綜合性石油公司原油價值鏈優化系統建設及應用

馬 楠，董豐蓮，楊 磊，殷基明，常家溫，葉 橋

（1.中國石油規劃總院，北京 100083；2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

0 引言

我國大型綜合性石油公司的原油產業鏈大多實行上下游、內外貿、產供銷一體化管理，業務涵蓋石油開采、進口、運輸和加工成成品銷售給用戶的全過程，業務流程長、環節多，各環節間相互關聯且聯系密切。在國際原油價格劇烈波動、市場需求瞬息萬變等內外部復雜形勢下，如何以市場為導向優化資源配置，科學銜接原油產業鏈“產、煉、運、銷、儲、貿”各環節，將計劃編制模式由傳統的手工平衡向模型化、平臺化、智能化轉變，是綜合性石油公司提高盈利能力的關鍵問題。隨著計算機技術不斷發展，其與運籌優化技術的結合為破解該問題提供了思路。

1 原油價值鏈優化系統建設的必要性

國內大型綜合性石油公司的原油產業鏈包含“產、煉、運、銷、儲、貿”等環節，石油公司通過物流、信息流和價值流的整合，將各方面連成一個整體的功能網鏈結構。原油產業鏈的生產運行過程：在上游，石油公司通過原油開采和原油采購獲得原油資源，通過原油物流把原油資源配送到各煉化企業或者外銷；在下游，煉化企業通過原油加工生產出各種石化產品，并在各煉化企業間實現部分化工原料互供；產出或采購的成品油通過成品油一次物流和二次配送，在各銷售終端進行批發、零售或出口；通過倉儲對原油資源和產品進行平衡。由此可見，原油產業鏈具有鏈條長、各環節之間緊耦合、產業鏈運行主體之間相互依賴以及影響因素復雜等特點。

原油價值鏈優化系統包括原油價值鏈一體化優化模型和系統平臺兩個部分，一體化優化模型是生產計劃優化決策方案的數學模型，系統平臺是模型運行的數據支持和分析平臺，同時是原油價值鏈“優化-計劃-效益測算-結果分析”的全過程管理平臺。原油價值鏈優化系統建設的必要性體現在以下幾個方面。

（1）通過原油價值鏈一體化優化模型生成計劃優化決策方案。由于綜合性石油公司原油產業鏈規模龐大，涉及的環節及業務眾多，一體化程度高，制訂原油產業鏈生產經營計劃時，需要綜合考慮國際基準原油價格走勢、原油生產能力和生產成本、進口原油價格和可采購量、原油運輸成本及運輸能力、煉化生產能力及生產成本、成品油運輸能力和運輸成本、成品油國內需求情況和銷售價格、成品油外采價格和可外采量、成品油出口能力和出口價格等眾多因素。如何在保證滿足各種約束條件下制訂出符合石油公司整體效益最大化要求的生產方案是企業面臨的一個難題。傳統的手工排產方法很難制訂出合理、優化的生產經營計劃，而且在市場快速變化時，難以迅速作出反應，以及采取相應經營策略，因此有必要應用運籌優化理論和技術，建立涵蓋石油公司原油產業鏈“產、煉、銷、運、儲、貿”各環節，以公司整體效益最大化為目標，以產品終端市場價值為導向的原油價值鏈一體化優化模型，并應用數學規劃算法對模型進行求解，自動生成優化方案，為年度、季度、月度計劃編制提供決策依據。

（2）通過系統支撐計劃優化整體工作。第一，原油價值鏈一體化優化模型運算所需的參數眾多，為實現模型的快速測算，有必要建立數據支撐平臺，為模型提供原油運費、成品油運費、煉化加工費等基礎參數，以及原油和煉化產品的價格預測數據和需求預測數據等。第二，石油公司根據模型優化結果制訂出計劃方案后，還需要進行原油產業鏈整體和分環節主營生產業務“毛利”和“利潤”的精細測算，為預判整體及分環節生產效益情況提供量化依據。第三，綜合性石油公司的生產計劃涉及多個管理層級的多個單位，參與方眾多，需要對建議計劃上報和正式計劃下達的全過程進行統一管理，提高計劃編制的協同效率，保證計劃數據的一致性。在計劃下達后，需要開展執行跟蹤分析工作，推動優化工作持續改進。

