煤电供应链关键脆性因子辨识方法

郑州大学 周安琪

近年来，电煤供需矛盾事件时有发生，煤电供应链断链问题是产生原因，这显示出煤电供应链的脆性。而影响其脆性的因素众多且各因素之间又相互影响、相互联系，难以形成定量分析和评价，故迫切需要一种客观、全面、准确的分析方法来对其中的关键脆性因子进行有效辨识，进而从根源上确保煤电供应链的可靠性。基于以上考虑，本文在全面分析煤电供应链脆性因子基础上，构建脆性因子有向复杂网络模型，提出了一种面向有向复杂网络节点重要度综合值计算方法。

一、问题描述

在煤电供应链运行过程中，会受到许多内部与外部因素的干扰，导致的子系统或单元崩溃，进而使与之相关联的子系统或单元发生崩溃，最后导致整个供应链的崩溃。为保证煤电供应链的正常运行不发生崩溃现象，应从根本原因入手，全面分析影响其脆性的因素、寻求出关键因子，并对其进行重点监控和管理，同时采用相关的合理措施进行改进。

二、基于ISM的煤电供应链复杂网络关键脆性因子辨识分析

参考刘伟强，徐立云[1]提出的节点重要度综合值计算方法和王长勇[2]提出的基于节点删除法的供应链脆弱性评估模型，本文提出基于ISM的煤电供应链网络节点重要度综合值的计算步骤简单描述如下：

对影响煤电供应链的脆性因子进行分类及其相关性分析，并建立脆性因子的复杂网络拓扑模型，对煤电供应链脆性因子进行网络化描述。计算网络中各节点度、直接损失、间接损失、总损失，依据复杂网络模型构建邻接矩阵，在邻接矩阵的基础上，通过矩阵运算求得可达矩阵。对可达矩阵进行层次化处理，求得各影响因子的层级矩阵，完成网络层级的划分，确定不同层级的因素集合。依据构建的ISM模型，对处于不同层级的节点，计算相应网络层级的权重Wi；之后计算网络中各节点重要度综合值，并将所得的节点重要度综合值从大到小进行排序，值越大表明该节点为网络中相对更重要的节点。

三、算例分析

参考吕涛,李肖肖[3]的研究方法，将煤电供应链的影响因素归纳为：煤炭质量、设备安全、运距、运力、运价、损耗、安全、电煤供给、机组、管理、电价、需求量、信息共享、企业文化、信用、自然灾害、政策制度，将它们分别记为r11、r12、r21、r22、r23、r24、r25、r31、r32、r33、r41、r42、r51、r52、r53、r61、r62。针对这17个影响因素，本文采用问卷调查法和专家打分法评估各因素间相互影响关系，确定这些因素间之关联关系。

以上述煤电供应链为研究对象，基于复杂网络相关理论及上述方法得出的各脆性因素间的相互影响关系，绘制得到该煤电供应链脆性因子的复杂网络模型如图1所示。

图1 复杂网络模型图

求得该复杂网络中各节点的节点度、直接损失、间接损失、总损失的值，并按照总损失降序排序得到该复杂网络中节点删除法下的各节点重要度排序为r61,r62,r41,r23,r21,r22,r24,r25,r42,r53,r11,r 31,r51,r52,r12,r33,r32。所以，该煤电供应链脆性因子在节点删除法下的重要度排序为自然灾害、政策制度、电价、运价、运距、运力、损耗、安全、需求量、信用、煤炭质量、电煤供给、信息共享、企业文化、设备安全、管理、机组。

基于上述脆性因子复杂网络模型，建立邻接矩阵。在邻接矩阵A的基础上，应用Matlab软件计算得到可达矩阵M。通过对可达矩阵M进行区域划分，可得到基于ISM的网络递阶有向图，从而可更清晰的反映各影响因子间的层次结构关系。最终将该煤电供应链脆性因素划分为3个层级，结果如下：第一层级L1={8,9,11,12,13,14,15},第二层级L2={1,2,3,4,5,6,7,10},第三层级L3={16,17}。基于可达矩阵对脆性因素的层级划分结果，可建立相应的ISM模型如图2所示。

图2 解释结构模型图

从图2看出，利用ISM模型对该煤电供应链脆性影响因素进行分析有助于把各因素间的复杂关系层次化。该煤电供应链脆性影响因素的ISM模型总共分为3层，不同层级间的因素关系错综复杂、相互关联，相同层级间的因素也彼此作用、相互影响。ISM模型中的箭头表明了各因素间的相互影响关系，有向图将各因素连接表示成为链状结构，层层递阶。

