一种分类量化的海底电缆风险评估概率分析方法

摘要

本发明属于海底电缆工程技术领域，具体涉及一种分类量化的海底电缆风险评估概率分析方法。它通过对海底电缆所处坏境的综合分析，辨识出海底电缆的风险源，针对主要危险源建立起分类、量化的风险评估概率模型，通过模型计算可得出不同保护情况下海底电缆的事故重现期，解决了人为风险、尤其是锚害风险概率计算等问题，通过对海底电缆工程风险的分类量化评估，可有的放矢地制定海底电缆的保护方案，提高海底电缆运行的安全可靠性，具有显著的经济和社会效益。

说明书

技术领域

本发明属于海底电缆工程技术领域，具体涉及一种分类量化的海底电 缆风险评估概率分析方法。

背景技术

随着我国的技术进步和经济发展，特别是国家“海洋战略”的全面实 施，海底电缆输电工程近年来呈现快速发展的特点。海底电缆工程通常是 连接海峡两侧电网或者大陆向海岛供电的重要通道，往往造价昂贵、施工 抢修极其复杂，一旦发生故障，系统将解列，后果严重。因此，海底电缆 的安全、可靠运行至关重要。

在工程设计阶段，准确判断电缆面临的风险源、有效评估电缆面临的 风险等级关乎着工程投入及工程投运后电缆的安全运行。

国内外海底电缆工程在建设前期往往参考石油管道等工程经验，采取 全程机械保护或不保护的方法。这种做法没有与实际风险情况结合起来， 也没有对风险情况、风险概率进行量化计算。因此，虽然国内外已有若干 条已建的海底电缆工程，但真正针对海底电缆风险评估开展的工作极少， 几乎没有可以直接借鉴的经验。

基于此，有必要针对海底电缆面临的海洋环境，结合海底电缆自身特 性，对海底电缆的风险源进行辨识，提出一种分类量化的海底电缆风险评 估概率分析方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种分类 量化的海底电缆风险评估概率分析方法。本方法在对海底电缆面临的风险 源进行辨识的基础上，基于风险的概念，提出针对不同风险源的概率分析 计算方法。

本发明采用的技术方案是：一种分类量化的海底电缆风险评估概率分 析方法，包括以下步骤：

(1)根据海底电缆敷设处的地理和地质环境，确定海底电缆的风险源；

(2)对海底电缆的风险源进行统计分析，得到影响海底电缆安全的主 要危险源，包括落物击中、沉船击中、搁浅撞击、拖锚击中和落锚击中；

(3)针对步骤2中不同类型的主要危险源，分别建立分类、量化的风 险评估模型；

(4)求解不同类型主要危险源的风险评估模型，将不同类型主要危险 源的风险评估模型相加即得到事故重现期。

进一步地，所述步骤(1)中海底电缆敷设处的地理和地质环境包括渔 场环境、电缆登陆点的港口海事活动的频繁程度、水路船只抛锚的情况、 大陆架的长度和路由的水深。

进一步地，所述步骤(1)中海底电缆的风险源包括电缆自身风险、自 然风险和人为风险，其中：

所述电缆自身风险为海底电缆的类型、材料、结构因素引起的风险；

所述自然风险为海底地理环境、地质条件因素引起的风险，包括海底 滑坡、塌方、泥沙运动和地震；

所述人为风险主要为海面人为活动引起的风险，包含捕鱼、抛锚、钻 井、海面船只作业。

进一步地，所述步骤(3)中建立落物击中的风险评估模型为：

$P_{\mathrm{hit},\mathrm{sl},r}=P_{\mathrm{hit},r}·\frac{L_{\mathrm{sl}}·(D+B/2+B/2)}{A_r}$

式中P_hit,sl,r为每年环形半径r范围内落物击中海底电缆上的概率；P_hit,r为击中在环形范围内的概率；L_sl为环形范围内海底电缆的长度；D为海底 电缆直径，B为落物宽度，A_r为半径为r的环形面积；

其中

P_hit,r＝P(r_i＜x≤r₀)＝P(x≤r₀)-P(x≤r_i)

