基于可靠性的軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)分析

王 耀，劉寶新

（1.后勤工程學(xué)院 管理科學(xué)與工程系,重慶 401311；2.軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津 300161）

基于可靠性的軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)分析

王 耀1，劉寶新2

（1.后勤工程學(xué)院 管理科學(xué)與工程系,重慶 401311；2.軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津 300161）

分析了研究軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要意義，構(gòu)建了軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對油料運輸網(wǎng)絡(luò)進行可靠性分析，并結(jié)合西南五省油料運輸網(wǎng)絡(luò)進行實證分析，構(gòu)建鐵（公）油料運輸網(wǎng)絡(luò)，并通過摘除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和邊的方法，分析網(wǎng)絡(luò)可靠性，為軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)的建立與完善提供有益的參考。

可靠性；軍隊；油料運輸；運輸網(wǎng)絡(luò)

1 引言

平均路徑長度、度分布、聚類分析等參數(shù)可從靜態(tài)的角度分析油料運輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)[1-2]，網(wǎng)絡(luò)的可靠性則可以從動態(tài)的角度分析交通擁堵、線路中斷等事件發(fā)生后對運輸安全的影響，分析運輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性對于評估和采取措施規(guī)避運輸風險具有重要意義。隨著打擊力量的發(fā)展，“目標中心戰(zhàn)”理論成為軍事理論研究的熱點之一，其思想實質(zhì)就是通過對關(guān)鍵目標施加影響，削弱體系中的“聚合力和一致性”，從而達到控制、摧毀敵方的目的，其要義就在于圍繞打擊和防護的目標來部署力量。全新的作戰(zhàn)理念和思想，使得“目標中心戰(zhàn)”理論在軍事實踐中得到應(yīng)用，并成為軍事中慣用的一種有效方法和手段。在海灣戰(zhàn)爭中，美軍就是通過對伊拉克橋梁等重要設(shè)施的摧毀，削弱了其90%的保障能力[3]。突發(fā)事件或情況同樣也能造成網(wǎng)絡(luò)的巨大破壞。如2008年的冰雪災(zāi)害，造成了南方多省交通癱瘓。油料供應(yīng)是戰(zhàn)時后勤保障的重要內(nèi)容，作為油料供應(yīng)的重要環(huán)節(jié)，戰(zhàn)時油料在運輸過程中必將受到敵方打擊和破壞。為確保軍隊油料運輸安全，需要分析油料運輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究其可靠性。

2 油料運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

目前，軍隊油料運輸依托公路運輸、鐵路運輸、管道

運輸、水路運輸、航空運輸?shù)榷喾N運輸方式，其綜合運輸體系已日漸成熟。構(gòu)建油料綜合運輸網(wǎng)絡(luò)，是分析運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的前提條件。為了研究油料運輸網(wǎng)絡(luò)性能和規(guī)律的方便，需要將其轉(zhuǎn)化為可通過計算機或者數(shù)學(xué)工具表達和分析的描述方法。借鑒GIS分層技術(shù)，可將幾種方式所組成的油料運輸網(wǎng)絡(luò)，通過樞紐的連接組合成一個綜合油料運輸網(wǎng)絡(luò)，制定油料綜合運輸網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1 油料聯(lián)合運輸模式圖

如圖1所示，在油料綜合運輸網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點不僅包括各油料實體，還要包括油料運輸轉(zhuǎn)換的樞紐站，油料綜合運輸網(wǎng)絡(luò)的邊即為各運輸通道，如管線、道路、航道等。本文使用Cytoscape軟件構(gòu)建油料運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，將具有油庫或加油站的縣級以上單位（或個別具有大型油庫的鄉(xiāng)鎮(zhèn)）設(shè)為油料運輸網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，在具有油料運輸條件的節(jié)點間構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的邊。

3 軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

已有研究對路網(wǎng)的可靠性已進行了一定的探索[4-5],結(jié)合這些研究對軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)可靠性定義為：在自然或人為破壞作用下，運輸網(wǎng)絡(luò)仍能保持其功能的能力。其可靠性指標主要包括：抗毀性、生存性和有效性。根據(jù)軍隊油料運輸網(wǎng)絡(luò)安全的特點，本文主要通過對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點或者邊的失效，研究網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，對網(wǎng)絡(luò)的可靠性進行分析，合理度量網(wǎng)絡(luò)功能。為表述節(jié)點或邊的摘除效果，在此引入網(wǎng)絡(luò)整體效能的概念，所謂網(wǎng)絡(luò)的整體效能即是網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度和的倒數(shù)[6]。通過對油料運輸網(wǎng)絡(luò)整體效能的變化，表述運輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

為方便運輸網(wǎng)絡(luò)可靠性的分析，特做以下假定：

（1）網(wǎng)絡(luò)的點或邊的失效與點或邊的權(quán)重無關(guān)，敵方每一次攻擊都可摧毀一個節(jié)點或者一個邊，且摧毀后不再具有運輸功能。

