基于多目標優(yōu)化的CNG站點規(guī)模規(guī)劃—以武漢市為例

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

1 引言

隨著國家對于節(jié)能和環(huán)保問題的重視，關(guān)于清潔能源汽車的研究受到越來越多的關(guān)注。壓縮天然氣（CNG）車輛作為代表的天然氣汽車已成為一個重要的發(fā)展方向。和普通汽車相比CNG車輛的造價更低，而且相比之下能夠減少15%-20%的CO2排放。我國的CNG汽車在近幾十年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，截至2015底我國的CNG汽車總量已經(jīng)達到了496萬輛，并且已經(jīng)有十二個地級市的CNG保有量超過了10萬輛。

CNG站點網(wǎng)絡的建設(shè)作為CNG車輛發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，受到了很多研究者的關(guān)注。但大多數(shù)的研究都是圍繞成本-效益來進行的，本文運用多目標優(yōu)化的方法，并結(jié)合F-AHP將CNG站點網(wǎng)絡的經(jīng)濟性、安全性和便利性進行綜合考慮，從而對于CNG站點網(wǎng)絡的建設(shè)進行優(yōu)化。

2 CNG站點網(wǎng)絡建設(shè)優(yōu)化模型的建立

一些復雜的決策問題中存在多個相互沖突的目標，而使這些目標在給定區(qū)域內(nèi)盡可能的得到優(yōu)化的問題，就是多目標優(yōu)化問題。而本文關(guān)于CNG站點網(wǎng)絡建設(shè)的優(yōu)化需要考慮經(jīng)濟性、便利性和安全性，這三個目標之間并不是統(tǒng)一，不能同時達到最優(yōu)的狀態(tài)，因此對此優(yōu)化問題屬于多目標優(yōu)化的范疇。為解決不同目標之間的沖突，首先建立了不同目標的目標函數(shù)，并在求出其不同目標的最優(yōu)解后，對其進行了標準化處理。然后通過相關(guān)文獻的查閱設(shè)定了關(guān)于不同目標之間的權(quán)重。最后通過標準化公式和權(quán)重的結(jié)合組成了最終的目標函數(shù)，并結(jié)合約束條件對其求解。

2.1 數(shù)學模型的建立

2.1.1 目標函數(shù)。這個模型需要對經(jīng)濟性、安全性和便利性三個目標進行量化處理，再通過對其賦予權(quán)重的方式，將這三個目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為最終的目標函數(shù)方程。在此對于不同目標的函數(shù)的建立進行相應的說明。

（1）經(jīng)濟性目標函數(shù)。經(jīng)濟目標方程如公式（1）所示：

其中E(qi)是CNG加氣站的綜合經(jīng)濟收益；xi表示不同類型加氣站的數(shù)量，從1到3分別代指母站、子站和標準站[1]。

其中綜合經(jīng)濟收益如公式（2）所示：

其中Ei0是總收益；Ei1是可變成本；Ei2是固定成本；Ei3是期間成本；η是稅率。

為成本的計算，在這里以標準站為基準計算其他加氣站的成本，如公式（3）所示[2]：

其中Xi為母站或子站的加氣能力；X3是標準站的加氣能力；Pf是物價修正指數(shù)。

（2）安全性目標函數(shù)。根據(jù)CNG加氣站發(fā)生事故原因的統(tǒng)計，其安全事故的發(fā)生多是由于設(shè)備所引起的，規(guī)模越大、設(shè)備越復雜發(fā)生事故的幾率越高。故在此通過模糊綜合評定法對于每種加氣站主要設(shè)備的安全性進行分析，并結(jié)合AHP對于每種加氣站的安全性進行評分。同時根據(jù)每種加氣站所占的比例劃分權(quán)重，從而對于加氣站的整體安全性進行評定。其結(jié)果如公式（4）所示：

其中Vi是每種加氣站安全性的評分；N是加氣站的總數(shù)量。

（3）便利性目標函數(shù)。本文對于CNG加氣站的便利性，從地理位置和加氣速度兩方面進行判斷。在此用模糊綜合評定法對于每種加氣站的便利性進行分析，并結(jié)合AHP對于每種加氣站的便利性進行評分。同時根據(jù)加氣站的比例劃分權(quán)重，從而對其整體的便利性進行評定。其結(jié)果如公式（5）所示：

