主题一：过程工业企业商务决策技术研究及应用
多炼厂计划优化模型应用设计研究
王 华
（中国石油规划总院，北京 100083）
摘 要: 本文简要介绍了线性规划技术及其在炼油化工计划优化业务领域中的应用，通过信息技术等新技术与传统炼化产业的紧密结合推动炼化技术实现新突破，实现智能化生产和信息集成，提高生产和管理效率，降低生产成本。炼化行业计划优化技术发展趋势是实现生产计划各环节的集成，依托模型对生产和经营过程进行模拟，增进计划的科学化。本文结合中国石油总部先进计划系统的设计，介绍了多厂模型的总体设计方案，包括原料供应、生产、物流运输、互供料、库存及产品销售等各环节在模型中的表现方式。
关键词: 炼油化工 计划优化 模型 应用 设计
0 引言
石油和天然气的生产、运输、加工、分销等环节是紧密衔接的。在整个石油供应链中，炼油化工处于油气勘探生产之后的下游位置，因此，石油行业内习惯将炼油化工工业称为下游。炼油化工工业包括石油炼制和石油化工等生产过程。炼油化工是以石油和天然气为原料，生产石油产品和石油化工产品的加工工业。石油产品又称油品，主要包括各种燃料油（汽油、煤油、柴油等）和润滑油以及液化石油气、石油焦、石蜡、沥青等。生产这些产品的加工过程常被称为石油炼制，简称炼油。石油化工产品以炼油过程提供的原料油（气）进一步加工获得，生成以乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯为代表的基本化工原料。由基本化工原料可以生产多种有机化工原料及合成材料 （塑料、合成纤维、合成橡胶等）。有机化工原料继续加工可制得更多品种的化工产品。由于石油化工产品应用广泛，炼油化工业已经成为许多国家的支柱产业。
随着经济全球化，世界各国围绕资源和市场的能源竞争、特别是油气资源的竞争日趋激烈。因此，应用新技术应对激烈的能源市场竞争，成为世界各国的必然选择。信息技术、应用数学、通信技术、自动控制技术等高新技术多学科间的相互渗透与交叉并与传统炼化产业的紧密结合推动炼化技术实现新突破，为炼化企业提高石油资源综合利用率，降低成本，安全生产等方面发挥着越来越重要的作用。其中建立在计算机基础之上的线性规划技术就是其中一个典型，它广泛应用于炼油化工的规划、计划、调度等业务领域。
1线性规划技术及其在炼化行业的应用
1.1线性规划技术
线性规划（Linear Programming，简称“LP”）是运筹学（Operations Research）一个重要分支，是20世纪中期最重要的科学进展之一。线性规划的目标可以归结为资源分配问题，即人们如何把有限的资源有效地分配到既定的活动上去，以取得最大的效果（如利润最大或成本最小等）。资源一般指劳动力、物资、机器和资金等。
应用线性规划解决实际问题时，首先是要根据问题所给的条件和要求，用数学表达式建立相应的数学模型，然后用一定的方法求解。线性规划的三要素是：目标函数、约束条
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件和决策变量。在满足约束条件的情况下，求线性目标函数（通常是效益和成本）最大值或最小值。
线性规划理论比较完整，并有统一的行之有效的计算方法。有了高性能电子计算机后，许多大型、超大型的线性规划问题都能够求解，使线性规划成为现代科学的一个重要工具，应用十分广泛。
1.2线性规划在炼油化工领域的应用
线性规划在工农业生产、交通运输和军事等各个方面都有广泛的应用。通过对客观事物内部的数量关系进行定量分析，可以帮助企业的管理者和决策者用科学的方法去安排生产和使用资源，以求取得最好的经济效果。目标函数体现了企业的价值体系或企业目标，如利润最大或成本最低。
炼油化工生产过程中，涉及大量的资源分配问题，因此，线性规划广泛应用于计划安排问题、生产调度问题、运输问题等。
在生产计划安排方面，可以解决已知设备能力、原材料等约束条件，求产品的配比及生产量；已知产品需求和指标的要求，如何调合最终产品。
在运输/配送网络计划方面，解决已知运输成本和约束条件，由哪个工厂为客户或分销中心供货，产品怎样运输。
在库存计划方面，根据未来的需求和未来可用的生产能力（包括设备的停车计划、新设备的投用），求解在满足客户需要的情况下，应保持多少合理库存。
此外，在战略计划方面，既可以用来制定装置扩建、改造计划，又可以规划新的工厂，还可以规划供应/分销网络。
由于线性规划理论完整，计算方法成熟，加上利用高性能计算机可以快速求解，所以线性规划在炼油化工生产业务领域已有30年以上的应用实践，成为信息技术成功应用的典范之一。为企业合理安排生产计划，提高经济效益发挥了重要作用。
