本文档是Laurent Barthélemy（所属机构：法国南特国立高等海事学院，Ecole nationale supérieure maritime Nantes）在*Proceedings of the 33rd European Safety and Reliability Conference (ESREL 2023)*上发表的一篇学术会议论文。该论文报告了一项针对海上浮式风电运维过程中人员转移安全性的原创性研究。

一、 研究背景与目标

本研究属于海洋工程与海上风电运维安全交叉领域。随着海上风电向深远海发展，浮式风电（Floating Wind Turbines）成为重要方向。在此背景下，运维人员通过人员转运船（Crew Transfer Vessel, CTV）往返于风电基础和船舶之间是常规但高风险的操作。特别是在如地中海等海域，短周期波浪频发，极易导致CTV在靠泊（Berthing）风电基础时甲板被波浪淹没（Deck Flooding/Water Ingress），严重威胁人员与设备安全。

先前的研究（如参考文献[1]）主要关注基于动摩擦的靠泊标准。然而，行业专家（参考文献[2]和[3]的作者）指出，在许多情况下，双体CTV的干舷（Airgap）才是限制因素，当波浪击中两船体之间的湿甲板时，船舶会承受巨大的波浪力。因此，必须考虑CTV船首与波浪高程之间的相对运动。本研究正是为了定量分析这一“水爬升效应”（Water Run-up Effect），旨在建立一套评估CTV在波浪中靠泊浮式风机时甲板浸水风险的计算模型，并与固定式基础（单桩）的情况进行对比，以明确不同基础类型、水深、波浪条件对靠泊安全窗口的影响。

二、 研究方法与详细流程

本研究采用数值模拟与理论分析相结合的方法，核心是计算并比较CTV靠泊点处的船舶垂荡（Heave）运动与波浪高程（Wave Elevation）。具体流程如下：

1. 模型建立与核心假设： * 研究对象： 研究主体为一艘27米长的双体（Catamaran, Cat）CTV，其船体采用基于汉堡船模试验池（HSVA）测试数据的Wigley船型数学近似。 * 运动自由度： 假设CTV的运动仅包括纵荡（Surge）、垂荡（Heave）和纵摇（Pitch）三个自由度，并考虑了螺旋桨推力引起的这三者之间的三维耦合效应。 * 摩擦系数模型： 假设船用护舷（Fender）与风机基础登船平台（Boat Landing）之间的摩擦系数，等于船体波浪诱导垂向力与（波浪诱导水平力+螺旋桨推力）之和的比值。 * 波浪遮蔽效应： 关键创新点在于考虑了浮式基础对入射波的“遮蔽”（Masking）效应。即当CTV靠泊在大型浮式基础（如圆柱形或方体形）的背浪侧时，只有能从基础底部下方穿过的波浪（即“残差波”）会影响靠泊点的波浪场。

2. 甲板浸水判据计算流程： 本研究定义了一个核心风险指标：靠泊点A-处CTV垂荡与波浪高程之间的相对范围（Relative Range）。其计算包含三个主要步骤：

• 步骤A：计算登船点处的波浪高程。 研究人员使用边界元法（BEM）求解器NEMOH [11]来计算浮式风电基础周围的波浪衍射场。在靠泊点A-处的波浪高程 (η_A-) 由下式给出： η_A- = a * cos(ωt - φ_A-) 其中，a是波浪振幅，ω是波浪圆频率，φ_A-是在A-点由NEMOH计算得到的衍射波相位角。如果浮式基础对CTV产生了波浪遮蔽，则入射波振幅a需要修正为残差波振幅a_r，其计算公式为：a_r = a * sinh[k(z0+h)] / sinh(kh)，其中k是波数，z0是基础吃水，h是水深。这一修正是模型准确模拟浮式基础下波浪环境的关键。

