孫曉偉　海波

摘 要：“世界一流港口”“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出對(duì)港口履行社會(huì)責(zé)任和高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求，激勵(lì)港口更加自覺(jué)地應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)，推進(jìn)技術(shù)革新。但節(jié)能減排技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入與港口的能源、環(huán)境、碳排放綜合效益博弈是擺在港口面前的重要問(wèn)題?；诖?，本研究采用線性規(guī)劃方法，以綜合經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最小化為目標(biāo)，以能源、環(huán)境、碳排放和技術(shù)需求為約束，探討了一種集裝箱碼頭節(jié)能減排優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以期為建設(shè)世界一流港口和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供思路。

關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭;節(jié)能減排技術(shù);碳達(dá)峰;優(yōu)化;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：U656.1+35? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）10-0089-03

從全球范圍的各行業(yè)來(lái)看，交通運(yùn)輸業(yè)在世界能源消費(fèi)和溫室氣體排放中所占比重均超過(guò)20%，且隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國(guó)際合作的越發(fā)頻繁，交通運(yùn)輸行業(yè)呈現(xiàn)不斷上升的發(fā)展態(tài)勢(shì)。因此，交通運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排責(zé)任重大。

港口是我國(guó)綜合交通運(yùn)輸?shù)闹匾獦屑~，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略資源和重要支撐。港口快速發(fā)展的同時(shí)，港口能耗、碳排放和港區(qū)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，為實(shí)現(xiàn)港口綠色低碳發(fā)展，港口的節(jié)能減排建設(shè)至關(guān)重要。近年來(lái)，國(guó)家也不斷出臺(tái)政策，對(duì)港口的高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求。2019年11月，我國(guó)九部門聯(lián)合出臺(tái)關(guān)于建設(shè)世界一流港口的指導(dǎo)意見(jiàn)，提出了安全便捷、智慧綠色、經(jīng)濟(jì)高效、支撐有力、世界先進(jìn)5部分16個(gè)指標(biāo)，并提出2025年、2035年和2050年3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的世界一流港口建設(shè)目標(biāo)。2020年習(xí)近平總書(shū)記多次在國(guó)際會(huì)議上提到碳達(dá)峰、碳中和，提出力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！笆澜缫涣鞲劭凇薄半p碳”目標(biāo)的提出，無(wú)疑給港口提出了更高的要求，倒逼港口在追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，要更加積極的履行社會(huì)責(zé)任，減低能耗、減少污染、降低碳排放。節(jié)能減排技術(shù)投入可以很好地解決這一問(wèn)題。然而，港口資金有限，可用于港口的節(jié)能減排技術(shù)眾多，如何博弈港口經(jīng)濟(jì)成本和能耗、環(huán)境、碳排放的綜合社會(huì)效益之間的利弊是港口企業(yè)面臨的重大難題。

基于此，本研究以典型的碼頭類型-集裝箱碼頭為研究對(duì)象，探討了一種節(jié)能減排優(yōu)化控制方案，旨在實(shí)現(xiàn)港口的經(jīng)濟(jì)、能源環(huán)境效益最大化，更好地服務(wù)于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通運(yùn)輸行業(yè)。

1研究對(duì)象

本研究以集裝箱碼頭為研究對(duì)象，研究區(qū)域包含典型的集裝箱碼頭的生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，主要包括：①碼頭前沿區(qū)域（以卸船為例），其主要作業(yè)過(guò)程為岸邊集裝箱起重機(jī)將集裝箱從船舶卸到集裝箱卡車上;②水平運(yùn)輸區(qū)域，主要作業(yè)過(guò)程為集裝箱卡車將集裝箱從碼頭前沿運(yùn)輸?shù)蕉褕?chǎng)/港外;③堆場(chǎng)區(qū)域，主要作業(yè)過(guò)程為集裝箱正面吊/軌道式/輪胎式集裝箱起重機(jī)將集裝箱從集卡上卸到堆場(chǎng)，正面吊/堆高機(jī)/叉車用于集裝箱理貨。