$P(x\le r)=\underset{-r}{\overset{r}{\int }}p\left(x\right)\mathrm{dx}$

$p\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }\delta }{e}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{x}{\delta }\right)}^2$

式中p(x)为坠落物到达海底位置与坠落点位置之间的水平距离x的概 率密度，x为坠落物在海底偏移的水平距离，δ为横向偏移距离，r_i为环形 范围内的最小半径，r₀为环形范围内的最大半径。

进一步地，所述步骤(3)中建立沉船击中的风险评估模型为：

$F_{\mathrm{Hit}}=\frac{{2L}_{\sin k}S}{A_{\sin k}}·P_a$

式中F_Hit为沉船击中海底电缆的概率；P_a为船舶沉没的比率，L_sink为 沉没船只的船长，S为电缆的暴露长度；A_sink关键的沉船区域面积。

进一步地，所述步骤(3)中建立搁浅撞击的风险评估模型为：

F_Hit＝K₁P_ShipP_ac

式中F_Hit为每年搁浅船只击中海底电缆的概率；P_ac为船舶搁浅概率， K₁为考虑在电缆区域漂移搁浅的修正因子；P_ship为足够大尺寸的船舶在区 域内能够造成电缆损坏的比率。

进一步地，所述步骤(3)中建立拖锚击中的风险评估模型为：

$F_{\mathrm{Hit}}=N_{\mathrm{ship}}\left[{1-P}_{\mathrm{Human}}\right]F_{\mathrm{Drift}}\frac{\alpha }{V_{\mathrm{ship}}·1852}{P}_{\mathrm{Hit}}$

式中F_Hit为每年拖锚勾住海底电缆的概率；N_ship为通过海缆路由断面具 有锚泊可能的船舶的数量；F_Drift为漂移频率；P_Human为不抛锚的概率；V_ship为船舶速度；α为锚固定在海底前被拖的长度；P_Hit为每次落锚击中海缆的 概率。

进一步地，所述步骤(3)中建立落锚击中的风险评估模型为：

F_Hit＝N_ShipF_Drift[1-P_Humman]P_LossP_Hit

式中F_Hit为每年落锚击中海底电缆的概率；N_ship为通过海缆路由断面具 有锚泊可能的船舶的数量；F_Drift为漂移频率；P_Human为不在海缆附近进行抛 锚的概率；P_Loss当抛锚操作时，船员对锚失去控制的概率；P_Hit为每次落锚 击中海缆的概率。

本发明通过对海底电缆所处坏境的综合分析，辨识出海底电缆的风险 源。针对主要危险源建立起分类、量化的风险评估概率模型，通过模型计 算可得出不同保护情况下海底电缆的事故重现期。本发明为国际上首次应 用于海底电缆的风险评估概率分析方法，重点解决了人为风险、尤其是锚 害风险概率计算等问题。通过对海底电缆工程风险的分类量化评估，可有 的放矢地制定海底电缆的保护方案，提高海底电缆运行的安全可靠性，具 有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为落物在水中的轨迹示意图。

图3为落物在水中的偏移距离示意图。

图4为海底电缆被落物击中的示意图。

图5为大西洋通信电缆损伤原因示意图。

图6为海南联网工程不同保护方案下事故概率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚 地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

海底电缆通常联系着海峡两岸主电网，敷设于海底，系统地位重要同 时检修维护困难，一旦发生故障会影响两端主电网的安全稳定运行。以海 南联网工程为例，海南联网工程是我国第一个超高压、长距离、大容量的 跨海联网工程，联系着南方电网主网与海南电网，地位重要，同时由于海 底电缆横跨琼州海峡，海面活动频繁、海洋环境复杂，对海南联网工程海 底电缆的风险进行分类量化评估，确定海底电缆的风险等级，有针对性地 制定保护方案，对海底电缆的安全稳定运行至关重要。

