考虑能耗优化的多目标原油短期调度问题研究_侯艳.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）和广东省重点领域研发计划课题（）资助项目通信作者：滕少华（），男，江西南昌人，教授，博士，主要从事数据挖掘和网络安全的研究：侯艳，张亿仙，滕少华，等 考虑能耗优化的多目标原油短期调度问题研究 江西师范大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：文章编号：（）考虑能耗优化的多目标原油短期调度问题研究侯 艳，张亿仙，滕少华，王书娟，朱清华（广东工业大学计算机学院，广东 广州）摘要：针对在原油管道运输过程中的能耗优化问题，该文提出了一个以最小化管道转运能耗、供油罐使用个数、蒸馏塔使用供油罐的切换次数、原油在供油罐和管道中的混合成本为目的的多目标优化模型 然后，针对原油短期调度问题的特点，提出了一种改进的交叉和变异算子 最后，该文对比分析了 种综合性能较好的多目标进化算法 实验结果表明：算法在求解该问题时的性能较优 与现有研究对比，该算法在减少调度过程中的能耗和原油混合成本方面具有显著效果关键词：原油短期调度；能耗；启发式算法；多目标优化中图分类号：文献标志码：引言原油作为一种不可再生资源，对现代经济发展具有重要的意义 随着全球生态环境污染的日益严重，传统的以消耗大量资源来实现经济增长的方式必须得以改变 如何在资源和能源有限的条件下进行生产是原油企业亟需解决的问题宏观上，原油短期调度被分为 个阶段：）原油一次加工过程，包括原油卸载、混合和转运过程；）生产过程，包括原油的蒸馏、催化裂化等化学加工过程；）成品油的储存和运输过程，即选择合适的运输方式将加工好的原油产品及时运输到不同的目的地 原油一次加工过程包含着大量复杂的约束，因此，目前仍依赖有经验的调度员根据经验不断试错来得到一个可行的详细调度计划 原油一次加工过程是在炼油生产过程中的关键步骤，直接影响着后续生产环节的经济性和稳定性 因此，做好一次加工过程的调度，降低其中的各项成本，对于提高炼油企业经济效益和整体的自动化水平具有非常重要的意义作为一种比较成熟的建模求解方法，数学规划方法一直被广泛应用于工业生产问题的建模 目前，通过数学规划求解原油短期调度问题已有大量的相关研究 根据对时间的不同表示方法，这些数学模型可以分为离散时间模型和连续时间模型 文献给出了在原油短期调度问题中原油一次加工过程的形式化定义，并建立了基于离散时间表示的混合整数规划模型 离散时间模型的主要优点是它提供了一个参考网格，所有竞争共享资源的操作都被放置到这个参考网格中，使得模型较为简单 然而，离散时间模型的主要问题是事件只允许发生在离散间隔的边界处，需要增加离散变量的数量来提高问题的求解精度 因此，极大地增加了时间变量的个数，从而增加了数学规划求解器的求解难度 为此，有学者提出了连续时间模型 文献通过状态任务网对原油短期调度问题进行建模，为了最小化炼油厂在短期调度过程中的总操作成本，提出了一种基于连续时间表示的混合整数非线性规划模型；相对于离散时间模型，在该模型中决策变量的个数得到了极大地减少 文献为了最大化炼油厂整体运行的总毛利润，提出了一种基于连续时间表示的单操作排序模型，并给出了其对应的 步求解方法 文献为了最小化原油在转运过程中的能耗，建立了一个基于连续时间表示的线性规划模型 在连续时间表示的模型中，事件可以发生在调度区间内的任意时刻，时间点就是准确的事件开始点和结束点 利用连续时间表示，可以大大减少在模型中的离散变第 卷 第 期 江西师范大学学报（自然科学版）年 月 （）量，然而以产生非线性约束为代价，求解极其困难文献认为将优化与启发式和仿真相结合的方法能够快速地解决大而复杂的问题，具有更好的实用性 为此，基于控制理论的角度，原油一次加工过程被分解为上下 层 在上层，为了最大化生产率等目标，利用数学规划的方法求解得到一个上层目标炼油计划；在下层，得到一个详细调度计划 对于上层问题，文献提出了一种有效的 