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原文題目： An integrated optimisation platform for sustainable resource and infrastructure planning
作者：Charalampos P. Triantafyllidis, Rembrandt H.E.M. Koppelaar, Xiaonan Wang, Koen H. van Dam, Nilay Shah
第一作者單位：Centre for Process Systems Engineering, Department of Chemical Engineering, Imperial College London, Exhibition Road, London SW7 2AZ, UK
期刊：Environmental Modelling & Software
發表時間：Jan 2018
在城市基礎設施的建設上，需要廣泛考慮環境和社會層面的影響，建設更具可持續性的基礎設施，以建立更具彈性的社會、減少貧窮、改善人類福祉、減輕氣候變化和解決其他全球變化進程。本文介紹了一個用於在日益增長的資源需求條件下對新的基礎設施項目進行設計和效能評估的集成平台resilience.io。該平台採用主體建模的方式進行社會經濟人口變化模擬，使用混合整數線性規劃進行多目標優化，以找到成本最優的解決方案，目標同時也包括溫室氣體排放量等環境指標，從而為傳統技術和新技術的選擇、網路拓撲結構的改變、系統成本的規劃等提供指導，並可與其他的材料、廢物、能源、勞力力或排放流相結合。
該平台按照三個步驟進行模擬計算：
第一步，利用當地現有的人口與社會經濟條件對當地未來的社會經濟狀況進行評估。包括利用人口數量、出生率、年齡結構、失業率、收入狀況等指標分析未來的人口數量、年齡結構、收入狀況等指標。
第二步，利用這些指標在研究區域上進行主體建模。圖1為主體建模的一個示例，其位於加納的首都阿克拉。其中不同顏色代表了人的不同性別。這些主體包含了居住區域、性別、年齡段、收入水平、工作狀況、飲用水來源、非飲用的生活用水來源、供水是否受到配給限制、如廁方式等特徵。
圖1 主體建模的案例區域
利用主體建模的方法，可以將這些主體的特徵轉化為其可能的用水行為。通過選取一個多項式的回歸方程，可以估算出以5分鐘為時間精度的用水需求趨勢線。將二者結合，便可對研究區域中不同片區2030年平均日生活用水需求進行計算，計算結果見圖2。其中不同顏色表示不同的片區。
圖2 阿克拉不同片區2030年的平均日生活用水需求
第三步，得到各個片區的用水需求後，便可利用混合整數線性規劃模型計算成本最小、污染最少、勞力力消耗最少等多目標情形下的可行城市基礎設施建設方案。該混合整數線性規劃模型的變量和參數見圖3，約束與目標函數見圖4。變量中既包含了正整數變量（如第tm年在區域i中投資的基礎設施j的單位數），也包含了非整數的變量（如某種資源r在第tm年的第t日從i遷移到I’的速率）。約束包括技術約束、產能約束、自來水與生活污水的流量約束、質量平衡等一系列約束。目標函數則是通過加權的方式將多目標優化變成單目標。
圖3 平台所使用的優化模型變量與參數
圖4 平台所使用的優化模型約束與目標函數
利用這一套方法，便可計算出建設分散式基礎設施、建設集中式基礎設施、建設集中式基礎設施且降低管網漏損等三種不同情景下，阿克拉市從2010年-2030年各種指標的平均值，見圖5。
圖5 三種不同情景下阿克拉市從2010年到2030年各指標的平均值（美元以2015年為基準）
圖5中，GAMA為大阿克拉城市區，CAPEX為資本性支出，OPEX為經營成本。整體而言，建設分散式基礎設施雖然不需要增設管路，但由於水處理的成本增加，導致總成本上並不占優，而建設集中式基礎設施且降低管網漏損的情景則能更兼顧成本與水資源供給效率。
為更好地對未來的城市給排水基礎設施進行設計，需要能夠對未來的城市發展狀況進行預測。本文提供了一種方案，可以通過預測未來的城市發展狀況，通過混合整數線性規劃模型，對城市給排水基礎設施建設的方案進行評估。不過，本研究僅僅粗略地假設有80%的生活用水變成了生活污水，而並未用類似的方法對生活污水的產生進行模擬。如果希望預測更精確的生活污水排放行為，可以在此基礎上進一步加以改進。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364815217301391?via%3Dihub
