（计算机应用技术专业论文）火电厂燃料计划模型优化及应用研究.pdf

摘要 燃料管理是火电厂生产的核心环节，合理的燃料计划对电厂的安 全生产和经济运行起着至关重要的作用，然而目前大部分燃料管理信 息系统还停留在事务处理的阶段，难以为燃料计划的制定提供有效的 决策支持。 针对以上事实，论文在分析电厂燃料计划客观实际的基础上，结 合线性规划、整数规划、目标规划、遗传算法等方法建立了燃料计划 的优化模型，在保证电厂正常生产的前提下尽可能地降低了与燃料有 关的各项费用，为解决燃料计划中的半结构化、多层次、多目标的决 策问题提供了一套实用的解决方案。论文将燃料计划分为采购和掺烧 两大部分，分别建立了燃料计划采购模型和燃料计划掺烧模型。运用 混合整数规划、遗传算法建立了包含燃料的产地、运输、存贮等关键 要素的采购模型，解决了燃料的多点采购、采购批次和到货时间的决 策问题；运用随机规划的方法，从燃料煤质参数的复杂性和随机性出 发，在保证锅炉安全的运行和满足环境指标等前提下建立了掺烧模 型，确定了合理的配煤策略，解决了掺烧的多目标决策问题。 最后，将研究成果应用到华能岳阳电厂的燃料管理系统中，采用 模型库技术对模型进行存储和管理，并结合工作流平台和数据仓库技 术完成了系统的总体设计；燃料管理系统的具体实施为华能岳阳电厂 带来了明显的经济效益，验证了所提出模型的可行性和有效性。 关键词燃料计划，最优化，采购模型，掺烧模型，模型库 a b s 扛a c t f u e lm a n a g e m e n t p l a y s a ni m p o n a mr o l ei nc o a l f i r e dp o w e r p l a n t a r e a s o n a b l e 如e lp l a n n i n gw i uc o n t r i b u t et o 1 es e c u r i t ya n de c o n o m yo f t h e p l a m p r e s e n t l y ， m o s to fc o m m e r c i a i m a n a g e m e n t i n f o n n a t i o n s y s t e m s a r es t i l l w a i l d e r i n g 砒t l l e t r a i l s a c t i o n p r o c e s s i n gs t a g e a i l d s c a r c e l yp r o v i d e e f f e c t i v ed e c i s i o n - m a k i n g s u p p o r t a c c o r d i n g t ot h ef a c t sa b o v e ，c o n s i d e r i l l gt l l eo b j e c t i v er e a l i t yo ff u e l p l a n sf o rp o w e rp l a i l t s ，w e u s e 也eo p t i m i z a t i o n 也e o r ys u c ha s1 i n e a r p r o 秒a m m i n g ，m u h i o b j e c t i v ep r o 黟a m m i n g ，i n t e g e rp r o 鲈籼m i n 岛 s t o c h a s t i cp r o g 娜m i n ga i l dg e n e t i ca l g o r 础嗵t oe s t a b l i s hm eo p t i m a l f u e l - p l a n n i n g m o d e l i tp r o v i d e sas e to fp r a c t i c a ls o h l t i o n sf o r 曲e d e c i s i o np r o b l e mo fs e m i s t n l c t u r e ，m u l t i l a y e ra i l dm u l t i - o b j e c ti n 也e m e lp l a n n i r 培1 nn l i s a n i c l e ，廿l eo p t i m a lp r o b l e mo f 如e lp l a l l l l i n g i s d i v i d e di n t ot w op a r t sm a ta r et h ep u r c h a s i n gm o d e la n dt h eb l e r l d i n g m o d e l _ u s i n gm i x - m t e g e rp m g r a m m i n g a i l dg e n e t i ca l g o r i t hm e t h o d s ， w ee s t a b l i s ht l l e p u r c h a s i n gm o d e lm a tc o n s i s _ t so fm