基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制方法

技术领域

本发明涉及工程管理技术领域，具体涉及一种基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制方法。

背景技术

近年来，随着我国天然气消费量的增加，天然气市场的储气保供能力凸显不足，季节性矛盾突出，冬季天然气保供成为重中之重。特别是在华北地区，天然气需求冬夏峰谷差在10倍以上。随着我国LNG储罐建设技术的成熟和建设成本的降低，LNG接收站将以其特有的运行优势，成为中国天然气储备调峰的生力军。为了保证LNG接收站的安全运营，有必要对LNG接收站的储备调峰能力进行科学准确的预测。LNG接收站作为LNG供应链的重要环节，是LNG接收、储存、中转、气化、外输的重要基础设施。为保障接收站的正常运营，必须匹配好接收站的外输量、储备水平与订货计划之间的关系。

从对国内外LNG接收站储备调峰能力与订货计划的调研、查新可知，目前，国内在LNG接收站储备管理控制方面显得相对滞后，若能针对LNG接收站的实际情况，提供一种有效的储备控制策略并在此基础上对调峰方案进行优化，则能大大改善企业的储备管理效率，提高安全供气能力。

因此，有必要从LNG接收站储备管理的角度出发，建立一种基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制方法。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制方法，保证安全供气和降低总的交易成本，并且寻求两个目标之间的平衡。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1)研究LNG接收站随机需求静态策略滚动决策流程，在当前决策时间点确定未来M期内的储备控制策略，只采用第一期的储备决策，确定下一次的到货时间点和订购量；在需求实现后，根据每一期的需求实现，更新期末储备水平，同时进行滚动的需求预测更新需求信息；

步骤2)建立基于滚动计划的LNG接收站随机需求静态策略储备控制模型；

步骤3)研究LNG接收站随机需求静动结合策略滚动决策流程，需要建立M期的混合整数规划模型，单执行第一期的储备决策，在需求实现后，根据储备水平的更新和滚动的需求预测，在下次决策时间重复以上过程直至计划期T末；

步骤4)建立基于滚动计划的LNG接收站随机需求混合整数规划模型。

进一步地，步骤1)制定储备控制策略，按照需求的发生是否具有随机性可以将需求分为确定需求和随机需求，确定需求是指一定时间内的需求量是确定的，不具有随机性；随机需求是指一定时间内的需求量是一个随机变量。随机需求的需求量在一定的时间内既可以服从同一分布，可以服从不同的分布。

进一步地，步骤2)LNG接收站的订货计划通常根据LNG的两种需求情况进行制定：一种情况是根据销售计划制定订货计划，这类需求属于确定型需求；另一情况是根据LNG的实际需求情况制定订货计划，由于市场波动、价格调整、气候变化等诸多因素的影响，LNG的实际需求分布随时间变化，属于随机需求。

进一步地，步骤3)所述策略是一个按顺序排列的决策组合的集合；由过程的第k阶段开始到终止状态为止的过程，称为问题的后子过程。由每段的决策按顺序排列组成的决策函数序列{u

从允许策略集合中找出达到最优效果的策略称为最优策略。

进一步地，步骤4)中，确定过程由一个状态到另一个状态的演变过程。若给定第k阶段状态变量S

进一步地，所述方法还遵循以下步骤：

划分阶段：按照问题的时间或空间特征，把问题分为若干个阶段；

选择状态：将问题发展到各个阶段时所处于的各种客观情况用不同的状态表示出来；每阶段的储备量及储备成本是本问题的状态变量；

确定决策并写出状态转移方程：之所以把这两步放在一起，是因为决策和状态转移有着天然的联系，状态转移就是根据上一阶段的状态和决策来导出本阶段的状态；

写出规划方程(包括边界条件)：规划方程是每阶段总成本的表达式，是订货量、储备量、单位成本的函数。

进一步地，所述动态规划方法的关键在于正确地写出基本的递推关系式和恰当的边界条件。从边界条件开始，逐段递推寻优，在每一个子问题的求解中，均利用了它前面的子问题的最优化结果，依次进行，最后一个子问题所得的最优解，就是整个问题的最优解。

进一步地，所述动态规划方法是既把当前一段和未来各段分开，又把当前效益和未来效益结合起来考虑的一种最优化方法。每段决策的选取是从全局来考虑的，与该段的最优选择答案一般是不同的。

进一步地，在求整个问题的最优策略时，由于初始状态是已知的，而每段的决策都是该段状态的函数，故最优策略所经过的各段状态便可逐次变换得到，从而确定了最优解。

有益效果：

本发明通过将储备管理与控制理论、运筹学理论与LNG接收站运营特点有机结合，建立了LNG接收站储备调峰能力预测方法、形成了LNG接收站储备控制策略，实现了接收站应急调峰能力的定量把握；以降低交易成本为目标，实现了LNG接收站年度订货计划的自动优化；建立了基于滚动计划的储备控制模型，实现了订货计划的实时调整，具体是：

