（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)于節(jié)能和環(huán)保問(wèn)題的重視，關(guān)于清潔能源汽車的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。壓縮天然氣（CNG）車輛作為代表的天然氣汽車已成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。和普通汽車相比CNG車輛的造價(jià)更低，而且相比之下能夠減少15%-20%的CO2排放。我國(guó)的CNG汽車在近幾十年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，截至2015底我國(guó)的CNG汽車總量已經(jīng)達(dá)到了496萬(wàn)輛，并且已經(jīng)有十二個(gè)地級(jí)市的CNG保有量超過(guò)了10萬(wàn)輛。

CNG站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)作為CNG車輛發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，受到了很多研究者的關(guān)注。但大多數(shù)的研究都是圍繞成本-效益來(lái)進(jìn)行的，本文運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，并結(jié)合F-AHP將CNG站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和便利性進(jìn)行綜合考慮，從而對(duì)于CNG站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。

2 CNG站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化模型的建立

一些復(fù)雜的決策問(wèn)題中存在多個(gè)相互沖突的目標(biāo)，而使這些目標(biāo)在給定區(qū)域內(nèi)盡可能的得到優(yōu)化的問(wèn)題，就是多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。而本文關(guān)于CNG站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的優(yōu)化需要考慮經(jīng)濟(jì)性、便利性和安全性，這三個(gè)目標(biāo)之間并不是統(tǒng)一，不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，因此對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題屬于多目標(biāo)優(yōu)化的范疇。為解決不同目標(biāo)之間的沖突，首先建立了不同目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，并在求出其不同目標(biāo)的最優(yōu)解后，對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。然后通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱設(shè)定了關(guān)于不同目標(biāo)之間的權(quán)重。最后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化公式和權(quán)重的結(jié)合組成了最終的目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合約束條件對(duì)其求解。

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)。這個(gè)模型需要對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性和便利性三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行量化處理，再通過(guò)對(duì)其賦予權(quán)重的方式，將這三個(gè)目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為最終的目標(biāo)函數(shù)方程。在此對(duì)于不同目標(biāo)的函數(shù)的建立進(jìn)行相應(yīng)的說(shuō)明。

（1）經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)方程如公式（1）所示：

其中E(qi)是CNG加氣站的綜合經(jīng)濟(jì)收益；xi表示不同類型加氣站的數(shù)量，從1到3分別代指母站、子站和標(biāo)準(zhǔn)站[1]。

其中綜合經(jīng)濟(jì)收益如公式（2）所示：

其中Ei0是總收益；Ei1是可變成本；Ei2是固定成本；Ei3是期間成本；η是稅率。

為成本的計(jì)算，在這里以標(biāo)準(zhǔn)站為基準(zhǔn)計(jì)算其他加氣站的成本，如公式（3）所示[2]：

其中Xi為母站或子站的加氣能力；X3是標(biāo)準(zhǔn)站的加氣能力；Pf是物價(jià)修正指數(shù)。

（2）安全性目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)CNG加氣站發(fā)生事故原因的統(tǒng)計(jì)，其安全事故的發(fā)生多是由于設(shè)備所引起的，規(guī)模越大、設(shè)備越復(fù)雜發(fā)生事故的幾率越高。故在此通過(guò)模糊綜合評(píng)定法對(duì)于每種加氣站主要設(shè)備的安全性進(jìn)行分析，并結(jié)合AHP對(duì)于每種加氣站的安全性進(jìn)行評(píng)分。同時(shí)根據(jù)每種加氣站所占的比例劃分權(quán)重，從而對(duì)于加氣站的整體安全性進(jìn)行評(píng)定。其結(jié)果如公式（4）所示：

其中Vi是每種加氣站安全性的評(píng)分；N是加氣站的總數(shù)量。

（3）便利性目標(biāo)函數(shù)。本文對(duì)于CNG加氣站的便利性，從地理位置和加氣速度兩方面進(jìn)行判斷。在此用模糊綜合評(píng)定法對(duì)于每種加氣站的便利性進(jìn)行分析，并結(jié)合AHP對(duì)于每種加氣站的便利性進(jìn)行評(píng)分。同時(shí)根據(jù)加氣站的比例劃分權(quán)重，從而對(duì)其整體的便利性進(jìn)行評(píng)定。其結(jié)果如公式（5）所示：

其中V'是每種加氣站安全性的評(píng)分；N是加氣站的總數(shù)量。

2.1.2 約束條件。對(duì)于三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的約束條件主要包括：能源供需之間的平衡、在經(jīng)濟(jì)投入和成本之間的平衡和三種加氣站數(shù)量之間的要求。其結(jié)果如公式（6）所示：

其中ai是每種加氣站平均日產(chǎn)氣量；ci是每種加氣站的投資金額；S2是子站和母站之間的數(shù)量比例；c0是母站的最大數(shù)目；cg是子站的最大數(shù)目。

