港口節能減排多目標優化研究

趙雅倩，王偉

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098）

港口節能減排多目標優化研究

趙雅倩，王偉

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098）

摘要：打造綠色低碳港口是港口發展的必由之路，在港口節能減排建設過程中，需要綜合考慮建設成本、減排量、節能效果和經濟效益等因素，根據各個港口自身特性選擇針對性的節能減排方案組合，并合理安排建設序列。將多目標優化應用到港口節能減排建設中，綜合考慮經濟效益和環境效益等目標，以及建設成本、時序和節能減排控制性指標等約束條件，構建綠色港口節能減排項目建設的多目標0-1規劃模型，采用Excel的規劃求解功能進行模型優化，科學確定節能減排項目及其實施序列。并以江蘇某港口節能減排規劃為例進行實證分析，得出該港口節能減排建設優化方案，優化方案減排率達38.4%，效果顯著，證明了模型的可行性。

關鍵詞：綠色港口；多目標優化；節能減排；0-1規劃；Excel規劃求解

作通者訊簡作介者：王偉（1979—），男，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為水運經濟與規劃。

氣候變化問題已成為影響人類社會發展和全球政治經濟格局的重大戰略課題。我國作為溫室氣體排放的主要大國，已成為全球關注的對象，面臨巨大的國際壓力。在哥本哈根會議上，我國向世界鄭重承諾到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的減排目標。從全球范圍來看，交通運輸業在世界能源消費和溫室氣體排放中所占比重均超過20%，且仍呈較快上升態勢，節能減排責任重大。世界各國紛紛將發展綠色、低碳交通作為戰略重點，我國交通運輸行業作為能源資源消費和溫室氣體排放的重點領域之一，受到國際影響不斷加大，特別是在國際航運領域將率先面臨直接的減排壓力。因此，全面深入推進交通運輸節能減排，是發展現代交通運輸業的本質要求，是建設資源節約型、環境友好型交通運輸行業的迫切需要，也是建設低碳交通運輸體系的必然選擇。

港口作為水陸交通的集結點和樞紐，為國家經濟建設和對外貿易的發展提供基礎性支撐。2013年我國港口貨物吞吐量達到107.5億t，連續11年保持世界第一，其中集裝箱吞吐量達19 085.27萬TEU。在港口快速發展的同時，港口能耗和港區環境問題日益凸顯，在節能減排工作方面面臨巨大壓力。《公路水路交通運輸節能減排“十二五”規劃》提出，到“十二五”期末，與2005年相比，港口生產單位吞吐量綜合能耗下降8%，單位吞吐量二氧化碳排放量下降10%。為大力開展綠色港口創建活動，實現港口綠色低碳發展，港口的節能減排建設至關重要。

1　國內外研究現狀

關于港口節能減排，目前大多數學者的研究方向主要集中在節能減排政策、節能減排評價、節能減排技術和節能減排機制4個方面，缺乏對港口節能減排整個建設過程的研究，并未對港口節能減排工作提供完善的建設路徑。面對這種現狀，多目標優化在其他行業的節能減排工作中的應用為港口節能減排建設優化提供了新思路。

國內外學者多從產業結構優化、供應鏈節點優化、資源優化配置3個方面討論多目標優化在節能減排中的應用。HEMAMALINI和SIMON首先分別分析了機組的煤耗成本和污染物排放成分，確定了考慮機組閥點效應的煤耗成本函數和污染氣體綜合排放函數。通過一個折算因子將排污量轉化為煤耗成本，并建立了以總發電成本最小為目標函數，以機組出力、功率平衡為約束條件的優化發電調度模型［1］。Wang Qiulian、Liu Fei和Wang Xianglian以加工能源、成本和質量為目標函數，分析目標的影響因素，確定目標函數表達式，建立了以優化加工參數為目的的節能改造多目標優化模型［2］。Zeynelgil、Sengor和Dememiroren通過兩個權重因子將發電成本和污染物排量統一到同一個目標函數中，采取Hopfield神經網絡的方法對其進行求解［3］。楊娟選擇煤炭產量、關鍵工序設備節能改造投資、治理或綜合利用項目投資作為優化的決策變量，以礦區煤炭資源儲量、投資資金和工序關系等作為約束條件，建立煤炭礦區節能減排靜態多目標優化模型［4］。張志剛和馬光文充分考慮梯級水電廠運行的特點，兼顧水火電力系統正常工作和環境保護的要求，以總運行費用、污染氣體排放量和棄水量最小為目標，建立水火電力系統短期多目標優化調度模型［5］。陳慶建立以經濟發展和環境保護為目標，并受到污染物排放量和能源資源消耗量限制的武漢市工業內部結構調整模型［6］。張琦、姚彤輝、蔡九菊等基于高爐煉鐵過程的物質與能量守恒，采用多目標優化方法，建立了以能耗、成本及CO2排放為目標的高爐生產過程優化數學模型［7］。馬一凱、雷霞、柏小麗等提出以經濟調度和節能減排為目標的機組組合優化模型，并通過引入排放成本系數和調度權重因子，將兩目標優化函數轉變為單目標優函數［8］。王迪、聶銳和李強以江蘇省經濟增長、能源節約與CO2、SO2減排的目標，考慮經濟增長系數、能源消耗總量、能源結構等約束，對江蘇省能耗結構進行優化［9］。高超鋒、肖玲、胡志華分析航行速度對船舶油耗產生的影響，建立以周計劃內船隊運營總成本最小為目標的混合整數規劃模型［10］。