ec r i _ 【i c a lf a c t o r s i n c l u d i n gc o a l 缸n e ，t r a n s p o m t i o na n di n v e n t o 彤s o l v e 1 ed e c i s i o n p r o b l e m s s u c ha s m u l t i - p o i n tp u r c h a s i n g ，p u r c h a s i n g b a t c ha 1 1 d 也ea r r i v a l t i m e c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i 母锄d m er a l l d o m i z a t i o no fm e p a r a m e t e r s f b rc o a l q u a l i t y ，t o e n s u r em ep l 锄t p r o d u c t i o n a n dt l l e r e q u i r e m e n t s o fm ee n v i r o n m e n t ，、v ee s 协b l i s ht l l e b l e n d i n gm o d e l ， d e t e m i n e 也er e a s o n a b l es t r a t e g yf o rc o a l a 1 1 0 c a t i o na n dp r o v i d eo u r s o l u t i o n sf b r 也ed e c i s i o n p r o b l e m o f m u l t i o b j e c t w e a p p l yt h ee s 协b l i s h e dm o d e li n t oy o y a l l gp o w e rp l a l l t o fh u a n e n g 1 n c w eu s em em o d e l - b a s et e c _ h n o l o g yt od e n o t ea n dm a n a g em e o p t i m a lm o d e l c o m b i n e dw i t i l w b r kf l o wn a ta i l dd a t aw 豇e h o u s e t e c h n o l o g y ，w ep e d b 珊t 1 1 es y s t e md e s i g n t h ec o n c r e t ei m p l e m e m a t i o n o ft l l ef u e lm a l l a g e m e n ts y s t e mb r i n g sm eo b v i o u se c o n o m i ce 岱c i e n c y t oy 0 y a n gp o w e rp l a n to fh u an e n gi n c i tp r o v e sm ef e a s i b i l i t ya i l d v a l i d i t yo f o u rm o d e l k e yw o r d s 允e lp l a n n 洫o p t i m i z a t i o n ，p u r c h a s i n gm o d e l b l e n d i n g m o d e lm o d e l b a s e i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 ：l ：作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：筮瑷趣日期：迎垒年旦月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 沦文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：妇蔓幽b 师签名凰圭纷期：皿年互月碰日 硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题背景 第一章绪论 1 1 1 发电企业现状 随着改革开放的深入开展，我国电力工业原有的一体化垄断经营的旧体制越 来越不适应社会主义市场经济体制的要求。国家开始实施“厂网分开，竞价上网” 的电力体制改革方案【1 ，整个电力系统逐步进入商业化运营；发电企业将从目前 的电力公司中脱离出来，成为经济利益独立的发电商，并在“公平、公正、公开” 的原则下参与竞价上网。这种变革使得发电企业迫切需要引入信息化的管理方 法，以市场为核心优化资源配置，强化成本管理：而同时，信息技术的高速发展 也使传统的发电企业向高度集约化、高度知识化、高度技术化方向发展成为可能。 以华能岳阳电厂为例，华能岳阳电厂是全套引进英国g e c 设备的大型燃煤火 电厂，装机容量为2 幸3 6 2 万千瓦，建立之初由于华能集团相对于当时国内电厂 的管理创新能力以及设备技术的先进性，曾一度呈现欣欣向荣的景象。