動態(tài)規(guī)劃算法對船閘改造項目的“近零碳”優(yōu)化

◎ 傅饒 宿遷市港航事業(yè)發(fā)展中心

《江蘇省交通運(yùn)輸碳減排三年行動計劃（2021-2023年）》提出，3年內(nèi)促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)降碳減排[1]，推行綠色交通發(fā)展新格局。成子河船閘處于宿遷市泗陽縣城郊，上接京杭運(yùn)河，下接成子河航道，是溝通京杭運(yùn)河與洪澤湖的通航樞紐。船閘項目包括：主體工程、引航道工程、遠(yuǎn)調(diào)站、房屋建筑、閘首公路橋等[2]。成子河船閘創(chuàng)建于2012年9月，總投資27.249萬元，占地337畝，約為22.5萬平方米，管理區(qū)占地3.048平方米。船閘項目改造工程較大，實(shí)施復(fù)雜度高，碳排放量為0.75萬噸。為此，本文提出一種動態(tài)規(guī)劃算法，旨在提高施工“近零碳”評價的準(zhǔn)確性，減少船閘項目的碳排放量。

1.動態(tài)規(guī)劃算法模型

1.1 成子河船閘項目的描述

船閘“近零碳”項目的目的是降低航道調(diào)度、船閘管理，以及辦公的能耗，需要借助現(xiàn)代科技、節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造[3]。《江蘇省交通運(yùn)輸碳減排三年行動計劃（2021-2023年）》要求，船閘項目中要增加新能源技術(shù)、智能技術(shù)，以及固碳技術(shù)的應(yīng)用比例[4]，降低船閘改造的碳排放。其中，將成子河船閘項目分為3個階段，每個階段分為4個改造項目（辦公值守、運(yùn)用機(jī)械、船舶調(diào)度和資源分配）[5]，每個改造項目按能耗分為3個等級。動態(tài)規(guī)劃算法對船閘項目進(jìn)行閾值、項目計劃進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建“近零碳”項目評估模式，得到每項作業(yè)的最優(yōu)方案和最低能耗。

1.2 動態(tài)規(guī)劃算法

動態(tài)規(guī)劃算法是通過階段性的迭代計算、持續(xù)性的動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船閘作業(yè)、建筑改造的規(guī)劃分析[11]，設(shè)置“近零碳”閾值后[6]，對施工1個月、施工6個月、施工12個月進(jìn)行迭代分析，得到施工的“近零碳”結(jié)果[7]。動態(tài)規(guī)劃算法在船閘項目作業(yè)中的應(yīng)用，要進(jìn)行以下幾種假設(shè)。

假設(shè)1：動態(tài)規(guī)劃算法分為i階段，每階段的動態(tài)處理內(nèi)容為xi，船閘項目實(shí)時結(jié)果為yi，項目的規(guī)劃方案為si。那么，計算如公式（1）所示。

其中，k是為船閘項目實(shí)時階段的“近零碳”閾值，α為xi→yi的碳排放能耗，β為yi→xi的碳排放能耗評估，θ為xi與yi之間的調(diào)整幅度。另外，xi→yi的碳排放計算，如公式（2）所示。

其中，P(?)為xi和yi間的能量守恒計算公式[8]，k為船閘項目的最優(yōu)方案，為xi的投影，sinθ為yi的投影[9]。本文i為船閘項目的施工階段數(shù)，即施工1個月、施工6個月、施工12個月；xi是i段船閘項目作業(yè)內(nèi)容，包括：主體工程、引航道工程、遠(yuǎn)調(diào)站、房屋建筑、閘首公路橋；yi為低碳實(shí)施結(jié)果，LV1～3級，對應(yīng)不同的動態(tài)規(guī)劃內(nèi)容；si為船閘項目的實(shí)施方案，即新能源技術(shù)、智能技術(shù)，以及固碳技術(shù)。依據(jù)成子船閘項目，對船閘項目條件和耗電約束，選擇最優(yōu)的實(shí)施方案。

其中，OP(?)是碳排放的篩選函數(shù)，并與碳排放閾值進(jìn)行比較，保證每個階段的實(shí)施方案符合預(yù)設(shè)閾值；ξ i為政策、環(huán)境等不確定性因素對船閘項目的影響系數(shù)。