2優(yōu)化方法

本研究主要采用線性規(guī)劃的方法建立優(yōu)化模型，并在模型建立過(guò)程中應(yīng)用了0-1整數(shù)規(guī)劃。線性規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)中研究較早、發(fā)展較快、應(yīng)用廣泛、方法較成熟的一個(gè)重要分支，它是輔助人們進(jìn)行科學(xué)管理的一種數(shù)學(xué)方法，是研究線性約束條件下線性目標(biāo)函數(shù)的極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)理論和方法。其廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)分析、管理和工程技術(shù)等方面。線性規(guī)劃方法可為合理地利用有限的人力、物力、財(cái)力等資源作出的最優(yōu)決策;解決稀缺資源最優(yōu)分配，使付出的費(fèi)用最小或獲得的收益最大，為管理提供科學(xué)的依據(jù)。

0-1整數(shù)規(guī)劃是一種特殊形式的整數(shù)規(guī)劃，這種規(guī)劃的決策變量?jī)H取值0或1，故稱為0-1變量或二進(jìn)制變量。0-1 變量可以數(shù)量化地描述諸如開(kāi)與關(guān)、取與棄、有與無(wú)等現(xiàn)象所反映的離散變量間的邏輯關(guān)系、順序關(guān)系以及互斥的約束條件，0-1整數(shù)規(guī)劃所得結(jié)果是確定性最優(yōu)解，不會(huì)陷入局部最優(yōu)，為滿足實(shí)際需要只需要修改條件函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)即可，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單直觀。

3優(yōu)化模型建立

利用運(yùn)籌學(xué)線性規(guī)劃方法，以集裝箱碼頭節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用的綜合經(jīng)濟(jì)成本最小化為目標(biāo)，以能源、環(huán)境、碳排放等為約束條件，建立集裝箱碼頭節(jié)能減排技術(shù)優(yōu)化模型，用于探討最佳的節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用的工藝和設(shè)備配置方案，同時(shí)也為仿真驗(yàn)證的輸入提供可能性。

3.1目標(biāo)函數(shù)

基于港口生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)既以生產(chǎn)盈利為目標(biāo)，又要考慮能源、環(huán)境和社會(huì)責(zé)任，故本研究的優(yōu)化目標(biāo)以港口節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用的綜合經(jīng)濟(jì)費(fèi)用最小化為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)主要分為兩部分，一部分為投入費(fèi)用，一部分為收益。投入費(fèi)用主要指集裝箱碼頭為不同港口生產(chǎn)設(shè)施/節(jié)能減排項(xiàng)目的投資費(fèi)用。收益主要指集裝箱碼頭不同設(shè)備/節(jié)能減排項(xiàng)目所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，主要包括節(jié)能效益、減污效益、降碳效益和政策補(bǔ)貼收益。目標(biāo)函數(shù)方程如下：

3.1.1節(jié)能減排技術(shù)的投資費(fèi)用

i代表集裝箱碼頭不同的生產(chǎn)/非生產(chǎn)設(shè)施， i=1、2、3、4、5、6、7、8分別代表岸邊集裝箱起重機(jī)、軌道式集裝箱起重機(jī)、輪胎是集裝箱起重機(jī)、集裝箱卡車、正面吊、堆高機(jī)、叉車、其他;j代表集裝箱碼頭采取的不同的節(jié)能減排技術(shù)， j=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分別代表能量回饋技術(shù)、永磁電機(jī)技術(shù)、“油改電”技術(shù)、“油改氣技術(shù)”、靠港船舶使用岸電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、空氣源熱泵技術(shù)、地源熱泵技術(shù)、水源熱泵技術(shù);代表港口設(shè)施i采用節(jié)能減排技術(shù)j的數(shù)量，臺(tái)或套或項(xiàng);代表港口設(shè)施i采用節(jié)能減排技術(shù)j的單位投資費(fèi)用，萬(wàn)元/（臺(tái)或套或項(xiàng)）。

