基于元胞自动机模型的海上风电场影响分析

徐 添 张庆年

(武汉理工大学交通物流学院 武汉 430063)

0 引 言

随着海上风电场的增加,风电场区域与船舶通航安全的矛盾逐渐引起人们的重视.

船舶与风电场碰撞是当前研究的难点问题,针对风电场区域船舶碰撞风险及海上风电场安全距离的研究,薛双飞等[1]利用A*改进的船舶避碰算法,获得风电场区域船舶安全航线.张明[2]针对海上风电场建成营运后期各类风险监管保障措施进行了分析.Moulas等[3]开发了一种数值非线性有限元分析(NLFEA)方法用于研究船舶碰撞风机的相关危险性,其可用于评估船舶撞击海上风电场风机所造成的在一定程度上的损伤程度.

针对海上风电场安全距离计算问题,李国帅等[4]在研究平台与习惯航线的安全距离时,基于船舶领域理论建立模型并对风电场安全距离进行计算.Rawson等[5]通过统计海上风电场建设前后附近的船舶交通流分布情况,发现在风电场建设前存在船舶区域,在建成后船舶与风电场的距离大于0.5 n mile.Wawruch等[6]利用MARIN和GL碰撞风险模型计算出风电场和航路距离分别为0,0.5和1.0 n mile时的船舶和风机碰撞概率,实现风了电场与航路安全距离的基础建模.刘克中等[7]研究了海上风电场与航路船舶的不同距离对船载雷达和岸基雷达的影响,结果表明:当海上风电场与船舶的距离超过200 m时,风电场对船载雷达观测无影响.

综上所述可知:当前研究主要专注于海上风电场的安全距离与船舶碰撞风险计算,针对风电场建成后对船舶交通流的影响的研究较少.文中提出一种基于交通流模拟仿真的风电场影响分析模型,基于AIS数据获得船舶交通流的特征参数,利用风电场安全距离计算模型确定风电场影响航道范围,采用元胞自动机模型结合航道变窄换道规则对风电场建成后的船舶交通流进行模拟仿真,分析风电场对区域船舶交通流的影响.

1 模 型

1.1 风电场安全距离计算

船舶航行中存在失控发生危险的可能,海上风电场安全距离计算需要考虑船舶类型,失控船舶被救援时间T,区域风、浪、流对船舶造成漂移的影响情况.图1为船舶失控漂移造成的风电场碰撞示意图.

图1 船舶失控漂移造成的风电场碰撞示意图

使用安全距离经验公式计算模型对风电场安全间距进行计算.计算过程为

R=H+I

(1)

式中:R为海上风电场通航安全距离;I为海上风电场安全区范围半径;H为船舶横向漂移距离,船舶横向漂移距离可以表示为冲期流致漂移Hu和冲期风致漂移Hv的和.其中Hu和Hv为

Hu=u1T-V1TC(1-e-T/Tc)sinγ

(2)

(3)

Sv=L(D-d)

(4)

Su=Ld

(5)

VT=V1e-T/TC

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:L、D和d分别为船型船长,代表船型型深和代表船型吃水.根据研究区域AIS数据分析选取标准船型,选取风速的极限值为20 m/s、流速的最大值为2.0 m/s.

1.2 风电场安全距离计算

根据NaSch(Nagel-Schreckenberg)[8]模型,船舶vessel(P,L,S)具有位置P、长度L、速度S三类属性.vessel随机分布在长度为Lwateway的离散模拟环境上,见图2.利用获得的AIS数据,船舶可以获得一定范围内其他船舶在某时刻的经纬度、船速、船长、DCPA、TCPA,以及船舶识别号等必要的船舶动态和静态信息,利用这些信息,可以准确地判断这些船舶在t+1时刻的相对位置、船速、航向,以及是否与本船构成碰撞危险等信息,从而决定本船在这一时刻的行动.

图2 NaSch规则航道示意图

根据元胞自动机规则,每个元胞只能被一艘船舶占据,即Pi(t)∈{0,1}.同时,作为安全范围每艘船舶将同时占据相邻的Li(t)个元胞,且Li(t)∈{1,2,…,Lmax}.Si(t)为第i艘船舶在t时刻的速度值,且0≤Si(t)≤Smax;Dx(t)为第x艘船舶与前方船舶y间的距离

Dx(t)=

(10)

式中:Py为前船舶位置;Sy为前船速度.

