综合性石油公司原油价值链优化系统建设及应用

马 楠，董丰莲，杨 磊，殷基明，常家温，叶 桥

（1.中国石油规划总院，北京 100083；2.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

0 引言

我国大型综合性石油公司的原油产业链大多实行上下游、内外贸、产供销一体化管理，业务涵盖石油开采、进口、运输和加工成成品销售给用户的全过程，业务流程长、环节多，各环节间相互关联且联系密切。在国际原油价格剧烈波动、市场需求瞬息万变等内外部复杂形势下，如何以市场为导向优化资源配置，科学衔接原油产业链“产、炼、运、销、储、贸”各环节，将计划编制模式由传统的手工平衡向模型化、平台化、智能化转变，是综合性石油公司提高盈利能力的关键问题。随着计算机技术不断发展，其与运筹优化技术的结合为破解该问题提供了思路。

1 原油价值链优化系统建设的必要性

国内大型综合性石油公司的原油产业链包含“产、炼、运、销、储、贸”等环节，石油公司通过物流、信息流和价值流的整合，将各方面连成一个整体的功能网链结构。原油产业链的生产运行过程：在上游，石油公司通过原油开采和原油采购获得原油资源，通过原油物流把原油资源配送到各炼化企业或者外销；在下游，炼化企业通过原油加工生产出各种石化产品，并在各炼化企业间实现部分化工原料互供；产出或采购的成品油通过成品油一次物流和二次配送，在各销售终端进行批发、零售或出口；通过仓储对原油资源和产品进行平衡。由此可见，原油产业链具有链条长、各环节之间紧耦合、产业链运行主体之间相互依赖以及影响因素复杂等特点。

原油价值链优化系统包括原油价值链一体化优化模型和系统平台两个部分，一体化优化模型是生产计划优化决策方案的数学模型，系统平台是模型运行的数据支持和分析平台，同时是原油价值链“优化-计划-效益测算-结果分析”的全过程管理平台。原油价值链优化系统建设的必要性体现在以下几个方面。

（1）通过原油价值链一体化优化模型生成计划优化决策方案。由于综合性石油公司原油产业链规模庞大，涉及的环节及业务众多，一体化程度高，制订原油产业链生产经营计划时，需要综合考虑国际基准原油价格走势、原油生产能力和生产成本、进口原油价格和可采购量、原油运输成本及运输能力、炼化生产能力及生产成本、成品油运输能力和运输成本、成品油国内需求情况和销售价格、成品油外采价格和可外采量、成品油出口能力和出口价格等众多因素。如何在保证满足各种约束条件下制订出符合石油公司整体效益最大化要求的生产方案是企业面临的一个难题。传统的手工排产方法很难制订出合理、优化的生产经营计划，而且在市场快速变化时，难以迅速作出反应，以及采取相应经营策略，因此有必要应用运筹优化理论和技术，建立涵盖石油公司原油产业链“产、炼、销、运、储、贸”各环节，以公司整体效益最大化为目标，以产品终端市场价值为导向的原油价值链一体化优化模型，并应用数学规划算法对模型进行求解，自动生成优化方案，为年度、季度、月度计划编制提供决策依据。

（2）通过系统支撑计划优化整体工作。第一，原油价值链一体化优化模型运算所需的参数众多，为实现模型的快速测算，有必要建立数据支撑平台，为模型提供原油运费、成品油运费、炼化加工费等基础参数，以及原油和炼化产品的价格预测数据和需求预测数据等。第二，石油公司根据模型优化结果制订出计划方案后，还需要进行原油产业链整体和分环节主营生产业务“毛利”和“利润”的精细测算，为预判整体及分环节生产效益情况提供量化依据。第三，综合性石油公司的生产计划涉及多个管理层级的多个单位，参与方众多，需要对建议计划上报和正式计划下达的全过程进行统一管理，提高计划编制的协同效率，保证计划数据的一致性。在计划下达后，需要开展执行跟踪分析工作，推动优化工作持续改进。