阶段求解的数学规划模型，使得上层优化问题得到了较好的解决 然而，对于下层问题，由于其复杂的约束条件，所以很难保证解的可行性，优化就更难 因此，文献通过建立 网模型，分析并提出了在不同状态下的可调度性条件，用于验证上层生成的炼油计划是否可行，以及指导下层详细调度的生成然而，上述工作只是保证解的可行性，并没有对生成下层在详细调度过程中的多个目标进行优化由于原油短期调度问题是一个既包含有连续变量又包含有离散事件的混合系统，需要调度的任务事先未知，所以，需要在调度的过程中定义任务，导致启发式算法和元启发式算法无法直接应用 为此，文献提出了一种转换方法，将该问题转换为一个动态资源指派问题，并使用遗传算法求解该问题 基于上述问题的转换，文献以最小化蒸馏塔使用供油罐的切换成本、使用的供油罐的个数、在供油罐和管道中原油的混合成本为目标，利用多目标进化算法（，）对该问题进行求解，为决策者提供多个可供选择的优化解以上研究为了最大化生产率和保证调度的可行性，在转运时均假设采用最大速率 然而，在实际生产中，管道上有多组不同的油泵，当开启不同组数的油泵时，对应的转运速率也不同，转运速率与油泵组数之间是非线性关系 同时，在大多数情况下，在供油罐中的原油往往需要等待较长的时间后才会被蒸馏塔所使用 这不仅造成电能的极大浪费，而且会占用更多的供油罐 因此，对于转运能耗的研究是非常必要的 除了能耗优化，同时还考虑了文献中涉及的 个目标，本文建立了一个多目标优化数学模型 对于高维多目标优化问题，可以将其加权求和转换为单目标优化问题，或者直接利用多目标进化算法对其进行求解 目前，常见的多目标进化算法分为如下 类）基于 支配关系的多目标进化算法 文献提出了一种基于快速非支配排序和拥挤距离的多目标遗传算法，该算法能够较好地解决低维多目标优化问题 然而，随着目标维度的增加，存在着由选择压力过小而导致收敛性较差的问题 为了解决这一问题，文献对在 中临界层选择策略进行改进，提出基于非支配排序和基于参考点的临界层选择的多目标遗传算法（，）文献提出了基于网格的进化算法（，），该算法通过改进的网格支配和网格差异来代替传统 支配关系以增大选择算子的选择压力）基于指标的多目标进化算法 性能评价指标通常用来分析算法运行的结果，为了让算法朝着决策者偏好的方向搜索，文献提出了基于指标的进化 算 法（，）另外，选择 前沿面上“最凹”的一个点作为非支配解集有助于提高解集的收敛性和多样性，基于该思想，文献提出了基于拐点的多目标进化算法（，）文献提出了基于指标的参考点自适应多目标进化算法（，），根据前沿面的形状自动地调整参考点集的分布，提高算法在不同形状前沿面上的求解性能）基于分解的多目标进化算法 文献提出了基于分解的多目标进化算法（，），它通过将一个多目标优化问题分解为多个单目标优化子问题，接着，优化每一个子问题使得原问题得以求解 文献提出了一种基于参考向量的多目标进化算法（，），该算法通过一组预定义的参考向量指导算法朝着用户偏好的方向搜索基于该问题的特点，本文提出一种改进的染色体编码和解码策略，并对比分析了上述 种具有代表性的多目标优化算法，实验结果表明 算法在该问题上具有较好的性能 最后，将算法运行得到的非支配结果与现有的研究结果进行对比 问题描述与建模 问题描述一个典型的原油 次加工过程如图 所示，油江西师范大学学报（自然科学版）年轮在港口时卸载原油到港口的储油罐中，然后通过一条较长的输油管道，将原油最终输送到炼油厂内的供油罐中 经过一段时间的驻留等待，分离出在原油中的海水 最终，将在供油罐中的原油提供给蒸馏塔进行炼油操作图 原油 次加工过程在原油 次加工过程中，存在着很多约束 一旦违背这些约束，则调度计划将变为不可行 一般地，这些约束分为资源约束和操作约束 类 其中资源约束包括：）储油罐和供油罐的容量是有限的；）在管道中原油的流速必须在指定的范围内；）原油在储油罐、供油罐、管道以及即将到来的油船上的油量是有限的操作约束主要包括：）所有蒸馏塔在整个调度周期内不能中断炼油；）供油罐和储油罐不能同时进油和出油；）管道不能同时向 