張瑞浩

上海交通大學(xué)附屬中學(xué)IB課程中心，上海 200000

當(dāng)前我國處于城鎮(zhèn)化的關(guān)鍵階段，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴增大。而可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施作為生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，其可持續(xù)發(fā)展既能使我國減少對(duì)傳統(tǒng)高污染能源的需求，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)，也能促使我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。

可再生能源作為傳統(tǒng)能源的替代，其使用在環(huán)境保護(hù)和能源安全方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。為了提高能源系統(tǒng)的效益和可持續(xù)性，鑒于系統(tǒng)中不同組件之間的相關(guān)性，以往的研究中將整個(gè)能源供應(yīng)鏈視為一個(gè)整體。這個(gè)過程中除了涉及設(shè)施選址決策，還包括對(duì)物資采購、生產(chǎn)、儲(chǔ)存和分配的決策，以支持整個(gè)供應(yīng)鏈的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

可再生能源系統(tǒng)的可持續(xù)性問題跨越了空間和時(shí)間兩個(gè)維度?？臻g維度主要在于原料資源、燃料需求以及生產(chǎn)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的地理分布。時(shí)間維度出現(xiàn)在長期的系統(tǒng)規(guī)劃中，尤其是考慮系統(tǒng)過渡問題時(shí)。生產(chǎn)和銷售的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)必須在一段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大以滿足不斷增長的需求。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)張的整體效能，系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)要考慮不斷演進(jìn)的過程。因此，傳統(tǒng)上用于以前研究中的與時(shí)間無關(guān)的方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。天氣條件的不可預(yù)測(cè)性、需求的波動(dòng)性以及供給的多變性等因素，導(dǎo)致了供應(yīng)鏈系統(tǒng)中風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)。

確定性方法在處理隨機(jī)事件的時(shí)候，雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但結(jié)果卻不太可靠。隨機(jī)規(guī)劃（SP）是一種被廣泛應(yīng)用的主要的隨機(jī)建模方法。隨機(jī)規(guī)劃（SP）模型尋求一種策略，在所有可能的情境下是可行的，并且在一定期望的程度下，能夠提供最好的系統(tǒng)效能。大多數(shù)SP模型具有兩階段結(jié)構(gòu)：現(xiàn)在做出一個(gè)決策，并在不確定性出現(xiàn)后，最小化該決策帶來的結(jié)果的預(yù)期成本。兩階段的SP模型可以擴(kuò)展到多個(gè)階段。

1 模型構(gòu)建與分析

1.1 構(gòu)建思路與路徑

本文通過在尋求由于原料的季節(jié)性和需求的不確定性所造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)的緩解措施時(shí)，將物理設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理集成一個(gè)整體。通過建立一個(gè)多級(jí)的隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃，優(yōu)化可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營的全過程。

可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展問題，跨越了時(shí)間和空間兩個(gè)維度。設(shè)施位置和大小的初始決策通常在得知不確定需求之前做出（即原料存儲(chǔ)地、提煉廠和燃料存儲(chǔ)地的位置與規(guī)模）。一旦這些決定得以執(zhí)行，它們無法輕易地改變。而二次決策指的是生產(chǎn)和儲(chǔ)存的數(shù)量等可以基于不確定性需求在實(shí)際中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整的決策。這類決策恰好適合運(yùn)用在兩個(gè)階段的隨機(jī)規(guī)劃（SP）框架中，以此與初始決策相區(qū)別。在此研究中，假定燃料的需求以一種符合相關(guān)概率的離散分布的形式呈現(xiàn)。建立一個(gè)混合整數(shù)SP模型，運(yùn)用所有可能的方案以減少預(yù)期系統(tǒng)總成本為目標(biāo)。為了反映問題的時(shí)間維度，所有二次決策變量都是依賴于時(shí)間（季節(jié)）。模型中的決策變量有：（1）原料存儲(chǔ)地、提煉廠及乙醇存儲(chǔ)地的位置和規(guī)模；（2）原料采購量；（3）原料儲(chǔ)存量和交付量；（4）乙醇生產(chǎn)量、儲(chǔ)存量和分配量。建模的技術(shù)路線圖見圖1。

