孫曉偉　海波

摘 要：“世界一流港口”“碳達峰”“碳中和”目標的提出對港口履行社會責任和高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求，激勵港口更加自覺地應用節(jié)能減排技術(shù)，推進技術(shù)革新。但節(jié)能減排技術(shù)經(jīng)濟投入與港口的能源、環(huán)境、碳排放綜合效益博弈是擺在港口面前的重要問題。基于此，本研究采用線性規(guī)劃方法，以綜合經(jīng)濟費用最小化為目標，以能源、環(huán)境、碳排放和技術(shù)需求為約束，探討了一種集裝箱碼頭節(jié)能減排優(yōu)化數(shù)學模型，以期為建設世界一流港口和實現(xiàn)雙碳目標提供思路。

關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭;節(jié)能減排技術(shù);碳達峰;優(yōu)化;數(shù)學模型

中圖分類號：U656.1+35? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0089-03

從全球范圍的各行業(yè)來看，交通運輸業(yè)在世界能源消費和溫室氣體排放中所占比重均超過20%，且隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展和國際合作的越發(fā)頻繁，交通運輸行業(yè)呈現(xiàn)不斷上升的發(fā)展態(tài)勢。因此，交通運輸行業(yè)節(jié)能減排責任重大。

港口是我國綜合交通運輸?shù)闹匾獦屑~，也是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略資源和重要支撐。港口快速發(fā)展的同時，港口能耗、碳排放和港區(qū)環(huán)境問題日益凸顯，為實現(xiàn)港口綠色低碳發(fā)展，港口的節(jié)能減排建設至關(guān)重要。近年來，國家也不斷出臺政策，對港口的高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求。2019年11月，我國九部門聯(lián)合出臺關(guān)于建設世界一流港口的指導意見，提出了安全便捷、智慧綠色、經(jīng)濟高效、支撐有力、世界先進5部分16個指標，并提出2025年、2035年和2050年3個時間節(jié)點的世界一流港口建設目標。2020年習近平總書記多次在國際會議上提到碳達峰、碳中和，提出力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。“世界一流港口”“雙碳”目標的提出，無疑給港口提出了更高的要求，倒逼港口在追求經(jīng)濟增長的同時，要更加積極的履行社會責任，減低能耗、減少污染、降低碳排放。節(jié)能減排技術(shù)投入可以很好地解決這一問題。然而，港口資金有限，可用于港口的節(jié)能減排技術(shù)眾多，如何博弈港口經(jīng)濟成本和能耗、環(huán)境、碳排放的綜合社會效益之間的利弊是港口企業(yè)面臨的重大難題。

基于此，本研究以典型的碼頭類型-集裝箱碼頭為研究對象，探討了一種節(jié)能減排優(yōu)化控制方案，旨在實現(xiàn)港口的經(jīng)濟、能源環(huán)境效益最大化，更好地服務于建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通運輸行業(yè)。

1研究對象

本研究以集裝箱碼頭為研究對象，研究區(qū)域包含典型的集裝箱碼頭的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，主要包括：①碼頭前沿區(qū)域（以卸船為例），其主要作業(yè)過程為岸邊集裝箱起重機將集裝箱從船舶卸到集裝箱卡車上;②水平運輸區(qū)域，主要作業(yè)過程為集裝箱卡車將集裝箱從碼頭前沿運輸?shù)蕉褕?港外;③堆場區(qū)域，主要作業(yè)過程為集裝箱正面吊/軌道式/輪胎式集裝箱起重機將集裝箱從集卡上卸到堆場，正面吊/堆高機/叉車用于集裝箱理貨。

2優(yōu)化方法

本研究主要采用線性規(guī)劃的方法建立優(yōu)化模型，并在模型建立過程中應用了0-1整數(shù)規(guī)劃。線性規(guī)劃是運籌學中研究較早、發(fā)展較快、應用廣泛、方法較成熟的一個重要分支，它是輔助人們進行科學管理的一種數(shù)學方法，是研究線性約束條件下線性目標函數(shù)的極值問題的數(shù)學理論和方法。其廣泛應用于經(jīng)濟分析、管理和工程技術(shù)等方面。線性規(guī)劃方法可為合理地利用有限的人力、物力、財力等資源作出的最優(yōu)決策;解決稀缺資源最優(yōu)分配，使付出的費用最小或獲得的收益最大，為管理提供科學的依據(jù)。

0-1整數(shù)規(guī)劃是一種特殊形式的整數(shù)規(guī)劃，這種規(guī)劃的決策變量僅取值0或1，故稱為0-1變量或二進制變量。0-1 變量可以數(shù)量化地描述諸如開與關(guān)、取與棄、有與無等現(xiàn)象所反映的離散變量間的邏輯關(guān)系、順序關(guān)系以及互斥的約束條件，0-1整數(shù)規(guī)劃所得結(jié)果是確定性最優(yōu)解，不會陷入局部最優(yōu)，為滿足實際需要只需要修改條件函數(shù)和目標函數(shù)即可，數(shù)學模型簡單直觀。

3優(yōu)化模型建立

利用運籌學線性規(guī)劃方法，以集裝箱碼頭節(jié)能減排技術(shù)應用的綜合經(jīng)濟成本最小化為目標，以能源、環(huán)境、碳排放等為約束條件，建立集裝箱碼頭節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化模型，用于探討最佳的節(jié)能減排技術(shù)應用的工藝和設備配置方案，同時也為仿真驗證的輸入提供可能性。