1) 元胞加速条件

Si(t)=min(Si(t)+1,Smax)

(11)

2) 元胞减速条件

Si(t)=min(Si(t),Di(t)-Dsafe+Li(t))

(12)

3) 速度随机慢化

Si(t)=max(Si(t)-1,0)

(13)

4) 位置及速度更新

原船舶尺寸、位置及速度

Li(t+1)=0

(14)

Pi:(i+Li(t)-1)(t+1)=0

(15)

Si(t+1)=0

(16)

新船舶尺寸、位置及速度

Li+Si(t)(t+1)=Li(t)

(17)

Vi+Si(t)(t+1)=S(t)

(18)

P(i+S(t)):(i+Si(t)+Li(t)-1)(t+1)=1

(19)

当Li(t)=1时,本模型为经典的NaSch模型.其中,加速条件表示为船舶具有追求较高航速的期望;减速条件表示船舶将与前船保持安全距离;随机慢化规则表示船舶在航道内具有的紧急制动等特殊驾驶情况.

1.3 风电场模拟航道变窄换道规则

经典的NaSch模型在一般情况下仅适用于单航道船舶交通流模拟仿真情况[9].当存在风电场对航道挤压(见图3),造成航道局部缩减时需采用换道规则来控制船舶换道行为[10].

图3 基于元胞自动机的航道变窄换道规则示意图

Dsafel>Di(t+1)

(20)

Dsafe2

(21)

Dsafe3

(22)

式中:Di,other(t+1)和Di,back(t+1)分别为在t+1时刻第i艘船与邻道上相邻的前后船之间的距离;Dsafel,Dsafe2和Dsafe3分别为本船与前船、邻道前船及后船之间的安全距离.式(20)为换道动机,即在本道上第i艘船前方没有足够空间让其按期望速度行驶;式(21)为邻道的行驶条件,即第i艘船在邻道上比在本道上行驶条件更好;式(22)为安全条件,当第i艘船换道时不会造成邻道后面临近船舶减速.

2 实验分析

2.1 研究水域

选取北部湾港水域作为研究对象,见图4.其中方形框为本文模拟仿真水域,水域船舶主要为白龙港至越南航线.为获得船舶交通流模拟仿真参数,采集了2017—2018全年该水域的岸基AIS数据,水域交通流密度分布见图5.

图4 研究水域

图5 研究水域交通流密度分布

2.2 风电场模拟航道变窄换道规则

对该区域的历史AIS数据进行统计分析,其中船长船速分布见图6.由图6可知:该区域的船速主要集中在0～15 kn,选用20 kn作为最高限速.该区域船舶呈现两极化趋势,船舶主要集中在25,100和150 m,见表1.由表1可知:该区域的船舶主要为货船,为简化模型,选用150 m货船作为研究对象.

表1 基于AIS数据的研究水域船型分布统计量

图6 AIS数据下水域船长、船速分布

该区域的船舶交通流间时距分布见图7.文中使用指数分布对船舶交通流间时距进行统计,获得船舶到达规律,利用指数分布生成船舶元胞.

图7 船舶到达规律分布

2.3 风电场模拟航道变窄换道规则

取每个元胞长度为60 m,获得模拟仿真航道长度为2 000个元胞,航道船舶尺度Lwateway∈[3,10],航道船舶速度为2～20 kn,船舶位置更新步长为30 s,模拟仿真1 d为2 880个步长.选用船舶间安全距离为长轴6倍船长,短轴1.6倍船长.模拟仿真结果见图8.由图8可知:由于风电场造成航道变窄,在航道变窄区域船舶航速降低,说明风电场的建设将造成船舶交通流的航行习惯变化,为了减少风电场对船舶交通流的影响,有必要对对风电场区域船舶进行警示,提高风电场区域船舶航行安全.

图8 风电场造成航道情况变窄模拟仿真结果

3 结 束 语

文中基于风电场水域的历史AIS数据模拟仿真,利用船舶失控漂移模型分析了风电场影响范围,利用元胞自动机模型结合换道规则对风电场水域进行了模拟仿真验证.结果表明:当风电场区域的航行规则不发生变化时,风电场的建造将影响船舶交通流的速度和密度,风电场将明显降低周围船舶的速度与区域船舶通过能力.因此,当风电场建设和运营过程中应合理的规划船舶航线,减小风电场对船舶交通流的影响.