其中V'是每種加氣站安全性的評分；N是加氣站的總數(shù)量。

2.1.2 約束條件。對于三個目標函數(shù)的約束條件主要包括：能源供需之間的平衡、在經(jīng)濟投入和成本之間的平衡和三種加氣站數(shù)量之間的要求。其結(jié)果如公式（6）所示：

其中ai是每種加氣站平均日產(chǎn)氣量；ci是每種加氣站的投資金額；S2是子站和母站之間的數(shù)量比例；c0是母站的最大數(shù)目；cg是子站的最大數(shù)目。

2.2 模糊層次分析法(F-AHP)的概念和步驟

模糊層次分析法是運用模糊關(guān)系合成原理，結(jié)合模糊評定法和層次分析法全面、定量的對方案或效果進行評價的方法。在進行模糊層次分析法時首先要確定關(guān)于對象的準則層和指標層，其次需要對評語等級論域，本文選取評語論域V={很好(8-10)、比較好(6-8)、一般(4-6)、較差(2-4)、很差(0-2)}，接著需要構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣，然后需要通過判斷矩陣確定各項的權(quán)重，最后根據(jù)評分情況和各項的權(quán)重確定目標層的評分[3]，見表1。

表1 模糊層次分析法打分標度

3 武漢市CNG加氣站網(wǎng)絡建設(shè)的優(yōu)化

3.1 武漢市相關(guān)數(shù)據(jù)

以武漢市為例對CNG加氣站網(wǎng)絡建設(shè)進行優(yōu)化，其中的數(shù)據(jù)主要來自《武漢市燃氣專項規(guī)劃（2013-2020）》和相關(guān)的可查數(shù)據(jù)，表2是約束條件的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 約束條件的相關(guān)數(shù)據(jù)

其中a和C分別指加氣站的日產(chǎn)氣量和投資成本，1到3分別是指母站、子站和標準站；Q是武漢市的計劃需求量；C是武漢市的計劃投資成本。武漢市標準站場地及設(shè)備費用見表3。

關(guān)于經(jīng)濟目標中的收益和變動成本的數(shù)據(jù)，取現(xiàn)階段的天然氣購置價格、CNG的售價以及工業(yè)的費用，在這里便不再列舉出來。

3.2 武漢市CNG加氣站網(wǎng)絡建設(shè)的優(yōu)化計算

3.2.1 總體權(quán)重的設(shè)計。對于此優(yōu)化模型中三個目標函數(shù)所對應權(quán)重，本文是通過文獻搜集的方法完成的。本文中一共查閱了中國知網(wǎng)中78篇關(guān)于CNG加氣站的文章，其中有17篇提到了關(guān)于經(jīng)濟性、安全性和便利性評價[9-25]，在此其對于不同目標的重視情況進行了整理，其結(jié)果見表4。有5篇只對于經(jīng)濟性和安全性給出了中立的評價，其中有一篇并未提到便利性。故此認為中立性評價的文章有4篇。設(shè)定權(quán)重的時候?qū)⒅辛⑿栽u價的文章平分加入其他幾種文章數(shù)量里，并以此數(shù)量比作為各個項的權(quán)重值，其權(quán)重的結(jié)果為w=(0.58,0.21,0.21)。

表3 武漢市標準站場地及設(shè)備費用

表4 文獻數(shù)據(jù)結(jié)果

3.2.2 經(jīng)濟性目標函數(shù)的設(shè)置和標準化。將關(guān)于武漢市的數(shù)據(jù)帶入約束條件和相關(guān)經(jīng)濟目標函數(shù)之中，其約束條件如式（7）所示：

其中關(guān)于母站、子站和標準站的收益（萬元）為：E(q1)=339.58;E(q2)=15.26;E(q3)=57.14，經(jīng)濟的目標函數(shù)為公式（8）所示：

結(jié)合約束條件解得：Max A=5 872.3；x1=9；x2=18；x3=50；將其進行標準化處理得到公式（9）：

3.2.3 安全性目標函數(shù)的設(shè)置和標準化。CNG加氣站的安全問題，多歸結(jié)在其設(shè)備方面。并且其規(guī)模越大，設(shè)備越復雜發(fā)生事故的概念就越高，故本文用F-AHP的方法對于CNG加氣站的安全性進行評價，并以設(shè)備作為評價要素。對于不同加氣站其主要的組成設(shè)備也有所不同，故將其設(shè)備分為通用設(shè)備、脫硫設(shè)備和拖車這三種，安全性評價指標系統(tǒng)見表5。