2 炼化行业计划优化技术应用发展趋势
在全球经济发展和科技进步的推动下，世界炼化技术正在发生深刻变化。近年来，炼油化工产业面对国际油价持续上涨、加工资源重质化和劣质化，以及产品质量升级和环保要求不断提高的新形势，技术发展呈现出一系列新的趋势和特点。世界炼油和石化工业已跨入智能化生产和信息集成时代，生产和管理效率显著提高，生产成本明显降低。智能化发展总的趋势是，依托网络化实现生产和经营过程各环节的集中计划、监控、管理和协调，依托模型化对生产和经营过程以及战略决策进行模拟和调整，使之集成化和科学化。
为快速应对经济环境和内部生产的各种变数，改变工厂的角色，炼化企业需要进行业务和生产上的多级优化。为了在日趋激烈的竞争环境中获得最大的边际利润，炼化企业在计划流程以及应用系统方面采用了以下方法和技术：
长期、中期和短期计划互相集成，保证能够对市场需求做出快速反应。 支持生产计划、调度计划、一级分销计划和二级分销计划的集成，并实现用户渠道（包括加油站）的优化。计划系统的输出能够有效的衔接到采购部门，从而提高原料采购决策能力，确保更及时地获得和分析“生产”和“购买”行为。
能够通过计划系统与企业资源计划系统的集成，及时获取客户反馈意见，并随时传递原料计划和库存计划，实现企业整体的供应链优化。能够通过计划系统与生产运行系统相连接，确保优化模型的标准化，并利用恰当的、反映当前操作情况的实际数据来制定滚动计划。能够与通过企业资源计划、供应链管理计划和生产运行系统集成，实现对存货和交
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易结果的跟踪，确保计划的灵活性和可操作性，并能够对当前生产运行的中断事件做出快速正确的响应。
在模型方面，能够通过原料选择、运输优化和成本效益计算，确定可替代方案。能够不断丰富计划工具，建立生产工艺中可替代物的构成模型，支持可替代物分析，实现进一步优化。能够建立、分析和持续改进现有的生产模式，分析大额资金支出对当前生产能力的影响，提高炼厂对计划外情况的正确处理能力，并基于炼厂实际运行数据和模型进行动态的调整和修改。能够根据市场变化修订运输计划。能够分析和改进底层组织结构。支持多层次的‘假设’分析模式，即从整体计划到炼厂级操作计划的假设分析。
3 多炼厂计划优化模型的设计
3.1 多炼厂计划优化的基础
多厂计划优化模型就是将地理位置不同的多个炼油化工厂的计划模型集成起来，形成总部模型或区域模型，从整体效益最大化的角度出发，考虑“供－产－运－销”四方面的约束和条件，优化资源（包括原油、主要化工原材料、主要成品油和化工产品）分配，促进生产计划的优化。
计划优化工作的重心在于优化炼油和化工生产计划的安排。在炼油和化工生产的上游，存在原料供应的环节；在炼油和化工生产的下游，存在产品销售的环节；在原料供应环节和生产环节之间，在炼油化工生产环节和产品销售环节之间，还存在物流运输的问题。这些上下游的环节都是对生产的重要约束，都将对生产计划的优化产生重要的影响。
中国石油天然气股份有限公司（简称“中国石油”）利用成熟的线性规划技术和软件，以整体效益最大化为目标，在炼化业务领域实施先进计划系统（简称“APS”）。在建立地区公司子模型的基础上设计和建立总部计划模型。通过系统模型的支持，促进资源的优化分配，优化“供－产－运－销” 各相关供应链环节的衔接，编制优化的生产计划，为地区公司的生产提供合理的、优化的边界约束条件，并结合配套的业务管理流程的改进，优化下游供应链，促进中国石油总体盈利能力的进一步提升。
根据中国石油炼化业务发展战略、组织结构、管理流程、企业特点和功能需求，结合软件标准功能和行业最佳实践，进行总部计划模型方案设计。设计了原料供应、炼化厂生产业务、物流运输、互供料、库存及产品销售等各要素在模型中的具体表现方式及技术实现方式。
3.2 中国石油股份公司总部计划模型设计 3.2.1原料供应
原则上，总部应该控制所有原料和产品，但是由于各种原因，有些原料和产品只需在地区公司控制，所以总部的原料和产品列表与地区公司的原料和产品是有一定区别的。总部关注的主要是原油和厂际互供原料。化工原料的数量和原油数量相比比较少。从单个炼厂的角度看，化工原料的主体是来自其它炼厂的厂际互供料。
总部模型中考虑的原料主要是原油。原料供应的优化主要考虑都有哪些种类的原油供选择和分配，供选择和分配的量都是多少；各炼化企业分别能得到多少数量的哪些种类的原油。原料供应优化的目标是：