1)可对各建设期接收站的外输能力、储备能力、储备时间有一个定量的认识；

2)通过接收站储备能力影响因素分析，对船型选择、合理安排船期、储罐数量的确定有一定参考价值；

3)储备能力研究，对液化天然气项目远期规划及功能定位的调整具有一定的指导意义。

4)LNG接收站调峰能力研究以数学建模的方法对LNG接收站调峰能力、不同影响因素情况下调峰天数进行研究，实现对LNG调峰能力定量掌控，可为合理制定季节调峰计划提供参考依据，为调峰期间船运计划提供基础参数。

5)将物流系统理论中的供应链储备管理理论LNG接收站相结合，以提高LNG接收站运营可靠性，降低储备成本，提高经济效益为目标对LNG储备控制研究。

6)对接收站的储备进行管理与控制，防止接收站发生缺货或超货，保证接收站的储备量能时刻满足下游市场需求的同时，储罐有足够的剩余储存空间接纳船的卸货量，确保接收站及码头的正常工作；

7)对接收站的订货计划进行研究，为最优订货量和订货点的确定提供决策支持，对船型选择、合理安排船期有一定参考价值；该研究方法与成果对其他己建、拟建接收站具有较好的参鉴作用

8)国内首次从LNG接收站的角度出发，应用非平稳需求储备控制相关理论建立LNG接收站储备控制模型。

综上所述，对接收站储备能力、调峰能力、储备管理与控制的研究具有重要意义，该技术市场广阔，运用前景巨大。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

制定储备控制策略，按照需求的发生是否具有随机性可以将需求分为确定需求和随机需求，确定需求是指一定时间内的需求量是确定的，不具有随机性；随机需求是指一定时间内的需求量是一个随机变量。随机需求的需求量在一定的时间内既可以服从同一分布，可以服从不同的分布。

LNG接收站的订货计划通常根据LNG的两种需求情况进行制定：一种情况是根据销售计划制定订货计划，这类需求属于确定型需求；另一情况是根据LNG的实际需求情况制定订货计划，由于市场波动、价格调整、气候变化等诸多因素的影响，LNG的实际需求分布随时间变化，属于随机需求。

本发明旨在研究如何制定以销售计划为客户需求的LNG年度计划，其基本思路是运用动态规划的方法建立LNG接收站确定需求储备控制策略。

1动态规划理论

1.1动态规划的基本方法

动态规划诞生于20世纪50年代，是运筹学的一个分支，也是解决多阶段决策最优化问题的一种数学方法。

(1)多阶段决策过程

在生产和科学实验中，有一类活动的过程，由于它的特殊性，可将过程分为若干个相互联系的阶段，在它的每一个阶段都需要作出决策，从而使整个过程达到最好的活动效果。各个阶段决策的选取不是任意确定的，它依赖于当前面临的状态，又影响以后的发展。当各个阶段决策确定后，就组成了一个决策序列，因而也就决定了整个过程的一条活动路线。这种把一个问题可看做是一个前后关联具有链状结构的多阶段过程就称为多阶段决策过程，也称序贯决策过程。这种问题就称为多阶段决策过程。

在多阶段决策问题中，各个阶段采取的决策，一般来说是与时间有关的，决策依赖于当前的状态，又随即引起状态的转移，一个决策序列就是在变化的状态中产生出来的，把处理它的方法称为动态规划方法。

(2)动态规划基本概念及数学描述

1)阶段

把所给问题的过程，恰当地分为若干个相互联系的阶段，以便能按一定的次序去求解。描述阶段的变量称为阶段变量，常用k表示。阶段的划分，一般是根据时间和空间的自然特征来划分，但要便于把问题的过程能转化为多阶段决策的过程。

2)状态

状态表示每个阶段开始所处的自然状况或客观条件，它描述了研究问题过程的状况，又称不可控因素。描述过程状态的变量称为状态变量。它可用一个数、一组数或一向量来描述。

3)决策

决策表示当过程处于某一阶段的某个状态时，可用作出不同的决定(或选择)，从而确定下一阶段的状态，这种决定称为决策。在最优控制中也称为控制。描述决策的变量，称为决策变量。它可用一个数、一组数或一向量来描述。常用u

