董豐蓮，王華，劉華林，王喆，鞠勝濤（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100086）

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研究開發(fā)

新一代面向協(xié)同應用的計劃優(yōu)化系統(tǒng)

董豐蓮，王華，劉華林，王喆，鞠勝濤
（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100086）

摘要：隨著石化企業(yè)精細化管理需求的不斷提升,傳統(tǒng)的面向單個用戶應用的單機版計劃優(yōu)化軟件逐漸不能滿足需要。本文介紹了利用以互聯(lián)網(wǎng)技術為核心的新的信息技術研究開發(fā)的新一代以流程為導向，面向協(xié)同應用的網(wǎng)絡化、圖形化計劃優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過基礎模型管理、模型在線共享和發(fā)送、數(shù)據(jù)字典管理等功能，實現(xiàn)了協(xié)同應用；通過圖形建模、窗體數(shù)據(jù)錄入、多樣化結果展示以及貫穿建模全過程的錯誤診斷功能，使系統(tǒng)直觀可視、簡單易用；通過“一次輸入、多次運算”功能，使用戶可便捷的開展靈敏度分析；通過權限管理，保證系統(tǒng)安全。實例應用表明，通過本系統(tǒng)建立的企業(yè)模型正確可信，可很好的支持企業(yè)計劃優(yōu)化業(yè)務。

關鍵詞：協(xié)同應用；網(wǎng)絡版；圖形建模；靈敏度分析

石化行業(yè)是典型的流程工業(yè)，多種品質的原油經(jīng)過復雜加工過程生產出產品。如何根據(jù)市場變化及時調整原油選購、裝置生產加工、產品結構、市場流向，最大限度地發(fā)揮資源的作用，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，是石化企業(yè)制定生產計劃時需解決的主要問題[1]。采用專業(yè)的計劃優(yōu)化軟件建立生產計劃模型，開展計劃排產和優(yōu)化分析是國內外石化企業(yè)的普遍做法[2-6]。目前行業(yè)內主要的建模軟件基本是20世紀研發(fā)的，受當時的計算機技術與軟件技術所限，這些軟件的基礎架構是單機版系統(tǒng)，缺乏模型應用管理流程，且圖形化程度偏低，操作起來有一定的難度[7]。

進入21世紀以來，以互聯(lián)網(wǎng)技術為核心的信息技術快速發(fā)展，促進了企業(yè)管理應用的不斷提升。對于計劃優(yōu)化軟件，要求從傳統(tǒng)的以用戶為中心的單機版應用，向以流程為導向的網(wǎng)絡化協(xié)同應用轉變，并可以與其它信息系統(tǒng)集成，減少手工錄入數(shù)據(jù)。本文在充分分析行業(yè)內主流的計劃優(yōu)化軟件優(yōu)缺點基礎上，結合業(yè)務需求與軟件技術和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢，研究開發(fā)了新一代面向協(xié)同應用的網(wǎng)絡化、圖形化計劃優(yōu)化系統(tǒng)。系統(tǒng)在技術架構、功能、安全性等方面都有顯著的提升，為生產計劃優(yōu)化軟件應用提供了更多的選擇。根據(jù)系統(tǒng)特點，將本軟件命名為協(xié)同先進計劃系統(tǒng)（collaborative advanced planning system，CAPS）。

1 系統(tǒng)技術架構

為兼顧建模、運算、流程管理等需求，CAPS采用C/S（客戶端/服務器）架構進行設計開發(fā)，客戶端分為展示層和應用層，服務器端分為計算層和數(shù)據(jù)層[8]。系統(tǒng)總體技術架構見圖1。

（1）數(shù)據(jù)層

為滿足網(wǎng)絡化應用與集成需要，系統(tǒng)采用大型關系型數(shù)據(jù)庫Oracle作為數(shù)據(jù)存儲工具。

（2）計算層

采用數(shù)量可擴展的PC服務器提供優(yōu)化計算服務，在優(yōu)化服務器上部署成熟的數(shù)學建模軟件GAMS（general algebraic modeling system），利用GAMS提供的標準I/O接口，采用.Net Web Service技術自主開發(fā)Web服務，用于CAPS與GAMS的數(shù)據(jù)交互；采用.NET進程處理類（process）實現(xiàn)web服務對GAMS計算功能的實時調用。

