《Journal of Cleaner Production》：Optimization of multi-product and multi-period natural gas logistics network under multimodal transport
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•开发了一个创新的混合整数线性规划模型。•涵盖了天然气从开采到消费的整个过程。•考虑了天然气的运输和状态转换的联合运营。•对中国的一个真实案例进行了全面分析。引言中国的“碳达峰和碳中和”目标旨在平衡经济增长与碳排放控制，从而促进能源转型和可持续发展（Jia et al., 202
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开发了一个创新的混合整数线性规划模型。
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涵盖了天然气从开采到消费的整个过程。
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考虑了天然气的运输和状态转换的联合运营。
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对中国的一个真实案例进行了全面分析。
引言
中国的“碳达峰和碳中和”目标旨在平衡经济增长与碳排放控制，从而促进能源转型和可持续发展（Jia et al., 2023）。作为环保能源（Hong et al., 2023），天然气在减少碳排放、推动能源转型和实现可持续发展目标方面发挥着关键作用（Hong et al., 2020; Che et al., 2022）。天然气物流网络包括多个阶段，如采购和生产、储存和加工、运输、分配和削峰，以及最终用户消费（Wen et al., 2023）。这些阶段之间的有效协调对于降低成本、提高运输效率、增强供应弹性和实现减排目标至关重要（Emenike and Falcone, 2020）。
多模式、多产品的天然气物流网络构成了一个复杂的供应链系统，旨在使用多种运输方式以统一和系统的方式高效运输天然气（Jokinen et al., 2015）。该网络整合了几个关键阶段，包括生产、状态转换、运输、储存和销售。如图1所示，天然气的状态转换涉及使用液化、气化、压缩和减压装置将其从一种形式转换为另一种形式。这些转换过程建立了不同天然气状态下的物流子网络之间的有效连接。上游操作包括从油田提取天然气、压缩和液化，以及LNG储备站的管理，包括装载、卸载、气化和使用LNG/CNG公路罐车、LNG船舶和管道进行外部运输（Santibanez-Borda et al., 2021）。中游操作包括运输、储存和产品状态转换的战略制定，包括运输方式的选择、体积和路线的确定、削峰系统位置和容量的规划（例如，地下储存、LNG和CNG储备），以及转换地点和数量的指定（Elbashir et al., 2018）。下游活动侧重于将天然气高效且合理地分配给最终用户，主要是住宅和电厂消费者，确保从生产到消费的供应链顺畅（Eikeland, 2007）。
然而，不同气体产品（如液化天然气（LNG）、管道天然气（PNG）和压缩天然气（CNG）的共存和转换（Hao et al., 2016; Mazyan et al., 2016）产生了多样化和灵活的多模式运输方式。这种复杂性显著增加了优化物流网络的难度（Ríos-Mercado and Borraz-Sánchez, 2015）。此外，作为重要削峰组成部分的气体储存设施在维持供应稳定性方面发挥着重要作用，同时也引入了新的运营限制（Sharafian et al., 2017; Wang and Lin, 2014）。在这种情况下，多种运输方式、产品类型和规划期的协调整合对于实现高效转换、合理分配和灵活削峰是不可或缺的。
