海上风电工程毗邻水域通航安全评价

王子豪　范中洲　丰懿

摘要：为研究海上风电工程近岸化、规模化和集群化效应对毗邻水域通航安全的影响，将决策试验和评价实验室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法与网络分析法（analytic network process， ANP）结合对其通航安全进行评价。选取水文气象、交通环境、通航船舶和安全保障等4个方面的影响因素建立评价指标体系，通过DEMATEL方法计算指标间综合影响矩阵，通过ANP梳理指标网络结构，并运用模糊重心法对系统进行定性评价。实例研究证明，所提出的模型及方法能够较客观地评价海上风电工程毗邻水域通航安全水平。该方法可确定对通航安全影响较大的指标，为相关主管部门提供参考。

关键词：  海上风电; 通航安全; 决策试验和评价实验室（DEMATEL）方法; 网络分析法（ANP）; DEMATELANP; 风险评价

中图分类号：  U698文献标志码：  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

與传统火电相比，风电是具有显著环保和社会效益的清洁能源。根据海上风电“十三五”规划的发展情况，专家预测全国“十四五”海上风电新增装机将超过32 GW，年均新增海上风电装机6 GW以上[1]。大部分海上风电工程距离通航水域较近，海上风电机组在建成后将成为永久性的航行障碍物，对附近水域的通航安全将产生重大的影响，甚至可能发生船舶与风机碰撞的海上交通事故，造成重大人员伤亡及经济损失。交通运输部海事局出台的《关于加强海上风电场海事安全监管的指导意见》，强调了合理建议海上风电场项目规划选址、依法监管海上风电场施工作业活动、加强风电场通航安全管理、推进海上风电场协调联动等工作。

国内外学者对海上风电工程通航安全及风电工程选址已经有了一些研究。黄意财[2]以操控船舶、安全管理为切入点，分析在风、流的影响下船舶出现漂移的规律和机理，运用模糊数学和层次分析法（analytic hierarchy process， AHP）建立多级综合评价模型，对海上风电工程的通航安全进行评估。陈肖龙[3]采用AHP与熵权法组合赋权的方式确定优选指标的权重，突破性地运用灰色关联分析法获得各海上风电场场址指标值与理想值的关联系数，最后应用灰色综合优选模型对规划场址进行优选排序。梁帅[4]结合事故树分析风险因子，采用模糊综合评价方法对海上风电工程周边水域的通航风险进行定量评价，通过计算得出风险等级。陈丽萍等[5]基于导航风险评估模型的缺点，设计了一个统一、透明的预测船舶碰撞概率和后果的通航风险评估框架，总结了海上风电场对船舶交通流和船舶助航设备的影响。YU等[6]基于海上风电机组安装前后的AIS数据，提出了海上风电场对海上交通流影响的评估框架，从最小通过距离和海上风电场附近船舶轨迹的横向分布来描述海上风电场对海上交通的影响。COPPING等[7]使用AIS数据确定船舶历史航线，并模拟可避开海上风电场的未来路线，通过对潜在海上事故进行分析，确定由于海上风电场的存在而增加的船舶碰撞、搁浅和与静止物体相撞的边际风险。BELA等[8]深入研究了船舶撞击速度和位置、风向、土壤刚度、船舶变形能力等各种参数影响下单桩风力涡轮机的破碎行为，为海上风电场降低碰撞风险提出相关建议。

学者们主要采用模糊综合评价法[9]和AHP[10]对海上风电工程毗邻水域的通航安全进行评价。这两种评价方法都存在一定的缺陷：虽然评价结果易于量化且评价方法易于实施，但未考虑各评价指标之间的互相作用。为弥补这一不足，本文运用决策试验和评价实验室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法与网络分析法（analytic network process， ANP）组合的方法（记为DEMATELANP）构建各评价指标的网络关系，考虑各指标间的相互影响计算重要度，采用模糊重心法[11]对海上风电工程毗邻水域的通航安全进行定性评价。

1海上风电工程毗邻水域通航安全评价分析鉴于海上风电工程与船舶通航安全有较大矛盾，海上风电工程毗邻水域面临较高的通航安全风险。综合相关规定和文献，确定毗邻水域为以海上风电工程外缘线为起点，向四周扩展10 km的海域。在此海域内，基于水文气象、交通环境、通航船舶和安全保障等4个方面的指标进行分析评价。

