近年来随着国内LNG (Liquid Natural Gas)接收终端的建设和投产，LNG产业链不断丰富，逐渐向产业链上游(大型气田天然气液化、大型LNG船舶运输)及下游(LNG液态仓储、转运、分销)领域拓展[1-3]。由于LNG产业链长且工艺设备多，受能源市场、上下游供需、物流配送、经济政治环境、产业政策等宏观因素影响多，需要对产业链整体和各环节的运营和管理进行评估和优化，寻找其中短板环节，规避各类风险。建立LNG产业链动态模拟仿真平台，用于LNG产业的液化、运输、接收气化环节各相关建设项目的规模测算和运营优化，可以作为有效、得力的决策支持系统(新建投资决策、改扩建投资决策、运营管理)工具。随着商用动态仿真软件的发展，可以借助LNG产业链实践经验对仿真软件进行二次开发，从而建立LNG产业链动态模拟仿真平台。
电子计算机的出现，使许多复杂的数学模型可以通过计算机来进行计算求解。利用数学模型描述系统的特征并进行求解的手段逐步发展成为现代的计算机仿真技术。仿真技术的发展已经渗透到各行各业，特别是在军事、航空航天、武器装备、自动控制、交通、采矿、化工、机械、能源、生态、生物医学等众多领域得到了广泛而又深入的应用。通过对系统仿真概念的了解和对现有动态仿真软件适用性进行比较，以及分析动态仿真软件在LNG行业的应用现状，可知Witness软件更适用于对LNG产业链系统的描述和分析。
系统仿真是利用系统模型在仿真的环境和条件下，对系统进行研究、分析和试验的方法。系统建模、仿真建模和仿真实验这三项基本活动联系着系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机(包括硬件和软件)，如图 1所示[4-5]。系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。
对LNG产业链的研究应重点关注系统层面的仿真，而不仅是工艺、设备等某一具体专业或微观层面的模拟，可排除ASPEN、PRO Ⅱ、HYSYS、CHEMCAD、FLUENT等工艺类模拟软件和其他专业软件。由于物流系统的复杂性，如果用一般的高级语言(如FORTRAN，C)进行仿真，存在着程序量大、界面差和不易维护等缺点，因此需要专用的仿真语言作为支撑工具。专用的仿真语言可以使模型的描述更加方便和直观，仿真过程更为灵活，仿真结果更易于理解。目前，国内外有代表性的4种仿真语言的横向对比见表 1[6-9]。
从表 1可以看出，这4种仿真语言在建模、仿真、分析和优化等方面能力较为接近，但Witness具备更丰富的流程工业专业模型和LNG产业链的应用经验；而Flexsim基于三维表现形式在宏观决策层面的表现力不足；Extendsim和Arena都没有LNG产业链的相关应用经验。对LNG产业链系统进行描述和分析，且兼顾流程工业和离散物流特性的仿真软件为Witness。
从20世纪90年代开始，仿真技术在整个LNG行业受到越来越广泛的欢迎。通过仿真技术的应用，接受站终端、LNG工厂、设备和物流过程都被真实地表现出来，据此可进一步优化项目决策。
世界领先的石油和天然气公司，包括BP、ChevronTexaco、ExxonMobil和Shell，都使用仿真技术来提高LNG项目的规划设计和日常运营的效率。国际上承包商、供应商、运营商如BP、ChevronTexaco、ExxonMobil、Qatar Petroleum、Shell和日本燃气公司等均采用Witness软件进行LNG产业链项目仿真。通过Witness仿真对LNG在海上运营、陆上加工和储存、运输和交付等方面的设计和优化提供了丰富的决策支持，在提高供应链销售量的同时最大限度地减少了对LNG供应链的投入[10-12]。
由于现有的生产调度软件缺乏扩展性，主要为衔接资源、运输和下游销售合同的指令性订单管理软件，而且LNG接收站罐容核算相关参数均为锁定，限制了其实际用途。本文使用较为成熟的Witness软件进行二次开发，利用其内置的各类模型和优化算法，建立LNG产业链动态仿真平台，以单链条结构、多链条结构、网络化结构、动态生成ADP(Automatic Data Processing)结构的应用模式进行分析，开发了一套涵盖LNG液化、船运、LNG接收(及仓储转运)、气化外输等主要环节的LNG产业链动态模拟仿真系统。
基于Witness软件二次开发的LNG产业链动态仿真系统完整模型结构为：LNG液化厂+LNG现货+LNG大船+LNG接收站+LNG小船+LNG中转站+三类下游用户(气态外输用户、液态槽车用户以及液态小船转运用户)结构，见图 2。在逻辑结构和功能应用上，LNG产业链动态仿真系统的完整模型结构可以进行各种形式的切割和组合。
对于每种模式在实际应用中，还需要根据仿真计算结果，反复多次进行LNG液化厂ADP排期优化、LNG现货补充、LNG储罐罐容的优化、LNG船只船容类型和LNG船只数量的优化、LNG储罐初始存液水平的优化。目前，所建立的LNG产业链动态模拟仿真平台只进行仿真计算和初步分析，将来针对具体工程项目做咨询报告后，可以提供优化分析和决策分析报告内容。
