燃氣專項規劃柔性規劃方法研究

摘 要

摘要：介紹了柔性規劃方法。結合燃氣專項規劃實例，探討了柔性規劃在燃氣專項規劃中的應用，得到了綜合考慮初始投資額與補償投資額的總體最優方案。提高了規劃方案對規劃區域發展
摘要：介紹了柔性規劃方法。結合燃氣專項規劃實例，探討了柔性規劃在燃氣專項規劃中的應用，得到了綜合考慮初始投資額與補償投資額的總體最優方案。提高了規劃方案對規劃區域發展建設水平的適應性，增強了方案的靈活性。
關鍵詞：燃氣專項規劃；柔性規劃；不確定性；等微增率準則；多場景預估方法
1 概述
   燃氣專項規劃[1～2]是以城市總體規劃和詳細規劃為基礎，結合當地輸配系統發展特點編制的綜合技術成果。由于其上位規劃在編制、實施過程中不可避免地存在不確定性，因此燃氣專項規劃應在適度超前、合理配置的原則指導下，統籌氣源分配，考慮系統適度冗余，使規劃成果對城市發展具備一定彈性，滿足規劃區域發展要求。
    隨著我國城市化進程持續提速，城市規劃、發展、建設過程中的不確定性越發顯著，這類不確定性在城市周邊新興工業、產業園區的建設過程中體現得更為突出。因此科學合理規劃城市燃氣輸配系統，保證系統技術經濟合理可行的同時，對城市發展建設保有適當彈性，是當前城市燃氣規劃編制過程中應考慮的重要問題。
2 規劃不確定性的影響與常規應對方法
    市場經濟中的規劃認為未來是不確定的[3]。當前我國城市燃氣專項規劃對上位規劃實施過程中的不確定性考慮較少，造成輸配系統過度冗余或短時間內不能滿足用戶需求。
    輸配系統過度冗余的影響僅限于技術經濟層面，對于系統運行無不利影響，但將造成人力、物力、財力的大量浪費，系統投資回報率低，經濟性差。輸配系統規模偏小則不能滿足用戶需求，需要對現狀供氣系統進行改造，往往涉及破路施工，對燃氣輸配系統的正常運行、周邊地區交通運輸和市容環境造成負面影響，對路面下其他專業管道構成潛在威脅，同時浪費了有限的路由資源。
    目前為了應對規劃區域發展的不確定性，常采用的方法有人為增大系統冗余度、敷設綜合管溝、預留管道走廊等。由于這些方法造價過高或主觀性過強，在工程實踐中應用效果不佳。
3 柔性規劃方法概述
    考慮到使用常規規劃方法難以解決燃氣專項規劃編制過程中，由于上位規劃實施的不確定性帶來的負面影響，本次研究嘗試使用柔性規劃方法解決此類問題。
    柔性規劃方法目前主要應用于電網規劃中，該方法通過考慮各不確定因素對規劃結果的影響，使最終規劃方案能夠適應未來環境的可能變化，并以最小的代價彌補因可能出現的環境變化而造成的損失[4]。假設有兩個燃氣輸配系統規劃方案(S1與S2)，S1是運用傳統啟發式規劃法[5]得到的最優方案，S2則是考慮了不確定性因素影響的柔性規劃方案。兩方案在不同環境下的費用比較見圖1。
 

