1、第 35 卷第 2 期 极地研究 Vol.35,No.2 2023 年 6 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH June 2023 收稿日期 2022 年 5 月收到来稿,2022 年 7 月收到修改稿 基金项目 国家重点研发计划(2021YFC 2801005)资助 作者简介 王发根,男,1990 年生。硕士研究生,研究方向为水上交通安全。E-mail: 通信作者 胡甚平,E-mail: 北极西北航道船舶通航风险分析 王发根1 胡甚平1 焦喜鑫2 付姗姗3 席永涛1 韩冰4(1上海海事大学商船学院,上海 201306;2上海海事大学海洋科学与工程学院,上海
2、 201306;3上海海事大学交通运输学院,上海 201306;4上海船舶运输研究所,上海 200135)摘要 北极海冰的融化使得北极西北航道通航成为可能,有必要探讨北极西北航道的安全通航风险控制问题。针对北极西北航道冰情和复杂通航环境下的船舶通航窗口期,本研究采用时间维度上的过程风险评估方法,构建了基于系统动力学的北极西北航道通航风险评估模型,结合北极西北航道 6 条航线的场景条件,通过 20152021 年 7 年间风、雾、浪、海冰的月平均变化的数据分析,进行北极西北航道船舶通航过程风险仿真,提出了北极西北航道船舶通航窗口期。仿真结果表明:北极西北航道全年可通航的时间窗口为 8月下旬至 9
3、 月上旬,而选择阿蒙森湾威尔士亲王海峡巴罗海峡巴芬湾和阿蒙森湾维多利亚海峡皮尔海峡巴芬湾两条航线的船舶通航风险相对较低,从发展上看,随着海冰快速融化北极西北航道具有较高的通航潜力。关键词 北极 西北航道 风险评估 船舶通航 船舶通航窗口期 系统动力学 doi:10.13679/j.jdyj.20220303 0 引言 北极海冰年平均的覆盖范围一直在稳步下降,未来几十年夏季北极海冰完全消失的可能性大大增加1。这将形成北极水域西北航道、东北航道的常态化通航能力2。其中,西北航道的开通会缩短中国与北美的贸易航程,实现更经济的运营成本,提高贸易频率,降低能源消耗,减少温室气体的排放。然而,北极高密度海
4、冰、高纬度的船舶航行环境以及难以预测的天气变化等风险因素,船舶安全通航仍是北极水域利用的关键问题之一3。鉴于船舶事故具有较大的经济损失、人员伤亡和社会影响等后果,船舶通航风险一直是交通运输工程研究者的关注焦点,近年来在该领域的研究已取得了丰富成果。运用船舶领域模型4、AIS 数据5、船舶事故数据挖掘6等风险评估方法,对船舶碰撞风险和指定水域的船舶通航风险进行评价;基于马尔可夫模型7、贝叶斯网络8、系统动力学9等评估方法,对船舶通航过程的动态风险进行评价。围绕北极航道的船舶通航风险评价,也在理论技术与方法上取得了一定的成果。采用IF-AHP 识别北极航道的危险因素10,基于事故案例分析的北极航道
5、建设决策建议11,通过Frank copula 模糊事件树分析法评估北极水域冰困事故的风险12,利用贝叶斯网络建模的北极东北航线海上运输风险评估13,运用马尔可夫-蒙特卡洛方法的云仿真模型,分析夏季北极东北航道船舶航行的过程风险14。文献研究表明,在北 第 2 期 王发根等:北极西北航道船舶通航风险分析 327 极航道通航研究方向上,偏向于东北航道的船舶通航动静态风险研究,相对缺乏对西北航道的船舶通航安全研究。西北航道具有岛屿水路特征,海冰密集度高于东北航道,气候特征不确定程度较高,且数据相对东北航道较少,是世界上通航环境最复杂的海域之一。目前,北极西北航道船舶通航风险的研究较少,且仅局限于历
6、史冰情分析15,以及基于环境风险因素的通航风险评估16。因此,北极西北航道仍处于初步探索阶段,尚未常态化开通。诚然,风险是多因素耦合涌现的结果,考虑有限的风险因素不足以支持极地水域结构性的船舶通航安全风险评估。综上所述,为更加全面地评估北极西北航道通航过程的结构性因素作用下的风险,在辨识北极西北航道船舶通航窗口期的基础上,引入系统动力学(System Dynamics,SD)的方法,对北极西北航道船舶通航的风险机制分析,建立多因素网络拓扑的 SD 数学模型,结合场景条件,实现对北极西北航道船舶通航过程风险的动态仿真,研究不同时间下的船舶通航风险水平与可航窗口期。1 北极西北航道船舶通航风险 1