在研究許多學者的成果基礎上，以能源經濟效益和環境效益為目標，充分考慮建設時序和成本等約束，構建港口節能減排建設的多目標0-1規劃模型，基于Excel規劃求解進行模型求解。模型能夠科學有效地確定節能減排項目及其實施時序，為綠色港口建設提供參考意見。

2　模型構建

2.1模型假設及目標

港口在長期發展過程中，關注最多的是經濟效益，即港口的吞吐量，往往忽視了持續攀升的資源、能源投入和超負荷的環境承載力。綠色港口的建設和發展要順應市場經濟的發展模式，要向高能效、低能耗、低排放模式轉型。鑒于此，模型同時考慮能源經濟效益和環境效益兩個目標，對港口的節能減排投資進行優化配置。

模型假設港口節能減排項目的建設不會對港口吞吐量產生影響；在節能減排項目建設的當年即可產生節能減排效益，且每種項目的使用比例均為100%。

2.1.1能源經濟效益目標

能源對經濟的發展起著巨大的推動作用，然而隨著時間的推移，大部分能源開采已經進入中后期，開采成本日趨昂貴，已經不能滿足日益增長的經濟需求。發展經濟的同時，通過提高能源的利用效率、減少能源消耗是港口發展的趨勢。港口生產的能源效益可以用能源消耗量來衡量。通過節能減排建設，對港口生產作業機械進行改造能夠減少能源消耗量，從而獲得一定的經濟效益。經過節能改造后，港口獲得的能源經濟效益的目標函數如下：

式中：T為港口進行節能減排投資的計劃年數，T =0，1，2，…；I為港口實施的節能減排項目總數；Zi為第i項節能減排項目節約的能耗量；Ei為第i項節能減排項目節約的能耗量單價；Xit為第t年對第i項節能減排項目是否進行投資或已建成；Xit= 0，表示第t年對第i項節能減排項目未建成且不進行建設；Xit= l，表示第t年對第i項節能減排項目進行建設或已建成。

公式（1）最終得到的能源經濟效益實際是經過節能改造后節約能源的價值。

2.1.2環境效益目標

目前，綠色經濟已經成為經濟全球化倡導的主題，改善環境與發展經濟同等重要。考慮港口與能源、環境協調發展的綜合目標，環境效益目標是綠色港口節能減排多目標優化模型中的一個重要目標。港口在運營過程中會產生廢水、固體廢棄物、SO2、CO2、粉塵等污染物，為促進環境與港口的協調發展，港口通過投資某些節能減排項目來治理或綜合利用這些排放物，減少港口生產作業過程中各種污染物的最終排放量。經過治理或綜合利用后，減少的污染物排放量的目標函數如下：

式中：k為港口生產過程中排放物的種類數；Pik為第i種節能減排項目針對第k種污染物的減排效果。

公式（2）最終得到的環境效益是港口在經過節能減排改造后不同種類污染物減少的排放量，各種污染物的結果分類計算，不可混淆。

2.2約束條件

2.2.1成本約束

港口節能減排建設的資金一般有兩種獲取渠道：政府項目支持和港口企業投入。有限的資金使得港口不僅需要考慮能源效益和環境效益，還需要考慮建設成本、成本效益比、投資回收期等因素。因此建設年限中每年的投資額和總投資額不能超過計劃范圍。

式中：Ci為項目i的建設運營成本；St為第t年的計劃投資額；S(t-n)~t為第t-n年到第t年的計劃投資額；S為建設總投資額。

公式（3）表示在建設完成年（第T年），所有項目均已建成，建設費用應不超過總計劃投資額。公式（4）表示第t年新建項目所需費用應不超過該年的計劃投資額，并可通過變形公式（5）來表示建設期中某幾年（第t-n年到第t年）新建項目所需費用應不超過這幾年的計劃投資額。

2.2.2時序約束

在實際建設中，一個大型的節能減排項目通常分為幾個部分完成，有些必要的基礎建設部分必須排在該項目所有部分之前。對于存在這種情況的減排項目，要有建設順序上的約束［4］。如項目i的建設在項目j之后，則