2.動態(tài)規(guī)劃算法下船閘施工的“近零碳”求解

將船閘項目進(jìn)行分段，分為4段，每段進(jìn)行3等級判斷，并依據(jù)碳排放等級，實(shí)施3種改變，即改變、保持、停止，各段路徑的碳排放求解如圖1所示。

圖1 船閘項目改造的動態(tài)規(guī)劃算法

由于i為不同的施工段數(shù)，其施工內(nèi)容x的閾值不斷調(diào)節(jié)，A表示x到y(tǒng)的施工建筑碳排放調(diào)節(jié)，B表示x到y(tǒng)的航道調(diào)度碳排放調(diào)節(jié)，y表示最終碳排放量。在i=1的階段，可以用P(?)計算不同項目內(nèi)容的碳排放量，分別為（A1，B1）、（A2，B2）、（A3，B3），即的項目規(guī)劃過程。整個船閘項目規(guī)劃中，要通過不斷調(diào)節(jié)碳排放的閾值、航道數(shù)量、航道時間，保證“近零碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，即。依據(jù)碳排放量k的約束條件，計算OP（x1，y1）、OP（x3，y3）和OP（x2，y2）的碳排放總量，以及相應(yīng)的船閘施工集合。具體結(jié)果如表1所示。

表1 不同碳排放閾值下OP（x4，y4）向OP（x3，y3）的方案調(diào)整

由表1中的數(shù)據(jù)可知，不同閾值下OP（x3，y2）為最低碳排放方案。同理OP（x2，y2），結(jié)果如表2所示。

表2 不同碳排放閾值下OP（x3，y3）向OP（x2，y2）的方案調(diào)整

由表1、2分析可知，x1→min（y2）是最低碳排量方案。但是，成子河船閘項目中受到碳排放約束條件限制（注：《江蘇省交通運(yùn)輸碳減排三年行動計劃（2021-2023年）》），結(jié)果如表3所示。

表3 不同碳排放約束條件下OP（x2，y2）向OP（x1，y1）的方案調(diào)整

依據(jù)表1、2、3 碳排放變化結(jié)果，約束條件在max（k）>2?wi條件下，如果max（k）<2?wi，得到“近零碳”，且碳排放最小，最優(yōu)船閘項目改造方案為{x3→m（y2）、x2→m（y2）、x4→m（y2）和x2→m（y2）}，得到相應(yīng)的動態(tài)船閘項目的優(yōu)化矩陣，結(jié)果如公式（4）所示。

在θ=0.7時，最優(yōu)“近零碳”船閘項目改造方案為x1→A2→y3→B2→x3→A1→y3，最終“近零碳”結(jié)果如表4所示。

表4 不同閾值下“近零碳”結(jié)果比較

由表4可知，成子河船閘項目依據(jù)工程、引航道工程、遠(yuǎn)調(diào)站、房屋建筑、閘首公路橋，進(jìn)行閾值設(shè)定（0.2～0.8），計算不同的船閘項目方案，實(shí)現(xiàn)“近零碳”，以及方案調(diào)整頻率最低。在不同碳排量約束條件下，“近零碳”的動態(tài)變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 動態(tài)規(guī)劃法下成子河船閘項目的“近零碳”優(yōu)化結(jié)果

圖2可知，max（k）>2?wi且min（k）<2 ?wi約束下，“近零碳”程度>98.45%；min（k）<2 約束下，“近零碳”程度>99%；max（k）>2 約束下，“近零碳”程度>96%；動態(tài)規(guī)劃法的“近零碳”優(yōu)化程度達(dá)到97.51%，優(yōu)于人工審核算法。

3.結(jié)束語

本文提出動態(tài)規(guī)劃模型，對船閘項目的改造方案進(jìn)行分析，找出“近零碳”方案。結(jié)果顯示：成子河船閘碳排放量最小的約束條件是max（k）>2?wi且min（k）<2?wi，對應(yīng)的改造方案為x1→A2→y3→B2→x3→A1→y3，該方案的“近零碳”優(yōu)化程度達(dá)到97.51%，優(yōu)于人工審核方案，說明動態(tài)規(guī)劃算法能促進(jìn)成子河船閘項目的碳排放優(yōu)化，滿足江蘇省交通運(yùn)輸碳減排要求。