7、.1 北极西北航道 北极西北航道始于白令海峡,经美国阿拉斯加和加拿大北极群岛,最终进入大西洋。参考相关文献15-16以及由中华人民共和国海事局编著的北极航行指南(西北航道)2015(CNP2),整理出由白令海峡出发的北极西北航道可能的 6 条航线(见图 1)。由于加拿大北极群岛是北极西北航道的主要组成部分,北极西北航道是具有明显岛屿特征的航道。西北航道处于高纬度区域,常年被冰雪覆盖,只有在夏季有可能短暂通航,是全球地形最复杂的海域之一。北极西北航道各航线涉及的关键节点如下:1)航线 1 中的关键节点为麦克卢尔海峡和梅尔维尔子爵海峡;2)航线 2 中的关键节点为维多利亚海峡和皮尔海峡;3)航线
8、3 中的关键节点为梅尔维尔子爵海峡和威尔士王子海峡;4)航线 4 中的关键节点为维多利亚海峡和麦克林托克海峡;5)航线 5 中的关键节点为维多利亚海峡、拜洛特海峡以及利金特王子湾;6)航线 6 中的关键节点为维多利亚海峡、拜洛特海峡以及弗瑞赫克拉海峡。图 1 北极西北航道概况 Fig.1.Overview of the Northwest Passage 328 极地研究 第 35 卷 1.2 北极西北航道船舶通航过程风险 通航风险是船舶航行过程中发生损失的可能性及后果性的组合,是外在环境与内在因素之间耦合演化的表现。因此,风险的表现形式会随着时间的变化呈现出动态演化的过程。其数学关系满足公式
9、(1):123,ttnRfe e ee (1)式中:tR表示 t 时刻下的风险值;tf 表示风险因 子t时刻下的函数关系;ne 表示t时刻下风险因子的表现。北极西北航道船舶通航的过程风险是与时间相关的风险因素在时间轴上所发生的特征演化,其风险表现在时空中呈现连续性和一致性。鉴于海冰密集度对船舶航行风险的影响,通过参考已有文献12,借鉴国际气象组织(WMO)对海冰密集度的定义,结合专家意见,设定了风险的划分标准(表 1)。表 1 北极西北航道通航风险评价标准 Table 1.Navigation risk assessment criteria for the Northwest Passage
10、 风险程度 高风险 较高风险 一般风险 低风险 对应通航性 无法通航 通航性困难(需要破冰船护航)通航性一般(可能需要破冰船护航)通航性好 赋值 0.3 0.20.3 0.10.2 0.1 在船舶通航风险 R 的评价中,一般用因素权重构建因素间的数学关系。其数学关系满足下式:,1,1aiipjjaipjijijRW AW PWW (2)式中:A 表示流入 R 的中间节点;P 表示流入 R 的基础节点;i 为流入 R 中间节点 A 的个数;j 为流入R 基础节点 P 的个数;apWW、分别对应 A、P 的权重系数。jjMjAP (3)式中:AM表示第 M 个中间节点;j 为与 AM存在因果关系的
11、基础节点 P 的个数;j为 A 与 P 存在的关联系数。1.3 北极西北航道的船舶通航风险机制 为了评估北极西北航道的船舶通航风险,首先需要定义可以表征系统的风险因素。通过对相关文献12的研究,结合极地航行安全领域专家的意见,从环境风险、人员风险、船舶风险以及管理风险分析了北极西北航道船舶通航风险机制的形成。1.冰、雾、浪、风等自然环境因素的变化都可能增加船舶通航风险,导致船舶事故的发生;航道宽度、碍航物、航道弯曲度、交通密度等决定着航道是否适航。2.人员安全意识水平、人员身心素质、人员业务水平、人员从业时间、人员疲劳水平、周围态势感知水平等决定着船舶驾驶人员能否胜任船舶的安全航行。3.船速、