但随着电 力体制改革陆续开展，电厂面临燃料价格上涨、设备老化、管理体制落后等重重 不利条件。严峻的形式迫使电厂领导层意识到，管理的现代化需要以企业信息化 为支撑。2 0 0 1 年华能岳阳电厂开始实施e r p ( e n t e r ”i s er e s o u r c ep l a n n i n g ， 企业资源计划) 样板工程，引入全新的管理理念，尝试着走上一条真正的管理现 代化之路。 1 1 ，2 燃料管理在火电厂中的重要性 我国发电行业中占主导地位的是燃煤火力发电，这是由我国能源储备的实际 情况决定的。图1 1 和图1 2 分别给出了2 0 0 2 年发电机组装机容量构成和火电 机组装机构成。预计到2 0 5 0 年燃煤电厂装机容量仍占5 0 以上。其主导地位在 相当长一段时间内不会动摇。 8 0 7 0 6 0 q 6 5 0 9 6 4 帆 3 脯 2 帱 1 0 0 2 4 t 辎 _ ：_ 核电机组水电机组火电机组 图卜12 0 0 2 年发电机组装机容量构成 1 2 0 1 0 0 9 8 吣 6 0 * 4 0 1 6 2 0 0 9 79 嘶 0 6 丁1 4 3 硕士学位论文第一章引言 安全、经济是电厂追求的两大目标。燃料( 这里指燃煤，下文同) 在火电厂的 生产过程中有着举足轻重的作用。一方面，燃料供给在数量、质量上的稳定性是 保证电厂正常生产的基础。电厂的经营具有特殊性，如果由于燃料不到位或燃料 掺配不当造成设备故障而出现停产，将带来不可估量的损失。另一方面，火电厂 的能源消耗数量很大，华能岳阳电厂每年消耗的原煤就超过1 0 0 万吨。稳定运行 的火力发电厂。燃料成本一般占到发电成本的7 5 左右【2 。对面临市场经济挑战 的发电企业而言，抓好燃料管理工作可大大降低发电成本，减少经济损失，增强 企业的市场竞争能力。 总之，燃料管理是生产管理和经济核算的中心环节，加强燃料管理是提高电 厂综合经济效益的根本途径，采用有效的信息管理手段，在保障发电厂正常生产 的前提下，减少燃料消耗，降低燃料成本是一个非常具有现实意义的问题。 1 2国内外研究现状 1 ，2 1 国外研究现状 8 0 年代开始，随着计算机技术和控制理论的不断发展，国外火电厂优化软 件开始得以应用，并在试验和使用的基础上日趋完善。进入9 0 年代，计算机软、 硬件技术飞速发展，人机交互系统的功能不断增强，软件运行速度也成几何级增 长，同时数据库软件功能不断提升，企业管理信息系统和企业资源计划系统的应 用在国外开始普及。这些都为火电厂的优化管理软件的进一步的发展和应用提供 了条件【3 1 。以德、美为代表的欧美各国在火电厂的优化软件研究和应用主要集中 在电厂建厂时的选址优化设计，机组的快速起停的优化，控制系统的目标优化设 计以及负荷的预测、分配和调度的优化等方面【4 j 。 迄今为止，国外许多软件供货商已开发出了有各自特点的火电厂优化管理软 件，其中有代表性的有德国s i 鲫e n s 公司的s i e n e r g y 产品、美国e 1 s a gb a i l e y 公司的p e r f o r m e r 产品及瑞士a b b 公司的o p t i m a x 产品等肛6 ”。这些软件包可 整体发布或根据不同的需求分包提供给用户，已在国外近几年投产的大型火电厂 中得到了不同程度的应用”。 德国s i e m e n s 公司的优化软件包s i e n e r g y 适用于电厂的一体化运行管理。 其特点是以降低成本为核心，从燃料、设备运行费用、机组效率及主要部件寿命 损耗等多个角度出发，对电厂运行和管理进行综合优化管理。该软件包由多个粒 度较小的子软件包组成，功能涵盖了机组实时优化控制、系统优化管理、设备维 护管理、项目管理、文件管理和与其它软件的接口等方面。 美国e l s a gb a i l e y 公司p e r f o r m e r 是一个综合的大型优化管理软件包，可 根据电厂设备、予系统的运行情况和电网的需求指令来协调、指挥各个单元机组， 硕士学位论文第一章引言 使全厂工艺系统运行在最佳效率点上，从而降低电厂的运行成本，降低上网电价， 以达到提高企业经济效益的目的。 瑞士a b b 公司的0 p t i m a x 是基于w e b 应用的电厂效率计算优化软件包。 o p t i m a x 是0 p t i 删m 和m a x i m u m 的缩写，体现了软件本身能最大限度地优化电厂 生产过程的特点。该软件包也是以成本为核心，力图使机组使整个电厂在最优状 态下运行。 1 2 2 国内研究现状 电力企业属技术密集型企业，是我国应用信息技术较早的行业之一。目前信 息技术已经在电力企业的生产、建设、经营、管理、科研、设计等领域得到广泛 应用。大部分电力企业已经建设了企业内部的网络，基本实现了第一个层次的信 息共享【1 0 】。信息技术在电力企业的应用始于2 0 世纪6 0 年代初。2 0 世纪8 0 年代 中期，信息技术进入了电力系统的电网调度，电力负荷管理、管理信息系统等领 域。2 0 世纪9 0 年代，随着电力体制改革的贯彻执行，我国电力信息化进一步加 快。