關于貨運網絡的抗毀性及穩定性研究

張鵬

摘 要：在貨運網絡系統中，貨運網絡失效的現象經常發生，給貨物流通帶來了嚴重得不便，影響了經濟發展，文章對貨運網絡的抗毀性及穩定性進行研究。

關鍵詞：貨運網絡；抗毀性；穩定性；拓撲結構

中圖分類號：F552 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0117-02

1 基于不同網絡特性的貨運網絡的構建

在分析貨運網絡抗毀性及穩定性的過程中，最重要的也是最基本的就是貨運網絡的構建和網絡基本參數的設置，而貨運網絡是雙層網絡結構，主要是由貨運交通網絡和貨物物流網絡構成。

①貨運網絡的構建，其上層網絡為貨物物流網絡，網絡中各節點為物流起止點（貨物出發點或貨物到達點），貨物物流網絡中各條邊為物流起止點之間搭接關系；下層網絡為貨運交通網絡，網絡中各節點為交叉口，網絡中各邊為連接相鄰交叉口的貨運通道。

②貨運網絡的構建，建立貨運網絡，如圖1所示。網絡具有24個節點和48條邊。

③構建不同拓撲結構的貨運網絡，本次主要分析無標度貨運網絡、小世界貨運網絡和隨機貨運網絡這三種拓撲結構的貨運網絡對貨運網絡抗毀性及穩定性的影響。依據BA無尺度網絡模型構建一個共24個節點的貨運網絡，網絡中節點的平均連接度為2，如圖2（a）所示；依據WS小世界網絡模型構造一個共14個節點的貨運網絡，貨運網絡中的每個節點分別與它相鄰的節點相連，而且每條邊的重連概率均為0.3，如圖2（b）所示；通過軟件生成一個具有24個節點的隨機貨運網絡，網絡節點的平均連接度為2，如圖2（c）所示。

給定貨運網絡的貨運物流總量為70 000 t/h，三種出網絡中均有有48個物流起點/物流終點對，且所有物流起點/物流終點對之間流量均為1 458 t/h。

2 貨運網絡抗毀性及穩定性模擬仿真

本次研究基于三種不同拓撲結構的貨運網絡，通過隨機用戶分配方法（SUE）將貨運量分配到貨運網絡的每一條貨運通道上，當首次進行貨運量分配以后，貨運網絡中的各條線路上將分配到相應的初始貨運物流量，采用假設飽和度最大的貨運通道（即刪除飽和度最大的邊）的方式來引發貨運通道失效傳播過程，這條邊的刪除將改變貨運網絡的拓撲結構，受貨運網絡拓撲結構變化的影響，貨運量會在整個貨運網絡上的重新分配。重新分配后，如果貨運網絡上分配的物流流量超過貨運網絡通道本來的容量（即飽和度大于或等于1），該貨運通道將會失效，再次引起貨運網絡中貨運量的重新分配，這種失效傳播的過程反復進行直到沒有新的失效通道出現，即失效傳播過程結束。當失效傳播過程結束后，對比不同拓撲結構的貨運網絡，貨運網絡在發生失效傳播后的貨運網絡破壞程度指標。最終得出無標度貨運網絡、小世界貨運網絡和隨機貨運網絡這三種拓撲結構的貨運網絡抗毀性及穩定性的數據。

2.1 采用軟件來進行貨運量分配，獲取貨運網絡上的初 始貨運物流量

①建立貨運網絡地理文件。創建一個線型的地理文件，貨運網絡貨運量將在這個貨運網絡上分配。按照給定的貨運網絡通道各項數據，在線圖層數據表上設定兩個字段——物流通行時間Time和貨運通道通行能力Capacitty。

②建立物流點圖層和物流起點/物流終點矩陣。根據不同拓撲結構的貨運網絡以及需求參數，對貨運網絡進行物流點分區，并建立物流起點/物流終點矩陣。

③貨運量分配。在建立貨運網絡和物流區劃分基礎上，按照貨運量分配的步驟，創建物流區質心地理文件、將質心連到貨運網上以及設置質心連接線屬性、創建貨運網、生成物流區間阻抗矩陣、物流起點/物流終點矩陣索引轉換，最后進行貨運量分配，這里使用隨機平衡分配（UE）模型，模型中參數標定為：迭代次數為200，收斂性檢驗時誤差限值為0.01，貨運通道阻抗函數阻滯系數。貨運量分配后可以得到貨運網絡上各條貨運通道的初始貨運量。

2.2 引發貨運網絡失效的失效傳播過程

在貨運量分配后，計算網絡中每條貨運通道的飽和度，當存在貨運通道飽和度大于1的通道時，則選擇所有飽和度大于1的通道；當不存在飽和度大于1的通道時，則選擇所有飽和度最大的通道；采用模擬失效飽和度最大通道的方式（刪除該通道）來引發失效傳播過程，這條通道的失效將使貨運量在整個貨運網絡上的重新分配。貨運量重新分配之后，貨運網絡中可能會出現新的失效通道，其貨運量超過其本身貨運通道通行能力，從而又一次引起貨運網絡中的貨運量的再一次重新分配，這種過程反復進行直到不再出現新的失效通道，則失效傳播過程結束。

