董豐蓮，魏志偉，孫鑫，殷基明，劉鵬飛

中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院

0 引言

國內(nèi)外多數(shù)大型綜合能源公司都具有上下游、內(nèi)外貿(mào)、產(chǎn)供銷一體化的特征，業(yè)務(wù)涵蓋從石油開采、進口、運輸、加工以至銷售至用戶的全過程，業(yè)務(wù)流程長，環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)間相互關(guān)聯(lián)和影響密切。綜合性能源公司在制定石油產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)經(jīng)營計劃時，需要綜合考慮諸多因素。在保證滿足各種約束條件下制定出符合石油公司整體效益最大化的生產(chǎn)方案是企業(yè)面臨的一個難題。采用手工排產(chǎn)方法很難制定出最優(yōu)并且合理的生產(chǎn)經(jīng)營計劃，而且在市場快速變化時，難以迅速采取應(yīng)對經(jīng)營策略。有必要采用專業(yè)的優(yōu)化軟件建立石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型，應(yīng)用模型開展排產(chǎn)和優(yōu)化分析，提高生產(chǎn)經(jīng)營計劃制定的科學性，提升公司盈利能力［1］。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)石化行業(yè)已進行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的關(guān)于石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型的商業(yè)軟件主要有Aspenone的 PIMS軟件、Honeywwell的 RPMS軟件和Haverly的GRTMPS軟件［2-6］。這些軟件建模過程復雜，需要業(yè)務(wù)人員自己定義變量和編寫代數(shù)方程組，建模效率低，用戶門檻高，用戶培訓成本高。并且對于產(chǎn)業(yè)鏈中需要控制的一些全局約束，如公司原油加工總量、生產(chǎn)柴汽比、成品油出口總量等，還需要依賴精通數(shù)學和計算機的人員進行大量編程才能實現(xiàn)。這種過分要求數(shù)學能力和計算機編程能力的軟件特征造成了極不好的用戶體驗。

在國家大力提倡提高自主創(chuàng)新能力的背景下，國內(nèi)多家公司研發(fā)設(shè)計了煉化生產(chǎn)計劃優(yōu)化軟件，并進行了一定的工業(yè)應(yīng)用，但針對石油產(chǎn)業(yè)鏈上下游一體化優(yōu)化模型系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用尚屬空白。

從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，數(shù)字化、智能化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用使計劃優(yōu)化軟件正在從“單機版+表格建模+用戶獨立應(yīng)用”模式向“網(wǎng)絡(luò)版+圖形化建模+多用戶協(xié)同應(yīng)用”模式轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)間的兼容性更好，集成更便捷，不同系統(tǒng)間參數(shù)傳遞效率更高。

2 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

結(jié)合近年來信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和運籌優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢，本文詳細介紹一款國內(nèi)自主研發(fā)的石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型系統(tǒng)（modeling system for petroleum industry chain’s integrated optimization,簡稱PICIO），該系統(tǒng)已在實際生產(chǎn)應(yīng)用中取得良好的使用效果，并獲得了一定的經(jīng)濟效益。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

PICIO的技術(shù)架構(gòu)主要分為 3層：數(shù)據(jù)層、計算層和應(yīng)用層（見圖1）。在數(shù)據(jù)層，為滿足云化應(yīng)用與集成需要，系統(tǒng)采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 Mysql進行模型參數(shù)和運算結(jié)果的存儲；在計算層，采用通用數(shù)學建模平臺開發(fā)數(shù)學規(guī)劃模型及求解算法，采用數(shù)量可擴展的高性能服務(wù)器提供優(yōu)化計算服務(wù)；在應(yīng)用層，采用前后端分離的微服務(wù)框架開發(fā)上層應(yīng)用，提供統(tǒng)一用戶交互界面，包括圖形化建模、數(shù)據(jù)校驗、運算、結(jié)果展示、模型管理等。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.2 功能架構(gòu)

PICIO的功能結(jié)構(gòu)包括模型建立、數(shù)學規(guī)劃模型的生成及求解、結(jié)果輸出等組成部分［7-9］（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

相比國外同類軟件，其關(guān)鍵技術(shù)及主要特點有3個方面：一是提供可視化建模及多用戶協(xié)同應(yīng)用功能，直觀便捷；二是對傳統(tǒng)分布遞歸求解算法進行了改進，提升了模型收斂性和求解速度；三是提供了多種形式的結(jié)果輸出。系統(tǒng)在功能方面基本達到和國外類似軟件同等水平，可充分滿足石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化應(yīng)用需要，特別是易用性方面顯著優(yōu)于國外軟件。