到2 0 世纪末，电力信息技术进一步向综合应用方向发展，由控制层、操作 层、管理层向决策层延伸，信息技术在电力系统的应用得到前所未有的发展，各 级发电企业纷纷建立各种各样的信息系统，如：燃料管理系统、办公自动化 ( o f f i c ea u t o m a t i o n ，o a ) 、生产管理系统、设备管理系统、电力市场和营销系 统、电力调度系统、送电和配电地理信息系统、呼叫中心( c a l lc e n t e r ) 等l l ”。 过去几十年里，信息技术电力企业各个专业领域得到了应用，但由于各个系 统在规划建设时没有协调一致，系统的建设时间不一致、开发人员水平不同等原 因，导致系统的硬件、操作系统、运行支撑环境、数据存储有很大的差别，系统 之间很难互相共享信息，造成了系统条块分割，形成了一个个信息孤岛，特别是 原有的管理信息系统，很多在技术上和实际是使用上还存在有较大的缺陷，不能 适应市场化企业的运营要求和业务发展的需要。因此“整合现有信息系统，建设 软件系统”平台将成为我国“十五”期间发电行业信息化工作的重点【l 。 我国发电企业优化软件的研究和应用还处于初级阶段，大多数软件处于开发 研究和试验阶段，真正成熟的、能应用于市场的产品非常少。在优化管理软件中 也有少量较好的软件，如西安热工研究院开发的汽轮机轴系故障诊断软件包h j ， 浙江大学热能工程研究所开发的优化配煤专家系统等n 2 1 。目前国内一些电厂m i s 供应商也可提供如过程信息统计分析软件、设备管理软件、项目管理软件及文档 管理软件等优化管理软件，但由于缺少相应的分析及决策软件支持，所以在实际 应用中与国外同类软件相比仍有一定差距。 我国发电企业除了像财务等极少数的部门具有比较规范的管理和数据处理 硕士学位论文第一章引言 流程以外，其他如燃料管理、计划管理、物资管理等大多数部门的管理流程和数 据处理流程都是多年以来自然形成的，投有通行的规章制度，并且我国正处在出 计划经济向市场经济过渡时期，管理方式变化较大，因此这类系统的开发和通用 信息软件产品的研制存在一定困难【l ”。 目前燃料管理系统已经在我国东北、华北等地区的多家火电厂得以实施l l 4 】， 一般具备有两个层次的功能系统：业务层功能和管理层功能。业务层功能将以前 需要人工处理的工作计算机化，满足一般工作人员的需要；管理层功能通过对业 务层功能提供的数据进行综合分析，为管理人员和领导提供“数据驱动”的决策 信息，但缺乏“模型驱动”的决策机制【l 5 1 。 火电厂是一次能源( 煤) 的消耗量大户，在我国一次能源紧张的现状和电力行 业实施“厂网分开，竞价上网”的大环境下，各火电厂必须节能降耗。为此，火 电厂火电厂燃料管理的优化技术的深入研究和完善必将进一步为电厂带来可观 的经济效益。 1 3课题来源 本课题来源于华能岳阳电厂的e i i s ( 企业信息系统集成，e m e r p r i s e i n 南r i i l a t i o nl m e 掣a t i o ns y s t e m ，企业信息集成系统) ，该系统以工作流作业调度 系统为管理平台，集成燃料管理系统、设备管理系统、运行管理系统、人力资源 管理系统、物资管理系统、财务管理系统、综合业务系统等模块，实现企业的业 务过程流转自动化、办公自动化为一体的信息化管理。 燃料管理作为e i i s 系统中的一个子系统其任务不单纯是要实现业务流程在 工作流平台上的自动流转，完成燃料的合同管理、来煤验收、统计台帐、报表生 成、燃料核算、查询等基本功能；而且需要借助模型库和模型库管理模块，在与 原有的业务处理功能有机结合的基础上为决策者提供辅助决策的功能。问题的出 发点和难点在于模型本身的设计，我们必须对燃料管理的客观实际进行抽象，划 定边界，选用适当的方法建立具有现实意义的模型，否则所谓的辅助决策只能是 空中楼阁。 1 4燃料管理的要点分析 1 4 1 煤的特性 我国动力用煤主要有长焰煤、褐煤、不粘结煤、弱粘结煤、贫煤、贫瘦煤、 气煤和少部分无烟煤。不同种类的煤，它们物理、化学特性和组成成分都有所不 同，对电厂的安全生产和经济运行也会有不同的影响。 4 硕士学位论文第一章引言 煤的物理性质主要有可磨性、磨损性、密度、堆积密度、着火温度等。这些 性质对电厂设备的运行、燃料的存贮、锅炉燃烧等都造成一定的影响。煤的主要 元素为碳、氢、氮、硫、氧五种。其中应该特别注意的是硫参与燃烧后的产物主 要是s q 和少量，它们对设备有强烈的腐蚀作用，同时排出的s d ：气体会对 大气造成严重的污染。因此，硫是煤中极其有害的一种元素，要求含量越少越好。 煤的成分中对燃烧效率影响较大的因素主要有：挥发分、灰分、水分、硫分、发 热量、灰熔融性等，它们是燃料掺烧时应该考虑的参数。 1 4 2 多矿点采购 一家电厂往往要从多个矿点采购燃料，这主要基于以下几个方面的原因： 1 国家计划由国家统一计划以及当地政府出于对实际情况的考虑，规定电厂 必须从一些规定的矿点采购燃料： 2 确保燃料供应避免矿点突发事故导致燃料短缺，影响电厂的安全生产； 3 降低生产成本电厂在满足锅炉设计参数要求的前提下，把不同质量的单煤 进行掺烧，可以降低发电成本。 