城市可再生能源基礎設施的SP模型研究

張瑞浩

上海交通大學附屬中學IB課程中心，上海 200000

當前我國處于城鎮化的關鍵階段，對基礎設施的依賴增大。而可再生能源基礎設施作為生產基礎設施，其可持續發展既能使我國減少對傳統高污染能源的需求，實現資源節約與環境保護，也能促使我國產業結構的轉變，促進經濟發展和社會的進步。

可再生能源作為傳統能源的替代，其使用在環境保護和能源安全方面具有很大的優勢。為了提高能源系統的效益和可持續性，鑒于系統中不同組件之間的相關性，以往的研究中將整個能源供應鏈視為一個整體。這個過程中除了涉及設施選址決策，還包括對物資采購、生產、儲存和分配的決策，以支持整個供應鏈的高效運轉。

可再生能源系統的可持續性問題跨越了空間和時間兩個維度。空間維度主要在于原料資源、燃料需求以及生產和運輸基礎設施的地理分布。時間維度出現在長期的系統規劃中，尤其是考慮系統過渡問題時。生產和銷售的基礎設施系統必須在一段時間內擴大以滿足不斷增長的需求。為了實現系統擴張的整體效能，系統規劃時要考慮不斷演進的過程。因此，傳統上用于以前研究中的與時間無關的方法是遠遠不夠的。天氣條件的不可預測性、需求的波動性以及供給的多變性等因素，導致了供應鏈系統中風險的出現。

確定性方法在處理隨機事件的時候，雖然計算簡單，但結果卻不太可靠。隨機規劃（SP）是一種被廣泛應用的主要的隨機建模方法。隨機規劃（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效能。大多數SP模型具有兩階段結構：現在做出一個決策，并在不確定性出現后，最小化該決策帶來的結果的預期成本。兩階段的SP模型可以擴展到多個階段。

1 模型構建與分析

1.1 構建思路與路徑

本文通過在尋求由于原料的季節性和需求的不確定性所造成的潛在風險的緩解措施時，將物理設計和運營管理集成一個整體。通過建立一個多級的隨機動態規劃，優化可再生能源基礎設施系統建設和運營的全過程。

可再生能源基礎設施可持續發展問題，跨越了時間和空間兩個維度。設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（即原料存儲地、提煉廠和燃料存儲地的位置與規模）。一旦這些決定得以執行，它們無法輕易地改變。而二次決策指的是生產和儲存的數量等可以基于不確定性需求在實際中的實現進行調整的決策。這類決策恰好適合運用在兩個階段的隨機規劃（SP）框架中，以此與初始決策相區別。在此研究中，假定燃料的需求以一種符合相關概率的離散分布的形式呈現。建立一個混合整數SP模型，運用所有可能的方案以減少預期系統總成本為目標。為了反映問題的時間維度，所有二次決策變量都是依賴于時間（季節）。模型中的決策變量有：（1）原料存儲地、提煉廠及乙醇存儲地的位置和規模；（2）原料采購量；（3）原料儲存量和交付量；（4）乙醇生產量、儲存量和分配量。建模的技術路線圖見圖1。

圖1 模型構建路徑圖

1.2 模型構建

1.2.1 有關基本假設

圖2表示生物燃料供應鏈系統從產地到最終用戶，包括原料存儲、生產燃料和燃料存儲互相的關系。

圖2 生物燃料供應鏈系統

圖2中的箭頭表示（原料或燃料）流向。供應鏈的戰略規劃包括供應鏈系統物理配置的初始決策，即生產和儲存設施的位置和規模設計，以及作出相應二次決策，即原料的采購戰略，生產、儲存量以及供應鏈的不同層之間運輸流設計。

1.2.2 模型參數和決定變量的設定（表1）

表1 模型參數和決策變量

1.2.3 模型建立與模型解釋

完整的模型構建在（1）～（6）中呈現：

（1）我們的目標函數是最小化預期總成本，即：

目標函數（1）將預期系統總成本，即初始規劃總成本和預計的二次決策成本最小化。初始規劃成本，包括設施資本成本和初始原料采購成本，與方案無關。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、乙醇生產、損失和在其他季節里原料的采購成本。在所有的傳遞路徑中，運輸成本由基于距離（td）和時間（td）的成本和裝卸成本估計。交付數量除以卡車裝載能力被轉換成卡車數量，因此，裝卸費用與交付數量線性相關。

（2）對乙醇提煉廠的約束：

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

（3）關于原料站點的約束：

式（7）確保了采購的原料送到原料存儲地作為庫存或直接到提煉廠進行生產。

（4）對原料儲存地的約束：

式（8）是對原料存儲在空間和時空兩個維度上流量守恒的約束。

（5）對乙醇儲存地的約束：

不等式（9）規定了燃料存儲容量。不等式（10）和（11）是對燃料容量儲存的邏輯約束。

（6）對需求中心的約束：

式（12）計算了地區內通過生產所不能滿足的需求量的追加。追加可能是從其他地區進行進口。

（7）整數與非負性約束：

2 模型應用價值分析

目前我國在可再生能源，尤其是秸稈生產乙醇的產業化發展方面仍然處于初步階段。很多研究試點只處于技術研發階段，并沒有形成完整的供應鏈體系。本文通過借鑒國外先進的產業規劃方案，綜合考慮多種限制條件和不確定性因素，建立起一個適合我國國情的符合動力學研究的模型。