按照前文所述方法计算得到各个脆性因子的网络层级权重Wi，从r11到r62分别为0.764、0.655、5.564、5.564、6.982、5.564、5.564、0.131、0.164、0.873、1.855、1.091、2.509、1.091、2.509、9.273、3.055。

根据前文所述方法计算得到各个脆性因子的节点重要度综合值从r11到r62分别为3.06、1.31、32.27、32.27、54.46、32.27、32.27、0.39、0.16、1.75、15.4、4.69、7.53、3.05、10.79、114.06、25.36。

依据上述计算结果，结合复杂网络中节点的局部拓扑特征和节点处于网络层级的位置关系的角度分析，处于第三层级的节点r61的重要度综合值排在第1位，这与脆性因子复杂网络模型结构所展现的一致，这个节点处于网络中相对关键位置，为网络的关键节点。r61的出度是10，有3条来自第一层级的连边、7条来自第二层级的连边，其为网络模型中节点度值最高的节点，也是与其它相邻节点的关系最为紧密的节点，同时是该网络中最关键的节点；节点r23的入度和出度分别为6和4，分别各有4条来自第二层级的连边、2条来自第三层级的连边，它的连边所处层级及节点度值相较与节点r61较低，故它们的重要程度仅次于节点r61，列第2位；节点r21，r22，r24，r25的入度和出度分别是5和4，其有4条来自第二层级的连边及1条来自第三层级的连边，与前两个节点相比，其相关联的相邻节点所处的层级相对较低，故其重要性排在第3-6位；节点r62虽然处于网络第三层级，但它的入度为0，出度均为4，具体表现为该节点与网络中相邻节点之间的依赖关系不强，即与相互连接的节点之间信息的流通不会使得彼此的重要度产生较大的改变，对相邻节点的重要度贡献不强，故其节点重要性排序并不是很高；节点重要性排在最后两位的是节点r31和r32，这与脆性因子复杂网络模型结构展现的一致，它们只有少量入度没有出度，与网络中其它节点的关联性很差。

从煤电供应链实际的运行角度分析，网络中节点重要性排序第一的关键节点对应的因素是自然灾害，自然灾害波及范围广，破坏程度大，影响时间长，作为影响煤电供应链正常运行的关键因子，这与实际情况相符合。在实际生产中，应当制定相关策略防灾减灾，设置应急管理预案，以便在自然灾害发生时可以把损害降到最低；节点重要性第二的节点对应的脆性因素为运价，这表明价格对煤电供应链运转的影响较大，物流承担方应当合理规定运价，尽可能考虑到供应链上的每个合作伙伴的收益，保障供应链达到均衡；运距、运力、损耗、安全等因素也会对煤电供应链的正常运行产生重要影响，在仓库选址时应当合理规划，尽可能缩短距离，提高物流效率。安全管理也应当制定可实施性强的安全管理规范并加强对合作伙伴的安全意识强调力度；此外，其它引发煤电供应链系统发生脆性崩溃的客观因素和具体量化因素虽然对于系统脆性的影响程度相对较小，但仍是保证煤电供应链系统正常运行的基本要素，在加大对关键脆性因子的监管力度的同时也不能忽略其他相关因子，这样才能更高效、准确的制订安全运行措施用以保障系统的安全稳定运行。

四、结论

本文着眼于煤电供应链脆性，对影响煤电供应链脆性的因素进行了全面分析，基于复杂网络理论，构建出煤电供应链脆性因子复杂网络模型，将脆性因子作为网络节点，基于ISM模型辨识与分析有向复杂网络关键节点。文中既用节点删除法分析求解复杂网络的重要拓扑特征参数，也用ISM模型对网络层级进行划分，绘制出基于ISM的网络递阶有向图，充分考虑各节点于整个网络的层级关系，进而从节点局部和网络全局两个角度综合评价网络节点重要度，提出了一种新型计算节点重要度的方法，能更精确地辨识关键脆性因子，找出影响煤电供应链系统脆性的关键因子。最后以煤电供应链系统为例，使用文中提出的方法辨识影响煤电供应链脆性的关键脆性因子。结果表明，本文所述方法能有效地区分网络中各节点的重要性差异。