12、船舶设备故障、船舶尺寸以及船舶冰级等表征船舶本身特征是否可能增加船舶的通航风险水平。4.北极航行安全教育培训、北极航行规则制度、北极西北航道周边应急等关系着北极西北航道船舶通航风险的管控问题,影响北极西北航道的通航风险水平。不同类型风险因素之间与不同属性风险因素间产生或直接或间接的耦合联系,因此,有必要对风险因素间的关联成因进行分析。北极海域的夏季由于受暖气流的影响,在其冰冷的海面上容易生成平流雾,导致能见度变差。能见度的降低会影响船舶驾驶员对周围事物发展态势的感知,从而增加人员风险。因此,雾会对人员风险产生影响。海冰的出现会增加船舶机械故障发生的可能性,如主机、螺旋桨等,导致船舶风险的增加。
13、与此同时,海冰会使实际可用航道宽度变得狭窄,增加航道环境风险,导致叠加的环境风险。因此,海冰对船舶风险和航道风险产生了影响。北极航行安全培训是为了提高船舶驾驶人员的业务水平、安全意识以及情景应变能力。当北极航行安全培训作为管理风险中的一个风险因素时,会对人员风险产生影响。根据上述描述,从人员、环境、船舶和管理 4 个方面对所涉及的因素进行分析,形成完整的北极西北航道通航风险评估网络图(图2),其中“+”表示流进。第 2 期 王发根等:北极西北航道船舶通航风险分析 329 2 北极西北航道船舶通航过程风险评估模型 2.1 北极西北航道环境条件数据 北极西北航道相关海域冰情与气象信息对于船舶通航风
14、险的影响较大,且这些参数在实际情况下存在不确定性,随着时间的变化而不断变化,这里对雾 N1、浪 N2、风 N3和海冰 N4进行函数假 设,各变量方程如下:01122cos()sin()cos(2)sin(2)iYaaxbxaxbx(4)22111222exp()exp()iZaxb/caxb/c (5)式(4)和(5)中:0121212aaabbcc、为常系数,x为时间变量。图 2 北极西北航道通航风险因素网络图 Fig.2.Network map of risk factors for navigation of the Northwest Passage 通过访问提供北极西北航道相关海域冰
15、情与气象信息的机构网站,获取北极西北航道20152021年的海冰、风、雾、浪的气象信息,分析海冰与航道宽度的函数关系,确定变量参数。1.通过对20152021年北极西北航道相关海域的冰情的收集,选择40%的海冰密集度作为海冰覆盖率统计的阀值15,统计了北极西北航道6条航线所经区域的海冰月平均覆盖率,即月平均不小于40%海冰密集度的覆盖率,见图3a。该曲线可以使用公式(4)进行数据拟合,从而获得样本函数。2.通过对北极西北航道所经海域的20152021年历史气象资料的分析,对6级及6级以上的风、5级及5级以上的浪和雾天发生情况进行统计梳理,发现各航线水域的上述气象因素月平 均发生率差别不明显,因
16、此,在各航线的通航过程风险的仿真中采用相同的参数,见图3b、3c、3d。涉及风和浪的数据曲线可以使用公式(4)进行数据拟合,从而获得样本函数。而对于雾的数据曲线可以使用公式(5)进行数据拟合,从而获得样本函数。3.考虑到北极西北航道具有的岛屿特征,海冰的出现对航道的可航宽度产生较大的影响。通过选取北极西北航道中较窄的航道作为采样点,结合具体的气象数据及海图信息,统计分析海冰的密集度与可用航道宽度的关系,北极西北航道各航线航道宽度的变化用4/(1)cnN来表示。其中,cn表示海冰对航道宽度的影响系数,N4表示海冰的变化。330 极地研究 第 35 卷 图 3 不同航道上的海冰、风、浪和雾的月平均变化图 Fig.3.Average monthly variation of sea ice,wind,wave and fog on different routes 2.2 北极西北航道通航过程风险的系统动力学模型 系统动力学是由美国麻省理工学院 Forrester 教授于 1956 年提出的一种动态的系统方法。它以系统论为基础,通过对系统结构的深度剖析,呈现事物内部的结构特征,融合了控制论与
