基于可靠性的軍隊油料運輸網絡分析

王 耀，劉寶新

（1.后勤工程學院 管理科學與工程系,重慶 401311；2.軍事交通學院 聯合投送系，天津 300161）

基于可靠性的軍隊油料運輸網絡分析

王 耀1，劉寶新2

（1.后勤工程學院 管理科學與工程系,重慶 401311；2.軍事交通學院 聯合投送系，天津 300161）

分析了研究軍隊油料運輸網絡可靠性的重要意義，構建了軍隊油料運輸網絡拓撲結構，對油料運輸網絡進行可靠性分析，并結合西南五省油料運輸網絡進行實證分析，構建鐵（公）油料運輸網絡，并通過摘除網絡節點和邊的方法，分析網絡可靠性，為軍隊油料運輸網絡的建立與完善提供有益的參考。

可靠性；軍隊；油料運輸；運輸網絡

1 引言

平均路徑長度、度分布、聚類分析等參數可從靜態的角度分析油料運輸網絡的結構[1-2]，網絡的可靠性則可以從動態的角度分析交通擁堵、線路中斷等事件發生后對運輸安全的影響，分析運輸網絡的可靠性對于評估和采取措施規避運輸風險具有重要意義。隨著打擊力量的發展，“目標中心戰”理論成為軍事理論研究的熱點之一，其思想實質就是通過對關鍵目標施加影響，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。全新的作戰理念和思想，使得“目標中心戰”理論在軍事實踐中得到應用，并成為軍事中慣用的一種有效方法和手段。在海灣戰爭中，美軍就是通過對伊拉克橋梁等重要設施的摧毀，削弱了其90%的保障能力[3]。突發事件或情況同樣也能造成網絡的巨大破壞。如2008年的冰雪災害，造成了南方多省交通癱瘓。油料供應是戰時后勤保障的重要內容，作為油料供應的重要環節，戰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絡結構，研究其可靠性。

2 油料運輸網絡拓撲結構的構建

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、航空運輸等多種運輸方式，其綜合運輸體系已日漸成熟。構建油料綜合運輸網絡，是分析運輸網絡拓撲結構的前提條件。為了研究油料運輸網絡性能和規律的方便，需要將其轉化為可通過計算機或者數學工具表達和分析的描述方法。借鑒GIS分層技術，可將幾種方式所組成的油料運輸網絡，通過樞紐的連接組合成一個綜合油料運輸網絡，制定油料綜合運輸網絡圖。

圖1 油料聯合運輸模式圖

如圖1所示，在油料綜合運輸網絡中，節點不僅包括各油料實體，還要包括油料運輸轉換的樞紐站，油料綜合運輸網絡的邊即為各運輸通道，如管線、道路、航道等。本文使用Cytoscape軟件構建油料運輸網絡拓撲結構圖，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鎮）設為油料運輸網絡中的節點，在具有油料運輸條件的節點間構建網絡的邊。

3 軍隊油料運輸網絡可靠性分析

已有研究對路網的可靠性已進行了一定的探索[4-5],結合這些研究對軍隊油料運輸網絡可靠性定義為：在自然或人為破壞作用下，運輸網絡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。根據軍隊油料運輸網絡安全的特點，本文主要通過對網絡中節點或者邊的失效，研究網絡的抗毀性，對網絡的可靠性進行分析，合理度量網絡功能。為表述節點或邊的摘除效果，在此引入網絡整體效能的概念，所謂網絡的整體效能即是網絡平均路徑長度和的倒數[6]。通過對油料運輸網絡整體效能的變化，表述運輸網絡的可靠性。

為方便運輸網絡可靠性的分析，特做以下假定：

（1）網絡的點或邊的失效與點或邊的權重無關，敵方每一次攻擊都可摧毀一個節點或者一個邊，且摧毀后不再具有運輸功能。

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

（3）根據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絡抗毀性能變化情況。

（4）當某些節點（或者邊）被摧毀失效后，那么與之相連的邊（或者節點）也要從網絡中隨之摘除，即不考慮網絡失效后的恢復情況。

（5）敵方有能力對網絡中的所有節點或邊進行摧毀，摧毀的過程遵循一定策略。

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

4 實證分析

西南方向是我國重要戰略方向之一，因特殊的自然地理環境，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）和直轄市，作為分析對象。鑒于西南地區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絡，分析其運輸網絡可靠性。經過統計分析，在此網絡中，共有油料供需單位和運輸樞紐節點334個，運輸邊515條。其運輸網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 西南地區油料公（鐵）運輸網絡拓撲圖

