關(guān)于貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性及穩(wěn)定性研究

張鵬

摘 要：在貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)失效的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，給貨物流通帶來了嚴(yán)重得不便，影響了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，文章對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)；抗毀性；穩(wěn)定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

1 基于不同網(wǎng)絡(luò)特性的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在分析貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性及穩(wěn)定性的過程中，最重要的也是最基本的就是貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)的設(shè)置，而貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)是雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要是由貨運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)和貨物物流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

①貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，其上層網(wǎng)絡(luò)為貨物物流網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)為物流起止點(diǎn)（貨物出發(fā)點(diǎn)或貨物到達(dá)點(diǎn)），貨物物流網(wǎng)絡(luò)中各條邊為物流起止點(diǎn)之間搭接關(guān)系；下層網(wǎng)絡(luò)為貨運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)為交叉口，網(wǎng)絡(luò)中各邊為連接相鄰交叉口的貨運(yùn)通道。

②貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，建立貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)具有24個節(jié)點(diǎn)和48條邊。

③構(gòu)建不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，本次主要分析無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)、小世界貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性及穩(wěn)定性的影響。依據(jù)BA無尺度網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建一個共24個節(jié)點(diǎn)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均連接度為2，如圖2（a）所示；依據(jù)WS小世界網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造一個共14個節(jié)點(diǎn)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)分別與它相鄰的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均連接度為2，如圖2（c）所示。

給定貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)物流總量為70 000 t/h，三種出網(wǎng)絡(luò)中均有有48個物流起點(diǎn)/物流終點(diǎn)對，且所有物流起點(diǎn)/物流終點(diǎn)對之間流量均為1 458 t/h。

2 貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性及穩(wěn)定性模擬仿真

本次研究基于三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，通過隨機(jī)用戶分配方法（SUE）將貨運(yùn)量分配到貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的每一條貨運(yùn)通道上，當(dāng)首次進(jìn)行貨運(yùn)量分配以后，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的各條線路上將分配到相應(yīng)的初始貨運(yùn)物流量，采用假設(shè)飽和度最大的貨運(yùn)通道（即刪除飽和度最大的邊）的方式來引發(fā)貨運(yùn)通道失效傳播過程，這條邊的刪除將改變貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，受貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的影響，貨運(yùn)量會在整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的重新分配。重新分配后，如果貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上分配的物流流量超過貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)通道本來的容量（即飽和度大于或等于1），該貨運(yùn)通道將會失效，再次引起貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中貨運(yùn)量的重新分配，這種失效傳播的過程反復(fù)進(jìn)行直到?jīng)]有新的失效通道出現(xiàn)，即失效傳播過程結(jié)束。當(dāng)失效傳播過程結(jié)束后，對比不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生失效傳播后的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)破壞程度指標(biāo)。最終得出無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)、小世界貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性及穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)。

2.1 采用軟件來進(jìn)行貨運(yùn)量分配，獲取貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的初 始貨運(yùn)物流量

①建立貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)地理文件。創(chuàng)建一個線型的地理文件，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)貨運(yùn)量將在這個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上分配。按照給定的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)通道各項數(shù)據(jù)，在線圖層數(shù)據(jù)表上設(shè)定兩個字段——物流通行時間Time和貨運(yùn)通道通行能力Capacitty。

②建立物流點(diǎn)圖層和物流起點(diǎn)/物流終點(diǎn)矩陣。根據(jù)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)以及需求參數(shù)，對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物流點(diǎn)分區(qū)，并建立物流起點(diǎn)/物流終點(diǎn)矩陣。

③貨運(yùn)量分配。在建立貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)和物流區(qū)劃分基礎(chǔ)上，按照貨運(yùn)量分配的步驟，創(chuàng)建物流區(qū)質(zhì)心地理文件、將質(zhì)心連到貨運(yùn)網(wǎng)上以及設(shè)置質(zhì)心連接線屬性、創(chuàng)建貨運(yùn)網(wǎng)、生成物流區(qū)間阻抗矩陣、物流起點(diǎn)/物流終點(diǎn)矩陣索引轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行貨運(yùn)量分配，這里使用隨機(jī)平衡分配（UE）模型，模型中參數(shù)標(biāo)定為：迭代次數(shù)為200，收斂性檢驗時誤差限值為0.01，貨運(yùn)通道阻抗函數(shù)阻滯系數(shù)。貨運(yùn)量分配后可以得到貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上各條貨運(yùn)通道的初始貨運(yùn)量。

2.2 引發(fā)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)失效的失效傳播過程

在貨運(yùn)量分配后，計算網(wǎng)絡(luò)中每條貨運(yùn)通道的飽和度，當(dāng)存在貨運(yùn)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(dāng)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(fā)失效傳播過程，這條通道的失效將使貨運(yùn)量在整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的重新分配。貨運(yùn)量重新分配之后，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中可能會出現(xiàn)新的失效通道，其貨運(yùn)量超過其本身貨運(yùn)通道通行能力，從而又一次引起貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的貨運(yùn)量的再一次重新分配，這種過程反復(fù)進(jìn)行直到不再出現(xiàn)新的失效通道，則失效傳播過程結(jié)束。

3 抗毀性及穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

采用隨機(jī)平衡分配模型進(jìn)行貨運(yùn)量分配，由飽和度最大貨運(yùn)通道的失效（即刪除飽和度最大的貨運(yùn)通道）來引發(fā)失效傳播，三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的失效傳播破壞程度指標(biāo)，

