綜合性石油公司原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

馬 楠，董豐蓮，楊 磊，殷基明，常家溫，葉 橋

（1.中國石油規(guī)劃總院，北京 100083；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

0 引言

我國大型綜合性石油公司的原油產(chǎn)業(yè)鏈大多實(shí)行上下游、內(nèi)外貿(mào)、產(chǎn)供銷一體化管理，業(yè)務(wù)涵蓋石油開采、進(jìn)口、運(yùn)輸和加工成成品銷售給用戶的全過程，業(yè)務(wù)流程長、環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)間相互關(guān)聯(lián)且聯(lián)系密切。在國際原油價(jià)格劇烈波動、市場需求瞬息萬變等內(nèi)外部復(fù)雜形勢下，如何以市場為導(dǎo)向優(yōu)化資源配置，科學(xué)銜接原油產(chǎn)業(yè)鏈“產(chǎn)、煉、運(yùn)、銷、儲、貿(mào)”各環(huán)節(jié)，將計(jì)劃編制模式由傳統(tǒng)的手工平衡向模型化、平臺化、智能化轉(zhuǎn)變，是綜合性石油公司提高盈利能力的關(guān)鍵問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，其與運(yùn)籌優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合為破解該問題提供了思路。

1 原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)的必要性

國內(nèi)大型綜合性石油公司的原油產(chǎn)業(yè)鏈包含“產(chǎn)、煉、運(yùn)、銷、儲、貿(mào)”等環(huán)節(jié)，石油公司通過物流、信息流和價(jià)值流的整合，將各方面連成一個整體的功能網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)。原油產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)運(yùn)行過程：在上游，石油公司通過原油開采和原油采購獲得原油資源，通過原油物流把原油資源配送到各煉化企業(yè)或者外銷；在下游，煉化企業(yè)通過原油加工生產(chǎn)出各種石化產(chǎn)品，并在各煉化企業(yè)間實(shí)現(xiàn)部分化工原料互供；產(chǎn)出或采購的成品油通過成品油一次物流和二次配送，在各銷售終端進(jìn)行批發(fā)、零售或出口；通過倉儲對原油資源和產(chǎn)品進(jìn)行平衡。由此可見，原油產(chǎn)業(yè)鏈具有鏈條長、各環(huán)節(jié)之間緊耦合、產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行主體之間相互依賴以及影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)。

原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)包括原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型和系統(tǒng)平臺兩個部分，一體化優(yōu)化模型是生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化決策方案的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)平臺是模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)支持和分析平臺，同時(shí)是原油價(jià)值鏈“優(yōu)化-計(jì)劃-效益測算-結(jié)果分析”的全過程管理平臺。原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)的必要性體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）通過原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型生成計(jì)劃優(yōu)化決策方案。由于綜合性石油公司原油產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模龐大，涉及的環(huán)節(jié)及業(yè)務(wù)眾多，一體化程度高，制訂原油產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃時(shí)，需要綜合考慮國際基準(zhǔn)原油價(jià)格走勢、原油生產(chǎn)能力和生產(chǎn)成本、進(jìn)口原油價(jià)格和可采購量、原油運(yùn)輸成本及運(yùn)輸能力、煉化生產(chǎn)能力及生產(chǎn)成本、成品油運(yùn)輸能力和運(yùn)輸成本、成品油國內(nèi)需求情況和銷售價(jià)格、成品油外采價(jià)格和可外采量、成品油出口能力和出口價(jià)格等眾多因素。如何在保證滿足各種約束條件下制訂出符合石油公司整體效益最大化要求的生產(chǎn)方案是企業(yè)面臨的一個難題。傳統(tǒng)的手工排產(chǎn)方法很難制訂出合理、優(yōu)化的生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃，而且在市場快速變化時(shí)，難以迅速作出反應(yīng)，以及采取相應(yīng)經(jīng)營策略，因此有必要應(yīng)用運(yùn)籌優(yōu)化理論和技術(shù)，建立涵蓋石油公司原油產(chǎn)業(yè)鏈“產(chǎn)、煉、銷、運(yùn)、儲、貿(mào)”各環(huán)節(jié)，以公司整體效益最大化為目標(biāo)，以產(chǎn)品終端市場價(jià)值為導(dǎo)向的原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型，并應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法對模型進(jìn)行求解，自動生成優(yōu)化方案，為年度、季度、月度計(jì)劃編制提供決策依據(jù)。