一种分类量化的海底电缆风险评估概率分析方法，包括以下步骤：

1、根据海底电缆敷设处的地理和地质环境，确定海底电缆的风险源：

对不同海域、不同电缆类型来说，损伤原因较为分散，主要风险类型 也有较大差异。图5所示为大西洋中的通信电缆损伤的原因。浅海中的电 缆比海港区的电缆受到渔具损伤的风险更大，海底电力电缆由于有铠装保 护，比纤细的海底通信电缆强度高很多，受到的鱼类咬伤影响更小。图5 中的其他原因主要是有些地方炸鱼所造成的影响，海底电缆的运行经验表 明，大多数海缆破断是人为原因造成的。

结合世界各国海缆应用、运行及事故情况可知海底电缆危险源主要包 括海缆自身因素、自然风险和人为风险。(1)海缆自身因素。海底电缆自 身因素包括：1)海缆类型；2)海缆材料；3)海缆结构。(2)自然风险。 海底电缆所面临的自然风险包括：1)海底滑坡；2)海底塌方；3)泥沙运 动；4)地震活动；5)冲刷；6)生物因素。(3)人为风险。人为风险包括： 1)捕鱼作业；2)抛锚；3)疏浚和(或)钻井；4)海底电缆敷设船作业。人 为风险可分类为落物击中、沉船击中、搁浅撞击、拖锚击中、落锚击中等 形式。

诸如地震、滑坡等自然灾害可以破坏电缆，但是海底电缆的最主要破 坏因素还是人类活动，大部分海底通信电缆和海底电力电缆的故障都是由 渔具和锚的伤害造成的。

2、对海底电缆的风险源进行统计分析，得到影响海底电缆安全的主要 危险源：

2.1海底电缆自身风险

海南联网工程所用海底电缆为自溶式充油海底电缆，海底电缆铠装层 由一层成型的冷拔扁铜线组成，用来保护电缆免受外界机械性损伤，海底 电缆自身风险因素较小。

2.2海底电缆自然风险

海底电缆路径选择阶段已避开海底活动频繁区域，自然风险发生的可 能性较小，所以其主要破坏因素为人类的活动。

2.3海底电缆人为风险

(1)落物风险

从过往船只或者附近作业船只掉下的落物会造成海底电缆的破损。例 如，对海底电缆的维护、建设新的海底线、修建新的海港的有关船只都会 有落物的可能，而且落物的种类主要是建筑管材、各种容器以及建设/维护 设备。由于海南联网工程海缆保护区选择不临近港口，同时在登陆端采取 预挖沟保护方式，因此受港口建设的影响较小。集装箱船的落箱事件在航 运过程中时有发生，但均为在极端气候条件下。琼州海峡周边避风锚地丰 富，大吨位级别的集装箱船一般在极端环境下航行的可能性不大，所以该 事件发生的概率很低。

(2)沉船风险

沉船导致电缆光缆失效的事故多为沉船废弃物在水流作用下运动而影 响到电缆和光缆。海南联网工程海底电缆规划路由上不存在沉船等运动物 体，且船只失事后直接砸到电缆上的风险也非常低。

(3)船只失控风险

在一定气象与水文条件下，由于大风及涌浪等自然现象导致船只失控 漂移，然后抛锚的事件还是存在的，这类失控后发生抛锚的船会影响到海 底电缆的安全性。导致船舶失控漂移的主要因素为：气象以及水位条件导 致船只漂移；船只自身失控。船只失控的主要原因是这些船舶由于种种原 因产生车、舵突然失灵，以至船舶失控，不得不采取紧急抛锚措施。

船舶失控漂移的运动过程可分为两个阶段，一是惯性减速阶段，可用 停车冲程理论分析船舶运动过程、计算有关数据；二是随流淌航阶段，可 根据设定的水流情况进行分析计算。由于电缆所经过海域的特殊性，随流 淌航阶段由于流速和流向不确定，无法用精确的定量方法确定淌航方向和 位置，且惯性减速阶段是船舶撞击能量最大的阶段。故主要考虑惯性减速 阶段的船舶漂移量，通过这些漂移量的估计，可以了解到船舶潜在的抛锚 可能。

