基于級聯(lián)失效的全球航運網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究

摘要：文章基于全球運力前20家班輪公司的航線數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了2015年和2020年全球航運網(wǎng)絡(luò)，并通過級聯(lián)失效模型來探究不同攻擊策略下航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。研究表明：（1）級聯(lián)失效模型下，2015年與2020年航運網(wǎng)絡(luò)在隨機(jī)攻擊和最大聚類系數(shù)攻擊時，網(wǎng)絡(luò)呈魯棒性;在最大度值攻擊和最大介數(shù)攻擊時，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)脆弱性，且當(dāng)新加坡港、香港港、上海港同時失效時，會對網(wǎng)絡(luò)造成實質(zhì)性破壞。（2）2015年航運網(wǎng)絡(luò)在級聯(lián)作用影響下，失效港口主要為東京、紐約、洛杉磯等東亞以及北美洲港口;2020年失效港口則轉(zhuǎn)移為釜山、大連、橫濱等絕大部分東亞地區(qū)港口，是網(wǎng)絡(luò)的脆弱中心。（3）節(jié)點初始負(fù)載與失效節(jié)點數(shù)呈負(fù)相關(guān)，負(fù)載增長速度與失效節(jié)點數(shù)呈正相關(guān)。當(dāng)參數(shù)一定時，失效節(jié)點的代替港口難以滿足全球航運運輸需求，新加坡市、中國香港和上海市是全球航運網(wǎng)絡(luò)的中心城市，在經(jīng)歷多次迭代攻擊后安特衛(wèi)普港、寧德、松茲瓦爾能最大限度滿足中心港口失效后的掛靠中轉(zhuǎn)需求。

關(guān)鍵詞：航運網(wǎng)絡(luò);級聯(lián)失效;容量負(fù)載;脆弱性

中圖分類號：U695.22;O157.5;P7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）12-0024-13

0 引言

航運網(wǎng)絡(luò)是指通過船只進(jìn)行貨物運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。在全球范圍內(nèi)，航運網(wǎng)絡(luò)是重要的經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易生產(chǎn)力的重要組成部分。網(wǎng)絡(luò)脆弱性[1]是指在面對故障、攻擊、自然災(zāi)害等外界威脅時，網(wǎng)絡(luò)因為受到影響而失效。研究網(wǎng)絡(luò)脆弱性可以更好地理解網(wǎng)絡(luò)的可靠性、復(fù)雜性、可控性等問題，為網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、優(yōu)化和管理提供科學(xué)依據(jù)。隨著全球化的深入和國際貿(mào)易的增長，航運網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和規(guī)模越來越大，有著更高的安全性、可靠性和韌性要求。因此，研究航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，對于保證航運網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性有著重要的意義。當(dāng)航運網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到自然災(zāi)害、人為操作失誤等因素影響，使得港口失效，網(wǎng)絡(luò)流量超過航運網(wǎng)絡(luò)承載能力時，周邊節(jié)點會對網(wǎng)絡(luò)中的流量進(jìn)行分流掛靠和中轉(zhuǎn)。并隨著網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步運行，失效節(jié)點連接的其他節(jié)點或鏈路也會隨之發(fā)生故障，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的系統(tǒng)失效。因此，利用級聯(lián)失效容量負(fù)載模型分析全球航運網(wǎng)絡(luò)脆弱性，可以有效識別港口的關(guān)鍵節(jié)點，對維護(hù)全球經(jīng)濟(jì)貿(mào)易具有重要意義。