（1）水文气象。船舶在航行过程中受风、流的影响会产生偏转和横摇等漂移运动，能见度不良使操船人员对距离和位置的判断有相当大的误差，给船舶正常航行带来一定的困难。

（2）交通环境。船舶交通流能直接反映该水域的交通繁忙程度，船舶交通流越大、航路越窄，船舶会遇的概率就越高。海上风电工程作为永久性的碍航物，若与航路较近或其周边发生交通事故，将会干扰船舶的习惯航行方式，增大船舶航行密度，使船舶避让频率增大。

（3）通航船舶。代表船型的旋回直径对船舶与风电工程的安全距离有较大的影响，IMO船舶操纵性标准（IMO决议MSC.137（76）和MSC/CIRC.1053）确定的操纵性指标与船舶长度密切相关。海上风电工程有利于渔业和养殖业，因此风电工程毗邻水域渔船增多，而渔船具有设备简陋、船员航海技术水平整体不高、无固定的航路、航行随意性大等特点，加上一些特殊的作业方式，如底拖网、耙网等，均会对风电工程周边船舶的通航安全产生重要影响。

（4）安全保障。助航设施包括海上灯标、灯浮和船载通信导航设备等，主要功能是危险警告、确认及指示交通，是保障通航安全的重要设施。海上风电工程规模较大，有时会影响船员对助航标志的辨识。风电工程的磁场也会对周围船舶的船载通信导航设备产生一定的影响。防撞保护设施可以有效减小碰撞对风机基础所造成的破坏。海事监管是保障船舶通航安全的一个重要因素，如果监管得当、手段先进、信息渠道通畅，则可以有效降低船舶通航风险、提高通航效率，从而达到优化通航资源、保障船舶通航安全的目的。

2DEMATELANP模型建立

DEMATEL方法[12]对要素关系不确定的系统更为有效。通过分析各指标间直接影响矩阵的逻辑关系进行矩阵中心度和原因度的计算，将所有指标分为原因类因素和导致类因素两大类。相比于AHP，ANP[13]考虑了指标间的相互影响，克服了AHP只考虑互相独立因素的局限性。

先利用DEMATEL方法研究各指标间的相互关系，然后利用ANP基于指标间的相互关系搭建海上风电工程毗邻水域通航安全评价指标的网络结构。然而，用来计算综合影响矩阵的DEMATEL方法将所有指标的影响程度视为是相同的，而实际情况下各指标的影响程度并不相同，因此引入ANP法计算混合权重，采用模糊重心法对本系统进行定性评价。根据已得到的指标分类，对混合权重较高的导致类指标进行着重管理。

2.1评价指标体系的建立

在船舶通航安全评价过程中，研究由船舶、环境、管理组成的复杂系统，得出影响船舶通航安全的主要因素，由此构建评价指标体系。船舶、环境和管理之间相互影响、相互依存，DEMATELANP[1415]能够处理这样的复杂系统。

秉承代表性、科学性、全面性和可操作性等原则，通过查阅文献[27，1617]、广泛征求专家意见等，构建海上风电工程毗邻水域通航安全评价指标体系，见表1。评价等级见表2。

2.2DEMATEL方法分析指标间相互关系

采用问卷调查的方式收集专家意见。调查问卷采用03标度法来表明指标间的影响程度（0代表完全没有影响，3代表非常有影响）。

将专家评分平均后，建立直接影响矩阵D，其中aij代表指标i对指标j的影响程度。（1）对D进行标准化处理，得到（2）

（3）计算综合影响矩阵T，其中E为单位矩阵。（4）对综合影响矩阵T（=（tij）n×n）进行分析，令ri=nj=1tij，cj=ni=1tij，当i=j时，记ri+cj为第i个指标的中心度，记ri-cj为第i个指标的原因度。中心度越大表示该指标的重要程度越高;当原因度为正时，认为该指标会对其他指标产生影响，为原因类因素;当原因度为负时，认为该指标会受到其他指标的影响，为导致类因素。

2.3构建ANP网络结构

各指标间的影响关系会随实际情况发生变化，因此网络关系也随实际情况变化。借助前文建立的评价指标体系，结合综合影响矩阵T，构建ANP网络结构图，分析各指标间的影响关系，见图1。图1中，箭头表示首端指标对末端指标产生影响。