1)冲程、冲时计算

冲时(T)是指从失控点开始至惯性消失所需时间。其大小可按式A-1求 取：

${V=V}_0·e^{-t/T_{\mathrm{st}}}---(A-1)$

式(A-1)中V为船舶在冲程时间内，任意时刻的船速(m/s)；V₀为船 舶初始时的船速(m/s)；T_st为船舶减速时间常数，T_st＝C/ln2，C可根据排水 量查表取得，如表A-1所示。

表A-1C值表

2)静水冲程(S’)是指在冲时T时间内，船舶沿船速方向移动的距离， 可用式A-2计算。

${{\int }_0}^T{V}_0·e^{-\frac{T}{\mathrm{Tu}}}\mathrm{dt}=V_0{T}_{\mathrm{st}}(1-e^{-T/T_{\mathrm{st}}})---(A-2)$

对于5万吨级及以下的船舶，其冲程小于2nmile，对于10万吨级及以 上船舶其冲程超过2nmile。通常情况下，航线设计的习惯做法是航线与海 缆禁航区或保护区至少保持横距2nmile。按此通常做法，5万吨级及以下的 船舶在失控后经惯性漂移，当船舶漂移至海缆保护区附近水域时，其惯性 已消失或基本消失，拖锚影响电缆的风险小于10万吨级。

(4)渔业活动风险

海底电力电缆比海底通信电缆的强度更高，能够抵抗一些渔具损伤威 胁，联网工程电缆保护区已经设置为禁捕区，加上该区浪高流急，两岸渔 民都主要在外海捕鱼，近海捕捞作业较少。捕鱼作业对琼州海峡海底电缆 的威胁很小，需要考虑的来自捕鱼作业的风险主要是渔船锚害，锚害主要 包括抛锚和拖锚。

1)抛锚

抛锚的可能性主要取决于海缆保护区附近的海事情况、港口码头繁忙 程度和抛锚区的位置。在航道中，所有船只应当始终保持航行，任何抛锚 都很可能导致后来落锚的撞击，所以航道当中发生抛锚事故的可能性不大。 而且，琼州海峡电缆沿线也有许多指定的船舶抛锚区，尤其是马村港，但 是还是潜在抛锚的风险。

a)船舶抛锚区一般用来停泊优先进港船只或者等待领航船的船只停 泊。这就存在船舶抛锚区错误抛锚的可能性。同时，当船舶抛锚区停满以 后，经常会有船舶在附近区域抛锚停泊。

b)琼州海峡不仅是北部湾与珠江口的首要通道，而且是北部湾与珠江 口水道船舶在台风与季风季的主要避风处，在极端气候出现前，等待入港 的船舶在锚地前以及进入锚地过程中，很可能临时抛锚，对于横跨琼州海 峡西段的海底电缆而言，抛锚的危害在于船锚无意中抛跨海底电缆，在一 些紧急的时候，也会出现临时的抛锚。

c)对于侯港的临时抛锚、拖锚行为，琼州海峡交通中心VTS监控部 门往往不可提前预知，而且处于极端气候前整个交通应急管理过程中，非 常容易出现船舶管理遗漏点。

2)拖锚

拖锚就是在船舶抛锚之后，锚在水底还要拖动一段距离的情况。具体 长度取决于船只和锚的大小、船只拖锚时的速度。

根据琼州海峡海底地质调查的结果发现，海缆保护区上有各类明显拖 锚的痕迹，拖锚的痕迹不仅出现在东西向的航道区域，还出南北向的纵向 区域，并且不同水深条件均有锚痕。这说明海缆保护区区域拖锚的现实情 况比较严峻。

2.4海南联网海底电缆主要风险源

结合琼州海峡及海底电缆路由区的具体环境，海南联网工程海底电缆 的主要危险源为锚害，包括落锚和拖锚两种形式。

3、针对不同类型的主要危险源，建立分类、量化的风险评估模型：

3.1落物击中风险评估模型

海面落物可能砸中电缆，由于电缆本身具有铠装保护，加上后期覆盖 保护，小型及重量轻的物体坠落对海底电缆不产生威胁。落物在水中路径 主要与物体形状、重量有关。实验观测表明落物在水中主要轨迹型式如图1 所示，a、d、e主要为管状物轨迹，矩形、圆形物体轨迹如b、c、f所示。 物体在海底的轨迹为偏差角的正太分布，如式(1)所示，

