动态规划算法对船闸改造项目的“近零碳”优化

◎ 傅饶 宿迁市港航事业发展中心

《江苏省交通运输碳减排三年行动计划（2021-2023年）》提出，3年内促进交通运输行业降碳减排[1]，推行绿色交通发展新格局。成子河船闸处于宿迁市泗阳县城郊，上接京杭运河，下接成子河航道，是沟通京杭运河与洪泽湖的通航枢纽。船闸项目包括：主体工程、引航道工程、远调站、房屋建筑、闸首公路桥等[2]。成子河船闸创建于2012年9月，总投资27.249万元，占地337亩，约为22.5万平方米，管理区占地3.048平方米。船闸项目改造工程较大，实施复杂度高，碳排放量为0.75万吨。为此，本文提出一种动态规划算法，旨在提高施工“近零碳”评价的准确性，减少船闸项目的碳排放量。

1.动态规划算法模型

1.1 成子河船闸项目的描述

船闸“近零碳”项目的目的是降低航道调度、船闸管理，以及办公的能耗，需要借助现代科技、节能技术进行改造[3]。《江苏省交通运输碳减排三年行动计划（2021-2023年）》要求，船闸项目中要增加新能源技术、智能技术，以及固碳技术的应用比例[4]，降低船闸改造的碳排放。其中，将成子河船闸项目分为3个阶段，每个阶段分为4个改造项目（办公值守、运用机械、船舶调度和资源分配）[5]，每个改造项目按能耗分为3个等级。动态规划算法对船闸项目进行阈值、项目计划进行调整，构建“近零碳”项目评估模式，得到每项作业的最优方案和最低能耗。

1.2 动态规划算法

动态规划算法是通过阶段性的迭代计算、持续性的动态调整，实现船闸作业、建筑改造的规划分析[11]，设置“近零碳”阈值后[6]，对施工1个月、施工6个月、施工12个月进行迭代分析，得到施工的“近零碳”结果[7]。动态规划算法在船闸项目作业中的应用，要进行以下几种假设。

假设1：动态规划算法分为i阶段，每阶段的动态处理内容为xi，船闸项目实时结果为yi，项目的规划方案为si。那么，计算如公式（1）所示。

其中，k是为船闸项目实时阶段的“近零碳”阈值，α为xi→yi的碳排放能耗，β为yi→xi的碳排放能耗评估，θ为xi与yi之间的调整幅度。另外，xi→yi的碳排放计算，如公式（2）所示。

其中，P(⋅)为xi和yi间的能量守恒计算公式[8]，k为船闸项目的最优方案，为xi的投影，sinθ为yi的投影[9]。本文i为船闸项目的施工阶段数，即施工1个月、施工6个月、施工12个月；xi是i段船闸项目作业内容，包括：主体工程、引航道工程、远调站、房屋建筑、闸首公路桥；yi为低碳实施结果，LV1～3级，对应不同的动态规划内容；si为船闸项目的实施方案，即新能源技术、智能技术，以及固碳技术。依据成子船闸项目，对船闸项目条件和耗电约束，选择最优的实施方案。

其中，OP(⋅)是碳排放的筛选函数，并与碳排放阈值进行比较，保证每个阶段的实施方案符合预设阈值；ξ i为政策、环境等不确定性因素对船闸项目的影响系数。

2.动态规划算法下船闸施工的“近零碳”求解

将船闸项目进行分段，分为4段，每段进行3等级判断，并依据碳排放等级，实施3种改变，即改变、保持、停止，各段路径的碳排放求解如图1所示。

图1 船闸项目改造的动态规划算法

由于i为不同的施工段数，其施工内容x的阈值不断调节，A表示x到y的施工建筑碳排放调节，B表示x到y的航道调度碳排放调节，y表示最终碳排放量。在i=1的阶段，可以用P(⋅)计算不同项目内容的碳排放量，分别为（A1，B1）、（A2，B2）、（A3，B3），即的项目规划过程。整个船闸项目规划中，要通过不断调节碳排放的阈值、航道数量、航道时间，保证“近零碳”目标的实现，即。依据碳排放量k的约束条件，计算OP（x1，y1）、OP（x3，y3）和OP（x2，y2）的碳排放总量，以及相应的船闸施工集合。具体结果如表1所示。

表1 不同碳排放阈值下OP（x4，y4）向OP（x3，y3）的方案调整

由表1中的数据可知，不同阈值下OP（x3，y2）为最低碳排放方案。同理OP（x2，y2），结果如表2所示。

表2 不同碳排放阈值下OP（x3，y3）向OP（x2，y2）的方案调整

由表1、2分析可知，x1→min（y2）是最低碳排量方案。但是，成子河船闸项目中受到碳排放约束条件限制（注：《江苏省交通运输碳减排三年行动计划（2021-2023年）》），结果如表3所示。

表3 不同碳排放约束条件下OP（x2，y2）向OP（x1，y1）的方案调整

依据表1、2、3 碳排放变化结果，约束条件在max（k）>2∆wi条件下，如果max（k）<2∆wi，得到“近零碳”，且碳排放最小，最优船闸项目改造方案为{x3→m（y2）、x2→m（y2）、x4→m（y2）和x2→m（y2）}，得到相应的动态船闸项目的优化矩阵，结果如公式（4）所示。

在θ=0.7时，最优“近零碳”船闸项目改造方案为x1→A2→y3→B2→x3→A1→y3，最终“近零碳”结果如表4所示。

表4 不同阈值下“近零碳”结果比较

由表4可知，成子河船闸项目依据工程、引航道工程、远调站、房屋建筑、闸首公路桥，进行阈值设定（0.2～0.8），计算不同的船闸项目方案，实现“近零碳”，以及方案调整频率最低。在不同碳排量约束条件下，“近零碳”的动态变化结果如图2所示。

图2 动态规划法下成子河船闸项目的“近零碳”优化结果

图2可知，max（k）>2∆wi且min（k）<2 ∆wi约束下，“近零碳”程度>98.45%；min（k）<2 约束下，“近零碳”程度>99%；max（k）>2 约束下，“近零碳”程度>96%；动态规划法的“近零碳”优化程度达到97.51%，优于人工审核算法。

3.结束语

本文提出动态规划模型，对船闸项目的改造方案进行分析，找出“近零碳”方案。结果显示：成子河船闸碳排放量最小的约束条件是max（k）>2∆wi且min（k）<2∆wi，对应的改造方案为x1→A2→y3→B2→x3→A1→y3，该方案的“近零碳”优化程度达到97.51%，优于人工审核方案，说明动态规划算法能促进成子河船闸项目的碳排放优化，满足江苏省交通运输碳减排要求。