綜上，有必要建立支撐綜合性石油公司涵蓋“計劃優化-計劃管理-效益測算-完成分析”全過程的原油價值鏈優化系統，支持原油價值鏈一體化優化模型計算、支持計劃方案的精細化測算、支持生產計劃的協同編制、支持計劃執行分析，助力公司原油產業鏈的協同發展和效益提升。

2 原油價值鏈一體化優化模型設計

根據我國綜合性石油公司原油產業鏈業務情況，一體化優化模型在業務問題上包括“產、煉、銷、運、儲、貿”6 大業務領域，模型涵蓋原油生產、原油進口、國內原油采購、原油外售、原油運輸、原油倉儲、煉化生產、成品油外采、成品油運輸、成品油倉儲、成品油銷售以及成品油出口共12 個模塊。模型設計包括目標設計、約束設計、參數設計、決策變量設計以及模型運算求解方法設計等部分。

2.1 目標設計

模型業務目標是實現集團公司原油價值鏈整體效益最大化。在數學建模中用目標函數進行反映，原油價值鏈整體效益目標函數的構成和運算關系如下：

目標函數=總部銷售物料總收入-總部采購物料總成本+庫存價值變化-總部物料運輸成本+集成的所有煉廠物料銷售收入-集成的所有煉廠物料采購成本-集成的所有煉廠公用工程成本+集成的所有煉廠庫存價值變化

2.2 約束設計

針對實際業務問題，對該問題的生產過程作出以下約束：①某物料在某地的采購量上下限；②某物料在某地的銷售量上下限；③各種運輸能力上下限；④某物料在某地的庫存量上下限；⑤某物料在某地點的進銷存平衡、煉廠物料平衡約束等。

2.3 參數設計

（1）整體運行參數方面：包括公司所有物料、節點、運輸方式、管線等元素，以及采購、銷售、庫存、運輸的價格、上下限等信息。

（2）生產單元參數方面：包括物料、物性、裝置、公用工程等基本元素，以及原料和產品價格、裝置能力、裝置收率和物性傳遞系數等信息。

2.4 決策變量設計

決策變量包括各自產原油的產量、在各口岸進口的各品種原油的量、各品種原油經各種運輸方式運送到各煉廠或外單位的量、各主要原油管道運輸量、各煉廠加工的各品種原油量、采購的其他原材料量、各裝置加工量、各產品產量以及各銷售區域分品種、分銷售渠道的銷量等27 類變量。

2.5 模型運算求解方法

根據上述目標函數、參數、決策變量和約束方程，進行原油價值鏈一體化優化數學建模，數學模型構建之后，進行模型求解。通過建模可知，原油價值鏈計劃優化問題屬于線性規劃問題，采用線性求解方法進行優化求解。

3 原油價值鏈優化系統設計

3.1 系統功能設計

在原油價值鏈一體化優化模型基礎上，圍繞“優化-計劃-效益測算-結果分析”全過程管理的系統建設目標，基于業務需求調研和分析，設計原油價值鏈優化系統包括市場預測、資源優化、效益測算、計劃管理、優化分析、綜合展示、模型管理、數據管理以及系統管理等9 大功能模塊。

（1）市場預測模塊。提供對公司原油產業鏈相關的原油、成品油、煉油小產品和化工品內市場數據的查詢分析功能，在此基礎上結合定價規則和對市場的預判，實現分品種原油、成品油、化工產品的價格計算、預測、管理和查詢功能，以及成品油銷量的預測和管理功能，同時為一體化優化模型運算提供數據輸入服務。

（2）資源優化模塊。建立涵蓋公司“產、煉、銷、運、儲、貿”各環節，以公司整體效益最大化為目標的一體化優化模型。應用優化模型開展年度、季度、月度生產經營計劃方案測算，開展針對公司生產經營和戰略規劃中熱點、焦點問題的專題分析工作，為公司生產運行和戰略規劃提供支持。

（3）效益測算模塊。基于公司初排計劃數據、預測價格數據和財務成本數據，構建原油產業鏈效益測算模型，實現原油產業鏈整體效益和原油生產、煉化加工、產品銷售分環節的效益測算，分自產原油和外購原油的噸原油加工毛利測算，為更加精確地解析產業鏈效益，以及分析不同方案的優劣提供量化依據。

