基于环境-经济-社会平衡的能源化工系统可持续性评价与优化决策模型的构建

摘要

作为全球最大的传统能源消耗国和新型能源投资国，能源化工产业已成为我国经济社会运行发展的基石。但能源化工系统高投资、高消耗、高污染等问题也对经济发展、人类健康、生态环境等产生了负面影响。因此，能源化工系统的可持续发展将成为影响我国长远发展的重要因素。从决策层面来看，能源化工系统的可持续发展主要需解决以下两项议题，即通过可持续性评价从多个备选系统中优选可持续性表现最好的方案，以及通过可持续性优化为服役运行中的能源化工系统设计最佳的可持续性能提升路径。现有可持续评价/优化模型在确定准则(评价属性/优化目标)权重、设计决策模型(评价模型/优化模型)、处理不确定性决策因素(系统客观数据、专家主观判断)等方面仍有不足，不能保证输出最佳的评价或优化方案。因此，本文旨在开发新型的具有普适性的可持续性评价与优化决策模型框架，通过集成与发展现有相关理论与算法，在决策信息不确定的条件下充分利用决策系统客观数据以及评价专家主观判断，协调“环境-经济-社会”多维可持续性评价属性/优化目标的绝对表现与相对均衡，从而输出更为严谨的决策结果。本文所构建模型有助于从信息集成与决策角度提升该行业的可持续发展问题。 针对能源化工系统的可持续性评价优选问题，所开发的评价模型包括评价属性体系建立、属性数据收集、属性权重确定、备选方案排序四个步骤。该模型首先从环境、经济、社会与政策、技术维度构建了定量与定性的多维多层次评价属性体系；并通过区间数理论、以及模糊数理论与层次分析法的结合分别处理定量与定性属性数据中的不确定性；在属性赋权过程中，通过因果关系识别技术与网络层次分析法在不确定条件下的结合进行主观赋权，通过熵权法在不确定条件下的拓展进行客观赋权，并进一步集成主客观权重结果以实现更为全面的属性赋权；在备选方案排序过程中，提出了一种新型的基于向量算法的多属性决策技术以实现评价过程中备选系统可持续性绝对表现程度与相对发展均衡的集成式输出。上述新开发的可持续性评价决策模型被用于不同原料合成氨系统的研究，验证了该模型能在不确定条件下为决策者优选可持续性能最佳的能源化工系统提供具有普适性的智能支持平台。更重要的是，通过对案例结果所开展的灵敏度分析、关键属性识别、赋权方法比较、以及排序模型比较等四项分析，体现了决策模型的有效性与决策结果的稳定性，同时，也验证了该模型在属性赋权、方案优选、不确定决策信息处理方面的优势。 针对服役运行中能源化工系统的可持续性优化问题，所开发的优化决策框架可分为系统定义与特征化、以及模型构建与求解两阶段任务。该框架首阶段任务是面向具体对象建立“环境-经济-社会”多维多目标发展体系并推荐相应的多个备选改进技术；而第二阶段任务则是利用特定的帕累托最优点来应对多目标优化问题,其特点在于通过集成系统客观特性与专家主观判断来充分权衡各目标的相对重要性，并通过整合多目标优化体系的绝对提升程度与相对发展均衡来更严格的输出可持续性优化决策。其中，区间层次分析法与区间熵权法的结合用以实现不确定条件下对多个目标的综合赋权，而基于向量算法的多属性排序模型与多目标优化技术的集成用以提供特定的帕累托最优点以简化原有多目标优化模型所产生的帕累托解集。上述新开发的可持续性优化决策模型被用于生物柴油生产系统的性能提升，验证了该模型能在不确定条件下为任意主题、任意尺度的能源化工系统设计基于技术改进的可持续性强化路径。更重要的是，通过对案例结果所开展的向量运算分析、灵敏度分析、以及优化模型比较等三项分析，体现了该决策模型的可行性与决策结果的稳定性，并验证了该模型在目标赋权、优化路径识别、不确定决策信息处理方面的优势。

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