基于k条最小成本路径（KLCP）算法的多目标船舶航线优化以降低鲸–船碰撞风险

《Conservation Biology》：Reducing whale–vessel strikes through multiobjective vessel traffic routing

　　

船舶撞击威胁许多大型鲸类物种。管理人员采用若干减缓措施以降低船舶撞击风险，包括建立或修改船舶航线措施（如航运航道）。然而，用于指导航运航道配置的大多数研究仅考虑有限数量的潜在航道，且在许多情况下，用于生成航道的标准并不明确。研究人员开发了一种设计、修改或评估航运航道的方法，该方法包括明确界定航道目标，并使用k条最小成本路径（k least-cost path, KLCP）算法识别满足目标的所有航道；该算法识别成本表面上两点之间的KLCP。研究人员将该方法应用于评估美国马萨诸塞州科德角湾以及美国东南部大西洋沿岸外海的推荐航运航道，评估指标为北大西洋露脊鲸（Eubalaena glacialis）遭受船舶撞击的风险以及船舶航行这些航道所需时间。研究人员使用KLCP算法识别了所有露脊鲸撞击风险和旅行时间均小于或等于推荐航道的航道。在大多数情况下，所识别航道与推荐航道具有相似的空间配置，并将撞击风险降低<15%，这表明现有推荐航道相对于潜在替代航道在降低撞击风险和旅行时间方面设计充分但并非最优。研究人员应用KLCP算法的方法提供了一种全面、客观且透明的方式，用于识别可最小化鲸–船撞击并满足其他目标的船舶航线配置。

研究背景：车辆与野生动物碰撞可威胁野生动物和人类，并限制许多濒危、受威胁物种恢复；在海洋系统中，船舶撞击是大型鲸类的重要威胁，管理人员采用船舶航线、限速、船舶改造、通知系统和船上观察员等措施减缓风险，其中船舶航线措施（如避免区、航运航道、分道通航制和推荐航线）被广泛用于减少鲸–船碰撞。问题在于，航运航道设计需兼顾航行安全、航行需求和环境安全等多目标；以往用于指导航道配置的研究多只考虑有限数量替代航道，部分研究生成航道的标准不明确，可能遗漏能进一步降低撞击风险或更好满足海员目标的替代航道。极危的北大西洋露脊鲸（Eubalaena glacialis）分布与高船舶交通区广泛重叠，船舶撞击和渔具缠绕阻碍其恢复。2008年美国在其科德角湾摄食场和美国东南部产犊场建立推荐航线；美国海岸警卫队（United States Coast Guard, USCG）通过port access route study并与美国国家海洋与大气管理局（NOAA）国家海洋渔业局（NOAA Fisheries）磋商确定配置，设计时考虑了露脊鲸分布、船舶行为与安全以及东南部64条可能航线的风险研究；Fonnesbeck et al. (2008)比较了东南部推荐航道与5种替代配置，认为推荐航道使撞击风险最小。但自推荐航道建立以来，露脊鲸仍极危，2011—2023年种群下降约25%，船舶撞击仍是主要死因之一。因此，研究人员开发严格方法评估航运和过境航道空间配置，比较现有推荐航道与k条最小成本路径（k least-cost path, KLCP）算法识别的替代航道的撞击风险和旅行时间，以识别潜在改进并服务保护。

关键技术方法：研究人员采用四步流程：明确航道目标，即维持或降低露脊鲸致死撞击风险并维持或降低旅行时间；构建旅行时间成本表面和风险成本表面。旅行时间速度来自2017—2019年自动识别系统（automatic identification systems, AIS）数据：科德角湾采用工作船平均8.4 kt，东南部季节性管理区（Seasonal Management Area, SMA）内10 kt、外18 kt。风险成本表面依据Martin et al. (2016)相遇理论风险框架，结合Roberts et al. (2024)密度表面模型、科德角湾2010—2019年1—5月Center for Coastal Studies航空调查的单位努力目击量（sightings per unit effort, SPUE）、东南部2004—2019年冬季密度、0.48表层比例及月表层率等。随后在R 4.0.3的Rcpp中运行KLCP算法，以现有航道旅行时间为成本上限识别旅行时间≤现有航道的所有路径；再叠加风险成本表面，保留风险≤现有航道的合适航道，其中最低风险者为最优航道。

