自主可控視角下海洋工程裝備供應鏈網絡魯棒性研究

王 平，夏豪斌

（江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇鎮江 212000）

1 研究背景

近幾年，隨著中國經濟和結構轉型升級加快，與歐美等發達國家競爭明顯加劇。美國為了保持其在全球利益格局中的霸主地位，毅然挑起經貿摩擦，打壓中國科技企業，我國在高科技領域面臨著產業脫鉤和關鍵技術“斷供”的嚴峻挑戰［1］。產業鏈是由供應商、制造商以及銷售商等企業依據產業的前后聯結關系構成的經濟系統。企業是產業的載體，產業是企業的集合，基于企業的視角考察，產業鏈主要涵蓋供應鏈、價值鏈、技術鏈以及信息鏈等“內含鏈”［2］。在供應鏈系統中，來自供應、制造、銷售等方面的內部運作的不確定性和來自國際形勢、貿易爭端、重大疫情等外部突發事件的不確定性［3-5］，都會對整個網絡運行造成巨大沖擊，甚至會造成整個網絡的崩潰［6］。魯棒性是指供應鏈網絡在受到內部結構和外部環境變化的影響下仍能保持正常運行的能力［7］。海洋工程裝備是我國實施海洋戰略、建設海洋強國的物質和技術基礎，也是建設制造強國的重要支撐。由于我國海洋工程裝備制造業發展起步晚，產業基礎薄弱，關鍵核心技術對外依賴高，材料設備國產化配套發展滯后，因此，隨著中美貿易摩擦的愈演愈烈，迫切需要理清海洋工程裝備產業關鍵核心技術及供應鏈網絡的魯棒性，增強產業鏈自主可控能力，解決“卡脖子”隱患，突破技術封鎖壁壘，具有十分重要的理論意義與現實意義。

供應鏈網絡的魯棒性問題一直是學界的研究熱點。微觀層面上，Goh 等［8］基于復雜網絡理論研究節點重要度和供應鏈網絡效率的問題。謝廷宇等［9］在平均路徑長度、聚類系數平均值以及網絡密度為魯棒性指標的情況下，研究了蓄意攻擊和選擇攻擊兩種策略下供應鏈網絡的魯棒性。柳虹等［10］基于復雜網絡理論提出具有節點失效性能傳遞特性的攻擊策略，分析供應鏈網絡在受到攻擊時的脆弱性和魯棒性。趙志剛等［11］認為加權網絡更加貼近現實的供應鏈網絡結構，在此基礎上了構建了供應鏈網絡演化模型，并采用網絡效率和最大連通子圖的相對大小來評價供應鏈網絡的魯棒性。張怡等［12］基于復雜網絡理論構建帶有可調參數的供應鏈網絡演化模型，分析了不同拓撲結構在受到隨機干擾和選擇性干擾下的魯棒性。在宏觀層面的研究有江煉等［13］基于CAS 理論，采用復雜網絡和Repast 仿真的方法，分析供應鏈網絡在面對有意干擾和無意干擾下供應鏈的魯棒性表現。劉小鋒等［14］基于廣義進化論，利用多主體建模的方法對供應鏈網絡進行建模，研究了供應鏈網絡在隨機、有意以及無局部聯盟干擾下供應鏈網絡的穩定魯棒性和性能魯棒性。唐亮等［15］基于同層和異層網絡級聯失效機理，對供應鏈網絡的動態魯棒性進行分析。

綜上，學術界在供應鏈網絡魯棒性的研究上取得了豐富的成果，但在上述研究中網絡模型多以隨機網絡和單純的BA 網絡為主，而海洋工程裝備制造業屬于高知識、高技術聚集產業，是以某項關鍵核心技術為軸線相關產業聚集的產業鏈［16］，其供應鏈網絡區別于一般的供應鏈網絡。專利作為關鍵核心技術的表現形式［17］，其網絡能夠更好地反映海洋工程裝備產業高知識、高技術的特點。因此，本文利用海洋工程裝備制造領域國內外專利數據，識別專利所屬企業，構建供應鏈關鍵核心技術網絡，分析在不同攻擊策略下供應鏈網絡的魯棒性，以期為我國海洋工程裝備制造業自主可控發展提供參考和借鑒。

2 海洋工程裝備供應鏈結構建模

2.1 海洋工程裝備供應鏈的拓撲結構

海洋工程裝備主要指海洋資源勘探、開采、加工、儲運、管理、后勤服務等方面的大型工程裝備和輔助裝備，一般可分為三大類，即海洋油氣資源開發裝備、海洋浮體結構物和其他海洋資源開發裝備。目前我國海洋工程裝備制造模式多為總裝化制造模式，在整個制造過程中業主向海洋工程裝備制造企業下訂單，海洋工程裝備制造企業根據訂單要求進行總裝制造，向設計公司委托開展產品設計，向配套廠商、原材料供應廠商購買原材料和設備，向協作廠商尋求模塊、分段、舾裝件等的委外加工，向各物流、檢驗、金融等服務機構獲取相關服務，共同完成海洋工程裝備的制造。具體供應鏈模型如圖1 所示。