4)策略

策略是一个按顺序排列的决策组合的集合。由过程的第k阶段开始到终止状态为止的过程，称为问题的后子过程。由每段的决策按顺序排列组成的决策函数序列{u

在实际问题中，可供选择的策略有一定的范围，此范围称为允许策略集合，用P表示。从允许策略集合中找出达到最优效果的策略称为最优策略。

5)状态转移方程

状态转移方程是确定过程由一个状态到另一个状态的演变过程。若给定第k阶段状态变量S

上式描述了由k阶段到k+1阶段的状态转移规律，称为状态转移方程。

6)指标函数和最优值函数

用来衡量所实现过程优劣的一种数量指标，称为指标函数。它是定义在全过程和所有后部子过程上确定的数量函数。常用V

对于要构成动态规划模型的指标函数，应具有可分离性，并满足递推关系。即V

指标函数的最优值，称为最优值函数，记为f

(3)动态规划基本方程

通常，k阶段与k+1阶段的递推关系式可写出

边界条件为

f

这种递推关系式称为动态规划的基本方程。

(4)动态规划解题模式

动态规划的设计遵循下列步骤：

划分阶段：按照问题的时间或空间特征，把问题分为若干个阶段。注意这若干个阶段一定要是有序的或者是可排序的，否则问题就无法求解。

选择状态：将问题发展到各个阶段时所处于的各种客观情况用不同的状态表示出来。状态的选择要满足无后效性。每阶段的储备量及储备成本是本问题的状态变量。

确定决策并写出状态转移方程：之所以把这两步放在一起，是因为决策和状态转移有着天然的联系，状态转移就是根据上一阶段的状态和决策来导出本阶段的状态。所以，如果我们确定了决策，状态转移方程也就写出来了。但事实上，我们常常是反过来做，根据相邻两段的各状态之间的关系来确定决策。本课题中的决策是每阶段的优化订货量，而状态转移是上期的剩余储备是下期的输入变量。

写出规划方程(包括边界条件)：本问题的规划方程是每阶段总成本的表达式，是订货量、储备量、单位成本的函数。

(5)动态规划基本思想

1)动态规划方法的关键在于正确地写出基本的递推关系式和恰当的边界条件。从边界条件开始，逐段递推寻优，在每一个子问题的求解中，均利用了它前面的子问题的最优化结果，依次进行，最后一个子问题所得的最优解，就是整个问题的最优解。

2)在多阶段决策过程中，动态规划方法是既把当前一段和未来各段分开，又把当前效益和未来效益结合起来考虑的一种最优化方法。每段决策的选取是从全局来考虑的，与该段的最优选择答案一般是不同的。

3)在求整个问题的最优策略时，由于初始状态是已知的，而每段的决策都是该段状态的函数，故最优策略所经过的各段状态便可逐次变换得到，从而确定了最优解。

(6)动态规划的最优性原理和最优性定理

动态规划的最优性原理：“作为整个过程的最优策略具有这样的性质：即无论过去的状态和决策如何，对前面的决策所形成的状态而言，余下的诸决策必须构成最优策略”。

动态规划的最优性定理：设阶段数为n的多阶段决策过程，其阶段编号为k＝0，1，…，n-1

允许策略

式中

1.2逆推解法

已知初始状态为s

从第n阶段开始，则有

其中D

在第n-1阶段，有

其中s

在第k阶段，有

其中s

如此类推，直到第一阶段，有

其中s

由于初始状态s

1.3顺推解法

设已知终止状态s

已知终止状态s

从第一阶段开始，有

其中

在第二阶段，有

式中

如此类推，直到第n阶段，有

其中

由于终止状态s

2基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制方法

2.1符号说明

本发明的研究对象是LNG接收站确定需求即年度销售计划前提下的储备控制策略，研究目标是以订货成本和储备持有成本之和最小为目标，制定确定需求的储备控制策略，即确定计划期内的订货时间点和各时间点的订购量。模型的参数说明如下：

T：给定计划期，根据现场调研，以月为订货周期，对于年度计划以一年为计划期；

D

r：订货周期贷款利率；

X

I

I

υ：可变订货成本，与订购量成正比；

h：单位周期内单位LNG的储备持有成本，包括资金占用成本，储存成本，管理成本等；

V

2.2基于动态规划的LNG接收站确定需求储备控制模型

基于动态规划的LNG接收站确定需要储备控制策略解决的问题是系统总成本最小的订货计划。系统的总成本包括订货成本和储备持有成本。

设D

h

V

数学模型可表示如下：

约束条件如下：

用动态规划方法来求解，把它看做一个n阶段决策问题。令I

X

状态转移方程为

I

最优值函数f

因此可以写出顺序递推关系式为：

为了保证安全供应，第k-1阶段末的储备量I

边界条件为f

计算各阶段的f

实施例2储备控制模型验证

根据上一年度实际运营数据数据输入模型，调用“订货计划”/“自动优化”模块，生产订货计划，优化结果见表1。

表1订货计划优化结果

为应对冬季用气高峰，实现夏储冬用，可在现货价格较低的4、5、6、7月采购现货，实现调峰储备。由于A地LNG接收站检修，8月B地LNG接收站承担了较高的供气任务，出现了夏季高峰，因此不再选择8月为“夏储”时间段，选择供气任务6、7月为“夏储”时间段。具体方案，为减少冬季接收站运营压力，可减少11月一次到货计划，将其调整到7月。为应对8月高峰，可在6月增加一次到货，以此减少8月一次到货。可见本发明提供的方法预测的储备水平与实际的储备水平曲线重合度较高，预测精度高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。