2.2.3節能減排控制性約束

港口的減排效果是港口的節能減排工作開展和資金申請的重要憑證，也是港口綠色化建設程度的重要指標。為加快節能減排工作開展和獲得充足的資金保障，港口在節能減排建設過程中和建設完成后必須保證滿足最低減排要求。

式中：Pik為第i種節能減排項目針對第k種污染物的減排效果; Gtk為第t年第k種污染物的減排要求; Gk為第k種污染物的減排總要求。

2.2.4其他約束

式中：L為第i種項目建設的年份；Xit為第t年對第i項節能減排項目是否進行投資或已建成；Xit= 0，表示第t年對第i項節能減排項目沒建成且不進行投資；Xit= l，表示第t年對第i項節能減排項目投資或已建成，即在項目建設的當年即產生全部效益。

3　實例計算

3.1港口概況

江蘇A港口是一個大中小泊位配套，集裝箱、散雜貨并俱、運輸功能齊全、以外貿運輸為主的綜合性國際貿易運輸港口，與世界上160多個國家和地區的港口建立了貿易往來，年吞吐能力近5 000萬t，集裝箱50萬標箱，是中國500家最大服務企業之一。港口近年來的吞吐量、碳排放量和碳排放強度如表1所示。

表1　2009—2014年A港口吞吐量、碳排放量和碳排放強度Tab.1 A port throughput，carbon emissions and carbon intensity during 2009—2014

由表1可以看出，2009—2014年期間，A港口吞吐量由6 291.61萬t增至15 235.51萬t，增幅達到142.2%。A港碳排放總量由57 020.31 t增至99 561.72 t，增幅達74.6%；碳排放強度由9.06 t/萬t吞吐量降至6.53 t/萬t吞吐量，降幅為27.9%。

為了打造綠色低碳港口，A港口在經過調研后選擇了岸電、綠色照明等節能減排技術，疏理出港口節能減排備選建設項目，具體如表2所示。

港口計劃在4年內完成以上項目的建設，并在建設完成后獲得碳排放強度在預測數據基礎上降低30%的目標。由于資金有限，計劃總成本不超過8 000萬元，2015年與2016年共使用4 000萬元，2017年與2018年共使用4 000萬元。

3.2港口吞吐量、碳排放量預測

3.2.1港口吞吐量預測

根據2009—2014年A港全港貨物吞吐量發展趨勢，分別用線性回歸和指數回歸進行預測后取平均值，預計到2018年，A港貨物吞吐量為25 328.52萬t，預測曲線見圖1［11］。

表2　港口節能減排項目概況Tab.2 Green port project overview

3.2.2港口碳排放量預測

根據2009—2014年A港碳排放量發展趨勢，用指數回歸進行預測，預計到2018年，A港碳排放總量為154 922.10 t二氧化碳，預測曲線見圖2。

圖1　A港2015—2018年港口吞吐量預測曲線Fig.1 Port throughput forecast curve of A port between 2015 to 2018

圖2　A港2015—2018年港口碳排放量預測曲線Fig.2 Port carbon emissions forecast curve of A port between 2015 to 2018

根據前文預測的2018年A港貨物吞吐量25 328.52萬t，計算得出2018年A港碳排放強度為6.12 t/萬t吞吐量。

3.3模型確定及求解

3.3.1模型確定

根據港口實際可知，T=4，I=17，Pik=減排效果，Zi×Ei=節能效果，Qi=減排經濟效果，k=1（只計算二氧化碳的減排量），S1+S2=4 000，S3+S4=4 000，S =8 000，Ci=建設費用，GI=25 328.52×6.12×30%= 46 503.2 t。另外，項目14應在項目16之后，項目15應在項目17之后，項目14，15應在項目13之后。

為方便計算，實例中采用經濟效益與環境效益相結合的目標，將環境效益折合為治理二氧化碳產生的費用。最終的目標函數由治理費用與節能效益加權相加所得，針對A港口節能與減排并重的要求，確定治理費用與節能效益二者權重相等，故最終的目標函數表示如下。

總成本約束：

分年成本約束：

時序約束：

減排約束：

其他約束：

3.3.2模型求解

模型通過Excel中的規劃求解工具求解完成，結果如表3和表4所示。

表3　綠色港口項目建設序列Tab.3 Green port projects construction sequence

表4　綠色港口建設期間各項指標Tab.4 Indicators during green port construction

F=15 306.028萬元

分析以上兩個表格可知，為了獲得最大的目標效果，第1-7、第9-11個項目在第1年全部建設完畢，花費3 971萬元；第3年的建設由于受到成本約束，完成了第8，12，13，15和17個項目，花費3 936萬元。2018年的碳排放強度為6.12-59 615.2/25 328.52=3.77 t/萬t吞吐量。