以整个LNG产业链系统为研究对象，将天然气开采端、LNG海上运输过程、LNG接收端、天然气输送网络和消耗终端等模块连接成一个完整的从天然气开采到终端消耗的供应链系统，如图 3所示[13]。调整每个上游节点向下游输送LNG或天然气的方式，研究在既定终端消耗和硬件设施情况下，不同的产销存决策对系统整体绩效的影响。其中的每个模块从系统运作流程、模型构建、仿真实验及结果分析等层面着手，在细节到整体上了解和掌握LNG供应链仿真建模的过程。
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。常用的建模方法主要分为：离散事件仿真方法和连续事件仿真方法。由于LNG产业链的开采、液化、运输、储存等各环节之间具有明显的离散物流特性，因此对产业链层面的研究应以离散事件仿真为主，但对产业链内各环节系统状态变化的描述又存在时间连续性，特别是对一些重点参数的研究和跟踪需采用连续事件仿真方法。
在本LNG产业链动态模拟仿真系统中，对液化厂、接收终端、中转站、现货资源点、港口、码头、双向航道、天气与潮汐影响、LNG船、ADP计划、动态现货等的逻辑进行描述时，根据离散化和连续性的需求，离散化需要应用较多的随机分布函数，包括：POISSON(泊松分布)、RANDOM(0~1均匀分布)、IUNIFORM(整数均匀分布)、TRIANGLE(三角分布)、UNIFORM(均匀分布)、NEGEXP(负指数分布)、LOGNORML(对数正态分布)、TNORMAL(截断正态分布)、GAMMA(γ分布)、BETA(β分布)、NORMAL(正态分布)等11种。
本系统软件对单一链条结构、多链条结构、网络化结构、动态激活模式等多次的数据测试，经过17轮的测试，共发现80个问题，修改完善后系统功能已经完善、运行稳定。节选系统测试历程中的5个问题，列在表 2中。从表 2可以看出，系统输出报表与重要指标设定包括LNG大/小船航道天气延误明细、液化厂报表、接收站与中转站预警报表、站点保民用关停报表、接收站与中转站统计报表、需求和供给统计报表、设备维护统计报表、大/小船舶等待和装/卸船统计报表、需求受限明细、连续电厂高需求明细、逼罐明细、年支出和收入费用/量统计报表和明细、预设ADP复述、动态生成ADP模式报表、站点支出统计的逻辑框图、LNG接收站船延时惩罚成本等。通过这些指标来实现算法的设计和优化。
通过编程语言在Witness软件基础上进行二次开发，编制LNG产业链动态仿真系统平台过程中，可能会遇到模型建立、算法求解困难，软件成果开放性不够、对兼容性考虑不足、仿真系统调试时间过长、系统人机界面不够灵活/可操作性不理想等问题，可通过算法优化和求解程序编制的重新开发来解决。
LNG产业链动态模拟仿真系统在应用中需要面对合同风险、确定基础设施规模、基础设施能力挖潜、独立大船/小船的船队管理、基础设施的第三方进入、“珍珠链”基础设施整合、站间小批量中转、调峰与供应弹性和应急供气保障等情景化应用问题。解决这些功能化应用问题需要保证基于Witness软件二次开发和编制成果具有非常突出的柔性特征，即系统架构的灵活性和细节化处理方式。
系统构架的柔性特征通过液化厂/现货点对接收站的一对一、多对一、一对多、多对多四种组合(即网状结构与硬连接结构)供应链架构来体现，既能适应复杂的网络化供应链结构，又能适应单一评估某一LNG接收站的需求。对独立LNG船队、LNG供方/需方指定船只两种不同类型的模型逻辑进行架构统一和融合化处理，可反映的上游SPA合同结构类型、“固定船期+浮动量”与可调整船期等模型结构实现方式。在同一个模型系统中，要能同时实现多种模型架构和模型逻辑的单独使用和混合使用，并且全面涵盖适应于接收终端管理、液化厂资源管理、运输船队管理、下游基础设施整体管理。
随着系统仿真技术的发展和LNG产业链的完善，国内外LNG产业链动态模拟仿真系统都有了很大进展，但国内LNG产业链动态模拟仿真平台只进行了仿真计算和初步分析，下一步还需要针对具体工程项目做模拟仿真[14]。由于仿真推演是对未来的预测，故难以校核。实际项目最好采用两套仿真软件相互校核的方式，以一套作为前台主仿真软件，另一套软件作为后台校核软件，这两套软件采用不同的建模方法，达到殊途同归的目的。
运用动态模拟仿真平台对现有LNG生产物流系统的优化或新生产物流系统的设计，提供优化分析和决策分析报告，其解决方案的应用价值为：判断和确定各LNG产业环节的建设规模，评估和发掘已建项目单元的生产潜力，为LNG企业获得提高产能的收益，实现全部资产应用潜力的最大化；预测库存中断的风险，建立运作规则，实现设计目标；认识合作的复杂性部分并合理分配权益，供应商和终端运营商通过仿真理解实施工作方式，以协助双方提高财务收益；通过仿真准确预测决策实施的结果，摈弃高风险决策；在LNG产业链动态模拟仿真平台中，通过提取数据，细化关键运行指标系统，评估运行项目效率表现，对各环节项目单元的生产运行效率进行评估与考核。
2015, Vol. 44 Issue (1): 45-49, 58
2015, Vol. 44 Issue (1): 45-49, 58