基于可靠性的军队油料运输网络分析

王 耀，刘宝新

（1.后勤工程学院 管理科学与工程系,重庆 401311；2.军事交通学院 联合投送系，天津 300161）

基于可靠性的军队油料运输网络分析

王 耀1，刘宝新2

（1.后勤工程学院 管理科学与工程系,重庆 401311；2.军事交通学院 联合投送系，天津 300161）

分析了研究军队油料运输网络可靠性的重要意义，构建了军队油料运输网络拓扑结构，对油料运输网络进行可靠性分析，并结合西南五省油料运输网络进行实证分析，构建铁（公）油料运输网络，并通过摘除网络节点和边的方法，分析网络可靠性，为军队油料运输网络的建立与完善提供有益的参考。

可靠性；军队；油料运输；运输网络

1 引言

平均路径长度、度分布、聚类分析等参数可从静态的角度分析油料运输网络的结构[1-2]，网络的可靠性则可以从动态的角度分析交通拥堵、线路中断等事件发生后对运输安全的影响，分析运输网络的可靠性对于评估和采取措施规避运输风险具有重要意义。随着打击力量的发展，“目标中心战”理论成为军事理论研究的热点之一，其思想实质就是通过对关键目标施加影响，削弱体系中的“聚合力和一致性”，从而达到控制、摧毁敌方的目的，其要义就在于围绕打击和防护的目标来部署力量。全新的作战理念和思想，使得“目标中心战”理论在军事实践中得到应用，并成为军事中惯用的一种有效方法和手段。在海湾战争中，美军就是通过对伊拉克桥梁等重要设施的摧毁，削弱了其90%的保障能力[3]。突发事件或情况同样也能造成网络的巨大破坏。如2008年的冰雪灾害，造成了南方多省交通瘫痪。油料供应是战时后勤保障的重要内容，作为油料供应的重要环节，战时油料在运输过程中必将受到敌方打击和破坏。为确保军队油料运输安全，需要分析油料运输网络结构，研究其可靠性。

2 油料运输网络拓扑结构的构建

目前，军队油料运输依托公路运输、铁路运输、管道

运输、水路运输、航空运输等多种运输方式，其综合运输体系已日渐成熟。构建油料综合运输网络，是分析运输网络拓扑结构的前提条件。为了研究油料运输网络性能和规律的方便，需要将其转化为可通过计算机或者数学工具表达和分析的描述方法。借鉴GIS分层技术，可将几种方式所组成的油料运输网络，通过枢纽的连接组合成一个综合油料运输网络，制定油料综合运输网络图。

图1 油料联合运输模式图

如图1所示，在油料综合运输网络中，节点不仅包括各油料实体，还要包括油料运输转换的枢纽站，油料综合运输网络的边即为各运输通道，如管线、道路、航道等。本文使用Cytoscape软件构建油料运输网络拓扑结构图，将具有油库或加油站的县级以上单位（或个别具有大型油库的乡镇）设为油料运输网络中的节点，在具有油料运输条件的节点间构建网络的边。

3 军队油料运输网络可靠性分析

已有研究对路网的可靠性已进行了一定的探索[4-5],结合这些研究对军队油料运输网络可靠性定义为：在自然或人为破坏作用下，运输网络仍能保持其功能的能力。其可靠性指标主要包括：抗毁性、生存性和有效性。根据军队油料运输网络安全的特点，本文主要通过对网络中节点或者边的失效，研究网络的抗毁性，对网络的可靠性进行分析，合理度量网络功能。为表述节点或边的摘除效果，在此引入网络整体效能的概念，所谓网络的整体效能即是网络平均路径长度和的倒数[6]。通过对油料运输网络整体效能的变化，表述运输网络的可靠性。

为方便运输网络可靠性的分析，特做以下假定：

（1）网络的点或边的失效与点或边的权重无关，敌方每一次攻击都可摧毁一个节点或者一个边，且摧毁后不再具有运输功能。

（2）在网络的抗毁性研究中，假定敌方有足够的实力可将交通网络的节点或者边分步骤、分阶段进行摧毁，从而研究网络在不同损毁程度下的性能。

（3）根据军队油料运输面临的风险特点，随机毁坏的风险远小于有针对性的攻击，因此主要研究对比两种攻击策略下的运输网络抗毁性能变化情况。

（4）当某些节点（或者边）被摧毁失效后，那么与之相连的边（或者节点）也要从网络中随之摘除，即不考虑网络失效后的恢复情况。

（5）敌方有能力对网络中的所有节点或边进行摧毁，摧毁的过程遵循一定策略。

网络由节点和边构成，对网络的攻击也有两种。一种是对节点的破坏和摧毁，即打击破坏油库、加油站等。一种是对网络边的攻击，即切断节点间的连接通道，包括道路、铁路线等，使之不能通行。通过使用两种攻击方式，分析网络可靠性。

4 实证分析

西南方向是我国重要战略方向之一，因特殊的自然地理环境，油料运输安全威胁较大。我们选择重庆、四川、贵州、云南、西藏等省（自治区）和直辖市，作为分析对象。鉴于西南地区公路运输和铁路运输是油料的主要运输方式，将油料公路、铁路运输方式组合成综合运输网络，分析其运输网络可靠性。经过统计分析，在此网络中，共有油料供需单位和运输枢纽节点334个，运输边515条。其运输网络拓扑结构如图2所示。