• 步骤B：计算登船点处的CTV垂荡。 同样使用NEMOH计算CTV在波浪中的运动响应。CTV在A-点的垂荡运动 (z_A-) 是其重心处垂荡与纵摇运动在A-点引起的垂向位移的叠加，计算公式考虑了纵摇运动的几何贡献。计算中引入了时间相位修正t_T和t_N，以确保Wigley数学船型计算得到的波浪垂向力T(t)和水平力N(t)与HSVA真实船型试验结果同相位，从而提高了运动预报的准确性。

• 步骤C：评估浸水风险。 通过比较z_A-和η_A-，得到相对运动R_A- = z_A- - η_A-。通过参数化研究（改变波长λ与船长B的比值λ/B），找到R_A-的最小值R_A-min。甲板浸水的判据是R_A-min < 0，即波浪高程超过了CTV船体在登船点处的垂向位置。通过系统性地改变有义波高（Significant Wave Height, Hs）和λ/B，可以确定导致浸水发生的临界海况条件。

3. 研究案例设置与验证： 为了全面评估不同因素的影响，论文设置了多个对比案例： * 案例1 & 2：靠泊固定式单桩（Monopile）。 分别在水深15米和29米下，研究直径为5米的单桩。由于CTV宽度大于单桩直径，此处无波浪遮蔽效应。案例0（Triton Knoll风电场数据）作为基准（Benchmark）用于验证模型。 * 案例3 & 4：靠泊圆柱形浮式基础。 分别在水深70米和23米下，研究直径为13米和41米的圆柱体。此处存在显著的波浪遮蔽效应，仅考虑从基础下方通过的残差波。 * 案例5, 6 & 7：靠泊方体形浮式基础（以FloatGen为例）。 研究边长为36米的方体基础在不同水深（23米和70米）下的情况。同样考虑波浪遮蔽效应。

通过对比这些案例，可以分离出水深、基础几何形状（直径/边长）、以及最重要的波浪遮蔽效应各自对CTV甲板浸水风险的影响。

三、 主要研究结果

研究结果主要通过两个表格（原文表2和表3）和一系列图表（图5, 8, 11）进行总结，清晰地展示了不同场景下的安全边界。

1. 导致浸水的临界有义波高（Hs）：（对应表2） * 基准验证： 案例1（5米单桩，15米水深）得出的导致浸水的最大Hs为2米，与基准案例0（Triton Knoll）的结果完全一致，验证了模型在无遮蔽情况下的可靠性。 * 水深影响（无遮蔽）： 对比案例1（15米水深，Hs=2米）和案例2（29米水深，Hs=2.5米），在水深增加近一倍的情况下，临界Hs提高了25%。这表明在固定式基础上，较深的水域允许CTV在略大的波高下安全靠泊。 * 波浪遮蔽效应的积极影响： 对比案例2（无遮蔽单桩，Hs=2.5米）与案例4、5（有遮蔽的大型圆柱/方体基础，Hs >3米），发现波浪遮蔽显著提高了临界Hs（提升超过20%）。这意味着大型浮式基础像一道“防波堤”，为其背风侧的CTV创造了更平静的靠泊区域，拓宽了可作业的天气窗口。 * FloatGen基础的特别发现： 案例6（FloatGen, 23米水深）的临界Hs为2.5米，与同水深的单桩案例2相同，表明FloatGen的遮蔽效果在此水深下并未带来Hs方面的改善。但将水深增至70米（案例7），临界Hs提升至3.0米，再次体现了水深与遮蔽的复合影响。 * 基础形状影响较小： 对比相同水深（70米）下的圆柱形（案例3）和方体形（案例7）基础，两者临界Hs均大于3米，表明在相同水深下，基础形状本身对临界Hs的影响不大。

2. 导致浸水的临界波长船长比（λ/B）：（对应表3） * 该参数定义了引发浸水风险的波浪周期范围（短波对应小λ/B）。 * 基准与水深影响： 案例1的临界λ/B为1.1，与基准（1.0）吻合良好。案例2中水深增加使临界λ/B增至1.2。 * 遮蔽效应的决定性影响： 这是最突出的发现。对于有强遮蔽的大型圆柱/方体基础（案例4、5），在“现实的”波浪条件下（文中定义λ/B不小于0.2），没有λ/B会导致浸水（表中记为“none”）。这意味着对于这些大型浮式基础，甲板浸水风险主要来自非常短的波浪（λ/B < 0.6，如案例3），而这种极短周期的波浪在开阔海域（如研究提及的Leucate Nord海域）实际很少发生。相反，对于无遮蔽的单桩（案例0,1,2）或遮蔽效果较弱的FloatGen（案例6,7），浸水风险存在于更宽的波浪周期范围（λ/B最高可达1.3）。