个供油罐注入原油；）为了过滤出在原油中的海水，在储油罐和供油罐中的原油在注油结束后必须等待一段时间才能使用，记为驻留时间约束；）当一个供油罐给蒸馏塔供油时，在供油罐中的原油并不能完全用完，有约 的原油会留在供油罐中，称之为罐底；）输油管道的输油速率可以在一定的范围内变化，但其费用不同 数学模型除了在原油转运过程中会产生能耗成本外，该问题中还存在一些其他的优化目标，如减少不同种类的原油在管道和供油罐中混合时由原油的品质下降而产生的经济成本、尽量少地使用供油罐和减少蒸馏塔使用供油罐的切换成本等设炼油厂内原油种类数为，蒸馏塔的个数为，为原油和原油在管道中依次流动的单次混合成本，是罐底为原油 注入原油 的单次混合成本，为原油 和原油 在管道中依次流动的次数，是罐底为原油 注入原油 的次数，为第 个蒸馏塔（）切换供油罐的次数，为的炼油任务的个数，为 的第 个炼油任务的起始供油罐，为原油在管道中转运任务的个数，为第个原油转运任务的单位时间能耗，为第 个原油转运任务的开始时刻，为第 个原油转运任务的结束时刻，为的在第 个原油进料包中需要转运原油的体积，为 的原油进料包的个数，为调度周期的长度，为 的炼油速率，和，分别为 的第 个炼油任务的开始时刻和结束时刻，为在原油转运结束后需要等待的驻留时间，为在第 个原油转运任务中的原油开始使用时间 为了形式化描述，本文建立了下述数学模型目标函数：，（），（），（），（）（）（）约束条件：，（），（），（），（）目标函数（）表示在管道中不同种类原油混合所产生的成本，即在管道中相邻的 种不同种类的原油包会在其邻接的切面位置处发生混合产生的成本；目标函数（）表示在供油罐中不同种类原油混合所产生的成本，即由于供油罐中总会剩余部分原油，所以当新注入的原油与其种类不同时，由原油品质下降而会产生一定的经济成本；目标函数（）表示蒸馏塔切换供油罐的次数；目标函数（）表示在整个调度周期内使用的供油罐的数量；目标函数（）表示原油在管道中转运所产生的电能消耗；约束（）表示任意一个蒸馏塔的所有原油进料包的体积恰好能够满足其整个调度周期的需要；约束（）表示在任意时刻时管道至多为 个供油罐输送原油；约束（）表示在调度期间蒸馏塔炼油不能中断；约束（）表示在原油转运到炼油厂内的供油罐后，只有等待一段时间以过滤出在原油中的海水，才能供蒸馏塔炼油详细短期调度计划为了介绍生成一个详细调度的过程，先给出如第 期侯 艳，等：考虑能耗优化的多目标原油短期调度问题研究下定义定义原油进料包（，），其中代表其中的原油类型，代表其中的原油体积，代表原油包的使用时间，即原油包从时刻 开始使用到时刻 结束使用定义 在 整 个 调 度 周 期 内 的 炼 油 计 划，其中 为蒸馏塔 的进料包个数定义 任务 （，），其中 代表待处理的原油类型，代表原油的体积，代表管道中原油的流速，代表原油的来源，代表原油的目的地，代表任务的执行时间，即任务从时刻 开始到时刻 结束在原油短期调度问题中的任务可以分为 类，它们分别为原油卸载任务、原油转运任务和炼油任务 在通常情况下，炼油厂会预购在未来一段时间内需要使用的原油，不妨假设在港口储油罐中的原油足够当前调度周期使用，即不考虑 任务 因此，一个详细的短期调度计划可以表示为，其中炼油任务的个数 假设 时刻，系统的状态如下：），转运了一部分或，刚结束转运；）未完成炼油计划的蒸馏塔集合为；）可用的供油罐的集合为；）原油转运速率集合为；）在已经生成的部分调度计划中蒸馏塔 的炼油结束时间为 基于文献 的思想，一个详细调度可以通过逐步确定转运任务和炼油任务得到，即根据文献 中的可调度性条件和已经生成的部分调度，逐个地产生及其对应的 最终，得到一个实现了给定炼油计划的详细调度为了确定一个 及其对应的，首先，从 中选择一个供油罐，记为，从中选择一个蒸馏塔，记为，从 中选择一个原油转运速率，记为 根据给定的炼油计划，可以确定当前需要提炼原油的类型，进而确定当前需要转运原油的类型 此时，一旦转运原油的体积 已