2.3 可視化及多用戶協(xié)同建模

PICIO可完全基于瀏覽器，通過圖形組態(tài)和表格等方式，建立起描述石油產(chǎn)業(yè)鏈從原料采購、煉化加工、庫存、運輸、倉儲、到產(chǎn)品銷售全鏈條的模型；用戶可根據(jù)公司對原油加工量、生產(chǎn)柴汽比、產(chǎn)品銷售量等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵KPI指標，在用戶界面上配置整體約束信息；也可根據(jù)業(yè)務(wù)需要，在用戶界面上便捷地添加自定義約束，如控制某條管線中輸送的幾種原油的比例范圍等。系統(tǒng)會自動將用戶輸入的各要素信息存儲到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。

建立一體化優(yōu)化模型需要輸入的數(shù)據(jù)和信息如表1所示。

表1 建模數(shù)據(jù)和信息

基于便捷易用的設(shè)計原則，PICIO的建模有以下幾個主要特點：

一是支持產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型和分煉廠計劃優(yōu)化模型的便捷集成。PICIO分為單廠模型系統(tǒng)和總部模型系統(tǒng)兩部分。單廠模型系統(tǒng)用以建立單個煉化企業(yè)從原料采購、常減壓裝置生產(chǎn)加工、二次裝置生產(chǎn)加工、產(chǎn)品調(diào)和到產(chǎn)品銷售全過程的生產(chǎn)計劃優(yōu)化模型，可獨立應(yīng)用于單個煉化企業(yè)的生產(chǎn)計劃優(yōu)化?？偛磕Ｐ拖到y(tǒng)用以建立自油田、港口到煉廠的原油網(wǎng)絡(luò)，自煉廠、外采點至銷售終端的成品油網(wǎng)絡(luò)，以及多煉廠之間的化工原料互供網(wǎng)絡(luò)，可單獨用以開展物流優(yōu)化。通過在總部模型中集成分煉廠模型，可構(gòu)建起綜合性石油公司的原油產(chǎn)業(yè)鏈上下游一體化優(yōu)化模型。此外，PICIO提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)字典管理功能，強制要求各煉廠建模時，物料編碼必須從數(shù)據(jù)字典選取，從而有效保證了模型集成的規(guī)范性。

二是支持多用戶協(xié)作建模。PICIO為網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，通過權(quán)限分配，支持多個用戶同時建立同一個模型的不同模塊。由于綜合性石油公司的原油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型通常規(guī)模龐大，多用戶的分工協(xié)作可以大幅提高建模效率。

三是支持用戶自定義配置模型的優(yōu)化范疇。用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)實際建立多個采購表、銷售表、運輸表、倉儲表，并可配置某個表在模型計算時是否啟用。通過該功能，用戶可根據(jù)不同的優(yōu)化目的（如整體原油資源配置優(yōu)化、某區(qū)域原油資源配置優(yōu)化、化工原料互供優(yōu)化等），便捷地配置模型。

四是支持用戶根據(jù)物料層級關(guān)系進行參數(shù)的快捷定義。用戶可根據(jù)本企業(yè)的業(yè)務(wù)習慣建立物料層級樹，如，成品油的下一層級包括汽油、柴油、航煤，而汽油的下一層級又包括清潔汽油、乙醇汽油，清潔汽油再細分為 92#、95#、98#，等等。通過層級樹，用戶可快速實現(xiàn)某一類物料參數(shù)在模型應(yīng)用的統(tǒng)一規(guī)范。如定義一條運輸路線為自A點經(jīng)鐵路運輸物料“清潔汽油”到 B點的運費為 100元/t，則系統(tǒng)會自動將該條路線運輸?shù)母髋铺枴扒鍧嵠汀边\費設(shè)為100元/t，無需用戶再逐個定義。此外，通過層級樹，用戶可便捷地對某一物料問題進行控制約束，如控制成品油總量、汽油總量、清潔汽油總量等等。

五是通過內(nèi)嵌線上表格控件軟件，可在瀏覽器上實現(xiàn)類似excel的操作體驗，包括在表格中自定義公式、數(shù)據(jù)的批量復制和粘貼、數(shù)據(jù)的篩選等。

六是支持用戶自定義開發(fā)與其它系統(tǒng)的集成接口，可便捷地與煉廠物性數(shù)據(jù)庫、原油切割數(shù)據(jù)、裝置統(tǒng)計數(shù)據(jù)、價格數(shù)據(jù)等進行集成應(yīng)用，實現(xiàn)參數(shù)快速更新。

2.4 高效的求解算法

用戶根據(jù)本企業(yè)的實際數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述可視化建模功能搭建起石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型后，PICIO會自動生成數(shù)學規(guī)劃模型。

2.4.1 目標函數(shù)