（3）應用層

CAPS主程序采用微軟的Windows Form開發(fā)框架，綜合使用表單引擎、報表引擎、圖形化建模等組件或服務，開發(fā)標準的應用程序。

（4）展示層

客戶端部署統(tǒng)一的應用程序，只要與優(yōu)化服務器和數(shù)據(jù)庫服務器的網(wǎng)絡通信正常，用戶即可正常使用系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)建模與求解方法

石化行業(yè)的生產計劃優(yōu)化的核心是建立數(shù)學規(guī)劃模型。CAPS采用成熟的數(shù)學建模軟件GAMS建立單廠和多廠的數(shù)學規(guī)劃模型，求解器采用行業(yè)內常用的CPLEX求解器。

圖1 系統(tǒng)技術架構

對于不符合線性調合的物性，采用將物性轉換為線性的物性指數(shù)進行處理；對于由物性傳遞結構和 delta-base結構引起的非線性問題，采用業(yè)內常用的混流和分布遞歸技術進行處理[9]。

2.1 單廠數(shù)學規(guī)劃模型

2.1.1 目標函數(shù)

單廠模型的目標函數(shù)是企業(yè)利潤最大[10-12]。

式中，P為企業(yè)利潤ai為產品i的銷售價格，xi為產品i的銷售量bj為原料j的采購價格，yj為原料j的采購量ct為公用工程t的采購價格，zt為公用工程t的采購量dk為物料k的庫存價格，wk為物料k的庫存變化量。

2.1.2 變量

包括各原料采購量、各產品銷售量、各公用工程采購量、各物料期初和期末庫存量、各裝置加工量、各裝置進料量和出料量、各裝置公用工程消耗量和產出量、各調合產品產量等。

2.1.3 參數(shù)

包括各原料采購價格，各產品銷售價格，各常減壓裝置各原油的切割數(shù)據(jù)，各二次裝置各方案的原料單耗、產品收率和公用工程單耗數(shù)據(jù)，各物料的物性數(shù)據(jù)等。

2.1.4 約束條件

約束條件分為兩類。第一類是煉化生產加工中存在的固有邏輯關系，形成如式(2)的等式約束。

這些約束包括：①各物料的全廠平衡；②各公用工程的全廠平衡；③常壓裝置某側線產量等于該裝置加工的各原油的量與各原油側線收率乘積之和；④某調合產品量等于調合該產品的各調合組分量之和；⑤某調合產品的物性值等于調合該產品的各調合組分的物性值的加權平均等。

第二類是具體的條件限定，形成如式(3)的不等式約束。

這些約束包括：①原料采購量上下限；②產品銷售量上下限；③裝置加工能力上下限；④物料庫存量上下限；⑤常壓裝置進料物性要求；⑥二次裝置進料物性要求；⑦調合產品物性指標要求等。

GAMS調用求解器對上述數(shù)學規(guī)劃模型求解一次后，將對計算結果是否滿足設定的收斂精度進行判斷，若判斷不通過，會根據(jù)本次計算結果對參數(shù)進行修正，然后再次調用求解器進行迭代運算，直到運算結果滿足收斂精度時結束運算。

2.2 多廠數(shù)學規(guī)劃模型

2.2.1 目標函數(shù)

多廠模型的目標函數(shù)是各企業(yè)總利潤最大，如式(4)。

式中，ZP為多廠模型總利潤m和k為節(jié)點；n為物料；t為運輸方式；r為被集成到多廠模型中的單廠；amn為在節(jié)點m銷售的物料n的價格；xmn為對應的銷售量；bmn為在節(jié)點m采購的物料n的價格；ymn為對應的采購量；dmn為在節(jié)點m儲存的物料 n的庫存價格；wmn為對應的庫存變化量；cmtnk為從節(jié)點m通過運輸方式t運送物料n到另一個節(jié)點k的單位物料運費；zmtnk為對應的運輸量；pr為單廠r的利潤，具體計算方法見公式(1)。