1 4 3 燃料运输 火电厂所需燃料的运输量大，运输距离长，方式多。主要的运输方式有铁路 运输、水路运输、水陆联运等。目前来说，全国各矿点与电厂之间的燃料调运仍 属于国家计划的范畴。对电厂而言，主要考虑运输的数量、价格、批次、来煤方 式、到货时间。不用过多关心燃料的中转路线。 1 4 4 燃料存贮 燃料供应由于运输条件的限制，很难做到随到随用。为了保证生产联系不断 进行，电厂需要有一定数量的燃料贮备，贮备量一般分为经常贮备、保险贮备、 季节性贮备【1 6 】三个部分，如图1 - 3 所示。 各个贮备的定额以既能保证生产需要，有不至积压为原则。贮备量过多，不 仅影响电厂资金周转，而且增加贮存损耗；贮备量过少则难以调节和预防电厂到 货不均、发电负荷变化、电网运行事故等情况，直接威胁电厂的安全生产。 q 一最大贮备量；q 一经常贮备盈：q 2 一保险贮备量 图卜3 电厂燃料贮备量示意图 硕士学位论文 第一章引言 在存贮的保管方面，燃料应按品种，或按煤质分类存放。煤在露天长期存放 时，容易发生氧化变质，严重的会引起自燃。自燃会给电厂带来巨大的损失，应 采取措施极力避免。 1 4 5 燃料的掺烧 燃料的种类和性质对锅炉燃烧设备的结构选型、受热面的布置，以及运行的 经济性和可靠性都有很大的影响口”。因此，大中型电厂锅炉都是根据特定的煤 种计算、设计的。虽然各项设计指标都有一定的范围，但发电厂建成投产后，应 该尽可能供应原设计选用的煤炭品种，不能有大的偏离。对电站锅炉热力工作影 响较大的指标主要是：挥发分，灰分，水分，硫分，发热量以及灰熔融性。 燃用多煤种的电厂，应根据实际供应的煤种进行混配，以保证入炉煤质达到 设计要求的范围。掺烧的过程中，我们一般认为发热量、灰分、硫分等煤质指标 都具有可加成性。因此，将低发热量煤与高发热量煤混合，加权平均求得混合煤 的发热量高于煤质标准的技术低限值时，就可入炉烧用。 1 5论文的研究内容及章节安排 1 5 1 研究内容 论文主要进行了以下两个方面研究：首先，在深入调研的基础上，根据燃料 计划的客观事实建立合理的数学模型；另一方面，利用模型库和模型库管理技术 对模型进行存储、表达和管理，使模型的运用与业务系统相结合，实现辅助决策 的功能。 火电厂燃料计划包括燃料产地( 煤矿) 、交通运输网( 铁路、公路、海运等) 、 发电厂的存储和消费( 供电、供热) 等内容。这要求燃料计划模型能满足各环节 的各种限制条件，编制出规定周期的购煤、运煤、存煤、混煤和用煤计划，在保 证完成发电计划的前提下使燃料贿、运、存费用降至最低【l 叼。如图1 - 4 所示： ，7 。一一一一一一一。一一一+一一一一一一一一一一一一、 i 臣 t 蛩1 盈闯 、一一一一一一一一一一一一一_ 一署日i 负 旷一一一一一一一一一一一一一7 整个问题可以用一个总的目标函数来概括： 硕士学位论文 第一章引言 c = c c + c r + c m i n ( 1 _ 1 ) 公式( 1 - 1 ) 中，c 表示系统总发电燃料费；c 表示燃料购买费；c ，表示燃料运 输费；c 。表示附加费，可以是燃料在发电厂的存储和搬运费用。根据目标函数， 燃料计划问题可以描述为：在满足各种约束的条件下，使目标函数达到最小。 燃料计划本质上是一个最优化问题。论文把燃料计划的优化问题分为两个部 分考虑并建立它的数学模型。前一部分为燃料计划的采购问题，它包含燃料的购 买、运输、存贮等关键要素，需要在多矿点采购、到货批次、到货时间等问题上 做出决策。后一部分为燃料计划的掺烧问题，该问题必须考虑电厂连续生产的特 殊要求，从煤质参数的复杂性出发，建立合理的掺烧模型，根据模型制定的配煤 策略必须能保障电厂锅炉的安全运行、必须满足环境保护的各项指标，并且能够 降低燃料总的耗费成本，节约能源，提高企业的经济效益。 构建出燃料计划的数学模型后，需要对模型进行表达、存储和管理，使之能 与的企业的燃料管理信息系统相结合，从系统业务数据中动态的获得所需的参 数，模型的运行结果才能被用来辅助生产决策。实现这个目标有两个难点，一是， 我们需要构建模型库对模型进行有效的存贮、表达与管理，才能发挥模型辅助决 策得功能；二是，燃料管理信息系统中包含了大量的业务数据，必须对这些业务 数据进行综合、抽取才能获得模型所需要的实际参数。为此我们设计了合理的数 据库体系结构。 业务数据 图卜5 模型调用的架构图 1 5 2 论文章节安排 论文共分为六章。 第一章“引言”从发电企业的现状和燃料管理的重要性出发，指出合理的 燃料计划优化模型的设计和应用能够降低企业生产成本，提高企业在市场环境下 的竞争能力。同时分析了燃料管理的几个主要环节和燃料管理的特殊性，为问题 的抽象和建模提供了事实依据。 第二章“最优化理论和方法”系统的阐述了论文将要用的建模的主要理论 硕士学位论文第一章引言 和方法。论文主要应用数学规划的方法来建模，涉及到的方法主要有线性规划、 整数规划、目标规划、存贮论、随机规划以及遗传算法。 第三章“燃料计划采购模型”分别运用混合整数规划和遗传算法建立了包 含燃料的产地、运输、存贮等关键要素的数学模型，基本解决了燃料计划中的的 多点采购、采购批次和到货时间等决策问题。 