中欧集装箱海铁复合运输网络脆弱性分析.pdf
《中欧集装箱海铁复合运输网络脆弱性分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中欧集装箱海铁复合运输网络脆弱性分析.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期收稿日期:2022-12-07*国家自然科学基金项目(71601112)、上海市科委软科学研究项目(23692111000)资助 第一作者(通信作者)简介:张欣(1982),博士,教授.研究方向:交通运输风险管理及复杂系统.E-mail:中欧集装箱海铁复合运输网络脆弱性分析*张欣李双菲孙代源(上海海事大学交通运输学院上海 201306)摘要:中欧贸易运输涉及多个港口和车站,构成复杂的运输网络,网络枢纽节点受到自然灾害、安全事故等影响失效,导致网络仅局部连通,进而影响全局效率。为量化分析中欧集装箱运输网络在枢纽节点失效后的网络功能变化程度,基
2、于中欧班列和海运航线网络构建海铁复合运输网络。在此基础上结合负荷-容量级联失效模型提出1种网络脆弱性仿真模型,模型考虑到节点容量、攻击方式及负载分配策略3类影响因素,并设定网络连通性及网络效率为脆弱性测度指标,仿真实验分析影响该网络脆弱性的因素与演化规律,并通过网络效率变化曲线判断了关键节点。结果显示,中欧集装箱海铁复合运输网络共计167个节点,网络具有无标度和小世界特性,度相关性系数为0.13,网络体现弱同配性,度值相近的节点倾向于互相连接;针对枢纽节点的蓄意攻击相比随机失效的网络更脆弱,失效节点数为3时,蓄意攻击下的网络连通性和效率对比随机失效时,分别下降20.15%和37.19%。从影响
3、因素看,基于地理距离对失效节点负载进行重新分配的策略会加剧网络崩溃,节点容量的增加使网络更为鲁棒,当容量冗余系数增到0.2后,脆弱性指标达到临界阈值,外界干扰不再对整体网络产生影响;海港失效对网络效率的负面影响高于铁路站点,而欧洲港口的影响又高于中国港口。从关键节点识别看,欧洲港口中康斯坦萨港失效时网络效率降幅最大,达88%,中国区域为上海和宁波,降幅均为76%。研究结论有助于理解中欧集装箱海铁复合运输网络的脆弱性影响因素,在突发事件中优先保护关键节点,优化货流分配,从而提升部分枢纽节点失效时的运输网络鲁棒性。关键词:综合运输;海铁复合运输网络;网络脆弱性;级联失效;集装箱运输;复杂网络中图分
4、类号:U169.9;U169.1文献标识码:Adoi:10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.006Vulnerability Analysis of China-Europe Container Sea-rail IntermodalTransport NetworkZHANG XinLI ShuangfeiSUN Daiyuan(College of Transport&Communications,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:The China-Europe trade
5、transportation involves multiple ports and rail stations,forming a complex trans-port network.The hub nodes of this network are vulnerable to various disruptions such as natural disasters and safe-ty incidents,resulting in partial connectivity and consequently affecting the overall efficiency of the
6、 network.Toquantitatively analyze the extent of functional changes in the China-Europe container intermodal transport networkfollowing the failure of hub nodes,a composite sea-rail transport network is developed based on the China-Europerail services and shipping lines.On this basis,a simulation mod
7、el is proposed to investigate the network vulnerabili-ty by integrating a load-capacity cascading failure model.The model considers three influencing factors:node capac-ity,attack methods,and load distribution strategies.The network connectivity and efficiency are set as the vulnera-bility indices.T
8、he simulation model is used to analyze the factors influencing the network vulnerability and its evo-lution,and to identify critical nodes by examining the change curve of network efficiency.The results reveal that theChina-Europe container sea-rail intermodal transport network consists of 167 nodes