图2 西南地区油料公（铁）运输网络拓扑图

4.1 网络结构分析

由公路运输网络和铁路运输网络组成的网络各参数分布图可知，此运输网络的平均度为3.29，说明平均每个节点约与其它三个节点有直接的联系，介数为1 988.9，聚类系数(C)为0.21，邻近度为0.13，网络直径（此网络中任意两点间最短路径中的最大值）为21，平均路径长度为7.906。可知，西南地区公铁油料运输网络是无尺度的小世界网络，并具有良好的抗毁性能和稳定性。

4.2 网络可靠性分析

根据各节点的参数值计算结果，选择出度、介数和破坏性数值都比较大的几个节点。对于公铁油料运输网络，对油料运输网络影响较大的节点是“成都”、“昆明”、“重庆”、“六盘水”，这些城市在公铁运输网络中对油料运输的影响比较大。

图3 油料公铁运输网络摘除节点抗毁性

在图3、图4中，单条线表示的是介数优先下的网络效能变化趋势图，黑色区域表示随机摘除策略下，经仿真100次的网络效能变化趋势图。由变化趋势图，分析实验结果，可得到以下特性：

（1）按照介数优先的点摘除策略和随机点摘除策略其效能的下降具有明显的不同。对于介数优先的点攻击策略，当摘除20%左右的节点时，整体效能可能下降到80%以上，而对于随机点攻击策略，当摘除60%的节点时，网络的整体效能才能下降到80%。可见，介数优先的点攻击策略比随机点攻击策略的效果要好得多。

（2）对于介数优先的点攻击策略，当摘除30%节点时，其效能的下降就会变得非常缓慢，而在之前其效能的下降十分明显。可见，在介数优先的攻击策略下，只要摘除30%左右的节点就可确保网络遭受严重毁伤，达到毁伤效果。要确保网络安全，对这些重点节点的保护就十分重要。对于随机节点攻击，可以发现其变化幅度较大（即区域宽度较大），受摘除点不同的影响较大，其下降趋势较缓，当摘除70%左右的节点时，效能下降趋势才趋向缓和，即只有当大多数节点失效时，网络功能才会受到根本破坏。当效能下降到90%以上时，随机摘除的趋势图显出大幅震荡的趋势，有时甚至出现效能不降反升，这种现象的出现，是由对网络抗毁性指标—网络效能的定义所造成的。由网络中任意两点最短路径的倒数和的平均值定义可知，网络的效能变化可由式（1）表达：

图4 油料公铁运输网络摘除边抗毁性

其中，ΔU为网络的效能变化，ΔE为网络任意两点间最短路径长度倒数和的变化，Δn为节点摘除后网络中节点数目的变化。

在摘除节点时，网络中节点总的数目和网络中任意两点最短路径长度的倒数和都是在递减的。在去点攻击的初期，节点数目的变化没有任意两点最短路径长度的倒数和减少的速度快，表现为整体效能的下降；在去点攻击的末期，可能分子减少的趋势是微弱的，而分母幅度较大，这样就会显示出网络整体效能反而增加了。

（3）在对网络中的边进行摘除时，分别采取介数优先和随机摘除的策略，网络会显出与摘除节点不同的变化趋势。当摘除边数目的55%左右时，网络的效能下降到90%以上，此时网络基本已被破坏，再对其攻击意义已经不大。在两种攻击策略下，介数优先的策略并不是一直能够优于随机攻击的策略，在去除13%左右的边时，介数优先的策略要优于随机策略，而在随后的攻击中，随机策略反而优于介数优先的策略。由趋势图的对比同样可以发现，随机摘除策略下，对边的攻击效能变化幅度要较节点的攻击幅度小，其变化趋势相对较为稳定。当摘除20%的节点时，网络效能已经下降了一半左右，这些边也可称为运输网络中的重点边。

（4）比较两种摘除策略下的效果。在对节点进行摘除时，不同策略下的效果差别很大，而对边进行摘除时，不同策略下的效果差别较小。对比两种策略，基于介数优先的攻击策略的打击效果最为明显，这也反映出重要节点在网络中的地位和对网络性能的影响。随机策略下对点攻击的效果最差，这也是网络攻击中影响较小的一种方法。

5 结论

可以发现，目前西南地区对运输网络性能的扩展，仍然主要基于经济发展的需要，集中在对运输容量的扩展方面，即加强骨干运输线的容量扩展，而在改善网络结构性能、提高网络抗毁性、满足国防需求上所做的工作仍然较为有限。经过几十年的发展，虽然运输网络的安全性已大大提高，具有了小世界网络的特性，但是离真正的发达网络仍然还有差距，这也与西南地区的地形、地貌环境较为恶劣以及经济发展水平相对较低相关的。

[1]叶婷婷.基于复杂网络的全国铁路网络连通可靠性分析[D].北京:北京交通大学,2009.

[2]熊金石,李建华,杨迎辉.军事通信网络结构复杂性实证分析[J].军事运筹与系统工程,2012,26(2):77-80.

[3]吴俊.复杂网络拓扑结构抗毁性研究[J].长沙:国防科学技术大学,2008.

[4]熊志华,邵春福.路网可靠性研究的回顾与展望[J].交通运输系统工程与信息,2003,3(2):77-80.

[5]王云琴.基于复杂网络理论的城市轨道交通网络连通可靠性研究[D].北京:北京交通大学,2008.

[6]金雷.基于复杂网络的地域公路交通网抗毁性分析[D].长沙:国防科技大学,2008.

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，后勤工程学院管理科学与工程系讲师，博士，研究方向：军事后勤；刘宝新（1966-），男，军事交通学院联合投送系教授，博士，硕士生导师，研究方向：军事交通运输。