$p\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }\delta }{e}^{\frac{1}{2}}{\left(\frac{x}{\delta }\right)}^2---\left(1\right)$

式(1)中p(x)为坠落物到达海底位置与坠落点位置之间的水平距离x 的概率密度，x为坠落物在海底偏移的水平距离，δ为横向偏移距离，d为 坠落物在海底的深度，偏移距离如图2所示。

各类物体偏移角度如表1所示。

表1不同物体偏移角度

物体击中电缆示意图如图3所示，电缆被击中的概率如式(2)所示

$P_{\mathrm{hit},\mathrm{sl},r}=P_{\mathrm{hit},r}·\frac{L_{\mathrm{sl}}·(D+B/2+B/2)}{A_r}---\left(2\right)$

式(2)中P_hit,sl,r为每年环形半径r范围内击中海底管线上的概率；P_hit,r为击中在环形范围的概率；L_sl为环形范围内海底管线的长度；D为海底电 缆直径，B为落物宽度，A为半径为r的环形面积。

P_hit,r如式(3)所示。

P_hit,r＝P(r_i＜x≤r₀)＝P(x≤r₀)-P(x≤r_i)

$P(x\le r)=\underset{-r}{\overset{r}{\int }}p\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(3\right)$

式(3)中r_i为环形范围内的最小半径，r₀为环形范围内的最大半径。

3.2沉船击中风险评估模型

沉船可视为一种特殊的落物。其风险评估模型与落物风险概率计算方 法一致。每年沉船击中海底电缆的概率如式(4)所示。

$F_{\mathrm{Hit}}=\frac{{2L}_{\sin k}S}{A_{\sin k}}·P_a---\left(4\right)$

式中P_a为船舶沉没的比率，L_sink为沉没船只的船长，S为电缆的暴 露长度；A_sink关键的沉船区域面积。

3.3搁浅撞击风险评估模型

电缆登陆区，船舶漂移搁浅可能砸中海底电缆，船舶搁浅频率与每条 船由于碰撞而导致沉没的概率有关。搁浅船只击中海底电缆的概率如式(5) 所示，

F_Hit＝K₁P_ShipP_ac   (5)

式(5)中F_Hit为每年搁浅船只击中海底电缆的概率；P_ac为船舶搁浅概率， K₁为考虑在电缆区域漂移搁浅的修正因子；P_ship为足够大尺寸的船舶在区 域内能够造成电缆损坏的比率。

3.4拖锚风险评估模型

船舶拖锚损伤海底电缆的情况在电缆受外部损伤的事故中比较常见， 是重要的风险因素。抛锚是在船舶失去动力的情况下考虑的，例如距离海 上抛锚区某一最大距离内的紧急抛锚。此最大距离包括在不利的风和海流 的影响下向海底电缆方向漂移的可能性。锚被抛到海底以后，主要通过锚 刺入海床利用土壤的阻力来提供反力从而固定船只。土壤在水平方向所能 提供的反力远大于在垂直方向提供的反力，在所需要提供的锚抓力一定的 情况下，锚链的作用方向与泥面的水平夹角越小，其所能提供的锚抓力越 大，反之夹角越大锚抓力越小。

拖锚勾住海底电缆的概率如式(6)所示：

$F_{\mathrm{Hit}}=N_{\mathrm{ship}}\left[{1-P}_{\mathrm{Human}}\right]F_{\mathrm{Drift}}\frac{\alpha }{V_{\mathrm{ship}}·1852}{P}_{\mathrm{Hit}}---\left(6\right)$

式(6)中F_Hit为每年拖锚勾住海底电缆的概率；N_ship为通过海缆路由断面 具有锚泊可能的船舶的数量；F_Drift为漂移频率；P_Human为不抛锚的概率；V_ship为船舶速度；α为锚固定在海底前被拖的长度；P_Hit为每次落锚击中海缆的 概率，保守估计取值为1.0，并假定船只与电缆垂直穿过。