圖1 我國海洋工程裝備供應鏈模型

2.2 海洋工程裝備供應鏈網絡分析

專利是科技領域最重要的知識產權，是國家或產業的創新和研發能力的重要體現［18］。專利的引用次數能夠反映專利的價值大小，其引用次數越多代表專利的技術基礎性越高，技術價值也越高［19］。由于簡單的供需關系構成的供應鏈網絡中很難識別和評估受控環節、受控對象以及受控程度，而專利構建的技術鏈作為產業鏈主導核心技術的表達［20］，其網絡能夠更好地反映關鍵核心技術、設備及歸屬主體，并且能更好地反映專利擁有者對整個產業鏈運營的影響程度。供應鏈作為產業鏈的核心構成［21］，產業鏈決定供應鏈，供應鏈服務和服從產業鏈［22］。因此，為了更好地研究海洋工程裝備產業鏈的自主可控問題，本文利用海洋工程裝備中自升式鉆井平臺的專利數據作為分析樣本，對專利所屬企業進行識別，從企業的角度構建海洋工程裝備供應鏈關鍵核心技術網絡，共采集到國內專利數據903 條和國外專利數據1 022 條。通過對數據進行去重、去噪等處理，篩選整理得到國內企業247 個以及國外企業175 個，通過分析企業間專利的引用關系，得到一個422×422 的矩陣，然后將矩陣導入UCINET 軟件進行網絡分析。

2.2.1 企業之間聯系

基于專利數據繪制了422 個企業之間的引用網絡，如圖2 所示，該網絡的密度為0.003 6，說明各企業之間的引用關系不夠密切，即使刪除166 個國內企業孤立點和122 個國外企業孤立點，該引用網絡的密度也為0.030 6，仍遠遠小于一般的社會網絡。這些都說明，在海洋工程裝備領域關鍵核心技術的研究還處于單發狀態，各關鍵核心技術分別掌握在單個企業手中，產業內部缺少緊密的協作和共享，容易形成“卡脖子”隱患。

圖2 海洋工程裝備企業之間引用網絡

網絡的集中趨勢可以用點度中心勢來反映，該指標數值越接近 1，說明網絡的集中趨勢就越高。本引文網絡圖的點度中心勢為0.142 1，而其點出度中心勢為 0.034 73，點入度中心勢僅為 0.019 47，說明該引用網絡總集中趨勢較為明顯，但引用與被引用關系不對稱，點出度的集中趨勢更高，說明在海洋工程裝備領域，關鍵核心技術掌握在武漢船用機械有限責任公司、ITREC B.V.等少數企業手中。

2.2.2 核心節點企業

網絡中節點重要度識別的作用在于一方面可以加強對核心節點的保護來提高整個網絡的魯棒性，另一方面也可以對這些薄弱環節進行攻擊，進而對整個網絡進行破壞，因此，核心節點的識別是網絡魯棒性研究的重要方法［23］。企業的重要性程度可以通過企業在網絡中的點度中心度來判定，點度中心度反映的是網絡中與某節點有直接聯系的節點數目，包括入度和出度兩個指標。本文通過對網絡中企業的點度中心度和企業引用關系數量相結合來進行核心節點企業的劃分，將企業引用次數或者被引次數大于等于10 以及出度或入度大于等于10 的企業作為核心節點企業，如表1 所示。

表 1 海洋工程裝備網絡核心節點企業

從表1 可以看出，編號為1、2、3、4 的企業的點出度和被引數都遠遠高于其他企業，說明在海洋工程裝備領域方面，這些企業對于關鍵核心技術的研究處于領先地位，在整個網絡里占據著核心地位，對這些企業的攻擊會導致整個網絡遭受巨大的破壞，網絡的魯棒性會急劇下降。編號19、29、32 的企業引用數和被引用數都很高，但其點出度都不高，對整個網絡的影響較小，說明這些企業在技術研究方面取得了一定的成果，但對關鍵核心技術的研究還處于初步階段。