1 研究綜述

當(dāng)前關(guān)于航運網(wǎng)絡(luò)的研究大多基于航船的航線和掛靠港口數(shù)據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步研究全球或區(qū)域內(nèi)航運網(wǎng)絡(luò)的空間格局或者網(wǎng)絡(luò)的特性等。部分學(xué)者[2-8]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，將港口視為節(jié)點，將航線視為邊，分析全球或者區(qū)域航線配置、演化趨向、港口的中心性、樞紐港選址和脆弱性等問題。其中，航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性主要分節(jié)點、邊以及整體3個層面。節(jié)點層面，Guo等[9]基于中日韓3國航運網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，對網(wǎng)絡(luò)中易造成網(wǎng)絡(luò)脆弱性的重點港口進(jìn)行識別。吳迪等[10]通過模擬蓄意攻擊下海運網(wǎng)絡(luò)的地理空間聯(lián)系變化，提出了集裝箱海運網(wǎng)絡(luò)崩潰臨界點的識別方法，分析“21世紀(jì)海上絲綢之路”的網(wǎng)絡(luò)脆弱性。王列輝等[11]通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點指標(biāo)等方法測度網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，并分析南海周邊港口失效對中國的影響。邊層面，Wang[12]通過對不同的攻擊策略進(jìn)行模擬并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，提出通過優(yōu)化航線可以有效降低網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。何瑤等[13]通過對航運網(wǎng)絡(luò)中的港口中斷進(jìn)行模擬，分析中國沿海航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。Wang[14]通過模擬海上航運網(wǎng)絡(luò)的運行情況，并考慮到臺風(fēng)等自然因素的影響，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性會因為外部環(huán)境的變化而降低。Guo[15]等采用混合仿真模型，綜合考慮海上航線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流量變化對網(wǎng)絡(luò)脆弱性的影響，發(fā)現(xiàn)在流量變化較大的情況下，網(wǎng)絡(luò)的脆弱性會進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的崩潰。整體層面，王列輝等[16]通過對中美兩國航運網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，并對中美之間的航運網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行分析，得出網(wǎng)絡(luò)整體在蓄意攻擊下呈脆弱性。鄧貴仕等[17]依據(jù)度值模擬攻擊，隨后隨機(jī)刪除出錯節(jié)點，發(fā)現(xiàn)在出錯和攻擊情況下全球航運網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出明顯的脆弱性。Guo等[18]分析了北極航線和傳統(tǒng)航運連接模式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的變化以及港口節(jié)點在連接廣度和深度方面的變化，得出在北極航線沖擊下，航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性并不明顯。

當(dāng)前基于級聯(lián)失效的航運網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究，主要集中在航線級聯(lián)失效與港口級聯(lián)失效[19-23]。航線級聯(lián)失效是指當(dāng)一條航段出現(xiàn)故障時，可能會影響其他航段的緊張程度，從而導(dǎo)致航線的運轉(zhuǎn)也受到影響，最終導(dǎo)致整個航運網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的失效。港口級聯(lián)失效是指當(dāng)一個港口無法正常運營時，可能會造成航線的調(diào)度問題，從而引起其他港口的問題。這種級聯(lián)失效可能會導(dǎo)致航線網(wǎng)絡(luò)的重組和重新規(guī)劃，進(jìn)而影響整個航運網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)。以上兩方面是對航運網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行定量分析的有效手段。從系統(tǒng)的角度來看，航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性來源于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個組成部分之間相互依存的關(guān)系，即拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載和失效閾值。航運網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)的連接方式和節(jié)點之間的聯(lián)系。該結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)組件之間的相互依存就越強(qiáng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)更加脆弱。航運網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載是指船舶的裝載量和貨物運輸?shù)男枨罅?。系統(tǒng)的負(fù)載越大、需求越高，系統(tǒng)的脆弱性就越明顯。失效閾值是指每個元素都有其最大容量，在網(wǎng)絡(luò)失效的情況下可能會出現(xiàn)極易失效的情況。黃雄飛等[24]引入了傳染病模型來評估船舶系統(tǒng)的脆弱性。鄭光泉等[25]提出了基于動態(tài)船舶流量的脆弱性評價方法，并通過分析船舶流量的變化來評估航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性。Buldyrev等[26]通過建立一個模型研究網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)失效，并對關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行識別，發(fā)現(xiàn)當(dāng)關(guān)鍵節(jié)點失效時，網(wǎng)絡(luò)呈脆弱性。Gao等[27]則研究了兩種相互依存的網(wǎng)絡(luò)之間的級聯(lián)失效問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。Liu等[28]通過數(shù)值模擬和理論分析，研究了網(wǎng)絡(luò)的度分布對級聯(lián)失效的影響，并證明了節(jié)點度越大，受到攻擊時脆弱性越明顯。Fu等[29]研究了交通運輸網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)失效問題，并提出了相關(guān)局部檢測和全局預(yù)測的方法。朱懷偉等[30]研究了航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性和級聯(lián)失效機(jī)制，采用MonteCarlo方法模擬了航運網(wǎng)絡(luò)失效的過程，從而分析航運網(wǎng)絡(luò)的脆弱性等。

綜上所述，本文旨在通過級聯(lián)失效容量———負(fù)載模型真實地反映航運網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和容量限制。同時，研究隨機(jī)攻擊、最大度值、聚類系數(shù)和介數(shù)攻擊等不同攻擊策略對航運網(wǎng)絡(luò)的影響，全面考慮攻擊的多樣性和復(fù)雜性。分別構(gòu)建2015年和2020年全球航運網(wǎng)絡(luò)，設(shè)立級聯(lián)失效迭代攻擊模型，通過負(fù)載重分配原則，對全球網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行蓄意攻擊，并依據(jù)網(wǎng)絡(luò)效率、最大連通子圖等指標(biāo)進(jìn)行分析，從而為航運網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)運行提出相應(yīng)對策建議。