（2）通過系統(tǒng)支撐計(jì)劃優(yōu)化整體工作。第一，原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型運(yùn)算所需的參數(shù)眾多，為實(shí)現(xiàn)模型的快速測算，有必要建立數(shù)據(jù)支撐平臺，為模型提供原油運(yùn)費(fèi)、成品油運(yùn)費(fèi)、煉化加工費(fèi)等基礎(chǔ)參數(shù)，以及原油和煉化產(chǎn)品的價(jià)格預(yù)測數(shù)據(jù)和需求預(yù)測數(shù)據(jù)等。第二，石油公司根據(jù)模型優(yōu)化結(jié)果制訂出計(jì)劃方案后，還需要進(jìn)行原油產(chǎn)業(yè)鏈整體和分環(huán)節(jié)主營生產(chǎn)業(yè)務(wù)“毛利”和“利潤”的精細(xì)測算，為預(yù)判整體及分環(huán)節(jié)生產(chǎn)效益情況提供量化依據(jù)。第三，綜合性石油公司的生產(chǎn)計(jì)劃涉及多個管理層級的多個單位，參與方眾多，需要對建議計(jì)劃上報(bào)和正式計(jì)劃下達(dá)的全過程進(jìn)行統(tǒng)一管理，提高計(jì)劃編制的協(xié)同效率，保證計(jì)劃數(shù)據(jù)的一致性。在計(jì)劃下達(dá)后，需要開展執(zhí)行跟蹤分析工作，推動優(yōu)化工作持續(xù)改進(jìn)。

綜上，有必要建立支撐綜合性石油公司涵蓋“計(jì)劃優(yōu)化-計(jì)劃管理-效益測算-完成分析”全過程的原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)，支持原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型計(jì)算、支持計(jì)劃方案的精細(xì)化測算、支持生產(chǎn)計(jì)劃的協(xié)同編制、支持計(jì)劃執(zhí)行分析，助力公司原油產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展和效益提升。

2 原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型設(shè)計(jì)

根據(jù)我國綜合性石油公司原油產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)情況，一體化優(yōu)化模型在業(yè)務(wù)問題上包括“產(chǎn)、煉、銷、運(yùn)、儲、貿(mào)”6 大業(yè)務(wù)領(lǐng)域，模型涵蓋原油生產(chǎn)、原油進(jìn)口、國內(nèi)原油采購、原油外售、原油運(yùn)輸、原油倉儲、煉化生產(chǎn)、成品油外采、成品油運(yùn)輸、成品油倉儲、成品油銷售以及成品油出口共12 個模塊。模型設(shè)計(jì)包括目標(biāo)設(shè)計(jì)、約束設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、決策變量設(shè)計(jì)以及模型運(yùn)算求解方法設(shè)計(jì)等部分。

2.1 目標(biāo)設(shè)計(jì)

模型業(yè)務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司原油價(jià)值鏈整體效益最大化。在數(shù)學(xué)建模中用目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行反映，原油價(jià)值鏈整體效益目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)成和運(yùn)算關(guān)系如下：

目標(biāo)函數(shù)=總部銷售物料總收入-總部采購物料總成本+庫存價(jià)值變化-總部物料運(yùn)輸成本+集成的所有煉廠物料銷售收入-集成的所有煉廠物料采購成本-集成的所有煉廠公用工程成本+集成的所有煉廠庫存價(jià)值變化

2.2 約束設(shè)計(jì)

針對實(shí)際業(yè)務(wù)問題，對該問題的生產(chǎn)過程作出以下約束：①某物料在某地的采購量上下限；②某物料在某地的銷售量上下限；③各種運(yùn)輸能力上下限；④某物料在某地的庫存量上下限；⑤某物料在某地點(diǎn)的進(jìn)銷存平衡、煉廠物料平衡約束等。

2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）整體運(yùn)行參數(shù)方面：包括公司所有物料、節(jié)點(diǎn)、運(yùn)輸方式、管線等元素，以及采購、銷售、庫存、運(yùn)輸?shù)膬r(jià)格、上下限等信息。

（2）生產(chǎn)單元參數(shù)方面：包括物料、物性、裝置、公用工程等基本元素，以及原料和產(chǎn)品價(jià)格、裝置能力、裝置收率和物性傳遞系數(shù)等信息。

2.4 決策變量設(shè)計(jì)