（2）在網(wǎng)絡(luò)的抗毀性研究中，假定敵方有足夠的實力可將交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點或者邊分步驟、分階段進行摧毀，從而研究網(wǎng)絡(luò)在不同損毀程度下的性能。

（3）根據(jù)軍隊油料運輸面臨的風險特點，隨機毀壞的風險遠小于有針對性的攻擊，因此主要研究對比兩種攻擊策略下的運輸網(wǎng)絡(luò)抗毀性能變化情況。

（4）當某些節(jié)點（或者邊）被摧毀失效后，那么與之相連的邊（或者節(jié)點）也要從網(wǎng)絡(luò)中隨之摘除，即不考慮網(wǎng)絡(luò)失效后的恢復(fù)情況。

（5）敵方有能力對網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點或邊進行摧毀，摧毀的過程遵循一定策略。

網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點和邊構(gòu)成，對網(wǎng)絡(luò)的攻擊也有兩種。一種是對節(jié)點的破壞和摧毀，即打擊破壞油庫、加油站等。一種是對網(wǎng)絡(luò)邊的攻擊，即切斷節(jié)點間的連接通道，包括道路、鐵路線等，使之不能通行。通過使用兩種攻擊方式，分析網(wǎng)絡(luò)可靠性。

4 實證分析

西南方向是我國重要戰(zhàn)略方向之一，因特殊的自然地理環(huán)境，油料運輸安全威脅較大。我們選擇重慶、四川、貴州、云南、西藏等省（自治區(qū)）和直轄市，作為分析對象。鑒于西南地區(qū)公路運輸和鐵路運輸是油料的主要運輸方式，將油料公路、鐵路運輸方式組合成綜合運輸網(wǎng)絡(luò)，分析其運輸網(wǎng)絡(luò)可靠性。經(jīng)過統(tǒng)計分析，在此網(wǎng)絡(luò)中，共有油料供需單位和運輸樞紐節(jié)點334個，運輸邊515條。其運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 西南地區(qū)油料公（鐵）運輸網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

由公路運輸網(wǎng)絡(luò)和鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)分布圖可知，此運輸網(wǎng)絡(luò)的平均度為3.29，說明平均每個節(jié)點約與其它三個節(jié)點有直接的聯(lián)系，介數(shù)為1 988.9，聚類系數(shù)(C)為0.21，鄰近度為0.13，網(wǎng)絡(luò)直徑（此網(wǎng)絡(luò)中任意兩點間最短路徑中的最大值）為21，平均路徑長度為7.906?？芍?，西南地區(qū)公鐵油料運輸網(wǎng)絡(luò)是無尺度的小世界網(wǎng)絡(luò)，并具有良好的抗毀性能和穩(wěn)定性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

根據(jù)各節(jié)點的參數(shù)值計算結(jié)果，選擇出度、介數(shù)和破壞性數(shù)值都比較大的幾個節(jié)點。對于公鐵油料運輸網(wǎng)絡(luò)，對油料運輸網(wǎng)絡(luò)影響較大的節(jié)點是“成都”、“昆明”、“重慶”、“六盤水”，這些城市在公鐵運輸網(wǎng)絡(luò)中對油料運輸?shù)挠绊懕容^大。

圖3 油料公鐵運輸網(wǎng)絡(luò)摘除節(jié)點抗毀性

在圖3、圖4中，單條線表示的是介數(shù)優(yōu)先下的網(wǎng)絡(luò)效能變化趨勢圖，黑色區(qū)域表示隨機摘除策略下，經(jīng)仿真100次的網(wǎng)絡(luò)效能變化趨勢圖。由變化趨勢圖，分析實驗結(jié)果，可得到以下特性：

（1）按照介數(shù)優(yōu)先的點摘除策略和隨機點摘除策略其效能的下降具有明顯的不同。對于介數(shù)優(yōu)先的點攻擊策略，當摘除20%左右的節(jié)點時，整體效能可能下降到80%以上，而對于隨機點攻擊策略，當摘除60%的節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)的整體效能才能下降到80%?？梢?，介數(shù)優(yōu)先的點攻擊策略比隨機點攻擊策略的效果要好得多。