尽管在优化天然气物流网络的各个部分方面取得了显著进展，但大多数现有研究采用的是碎片化的视角，分别关注上游采集、中游运输和储存或下游分配（Wen et al., 2022; Zhou et al., 2023）。这种分割忽略了整个供应链的相互依赖性和动态性，特别是在多产品和多周期场景下。此外，产品转换、动态库存管理和经济与环境目标之间的耦合等关键方面在当前模型中尚未得到充分解决。这些局限性突显了需要一个涵盖天然气整个生命周期的系统级优化框架，包括开采、进口、转换、储存、运输和最终用户交付，同时整合多模式运输、产品转换和多周期操作。因此，本研究提出了以下研究问题：（1）如何开发一个系统级的MILP优化框架，以整合整个多产品、多周期的天然气物流网络，包括上游采集和进口、中游加工、储存和运输以及下游分配和最终用户交付，在多模式运输条件下？（2）在这个统一框架下，对于沿海城市集群的情况，什么是具有成本效益和操作可行性的基础设施和运营策略，包括生产、转换、储存和路线决策，它们与简化的单产品或固定供应设置相比如何？（3）关键因素（如产品组合、气田开采策略、用户供应模式和LNG销售价格）如何影响天然气物流网络的经济性能和供应可靠性？
为了解决这些研究问题，本研究开发了一个混合整数线性规划（MILP）模型，用于整合上游勘探和生产、中游运输和储存以及下游分配和销售的天然气物流网络。所提出的模型同时考虑了PNG、LNG和CNG之间的转换，整合了多模式运输，并优化了多个时间段的运营决策。它旨在在考虑与基础设施建设、流量平衡和能源转换效率相关的实际约束的同时，最大化总体净利润。通过对中国一个沿海城市集群的案例研究，展示了该模型的适用性，并提供了关于基础设施投资、生产调度和LNG采购的最佳策略的见解。进一步进行了敏感性分析，以评估产品类型、开采方案、用户供应模式和LNG销售价格对网络性能的影响。总体而言，本研究做出了三个主要贡献：它建立了一个统一的多产品、多周期、多模式天然气物流优化的MILP框架；它全面捕捉了从资源开采到最终使用的整个天然气生命周期，在现实的运营约束下；它提供了关于不同配置和政策选择如何影响天然气物流系统的经济性能和供应可靠性的定量证据。
本文的结构如下。第2节提供了与天然气物流网络优化相关的先前研究的全面文献回顾。第3节详细解释了研究问题，包括相关概念的定义和优化框架的描述，并介绍了研究方法，涵盖了目标函数和约束条件。第4节提出了一个案例研究，包括基本数据和解决方案结果。第5节讨论了研究发现并分析了结果的意义。最后，第6节总结了研究并概述了未来的研究方向。
部分摘要
文献回顾
天然气物流网络是天然气行业的一个关键组成部分，包括上游勘探和采集、中游运输和储存以及下游分配和销售等多个阶段，形成了一个高度耦合和互动的复杂系统（Shafiee et al., 2019）。具体而言，上游部分涉及勘探和生产，是物流网络的起点（Fox et al., 2019）；中游部分
问题描述和方法
为了有效优化天然气物流网络，首先需要明确网络的结构特征和运营复杂性。这包括理解多模式运输系统、不同产品状态（LNG、PNG、CNG）之间的相互作用，以及上游、中游和下游过程之间的协调。以下部分详细概述了网络结构，为
案例研究
在本节中，以中国一个沿海城市集群的天然气物流网络作为案例研究。收集的基本数据被整合到第3节建立的数学模型中，然后使用Python编程环境中的GUROBI优化器进行求解。
讨论
基于第4节的结果，本节讨论了典型因素对天然气物流网络的影响。
结论
多产品、多周期天然气物流网络的合理优化是石化行业中必须解决的关键运营挑战。解决这一挑战需要制定和解决适当的数学模型。为此，建立了一个MILP模型。该模型专为多模式运输而设计，旨在有效地管理多个周期内的天然气物流网络
CRediT作者贡献声明
杨旭翔：撰写 – 审稿和编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、概念化。胡安森：撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。彭淑轩：撰写 – 审稿和编辑、验证、软件、方法论、调查、形式分析。陈张星（John）：撰写 – 审稿和编辑、验证、方法论，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52404065、U22B20126）、中国博士后科学基金（2024M763653）、山东省重点研发计划（2022CXGC020406）和国家重点研发计划（2022YFC2806100）的财政支持。
杨旭翔|胡安森|彭淑轩|陈张星|杨金|洪冰源