4.1 網絡結構分析

由公路運輸網絡和鐵路運輸網絡組成的網絡各參數分布圖可知，此運輸網絡的平均度為3.29，說明平均每個節點約與其它三個節點有直接的聯系，介數為1 988.9，聚類系數(C)為0.21，鄰近度為0.13，網絡直徑（此網絡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。可知，西南地區公鐵油料運輸網絡是無尺度的小世界網絡，并具有良好的抗毀性能和穩定性。

4.2 網絡可靠性分析

根據各節點的參數值計算結果，選擇出度、介數和破壞性數值都比較大的幾個節點。對于公鐵油料運輸網絡，對油料運輸網絡影響較大的節點是“成都”、“昆明”、“重慶”、“六盤水”，這些城市在公鐵運輸網絡中對油料運輸的影響比較大。

圖3 油料公鐵運輸網絡摘除節點抗毀性

在圖3、圖4中，單條線表示的是介數優先下的網絡效能變化趨勢圖，黑色區域表示隨機摘除策略下，經仿真100次的網絡效能變化趨勢圖。由變化趨勢圖，分析實驗結果，可得到以下特性：

（1）按照介數優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。對于介數優先的點攻擊策略，當摘除20%左右的節點時，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%的節點時，網絡的整體效能才能下降到80%。可見，介數優先的點攻擊策略比隨機點攻擊策略的效果要好得多。

（2）對于介數優先的點攻擊策略，當摘除30%節點時，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。可見，在介數優先的攻擊策略下，只要摘除30%左右的節點就可確保網絡遭受嚴重毀傷，達到毀傷效果。要確保網絡安全，對這些重點節點的保護就十分重要。對于隨機節點攻擊，可以發現其變化幅度較大（即區域寬度較大），受摘除點不同的影響較大，其下降趨勢較緩，當摘除70%左右的節點時，效能下降趨勢才趨向緩和，即只有當大多數節點失效時，網絡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，有時甚至出現效能不降反升，這種現象的出現，是由對網絡抗毀性指標—網絡效能的定義所造成的。由網絡中任意兩點最短路徑的倒數和的平均值定義可知，網絡的效能變化可由式（1）表達：

圖4 油料公鐵運輸網絡摘除邊抗毀性

其中，ΔU為網絡的效能變化，ΔE為網絡任意兩點間最短路徑長度倒數和的變化，Δn為節點摘除后網絡中節點數目的變化。

在摘除節點時，網絡中節點總的數目和網絡中任意兩點最短路徑長度的倒數和都是在遞減的。在去點攻擊的初期，節點數目的變化沒有任意兩點最短路徑長度的倒數和減少的速度快，表現為整體效能的下降；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，這樣就會顯示出網絡整體效能反而增加了。

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

（4）比較兩種摘除策略下的效果。在對節點進行摘除時，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，基于介數優先的攻擊策略的打擊效果最為明顯，這也反映出重要節點在網絡中的地位和對網絡性能的影響。隨機策略下對點攻擊的效果最差，這也是網絡攻擊中影響較小的一種方法。

5 結論

可以發現，目前西南地區對運輸網絡性能的擴展，仍然主要基于經濟發展的需要，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，而在改善網絡結構性能、提高網絡抗毀性、滿足國防需求上所做的工作仍然較為有限。經過幾十年的發展，雖然運輸網絡的安全性已大大提高，具有了小世界網絡的特性，但是離真正的發達網絡仍然還有差距，這也與西南地區的地形、地貌環境較為惡劣以及經濟發展水平相對較低相關的。

[1]葉婷婷.基于復雜網絡的全國鐵路網絡連通可靠性分析[D].北京:北京交通大學,2009.

[2]熊金石,李建華,楊迎輝.軍事通信網絡結構復雜性實證分析[J].軍事運籌與系統工程,2012,26(2):77-80.

[3]吳俊.復雜網絡拓撲結構抗毀性研究[J].長沙:國防科學技術大學,2008.

[4]熊志華,邵春福.路網可靠性研究的回顧與展望[J].交通運輸系統工程與信息,2003,3(2):77-80.

[5]王云琴.基于復雜網絡理論的城市軌道交通網絡連通可靠性研究[D].北京:北京交通大學,2008.

[6]金雷.基于復雜網絡的地域公路交通網抗毀性分析[D].長沙:國防科技大學,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，后勤工程學院管理科學與工程系講師，博士，研究方向：軍事后勤；劉寶新（1966-），男，軍事交通學院聯合投送系教授，博士，碩士生導師，研究方向：軍事交通運輸。