第一，把合适种类的原油分配给合适的炼化企业。
第二，综合考虑原油价格，尤其是在原油进口逐年增加的今天，有炼进口油的企业都要根据原油价格和原油分析数据综合考虑哪些种类的原油的加工更加合算。
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第三，尽量降低原油运输成本。
第四，炼厂加工能力、原油运输能力等都将对原油选择和分配形成约束。
中国石油下属的27家炼厂目前加工的原油有88种，包括国内产原油和进口原油。总部模型把这88种原油作为炼厂的原料 3.2.2 运输
原材料/原油、产品和互供料的运输和物流过程很复杂，受到诸多因素的影响，且相关环境的变化迅速。要做到对于这些运输和物流业务的优化，必须通过专业的分销系统来实现。总部计划模型实施的核心是生产计划的优化，其应用的重点是核心资源的协调和分配，不包含执行具体的运输作业过程的管理功能。但物流运输联结了原油供应环节和炼化生产环节、炼化生产环节和产品需求环节，物流运输要和这些环节一起考虑。所以，所有的运输和物流信息在总部计划模型中都作为支持生产计划优化的约束条件存在，即是模型的输入因素。需要在模型进行定义的物流信息包括运输模式、运输成本以及运输能力。
油田、港口、口岸、外购地点、生产厂、销售地点等在模型中都被视为终端（Terminal）。这些终端还可以根据性质的不同，分为以下种类：（1）仅接收货物的终端；（2）仅发送货物的终端；（3）能接收也能发送货物的终端。主要的运输方式有：海运、公路、铁路或管道运输、陆海联运。 3.2.3互供料
互供料，指的是厂间互供，收集当前存在的和潜在存在的厂间互供线路数据（包括各种互供料的互供路线、成本、运输能力），统一优化厂间互供线路和互供量。 3.2.4生产
进行生产计划的优化，定义统一的原材料和产品，并在模型中对下属所有炼化厂的生产情况进行如实反映是至关重要的。在总部模型中可以采用子模型和极点模型两种方式，表现各个炼化厂的生产情况。
（1）详细子模型形式：对于详细以子模型形式表现的炼化厂，其实际的生产工艺、物料流向、物性传递等均可在模型中详细表现出来。这些子模型以集成在总部模型中的形式来表现炼化厂的生产情况。
（2）简单子模型形式：与详细子模型相比，简单子模型只对常减压装置做了详细的物性传递，对二次加工装置和其它装置没有采用物性传递和delta base 等方法，基本反映了各厂的实际生产流程。
（3）极点模型形式：极点模型是采用统计的历史数据，经过计算得到各个炼化厂的原料消耗和产品生产的对应情况。采用极点模型的炼化厂加工的不同种类的原油，产品收率、燃料和加工损失以及总的产品收率都将会被应用在极点模型中。应用极点模型的炼化企业应该是规模较小，产品种类少的企业。
中国石油27家炼化企业全部被定义为既能接收也能发送货物的终端。因此，如果产品在炼化企业本地销售，那炼化企业也可以作为是该产品的销售终端。 3.2.5库存
库存对生产计划有着重要影响，因此模型还需要了解各种原料、中间产品和最终产品的库存情况，以支持生产计划的优化。同运输一样，库存优化并不是总部生产计划优化的重点，但是，可以把库存情况作为计划优化的约束条件。
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3.2.6产品销售
产品销售环节中，各需求终端的产品的需求量和价格是最重要的数据。根据各需求终端的产品需求数据，能够优化生产，同时为产品销售制定具有参考意义的流向计划。
根据总部的关注程度，产品可以分为A、B、C三类：
（1）A类产品 包括汽柴油、合成树脂、合成纤维等。A类产品不但需要在总部模型做定义，同时需要在总部模型中为其相应定义运输网络，需要在其销售地定义可能的需求量范围。
（2）B类产品 包括润滑油基础油、沥青、尿素等等。这部分产品总部也很关注，但是并不负责其运输调配。B类产品需要在总部模型做定义，但不需要在总部模型中为其定义运输网络。
（3）C类产品 C类产品出现在单厂模型中，不需要使其在总部模型中也出现。C类产品的价格等信息可以在单厂子模型中维护，但必须和总部价格体系保持一致。
总部模型的需求终端定义为省会城市一级，以每个省的省会作为接收货物的销售终端。共将31个省会城市定义为销售终端。 3.2.7支撑系统
总部模型覆盖面广，涉及部门多，数据量大。在模型的运行维护方面需要相应的支撑系统来支持。支撑系统的内容主要包括原油数据库、运行数据支持系统和报表系统。