石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型的目標函數(shù)為企業(yè)利潤最大化，則目標函數(shù)為：利潤最大=總部銷售收入-總部采購成本-總部運輸成本+總部庫存價值變化+各煉廠銷售收入-各煉廠采購成本-各煉廠公用工程成本+各煉廠庫存價值變化。

轉(zhuǎn)化為模型中的公式如下：

式中：Pmax——最大化利潤，t——周期；n——網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；n1，n2——為網(wǎng)絡(luò)中任意兩個不同節(jié)點；r——某個煉廠；z——總部物料品類；m——廠內(nèi)物料品類；tm——運輸方式；g——公用工程類型；BZsel——總部物料銷售價格，元/t；WZsel——總部物料銷售量，104t；CZbuy——總部物料采購價格，元/t；WZbuy——總部物料采購量，104t；CTRAN——物料運費，元/t；WTRAN——物料運輸量，104t；BZinv——總部物料庫存銷售單價，元/t；WINV_CLOSE——總部物料期末庫存，104t；WINV_OPEN——總部物料期初庫存，104t；BMsel——煉廠物料銷售價格，元/t；WMsel——煉廠物料銷售量，104t；CMbuy——煉廠物料采購價格，元/t；WMbuy——煉廠物料采購量，104t；CUbuy——公用工程采購成本，104元；SCLOSE——煉廠物料期末庫存，104t；SOPEN——煉廠物料期初庫存，104t；BMvalue——煉廠物料庫存銷售單價，元/t。

2.4.2 約束條件

PICIO對變量的約束主要分為兩類：第一類是等式約束，約束變量間的邏輯關(guān)系；第二類是不等式約束，限定變量應(yīng)用條件。

等式約束包括：總部在某地點某物料的平衡方程、煉廠的物料平衡方程、煉廠的物性計算方程、煉廠的原料消耗量或產(chǎn)品產(chǎn)量計算方程、煉廠的公用工程消耗計算方程、調(diào)和產(chǎn)品的物性計算方程，等等。在 PICIO中，允許用戶定義煉化裝置的delta-base結(jié)構(gòu)（即產(chǎn)品的收率在 base基礎(chǔ)上，可隨進料物性的變化而變化）形成非線性方程，如下式：

式中：Wt,r,e,m——裝置產(chǎn)品產(chǎn)量，104t；p——裝置加工方案；e——某套裝置；d——裝置delta方案；mm——裝置進料種類；q——物料物性；Wt——煉廠裝置加工量，104t；ηm——煉廠裝置基準收率；Xt,r——煉廠物料的物性值；δr,e——進料物性基準值；γr,e,m——產(chǎn)品收率隨進料物性的變化速率。

除 delta-base結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生非線性約束方程外，物料間的物性傳遞（如硫、氮等物性的傳遞）也會使調(diào)和產(chǎn)品的物性計算方程表現(xiàn)為非線性方程。

不等式約束包括：總部的采購量上下限約束、銷售量上下限約束、運輸能力上下限約束、煉廠的物料采購量上下限約束、煉廠的物料銷售量上下限約束、煉廠的裝置能力上下約束、煉廠的調(diào)和產(chǎn)品物性上下限約束，等等，均為線性約束。

2.5 算法的改進

綜上所述，PICIO為一個大規(guī)模非線性規(guī)劃問題（nonlinear programming，簡稱NLP），PICIO通過對傳統(tǒng)的分布遞歸［10-13］求解算法進行改進，提出了一種變步長的迭代方法和復合最優(yōu)下降判定策略，并通過Python編程，以及調(diào)用商用的CPLEX、GUROBI、或COPT求解器得以實現(xiàn)。整體迭代求解流程見圖3，其中，X0——物料物性初始值集合；X——物料物性值集合；k——迭代變量；Y——物料量集合；Z——松弛變量集合；α——目標函數(shù)收斂閥值；ε——物料物性收斂閥值；β——模型有解時松弛變量絕對值最大值。本文提出了相應(yīng)的復合最優(yōu)下降判定方法和變步長的遞歸策略具體如下。

圖3 迭代算法示意圖

2.5.1 復合最優(yōu)下降判定方法

傳統(tǒng)分布遞歸方法的迭代終止判定條件為：當相鄰兩次迭代得到的物性值的相對誤差滿足收斂精度要求時，迭代結(jié)束。由于原油產(chǎn)業(yè)鏈通常包含幾十家煉廠，模型規(guī)模龐大，求解用時較長。為提高速度，PICIO對迭代終止判定方法進行了改進。

首先根據(jù)相鄰兩次目標函數(shù)的差值進行判定，如果差值大于設(shè)定的精度要求，可認定尚不收斂，直接進行下一次的迭代。如果差值符合精度要求，再判定是否滿足物性的收斂條件。采用上述方法，可有效提高迭代速度。

