强对流天气下海上风电运维船舶避险方案多目标决策研究

张永刚，郗林，许长荣，王广禄

（1.南通海事局，江苏 南通 226004；2.天津水运工程勘察设计院有限公司，天津 300456）

强对流天气主要包括短时强降水、雷雨大风、龙卷风、冰雹和飑线等，具有持续时间短、局地性强、破坏性强等特点，其预报难度大，灾害性极大，易对人民的生命财产安全造成较大的损失[1]。近年来，由于海上风电的迅猛发展，海域离岸距离更远、水深更深的风电场建设逐渐增多，给海上风电场的运维工作带来了新的挑战和难度。因此，在强对流天气来临前及时采取有效的避险措施，并保证运维船舶和人员的安全，是目前亟待解决的关键问题。为了解决这个问题，从多维度分析提出六种船舶避险方案。采用多目标决策方法对各种方案进行比较[2]，从而得到最优方案。

常用的多目标决策方法有主成分分析法、德尔菲法、目标规划法、多目标模糊决策法、TOPSIS 法、层次分析法、熵权法等。其中，层次分析法是较为常用的多目标决策方法之一，它可以根据具体情况分析权重分配问题，有效地得出最优方案。通过对影响项目方案各因素的分析,建立评价项目方案优劣的指标体系，应用统计分析法确定关联矩阵。由于不同的目标所具有的不同属性决定了其间不便直接进行比较，采用均值化算子对原始数据进行规范化处理，得到规范指标矩阵，同时通过随机赋权法确定各评价指标的权重向量值[3-4]，采用加权和法求六个方案的综合评价值，综合权重值最大的项目方案为最优方案。

1 强对流天气危害

1.1 对海上交通运输的影响

强对流天气灾害对海上交通运输造成影响，雷雨大风和强降水会影响船舶的正常行驶，甚至引发船舶碰撞等事故，航行中的船只突然遭到其袭击，容易造成船只损坏或沉没。

2013 年6 月7 日约1745 时，“N998”、“N1308”、“N868”、“N988”等四艘船舶，由长江下行，在吴淞口水域遭遇突发强对流天气，4 艘船舶货舱进水后先后自沉，船上人员全部落水，17 人获救，1 人失踪。

2021 年4 月30 日傍晚，江苏南通、泰州等8 个地市遭遇大风冰雹等强对流天气。最大风力出现在南通通州区，达14 级。海安城东镇和大公镇、通州十总镇、如东阳光岛等地出现直径1～3 厘米的冰雹。受灾人口3000 余人，造成11 人死亡，因灾受伤人员102 人。因突遇大风，苏海门渔01728 倾覆，11 名船员落水。

1.2 对海上人员安全的威胁

强对流天气灾害发生时，往往对海上人员的生命构成威胁。雷暴发生时，在风电机组中作业的维修人员易遭受雷击。同时随着船舶的侧翻和沉没，导致船上人员落水，造成人员死亡。

2015 年6 月1 日21 时30 分，长江流域湖北监利航段发生了“东方之星”号客轮特大倾覆事故，客轮上共有454 人,其中，成功获救仅仅12 人，遇难442 人。经国务院调查组调查认定，“东方之星”号客轮翻沉事件是一起由突发罕见的强对流天气—飑线伴有下击暴流——带来的强风暴雨袭击导致的特别重大灾难性事件。

2019 年4 月18 日19：30 分，受强对流天气影响，珠海市万山区大万山岛附近海域形成瞬时强海旋风并伴有狂风暴雨和冰雹，两艘渔船不幸翻沉，粤珠渔运23291 号船被成功救起，但“珠香1746 号”船不幸翻沉，船上8 名人员全部失联[6]。

1.3 对风电基础设施的损害

强对流天气灾害发生时，伴随着狂风暴雨对风电基础设施造成损害。如输电线路的破坏，造成停电或通信中断事故。当风力过大时，发生风力发电机组叶片损毁，严重的导致风机倒塌。

2 海上风电运维船应急避险方案设计

如东县作为我国海上风电的重点开发区域之一，已经建成20 座风电场、1470 台风机，总装机规模583.4万千瓦，预计年上网电量超150 亿千瓦时。2022 年，如东县海上风电全面进入长达25 年的运维期，据统计，每天参与海上运维作业船舶120 只左右，参与作业人员近1000 人。安全生产责任重大。一方面，运维船舶在深远海区长时间航行和作业，受到海况变化影响较大；另一方面，强对流天气是如东海域常见的恶劣气象现象，给运维船舶带来了极大的安全隐患。为保证运维船舶和人员的安全，本文以如东H8 风场为例，提出了六种避险方案，并运用层次分析法进行多目标决策分析，得出最优方案。本文旨在为海上风电运维船避险措施的设计和选择提供一种科学的方法和参考。