3.1.2節(jié)能效果收益

該項(xiàng)主要指采用節(jié)能減排技術(shù)節(jié)約的能源成本費(fèi)用。

3.1.3減污效果收益

該項(xiàng)主要指采用節(jié)能減排技術(shù)減少的污染物排污稅。

3.1.4降碳效果收益

該項(xiàng)主要指采用節(jié)能減排技術(shù)減少的碳排放帶來(lái)的碳交易收益。

3.1.5政策補(bǔ)貼收益

代表單位港口設(shè)施i采用節(jié)能減排技術(shù)j后政府補(bǔ)貼費(fèi)用，萬(wàn)元/（臺(tái)或套或項(xiàng)）。

3.2約束條件

為了讓優(yōu)化目標(biāo)產(chǎn)生最優(yōu)解，需要設(shè)置模型的約束條件，本研究的約束條件設(shè)置的主要依據(jù)有：交通運(yùn)輸、綠色港口和地方“十四五”規(guī)劃、港口未來(lái)在節(jié)能減排的投資費(fèi)用、節(jié)能減排技術(shù)選擇等方面，主要包括能源約束、環(huán)境約束、碳排放約束、投資約束、技術(shù)約束等。具體約束如下：

3.2.1能源約束

該項(xiàng)指集裝箱碼頭采用節(jié)能減排技術(shù)后的能源消耗需滿足碼頭“十四五”規(guī)劃和當(dāng)?shù)卣咭?guī)定的該集裝箱碼頭最低能源消耗要求。

3.2.2環(huán)境約束

該項(xiàng)指集裝箱碼頭采用節(jié)能減排技術(shù)后的環(huán)境污染物排放量滿足碼頭“十四五”規(guī)劃和當(dāng)?shù)卣咭?guī)定的該集裝箱碼頭最低污染物排放要求。

3.2.3碳排放約束

該項(xiàng)指集裝箱碼頭采用節(jié)能減排技術(shù)后的碳排放量滿足碼頭“十四五”規(guī)劃和當(dāng)?shù)卣咭?guī)定的該集裝箱碼頭最低碳排放要求。

3.2.4技術(shù)約束

假設(shè)集裝箱碼頭某一設(shè)施在節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用時(shí)，僅同時(shí)投資應(yīng)用一種技術(shù)。

3.2.5其他約束條件

集裝箱碼頭應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù)的設(shè)施數(shù)量小于碼頭現(xiàn)有設(shè)施數(shù)量。

4模型應(yīng)用建議及展望

本研究建立的集裝箱碼頭節(jié)能減排優(yōu)化模型綜合考慮了大部分能在集裝箱碼頭應(yīng)用的典型節(jié)能減排技術(shù)，具有一定范圍的普適性。

（1）在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，建議節(jié)能減排技術(shù)的能源、環(huán)境、碳排放和經(jīng)濟(jì)效益等數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面采用平均值，更能反饋港口的水平。

（2）在目標(biāo)設(shè)置方面，可靈活設(shè)置碼頭投資成本，分析不同投資成本下的決策方案，以便為決策者提供更多選擇方案。

（3）在模型結(jié)果應(yīng)用方面，本研究以節(jié)能減排設(shè)施數(shù)量為因變量，可作為仿真模型的輸入，與仿真模型建立聯(lián)系，通過(guò)仿真的暢通性來(lái)互相驗(yàn)證優(yōu)化模型結(jié)果。

（4）在模型情景分析方面，可通過(guò)設(shè)置不同的能耗情景、碳排放情景，分析港口的節(jié)能減排技術(shù)投資分配和綜合經(jīng)濟(jì)成本，從而為港口提供更多的可行方案。另外，還可以增加時(shí)間變量，通過(guò)設(shè)置某年的碳排放量最大，為不同碳達(dá)峰時(shí)間情景下的節(jié)能減排技術(shù)投入和行動(dòng)方案提供思路。

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