淺談應(yīng)用GLPK解決區(qū)域能源模型分析問題

孫漢聞 龍 妍

（1華中科技大學(xué)能源學(xué)院 湖北武漢 430000 2華中科技大學(xué)能源學(xué)院 湖北武漢 430000）

引言

隨著人民生活以及工業(yè)發(fā)展對(duì)能源需求的日益提高，能源問題近年來在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到了大量的關(guān)注。解決區(qū)域能源問題，需要作出科學(xué)合理的規(guī)劃，需要對(duì)于研究區(qū)域構(gòu)建模型，進(jìn)行全面分析。因此構(gòu)建模型對(duì)區(qū)域能源進(jìn)行分析的研究得到很多研究者的關(guān)注。同時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)[1]、綜合能源系統(tǒng)[2]等概念應(yīng)運(yùn)而生，再加上我國推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”這一理念的普及，以及大數(shù)據(jù)科學(xué)的蓬勃發(fā)展，成功帶動(dòng)了能源改革的發(fā)展。這些理論與技術(shù)為能源區(qū)域模型研究開辟了全新的視角。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和海量數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，作為互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾d體，數(shù)據(jù)中心的地位愈發(fā)凸顯，在針對(duì)數(shù)據(jù)中心的研究當(dāng)中，最受關(guān)注的方向之一就是資源規(guī)劃類問題。近年來這一領(lǐng)域中涌現(xiàn)了很多的研究方法與工具，其中高品質(zhì)的分析工具軟件往往價(jià)格十分昂貴，另外針對(duì)具體問題必須對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)整，因此不開放源碼的軟件也無法滿足研究需求。而GLPK不但免費(fèi)而且開放源碼，完美滿足了研究需求。所以本文將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心資源規(guī)劃中的研究工具GLPK應(yīng)用到能源模型分析中，以求更好地規(guī)劃區(qū)域能源資源。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 區(qū)域能源模型分析現(xiàn)狀

目前在區(qū)域能源模型分析這一領(lǐng)域研究已經(jīng)取得了很多的成果，但面對(duì)不同的區(qū)域?qū)ο箢愋停芯咳藛T會(huì)采取不同的研究方法。在建筑區(qū)域中，鄭志、劉塨等在《建立住宅節(jié)能設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)虛擬工程》[3]中，將區(qū)域建筑模型節(jié)能分析用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并在搭建模型上分為建筑模型與環(huán)境模型兩塊進(jìn)行分析。劉迪、吳俊勇、林凱駿等[4]在他們的研究中中詳細(xì)介紹了綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）的概念。并在原有構(gòu)建IES優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用Kriging模型（Kriging模型是一種通過計(jì)算已有樣本點(diǎn)的加權(quán)平均值來預(yù)測(cè)未知觀測(cè)點(diǎn)響應(yīng)值的插值方法）進(jìn)行精簡(jiǎn)，達(dá)到了優(yōu)化過程的效果。工業(yè)節(jié)能當(dāng)中較常用的模型為平衡模型。基本可以分為物料平衡模型、能源供需平衡模型和能量平衡模型這三種。陳光[5]通過處理分析寶鋼集團(tuán)在1998年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及各種生產(chǎn)工藝的技術(shù)總結(jié)，搭建了寶鋼能源優(yōu)化模型。城市區(qū)域中，劉滿芝，劉賢賢[6]的研究則使用面板數(shù)據(jù)（Panel Data）模型對(duì)于全國城鎮(zhèn)居民生活能源消費(fèi)進(jìn)行分析。

1.2 GLPK資源優(yōu)化分析

如何達(dá)到資源網(wǎng)絡(luò)中的資源最優(yōu)配置是研究熱點(diǎn)，而GLPK正是在這一領(lǐng)域經(jīng)常使用的工具。GLPK（GUN linear Programming kit）是一個(gè)GUN線性規(guī)劃工具包，由莫斯科航空學(xué)院的Andrew O.Makhorin開發(fā)。其將線性規(guī)劃的相關(guān)功能進(jìn)行封裝，并能夠以函數(shù)調(diào)用的方式提供相應(yīng)的功能。它是一款面向用戶的免費(fèi)開源工具包，目前在多個(gè)領(lǐng)域都得到應(yīng)用，成為相當(dāng)重要的線性規(guī)劃解決工具。陳慧、谷寒雨[7]詳細(xì)介紹了GLPK的算法原理。張宇[8]在他的研究中介紹了GLPK工具相關(guān)知識(shí)以及分支切割算法相關(guān)的原理。運(yùn)用GLPK來解決資源規(guī)劃問題的步驟主要如下：（1）確定問題對(duì)象。（2）確定主要算法。（3）確定輸入輸出格式。（4）附加功能。下面就將用一個(gè)小例子來進(jìn)行一次演示。