3 供應鏈網絡魯棒性度量

從供應鏈的結構來看，供應鏈可以看作一個復雜網絡，可以將供應鏈系統中的每一個節點企業簡化為網絡中一個節點，而將節點企業之間的各種交易（合作與競爭）關系看成網絡中的邊［3,14］。因此，可以將復雜供應鏈網絡抽象為由點集和邊集組成的網絡。供應鏈網絡在遭受攻擊后，一般會出現 2 種情況［24-25］。第一種為網絡中節點的刪除，即節點企業在遭受攻擊后，失去企業自身固有的能力，無法在干擾后的供應鏈環境中生存，與網絡中其他節點的關聯斷開，成為孤立節點，如企業破產、生產能力喪失等；另一種為網絡中節點連接邊的中斷，即網絡在遭受攻擊后，部分節點企業合作關系破裂，無法進行業務聯系，使得網絡中相互關聯的節點中斷，如國際貿易關系的改變、新冠疫情的影響等。網絡中節點或邊的刪除會導致網絡中最大連通子圖發生不同程度變化，因此可以用網絡中最大連通子圖的大小來度量網絡的魯棒性，同時，節點或邊的刪除也會導致網絡的傳輸效率發生不同程度的變化，因此，本文用最大連通子圖和網絡的傳輸效率作為海洋工程裝備供應鏈關鍵核心技術網絡魯棒性的衡量指標。

3.1 統計特征

（1）平均最短路徑L。節點距離dij定義為網絡中兩個節點之間的最短路徑。網絡中所有互連的節點最短路徑長度的平均值即為平均最短路徑長度，它取決于整個網絡的拓撲結構，是衡量網絡結構的重要指標。其中dij表示兩個節點相連的最少連接邊數。

（2）節點的度。節點的度定義為與該節點互連節點的數量，是衡量該節點在網絡中重要度的重要指標。在有向網絡中，根據連接的方向不同，節點的度有入度（）和出度（）之分。

（3）介數。介數定義為網絡中所有節點對最短路徑中經過節點的條數與所有最短路徑的比重，是網絡中節點或邊的重要程度的體現。其中表示節點與節點之間的最短路徑條數，表示從節點到節點的條最短路徑中經過節點的最短路徑數目，表示經過邊的最短路徑數目。

3.2 魯棒性度量指標

網絡在遭受干擾或攻擊后，網絡的結構和連通性會發生變化，網絡中最大連通子圖和網絡效率也會發生不同程度的變化。因此可使用這兩個指標衡量網絡在遭受干擾或攻擊后網絡的魯棒性。

（1）最大連通子圖的相對大小R。

（2）網絡效率。網絡效率是網絡在某時段內能夠正常運轉并發揮功效的程度，可衡量網絡傳遞信息的效率。計算全網效率的方法如下：

4 海洋工程裝備供應鏈網絡魯棒性仿真分析

根據復雜網絡理論，一般對節點和邊的攻擊方式主要有隨機攻擊和蓄意攻擊兩種類型。因此，可以采用隨機攻擊和蓄意攻擊兩種方式分別對節點和邊進行攻擊［11-12,26-28］，研究海洋工程裝備供應鏈關鍵核心技術網絡的魯棒性。

隨機攻擊，例如國家政策的改變、重大突發事件（新冠疫情）等，這些因素屬于不確定因素，發生的概率是隨機的，在網絡中體現為隨機刪除供應鏈關鍵核心技術網絡中的節點（或邊）；蓄意攻擊，例如國際政治經濟環境的改變（貿易戰）、企業間的惡性競爭等，在網絡中體現為有選擇刪除關鍵核心技術網絡度（或介數）最大的節點（或邊）。

4.1 節點攻擊策略

基于上述分析節點的攻擊策略分為三種：隨機節點攻擊、蓄意節點度攻擊和蓄意節點介數攻擊，其攻擊行為模擬仿真實現方法如下：

（1）隨機節點攻擊：通過生成隨機數列，刪除網絡節點；

（2）蓄意節點度攻擊：對節點按度大小進行排序，依次刪除網絡節點；

（3）蓄意節點介數攻擊：對節點按介數大小排序，依次刪除網絡節點。

下面以節點的度攻擊為例，簡述算法的攻擊步驟，其他攻擊策略的步驟與之類似，只是節點參數的統計方式不同。

步驟1 ：將上文海洋工程裝備供應鏈關鍵核心技術網絡作為初始網絡，其中。在刪除孤立節點以及相應的邊后，初始網絡中

步驟4：計算網絡中最大連通子圖的相對大小和網絡全局效率兩個指標的數值，直至其中一個指標的數值為0 終止算法，否則跳轉步驟2。

通過MATLAB 進行仿真計算得到如圖3 和圖4所示結果，其中圖3 是最大連通子圖的相對大小與節點刪除比例的關系圖，圖4 是網絡全局效率與節點刪除比例的關系圖。結果表明隨著網絡中節點刪除數量的增加，網絡的魯棒性呈現下降的趨勢，相對于隨機攻擊，節點度攻擊和介數攻擊對網絡的破壞性更強。此外，在圖3 和圖4 中也可以看出，在刪除少量核心節點企業后，尤其是在圖4 中刪除第二個節點（ITREC B.V.）后，整個網絡的魯棒性急劇下降，這說明了目前海洋工程裝備制造業關鍵核心技術掌握在少數國外企業手中，對我國海洋工程裝備產業的發展有較強的制約作用，存在嚴重的“卡脖子”威脅。

