北极东北航道航行实践与安全性研究*

蔡梅江 曹 伟

（1.中石化中海船舶燃料供应有限公司 广州510623；2.中远海运特种运输股份有限公司 广州510627；3.武汉理工大学智能交通系统研究中心 武汉430063；4.武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心 武汉430063）

0 引 言

在全球气候变暖的背景下，北冰洋的冰盖面积逐渐减少，北极航道的通航条件渐佳，目前已实现季节性通航。在此背景下，环北极国家针对北极的战略地位、地缘政治、资源利用、北极航线等展开了新一轮的研究热潮。北极航道的开通，大幅减少远洋运输经济成本，降低狭窄水道、通航密度高及特殊敏感海域海盗等风险，直接影响我国传统海上运输贸易格局[1]。

北极航道是指连接大西洋和太平洋的海上通道，从地理位置上划分，目前主要分为3 条：中央航道（通过北极点）、西北航道、东北航道。中央航道由于北冰洋中心区域存在多年坚冰覆盖，冰级较低的船舶难以穿越北极点。西北航道由于大部分航段位于加拿大境内的北极群岛水域，复杂的岛屿环境和多年冰的存在，使得船舶的通航环境十分复杂且船舶的通航窗口期较短。东北航道西起挪威海，途经巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海，到达白令海峡。由于夏季海冰的融化，东北航道目前已实现季节性通航，越来越多的商船穿越北极东北航道进行商业通航，北极东北航道常态化运行的商业潜力日益凸显。

当前我国北极东北航道的航行实践主要为中远海运集团所属中远海运特运公司的商业航行活动，从早期的工作筹备到成功实现商业试航，都体现了我国在极地商业航行上的探索与实践。在总结中国商船北极航行经验的基础上，对航次所遇到的风险和危险场景进行分析，对北极冰区船舶航行的安全性进行研究。目前北极东北航道的现状尚未达到大规模商业化通航的水平，因航道条件、船舶助导航、事故应急与救援保障能力还不成熟[2]，需要投入大量人力物力进行建设，为北极航道的进一步开发创造更好的环境条件。

1 中国商船北极航行实践与回顾总结

2017 年7 月，俄罗斯与我国提出开展北极航道方面的合作，共同建设“冰上丝绸之路”。2018 年1月，中国政府发布了《中国的北极政策》白皮书[3]，阐明中国在北极问题上的基本立场，以及中国参与北极事务的政策目标、基本原则、和主要政策主张。

早在2012年11月，国家提出了“海洋强国”发展战略，此举推动了北极开发的战略步伐。自2013年以来，中远海运集团积极探索和开展极地航行活动，旗下中远海运特运（原名为中远航运）率先开辟了北极航线，组织多艘次船舶航经北极东北航道，形成常态化、项目化运营，开辟了中国商船极地航行的先河。

2013—2019年，中远海运集团一共派出17艘船，共计31航次，其中东行14个航次，西行17个航次，具体航次信息见表1。在北极东北航道31 个航次中，与航经马六甲海峡与苏伊士运河传统航线相比，共计节省里程122 812 n miles，节省燃油12 149 t，标准煤17 356 t，共运输货物52.41万t。

2 东北航道安全风险研究现状

北极东北航道自实现季节性通航后，一直受到社会各界的高度关注。北极航道作为一个环境敏感脆弱、地理位置特殊、通航条件复杂的航行水域，船舶在通航时要高度重视和关注相关的风险因素。目前国内外针对北极船舶航行风险控制的研究主要集中于通航环境、编队航行、海冰气象预报、溢油处置技术等[4]，且技术相对比较成熟。

总结2013—2019年31次历史航次数据，一共有14个航次申请破冰船护航，总结航行经验发现，目前北极东北航道航行主要存在的风险有：通航环境复杂、冰区编队航行缺乏理论支撑、船冰碰撞及冰困、船员疲劳驾驶、冰情预报的不确定性。

2.1 通航环境风险

东北航道地理位置特殊，地形复杂，通航环境具有不确定性与未知性的特点。国内外学者针对通航环境的研究侧重点不同，国外学者主要着重于环境风险对船舶实际航行安全的影响，而国内学者则侧重于通航环境因素的识别、分析和重要度分析。

国外学者的研究主要是结合船舶通航环境评估船舶的风险水平。A.Baksh 等[5]将北方海航道的5个海域作为对比，将风速、浪高、浮冰、冰脊和冰山等环境因素作为贝叶斯网络的节点，以一艘油船为例预测船舶碰撞、搁浅以及沉没的风险水平。M.Afenyo 等[6]建立贝叶斯网络，考虑弱能见度、强风、雪暴、冰山等环境因素下船舶航行风险，对船舶事故场景进行分析。