決策變量包括各自產(chǎn)原油的產(chǎn)量、在各口岸進(jìn)口的各品種原油的量、各品種原油經(jīng)各種運(yùn)輸方式運(yùn)送到各煉廠或外單位的量、各主要原油管道運(yùn)輸量、各煉廠加工的各品種原油量、采購的其他原材料量、各裝置加工量、各產(chǎn)品產(chǎn)量以及各銷售區(qū)域分品種、分銷售渠道的銷量等27 類變量。

2.5 模型運(yùn)算求解方法

根據(jù)上述目標(biāo)函數(shù)、參數(shù)、決策變量和約束方程，進(jìn)行原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化數(shù)學(xué)建模，數(shù)學(xué)模型構(gòu)建之后，進(jìn)行模型求解。通過建?？芍蛢r(jià)值鏈計(jì)劃優(yōu)化問題屬于線性規(guī)劃問題，采用線性求解方法進(jìn)行優(yōu)化求解。

3 原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型基礎(chǔ)上，圍繞“優(yōu)化-計(jì)劃-效益測算-結(jié)果分析”全過程管理的系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，基于業(yè)務(wù)需求調(diào)研和分析，設(shè)計(jì)原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)包括市場預(yù)測、資源優(yōu)化、效益測算、計(jì)劃管理、優(yōu)化分析、綜合展示、模型管理、數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)管理等9 大功能模塊。

（1）市場預(yù)測模塊。提供對公司原油產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的原油、成品油、煉油小產(chǎn)品和化工品內(nèi)市場數(shù)據(jù)的查詢分析功能，在此基礎(chǔ)上結(jié)合定價(jià)規(guī)則和對市場的預(yù)判，實(shí)現(xiàn)分品種原油、成品油、化工產(chǎn)品的價(jià)格計(jì)算、預(yù)測、管理和查詢功能，以及成品油銷量的預(yù)測和管理功能，同時(shí)為一體化優(yōu)化模型運(yùn)算提供數(shù)據(jù)輸入服務(wù)。

（2）資源優(yōu)化模塊。建立涵蓋公司“產(chǎn)、煉、銷、運(yùn)、儲、貿(mào)”各環(huán)節(jié)，以公司整體效益最大化為目標(biāo)的一體化優(yōu)化模型。應(yīng)用優(yōu)化模型開展年度、季度、月度生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃方案測算，開展針對公司生產(chǎn)經(jīng)營和戰(zhàn)略規(guī)劃中熱點(diǎn)、焦點(diǎn)問題的專題分析工作，為公司生產(chǎn)運(yùn)行和戰(zhàn)略規(guī)劃提供支持。

（3）效益測算模塊?；诠境跖庞?jì)劃數(shù)據(jù)、預(yù)測價(jià)格數(shù)據(jù)和財(cái)務(wù)成本數(shù)據(jù)，構(gòu)建原油產(chǎn)業(yè)鏈效益測算模型，實(shí)現(xiàn)原油產(chǎn)業(yè)鏈整體效益和原油生產(chǎn)、煉化加工、產(chǎn)品銷售分環(huán)節(jié)的效益測算，分自產(chǎn)原油和外購原油的噸原油加工毛利測算，為更加精確地解析產(chǎn)業(yè)鏈效益，以及分析不同方案的優(yōu)劣提供量化依據(jù)。

（4）計(jì)劃管理模塊。開發(fā)公司級的生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃編制、上報(bào)、下達(dá)的功能，提升生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃業(yè)務(wù)的規(guī)范化水平和計(jì)劃一本賬管理能力，滿足公司級生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃管理系統(tǒng)縱向延伸和橫向擴(kuò)展的需求。

（5）優(yōu)化分析模塊。通過集成優(yōu)化、計(jì)劃、實(shí)際完成數(shù)據(jù)，提供價(jià)格、銷量預(yù)測數(shù)據(jù)和實(shí)際完成情況的自動對比分析功能，優(yōu)化方案和生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃的自動對比分析功能，計(jì)劃方案和實(shí)際完成的自動對比分析功能，優(yōu)化方案跟蹤分析功能，促進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化工作持續(xù)改進(jìn)。

（6）綜合展示模塊。對系統(tǒng)產(chǎn)生的優(yōu)化方案測算結(jié)果、專題分析結(jié)果進(jìn)行形象化、直觀化、具體化呈現(xiàn)，提供多方案對比展示，提供計(jì)劃完成情況結(jié)果的展示，為原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)提供多場景、多模式的可視化服務(wù)。

（7）模型管理模塊。提供嚴(yán)格的優(yōu)化基礎(chǔ)模型和報(bào)表模板變更、發(fā)布的流程，保證基礎(chǔ)模型和報(bào)表模板版本統(tǒng)一、權(quán)威。