ANP赋权的核心工作是求解超矩阵，计算过程非常复杂，这里采用专门应用于ANP计算的超级决策软件SD进行处理。首先，根据直接影响矩阵D设计调查问卷，对专家评分进行整理，列出重要度矩阵，输入SD软件中生成极限超矩阵W*，取其代表各个指标全局权重的列向量，记作w。

首先，计算混合权重：（5）其次，根据已建立的指标体系采用专家问卷调查法获得指标评价矩阵R，然后计算综合评价矩陣：（6）然后，采用模糊重心法得到定性评价得分A，其中vi代表第i个评价结果。（7）最后，根据结果对该海上风电工程毗邻水域船舶通航安全进行定性评价并提出管理建议。具体计算过程见图2。

3實例计算

以山东东营渤中基地（BZ3#）一期300 MW海上风电场项目（地理图见图3）为例进行计算。该工程在山东省东营市北部海域布置58台5.2 MW风力发电机组，总装机容量为301.6 MW，场址中心离岸距离约为27 km，场址面积48 km2。结合前文建立的DEMATELANP结构，设计调查问卷，内容包括各指标间影响关系调查表、重要度调查表和指标评价表。共向熟悉该水域的通航专家、经常使用该航路的船长和东营海事局VTS工作人员发出调查问卷200份，收回的有效问卷为182份，问卷有效率为91%。

（1）根据问卷的各指标间影响关系调查结果，建立指标间直接影响矩阵，根据式（1）～（4）计算指标间的综合影响矩阵，结果见表3和4。

由表3可知：水文气象的原因度为正值，属于原因类因素，其他3个一级指标的原因度都为负值，属于导致类因素，即交通环境、通航船舶和安全保障指标容易被影响，需要对其进行着重管理;由中心度排序可知，交通环境对本工程有较强的影响。根据表4的中心度排序得到，交通环境指标下附近航路的宽度、附近航路与风电场的距离、交通流量等二级指标对系统影响最强。

（2）根据问卷的指标重要度调查结果，确立ANP网络结构，并运用SD软件进行计算得到极限超矩阵W*，见表5。

（3）从极限超矩阵中选取代表全局权重的列向量w，根据式（5）计算混合权重Z，结果见表6。

（4）对问卷的指标评价结果进行处理，得到评价矩阵R，见表7。根据式（6）和（7）分别计算综合评价矩阵B和定性评价得分A。

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

A=3.606

由定性评价得分A可知，该海上风电工程毗邻水域的通航安全水平在“一般”与“较高”之间，需要进一步提高。根据综合影响矩阵原因度分析，水文气象能够对其他指标产生影响而不会被其他指标影响。而交通环境、通航船舶和安全保障是会被互相影响的导致类因素，因此可以从这3方面进一步提

高通航安全水平。其中，附近航路与风电场的距离、附近航路宽度和交通流量的权重最大，因此需要重点对这3个导致类指标进行分析并加强监管，提高该海上风电工程毗邻水域的通航安全水平。

4结束语

本文将决策试验和评价实验室（decisionmaking trial and evaluation laboratory， DEMATEL） 方法与网络层次分析法（ANP）相结合（记为DEMATELANP），对海上风电工程毗邻水域通航安全进行评价，得出以下结论：

（1）在风险评估常用的方法中，DEMATEL方法将所有指标的重要程度视为是相同的，层次分析法（AHP）没有考虑各指标间的相互影响，而本文采用的DEMATELANP有效地弥补了这两种方法的不足，保证了指标重要度的客观性与科学性。

（2）海上风电工程毗邻水域通航环境复杂，且“船舶环境管理”系统中各因素相互影响，DEMATEL方法能够梳理网络结构，ANP可以计算指标权重，因此DEMATELANP适用于海上风电工程毗邻水域通航安全评价研究。

（3）以山东东营渤中基地（BZ3#）一期300 MW海上风电场项目为例进行了实例分析，评价出该水域的通航安全水平处于“一般”与“较高”之间。根据指标分类与排序可知，附近航路与风电场的距离、附近航路的宽度和交通流量这3个导致类指标对这个海上风电场毗邻水域通航安全的影响最大，该结果可为相关主管部门提供参考。

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（编辑赵勉）

收稿日期： 20210402修回日期： 20210917

作者简介： 王子豪（1995—），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为航海安全保障，（Email）wangzihao@foxmail.com;

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