国内学者在通航环境方向的研究主要集中于风险影响因素的识别与分析，评估对象为船舶的航行环境。李振福等[7]对北极航线通航环境的特点进行了详细分析，并从船舶通航的角度出发，在分析航线现状及统计通航事故的基础上，对北极航线通航环境进行了深度挖掘。付姗姗等[8]针对北极冰区船舶航行风险因素识别问题，提出了一种基于蒙特卡洛仿真的层次分析法，得到影响船舶北极冰区航行安全的重要环境风险因素为风、能见度、海冰密集度和气温，并对结果的合理性进行验证。胡甚平等[9]基于北极东北航道的环境特点，对船舶航行过程的风险水平进行动态仿真分析。

通航环境因素的辨识与重要度分析有利于船舶航行风险防控，保障船舶航行安全。

表1 2013—2019 年北极航次汇总Tab.1 List of Arctic voyage since 2013—2019

2.2 冰区编队航行风险

由于北极地区高纬低温的特性，造成海冰成为船舶冰区航行的主要障碍。出于冰区船舶操纵和结构安全性的考虑，低冰级船舶穿越冰区时需要破冰船的援助，破冰船编队作业是冰区船舶作业常见的一种模式。目前关于船舶护航编队作业的研究主要集中于编队船舶的速度控制以及安全距离的确定，以保障编队运输的安全与效率。

当进行编队作业时，会根据船舶的冰级、动力性、吨位、操纵性等对船舶进行排序，确定编队跟驰顺序。破冰船作为领航船破冰前行，破冰方式为连续式破冰。由于海冰阻力的存在，破冰船的速度会在一定范围内波动，冰情严重时会造成破冰船停车。因此后方跟随船舶与破冰船（前船）之间的距离控制是保证编队安全航行的关键。在基于AIS数据和海冰反演数据的基础上，F.Goerlandt等[10]对护航和编队作业类型进行分析，研究船舶间距与不同冰情之间的关系，并采用箱形图展示了速度与不同海冰参数之间的关系。在编队碰撞风险研究上，B.Khan 等[11]基于元胞自动机模型，模拟船舶编队在不同的减速场景、编队最大航速条件下船舶的碰撞风险水平。国内学者针对冰区编队作业安全研究，同样发表了许多研究成果。M.Y.Zhang等[12]根据船舶跟驰理论建立船舶与破冰船碰撞概率模型，以可接受的碰撞风险概率为风险阈值，提出有效的避碰策略，以“永盛”轮与“50年胜利”号破冰船为例，仿真不同冰龄条件下的最短安全距离。船舶编队作为一个复杂的运输系统，安全距离的确定十分复杂，李振福等[13]基于道路交通流模型，分析北极冰区船舶的航行阻力以及制动性能，提出船舶的安全间距、跟驰速度的确定公式；W.B.Zhang等[14-15]基于安全距离模型和刺激反应模型分别提出了安全距离耦合运动模型和多船跟驰模型，并通过实际AIS 数据与模型输出数据进行对比验证。

2.3 船冰碰撞及冰困风险

船舶在冰区航行过程中，无法避免会与海冰相互作用。在船冰碰撞方面，由于船舶冰级以及船体结构上的原因，船舶与海冰直接的碰撞会影响到船体的结构安全，甚至在航行过程中可能与漂移的冰山相撞。在2019年1月，雪龙号科考船在南极航行时撞上漂移的冰山，导致船头桅杆断裂。在冰困方面，当船舶的破冰能力不足，会导致船舶发生冰困事件。

考虑到船舶操作系统和人员的不确定性，B.Khan 等[16]提出一种面向对象的贝叶斯网络模型，基于船舶导航和操作状态、天气、冰况、认为失误等节点，动态预测船舶与冰山碰撞的概率，保障船舶航行安全。M.Afenyo等[6]借助贝叶斯网络对船-冰山碰撞场景进行研究，分析导致碰撞事故的关键因素，有助于风险场景的决策制定。国内研究主要集中于冰载荷研究，船体结构安全分析。最早对冰载荷的分析预测主要采用经验或半经验公式，但是适用范围受限[17]。随着计算机技术的发展，最常见的有离散元分析方法对冰载荷进行分析[18]、有限元方法对船体结构进行分析[19]。在冰山识别与避让研究上，船舶在能见度不良条件下，采用船载雷达设备识别冰山要采取合适的量程和夜间如何有效使用探照灯，并做好提前避让冰山的操作[20]。