（4）計劃管理模塊。開發公司級的生產經營計劃編制、上報、下達的功能，提升生產經營計劃業務的規范化水平和計劃一本賬管理能力，滿足公司級生產經營計劃管理系統縱向延伸和橫向擴展的需求。

（5）優化分析模塊。通過集成優化、計劃、實際完成數據，提供價格、銷量預測數據和實際完成情況的自動對比分析功能，優化方案和生產經營計劃的自動對比分析功能，計劃方案和實際完成的自動對比分析功能，優化方案跟蹤分析功能，促進生產計劃優化工作持續改進。

（6）綜合展示模塊。對系統產生的優化方案測算結果、專題分析結果進行形象化、直觀化、具體化呈現，提供多方案對比展示，提供計劃完成情況結果的展示，為原油價值鏈優化系統提供多場景、多模式的可視化服務。

（7）模型管理模塊。提供嚴格的優化基礎模型和報表模板變更、發布的流程，保證基礎模型和報表模板版本統一、權威。

（8）數據管理模塊。實現原油產業鏈多環節生產經營數據采集、外部數據采集和集中存儲管理，打造先進、穩定、安全的集成數據環境，為原油價值鏈的數據應用提供保障。

（9）系統管理模塊。系統管理模塊主要是為系統管理員提供的后臺系統管理的相關功能，包括權限管理、文檔管理、安全管理和數據字典管理等，為系統正常運行提供基礎配置和安全服務。

3.2 系統技術架構設計

3.2.1 微服務架構

微服務架構是圍繞業務邏輯和應用頻次進行設計的架構模式，服務由單一應用程序構成并擁有自己的行程與輕量化處理流程，采用全自動方式進行部署，服務之間使用應用程序接口進行交互。這種架構模式使得系統在面對業務變化和系統升級維護方面具有較強的容錯性和可擴展性。為應對內外部環境和系統性能需求的不斷變化，目前諸多行業系統架構已由單體系統向微服務方向發展。

對于綜合性石油公司原油價值鏈優化系統，在應用的過程中不可避免地要面臨業務需求的變化、快速迭代升級的問題，因此有必要采用微服務架構模式進行設計和建設。

3.2.2 基于微服務的系統架構設計

原油價值鏈優化系統架構整體按照集成數據層、模型及邏輯處理層和業務應用層進行設計。根據原油價值鏈優化業務特點和功能架構，在邏輯處理層，將優化模型計算、預測和測算等數據處理計算、計劃流程管理、分析和展示等報表管理、系統管理功能設計成獨立服務，整體采用微服務架構進行設計，每項服務采用獨立的技術路線進行分布式研發。

4 系統應用實踐效果

某大型綜合性石油公司按照前述設計方案進行了原油價值鏈優化系統建設及實踐，建立了包含40 多萬個變量、10 多萬個方程、80 萬條數據，涵蓋公司原油產業鏈“產、煉、運、銷、儲、貿”全鏈條的一體化優化模型，在模型建設的基礎上，基于微服務架構開發了涵蓋市場預測、資源優化、效益測算等9 大模塊的原油價值鏈優化系統。

2021 年以來，該系統在某大型綜合性石油公司的計劃優化、計劃管理和生產經營決策中得到了深入應用，實現了公司生產經營計劃編制和分析工作由線下到線上、由人工估算到定量計算、由量的平衡到量效綜合優化的轉化，提升了原油產業鏈計劃編制工作效率和科學決策水平，對優化資源配置、產品結構、市場布局及提升公司整體盈利能力發揮了重要作用。

5 結論及展望

建設和應用原油價值鏈優化系統是綜合性石油公司生產經營計劃管理工作邁向平臺化、數字化和智能化的重要途徑。系統通過計算機技術和運籌優化技術結合，可為原油產業鏈生產經營計劃制訂和分析工作提供重要決策平臺，助力公司整體效益提升。后續應用過程中，該系統可從兩個方面進一步完善：第一，隨著原油價值鏈一體化優化模型應用范圍逐步擴大，應用深度逐步深入，模型的顆粒度將更為細化，在管道運輸、成品油銷售方面需進一步拓展，提升原油產業鏈決策水平；第二，原油價值鏈優化系統是集團公司生產經營管理數字化轉型的重要組成部分，系統給出的優化方案將朝著形象化、直觀化、具體化方面持續改進，決策過程將向智能分析方面持續提升。