）wangzihao@foxmail.com;

范中洲（1970—），男，浙江湖州人，教授，船長，博士，研究方向為航海安全保障，（Email）ffzz101@163.com