3.1目標函數(shù)

基于港口生產(chǎn)經(jīng)營既以生產(chǎn)盈利為目標，又要考慮能源、環(huán)境和社會責任，故本研究的優(yōu)化目標以港口節(jié)能減排技術(shù)應用的綜合經(jīng)濟費用最小化為優(yōu)化目標。優(yōu)化目標主要分為兩部分，一部分為投入費用，一部分為收益。投入費用主要指集裝箱碼頭為不同港口生產(chǎn)設施/節(jié)能減排項目的投資費用。收益主要指集裝箱碼頭不同設備/節(jié)能減排項目所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益，主要包括節(jié)能效益、減污效益、降碳效益和政策補貼收益。目標函數(shù)方程如下：

3.1.1節(jié)能減排技術(shù)的投資費用

i代表集裝箱碼頭不同的生產(chǎn)/非生產(chǎn)設施， i=1、2、3、4、5、6、7、8分別代表岸邊集裝箱起重機、軌道式集裝箱起重機、輪胎是集裝箱起重機、集裝箱卡車、正面吊、堆高機、叉車、其他;j代表集裝箱碼頭采取的不同的節(jié)能減排技術(shù)， j=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分別代表能量回饋技術(shù)、永磁電機技術(shù)、“油改電”技術(shù)、“油改氣技術(shù)”、靠港船舶使用岸電技術(shù)、風力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、空氣源熱泵技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、水源熱泵技術(shù);代表港口設施i采用節(jié)能減排技術(shù)j的數(shù)量，臺或套或項;代表港口設施i采用節(jié)能減排技術(shù)j的單位投資費用，萬元/（臺或套或項）。

3.1.2節(jié)能效果收益

該項主要指采用節(jié)能減排技術(shù)節(jié)約的能源成本費用。

3.1.3減污效果收益

該項主要指采用節(jié)能減排技術(shù)減少的污染物排污稅。

3.1.4降碳效果收益

該項主要指采用節(jié)能減排技術(shù)減少的碳排放帶來的碳交易收益。

3.1.5政策補貼收益

代表單位港口設施i采用節(jié)能減排技術(shù)j后政府補貼費用，萬元/（臺或套或項）。

3.2約束條件

為了讓優(yōu)化目標產(chǎn)生最優(yōu)解，需要設置模型的約束條件，本研究的約束條件設置的主要依據(jù)有：交通運輸、綠色港口和地方“十四五”規(guī)劃、港口未來在節(jié)能減排的投資費用、節(jié)能減排技術(shù)選擇等方面，主要包括能源約束、環(huán)境約束、碳排放約束、投資約束、技術(shù)約束等。具體約束如下：

3.2.1能源約束

該項指集裝箱碼頭采用節(jié)能減排技術(shù)后的能源消耗需滿足碼頭“十四五”規(guī)劃和當?shù)卣咭?guī)定的該集裝箱碼頭最低能源消耗要求。

3.2.2環(huán)境約束

該項指集裝箱碼頭采用節(jié)能減排技術(shù)后的環(huán)境污染物排放量滿足碼頭“十四五”規(guī)劃和當?shù)卣咭?guī)定的該集裝箱碼頭最低污染物排放要求。

3.2.3碳排放約束

該項指集裝箱碼頭采用節(jié)能減排技術(shù)后的碳排放量滿足碼頭“十四五”規(guī)劃和當?shù)卣咭?guī)定的該集裝箱碼頭最低碳排放要求。

3.2.4技術(shù)約束

假設集裝箱碼頭某一設施在節(jié)能減排技術(shù)應用時，僅同時投資應用一種技術(shù)。

3.2.5其他約束條件

集裝箱碼頭應用節(jié)能減排技術(shù)的設施數(shù)量小于碼頭現(xiàn)有設施數(shù)量。

4模型應用建議及展望

本研究建立的集裝箱碼頭節(jié)能減排優(yōu)化模型綜合考慮了大部分能在集裝箱碼頭應用的典型節(jié)能減排技術(shù)，具有一定范圍的普適性。

（1）在基礎數(shù)據(jù)應用方面，建議節(jié)能減排技術(shù)的能源、環(huán)境、碳排放和經(jīng)濟效益等數(shù)據(jù)的應用方面采用平均值，更能反饋港口的水平。

（2）在目標設置方面，可靈活設置碼頭投資成本，分析不同投資成本下的決策方案，以便為決策者提供更多選擇方案。

（3）在模型結(jié)果應用方面，本研究以節(jié)能減排設施數(shù)量為因變量，可作為仿真模型的輸入，與仿真模型建立聯(lián)系，通過仿真的暢通性來互相驗證優(yōu)化模型結(jié)果。

（4）在模型情景分析方面，可通過設置不同的能耗情景、碳排放情景，分析港口的節(jié)能減排技術(shù)投資分配和綜合經(jīng)濟成本，從而為港口提供更多的可行方案。另外，還可以增加時間變量，通過設置某年的碳排放量最大，為不同碳達峰時間情景下的節(jié)能減排技術(shù)投入和行動方案提供思路。

參考文獻：

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