第四章“燃料计划掺烧模型”从煤质参数的复杂性和随机性的角度出发， 运用随机规划的方法在满足安全生产，环保指标，降低燃料耗费成本等各方面约 束条件的情况下建立数学模型，确定了合理的配煤策略，解决了掺烧的多目标决 策问题。 第五章“火电厂燃料管理系统设计与实现” 结合所建立模型的特点设计了 模型库和模型库管理系统以实现了“模型驱动”的辅助决策的功能，提出了基于 工作流平台和数据仓库技术的燃料管理系统的总体框架，实现了业务处理和辅助 决策功能的结合。 第六章“结束语”是对全文的总结，分析了现阶段工作的不足，并以此为 基础提出了对下一步工作的展望。 8 硕士学位论文第二章最优化理论与方法 第二章最优化理论和方法 2 1 最优化理论和方法概述 2 1 1 模型与建模 模型通常被认为是客观世界或现实系统的抽象描述，是帮助人们认识、分析 和解决实际问题的有力工具。它表示了客观事物的某些特征和内在联系，体现了 某一类问题的共性。模型有三种基本形式：形象模型、模拟模型和数学模型。这 里我们感兴趣的是数学模型，它以解决某个现实问题为目的，经过分析简化从中 抽象、归结出来的数学问题就是该问题的数学模型。 模型应满足两个基本要求：一是要能完整的描述所研究的系统；二是模型应 尽量简单。建模过程是一种创造性的劳动，要正确的建立模型和对模型进行分析、 求解一般要经过以下几个步骤【1 9 l ： ( 1 )提出问题在深入调查和分析的基础上确定问题的边界和目标： ( 2 )分析与简化根据模型的目标，抓主要因素，对实际问题做一些必要的 简化； ( 3 )建立模型认定目标以后，用数学语言描述问题，建立有效的模型： ( 4 )分析并求解模型根据所建模型的性质及其数学特征，选择适当的求解 方法； ( 5 )检验并评价模型根据模型解决实际问题的情况，选择合适的标准，检 验模型的准确度，进行合理的修正； ( 6 )应用或实施模型的解把经过反复检验的模型的解( 往往是解决问题所 需要的数据、信息或方案) 用于辅助决策者做出正确的决策和行动方案。 2 1 2 最优化理论和方法 最优化理论和方法作为运筹学的一个分支，是从所有可能的方案中选择出最 合理的，达到最优目标的方案。随着生产和科学研究特别是计算机日益广泛应用 最优化理论和方法已经渗透到生产、管理、商业、军事、决策等各个领域【2 。】。 它所建立的数学模型一般是由决策变量、约束或限制条件以及目标函数所构成， 其实际表现为在约束条件允许的范围内，寻求目标函数的最优解。其中决策变量 表示模型所代表的系统总受到控制或能够控制的变量，在模型中表现为未知参 数，模型最后就是通过选定决策变量来实现其最优解；约束条件是决策变量客观 上必须满足的限制条件，它反映出实际问题中不受控制的系统变量或环境变量对 受控制的决策变量的限制关系；目标函数是模型所代表的性能指标或有效性的宏 硕士学位论文第二章最优化理论与方法 观度量，在模型中表现为决策变量的函数，反映了实际问题所要达到的理想目标 【2 ”。它数学模型的一般形式可表述为公式( 2 1 ) 的形式，其中s 为s u b j e c t t o ” 的缩写，意思为“受约束于”。 m a x 或m i n z = g 1 ，x 2 ，- ，矗l 一毋( 五，x z 一，) ( 或= ，或) o ，扛1 ，2 ，哪 ( 2 1 ) 且1 一( _ ，如，) = o ，= l ，2 ， 。2 一 2 2 论文用到的几种最优化方法 2 2 。1 线性规划 从管理的角度看，任何一个企业可供利用的资源( 包括人力、物力和财力等) 都是有限的。如何合理的利用和调配这些资源；或者是在既定任务的条件下，做 到用撮少的人力、物力和财力资源完成一定任务。这就是线性规划所要解决的问 题。它一般包括以下三个方面的要素【2 2 】： 1 ) 有一组决策变量x ，一般这些决策变量是非负的： 2 ) 确定决策变量可能受到的约束条件，用决策变量的线性等式或不等式表示； 3 ) 在满足约束条件的前提下，使某个函数值达到最大( 例如利润、收益等) 或 最小( 例如成本、运价、消耗等) 。这种函数称为目标函数，它是决策变量的线 性函数。 简单地说，线性规划问题就是求一个线性目标函数在一组线性约束条件下的 极值问题。求解线性规划的经典方法是单纯形法( s i m p l ea 1 9 0 r i th i l l ) 【2 2 1 。随 后出现的修改单纯形法、对偶单纯形法、原始一对偶单纯形法则是在单纯形法的 基础上进行了改进。 2 2 2 整数规划 在很多线性规划的实际问题中，决策变量往往代表的是人数、机器台数等整 数解。在一个规划问题中，如果它的某些变量( 或全部变量) 要取整数时，这个 规划问题被称为整数规划问题。一般的整数规划的数学模型是瞄】： m a 】【z ( 或m 协z ) = c ，x ， 。2 1 ( 2 2 ) f 舣= 6 ， 、 r ，j l z o ，工，f ，c l ，2 ，n ，x 。部分或全部为整数 从数学模型上看，整数规划似乎是线性规划的一种特殊情况，但实际上求解 整数规划问题是相当困难的，通过舍入取整得到的整数解不一定就是整数规划问 题的最优解，有时甚至不能保证所得的解是整数可行解。 