孫曉偉　海波

摘 要：“世界一流港口”“碳達峰”“碳中和”目標的提出對港口履行社會責任和高質量發展提出了更高要求，激勵港口更加自覺地應用節能減排技術，推進技術革新。但節能減排技術經濟投入與港口的能源、環境、碳排放綜合效益博弈是擺在港口面前的重要問題。基于此，本研究采用線性規劃方法，以綜合經濟費用最小化為目標，以能源、環境、碳排放和技術需求為約束，探討了一種集裝箱碼頭節能減排優化數學模型，以期為建設世界一流港口和實現雙碳目標提供思路。

關鍵詞：集裝箱碼頭;節能減排技術;碳達峰;優化;數學模型

中圖分類號：U656.1+35? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0089-03

從全球范圍的各行業來看，交通運輸業在世界能源消費和溫室氣體排放中所占比重均超過20%，且隨著世界經濟的高速發展和國際合作的越發頻繁，交通運輸行業呈現不斷上升的發展態勢。因此，交通運輸行業節能減排責任重大。

港口是我國綜合交通運輸的重要樞紐，也是我國經濟社會發展的戰略資源和重要支撐。港口快速發展的同時，港口能耗、碳排放和港區環境問題日益凸顯，為實現港口綠色低碳發展，港口的節能減排建設至關重要。近年來，國家也不斷出臺政策，對港口的高質量發展提出了更高要求。2019年11月，我國九部門聯合出臺關于建設世界一流港口的指導意見，提出了安全便捷、智慧綠色、經濟高效、支撐有力、世界先進5部分16個指標，并提出2025年、2035年和2050年3個時間節點的世界一流港口建設目標。2020年習近平總書記多次在國際會議上提到碳達峰、碳中和，提出力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。“世界一流港口”“雙碳”目標的提出，無疑給港口提出了更高的要求，倒逼港口在追求經濟增長的同時，要更加積極的履行社會責任，減低能耗、減少污染、降低碳排放。節能減排技術投入可以很好地解決這一問題。然而，港口資金有限，可用于港口的節能減排技術眾多，如何博弈港口經濟成本和能耗、環境、碳排放的綜合社會效益之間的利弊是港口企業面臨的重大難題。

基于此，本研究以典型的碼頭類型-集裝箱碼頭為研究對象，探討了一種節能減排優化控制方案，旨在實現港口的經濟、能源環境效益最大化，更好地服務于建設資源節約型、環境友好型交通運輸行業。

1研究對象

本研究以集裝箱碼頭為研究對象，研究區域包含典型的集裝箱碼頭的生產作業區域，主要包括：①碼頭前沿區域（以卸船為例），其主要作業過程為岸邊集裝箱起重機將集裝箱從船舶卸到集裝箱卡車上;②水平運輸區域，主要作業過程為集裝箱卡車將集裝箱從碼頭前沿運輸到堆場/港外;③堆場區域，主要作業過程為集裝箱正面吊/軌道式/輪胎式集裝箱起重機將集裝箱從集卡上卸到堆場，正面吊/堆高機/叉車用于集裝箱理貨。

2優化方法

本研究主要采用線性規劃的方法建立優化模型，并在模型建立過程中應用了0-1整數規劃。線性規劃是運籌學中研究較早、發展較快、應用廣泛、方法較成熟的一個重要分支，它是輔助人們進行科學管理的一種數學方法，是研究線性約束條件下線性目標函數的極值問題的數學理論和方法。其廣泛應用于經濟分析、管理和工程技術等方面。線性規劃方法可為合理地利用有限的人力、物力、財力等資源作出的最優決策;解決稀缺資源最優分配，使付出的費用最小或獲得的收益最大，為管理提供科學的依據。

0-1整數規劃是一種特殊形式的整數規劃，這種規劃的決策變量僅取值0或1，故稱為0-1變量或二進制變量。0-1 變量可以數量化地描述諸如開與關、取與棄、有與無等現象所反映的離散變量間的邏輯關系、順序關系以及互斥的約束條件，0-1整數規劃所得結果是確定性最優解，不會陷入局部最優，為滿足實際需要只需要修改條件函數和目標函數即可，數學模型簡單直觀。