在船舶冰困研究上，Fu 等[21-22]建立贝叶斯网络模型，对风险影响因素进行分析，通过构建海冰密集度、海水温度、冰厚度、船速等网络节点，对船舶冰困概率进行预测，同样的，提出另一种定量方法对冰困事件进行分析，从专家知识中提取初始事件和中间事件发生的概率，利用蒙特卡洛仿真和模糊集理论，定量分析船舶冰困的概率水平，有助于北极冰区风险管理和事故预防。当船舶遭遇冰困时，要及时分析造成冰困的原因，了解事件的严重程度，周围海冰情况以及船舶自身结构强度与货物装载情况，根据《极地水域操作手册编写指南》提出的解困措施，使船舶尽快脱困[23]。

2.4 船员疲劳驾驶风险

在北极低温的环境下，对船员的生理和心理会造成一定的挑战，尤其船舶冰区航行时与海冰巨大的撞击声对船员的心理状态提出了更高的挑战。在船舶连续长时间遭遇严重冰情时，或配备的大副缺乏冰区航行经验，将会导致船长在驾驶台连续指挥航行时间过长，容易引发疲劳驾驶问题。

S.Kum 等[24]运用模糊故障树分析法，对1993 至2011 年北极海上事故进行挖掘和分析，研究结果表明导致事故最重要的原因在于船员疏忽，该研究成果有助于指导船员适任能力培训，规范船员安全操作。对此，在条件允许的情况下，可考虑配备2名船长，或者1 名具有冰区航行经验和船舶操纵能力的大副，交替航行值班，防止船员疲劳驾驶。

2.5 冰情预报不确定性风险

海冰是制约北极通航的最主要因素，它影响船舶破冰、导航、航速、船体结构等[25]。无论是海冰密集度、厚度、覆盖范围估计，还是海冰运动预测，都对船舶航行安全造成威胁。由于极地风、洋流的影响，实际冰况与预报冰况存在较大误差。

鉴于海冰检测和采集方式的不同，最终的冰情预报数据是多源数据融合的结果，Liu等[26]分析目前多源数据融合的难点：有限的时空范围和观测存在的不确定性。李春花等[27]采集卫星遥感数据对北极航道的冰情变化和开通窗口期进行分析，给航道利用提供科学参考。船舶在航行期间，密切关注冰情预报，时刻掌握设计航线附近的风、流、海况以及气温变化趋势，确保获取即使可靠的冰情预报信息。

3 东北航道实际航次风险与防控措施

北极东北航道由于地处高纬度偏远地区，航行条件恶劣，地缘政治敏感，航海资料及岸基救援力量匮乏，确保船舶航行安全是极地航行的首要任务。由于地理环境复杂、气候及水文环境多变、信息的时效性等因素，实际航次遭遇的风险与事前理论评估风险存在很大的差异性。

3.1 通导设备工况恶劣

北极东北航道地处高纬度地区，恶劣的工况对船舶的通信导航设备提出了挑战。一些传统的船载通信终端会出现信号不稳定或者断网，尤其在75°N以北，根本接收不到信号。船舶电罗经、磁罗经，自穿越白令海峡驶入东北航道后，开始产生较大误差。

对此，为克服北极高纬度地区通信困难，船舶配备了铱星通信等设备，覆盖极地高纬区；并安装了VSAT 和视频传输设备，满足大数据流量通信需求和视频传输的需要，为船舶的远程指挥和安全监管提供便利。

3.2 船员冰区航行经验匮乏

与传统海域不同，北极东北航道由于海冰的存在，对船员的操作提出了更高的要求。自2013年以来，尽管一共组织了31 个航次的航行任务，但是船员的经验还不够丰富，需要对船员开展相关安全知识和业务技能培训。

为保障任务船舶航行安全，在2019年的实际航次中，每艘船舶都选调符合要求的船舶三长，确保每一艘参与计划的船舶配置至少一名具有极地冰区航行经历的船长或大副。并根据任务船舶的实时动态，结合船员调配工作，灵活有序地组织开展相应安全知识、业务技能和心理辅导培训。

