关于货运网络的抗毁性及稳定性研究

张鹏

摘 要：在货运网络系统中，货运网络失效的现象经常发生，给货物流通带来了严重得不便，影响了经济发展，文章对货运网络的抗毁性及稳定性进行研究。

关键词：货运网络；抗毁性；稳定性；拓扑结构

中图分类号：F552 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）11-0117-02

1 基于不同网络特性的货运网络的构建

在分析货运网络抗毁性及稳定性的过程中，最重要的也是最基本的就是货运网络的构建和网络基本参数的设置，而货运网络是双层网络结构，主要是由货运交通网络和货物物流网络构成。

①货运网络的构建，其上层网络为货物物流网络，网络中各节点为物流起止点（货物出发点或货物到达点），货物物流网络中各条边为物流起止点之间搭接关系；下层网络为货运交通网络，网络中各节点为交叉口，网络中各边为连接相邻交叉口的货运通道。

②货运网络的构建，建立货运网络，如图1所示。网络具有24个节点和48条边。

③构建不同拓扑结构的货运网络，本次主要分析无标度货运网络、小世界货运网络和随机货运网络这三种拓扑结构的货运网络对货运网络抗毁性及稳定性的影响。依据BA无尺度网络模型构建一个共24个节点的货运网络，网络中节点的平均连接度为2，如图2（a）所示；依据WS小世界网络模型构造一个共14个节点的货运网络，货运网络中的每个节点分别与它相邻的节点相连，而且每条边的重连概率均为0.3，如图2（b）所示；通过软件生成一个具有24个节点的随机货运网络，网络节点的平均连接度为2，如图2（c）所示。

给定货运网络的货运物流总量为70 000 t/h，三种出网络中均有有48个物流起点/物流终点对，且所有物流起点/物流终点对之间流量均为1 458 t/h。

2 货运网络抗毁性及稳定性模拟仿真

本次研究基于三种不同拓扑结构的货运网络，通过随机用户分配方法（SUE）将货运量分配到货运网络的每一条货运通道上，当首次进行货运量分配以后，货运网络中的各条线路上将分配到相应的初始货运物流量，采用假设饱和度最大的货运通道（即删除饱和度最大的边）的方式来引发货运通道失效传播过程，这条边的删除将改变货运网络的拓扑结构，受货运网络拓扑结构变化的影响，货运量会在整个货运网络上的重新分配。重新分配后，如果货运网络上分配的物流流量超过货运网络通道本来的容量（即饱和度大于或等于1），该货运通道将会失效，再次引起货运网络中货运量的重新分配，这种失效传播的过程反复进行直到没有新的失效通道出现，即失效传播过程结束。当失效传播过程结束后，对比不同拓扑结构的货运网络，货运网络在发生失效传播后的货运网络破坏程度指标。最终得出无标度货运网络、小世界货运网络和随机货运网络这三种拓扑结构的货运网络抗毁性及稳定性的数据。

2.1 采用软件来进行货运量分配，获取货运网络上的初 始货运物流量

①建立货运网络地理文件。创建一个线型的地理文件，货运网络货运量将在这个货运网络上分配。按照给定的货运网络通道各项数据，在线图层数据表上设定两个字段——物流通行时间Time和货运通道通行能力Capacitty。

②建立物流点图层和物流起点/物流终点矩阵。根据不同拓扑结构的货运网络以及需求参数，对货运网络进行物流点分区，并建立物流起点/物流终点矩阵。

③货运量分配。在建立货运网络和物流区划分基础上，按照货运量分配的步骤，创建物流区质心地理文件、将质心连到货运网上以及设置质心连接线属性、创建货运网、生成物流区间阻抗矩阵、物流起点/物流终点矩阵索引转换，最后进行货运量分配，这里使用随机平衡分配（UE）模型，模型中参数标定为：迭代次数为200，收敛性检验时误差限值为0.01，货运通道阻抗函数阻滞系数。货运量分配后可以得到货运网络上各条货运通道的初始货运量。

2.2 引发货运网络失效的失效传播过程

在货运量分配后，计算网络中每条货运通道的饱和度，当存在货运通道饱和度大于1的通道时，则选择所有饱和度大于1的通道；当不存在饱和度大于1的通道时，则选择所有饱和度最大的通道；采用模拟失效饱和度最大通道的方式（删除该通道）来引发失效传播过程，这条通道的失效将使货运量在整个货运网络上的重新分配。货运量重新分配之后，货运网络中可能会出现新的失效通道，其货运量超过其本身货运通道通行能力，从而又一次引起货运网络中的货运量的再一次重新分配，这种过程反复进行直到不再出现新的失效通道，则失效传播过程结束。