方案一区划临时紧急避险水域，强对流天气不能及时返港的船舶,采取就近水域避风能够起到减少船舶人员受到损害的概率。紧急避险水域应遵循路程短、海水浅、底质抓力大、避开海缆和航道的规则，在风场间隙布设避风区域，作为临时停泊水域不涉及海域和航运规划，在经济上没有额外支出。在实施方面经过指导即可指挥船舶驶入。该方案不能作为一以贯之的避险操作行为，只有在突发强对流天气不能及时返港的情况下实施的避险动作。

方案二布设系泊浮筒，系泊浮筒作为海上系泊设施应用由来已久，相应的产品也非常成熟，抗风能力高于直接抛锚，能有效减少走锚情形。泊浮筒作为海工设施，在布设前要通过交通部门的水上水下活动许可，在运维期还要考虑浮筒的清洁护理。该方案可操作性强，布设周期短。

方案三设计浮式防波堤，浮式防波堤在外海形成临时性避风港，有效减少船舶受风浪的影响，缩短紧急避险的航行路径，是较为稳妥的避险设施。浮式防波堤形式多种多样，其主要设计指标是消浪能力，但是在外海如果达到沿海港区的消浪能力，则需要设计及其庞大设备，造价昂贵，还涉及到环境、海域、航运等规划和管理约束，其实现难度大。

方案四停泊设施改造，对升压站或风基础增加系泊设施，可提升船舶紧急避风能力，但增加对风基础荷载，在设计上可能无法通过。停泊设施改造实施难度较大，不适用于当前运维工作。

方案五建造运维母船，运维母船目前处于在建过程，运维母船无论是在安全性、自持力、舒适性都远高于现有的运维船舶和安全方案，只有在极端天下才需考虑避风的情况。

方案六船舶升级，船锚改造升级对增加船舶抗风能力有积极作用，但也有上限。单体船改用双体船，在航速和抗浪能力均有提升，在运维中有充分的实践证明双体船在远海的稳定性，在应对极端天气和紧急避险中优势更大。船锚升级改造需要在船级社备案，会涉及手续和材料等相关费用，改造过程需要耗费一段时间，不能满足目前运维工作；船型改用双体船运维成本要比单体船高，并且双体船供给数量可能达不到全员配备的要求。

3 多目标决策分析

对六种船舶避险方案采用多目标决策的模型进行比选，根据海事管理部门要求和风电运维企业的工作诉求，从提高船舶安全性、降低经济成本、易操作性、节约时间四个方面，7 个子目标进行考虑，分别为减少风险概率A、减少损害程度B、减少投入费用C、减少维护费用D、便于操E 作、方案容易推进实施F、方案见效快，提高运维效率G。按差、中、优三个等级，用百分制对每个子目标评分，评分值为0-100 分，避险方案评分指标见表1。

表1 避险方案评分指标表

3.1 决策矩阵

根据表1 得到决策矩阵：

3.2 权重确定

采用随机赋权法确定各个指标的权重，统计各个权重分值发生的概率和累计概率如表2 所示。

表2 指标权重及累计概率分布

其中，指标C 的各权重分值发生的概率和累计概率如图1 所示。

图1 指标C 的权重分数累积分布线

3.3 方案决策

根据图2 找到频率对应的峰值0.18，其对应的权重为最佳权重12。根据同样的方法可以确定其它六个指标的权重分值，则权重向W=[11,13,12,8,15,18,19]，归一化后为：[0.115,0.135,0.125,0.083,0.156,0.188,0.198]。

可见第一种方案分值最高，为最优方案。

4 研究结论

通过多目标决策的模型计算可确定第一种方案为最佳策略。方案一（区划临时紧急避险水域）最适合当前运维工作需求，最容易实施，但有潜在风险，因此建议结合方案二（布设系泊浮筒）、方案六（船舶升级）逐步实施。

运维母船正在实施过程可作为中远期方案，浮式防波堤和停泊设施改造在设计和审批方面都需要投入大量时间和经费，实现困难，可作为备选方案。备选方案可由相关单位组织专项研究。以上方案都是针对在强对流天气提出，在预警时间短、不能及时返港的紧急情况使用的，并非绝对安全的做法。方案是以尽量小的代价减小强对流天气的危害为目的，在条件允许下应首先服从相关部门下发撤离指令。

目前，海上风电的运维正处于高强度作业阶段，而强对流天气即将进入高发期。为了保障运维工作的顺利进行，并且确保船舶和人员的安全，同时最大限度地服从海事部门的防控要求，建议采取区划临时紧急避难水域的方案，作为近期应对强对流天气的紧急措施。