    圖1中，波動費用是指當預想環境變化至可能環境后，方案S1、S2為了適應變化而增加的費用。可見雖然在預想環境下S1比S2投資費用省，但當未來環境發生變化后，S1比S2付出了更多的追加費用(y1-y2)，因此S2比S1具有更好的靈活性與適應性。柔性規劃的意義在于通過在規劃前期增加少量資金投入，使系統能夠更加適應未來可能的變化，即無論未來環境如何變化，柔性規劃方案都能以較少的追加投入來適應這種變化。采用柔性規劃方法總體上可以節省大量的資金和物資。
    本次研究把柔性規劃方法的理念引入燃氣輸配系統規劃中，通過對燃氣輸配系統規劃方案進行柔性規劃校核，得到更能適應城市發展的規劃方案。
4 柔性規劃方法在燃氣專項規劃中的應用
    根據規劃邊界條件的不同和不確定信息的處理方法差異，柔性規劃方法分為柔性約束規劃法、基于盲數模型的柔性規劃法、考慮線路被選概率的柔性規劃法和基于等微增率準則的柔性規劃法。結合燃氣專項規劃特點，選擇基于等微增率準則的柔性規劃法進行研究，該方法實施步驟如下。
    ① 負荷增長不確定性的處理
    負荷增長的不確定性是燃氣輸配系統規劃中的主要不確定性因素，可用多場景預估方法處理。根據歷史用氣負荷和上位規劃提供的基礎數據，采用常規方法得到規劃區域的燃氣負荷預測值，稱為基本場景用氣負荷q0。對該區域發展前景與目標實現程度進行判斷，以基本場景用氣負荷q0為基礎，提出多個可能場景用氣負荷qi，可用下式表示：
    qi=xq0    (1)
式中qi——第i種可能場景用氣負荷，m3/h
    x——可能場景用氣負荷與基本場景用氣負荷之間的關系系數
    q0——基本場景用氣負荷，m3/h
    從機理上講，多場景預估方法類似于枚舉法，不同于對不確定性信息直接建模的處理方式。多場景預估方法繞過了對不確定性信息的直接分析與處理，將規劃中的不確定性問題轉化為多個確定性問題，降低了求解難度，提高了計算速度。式(1)中，x的取值范圍可以通過德爾菲法、專家調查法、層次分析法等多種方法獲得。
    ② 負荷增長不確定性的校核
    得到關系系數x后，需要進行校核工作。要根據規劃區域上游氣源的供應規劃，校核最大可能場景用氣負荷是否在上游氣源供應能力范圍之內。若超出上游氣源供應能力范圍，應以上游氣源對規劃區域的最大供氣量作為可能場景用氣負荷的最大值，并指導燃氣用戶發展，確保有限的燃氣資源得到合理利用。
    ③ 初始投資額與補償投資額的確定
    通過對負荷增長不確定性的處理與校核，每種可能場景中的負荷量已經確定，因此采用常規方法即可求得該場景下燃氣輸配系統的最優投資方案及最優投資額Ci，Ci也稱為初始投資額。當由可能場景變為負荷最大場景時，在最優投資額基礎上的投資額增量△Ci稱為補償投資額。在工程實際中，初始投資額與補償投資額往往成相反趨勢關系，且二者之和并不單調上升。
    ④ 建立投資模型
    根據柔性規劃原理，尋找最能適應規劃不確定性的方案，即尋找下式中F的最小值。
    F=C+△C    (2)
式中F——可能場景下的總投資額，元
    C——可能場景下的初始投資額，元
    △C——可能場景下的補償投資額，元
   根據上文的分析，將C與△C簡化為只與負荷q有關，則有：
    C=f(g)    (3)
    △C=g(g)    (4)
   將式(3)、(4)代入式(2)，得：
    F=f(q)+g(q)    (5)
   ⑤ 基于等微增率準則的規劃方案求解
   規劃方案中初始投資額與補償投資額的關系見圖2。
 

根據式(5)和圖2可知，欲使F最小，需要在橫軸上找到一點A(用氣負荷為qa)，過點A作橫軸的垂線，該垂線與初始投資額曲線和補償投資額曲線相交所得到的線段最短，曲線與垂線交點的斜率就是該點的等微增率，即
 