9、,exhibiting scale-free andsmall-world characteristics,with a degree correlation coefficient of 0.13,indicating weak assortativity.The nodeswith similar correlation degrees tend to be connected.Intentional attacks on hub nodes render the network more vul-480引言经济全球化背景下,中欧贸易上扬。据中国海关总署统计数据,2022 年,中欧双边贸易
10、额达8 473.2亿美元,欧盟与中国互为第二大贸易伙伴。同时,中国保持欧盟最大进口伙伴、第三大出口国,展现出中欧经贸的韧性与活力。中欧间贸易运输的主要方式为海上集装箱运输与中欧班列运输,需经过多个地区,易导致某一环节受到突发因素影响,进而对运输网络造成影响。2021年,苏伊士运河内1艘货轮搁浅,导致已进入运河的船舶被迫停航,1周后才恢复通航。苏伊士运河为全球海上交通大动脉,德国安联保险集团研究显示,运河封锁或使全球贸易每天损失60100亿美元1。近年来,很多学者运用复杂网络理论对各类交通网络进行分析。复杂网络是将现实系统抽象为节点和连边,用于描述和刻画系统要素结构和演化机理的重要工具。早期研究
11、主要集中于网络的拓扑特征,Watts等2和Barabasi等3分别提出了现实网络的小世界特性和无标度特性。Woolleymez等4研究了世界航空网络与海运网络的节点中心性。近期学者更关注于对网络脆弱性的研究,描述了网络对于外界扰动的响应。关晓光等5从扰动下的抗毁能力入手,基于节点保留率分析全球海运网络港口的鲁棒性。吴姗等6通过集聚系数等指标的变化曲线,得出海运网络在蓄意攻击下较脆弱。吴迪等7研究了海运网络的崩溃临界点,进一步证实此特性。张欣等8针对贝鲁特港爆炸事件分析节点失效的影响,发现爆炸事件对局部有向海运网络产生一定冲击。胡岳等9从航线失效的视角研究网络的抗毁能力,仿真结果表明:该网络对航
12、线的随机失效比港口的随机失效更敏感。魏海蕊10依内陆省及中欧班列沿线节点的连通关系的视角建网,结合可达性与重要性探索网络连通水平。赵瑞琳等11改进了网络效率公式,对比分析10个城市轨道交通网络的抗毁性。部分学者结合网络受攻击下的指标变化程度,识别网络重要节点。刘婵娟等12从中心性角度识别核心港口。Jin等13基于AIS数据分析疫情对网络连通性及重要港口的影响。Wan等14结合熵权法根据港口中心性指标、吞吐量等评估海上丝绸之路的重要港口,发现前10名中50%为中国港口。综上所述,国内外学者针对运输网络特性的研究取得了一定的成果,但也存在以下2个问题。1)建立的多为单层网络,而现实中的不同运输方式
13、具有多层网络形态,如航空与海运的复合、铁路与海运的复合,因而更适宜于用多层网络来描述。单层网络其节点同质、连边同质,多层网络的实质是挖掘单层网络中节点、连边的异质性,因此基于不同性质引入多个子网络层,从而产生多层的概念;另外,也可以根据不同单层网络的关联关系将其组成为1个多层复合网络进行研究。例如在1条贸易航线上,存在集装箱船、散货船和油船3种船型,则可以根据船型引入3种维度,建立基于不同船型的多层海上运输网络。Boccaletti等15以M=(gc)表示多层网络,其中,g为单层网络集,c为不同层间的元素连接集合。赵娜等16针对双层一对一相依网络进行鲁棒性研究,提出了适用于相依网络的鲁棒性度量
14、指标。2)现有研究一般从运输网络的静态抗毁性入手,脆弱性分析尚未考虑货物流转移问题。现实网络具有动态特性,由于节点间相互联系,1个节点失效可能会由于其负载重分配引发连锁失效反应,即nerable compared to random failures.With 3 failed nodes,the intentional attacks result in a 20.15%decrease in net-work connectivity and a 37.19%decrease in efficiency compared to random failures.From the perspe
15、ctive of influ-ential factors,strategies redistributing load based on geographic distance exacerbate network collapse.The increas-ing node capacity enhances network robustness,reaching a critical threshold when the capacity redundancy coeffi-cient reaches 0.2,at which point external interference no
16、longer affects the overall network.The negative impact ofport failures on network efficiency surpasses that of railway stations,with European ports having a higher impactthan Chinese ports.Regarding the critical node identification,the efficiency reduction is most substantial when theConstanta Port
17、in Europe fails,decreasing by 88%.In the Chinese region,both Shanghai and Ningbo ports experi-ence a reduction of 76%.These findings aid in understanding the vulnerability factors affecting the China-Europecontainer sea-rail intermodal transport network.It suggests the prioritization of protecting c