2.2 模糊層次分析法(F-AHP)的概念和步驟

模糊層次分析法是運(yùn)用模糊關(guān)系合成原理，結(jié)合模糊評(píng)定法和層次分析法全面、定量的對(duì)方案或效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。在進(jìn)行模糊層次分析法時(shí)首先要確定關(guān)于對(duì)象的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，其次需要對(duì)評(píng)語(yǔ)等級(jí)論域，本文選取評(píng)語(yǔ)論域V={很好(8-10)、比較好(6-8)、一般(4-6)、較差(2-4)、很差(0-2)}，接著需要構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣，然后需要通過(guò)判斷矩陣確定各項(xiàng)的權(quán)重，最后根據(jù)評(píng)分情況和各項(xiàng)的權(quán)重確定目標(biāo)層的評(píng)分[3]，見(jiàn)表1。

表1 模糊層次分析法打分標(biāo)度

3 武漢市CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的優(yōu)化

3.1 武漢市相關(guān)數(shù)據(jù)

以武漢市為例對(duì)CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)行優(yōu)化，其中的數(shù)據(jù)主要來(lái)自《武漢市燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃（2013-2020）》和相關(guān)的可查數(shù)據(jù)，表2是約束條件的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 約束條件的相關(guān)數(shù)據(jù)

其中a和C分別指加氣站的日產(chǎn)氣量和投資成本，1到3分別是指母站、子站和標(biāo)準(zhǔn)站；Q是武漢市的計(jì)劃需求量；C是武漢市的計(jì)劃投資成本。武漢市標(biāo)準(zhǔn)站場(chǎng)地及設(shè)備費(fèi)用見(jiàn)表3。

關(guān)于經(jīng)濟(jì)目標(biāo)中的收益和變動(dòng)成本的數(shù)據(jù)，取現(xiàn)階段的天然氣購(gòu)置價(jià)格、CNG的售價(jià)以及工業(yè)的費(fèi)用，在這里便不再列舉出來(lái)。

3.2 武漢市CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的優(yōu)化計(jì)算

3.2.1 總體權(quán)重的設(shè)計(jì)。對(duì)于此優(yōu)化模型中三個(gè)目標(biāo)函數(shù)所對(duì)應(yīng)權(quán)重，本文是通過(guò)文獻(xiàn)搜集的方法完成的。本文中一共查閱了中國(guó)知網(wǎng)中78篇關(guān)于CNG加氣站的文章，其中有17篇提到了關(guān)于經(jīng)濟(jì)性、安全性和便利性評(píng)價(jià)[9-25]，在此其對(duì)于不同目標(biāo)的重視情況進(jìn)行了整理，其結(jié)果見(jiàn)表4。有5篇只對(duì)于經(jīng)濟(jì)性和安全性給出了中立的評(píng)價(jià)，其中有一篇并未提到便利性。故此認(rèn)為中立性評(píng)價(jià)的文章有4篇。設(shè)定權(quán)重的時(shí)候?qū)⒅辛⑿栽u(píng)價(jià)的文章平分加入其他幾種文章數(shù)量里，并以此數(shù)量比作為各個(gè)項(xiàng)的權(quán)重值，其權(quán)重的結(jié)果為w=(0.58,0.21,0.21)。

表3 武漢市標(biāo)準(zhǔn)站場(chǎng)地及設(shè)備費(fèi)用

表4 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

3.2.2 經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置和標(biāo)準(zhǔn)化。將關(guān)于武漢市的數(shù)據(jù)帶入約束條件和相關(guān)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)之中，其約束條件如式（7）所示：

其中關(guān)于母站、子站和標(biāo)準(zhǔn)站的收益（萬(wàn)元）為：E(q1)=339.58;E(q2)=15.26;E(q3)=57.14，經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)函數(shù)為公式（8）所示：

結(jié)合約束條件解得：Max A=5 872.3；x1=9；x2=18；x3=50；將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到公式（9）：

3.2.3 安全性目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置和標(biāo)準(zhǔn)化。CNG加氣站的安全問(wèn)題，多歸結(jié)在其設(shè)備方面。并且其規(guī)模越大，設(shè)備越復(fù)雜發(fā)生事故的概念就越高，故本文用F-AHP的方法對(duì)于CNG加氣站的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以設(shè)備作為評(píng)價(jià)要素。對(duì)于不同加氣站其主要的組成設(shè)備也有所不同，故將其設(shè)備分為通用設(shè)備、脫硫設(shè)備和拖車這三種，安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)見(jiàn)表5。

表5 安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)