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及抗毀性的影響很大。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中，在模擬失效（刪除貨運(yùn)通道飽和度最大的或失效的貨運(yùn)通道）的情況下，刪除無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中飽和度最大的通道對整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的影響最小，刪除隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中飽和度最大的通道對整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的影響最大，對小世界貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的影響次之；隨著被刪除通道的增加，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的失效通道比例將增加，最終無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)和小世界貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)所有通道飽和度都小于1，整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定，而隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中大部分貨運(yùn)通道飽和度大于1，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)大面積的失效而發(fā)生癱瘓。發(fā)生癱瘓的主要原因是：在隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中，由于大節(jié)點(diǎn)的存在，使得這些重要節(jié)點(diǎn)吸引了大部分貨運(yùn)流量，當(dāng)刪除這些重要節(jié)點(diǎn)時，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使這些重要節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)也發(fā)生失效，直至整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)大部分節(jié)點(diǎn)失效，從而達(dá)到癱瘓狀態(tài)。綜上所述：說明無標(biāo)度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抵抗失效傳播的能力最好，即無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性及穩(wěn)定性最好；隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抵抗失效傳播的能力最差，即隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性及穩(wěn)定性最差；小世界貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抵抗失效傳播的能力在無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)之間，抗毀性及穩(wěn)定性也在無標(biāo)度貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)之間。

4 貨運(yùn)通道安全系數(shù)對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性及穩(wěn)定性的 影響

在許多研究中，大家都喜歡假定貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)或邊的貨運(yùn)總?cè)萘颗c節(jié)點(diǎn)或邊的初始貨運(yùn)量成正比。但是在實(shí)際貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各個物流節(jié)點(diǎn)或貨運(yùn)通道的容量是由貨運(yùn)道路本身決定的，與貨運(yùn)通道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計貨運(yùn)能力以及實(shí)際狀況相關(guān)，受到物流節(jié)點(diǎn)或貨運(yùn)通道上貨運(yùn)量的影響，并不是完全由貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的初始貨運(yùn)量決定的。

在實(shí)際的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計中，在不違背貨運(yùn)通道通行能力約束條件下，通過對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的物流節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)置和提高貨運(yùn)通道通行能力的方法，可以使整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)荷的能力增加。此次對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬優(yōu)化后，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)增加的貨運(yùn)能力與優(yōu)化之前貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計貨運(yùn)通行能力的比值叫做安全系數(shù)，用關(guān)系式表達(dá)為：

Ci=（1+？漬）Si

式中，Ci為貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后的物流節(jié)點(diǎn)的通行能力，Si為貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)在優(yōu)化前的設(shè)計通行能力，？漬為貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的通道安全系數(shù)。

4.1 基于不同貨運(yùn)通道安全系數(shù)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

為了分析通道安全系數(shù)對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性及穩(wěn)定性的影響，首先必須建立貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。

①構(gòu)建一個具有24個物流節(jié)點(diǎn)和48條邊的貨運(yùn)通道網(wǎng)絡(luò)。由于考慮四個的安全系數(shù)，則貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)容量具有四種情況。

②根據(jù)BA無尺度網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造算法構(gòu)建一個具有24個節(jié)點(diǎn)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的平均度為2，假設(shè)貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)總需求為 70 000 t/h，各物流節(jié)點(diǎn)需求相同，網(wǎng)絡(luò)中有48個物流起點(diǎn)/終點(diǎn)對，所以物流起點(diǎn)/終點(diǎn)對之間的貨運(yùn)量均為1 458 t/h。

4.2 模擬試驗分析

在構(gòu)建雙層貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，模擬備用能力系數(shù)=0、0.1、0.2、0.3這四種不同的情況。運(yùn)用軟件進(jìn)行貨運(yùn)量分配，選用用戶平衡分配模型，模型中參數(shù)標(biāo)定為：迭代次數(shù)為200，收斂性檢驗時誤差限值為0.01，通道阻抗函數(shù)阻滯系數(shù)α=0.15，β=4。貨運(yùn)量分配后可以得到貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上各條通道的貨運(yùn)量，采用模擬失效最大飽和度貨運(yùn)通道的方式來引發(fā)失效傳播，飽和度最大貨運(yùn)通道的刪除，使得整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)量重新分配，可能導(dǎo)致新的通道失效，如此反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)失效傳播結(jié)束以后，計算整個貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的破壞程度。

5 結(jié) 語

為了預(yù)防和減少貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)失效的發(fā)生，我們可以從控制貨運(yùn)總量的方法上來考慮。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、居民生活水平的提高，物流的大力發(fā)展?？刂曝涍\(yùn)總量的具體措施非常有必要，可以充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過信息、網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的信息技術(shù)進(jìn)行物流活動，從而降低物流總量；優(yōu)先物流基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展：對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，制定相關(guān)支持貨運(yùn)的發(fā)展的政策，同時優(yōu)化規(guī)劃布局，采用多組團(tuán)貨運(yùn)結(jié)構(gòu)布局模式，完善組團(tuán)內(nèi)部的貨運(yùn)配套設(shè)施，可以減少組團(tuán)間的貨運(yùn)量，降低貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)貨運(yùn)總量，減少貨運(yùn)通道失效。但是實(shí)際情況中，仍然有許多其他因素會對貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)造成其他的影響，需要進(jìn)一步的進(jìn)行分析。

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