3優化模型建立

利用運籌學線性規劃方法，以集裝箱碼頭節能減排技術應用的綜合經濟成本最小化為目標，以能源、環境、碳排放等為約束條件，建立集裝箱碼頭節能減排技術優化模型，用于探討最佳的節能減排技術應用的工藝和設備配置方案，同時也為仿真驗證的輸入提供可能性。

3.1目標函數

基于港口生產經營既以生產盈利為目標，又要考慮能源、環境和社會責任，故本研究的優化目標以港口節能減排技術應用的綜合經濟費用最小化為優化目標。優化目標主要分為兩部分，一部分為投入費用，一部分為收益。投入費用主要指集裝箱碼頭為不同港口生產設施/節能減排項目的投資費用。收益主要指集裝箱碼頭不同設備/節能減排項目所產生的經濟效益，主要包括節能效益、減污效益、降碳效益和政策補貼收益。目標函數方程如下：

3.1.1節能減排技術的投資費用

i代表集裝箱碼頭不同的生產/非生產設施， i=1、2、3、4、5、6、7、8分別代表岸邊集裝箱起重機、軌道式集裝箱起重機、輪胎是集裝箱起重機、集裝箱卡車、正面吊、堆高機、叉車、其他;j代表集裝箱碼頭采取的不同的節能減排技術， j=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分別代表能量回饋技術、永磁電機技術、“油改電”技術、“油改氣技術”、靠港船舶使用岸電技術、風力發電技術、光伏發電技術、空氣源熱泵技術、地源熱泵技術、水源熱泵技術;代表港口設施i采用節能減排技術j的數量，臺或套或項;代表港口設施i采用節能減排技術j的單位投資費用，萬元/（臺或套或項）。

3.1.2節能效果收益

該項主要指采用節能減排技術節約的能源成本費用。

3.1.3減污效果收益

該項主要指采用節能減排技術減少的污染物排污稅。

3.1.4降碳效果收益

該項主要指采用節能減排技術減少的碳排放帶來的碳交易收益。

3.1.5政策補貼收益

代表單位港口設施i采用節能減排技術j后政府補貼費用，萬元/（臺或套或項）。

3.2約束條件

為了讓優化目標產生最優解，需要設置模型的約束條件，本研究的約束條件設置的主要依據有：交通運輸、綠色港口和地方“十四五”規劃、港口未來在節能減排的投資費用、節能減排技術選擇等方面，主要包括能源約束、環境約束、碳排放約束、投資約束、技術約束等。具體約束如下：

3.2.1能源約束

該項指集裝箱碼頭采用節能減排技術后的能源消耗需滿足碼頭“十四五”規劃和當地政策規定的該集裝箱碼頭最低能源消耗要求。

3.2.2環境約束

該項指集裝箱碼頭采用節能減排技術后的環境污染物排放量滿足碼頭“十四五”規劃和當地政策規定的該集裝箱碼頭最低污染物排放要求。

3.2.3碳排放約束

該項指集裝箱碼頭采用節能減排技術后的碳排放量滿足碼頭“十四五”規劃和當地政策規定的該集裝箱碼頭最低碳排放要求。

3.2.4技術約束

假設集裝箱碼頭某一設施在節能減排技術應用時，僅同時投資應用一種技術。

3.2.5其他約束條件

集裝箱碼頭應用節能減排技術的設施數量小于碼頭現有設施數量。

4模型應用建議及展望

本研究建立的集裝箱碼頭節能減排優化模型綜合考慮了大部分能在集裝箱碼頭應用的典型節能減排技術，具有一定范圍的普適性。

（1）在基礎數據應用方面，建議節能減排技術的能源、環境、碳排放和經濟效益等數據的應用方面采用平均值，更能反饋港口的水平。

（2）在目標設置方面，可靈活設置碼頭投資成本，分析不同投資成本下的決策方案，以便為決策者提供更多選擇方案。

（3）在模型結果應用方面，本研究以節能減排設施數量為因變量，可作為仿真模型的輸入，與仿真模型建立聯系，通過仿真的暢通性來互相驗證優化模型結果。

（4）在模型情景分析方面，可通過設置不同的能耗情景、碳排放情景，分析港口的節能減排技術投資分配和綜合經濟成本，從而為港口提供更多的可行方案。另外，還可以增加時間變量，通過設置某年的碳排放量最大，為不同碳達峰時間情景下的節能減排技術投入和行動方案提供思路。

參考文獻：

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