i o 硕士学位论文 第二章最优化理论与方法 一般来说，整数规划的可行解集是一个有限集，因此我们可以将这个集合内 的每一个点对应的目标函数值都计算出来，然后从中找出整数规划问题的最优 解，这种方法称为完全枚举法瞄l 。完全枚举法存在的问题是计算量太大，因而 如何巧妙的构造枚举过程成了必须解决的问题。目前实际应用得较多的是在完全 枚举法基础上进行改进得到的部分枚举法，如分支定界法。分支定界法由“分支” 和“定界”两部分组成，基本思路为：将一个问题不断的分支为几个子问题的集 合，并确定新的各予问题的界限，直到求得所要求的解为止。 2 2 3 目标规划 在很多实际问题中，通常包含多个不相容的目标，且要求同时考虑。在这样 的多目标决策问题中，假设决策者对每个目标设立了一个目标值，目标规划的求 解思路是极小化各目标函数与目标值的偏差，在实际问题中需要在这些不相容的 目标之间，根据其重要性建立优先级，并按这个优先级对所有目标排序，以尽可 能实现多个目标。目标规划的一般形式如公式( 2 3 ) 所示。 ，m 痂n b 一+ 心町) j ；i f = l l ( x ) + 布一矿= 岛，f = 1 ，2 ，一，以 ( 2 - 3 ) j f g ，( x ) s o ，_ ，= 1 ，2 ，p i 酊，d o ，f _ 1 ，2 ，m 其中 只：优先因子，表示各个目标的相对重要性，且对所有的，有尸， p ，+ ”一对应优先因子j 第f 个目标正偏差的权重因子 v i ：对应优先因子_ ，第f 个目标负偏差的权重因子 d ? ：目标f 偏离目标值的正偏差 酊：目标f 偏离目标值的负偏差 x ：h 维决策向量 z ：目标约束中的函数 g ，：系统约束中的函数 ，：优先级个数 m ：目标约束个数 口：系统约束个数 求解线性目标规划主要采用单纯形法，求解非线性目标规划则包括：可分离 规划技术、渐进规划方法、二次目标规划等方法，其主要思想在于把非线性目标 规划转换成一组近似的线性目标规划。 硕士学位论文 第二章最优化理论与方法 2 2 4 随机规划 现实世界中几乎到处都有随机现象，我们把不含随机变量的规划问题称为确 定性规划问题，把含有随机变量的数学规划问题称为随机规划问题。随机规划主 要有两类数学模型：一类要求等待观察到随机变量的实现以后再作决策，简称为 “等待且看到”：另一类是在观察到随机变量任何实现之前就必须做出决策2 4 1 。 作为第二种随机规划，机会约束规划考虑到所作决策在不利情况发生时可能不满 足约束条件，而采取一些原则：即允许所作决策在一定程度上不满足约束条件， 但该决策应使约束条件成立的概率不小于某一置信水平口，否则将引起无穷大的 惩罚。可表述为： n m x ， i p r ( x ，善) ， ( 2 4 ) s r ，： 。 、 1 p r g ，( x ，善) o ，= 1 ，2 ，p 口， 公式( 2 4 ) 为机会约束规划模型，其中p r 表示 事件成立的概率，口和卢 分别是实现给定的约束条件和目标函数的置信水平。求解机会约束规划的传统方 法是根据事先给定的置信水平，把机会约束转化为各自的确定等价类，然后用数 学规划的方法求解其确定性模型。例如，设有公式( 2 5 ) 的机会约束 p 甜：x l + 2 x 2 6 ( 国) j o 9 ( 2 5 ) 其中6 ( 珊) 服从标准正态分布。显然，这一约束条件等价于 x l + 2 x 2 o - 1 ( o 9 ) ( 2 6 ) o 为标准正态分布函数。根据正态分布表，这一条件近似等价于 工l + 2 x 2 1 3 ( 2 7 ) 如果g ( x ，毒) 具有略为复杂的形式，则无法直接找到其等价的确定性约束条 件。在这种情况下，我们需要研究等价约束条件的定性性质，其中比较重要的有： 约束函数的连续性、可微性、凸性等【2 3 1 。 2 2 5 遗传算法 遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型。 它是一种能在搜索工程中自动获取和积累有关搜索空间的知识，并自适应地控制 搜索过程。从而得到最优解或准最优解的通用搜索算法。作为一种新的全局优化 搜索算法，它具有简单通用、鲁棒性强、适用于并行处理以及应用范围广等显著 特点。在标准的遗传算法中，通常是由一维的串结构数据来表示“染色体”。串 上各个位置对应“基因座”而各位置上所取的值对应“等位基因”。遗传算法处 理的是“染色体”，或者叫“基因型个体”。一定数量的个体组成了“群体”，也 1 2 硕士学位论文第二章最优化理论与方法 叫集团。群体中个体的数目称为群体的大小，也叫“群体规模”，而各个体对环 境的适应程度叫做适应度【2 4 协l 。 在遗传算法的执行过程中包含两个必需的数据转换操作：一个是把搜索空间 中的参数或解转换成遗传空间中的染色体或个体，即编码操作；另一个是前者的 一个相反操作，又叫译码操作。遗传算法的基本处理流程如图2 1 所示。 图2 1 遗传算法流程 遗传算法中，交叉算子因其全局搜索能力而作为主要算子，变异算子因其局 部搜索能力而作为辅助算子。遗传算法通过交叉和变异这一对相互配合又相互竞 争的操作而使其具备兼顾全局和局部的均衡搜索能力口6 1 。 