圖1 模型構(gòu)建路徑圖

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 有關(guān)基本假設(shè)

圖2表示生物燃料供應(yīng)鏈系統(tǒng)從產(chǎn)地到最終用戶，包括原料存儲(chǔ)、生產(chǎn)燃料和燃料存儲(chǔ)互相的關(guān)系。

圖2 生物燃料供應(yīng)鏈系統(tǒng)

圖2中的箭頭表示（原料或燃料）流向。供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略規(guī)劃包括供應(yīng)鏈系統(tǒng)物理配置的初始決策，即生產(chǎn)和儲(chǔ)存設(shè)施的位置和規(guī)模設(shè)計(jì)，以及作出相應(yīng)二次決策，即原料的采購戰(zhàn)略，生產(chǎn)、儲(chǔ)存量以及供應(yīng)鏈的不同層之間運(yùn)輸流設(shè)計(jì)。

1.2.2 模型參數(shù)和決定變量的設(shè)定（表1）

表1 模型參數(shù)和決策變量

1.2.3 模型建立與模型解釋

完整的模型構(gòu)建在（1）～（6）中呈現(xiàn)：

（1）我們的目標(biāo)函數(shù)是最小化預(yù)期總成本，即：

目標(biāo)函數(shù)（1）將預(yù)期系統(tǒng)總成本，即初始規(guī)劃總成本和預(yù)計(jì)的二次決策成本最小化。初始規(guī)劃成本，包括設(shè)施資本成本和初始原料采購成本，與方案無關(guān)。二次決策成本取決于不同方案，包括原料交付（）、乙醇分配（）、原料存儲(chǔ)、乙醇生產(chǎn)、損失和在其他季節(jié)里原料的采購成本。在所有的傳遞路徑中，運(yùn)輸成本由基于距離（td）和時(shí)間（td）的成本和裝卸成本估計(jì)。交付數(shù)量除以卡車裝載能力被轉(zhuǎn)換成卡車數(shù)量，因此，裝卸費(fèi)用與交付數(shù)量線性相關(guān)。

（2）對(duì)乙醇提煉廠的約束：

式（2）表明用于生產(chǎn)燃料的原料可以有田間和儲(chǔ)存地兩個(gè)來源。式（3）是一個(gè)流量守恒約束，它的含義是：乙醇的總產(chǎn)量等于到燃料存儲(chǔ)地的總流出量。提煉廠規(guī)模（）被定義在式（4）中，它等于所有可能的方案中的最大總生產(chǎn)規(guī)模。不等式（5）將提煉廠的規(guī)模限制在最大允許能力范圍內(nèi)。式（6）計(jì)算了從原料到乙醇的能源轉(zhuǎn)換。

（3）關(guān)于原料站點(diǎn)的約束：

式（7）確保了采購的原料送到原料存儲(chǔ)地作為庫存或直接到提煉廠進(jìn)行生產(chǎn)。

（4）對(duì)原料儲(chǔ)存地的約束：

式（8）是對(duì)原料存儲(chǔ)在空間和時(shí)空兩個(gè)維度上流量守恒的約束。

（5）對(duì)乙醇儲(chǔ)存地的約束：

不等式（9）規(guī)定了燃料存儲(chǔ)容量。不等式（10）和（11）是對(duì)燃料容量儲(chǔ)存的邏輯約束。

（6）對(duì)需求中心的約束：

式（12）計(jì)算了地區(qū)內(nèi)通過生產(chǎn)所不能滿足的需求量的追加。追加可能是從其他地區(qū)進(jìn)行進(jìn)口。

（7）整數(shù)與非負(fù)性約束：

2 模型應(yīng)用價(jià)值分析

目前我國在可再生能源，尤其是秸稈生產(chǎn)乙醇的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面仍然處于初步階段。很多研究試點(diǎn)只處于技術(shù)研發(fā)階段，并沒有形成完整的供應(yīng)鏈體系。本文通過借鑒國外先進(jìn)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃方案，綜合考慮多種限制條件和不確定性因素，建立起一個(gè)適合我國國情的符合動(dòng)力學(xué)研究的模型。