综上，有必要建立支撑综合性石油公司涵盖“计划优化-计划管理-效益测算-完成分析”全过程的原油价值链优化系统，支持原油价值链一体化优化模型计算、支持计划方案的精细化测算、支持生产计划的协同编制、支持计划执行分析，助力公司原油产业链的协同发展和效益提升。

2 原油价值链一体化优化模型设计

根据我国综合性石油公司原油产业链业务情况，一体化优化模型在业务问题上包括“产、炼、销、运、储、贸”6 大业务领域，模型涵盖原油生产、原油进口、国内原油采购、原油外售、原油运输、原油仓储、炼化生产、成品油外采、成品油运输、成品油仓储、成品油销售以及成品油出口共12 个模块。模型设计包括目标设计、约束设计、参数设计、决策变量设计以及模型运算求解方法设计等部分。

2.1 目标设计

模型业务目标是实现集团公司原油价值链整体效益最大化。在数学建模中用目标函数进行反映，原油价值链整体效益目标函数的构成和运算关系如下：

目标函数=总部销售物料总收入-总部采购物料总成本+库存价值变化-总部物料运输成本+集成的所有炼厂物料销售收入-集成的所有炼厂物料采购成本-集成的所有炼厂公用工程成本+集成的所有炼厂库存价值变化

2.2 约束设计

针对实际业务问题，对该问题的生产过程作出以下约束：①某物料在某地的采购量上下限；②某物料在某地的销售量上下限；③各种运输能力上下限；④某物料在某地的库存量上下限；⑤某物料在某地点的进销存平衡、炼厂物料平衡约束等。

2.3 参数设计

（1）整体运行参数方面：包括公司所有物料、节点、运输方式、管线等元素，以及采购、销售、库存、运输的价格、上下限等信息。

（2）生产单元参数方面：包括物料、物性、装置、公用工程等基本元素，以及原料和产品价格、装置能力、装置收率和物性传递系数等信息。

2.4 决策变量设计

决策变量包括各自产原油的产量、在各口岸进口的各品种原油的量、各品种原油经各种运输方式运送到各炼厂或外单位的量、各主要原油管道运输量、各炼厂加工的各品种原油量、采购的其他原材料量、各装置加工量、各产品产量以及各销售区域分品种、分销售渠道的销量等27 类变量。

2.5 模型运算求解方法

根据上述目标函数、参数、决策变量和约束方程，进行原油价值链一体化优化数学建模，数学模型构建之后，进行模型求解。通过建模可知，原油价值链计划优化问题属于线性规划问题，采用线性求解方法进行优化求解。

3 原油价值链优化系统设计

3.1 系统功能设计

在原油价值链一体化优化模型基础上，围绕“优化-计划-效益测算-结果分析”全过程管理的系统建设目标，基于业务需求调研和分析，设计原油价值链优化系统包括市场预测、资源优化、效益测算、计划管理、优化分析、综合展示、模型管理、数据管理以及系统管理等9 大功能模块。

（1）市场预测模块。提供对公司原油产业链相关的原油、成品油、炼油小产品和化工品内市场数据的查询分析功能，在此基础上结合定价规则和对市场的预判，实现分品种原油、成品油、化工产品的价格计算、预测、管理和查询功能，以及成品油销量的预测和管理功能，同时为一体化优化模型运算提供数据输入服务。

（2）资源优化模块。建立涵盖公司“产、炼、销、运、储、贸”各环节，以公司整体效益最大化为目标的一体化优化模型。应用优化模型开展年度、季度、月度生产经营计划方案测算，开展针对公司生产经营和战略规划中热点、焦点问题的专题分析工作，为公司生产运行和战略规划提供支持。

（3）效益测算模块。基于公司初排计划数据、预测价格数据和财务成本数据，构建原油产业链效益测算模型，实现原油产业链整体效益和原油生产、炼化加工、产品销售分环节的效益测算，分自产原油和外购原油的吨原油加工毛利测算，为更加精确地解析产业链效益，以及分析不同方案的优劣提供量化依据。