（2）對于介數(shù)優(yōu)先的點攻擊策略，當摘除30%節(jié)點時，其效能的下降就會變得非常緩慢，而在之前其效能的下降十分明顯?？梢?，在介數(shù)優(yōu)先的攻擊策略下，只要摘除30%左右的節(jié)點就可確保網(wǎng)絡(luò)遭受嚴重毀傷，達到毀傷效果。要確保網(wǎng)絡(luò)安全，對這些重點節(jié)點的保護就十分重要。對于隨機節(jié)點攻擊，可以發(fā)現(xiàn)其變化幅度較大（即區(qū)域?qū)挾容^大），受摘除點不同的影響較大，其下降趨勢較緩，當摘除70%左右的節(jié)點時，效能下降趨勢才趨向緩和，即只有當大多數(shù)節(jié)點失效時，網(wǎng)絡(luò)功能才會受到根本破壞。當效能下降到90%以上時，隨機摘除的趨勢圖顯出大幅震蕩的趨勢，有時甚至出現(xiàn)效能不降反升，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，是由對網(wǎng)絡(luò)抗毀性指標—網(wǎng)絡(luò)效能的定義所造成的。由網(wǎng)絡(luò)中任意兩點最短路徑的倒數(shù)和的平均值定義可知，網(wǎng)絡(luò)的效能變化可由式（1）表達：

圖4 油料公鐵運輸網(wǎng)絡(luò)摘除邊抗毀性

其中，ΔU為網(wǎng)絡(luò)的效能變化，ΔE為網(wǎng)絡(luò)任意兩點間最短路徑長度倒數(shù)和的變化，Δn為節(jié)點摘除后網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的變化。

在摘除節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總的數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)中任意兩點最短路徑長度的倒數(shù)和都是在遞減的。在去點攻擊的初期，節(jié)點數(shù)目的變化沒有任意兩點最短路徑長度的倒數(shù)和減少的速度快，表現(xiàn)為整體效能的下降；在去點攻擊的末期，可能分子減少的趨勢是微弱的，而分母幅度較大，這樣就會顯示出網(wǎng)絡(luò)整體效能反而增加了。

（3）在對網(wǎng)絡(luò)中的邊進行摘除時，分別采取介數(shù)優(yōu)先和隨機摘除的策略，網(wǎng)絡(luò)會顯出與摘除節(jié)點不同的變化趨勢。當摘除邊數(shù)目的55%左右時，網(wǎng)絡(luò)的效能下降到90%以上，此時網(wǎng)絡(luò)基本已被破壞，再對其攻擊意義已經(jīng)不大。在兩種攻擊策略下，介數(shù)優(yōu)先的策略并不是一直能夠優(yōu)于隨機攻擊的策略，在去除13%左右的邊時，介數(shù)優(yōu)先的策略要優(yōu)于隨機策略，而在隨后的攻擊中，隨機策略反而優(yōu)于介數(shù)優(yōu)先的策略。由趨勢圖的對比同樣可以發(fā)現(xiàn)，隨機摘除策略下，對邊的攻擊效能變化幅度要較節(jié)點的攻擊幅度小，其變化趨勢相對較為穩(wěn)定。當摘除20%的節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)效能已經(jīng)下降了一半左右，這些邊也可稱為運輸網(wǎng)絡(luò)中的重點邊。

（4）比較兩種摘除策略下的效果。在對節(jié)點進行摘除時，不同策略下的效果差別很大，而對邊進行摘除時，不同策略下的效果差別較小。對比兩種策略，基于介數(shù)優(yōu)先的攻擊策略的打擊效果最為明顯，這也反映出重要節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的地位和對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。隨機策略下對點攻擊的效果最差，這也是網(wǎng)絡(luò)攻擊中影響較小的一種方法。

5 結(jié)論

可以發(fā)現(xiàn)，目前西南地區(qū)對運輸網(wǎng)絡(luò)性能的擴展，仍然主要基于經(jīng)濟發(fā)展的需要，集中在對運輸容量的擴展方面，即加強骨干運輸線的容量擴展，而在改善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能、提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性、滿足國防需求上所做的工作仍然較為有限。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然運輸網(wǎng)絡(luò)的安全性已大大提高，具有了小世界網(wǎng)絡(luò)的特性，但是離真正的發(fā)達網(wǎng)絡(luò)仍然還有差距，這也與西南地區(qū)的地形、地貌環(huán)境較為惡劣以及經(jīng)濟發(fā)展水平相對較低相關(guān)的。

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Analysis of Reliability of Army POL Transportation Network

Wang Yao1,Liu Baoxin2
(1.Department of Management Science&Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311; 2.Department of Joint Delivery,Military Academy of Transportation,Tianjin 300161,China)

In this paper,we introduced the significance of a reliable army POL transportation network,built the topological structure of the network before analyzing its reliability,then in connection with the POL transportation network for the five provinces in southwestern China,built the railway(highway)POL transportation network and at the end,analyzed its reliability.

reliability;army;POL transportation;transportation network

E234;F224

A

1005-152X(2016)10-0162-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.038

2016-08-22

王耀（1985-），男，后勤工程學(xué)院管理科學(xué)與工程系講師，博士，研究方向：軍事后勤；劉寶新（1966-），男，軍事交通學(xué)院聯(lián)合投送系教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向：軍事交通運輸。