3.3.3結果分析

在求解過程中由于限制了每兩年的成本，為了獲得最大效益，顯然應該在2015年和2017年就將所有可建設項目完成。由于目標函數中項目的節能效果和減排效果權重相同，就導致在確定建設序列時，節能效果和減排效果綜合較好的項目被優先排列，而總成本的限制導致某些節能效果和減排效果不突出的項目被舍棄。經過節能減排建設，港口預計減少二氧化碳排放59 615.2萬t，較預測數據降低了38.5%；目標年碳排放強度為3.77 t/萬t吞吐量，較預測數據降低了38.4%；目標效益為15 306.028萬元，有較好的節能減排效果和經濟效益，建設方案可行、有效。

4　　結論

將多目標優化運用到港口節能減排建設中，通過模型的建立與實例求解，證明了多目標優化應用于港口節能減排建設的可行性，彌補了目前對港口節能減排建設規劃等方面研究的不足，為港口節能減排提供了新的研究方向。建立的港口節能減排多目標0-1優化模型以經濟效益和環境效益為目標，考慮成本、工序和環保控制指標等約束，并假定項目建設年即能達到減排效果。針對A港口進行計算時，確定了經濟效益與環境效益的權重，將其轉化為單目標優化模型，通過Excel軟件求出最優解，證明模型的可行性。但在實際應用中，節能減排項目的使用程度與其效果息息相關，港口對環境效益和經濟效益的側重不同，模型應針對港口自身特性增加更多針對性的約束才能獲得更有價值的結果。

參考文獻：

[1] HEMAMALINI S, SIMON S.Emission constrained economic dispatch with value-point effect using particle swarm optimization [C]//TENCON 2008 - 2008 IEEE Region 10 Conference, Hyderabad, 2008:1-6.

[2] WANG QIULIAN, LIU FEI, WANG XIANGLIANG. Multi-objective optimization of machining parameters considering energy consumption[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014(71):1133-1142.

[3] ZEYNELGIL H, SENGOR Z, DEMIROREN A. The investigation of environmental/economic dispatch by using hopfield NN[J]. IEEE Bologna Power Tech Conference, 2003,17(2):4-9.

[4]楊娟.煤炭礦區節能減排多目標優化決策研究[D].北京:中國地質大學,2014.

[5]張志剛,馬光文.節能減排環境下水火電站群多目標優化調度模型研究[J].四川大學學報:工程科學版,2009,41(2):12-15.

[6]陳慶.環境、資源約束下的武漢市產業結構調整多目標優化研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[7]張琦,姚彤輝,蔡九菊,等.高爐煉鐵過程多目標優化模型的研究及應用[J].東北大學學報:自然科學版,2011,32(2):270-273.

[8]馬一凱,雷霞,柏小麗,等.節能減排背景下的火電AGC機組組合優化研究[J].電氣技術,2010(8):93-96.

[9]王迪,聶銳,李強.江蘇省能耗結構優化及其節能與減排效應分析[J].中國人口·資源與環境,2011,21(3):48-53.

[10]高超鋒,肖玲,胡志華.考慮船舶油耗的集裝箱班輪航線配船方案[J].華中師范大學學報:自然科學版, 2014,48(6):840-846.

[11]高曉月,封學軍,蔣柳鵬.南京港集裝箱生成量預測與發展措施建議[J].華東交通大學學報,2013,30(1):91-95,101.

（責任編輯劉棉玲）

Research on Multi-objective Optimization of Port Energy Conservation and Emission Reduction

Zhao Yaqian, Wang Wei
(College of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract:The construction of green port is the inevitable road of port development. In the process of building a green port, it is necessary to consider the cost of emission reductions, the total emission reductions and economic is?sues, arrange the construction period and select energy conservation and emissions reduction projects based on port characteristics. The paper applies multi-objective optimization to port energy conservation innovatively, and estab?lishes a green port multi-objective optimization model for energy conservation, using economic efficiency and envi?ronmental benefits for the target, considering the cost, process and environmental constraints, using Excel Solver function to optimize, which can effectively identify energy conservation and emissions reduction projects construction sequence. By analyzing the energy conservation and emissions reduction planning of A port in Jiangsu province, this study obtains the optimization model of A port energy conservation and emissions reduction construction with emis?sion reduction rate of 38.4% , whose effect may show the usefulness and reliability of the optimization model.

Key words:green port; energy conservation and emission reduction; multi-objective optimization; 0-1 program?ming; Excel solver

作者簡介：趙雅倩（1990—），女，碩士研究生，研究方向為港口節能減排。

基金項目：國家自然科學基金項目（51009060）；中央高校基本科研基金項目（B13020031）

收稿日期：2015-03-01

文章編號：1005-0523（2015）03-0078-08

中圖分類號：U651

文獻標志碼：A