表5 安全性評價指標系統(tǒng)

關(guān)于CNG母站、子站和標準站的成對比較矩陣，見表6至表8。

表6 CNG母站安全性的成對比較矩陣

一致性檢驗：C.R.=0.051 6＜0.1

表7 CNG子站安全性的成對比較矩陣

表8 標準站安全性的成對比較矩陣

這個領(lǐng)域的10位專家對這三種加氣站的安全性進行了評分，其結(jié)果見表9至表11。

表9 對于CNG母站安全性的評分

表10 對于CNG子站安全性的評分

表11 對于CNG標準站安全性的評分

本文中三種不同加氣站在安全性中的權(quán)重由不同加氣站所占的比例決定，其權(quán)重為：w1=(x1/N,x2/N,x3/N)。將每種加氣站的評分放入矩陣Ri中，結(jié)合其指標層中各因素的權(quán)重wi和評語論域v來決定每種加氣站的得分，其如公式（10）所示：

其中v=(9,7,5,3,1)T

根據(jù)公式（4），帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)得：

結(jié)合約束條件得到：Max B=62.6 x1=0;x2=0;x3=61;將其標準化后得到公式（12）：

3.2.4 便利性目標函數(shù)的設(shè)置和標準化。對于CNG加氣站的便利性評價，主要從內(nèi)部和外部兩個方面考慮。外部主要是站點所處的地理位置，而內(nèi)部主要是其加氣的速度。本文用F-AHP的方法對于其便利性進行評價，并以此兩點作為評價要素。表12為對其便利性的評價指標系統(tǒng)。

表12 便利性的評價指標系統(tǒng)

關(guān)于CNG母站、子站和標準站的成對比較矩陣，見表13至表15。

表13 CNG母站便利性的成對比較矩陣

表14 CNG子站便利性的成對比較矩陣

表15 標準站便利性的成對比較矩陣

本文中有在這個領(lǐng)域的10位專家對這三種加氣站的便利性進行了評分，其結(jié)果見表16至表18。

表16 對于CNG母站便利性的評分

表17 對于CNG子站便利性的評分

表18 對于CNG標準站便利性的評分

本文中關(guān)于三種不同加氣站便利性的權(quán)重由不同加氣站所占的比例決定，其權(quán)重為：w2=(x1/N,x2/N,x3/N)。將每種加氣站的評分放入矩陣Ri中，結(jié)合其指標層中各因素的權(quán)重wi和評語論域v來決定每種加氣站的得分，如公式（13）所示：

其中v=(9,7,5,3,1)T

根據(jù)公式（5），帶入相關(guān)的數(shù)據(jù)得：

結(jié)合約束條件可知Max C=62.5；x1=9；x2=18；x3=33；將其標準化后的公式（14）：

3.2.5 最終目標函數(shù)的設(shè)置和結(jié)果的計算。結(jié)合文獻整理所得到的權(quán)重將關(guān)于經(jīng)濟性、便利性和安全性的三個目標函數(shù)構(gòu)成一個新的目標函數(shù)，其結(jié)果如公式（15）所示:

將相應的約束條件帶入其中得：Max D=0.99；x1=9；x2=18；x3=52，即將建立9座CNG母站、18個CNG子站和52個標準站。本文的結(jié)果考慮到經(jīng)濟性、便利性和安全性三個方面的要素，其結(jié)果和武漢市的專項規(guī)劃結(jié)果(x1=9,x2=18,x3=49)相比比較接近，說明其規(guī)劃方法具有一定的合理性。

4 小結(jié)

隨著新能源車輛受到越來越多的關(guān)注，作為天然氣車輛代表的CNG汽車的發(fā)展也得到了更多的關(guān)注。對于CNG站點規(guī)模的規(guī)劃中，大多數(shù)文獻只考慮到關(guān)于經(jīng)濟性的指標對其的影響。本文以武漢市為例結(jié)合便利性、經(jīng)濟性和安全性，為其規(guī)模規(guī)劃提供了新的視角。整個過程以多目標優(yōu)化為基礎(chǔ)，通過對各項目標設(shè)置權(quán)重的方法將三個函數(shù)結(jié)合在一起。由于安全性和便利性很難直接對其進行量化，故在這里運用F-AHP的方法對其進行評價從而實現(xiàn)其量化過程，并以標準化的方法消除各式之間的單位。希望能對今后CNG網(wǎng)絡站點的規(guī)劃與建設(shè)提供一定的指導。

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