1 3 硕士学位论文 第三章燃料计戈0 采购模型 第三章燃料计划采购模型 3 ，1 混合整数规划模型 3 1 1 问题描述 火力发电的用煤由各个煤矿运送到电厂，经存贮加工后，送入锅炉进行燃烧。 采购模型包古了燃料计划矿点、运输、存贮三个环节。 如何多个供应点采购的问题可以归咎为一个分配问题，这样的问题已经被 c 加胛、勘抽研究过1 2 7 l ，利用他们的研究结果可以德出采购的最优的分配方案( 即 各个时段从哪些矿点采购，采购多少) 。而在鼢汜 蜊m 8 1 的论文中把已知的 分配方案作为输入，运用混和整数规划的方法来确定燃料运输批次和每批燃料的 到货时间。库存是与燃料的购买和运输都紧密相关的问题，在勋d 鲥a j 的论文 中对库存模型【2 9 1 进行了讨论。 由于燃料的分配，运输和库存紧密相关，在论文中把它们作为一个整体来考 虑，分为三个方面m ”j ： ( 1 )确定需要采购的燃料的总数，以及从各个供应点所采购燃料的数量。 ( 2 )根据运输容量( 比如轮船的运输吨位) 的限制、合同的细则以及其他管 理方面的因素确定运输的批次： ( 3 )确定各个时段的到货时间以满足各个时段电厂的生产需求，既要保证电 厂的安全库存，又要使燃料的存储费用降到最低。 目前，电厂的管理中以上三步基本上是人工实现的，即使有优化也大多是从 主观出发，或具有局限性。论文运用混合整数规划的方法来寻找最优的解决方案。 模型的输入参数为国家计划情况，各个供应点供煤品种、价格和供应量限制，电 厂的卸煤、存贮、耗煤情况等，决策变量为规划周期内从各供应点采购燃料的数 量以及各时间段的到货批次安排。模型的目标是在满足各种约束的条件下使燃料 采购费用( 包括购买、运输和存贮费用) 降至最低。其中受整数约束的决策变量 是各时间段的到货批次。 3 1 2 模型设计 在这个模型中，我们用x 代表从供应点f 采购燃料的数量，为了确定燃料的 到货时闻，我们把规划周期分为互不重叠的p 个时段。燃料可以通过水运或铁路 到达电厂，假设水运到港的货轮的吨位有咔( 幻删q 鲈，幻疗na _ 弘2 f 0 朋母舻，) ， 而经铁运到达的载货量有s 种( 0 耐，f 。口d ：如耐。) 。吨位和载货量按类划分， 因此，和s 的值都不会太大。设r 和丁”分别为可以经水路和铁路运输燃料到电 硕士学位论文第三章燃料计划采购模型 厂的供应点序列，电厂和矿点的地理位置都相对固定，一般固定通过最方便或成 本最低的方式运输燃料，因此模型假设r 和r ”之间没有交集。另外，我们在采 购模型中只考虑燃料种类的大致配比，更细节问题在掺烧模型中考虑，不妨设供 应点f 提供的煤都属于同一种类，且只通过铁运或水运的一种来运输燃料，则供 应点f 燃料的单位购买和运输费可用e 表示。设整型变量。为在时间段七经水 运来自于供应点f 的吨位为f o n 玎咄，的燃料批数，整型变量m ，。为在时间段经 铁运来自于供应点f 的吨位为幻耐。的燃料批数。从各个矿点来的煤按煤质参数的 不同大致分为w 类，分别存贮于不同的储煤场中。为了描述不同时期的库存情况， 我们用s 。来代表第w 种煤在七时段结尾时的库存情况。并且t 时段的目标库存 用研来表示。 模型要满足下面7 种约束关系： ( 1 )受国家计划或地方政策的影响，某些时候我们希望来自于特定供应点的 燃料供应量与总供应量的比在某个特定范围之内。如华能岳阳电厂计内煤的总量 约有4 0 ，约束条件如公式( 3 1 ) 所示： x 。p 。x ， “ ( 3 1 ) 置p j ：x ， l e z 。 l 二i 这里，z + 代表有特定约束的供应点序列，n 和p 。：分别代表占总供应量的最高 和最低的百分比。 ( 2 )各个供应点不仅有最大供应量的限制，也因为基于管理和经济性方面的 考虑，一旦从某个供应点采购燃料，其采购量往往需要高于某个阀值： 置茎阻 ( 3 。2 ) 爿。瓯，f _ 1 ，2 ，搠 ( 3 )来自于各个供应点的燃料供应总数应该大于电厂的燃料需求总数： y 爿。d ， ( 3 3 ) 智 ( 4 )在t 时段，第w 种煤的接收量和消耗量满足库存平衡方程( 3 4 ) ，方程 中第一项为t 一1 时段末的库存，第二项为铁运来煤量，第三项为水运来煤量，第 四项为时段燃料的消耗量： & ( “) + m * 幻 n 呼，+ 心f o 咀一厶( 置；f + ) = ( 3 _ 4 ) e w ，= li e w i = i ，= 1 ，2 ，女= 1 ，2 ，p ， 硕士学位论文 第三章燃料计划采购模型 缈是能提供第w 种煤的供应点序列。根据煤质参数的不同把燃料分为w 类，这 里，。表示在时段七，第w 种煤的消耗总消耗量。我们规定每个时段第w 种煤的 消耗量与规划周期内总消耗量的比等于该时段燃料需求量与总需求量的比。则 。( 五；f ) = ( q d ) 置 ( 3 5 ) f e 矽一 ( 5 ) 我们已经把燃料分为w 类，采购过程中必须先确定各种燃料的大致配比， 为下一步的掺烧工作打好基础。 ( 五) d = 己， w = 1 ，2 ， ( 3 6 ) j 公式( 3 6 ) 表示第w 种煤的供应量与总供应量之间满足某个比例关系r 。 ( 6 ) 某个时段，港口可以卸船的工