圖3 最大連通子圖仿真結果

圖4 網絡全局效率仿真結果

4.2 邊攻擊策略

同理，邊的攻擊策略也分為三種：隨機邊攻擊、蓄意邊度攻擊和蓄意邊介數攻擊，其攻擊行為模擬仿真實現方法如下：

（1）隨機邊攻擊：通過生成隨機數列，刪除邊；

（2）蓄意邊度攻擊：對邊按度大小進行排序，依次刪除邊；

（3）蓄意邊介數攻擊：對邊按介數大小排序，依次刪除邊。

下面以邊的度攻擊為例，簡述算法的攻擊步驟，其他攻擊策略與之類似，只是邊參數的統計方式不同。

步驟1：將上文海洋工程裝備供應鏈關鍵核心技術網絡作為初始網絡G=(V,E)，其中V=422，E=349。在刪除孤立節點以及相應的邊后，初始網絡中V=143，E=248；

步驟2：計算網絡G=(V,E)的各個邊的度數Kij=Ki×Kj；

步驟3：將Kij按降序排列后，依次刪除度最大的邊，如果存在最大值相同的邊，則刪除所有最大值相同的邊；

步驟4：計算網絡中最大連通子圖的相對大小和網絡全局效率兩個指標的數值，直至其中一個指標的數值為0 終止算法，否則跳轉步驟2。

通過MATLAB 進行仿真計算得到如圖5 和圖6所示結果，其中圖5 是最大連通子圖的相對大小與邊刪除比例的關系圖，圖6 是網絡全局效率與邊刪除比例的關系圖。結果表明隨著網絡中邊刪除比例的增加，整個網絡的魯棒性也呈現出下降的趨勢，但相比于節點攻擊，邊攻擊對于整個網絡的魯棒性影響較弱。對節點進行度攻擊和介數攻擊時，當節點的刪除比例達到20%左右，整個網絡就基本癱瘓，網絡全局效率降為0；對邊進行度攻擊和介數攻擊時，當邊的刪除比例達到60%，整個網絡才接近癱瘓。原因是對節點進行攻擊時，每刪除一個節點，與其相關聯的邊都將受到攻擊；而對邊進行攻擊時，由于與其相關聯的節點可能存在多條相連的邊，只有當所有相關聯的邊都受到攻擊時，這個節點才會被刪除，成為孤立節點。結合當前中美貿易戰美方發起的“技術脫鉤”，會對中美供應鏈網絡的邊產生干擾，但通過加強與日、韓、歐盟等國家的技術交流與合作，保留網絡中與該節點相連的其他的邊，就可以保證供應鏈網絡的性能，以此來打破技術封鎖，可以有效降低“卡脖子”問題的影響。

圖5 最大連通子圖仿真結果

圖6 網絡全局效率仿真結果

5 結論

本文從自主可控的視角基于國內外專利數據構建了海洋工程裝備制造業供應鏈關鍵核心技術網絡，并基于復雜網絡理論，引入隨機攻擊和蓄意攻擊兩種攻擊策略，通過節點和邊的隨機攻擊、度攻擊和介數攻擊，從最大連通子圖的大小和網絡全局效率來分析海洋工程裝備制造業供應鏈關鍵核心技術網絡的魯棒性。研究發現無論是對節點的隨機攻擊，還是對邊的隨機攻擊，海洋工程裝備供應鏈關鍵核心技術網絡都體現出較強的魯棒性，但對于蓄意攻擊，尤其是針對節點的度攻擊和介數攻擊，網絡的魯棒性迅速下降，對網絡的破壞嚴重，并且相對于邊攻擊，節點攻擊對于網絡的破壞性更強。研究結果表明當前我國海洋工程裝備制造業發展存在較強“卡脖子”問題，關鍵核心技術掌握在少數國外企業手中會對我國海洋工程裝備制造業的健康發展構成重大威脅，我們必須精準識別影響海洋工程裝備供應鏈魯棒性的關鍵核心技術，微觀層面為企業的創新戰略制定及關鍵核心技術突破方向選擇提供指導，宏觀層面能夠為政府部門產業發展政策的設計提供參考和借鑒。