3 抗毁性及稳定性模拟结果分析

采用随机平衡分配模型进行货运量分配，由饱和度最大货运通道的失效（即删除饱和度最大的货运通道）来引发失效传播，三种不同拓扑结构货运网络的失效传播破坏程度指标，

不同拓扑结构的货运网络对货运网络稳定性及抗毁性的影响很大。三种拓扑结构的货运网络中，在模拟失效（删除货运通道饱和度最大的或失效的货运通道）的情况下，删除无标度货运网络中饱和度最大的通道对整个货运网络的影响最小，删除随机货运网络中饱和度最大的通道对整个货运网络的影响最大，对小世界货运网络的影响次之；随着被删除通道的增加，三种拓扑结构货运网络的失效通道比例将增加，最终无标度货运网络和小世界货运网络所有通道饱和度都小于1，整个货运网络趋于稳定，而随机货运网络中大部分货运通道饱和度大于1，货运网络大面积的失效而发生瘫痪。发生瘫痪的主要原因是：在随机货运网络中，由于大节点的存在，使得这些重要节点吸引了大部分货运流量，当删除这些重要节点时，货运网络的结构遭到破坏，致使这些重要节点附近的节点也发生失效，直至整个货运网络大部分节点失效，从而达到瘫痪状态。综上所述：说明无标度拓扑结构的货运网络抵抗失效传播的能力最好，即无标度货运网络的抗毀性及稳定性最好；随机货运网络抵抗失效传播的能力最差，即随机货运网络的抗毁性及稳定性最差；小世界货运网络抵抗失效传播的能力在无标度货运网络和随机货运网络之间，抗毁性及稳定性也在无标度货运网络和随机货运网络之间。

4 货运通道安全系数对货运网络抗毁性及稳定性的 影响

在许多研究中，大家都喜欢假定货运网络中的节点或边的货运总容量与节点或边的初始货运量成正比。但是在实际货运网络中，货运网络中各个物流节点或货运通道的容量是由货运道路本身决定的，与货运通道网络的设计货运能力以及实际状况相关，受到物流节点或货运通道上货运量的影响，并不是完全由货运网络上的初始货运量决定的。

在实际的货运网络规划设计中，在不违背货运通道通行能力约束条件下，通过对货运网络中的物流节点的优化设置和提高货运通道通行能力的方法，可以使整个货运网络承载负荷的能力增加。此次对货运网络进行模拟优化后，货运网络增加的货运能力与优化之前货运网络的设计货运通行能力的比值叫做安全系数，用关系式表达为：

Ci=（1+？渍）Si

式中，Ci为货运网络优化后的物流节点的通行能力，Si为货运网络在优化前的设计通行能力，？渍为货运网络的通道安全系数。

4.1 基于不同货运通道安全系数的货运网络构建

为了分析通道安全系数对货运网络抗毁性及稳定性的影响，首先必须建立货运网络。

①构建一个具有24个物流节点和48条边的货运通道网络。由于考虑四个的安全系数，则货运网络的货运容量具有四种情况。

②根据BA无尺度网络构造算法构建一个具有24个节点的货运网络，货运网络的平均度为2，假设货运网络总需求为 70 000 t/h，各物流节点需求相同，网络中有48个物流起点/终点对，所以物流起点/终点对之间的货运量均为1 458 t/h。

4.2 模拟試验分析

在构建双层货运网络基础上，模拟备用能力系数=0、0.1、0.2、0.3这四种不同的情况。运用软件进行货运量分配，选用用户平衡分配模型，模型中参数标定为：迭代次数为200，收敛性检验时误差限值为0.01，通道阻抗函数阻滞系数α=0.15，β=4。货运量分配后可以得到货运网络上各条通道的货运量，采用模拟失效最大饱和度货运通道的方式来引发失效传播，饱和度最大货运通道的删除，使得整个货运网络的货运量重新分配，可能导致新的通道失效，如此反复进行，当失效传播结束以后，计算整个货运网络的破坏程度。

5 结 语

为了预防和减少货运网络失效的发生，我们可以从控制货运总量的方法上来考虑。随着社会经济的不断发展、居民生活水平的提高，物流的大力发展。控制货运总量的具体措施非常有必要，可以充分利用现代信息技术，通过信息、网络等先进的信息技术进行物流活动，从而降低物流总量；优先物流基础设施的发展：对货运网络结构进行改善，制定相关支持货运的发展的政策，同时优化规划布局，采用多组团货运结构布局模式，完善组团内部的货运配套设施，可以减少组团间的货运量，降低货运网络货运总量，减少货运通道失效。但是实际情况中，仍然有许多其他因素会对货运网络造成其他的影响，需要进一步的进行分析。

参考文献：

[1] 吴建军，高自友，孙会君，等.物流系统复杂性—复杂网络方法及其应用[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 陈永洲.城市物流复杂网络的实证与模拟研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[3] 张胜虎.基于复杂网络的货运网络优化研究[D].南昌：南昌大学理学院，2010.