3. 结果解读与核心机理： 综合以上数据，论文得出核心结论：影响CTV甲板浸水风险的首要限制因素，从固定式基础的“CTV干舷不足”，转变为浮式基础的“来自浮式基础的波浪衍射（Diffraction）”。对于大型浮式基础，波浪在其周围发生衍射，特别是在基础背浪侧（靠泊点）形成复杂的波面，这个衍射波场（公式中的φ_A-）是决定相对运动R_A-的关键。这种衍射效应在短波（小λ/B）下尤为显著。因此，尽管浮式基础的遮蔽效应提升了可作业的波高（Hs）上限，但它将风险关注的焦点转移到了短周期波浪引起的衍射问题上。

四、 结论与建议

本研究的主要结论是：对于未来水深超过50米的法国浮式风电场，限制CTV靠泊安全的主要因素可能不再是双体船的干舷（Airgap），而是船用护舷与登船平台之间的摩擦系数[1]。除了水深的影响，最主要的限制因素是浮式基础对CTV造成的海面衍射。这种现象发生在短波长条件下（λ/B < 1），这与参考文献[2]的观察一致。

基于研究发现，论文提出了多项改进运维安全与经济效益的建议： 1. 采用表面效应船（Surface Effect Ship, SES）： SES能更好地抑制波浪引起的垂荡运动，从而直接缓解甲板浸水风险。同时，SES相比传统双体CTV可降低30-50%的每海里燃油消耗，并提高25-50%的航速。 2. 优化推进器推力控制： 根据入射波情况调节CTV的系柱推力（Bollard Push），而非始终使用全推力靠泊，这有助于节省成本。 3. 修订摩擦系数模型： 建议未来的研究采用静态或动摩擦系数（取决于护舷是否与登船平台产生抓握），而非伪动摩擦系数，并确保其低于橡胶对钢材的抓握因子。这呼应了相关规范（如[13]）的要求，即确保“95%的波浪过境中，滑移不超过300毫米”。

五、 研究亮点

1. 问题导向的创新性： 首次专门针对“短周期波浪下的水爬升效应”建立了完整的定量分析模型，填补了浮式风电CTV靠泊安全在该细分风险上的研究空白。
2. 模型的关键改进： 在标准的运动与波浪计算中，创新性地引入了 “波浪遮蔽修正” ，准确刻画了浮式基础对后方波浪场的改变，这是区别于固定式基础分析的核心环节。
3. 系统的对比分析： 通过精心设计一系列对比案例（不同基础类型、几何尺寸、水深），清晰剥离并量化了水深、基础尺寸（遮蔽程度）、波浪衍射等多个因素对风险的影响权重，得出了“遮蔽效应提升波高容忍度，但衍射效应凸显短波风险”这一具有实践指导意义的辩证结论。
4. 与工程实践的紧密结合： 研究始终围绕实际工程参数（如FloatGen、EFGL浮筒等真实项目尺寸）展开，结果直接服务于作业窗口评估。提出的SES应用、推力控制优化等建议，均具有明确的工程应用价值。

六、 其他价值

本研究建立的分析框架和模型，为风电运营商、CTV设计方和船级社制定更精确的靠泊作业海况限制（Operation Limitation Criteria）提供了科学工具。它强调了对于浮式风电，不能简单套用固定式基础的靠泊标准，必须考虑基础运动与波浪遮蔽-衍射带来的新特征。论文最后指出的摩擦系数研究方向，将安全关注点从船舶运动本身延伸到了人-机交互界面（护舷-平台），为进一步提升转移安全提供了重要思路。