研究结果：研究人员对13个起讫组合运行KLCP算法；每条现有推荐航道识别出1至1,099,644条合适航道，其旅行时间和致死撞击风险均≤现有航道。最优航道（所有合适航道中风险最低者）使致死撞击风险降低0—35%，旅行时间快0—10 min。Boston–Cape Cod Canal最优航道风险降低35%，在42°N以南较现有航道向西2.8 km，其他特征相同；Boston–Provincetown最优航道风险降低13%，较现有航道向北5.5 km。Charleston至Brunswick和Fernandina Beach的最优航道与现有航道相同；Charleston–Jacksonville最优航道直接东西向穿过SMA，风险降低13%。San Juan起讫最优航道较现有航道北移并东西向穿过SMA，风险降低8—29%；Cape Canaveral起讫最优航道较现有航道北移5—10 km，风险降低3—15%。这些比较通过将KLCP识别的路径叠加风险成本表面并计算每条路径风险得出，说明现有推荐航道充分但非最优；最优与现有航道常重叠，且几乎均在10 km内。

讨论总结：讨论认为船舶撞击威胁多种鲸类，需要有效减缓；船舶航线是常用工具，KLCP可识别满足多目标的航道。现有推荐航道在科德角湾和东南部配置充分，风险与旅行时间合理，但非最优；最优与现有航道常重叠且几乎在10 km内，小配置差异对应<15%风险降低；Boston–Cape Cod Canal风险降低35%与最南25 km西移2.8 km相关，说明物种空间异质分布下小改动可显著影响风险。单船沿推荐航道和替代路径的致死撞击频率<1/1000，但AIS显示货运船每冬>1800 trips通过东南部SMA、工作船每冬>750 trips通过科德角湾SMA，许多往返Boston–Cape Cod Canal，故相关交通可能每年导致一头露脊鲸死亡，尽管实际观察死亡少；未计入风险框架参数不确定性，绝对风险应谨慎。雌性至少每3年繁殖一次，高生存率对恢复重要，边际风险降低可能有意义。修改航道需USCG port access route study评估航行安全；方法可通过移除障碍、浅水或环境敏感区节点纳入约束；东南部SMA需避开鱼礁和障碍，相邻航道不应交叉，所识别最优/合适航道未与不同港口航道交叉；可通过非交叉路径集合和交通量加权选择最优集合。研究使用2004—2019密度为回顾性评估，最优航道未必在建立时或未来最优；露脊鲸分布已变化，气候变化可能继续改变，需考虑预测分布、误差和风险参数不确定性，可用bootstrap估计风险不确定性。船舶撞击不限于两个SMA，其他SMA无推荐航道，未来应评估额外推荐航道，可主要识别最低风险航道、次要考虑旅行时间，避免过严时间目标排除低风险路径。KLCP优于有限替代方法，提供客观透明方法；局限是成本表面离散、路径锯齿，高分辨率计算成本大，结果可作起点并平滑转折、赋予宽度；其他物种数据不足时可用简化模型、相对风险或相对密度/栖息地适宜性，需足够时间变化数据；未考虑海流和天气。限速与航线结合在鲸高密度区可能理想，KLCP可同时优化速度和航线。研究结论翻译：将KLCP算法应用于识别成本表面上满足多目标的所有航道，是对过去仅考虑有限替代航道方法的改进；研究人员建议更广泛使用KLCP算法，因为它为设计和修改船舶航线措施（如航运航道）以减缓鲸–船撞击提供了全面、客观和透明的方法。