2.2.2 變量

包括在某地采購某物料的量，在某地銷售某物料的量，在某地儲存的某物料的期初庫存量和期末庫存量，從某節(jié)點經(jīng)某種運輸方式運輸某物料到另一個節(jié)點的數(shù)量，各管線輸量，被集成到多廠模型中的單廠模型的變量等。

2.2.3 參數(shù)

包括在某地采購某物料的價格，在某地銷售某物料的價格，在某地儲存的某物料的價格，從某節(jié)點經(jīng)某種運輸方式運輸某物料到另一節(jié)點的單位物料運費，被集成到多廠模型中的單廠模型的參數(shù)等。

2.2.4 約束條件

和單廠類似，多廠模型約束條件也分為兩類：第一類是固有的邏輯關系，形成等式約束；第二類是具體的條件限定，形成不等式約束。

等式約束包括：①某物料在某地點的進銷存平衡；②集成的各單廠模型需遵循的等式約束。

不等式約束包括：①某物料在某地的采購量上下限；②某物料在某地的銷售量上下限；③各種運輸能力上下限；④某物料在某地的庫存量上下限；⑤集成的各單廠模型需遵循的不等式約束。

多廠模型求解步驟和單廠模型類似，也是進行迭代運算，直到運算結果滿足收斂精度時結束。

3 系統(tǒng)功能架構

系統(tǒng)總體功能架構如圖2所示，包括單廠模型平臺、多廠模型平臺和系統(tǒng)管理三大功能模塊。單廠模型平臺和多廠模型平臺都由參數(shù)輸入、優(yōu)化求解和結果輸出3個子模塊組成。系統(tǒng)管理包括模型管理、數(shù)據(jù)字典管理和權限管理3個子模塊。各子模塊的功能點如表1所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構

3.1 單廠模型平臺

單廠模型平臺用以建立單個煉化企業(yè)從原料采購、生產加工到產品出廠全過程的生產計劃優(yōu)化模型，應用數(shù)學規(guī)劃算法進行求解并輸出優(yōu)化結果，目標是使單個煉化企業(yè)經(jīng)濟效益最大化。

除常規(guī)功能外，單廠模型平臺還具有以下高級應用功能：①可以定義裝置出料物性和進料物性的聯(lián)動關系，即物性傳遞結構；②可以定義裝置側線收率和進料物性的聯(lián)動關系，即delta-base結構；③對于凝點、閃點等不符合線性調合的物性，系統(tǒng)會自動根據(jù)經(jīng)驗公式將其轉化為符合線性關系的物性指數(shù)進行計算；④可以建立多周期模型，各周期之間通過庫存連接；⑤用戶可根據(jù)需要添加各類約束條件。

表1 系統(tǒng)功能點

3.2 多廠模型平臺

多廠模型平臺用以建立綜合性石油公司原油業(yè)務鏈從原油供應、原油運輸、煉化企業(yè)生產加工、產品一次物流運輸?shù)疆a品銷售上下游全鏈條的生產計劃優(yōu)化模型，對模型進行求解并輸出運算結果。目標是使原油業(yè)務鏈上下游整體效益最大化。

原油業(yè)務鏈宏觀上是物流過程，但在煉化局部是加工過程。多廠建模就是搭建整體的物流網(wǎng)絡并在局部集成煉化單廠模型，因此多廠模型平臺需要和單廠模型平臺結合使用。CAPS多廠模型可集成多達100個單廠模型。

CAPS既可以建立多廠單周期模型，也可以建立多廠多周期模型，充分滿足滾動測算需要。

3.3 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理的功能是保證模型的規(guī)范化，實現(xiàn)模型的協(xié)同應用。包括模型管理、數(shù)據(jù)字典管理和權限管理3個子模塊。