（4）计划管理模块。开发公司级的生产经营计划编制、上报、下达的功能，提升生产经营计划业务的规范化水平和计划一本账管理能力，满足公司级生产经营计划管理系统纵向延伸和横向扩展的需求。

（5）优化分析模块。通过集成优化、计划、实际完成数据，提供价格、销量预测数据和实际完成情况的自动对比分析功能，优化方案和生产经营计划的自动对比分析功能，计划方案和实际完成的自动对比分析功能，优化方案跟踪分析功能，促进生产计划优化工作持续改进。

（6）综合展示模块。对系统产生的优化方案测算结果、专题分析结果进行形象化、直观化、具体化呈现，提供多方案对比展示，提供计划完成情况结果的展示，为原油价值链优化系统提供多场景、多模式的可视化服务。

（7）模型管理模块。提供严格的优化基础模型和报表模板变更、发布的流程，保证基础模型和报表模板版本统一、权威。

（8）数据管理模块。实现原油产业链多环节生产经营数据采集、外部数据采集和集中存储管理，打造先进、稳定、安全的集成数据环境，为原油价值链的数据应用提供保障。

（9）系统管理模块。系统管理模块主要是为系统管理员提供的后台系统管理的相关功能，包括权限管理、文档管理、安全管理和数据字典管理等，为系统正常运行提供基础配置和安全服务。

3.2 系统技术架构设计

3.2.1 微服务架构

微服务架构是围绕业务逻辑和应用频次进行设计的架构模式，服务由单一应用程序构成并拥有自己的行程与轻量化处理流程，采用全自动方式进行部署，服务之间使用应用程序接口进行交互。这种架构模式使得系统在面对业务变化和系统升级维护方面具有较强的容错性和可扩展性。为应对内外部环境和系统性能需求的不断变化，目前诸多行业系统架构已由单体系统向微服务方向发展。

对于综合性石油公司原油价值链优化系统，在应用的过程中不可避免地要面临业务需求的变化、快速迭代升级的问题，因此有必要采用微服务架构模式进行设计和建设。

3.2.2 基于微服务的系统架构设计

原油价值链优化系统架构整体按照集成数据层、模型及逻辑处理层和业务应用层进行设计。根据原油价值链优化业务特点和功能架构，在逻辑处理层，将优化模型计算、预测和测算等数据处理计算、计划流程管理、分析和展示等报表管理、系统管理功能设计成独立服务，整体采用微服务架构进行设计，每项服务采用独立的技术路线进行分布式研发。

4 系统应用实践效果

某大型综合性石油公司按照前述设计方案进行了原油价值链优化系统建设及实践，建立了包含40 多万个变量、10 多万个方程、80 万条数据，涵盖公司原油产业链“产、炼、运、销、储、贸”全链条的一体化优化模型，在模型建设的基础上，基于微服务架构开发了涵盖市场预测、资源优化、效益测算等9 大模块的原油价值链优化系统。

2021 年以来，该系统在某大型综合性石油公司的计划优化、计划管理和生产经营决策中得到了深入应用，实现了公司生产经营计划编制和分析工作由线下到线上、由人工估算到定量计算、由量的平衡到量效综合优化的转化，提升了原油产业链计划编制工作效率和科学决策水平，对优化资源配置、产品结构、市场布局及提升公司整体盈利能力发挥了重要作用。

5 结论及展望

建设和应用原油价值链优化系统是综合性石油公司生产经营计划管理工作迈向平台化、数字化和智能化的重要途径。系统通过计算机技术和运筹优化技术结合，可为原油产业链生产经营计划制订和分析工作提供重要决策平台，助力公司整体效益提升。后续应用过程中，该系统可从两个方面进一步完善：第一，随着原油价值链一体化优化模型应用范围逐步扩大，应用深度逐步深入，模型的颗粒度将更为细化，在管道运输、成品油销售方面需进一步拓展，提升原油产业链决策水平；第二，原油价值链优化系统是集团公司生产经营管理数字化转型的重要组成部分，系统给出的优化方案将朝着形象化、直观化、具体化方面持续改进，决策过程将向智能分析方面持续提升。