關(guān)于CNG母站、子站和標(biāo)準(zhǔn)站的成對(duì)比較矩陣，見(jiàn)表6至表8。

表6 CNG母站安全性的成對(duì)比較矩陣

一致性檢驗(yàn)：C.R.=0.051 6＜0.1

表7 CNG子站安全性的成對(duì)比較矩陣

表8 標(biāo)準(zhǔn)站安全性的成對(duì)比較矩陣

這個(gè)領(lǐng)域的10位專家對(duì)這三種加氣站的安全性進(jìn)行了評(píng)分，其結(jié)果見(jiàn)表9至表11。

表9 對(duì)于CNG母站安全性的評(píng)分

表10 對(duì)于CNG子站安全性的評(píng)分

表11 對(duì)于CNG標(biāo)準(zhǔn)站安全性的評(píng)分

本文中三種不同加氣站在安全性中的權(quán)重由不同加氣站所占的比例決定，其權(quán)重為：w1=(x1/N,x2/N,x3/N)。將每種加氣站的評(píng)分放入矩陣Ri中，結(jié)合其指標(biāo)層中各因素的權(quán)重wi和評(píng)語(yǔ)論域v來(lái)決定每種加氣站的得分，其如公式（10）所示：

其中v=(9,7,5,3,1)T

根據(jù)公式（4），帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)得：

結(jié)合約束條件得到：Max B=62.6 x1=0;x2=0;x3=61;將其標(biāo)準(zhǔn)化后得到公式（12）：

3.2.4 便利性目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置和標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于CNG加氣站的便利性評(píng)價(jià)，主要從內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面考慮。外部主要是站點(diǎn)所處的地理位置，而內(nèi)部主要是其加氣的速度。本文用F-AHP的方法對(duì)于其便利性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并以此兩點(diǎn)作為評(píng)價(jià)要素。表12為對(duì)其便利性的評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)。

表12 便利性的評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)

關(guān)于CNG母站、子站和標(biāo)準(zhǔn)站的成對(duì)比較矩陣，見(jiàn)表13至表15。

表13 CNG母站便利性的成對(duì)比較矩陣

表14 CNG子站便利性的成對(duì)比較矩陣

表15 標(biāo)準(zhǔn)站便利性的成對(duì)比較矩陣

本文中有在這個(gè)領(lǐng)域的10位專家對(duì)這三種加氣站的便利性進(jìn)行了評(píng)分，其結(jié)果見(jiàn)表16至表18。

表16 對(duì)于CNG母站便利性的評(píng)分

表17 對(duì)于CNG子站便利性的評(píng)分

表18 對(duì)于CNG標(biāo)準(zhǔn)站便利性的評(píng)分

本文中關(guān)于三種不同加氣站便利性的權(quán)重由不同加氣站所占的比例決定，其權(quán)重為：w2=(x1/N,x2/N,x3/N)。將每種加氣站的評(píng)分放入矩陣Ri中，結(jié)合其指標(biāo)層中各因素的權(quán)重wi和評(píng)語(yǔ)論域v來(lái)決定每種加氣站的得分，如公式（13）所示：

其中v=(9,7,5,3,1)T

根據(jù)公式（5），帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)得：

結(jié)合約束條件可知Max C=62.5；x1=9；x2=18；x3=33；將其標(biāo)準(zhǔn)化后的公式（14）：

3.2.5 最終目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置和結(jié)果的計(jì)算。結(jié)合文獻(xiàn)整理所得到的權(quán)重將關(guān)于經(jīng)濟(jì)性、便利性和安全性的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù)，其結(jié)果如公式（15）所示:

將相應(yīng)的約束條件帶入其中得：Max D=0.99；x1=9；x2=18；x3=52，即將建立9座CNG母站、18個(gè)CNG子站和52個(gè)標(biāo)準(zhǔn)站。本文的結(jié)果考慮到經(jīng)濟(jì)性、便利性和安全性三個(gè)方面的要素，其結(jié)果和武漢市的專項(xiàng)規(guī)劃結(jié)果(x1=9,x2=18,x3=49)相比比較接近，說(shuō)明其規(guī)劃方法具有一定的合理性。

4 小結(jié)

隨著新能源車輛受到越來(lái)越多的關(guān)注，作為天然氣車輛代表的CNG汽車的發(fā)展也得到了更多的關(guān)注。對(duì)于CNG站點(diǎn)規(guī)模的規(guī)劃中，大多數(shù)文獻(xiàn)只考慮到關(guān)于經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)對(duì)其的影響。本文以武漢市為例結(jié)合便利性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，為其規(guī)模規(guī)劃提供了新的視角。整個(gè)過(guò)程以多目標(biāo)優(yōu)化為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)目標(biāo)設(shè)置權(quán)重的方法將三個(gè)函數(shù)結(jié)合在一起。由于安全性和便利性很難直接對(duì)其進(jìn)行量化，故在這里運(yùn)用F-AHP的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)從而實(shí)現(xiàn)其量化過(guò)程，并以標(biāo)準(zhǔn)化的方法消除各式之間的單位。希望能對(duì)今后CNG網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的規(guī)劃與建設(shè)提供一定的指導(dǎo)。

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