（1）模型管理 對企業(yè)基礎模型的審批和發(fā)布流程進行管理；提供私有模型的共享、發(fā)送和接收功能，用戶可在系統(tǒng)上將模型共享給其他用戶、發(fā)送給其他用戶、或從其他用戶處接收模型。

（2）數(shù)據(jù)字典管理 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)字典的建立和維護功能，包括物料字典、物性字典、公用工程字典、節(jié)點字典、裝置字典、各煉廠對應裝置字典、公式字典7項內容。

（3）權限管理 對系統(tǒng)中用戶、角色、用戶訪問權限、用戶操作權限等進行管理。

4 系統(tǒng)安全機制

CAPS為網(wǎng)絡版系統(tǒng)，將Oracle數(shù)據(jù)庫集中部署在服務器上，用戶在本機上不存儲數(shù)據(jù)；計算軟件也采用集中部署的方式，用戶在本機上不存儲任何數(shù)學模型。相比單機應用模式，模型及數(shù)據(jù)的可控性大大增強。通過防病毒、數(shù)據(jù)備份等措施，可有效保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全。

CAPS設置了嚴格的權限分配機制，在系統(tǒng)中添加用戶時會首先設置該用戶的角色，以及具有哪些企業(yè)的模型操作權限。只有模型開發(fā)員可以編制并提交基礎模型，只有模型管理員可以審批并發(fā)布基礎模型；每個企業(yè)發(fā)布的模型都只對有該企業(yè)權限的用戶可見；每個用戶的私有模型都只對其本人可見。

通過以上措施，可有效保證系統(tǒng)的安全性。

5 系統(tǒng)主要特點

CAPS系統(tǒng)按照互聯(lián)網(wǎng)時代訪問應用特點開發(fā)，使用戶間的協(xié)同共享便捷、高效。系統(tǒng)界面友好，符合人機交互習慣，系統(tǒng)從建模、運算到結果分析都簡便易用。

5.1 面向協(xié)同應用

CAPS和傳統(tǒng)的面向單個用戶分散式應用的單機版計劃優(yōu)化軟件相比，最大的不同在于其是以流程為導向，面向多個用戶協(xié)同應用的網(wǎng)絡化系統(tǒng)。其協(xié)同性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）將企業(yè)基礎模型的審批和發(fā)布流程固化到系統(tǒng)中，有效保證基礎模型的質量。發(fā)布的基礎模型對于有權限的用戶均可見，用戶可根據(jù)基礎模型生成應用模型，從而根據(jù)需要開展計劃排產和方案優(yōu)化。通過這種方式，可有效保證不同用戶間使用的模型基礎的一致性，為不同部門之間基于模型開展業(yè)務協(xié)作提供了前提保證。

（2）通過模型共享功能，可使幾個用戶同時搭建同一個模型的不同模塊，通過分工協(xié)作提高建模速度；此外通過模型共享功能還便于高水平用戶對普通用戶進行模型檢查和應用指導，提升模型應用水平。

（3）通過模型發(fā)送和接收功能，使模型的傳遞方式由傳統(tǒng)軟件的線下轉為線上，使用戶間模型的協(xié)同應用既快速高效，又安全規(guī)范。

（4）模型編碼統(tǒng)一規(guī)范，當用戶利用單廠模型平臺或多廠模型平臺搭建模型時，系統(tǒng)會強制各類編碼必須從數(shù)據(jù)字典中選取。通過這種方式，可有效保證編碼的規(guī)范性，為計劃優(yōu)化系統(tǒng)和其他信息系統(tǒng)的集成共享、協(xié)同應用提供便利。

