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(duì)油料運(yùn)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(duì)油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要意義，構(gòu)建了軍隊(duì)油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性分析，并結(jié)合西南五省油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)證分析，構(gòu)建鐵（公）油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，并通過摘除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊的方法，分析網(wǎng)絡(luò)可靠性，為軍隊(duì)油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的建立與完善提供有益的參考。

可靠性；軍隊(duì)；油料運(yùn)輸；運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸安全的影響，分析運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性對于評估和采取措施規(guī)避運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。隨著打擊力量的發(fā)展，“目標(biāo)中心戰(zhàn)”理論成為軍事理論研究的熱點(diǎn)之一，其思想實(shí)質(zhì)就是通過對關(guān)鍵目標(biāo)施加影響，削弱體系中的“聚合力和一致性”，從而達(dá)到控制、摧毀敵方的目的，其要義就在于圍繞打擊和防護(hù)的目標(biāo)來部署力量。全新的作戰(zhàn)理念和思想，使得“目標(biāo)中心戰(zhàn)”理論在軍事實(shí)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(shí)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(shí)油料在運(yùn)輸過程中必將受到敵方打擊和破壞。為確保軍隊(duì)油料運(yùn)輸安全，需要分析油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究其可靠性。

2 油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建

目前，軍隊(duì)油料運(yùn)輸依托公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、管道

運(yùn)輸、水路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸?shù)榷喾N運(yùn)輸方式，其綜合運(yùn)輸體系已日漸成熟。構(gòu)建油料綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，是分析運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提條件。為了研究油料運(yùn)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(jì)算機(jī)或者數(shù)學(xué)工具表達(dá)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，通過樞紐的連接組合成一個(gè)綜合油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，制定油料綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1 油料聯(lián)合運(yùn)輸模式圖

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

3 軍隊(duì)油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

已有研究對路網(wǎng)的可靠性已進(jìn)行了一定的探索[4-5],結(jié)合這些研究對軍隊(duì)油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可靠性定義為：在自然或人為破壞作用下，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)仍能保持其功能的能力。其可靠性指標(biāo)主要包括：抗毀性、生存性和有效性。根據(jù)軍隊(duì)油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)安全的特點(diǎn)，本文主要通過對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(jìn)行分析，合理度量網(wǎng)絡(luò)功能。為表述節(jié)點(diǎn)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)整體效能的變化，表述運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

為方便運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可靠性的分析，特做以下假定：

（1）網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)或邊的失效與點(diǎn)或邊的權(quán)重?zé)o關(guān)，敵方每一次攻擊都可摧毀一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者一個(gè)邊，且摧毀后不再具有運(yùn)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(shí)力可將交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)或者邊分步驟、分階段進(jìn)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(duì)油料運(yùn)輸面臨的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，隨機(jī)毀壞的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)抗毀性能變化情況。

（4）當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)（或者邊）被摧毀失效后，那么與之相連的邊（或者節(jié)點(diǎn)）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(diǎn)或邊進(jìn)行摧毀，摧毀的過程遵循一定策略。

網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成，對網(wǎng)絡(luò)的攻擊也有兩種。一種是對節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(yùn)輸安全威脅較大。我們選擇重慶、四川、貴州、云南、西藏等?。ㄗ灾螀^(qū)）和直轄市，作為分析對象。鑒于西南地區(qū)公路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸是油料的主要運(yùn)輸方式，將油料公路、鐵路運(yùn)輸方式組合成綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，分析其運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可靠性。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，在此網(wǎng)絡(luò)中，共有油料供需單位和運(yùn)輸樞紐節(jié)點(diǎn)334個(gè)，運(yùn)輸邊515條。其運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 西南地區(qū)油料公（鐵）運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

由公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)分布圖可知，此運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的平均度為3.29，說明平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)約與其它三個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)的參數(shù)值計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)。對于公鐵油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，對油料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)影響較大的節(jié)點(diǎn)是“成都”、“昆明”、“重慶”、“六盤水”，這些城市在公鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中對油料運(yùn)輸?shù)挠绊懕容^大。