原油数据库即原油评价分析数据库，良好和完整的原油数据库将提供原油评价数据，对生产方案的制定，以及主要产品的物性跟踪起关键作用。原油数据库应能够满足如下条件：（1）能够提供中国石油所有加工的原油品种分析数据；（2）能够与模型系统良好的集成，减少计划人员维护工作量。
总部模型在每次运行的时候还需要许多数据的支持，作为计划优化的约束条件。主要的数据种类包括：（1）原油供应数据：原油价格、数量、运费等；（2）生产数据：可加工的原材料和产品、 装置加工能力、开停工和检修时间等；（3）产品需求数据：需求数量、产品价格、运费等；（4） 库存数据。这些数据也需求专门的系统进行收集和维护。
报表包括标准的文本报表和客户化开发的报表。文本报表主要用于支持模型的解读和调试等工作，客户化报表主要用于展示模型运行结果。 3.3 应用案例
总部计划优化的目标是经济效益最大化。通过总部模型，合理分配资源，优化原油采购品种和加工量；利用系统计算结果，可根据已确定加工原油的品种和数量，预测各生产装置的加工成本、效益及主要经济指标；根据全年效益最大化原则，适时安排装置停工检修。为企业优化生产运行、提高经济效益提供了科学有效的决策依据。
例如，大庆原油是中石油主要的自产原油，中石油系统内共有10家地区公司加工。大庆原油的硫含量低，酸值低，蜡含量高，是很好地生产高标准汽柴油、润滑油和石蜡的原料。如何根据各地区公司的经济效益和生产特点优化分配大庆原油，依靠人工经验和手工测算，是非常难以合理分配的。应用总部计划模型，可以将大庆原油按照经济效益高低的不同进行地区公司间的合理分配。为简化和方便起见，从10家加工大庆原油的地区公司中选取了5家加工量较大的炼厂进行了对比分析，分别称作地区公司A、地区公司B、地区公司C、地区公司D和地区公司E。
方案1：计划周期内设置大庆原油总的购买上限为1050万吨 模型优化的结果是只购买了大庆油950万吨。在现有模型价格体系下，大庆油购买950
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万吨可以产生最大的经济效益，多买或少买都会对效益产生负影响。与实际的原油分配比较，模型给地区公司A 减少了72万吨大庆油，说明实际中分配给地区公司A的大庆油偏多。
实际180160140120100806040200方案1ABCDE
图1 方案1计算结果
方案2：设置大庆油购买低限为1050万吨
当大庆原油供给量增大时，测试模型如何分配大庆油。方案2中，模型将比方案1多购买的原油，分配给了地区公司E和地区公司A。其中地区公司E 在方案2比方案1多得到46万吨，地区公司A 在方案2比方案1多得到32万吨。方案2对比方案1和实际值，我们可以看出大庆油在地区公司E中创造的利润要优于其它4家地区公司。地区公司B、C和D受到装置能力的，已经没有再多加工大庆油的空间，所以方案2中多余的大庆油量只有分配给地区公司A。
实际180160140120100806040200方案1方案2ABCDE
图2 方案2计算结果
4 结束语
中国石油总部先进计划系统利用成熟的技术和软件，设计了总部计划优化模型，以满足生产计划业务优化的需求。系统涉及不同类型的生产计划业务，包括年度计划、季度计
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划和月度计划；以及贯穿在这些类型生产计划过程中的关键业务，包括原油选择和互供料管理、决策价格管理、需求管理等。
设计一个好的多厂计划优化模型需要考虑的因素很多，主要方面有：（1）模型容易理解，按线性规划方法建立约束方程，各种参数和约束代码尽量采用国际标准和习惯的代码。（2）模型错误容易检测，模型的每个数据表尽量细分，这样输入错误和公式错误容易检查。（3）模型容易运算求解，在建立总部模型时，考虑每个单厂对整体的影响，重要的工厂可以用详细子模型，影响小的工厂可以用简单模型或极点模型，这样保证模型的收敛性和运算速度。另外要合理设定数量单位，数据度量单位也是影响运算速度的因素之一。（4）选择设置好主要约束，生产能力约束、原材料约束、市场需求约束、质量规格约束等主要约束的数据要准确、详细。
参考文献
[1]卢向华，郭锡伯.运筹学基础.国防工业出版社，1990年11月。
作者简介 王华，生于1965年8月，男，毕业于石油大学，硕士，中国石油规划总院计算机信息中心副主任、高级工程师，长期从事石油石化工业信息技术应用工作。
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