2 GLPK實(shí)際應(yīng)用于區(qū)域能源模型分析

下面采用武漢市某區(qū)為例，做一次能源問題的GLPK分析，設(shè)定該區(qū)未來規(guī)劃響應(yīng)政府號(hào)召，采用清潔能源降低煤炭損耗，因此在本次分析內(nèi)采用的設(shè)備或技術(shù)多為節(jié)能型設(shè)備。具體步驟如下：

（1）確定問題對(duì)象：這次分析的對(duì)象為武漢市某區(qū)的能源資源，針對(duì)性輸入近期五年的能源相關(guān)數(shù)據(jù)，以及區(qū)內(nèi)所采用的技術(shù)數(shù)據(jù)。目標(biāo)在于做一次經(jīng)濟(jì)性分析，計(jì)算該區(qū)域在能源設(shè)備上進(jìn)行的投資，得出以經(jīng)濟(jì)性為指標(biāo)的最優(yōu)未來規(guī)劃。

（2）確定主要算法：將要計(jì)算的投資分為如下四個(gè)部分進(jìn)行計(jì)。1.設(shè)備基礎(chǔ)投資，即為設(shè)備購買所需要的費(fèi)用。2.設(shè)備基礎(chǔ)維修費(fèi)用，這部分花費(fèi)為設(shè)備每年必要的維修及維護(hù)所需要的經(jīng)費(fèi)。3.設(shè)備非固定維修費(fèi)用，這部分計(jì)算考慮到設(shè)備的損毀率及一定的突發(fā)情況進(jìn)行設(shè)定。4.殘值，考慮到在設(shè)備使用末期可以將設(shè)備進(jìn)行出售以獲得一定的預(yù)計(jì)價(jià)值。另外，在模型搭建中按照GLPK的使用方法，先設(shè)定變量參數(shù)，再輸入限制，使該模型能生產(chǎn)出未來五年該區(qū)域所需要的冷熱電能源，并保證各個(gè)設(shè)備的輸入輸出結(jié)果符合設(shè)備特性。

（3）確定輸入輸出格式：本次分析采用的輸入輸出格式為txt格式。由于筆者采用java來編寫GLPK模型，而GLPK并沒有交互界面，因此需要人為來設(shè)定輸入輸出的方式。在這里筆者采用python來進(jìn)行這部分模型內(nèi)外的數(shù)據(jù)交換環(huán)節(jié)。將excel表格中的內(nèi)容通過python轉(zhuǎn)變?yōu)镚LPK可讀的txt格式，再將模型運(yùn)行后的結(jié)果txt文件通過python寫入excel當(dāng)中進(jìn)行分析和處理。

（4）附加功能：除了基本的運(yùn)算功能外，GLPK還帶有很多用于提升模型運(yùn)算速率、建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、提供靈活度分析甚至是生成表格的能力。這里由于采用了python進(jìn)行處理以及這個(gè)例子本身的限制，所以并未太多使用這部分功能。

經(jīng)過上述操作步驟，運(yùn)行后得到圖1中的結(jié)果，采用百分比的形式表達(dá)在各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)上的投資。

圖1 武漢市某區(qū)節(jié)能設(shè)備投資百分比圖

結(jié)語

目前區(qū)域能源模型分析的研究得到了越來越多的關(guān)注，結(jié)合大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，新的數(shù)據(jù)分析處理方法必然會(huì)與這一塊的研究進(jìn)行結(jié)合。GLPK作為工具在資源分析規(guī)劃方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。能源作為新時(shí)代最重要的資源之一，與它的結(jié)合是非常值得去研究的。本文希望能給這一方面的研究帶來一點(diǎn)新的思路。

本文只是一個(gè)小想法的表達(dá)，未來在這一方面還會(huì)進(jìn)行如下探究：

（1）運(yùn)用GLPK進(jìn)行以碳排放最優(yōu)化為目的的模型分析。

（2）嘗試學(xué)習(xí)更多網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化分析的方法，將它們與能源領(lǐng)域研究進(jìn)行結(jié)合。

（3）嘗試在更多的能源場(chǎng)景進(jìn)行GLPK分析，例如建筑群、工業(yè)區(qū)域等等。