圖3 油料公鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)摘除節(jié)點(diǎn)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(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得到以下特性：

（1）按照介數(shù)優(yōu)先的點(diǎn)摘除策略和隨機(jī)點(diǎn)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(diǎn)攻擊策略，當(dāng)摘除20%左右的節(jié)點(diǎn)時(shí)，整體效能可能下降到80%以上，而對于隨機(jī)點(diǎn)攻擊策略，當(dāng)摘除60%的節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的整體效能才能下降到80%?？梢姡閿?shù)優(yōu)先的點(diǎn)攻擊策略比隨機(jī)點(diǎn)攻擊策略的效果要好得多。

（2）對于介數(shù)優(yōu)先的點(diǎn)攻擊策略，當(dāng)摘除30%節(jié)點(diǎn)時(shí)，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?？梢姡诮閿?shù)優(yōu)先的攻擊策略下，只要摘除30%左右的節(jié)點(diǎn)就可確保網(wǎng)絡(luò)遭受嚴(yán)重毀傷，達(dá)到毀傷效果。要確保網(wǎng)絡(luò)安全，對這些重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)就十分重要。對于隨機(jī)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不同的影響較大，其下降趨勢較緩，當(dāng)摘除70%左右的節(jié)點(diǎn)時(shí)，效能下降趨勢才趨向緩和，即只有當(dāng)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)功能才會受到根本破壞。當(dāng)效能下降到90%以上時(shí)，隨機(jī)摘除的趨勢圖顯出大幅震蕩的趨勢，有時(shí)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(biāo)—網(wǎng)絡(luò)效能的定義所造成的。由網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)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(dá)：

圖4 油料公鐵運(yùn)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(diǎn)間最短路徑長度倒數(shù)和的變化，Δn為節(jié)點(diǎn)摘除后網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化。

在摘除節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總的數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)最短路徑長度的倒數(shù)和都是在遞減的。在去點(diǎn)攻擊的初期，節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化沒有任意兩點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行摘除時(shí)，分別采取介數(shù)優(yōu)先和隨機(jī)摘除的策略，網(wǎng)絡(luò)會顯出與摘除節(jié)點(diǎn)不同的變化趨勢。當(dāng)摘除邊數(shù)目的55%左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的效能下降到90%以上，此時(shí)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(jī)攻擊的策略，在去除13%左右的邊時(shí)，介數(shù)優(yōu)先的策略要優(yōu)于隨機(jī)策略，而在隨后的攻擊中，隨機(jī)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(jī)摘除策略下，對邊的攻擊效能變化幅度要較節(jié)點(diǎn)的攻擊幅度小，其變化趨勢相對較為穩(wěn)定。當(dāng)摘除20%的節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)效能已經(jīng)下降了一半左右，這些邊也可稱為運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的重點(diǎn)邊。

（4）比較兩種摘除策略下的效果。在對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行摘除時(shí)，不同策略下的效果差別很大，而對邊進(jìn)行摘除時(shí)，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(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位和對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。隨機(jī)策略下對點(diǎn)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)性能的擴(kuò)展，仍然主要基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，集中在對運(yùn)輸容量的擴(kuò)展方面，即加強(qiáng)骨干運(yùn)輸線的容量擴(kuò)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(yùn)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(dá)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(jì)發(fā)展水平相對較低相關(guān)的。

[1]葉婷婷.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的全國鐵路網(wǎng)絡(luò)連通可靠性分析[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[2]熊金石,李建華,楊迎輝.軍事通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性實(shí)證分析[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2012,26(2):77-80.

[3]吳俊.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抗毀性研究[J].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.

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

[5]王云琴.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)連通可靠性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008.

[6]金雷.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的地域公路交通網(wǎng)抗毀性分析[D].長沙:國防科技大學(xué),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(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(yùn)輸。