5.2 建模過程直觀可視

5.2.1 單廠通過圖形方式建立全廠流程圖

裝置分為5類：常壓、減壓、二次裝置、調合池、混合分離器，在流程圖上的形狀分別如圖3(a)。

用戶可以根據(jù)需要將流程圖分為多個頁面，如可分為煉油流程圖、化工流程圖、潤滑油流程圖等。

在某個頁面上建立一個裝置的方式為：點擊系統(tǒng)工具欄上的對應圖標，然后移動鼠標到頁面上的合適位置，即在頁面上增加了一個裝置。

雙擊頁面上的某個裝置，將彈出該裝置的信息維護窗體，將裝置的進出物料定義好了以后，進料和出料會自動出現(xiàn)在裝置兩側，如圖4所示。

可以對裝置進行任意的添加、刪除、移動、縮放、復制、剪切、粘貼等，所繪制的流程圖直觀、美觀。

5.2.2 多廠通過圖形方式建立節(jié)點布局圖

根據(jù)石化行業(yè)特點，系統(tǒng)將節(jié)點分為5類：油田、煉廠、市場、油庫和港口，形狀分別如圖3(b)。在多廠界面上建立節(jié)點和在單廠界面上建立裝置的方法類似。如圖5在頁面上建立了多個節(jié)點，背景圖片可由用戶配置。

5.3 數(shù)據(jù)錄入方法簡單便捷

圖3 裝置及節(jié)點形狀

CAPS采用窗體進行數(shù)據(jù)錄入，用戶根據(jù)表頭、按鈕、彈出框提示等即可知道怎么操作，簡單易用。如圖6是某個二次裝置的信息錄入頁面，可通過相應按鈕進行增加方案、刪除方案、修改方案名稱等操作，方案定義好了以后，在頁面上每個方案會自動出現(xiàn)一列，用戶在相應單元格中錄入原料消耗、產品收率、公用工程消耗等數(shù)據(jù)即可。除可在頁面上直接錄入數(shù)據(jù)外，還可以通過Excel導入的方式進行數(shù)據(jù)維護，滿足用戶將從外部獲取的數(shù)據(jù)快速導入本系統(tǒng)的需要。

圖4 單廠圖形建模

圖5 多廠圖形建模

此外，系統(tǒng)還具有某些公式自動計算功能。如會自動根據(jù)產品的含稅價、消費稅、增值稅率計算不含稅價，自動根據(jù)周期天數(shù)和檢修天數(shù)計算加工能力上下限等。

5.4 錯誤診斷貫穿建模全過程

CAPS在建模過程中會進行嚴格的邏輯判斷，如原油各側線收率應等于 1，二次裝置各生產方案的原料單耗和產品收率之和應該等于 0，等等。若出現(xiàn)不符合規(guī)則的情況，會提示用戶進行糾正，只有糾正后數(shù)據(jù)才能成功保存。通過這種方法使輸入錯誤在建模過程中及時得到糾正，避免錯誤累積。

當用戶將參數(shù)錄入完畢，執(zhí)行“運算”操作時，系統(tǒng)會首先對數(shù)據(jù)的完整性進行校驗，只有校驗通過后才能開始計算。單廠模型主要校驗各物料是否有來源和去向、運算時需要的物性數(shù)據(jù)是否都存在等，多廠模型主要校驗是否所有的煉廠都集成了相應的單廠模型。若經(jīng)校驗發(fā)現(xiàn)問題，系統(tǒng)會提示用戶進行修改。

5.5 結果輸出形式靈活多樣

CAPS為單廠模型和多廠模型各提供一套通用用性結果報表。單廠模型報表包括效益分析表、裝置能力分析表等，共11項內容。多廠模型報表包括效益分析表、運輸分析表等，共10項內容。這些報表既可以通過系統(tǒng)頁面直接查看，也可以導出到Excel中。

圖6 二次裝置數(shù)據(jù)錄入界面

圖7 單廠流程圖結果展示

除傳統(tǒng)報表形式外，單廠模型可在界面上直接顯示全廠流程圖，多廠模型可在界面上以懸浮框、節(jié)點連線等方式顯示流向優(yōu)化結果，直觀可視。

圖7是單廠模型流程圖結果界面，各裝置的進出物料量在圖上直接顯示。

若在流程圖上單擊某個物料，所有產生該物料的裝置會以紅色突出顯示，所有消耗該物料的裝置會以藍色突出顯示，如圖7中顯示了“減三”這股物料的來源和去向。

對于多廠模型，選擇了某個節(jié)點后，系統(tǒng)會通過連線顯示哪些節(jié)點向該節(jié)點運入物料、哪些節(jié)點從該節(jié)點接收物料，并通過懸浮框顯示具體的物料名稱、數(shù)量、運輸方式等信息。