（8）數(shù)據(jù)管理模塊。實(shí)現(xiàn)原油產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)采集、外部數(shù)據(jù)采集和集中存儲管理，打造先進(jìn)、穩(wěn)定、安全的集成數(shù)據(jù)環(huán)境，為原油價(jià)值鏈的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供保障。

（9）系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊主要是為系統(tǒng)管理員提供的后臺系統(tǒng)管理的相關(guān)功能，包括權(quán)限管理、文檔管理、安全管理和數(shù)據(jù)字典管理等，為系統(tǒng)正常運(yùn)行提供基礎(chǔ)配置和安全服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是圍繞業(yè)務(wù)邏輯和應(yīng)用頻次進(jìn)行設(shè)計(jì)的架構(gòu)模式，服務(wù)由單一應(yīng)用程序構(gòu)成并擁有自己的行程與輕量化處理流程，采用全自動方式進(jìn)行部署，服務(wù)之間使用應(yīng)用程序接口進(jìn)行交互。這種架構(gòu)模式使得系統(tǒng)在面對業(yè)務(wù)變化和系統(tǒng)升級維護(hù)方面具有較強(qiáng)的容錯性和可擴(kuò)展性。為應(yīng)對內(nèi)外部環(huán)境和系統(tǒng)性能需求的不斷變化，目前諸多行業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)已由單體系統(tǒng)向微服務(wù)方向發(fā)展。

對于綜合性石油公司原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)，在應(yīng)用的過程中不可避免地要面臨業(yè)務(wù)需求的變化、快速迭代升級的問題，因此有必要采用微服務(wù)架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。

3.2.2 基于微服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)整體按照集成數(shù)據(jù)層、模型及邏輯處理層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)原油價(jià)值鏈優(yōu)化業(yè)務(wù)特點(diǎn)和功能架構(gòu)，在邏輯處理層，將優(yōu)化模型計(jì)算、預(yù)測和測算等數(shù)據(jù)處理計(jì)算、計(jì)劃流程管理、分析和展示等報(bào)表管理、系統(tǒng)管理功能設(shè)計(jì)成獨(dú)立服務(wù)，整體采用微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每項(xiàng)服務(wù)采用獨(dú)立的技術(shù)路線進(jìn)行分布式研發(fā)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐效果

某大型綜合性石油公司按照前述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)及實(shí)踐，建立了包含40 多萬個變量、10 多萬個方程、80 萬條數(shù)據(jù)，涵蓋公司原油產(chǎn)業(yè)鏈“產(chǎn)、煉、運(yùn)、銷、儲、貿(mào)”全鏈條的一體化優(yōu)化模型，在模型建設(shè)的基礎(chǔ)上，基于微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)了涵蓋市場預(yù)測、資源優(yōu)化、效益測算等9 大模塊的原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)。

2021 年以來，該系統(tǒng)在某大型綜合性石油公司的計(jì)劃優(yōu)化、計(jì)劃管理和生產(chǎn)經(jīng)營決策中得到了深入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了公司生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃編制和分析工作由線下到線上、由人工估算到定量計(jì)算、由量的平衡到量效綜合優(yōu)化的轉(zhuǎn)化，提升了原油產(chǎn)業(yè)鏈計(jì)劃編制工作效率和科學(xué)決策水平，對優(yōu)化資源配置、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、市場布局及提升公司整體盈利能力發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié)論及展望

建設(shè)和應(yīng)用原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)是綜合性石油公司生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃管理工作邁向平臺化、數(shù)字化和智能化的重要途徑。系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和運(yùn)籌優(yōu)化技術(shù)結(jié)合，可為原油產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃制訂和分析工作提供重要決策平臺，助力公司整體效益提升。后續(xù)應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)可從兩個方面進(jìn)一步完善：第一，隨著原油價(jià)值鏈一體化優(yōu)化模型應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，應(yīng)用深度逐步深入，模型的顆粒度將更為細(xì)化，在管道運(yùn)輸、成品油銷售方面需進(jìn)一步拓展，提升原油產(chǎn)業(yè)鏈決策水平；第二，原油價(jià)值鏈優(yōu)化系統(tǒng)是集團(tuán)公司生產(chǎn)經(jīng)營管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，系統(tǒng)給出的優(yōu)化方案將朝著形象化、直觀化、具體化方面持續(xù)改進(jìn)，決策過程將向智能分析方面持續(xù)提升。