3.3 船舶编队航行风险

在北方海航道局的法规以及船舶自身抗冰能力不足条件下，船舶必须申请破冰船护航作业。由于破冰船与被护航船的抗冰能力差异较大，且在航行过程中被护航船需要跟随破冰船的“尾迹”航行，对船舶的操纵性能和船长的操船技能要求较高。在编队航行过程中，破冰船的任务是压碎坚冰，开辟一条无冰航道，编队船舶则在一个安全距离范围内，以与破冰船相近的速度跟随，在跟驰的过程中需要频繁调整航速、航向，控制与破冰船或其他船之间的间距。

在编队作业过程中，破冰船作为领航船，整个编队的航线、航速均由其全面指挥。编队的顺序有破冰船船长根据船舶的船宽、动力性、冰级、吃水等进行排序，从而保证编队航行的最大通航安全和效率。编队船舶之家的距离是由经验丰富的破冰船船长确定的，其大小与船速、船舶操纵性能、冰况等相关。

3.4 航线风险

航线风险涉及的因素非常多，例如习惯海峡的通航情况、船舶吃水、海冰漂移、气象信息等。在任务船舶出发前，会根据冰情预报信息、气象数据、船舶油耗等进行规划航线[28]，为船舶实际航行提供路线参考。但是在实际航行过程中，海冰运动轨迹的不确定性、风、浪、流等会对设计航线造成威胁，严重的情况下融化的海冰会阻塞海峡，逼迫船舶绕行。

同样地，高纬度航线与沿岸航线之间也存在巨大的差异。高纬度航线，距离短，转向点较少，但是冰情严重；沿岸航线虽然无冰或者少冰，但是船舶需要频繁调整航向，并且只适合吃水较小的船舶通行。

航线安全是保障船舶安全穿越北极东北航道的关键。习惯航线和深吃水航线的选择、习惯航行海峡的风险判断很大程度上依赖于最新的气象预报数据、丰富的船员经验。

4 对推动北极航道建设的政策建议

一直以来，世界各国探索北极的脚步从未停止，自北极航道季节性通航实现后，各国目光纷纷聚焦于北极。继2017年提出中俄双方提出“冰上丝绸之路”的战略后，2018年1月，国务院办公室发布《中国的北极政策》白皮书。就依法合理利用北极资源，参与北极航道开发利用，阐明了中国愿依托北极航道的开发利用[3]，与各方共建“冰上丝绸之路”的基本立场，并鼓励各方企业积极参与北极航道建设，依法开展商业试航，稳步推进北极航道的商业化、常态化、项目化运行。

构建“冰上丝绸之路”是“一带一路”战略的完美补充，是中国开拓发展的重大机会，但也面临着巨大的政治障碍和技术挑战。总之北极航线的开发利用，机遇与挑战并存。

4.1 加大北极科考活动

截止到2019年夏季，中国一共组织35次南极科学考察，9次北极科学考察。科学考察时我国在北极的主要活动之一，通过科考记录北极的航道、环境、气候数据，对巩固我国在北极的合法权益具有重要意义[29]。在推进北极科学研究方面，有序推动北极生命科学、物理科学、气象学等方面的研究。“雪龙2号”科考船在2019年7月顺利下水，该船拥有双向破冰能力和更先进的科考设备，我国极地科考研究即将迈入双龙探极的新阶段。

4.2 鼓励国内企业参与北极航道基础设施建设

中国作为北极理事会正式观察员国，又作为近北极国家，要坚持“尊重、合作、共赢、可持续”四大基本原则参与北极事务[30]。囿于北极航道特殊的气候环境和政治环境的约束，参与北极建设应当以国家层面为主导，加强与环北极国家的合作，在能源、港口、铁路等方面进行投资合作。为航道商业化运作和当地经济发展做出实际的贡献，确保绿色开发，持续利用，做到互利共赢。

4.3 构建近北极国家战略合作平台

北极航道的开通，将会改变全球海上运输贸易格局。另一方面，北极航道的开发也是北极利益相关者之间的较量。如何跨区域共同建设北极航道，是未来政策建设的重点，而北极理事会在协调事务方面的作用十分有限[31]。构建近北极国家战略合作平台，需要各国进行资源共享、战略对接、政策对接，实现北极航道的共商、共建、共享，实现统一化的战略合作平台。

5 总结与展望

目前北极东北航道已实现季节性通航，中远海运集团以先行者的姿态，稳步推动北极东北航道的商业化、常态化、项目化运营。针对实际航次信息，在通航环境、船冰碰撞及冰困、编队航行安全等方面取得了一定的研究进展，保障船舶航行安全。“冰上丝绸之路”战略是我国北极航道发展的重大机遇，为我国参与北极事务提供有力支撑。