此外，模型的計算結果都存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中，支持用戶根據(jù)個性化需求開發(fā)自定義報表。

圖8 靈敏度分析

5.6 靈敏度分析簡單快速

CAPS提供了快速的靈敏度分析功能，實現(xiàn)“一次輸入，多次運算”。具體方法為：用戶輸入某個參數(shù)（如某個物料的采購量或采購價格）的開始值、結束值和步長，然后點擊一次“運算”按鈕，系統(tǒng)就會自動設定出多個情景并逐個進行運算。

情景1：參數(shù) = 開始值；

情景2：參數(shù) = 開始值+步長；

情景3：參數(shù) = 開始值+2*步長；

依次類推，直到參數(shù)大于設定的結束值為止。運算結束后，系統(tǒng)會將多個情景的對比結果通過圖表等形式展示出來，用戶可方便的查看模型運算結果對該變量的靈敏性，如圖8。

6 結 語

本系統(tǒng)開發(fā)完成后在國內某大型煉化一體化企業(yè)進行了應用，建立了該企業(yè)煉化一體化生產優(yōu)化模型，包含企業(yè)從原料采購、煉油和化工裝置加工、產品調合到產品出廠的全生產鏈條，涵蓋二十多套生產裝置和幾百種物料。近兩年來企業(yè)應用模型開展原料選購優(yōu)化、裝置生產優(yōu)化、汽柴油調合優(yōu)化和產品生產優(yōu)化測算200余例，較好的支持了企業(yè)開工方案制定、開工后的計劃排產和計劃優(yōu)化業(yè)務，為提高企業(yè)經(jīng)濟效益發(fā)揮了決策支持作用。

本系統(tǒng)利用新的信息技術解決了數(shù)據(jù)存儲、建模、工作流、安全、高級分析等傳統(tǒng)軟件存在的問題，具有先進的技術架構和完備的功能。采用成熟的建模方法和求解算法，實踐驗證模型的正確性和可信性，并在實際生產計劃編制中得到應用。軟件界面友好，用戶可以方便的掌握和使用，作為新一代面向協(xié)同應用的網(wǎng)絡化、圖形化計劃優(yōu)化系統(tǒng)，具有較高的推廣價值。

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第一作者及聯(lián)系人：董豐蓮（1982—），女，碩士，高級工程師，從事煉化生產計劃優(yōu)化應用研究。E-mail dongfenglian@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TQ 021.8

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-1986-08

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.008

收稿日期：2015-10-26；修改稿日期：2015-01-16。

New generation of planning optimization system oriented to collaborative application

DONG Fenglian，WANG Hua，LIU Hualin，WANG Zhe，JU Shengtao
（PetroChina Planning and Engineering Institute，PetroChina Company Limited，Beijing 100086，China)

Abstract：With the requirement to continuously improve detailed management in petro-chemical industry，the traditional single-alone planning optimization software gradually failed to meet the need.Using new information technology whose core is internet technology，a new generation of planning model system is developed in this paper，which is graphic and online，stressing on process orientation and collaborative application.By means of the basic model management，online model sharing and sending，and data dictionary management，the collaborative application is realized.By using graph modeling，data input through windows form，diverse result output，and error diagnosing throughout the process of modeling，the system becomes visual and user-friendly.Depending on the function of ‘input once and calculate many times’，the sensitivity analysis can be easily made by users.The system security is guaranteed through authorization management.The real application results show that the model established using the system is reliable，and it can well support the planning optimization of the enterprises.

Key words：collaborative application；online；graphic modeling；sensitivity analysis