3 抗毀性及穩定性模擬結果分析

采用隨機平衡分配模型進行貨運量分配，由飽和度最大貨運通道的失效（即刪除飽和度最大的貨運通道）來引發失效傳播，三種不同拓撲結構貨運網絡的失效傳播破壞程度指標，

不同拓撲結構的貨運網絡對貨運網絡穩定性及抗毀性的影響很大。三種拓撲結構的貨運網絡中，在模擬失效（刪除貨運通道飽和度最大的或失效的貨運通道）的情況下，刪除無標度貨運網絡中飽和度最大的通道對整個貨運網絡的影響最小，刪除隨機貨運網絡中飽和度最大的通道對整個貨運網絡的影響最大，對小世界貨運網絡的影響次之；隨著被刪除通道的增加，三種拓撲結構貨運網絡的失效通道比例將增加，最終無標度貨運網絡和小世界貨運網絡所有通道飽和度都小于1，整個貨運網絡趨于穩定，而隨機貨運網絡中大部分貨運通道飽和度大于1，貨運網絡大面積的失效而發生癱瘓。發生癱瘓的主要原因是：在隨機貨運網絡中，由于大節點的存在，使得這些重要節點吸引了大部分貨運流量，當刪除這些重要節點時，貨運網絡的結構遭到破壞，致使這些重要節點附近的節點也發生失效，直至整個貨運網絡大部分節點失效，從而達到癱瘓狀態。綜上所述：說明無標度拓撲結構的貨運網絡抵抗失效傳播的能力最好，即無標度貨運網絡的抗毀性及穩定性最好；隨機貨運網絡抵抗失效傳播的能力最差，即隨機貨運網絡的抗毀性及穩定性最差；小世界貨運網絡抵抗失效傳播的能力在無標度貨運網絡和隨機貨運網絡之間，抗毀性及穩定性也在無標度貨運網絡和隨機貨運網絡之間。

4 貨運通道安全系數對貨運網絡抗毀性及穩定性的 影響

在許多研究中，大家都喜歡假定貨運網絡中的節點或邊的貨運總容量與節點或邊的初始貨運量成正比。但是在實際貨運網絡中，貨運網絡中各個物流節點或貨運通道的容量是由貨運道路本身決定的，與貨運通道網絡的設計貨運能力以及實際狀況相關，受到物流節點或貨運通道上貨運量的影響，并不是完全由貨運網絡上的初始貨運量決定的。

在實際的貨運網絡規劃設計中，在不違背貨運通道通行能力約束條件下，通過對貨運網絡中的物流節點的優化設置和提高貨運通道通行能力的方法，可以使整個貨運網絡承載負荷的能力增加。此次對貨運網絡進行模擬優化后，貨運網絡增加的貨運能力與優化之前貨運網絡的設計貨運通行能力的比值叫做安全系數，用關系式表達為：

Ci=（1+？漬）Si

式中，Ci為貨運網絡優化后的物流節點的通行能力，Si為貨運網絡在優化前的設計通行能力，？漬為貨運網絡的通道安全系數。

4.1 基于不同貨運通道安全系數的貨運網絡構建

為了分析通道安全系數對貨運網絡抗毀性及穩定性的影響，首先必須建立貨運網絡。

①構建一個具有24個物流節點和48條邊的貨運通道網絡。由于考慮四個的安全系數，則貨運網絡的貨運容量具有四種情況。

②根據BA無尺度網絡構造算法構建一個具有24個節點的貨運網絡，貨運網絡的平均度為2，假設貨運網絡總需求為 70 000 t/h，各物流節點需求相同，網絡中有48個物流起點/終點對，所以物流起點/終點對之間的貨運量均為1 458 t/h。

4.2 模擬試驗分析

在構建雙層貨運網絡基礎上，模擬備用能力系數=0、0.1、0.2、0.3這四種不同的情況。運用軟件進行貨運量分配，選用用戶平衡分配模型，模型中參數標定為：迭代次數為200，收斂性檢驗時誤差限值為0.01，通道阻抗函數阻滯系數α=0.15，β=4。貨運量分配后可以得到貨運網絡上各條通道的貨運量，采用模擬失效最大飽和度貨運通道的方式來引發失效傳播，飽和度最大貨運通道的刪除，使得整個貨運網絡的貨運量重新分配，可能導致新的通道失效，如此反復進行，當失效傳播結束以后，計算整個貨運網絡的破壞程度。

5 結 語

為了預防和減少貨運網絡失效的發生，我們可以從控制貨運總量的方法上來考慮。隨著社會經濟的不斷發展、居民生活水平的提高，物流的大力發展?？刂曝涍\總量的具體措施非常有必要，可以充分利用現代信息技術，通過信息、網絡等先進的信息技術進行物流活動，從而降低物流總量；優先物流基礎設施的發展：對貨運網絡結構進行改善，制定相關支持貨運的發展的政策，同時優化規劃布局，采用多組團貨運結構布局模式，完善組團內部的貨運配套設施，可以減少組團間的貨運量，降低貨運網絡貨運總量，減少貨運通道失效。但是實際情況中，仍然有許多其他因素會對貨運網絡造成其他的影響，需要進一步的進行分析。

參考文獻：

[1] 吳建軍，高自友，孫會君，等.物流系統復雜性—復雜網絡方法及其應用[M].北京：科學出版社，2010.

[2] 陳永洲.城市物流復雜網絡的實證與模擬研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[3] 張勝虎.基于復雜網絡的貨運網絡優化研究[D].南昌：南昌大學理學院，2010.