當?shù)螖?shù)達到10次，而所有松弛變量的絕對值之和仍大于某一設(shè)定值時，可認定該模型存在有矛盾的約束，直接停止迭代，由用戶修改參數(shù)后再重新運算。

2.5.2 變步長的遞歸策略

傳統(tǒng)分布遞歸方法的遞歸策略為：將物性值設(shè)為一組猜測值，將非線性模型轉(zhuǎn)化為線性模型后求解得到物料量，然后再根據(jù)物料量推導得到一組新的物性值，作為下次迭代的輸入。本文通過大量實驗，發(fā)現(xiàn)此方法對于少數(shù)算例會出現(xiàn)迭代求解結(jié)果在兩組值之間反復震蕩、一直無法收斂的現(xiàn)象。為盡量規(guī)避這種現(xiàn)象，PICIO將遞歸策略改進為：當?shù)笥?0次還不收斂時，不再根據(jù)本次求解得到的物料量推導物性，而是采用本次和上次求得的物料量的平均值推導物性，作為下一次迭代的輸入。實踐表明，此方法可有效改善模型收斂性，大部分反復震蕩的算例，應(yīng)用此方法后都會逐步趨于收斂。

2.6 多種形式的結(jié)果輸出

PICIO的運算結(jié)果為石油公司制定“產(chǎn)、煉、銷、運、儲、貿(mào)”各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)經(jīng)營方案提供重要參考。模型以產(chǎn)業(yè)鏈整體效益最大化為目標，解決了采購進口原油、原油資源在煉廠間的配置、原油配送等產(chǎn)業(yè)鏈上一系列決策問題，為企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營方案制定提供了量化依據(jù)。

PICIO提供了多種形式結(jié)果輸出，如在web界面上以圖、表等可視化形式輸出（煉廠環(huán)節(jié)可以輸出全廠生產(chǎn)流程圖），以excel形式輸出，或通過商業(yè)化的報表或BI軟件進行定制化開發(fā)輸出等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

PICIO在某綜合性石油公司進行了應(yīng)用，建立了涵蓋從開采、煉制、銷售、運輸、倉儲到貿(mào)易各環(huán)節(jié)的石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化模型，涉及15家油田和20多種原油的生產(chǎn)，26家煉化企業(yè)的生產(chǎn)加工，50多個銷售區(qū)域的成品油外采和銷售，120多條原油運輸路線和1 300多條成品油運輸路線等。在煉化環(huán)節(jié)，PICIO基于統(tǒng)一的物料編碼，建立了每一家煉化企業(yè)從原料采購、常減壓裝置生產(chǎn)加工、二次裝置生產(chǎn)加工、產(chǎn)品調(diào)和到產(chǎn)品銷售全鏈條的生產(chǎn)計劃子模型，集成了各煉化企業(yè)子模型，包含40多萬個變量、10多萬個方程、80余萬條數(shù)據(jù)，單次運算時間約6 min，可以很好地滿足生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化需要。

目前PICIO已成為該公司制定年度、季度、月度石油產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)經(jīng)營計劃不可或缺的工具，為企業(yè)的原油資源配置優(yōu)化、煉化產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)化、成品油資源優(yōu)化配置等工作提供了量化決策依據(jù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)經(jīng)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(yōu)化的轉(zhuǎn)化，每月可為企業(yè)帶來上千萬元的效益提升。如2021年某月份針對出口配額大幅下降的情形，經(jīng)模型優(yōu)化提出降低成品油收率、增產(chǎn)特色煉油產(chǎn)品的方案，在生產(chǎn)運行中得到落實，該月成品油收率相比年計劃降低了 2.8個百分點，低硫船燃、潤滑油基礎(chǔ)油和石蠟產(chǎn)量同比增長 140.0%、4.0%和22.1%，為公司原油產(chǎn)業(yè)鏈整體運行順暢和提質(zhì)增效做出了貢獻。

4 結(jié)束語

PICIO充分利用現(xiàn)有數(shù)字化、智能化技術(shù)手段，實現(xiàn)石油產(chǎn)業(yè)鏈一體化優(yōu)化，該系統(tǒng)可基于瀏覽器實現(xiàn)可視化建模、模型運算等全部操作，建立了石油產(chǎn)業(yè)鏈上下游一體化優(yōu)化的NLP模型，并提出一種變步長的分布遞歸求解算法和復合最優(yōu)下降判定策略。實踐表明該算法可以快速有效地求解模型。PICIO的實施表明，應(yīng)用該系統(tǒng)可顯著提高綜合性能源公司石油產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)經(jīng)營計劃編制效率和科學決策水平，促進產(chǎn)業(yè)鏈順暢運行，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。