3.5落锚风险评估模型

除了锚勾住电缆的风险外，落锚击中电缆的风险也应该考虑。与拖锚 类似，落锚只考虑船舶在失去动力的情况下紧急抛锚的情况。落锚击中电 缆的概率如式(7)所示：

F_Hit＝N_ShipF_Drift[1-P_Humman]P_LossP_Hit    (7)

式(7)中F_Hit为每年落锚击中海底电缆的概率；N_ship为通过海缆路由断面 具有锚泊可能的船舶的数量；F_Drift为漂移频率；P_Human为不在海缆附近进行 抛锚的概率；P_Loss当抛锚操作时，船员对锚失去控制的概率；P_Hit为每次落 锚击中海缆的概率。

海南联网工程海底电缆的主要危险源为锚害，落锚及拖锚风险概率如 式(6)、式(7)所示。为进行精确的分类量化评估，可根据海底地质条件 将海底电缆路由区划分为A区、B区、C区、D区、E区，具体划分形式间 表A-2。

表A-2海底电缆路由区划分

风险等级与海底电缆保护形式有关，根据海南联网工程海底电缆的地 理位置、航道、锚地、地质条件、协议要求以及施工费用等因素，设计了 以下五种海缆保护方案。

方案1：在两侧登陆段进行预挖沟：北登陆段(KP0-KP3.3)海域较浅、 施工方便，建议直接预挖沟；南登陆段(KP29.8-KP30.5)海床砂质粘土上 有很多滚岩，水深0-10米，建议清理滚岩后预挖沟。中间段不采取任何保 护措施，电缆直接裸露放置于海底。

方案2：按照方案1对两侧登陆段进行预挖沟保护。在中间段 (KP3.3-KP29.8)的部分地区进行冲埋保护，按照BPI 1.5、抗1吨锚击确 定埋深，不进行抛石保护。

方案3：按照方案2对两侧登陆段和中间段进行预挖沟保护和冲埋保护。 在主航道(KP5-KP19)的部分地区进行抛石保护，按照抗1吨锚击确定抛 石坝尺寸。

方案4：按照方案2对两侧登陆段和中间段进行预挖沟保护和冲埋保护。 在剩下的所有地区进行抛石保护，按照抗1吨锚击确定抛石坝尺寸。

方案5：按照方案1对两侧登陆段进行预挖沟保护。在中间段 (KP3.3-KP29.8)的部分地区进行冲埋保护，按照BPI 1.5、抗2吨锚击确 定埋深，在剩下的所有地区进行抛石保护，按照抗2吨锚击确定抛石坝尺 寸。

4、求解不同类型主要危险源的风险评估模型，将不同类型主要危险源 的风险评估模型相加，得出事故重现期，为电缆风险分析及保护方案制定 提供参考。

根据步骤3中不同的保护方案，并结合各区段的船只类型以及数量情 况对海底电缆各保护方案下的风险情况进行分类量化计算，将海底电缆落 锚损坏和拖锚损坏综合考虑为海底电缆事故概率。海底电缆事故率统计如 表A-3所示，各保护方案海底电缆事故率对比见图6。

表A-3二回海缆不同保护方案下的事故率及重现期

由图6和表A-3可得出不同保护方案下不同区段海底电缆分类量化风 险评估结果。根据事故概率可计算出事故重现期。可以看出海缆保护方案1、 方案2的事故重现期分别为36.36年、47.69年，南方主网与海南电网联网 工程海底电缆设计寿命50年，从计算结果来看，方案1、方案2不满足要 求。方案3、方案4、方案5的事故重现期分别为51.45年、51.46年和77.19 年，可以满足设计寿命要求，但方案4比方案3事故重现期仅提高0.01年， 保护费用却大幅提高，方案5的安全等级最高，但保护费用过高，经济性 差。因此，推荐南方主网与海南电网联网工程海底电缆采用保护方案3。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有 技术。