18、ritical nodes duringemergencies and optimizing cargo flow distribution to enhance robustness of the network in the event of partial hubnode failures.Keywords:integrated transportation;sea-rail intermodal transport network;network vulnerability;cascading fail-ure;container transportation;complex netw
19、ork中欧集装箱海铁复合运输网络脆弱性分析张欣李双菲孙代源49交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期级联失效现象。因此,基于级联失效模型分析现实网络具有实际意义。本文根据中欧间的集装箱贸易的实际运输数据,建立了中欧集装箱海铁复合运输网络(以海铁复合运输网络指代),提出了考虑负荷-容量的级联失效模型,对多种扰动情景下海铁复合运输网络脆弱性演化开展研究。研究考虑到运输系统在受到干扰后,货物流以不同运输方式在不同运输节点间的转移分配问题,是对过去运输网络脆弱性分析中忽视流量转移问题的创新和有益补充。1中欧集装箱海铁复合运输网络结构分析1.1多层复合网络的建立采用L空间模型,引入多层复
20、杂网络理论,以港口或车站为节点、港口间或车站间的线路为连边,设定载货量为连边权重,构建无向加权海铁复合运输网络。此网络为双层网络,一层为海运网络,另一层为班列网络;层内节点由于开设的线路存在一定交集,而层与层之间仅同样节点间存在连边,每层网络内的连边属性不同,例如上海节点,既有与欧洲海上贸易沟通的港口,又有铁路贸易运输的车站,因此,上海节点同时为海运网络和班列网络的枢纽,在各层网络中具有不同的性质和特征。相较过去研究中常用的单层网络,多层网络模型更适宜对多种运输方式的多式联运系统进行建模。海运网络基础数据源于Alphaliner全球运力排名前10的集装箱班轮公司的航线数据,其总运力占世界集装箱
21、船总运力的82.1%,以各公司船期表为基础,统计得海运航线77条,集装箱港口77个。以港口为节点,港口间存在的直达航线为连边,统计得海运子网络包含77个港口节点,257条连边。中欧班列部分以官方公布的线路站点数据为依据,收集得到中欧班列线路49条,铁路站点100个。统计得班列子网络包含100个车站节点,158条连边;总网络中共有167个节点,414条连边。其中,有10个节点为既有港口又有车站的节点,1条连边为子网络的重复连边。根据上述方法构建的中欧集装箱海铁复合运输网络示意图见图1。为了优化可视化效果,节点位置并不代表实际地理分布;节点大小反映了节点连边的多少,节点越大代表与该节点建有货运线路
22、的节点越多。由图1可见:海铁复合运输网络为全连通网络,任意节点间都能相互到达。1.2网络拓扑特征值分析1.2.1度与度分布网络中节点度Ki是指与节点i相连的节点个数,即节点i的邻居节点数。网络平均度K为所有节点度的平均值。平均度由节点连边数量决定,代表网络的稠密程度,平均度越高,网络密度越大。表1所示为3种网络度值排名前5个的节点。由表1可见:塞得港、新加坡港和鹿特丹港度值在海铁复合运输网络与海运子网络中均排名前3,分别为28,25,18,表明其与多个港口存在直接货运关系,为中欧海运航线必经港口节点。郑州站为班列子网络度值最大的节点,郑欧班列是全国各地发往欧洲货运班列中的“第一号”,为中欧班列
23、最大中转站。计算得海铁复合运输网络平均度为4.958,表明平均每个节点与5个节点建有线路连边,节点间联系较密切。班列子网络平均度为3.160,海运子网络为6.675,海运网络的平均度高于班列网络,主要由于海运航线开设受地理条件和基础设施建设影响小于铁路班列,新的铁路班列的开设成本远高于海运航线开设,因此班列网络平均度低于海运网络。港口节点车站节点既有港口又有车站的节点图1中欧集装箱海铁复合运输网络示意图Fig.1Diagramof China-Eurocontainershippingandrailwaymultiplextransportationnetwork表1网络度值前5的节点Tab.
24、1Top 5 node degree in the network排名12345海铁复合运输网络节点塞得港新加坡港鹿特丹港上海巴生港度值2825181817海运子网络节点塞得港新加坡港鹿特丹港巴生港上海度值2825181716班列子网络节点郑州莫斯科华沙满洲里阿拉山口度值141211111050节点度分布是指某1个节点度值在网络中所占的比例,统计结果见图2。同时采用皮尔逊相关性检验来对海铁复合运输网络节点度值进行相关性分析,计算得到度-度相关性系数为0.134 6,其值大于0,说明邻居节点度正相关,该网络属于同配性网络,度值高的节点优先连接度值高的节点。经函数拟合后发现,具有指数截尾的幂律函数
25、相较指数分布、正态分布的拟合度更高,节点度分布基本满足截尾幂律分布特征,节点连接具有偏好性,少数节点拥有大量连接,度值较小的节点占比较重,这表明中欧集装箱海铁复合运输网络体现出无标度特性。节点度分布0.350.30.250.20.150.10.0500510152025幂律分布拟合曲线节点度值0.350.30.250.20.150.10.050节点度分布拟合曲线y=x(3.927)*exp(-2.015x)R2=0.776 6图2节点度分布Fig.2Degreedistributionof nodes1.2.2集聚系数节点集聚系数Ci(0Ci1)指的是网络中节点i的各邻居节点间也两两存在连边的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中欧 集装箱 复合 运输 网络 脆弱 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。