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(zhèn)化的關(guān)鍵階段，對基礎(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傳統(tǒng)高污染能源的需求，實現(xiàn)資源節(jié)約與環(huán)境保護，也能促使我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，促進經(jīng)濟發(fā)展和社會的進步。

可再生能源作為傳統(tǒng)能源的替代，其使用在環(huán)境保護和能源安全方面具有很大的優(yōu)勢。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能源供應(yīng)鏈視為一個整體。這個過程中除了涉及設(shè)施選址決策，還包括對物資采購、生產(chǎn)、儲存和分配的決策，以支持整個供應(yīng)鏈的高效運轉(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(chǎn)和運輸基礎(chǔ)設(shè)施的地理分布。時間維度出現(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。生產(chǎn)和銷售的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)必須在一段時間內(nèi)擴大以滿足不斷增長的需求。為了實現(xiàn)系統(tǒng)擴張的整體效能，系統(tǒng)規(guī)劃時要考慮不斷演進的過程。因此，傳統(tǒng)上用于以前研究中的與時間無關(guān)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(yīng)鏈系統(tǒng)中風險的出現(xiàn)。

確定性方法在處理隨機事件的時候，雖然計算簡單，但結(jié)果卻不太可靠。隨機規(guī)劃（SP）是一種被廣泛應(yīng)用的主要的隨機建模方法。隨機規(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)果的預期成本。兩階段的SP模型可以擴展到多個階段。

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險的緩解措施時，將物理設(shè)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(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，跨越了時間和空間兩個維度。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（即原料存儲地、提煉廠和燃料存儲地的位置與規(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)和儲存的數(shù)量等可以基于不確定性需求在實際中的實現(xiàn)進行調(diào)整的決策。這類決策恰好適合運用在兩個階段的隨機規(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)。建立一個混合整數(shù)SP模型，運用所有可能的方案以減少預期系統(tǒng)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(jié)）。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(guī)模；（2）原料采購量；（3）原料儲存量和交付量；（4）乙醇生產(chǎn)量、儲存量和分配量。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、生產(chǎn)燃料和燃料存儲互相的關(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)和儲存設(shè)施的位置和規(guī)模設(shè)計，以及作出相應(yīng)二次決策，即原料的采購戰(zhàn)略，生產(chǎn)、儲存量以及供應(yīng)鏈的不同層之間運輸流設(shè)計。

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）我們的目標函數(shù)是最小化預期總成本，即：

目標函數(shù)（1）將預期系統(tǒng)總成本，即初始規(guī)劃總成本和預計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、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(shù)量除以卡車裝載能力被轉(zhuǎn)換成卡車數(shù)量，因此，裝卸費用與交付數(shù)量線性相關(guān)。

（2）對乙醇提煉廠的約束：

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(chǎn)量等于到燃料存儲地的總流出量。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）計算了從原料到乙醇的能源轉(zhuǎn)換。

（3）關(guān)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(chǎn)。

（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(guī)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(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)進行進口。

（7）整數(shù)與非負性約束：

2 模型應(yīng)用價值分析

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，建立起一個適合我國國情的符合動力學研究的模型。