   用氣負荷qa對應的負荷場景即為規劃最佳負荷場景，求出qa后，該場景下由常規方法得到的最優燃氣輸配系統方案即為最優的柔性規劃方案。
5 應用實例
   在我國西南某市國際中心區燃氣專項規劃的編制過程中，由于規劃區域開發建設水平存在較大不確定性，且工程工期緊，燃氣輸配系統擬按照專項規劃成果隨規劃區內主要道路同期開展建設。根據該工程特點，決定采用柔性規劃法進行專項規劃編制。
    ① 確定基本場景及可能場景用氣負荷
    預計規劃期末規劃區域內的人口將達90×104人，建設用地面積為4576×104m2，以居住用地、公共設施用地為主，采用管道天然氣。根據規劃區域所在地的燃氣用氣量指標及用氣規律，計算得到規劃期末天然氣的年用氣量為2.7656×108m3/a，高峰小時用氣量為13.35×104m3/h，即基本場景用氣負荷q0=13.35×104m3/h。采用德爾菲法確定可能場景用氣負荷變化范圍為0.7q0～1.5q0，并以0.1q0為間隔選取9個場景進行研究。
    ② 最大可能場景用氣負荷的校核
    本規劃實例中，最大可能場景用氣負荷為1.5q0，即規劃區域年用氣量達4.1484×108m3/a，高峰小時用氣量達20.03×104m3/h。規劃區域周邊天然氣資源豐富，通過對上位氣源供應規劃進行研究并與供氣單位協商，認為規劃區域上游氣源能夠滿足最大可能場景用氣負荷，即可能場景用氣負荷變化范圍選擇合理。
    ③ 初始投資額與補償投資額的計算
    根據式(2)建立投資模型，應用傳統啟發式規劃法得到每種可能場景用氣負荷下的初始投資額、補償投資額和總投資額，見表1。
表1 每種可能場景用氣負荷下的初始投資額、補償投資額和總投資額
可能場景負荷
初始投資額/元
補償投資額/元
總投資額/元
0.7q0
26751×104
28984×104
55735×104
0.8q0
29837×104
25878×104
55715×104
0.9q0
32820×104
18632×104
51452×104
1.0q0
35855×104
17080×104
52935×104
1.1q0
36680×104
12939×104
49619×104
1.2q0
44263×104
9834×104
54097×104
1.3q0
46178×104
8799×104
54976×104
1.4q0
47741×104
6728×104
54469×104
1.5q0
51757×104
0×104
51757×104
   計算過程中的要點如下：
   a. 可能場景下的負荷分配
   規劃區域內天然氣用氣類型以居民生活用氣和商業用氣為主，因此可能場景用氣負荷可在基本場景用氣負荷的基礎上進行等比例變化。
   b. 管網水力計算邊界條件
   為了確保各種可能場景下的投資額具有可比性，在管網方案計算過程中采用相同的水力計算邊界條件。
    c. 補償方案確定與補償投資額的計算
    各種可能場景下的最優規劃方案在最大可能負荷時的補償方案按照修建復線方式考慮，補償投資額包括工程費用及二次開挖、樹木伐移等相關補償費用，不考慮由于路由條件限制補償工程無法實施的情況。
   ④ 最優化柔性規劃方案求解
   對表1中的數據，運用最小二乘法進行擬合，得到q與C、q與△C的函數關系式：
    C=1482q2+28 216q+6168.4
    △C=11259q2-58152q+63913
    根據式(6)知，擬合關系式中二次項系數不互為相反數，則總投資額存在唯一的最小值。根據式(6)求得規劃最佳負荷場景qa=1.17q0，即年用氣量達3.2358×108m3/a、高峰小時用氣量達15.62×104m3/h時所對應的最優規劃方案就是最優柔性規劃方案。該方案初投資額為3.9359×108元，對最大可能負荷場景下的補償投資額為9867×104元，總投資額合計4.9226×108元。
    與基本場景用氣負荷q0下的最優規劃方案相比，最優柔性規劃方案中部分管道的管徑有所增大，初期投資額相應增長，補償投資額大幅下降，總投資額呈現下降趨勢。按計劃，未來幾年內規劃區域的燃氣輸配系統將全部配套到位，考慮到規劃區域的發展定位以及未來系統擴建存在的不可預見風險，將最優柔性規劃方案列為推薦方案。
    柔性規劃方法通過少量增加初期投資額，得到了綜合考慮初始投資額與補償投資額的總體最優方案，實質上將城市規劃、發展、建設中不確定性因素造成系統損失的概率最小化，提高了系統抗風險能力，更好地保障了供氣的安全性與穩定性，在全局層面實現了系統技術經濟最優化。
6 結論與建議
    ① 隨著我國城市化進程的不斷深入，城市燃氣輸配系統在適度超前、合理配置的原則指導下，對城市發展建設保持適度彈性具有重要意義。
    ② 負荷增長的不確定性是燃氣輸配系統規劃中的主要不確定性因素，引入柔性規劃方法可以在量化不確定性因素的基礎上，得到綜合考慮初始投資額與補償投資額的總體最優方案，提高了系統抗風險能力，更好地保障了供氣的安全性與穩定性，在全局層面實現了系統技術經濟最優化。
    ③ 采用基于等微增率準則的柔性規劃方法得到的最佳場景負荷值qa，可能大于、等于或小于基本場景用氣負荷q0。由于理論計算時未考慮路由資源的唯一性及補償工程實施的可行性，qa小于q0時，應結合規劃區域特點，慎重決策是否將柔性規劃方案選為推薦方案。qa大于q0時，柔性規劃方案實施的可行性也應結合實際情況，進行充分論證。
    ④ 規劃方案編制過程中應對最大可能負荷進行氣源供應能力校核，一旦最大可能負荷大于氣源供氣能力，應以上游氣源最大供應能力作為可能場景負荷的最大值，并指導燃氣用戶發展，確保有限的燃氣資源得到合理利用。
    ⑤ 在合理確定補償工程實施時序的基礎上，采用動態經濟分析方法可以進一步提高柔性規劃方法計算結果的準確性。
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(本文作者：牛亞楠 洪昌富 中國城市規劃設計研究院 北京 100037)