呂 靖, 王 爽

(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

2017-03-18

國家自然科學(xué)基金(71473023)；教育部哲學(xué)社會科學(xué)研究重大課題攻關(guān)項(xiàng)目(11JZD049)；教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金(16YJAZH030)

呂 靖(1959—) ，男，黑龍江五常人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹竭\(yùn)經(jīng)濟(jì)與交通運(yùn)輸管理。E-mail:lujing@dlmu.edu.cn

1000-4653(2017)02-0118-07

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性

呂 靖, 王 爽

(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

為科學(xué)衡量中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)功能失效對網(wǎng)絡(luò)連通可靠性的影響，在識別網(wǎng)絡(luò)中重要節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對節(jié)點(diǎn)面臨的隨機(jī)性攻擊和選擇性攻擊，分別采用蒙特卡洛模擬和不交化最小路集算法建立中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性評估模型。評價(jià)結(jié)果表明：當(dāng)節(jié)點(diǎn)面臨隨機(jī)性攻擊時(shí)，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)相對可靠；而在面對選擇性攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連通可靠性大幅下降，原油進(jìn)口安全受到較大威脅。此外，在中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)原油海運(yùn)通道中，拉美通道的連通可靠性相對最好，中東通道的連通可靠性相對最差。

原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)；連通可靠性；節(jié)點(diǎn)失效；隨機(jī)性攻擊；選擇性攻擊

全球原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)是原油運(yùn)輸?shù)闹匾d體，一旦遭受攻擊致使網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)失效，將嚴(yán)重威脅原油進(jìn)口國的原油供應(yīng)安全。因此，對全球原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性進(jìn)行研究具有重要意義。

連通可靠性[1]最早反映的是交通網(wǎng)絡(luò)2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持連通的概率，一般只研究路段的0和1狀態(tài)，即連通或不連通。此后，相關(guān)學(xué)者[2]對連通可靠性作進(jìn)一步研究，例如IIDA等[3]將兩點(diǎn)間的連通性擴(kuò)展到k點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。對交通網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行分析所采用的方法[4]主要有解析法和近似法，其中解析法主要包括最小路算法和最小割算法。2種算法都需已知路段或節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)營的概率，且計(jì)算的復(fù)雜度隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加呈指數(shù)增長。王英杰等[5]提出利用交點(diǎn)法計(jì)算起終點(diǎn)連通度的路徑集和割集確定方法，簡化計(jì)算；EDRISSI等[6]通過引入網(wǎng)絡(luò)可靠性概念尋找網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵路段，從而在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)修復(fù)重要路段，進(jìn)而最大化網(wǎng)絡(luò)連通可靠性；種鵬云等[7]提出基于連通可靠性的危險(xiǎn)品運(yùn)輸路徑選擇方法；REGGIANI等[8]將連通性、可靠性、脆弱性及魯棒性等概念聯(lián)系起來研究運(yùn)輸系統(tǒng)的易損性和恢復(fù)力；SHINOZUKA等[9]探究震后高速公路整體功能的評價(jià)方法，為研究突發(fā)事件時(shí)高速公路的連通可靠性提供理論支持；WU等[10]提出網(wǎng)絡(luò)連通熵的概念，并引入一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)連通可靠性指標(biāo)，將其應(yīng)用到南京地鐵網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性研究中，證明新指標(biāo)的有效性和實(shí)用性；楊成等[11]研究線網(wǎng)結(jié)構(gòu)對地鐵線網(wǎng)連通可靠性的影響；HOLME等[12]借鑒復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論計(jì)算交通網(wǎng)絡(luò)在受到不同攻擊策略的攻擊后最大連通子圖的相對大小及網(wǎng)絡(luò)的效率等指標(biāo)，進(jìn)而反映網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性。

綜上，目前國內(nèi)外學(xué)者對交通網(wǎng)絡(luò)連通可靠性的研究主要集中在城市道路網(wǎng)絡(luò)方面。對于原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)而言，港口、海峽及運(yùn)河等節(jié)點(diǎn)是真實(shí)存在的，而2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的航段是虛擬存在的，且原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)不同于道路網(wǎng)絡(luò)，其注重的是節(jié)點(diǎn)與終點(diǎn)之間的連通性，并不要求所有節(jié)點(diǎn)對間都連通，因此研究港口、海峽及運(yùn)河等節(jié)點(diǎn)遭到攻擊失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸能力，可豐富交通網(wǎng)絡(luò)的理論研究。此外，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的可靠暢通關(guān)乎我國的能源安全，國外進(jìn)口節(jié)點(diǎn)與國內(nèi)節(jié)點(diǎn)的OD對間是否連通決定著原油進(jìn)口海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)能否為原油運(yùn)輸提供穩(wěn)定服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)易受自然災(zāi)害、海盜、恐怖主義和戰(zhàn)爭等極端事件的影響，使原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)斷開，原油供應(yīng)遭受威脅。因此，對我國原油進(jìn)口海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

這里利用節(jié)點(diǎn)度和節(jié)點(diǎn)工作強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)識別中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)，針對節(jié)點(diǎn)面臨的隨機(jī)性攻擊和選擇性攻擊，分別采用蒙特卡洛模擬和不交化最小路集算法建立中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性評估模型，通過模擬節(jié)點(diǎn)隨機(jī)失效及選擇攻擊重要節(jié)點(diǎn)評估節(jié)點(diǎn)失效后的OD對間連通可靠性，進(jìn)而估計(jì)構(gòu)成進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的各海運(yùn)通道及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，為預(yù)防和處置對重要節(jié)點(diǎn)的協(xié)同攻擊和破壞、改善網(wǎng)絡(luò)可靠性、優(yōu)化原油運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)提供依據(jù)。

1 中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性模型構(gòu)建

1.1問題描述

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)由海峽、運(yùn)河和港口等節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)間的邊(航段)組成，V為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合，E為航段集合，則中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)為G=(V，E)。圖1為中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)示意，其中起點(diǎn)為原油進(jìn)口來源國港口，經(jīng)由一系列海峽或運(yùn)河到達(dá)我國港口。受節(jié)點(diǎn)隸屬國家或地區(qū)局勢不穩(wěn)定、利益相關(guān)國家軍事干預(yù)、海盜及恐怖主義等因素影響，部分節(jié)點(diǎn)會面臨封閉或遭受襲擊的威脅，進(jìn)而致使其在網(wǎng)絡(luò)中的功能失效。這里對隨機(jī)性攻擊中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)及選擇性攻擊重要節(jié)點(diǎn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性進(jìn)行研究。

圖1 中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)示意

假設(shè)節(jié)點(diǎn)只有全負(fù)荷運(yùn)營和完全失效2種狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)間的邊(即航段)一直處于正常狀態(tài)，且各節(jié)點(diǎn)的失效相互獨(dú)立；同時(shí)，我國港口不會失效?；谠摷僭O(shè)，給出中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)OD對間、指定海運(yùn)通道及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性的定義。

1)OD對間連通可靠性：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)完全失效時(shí)，OD對保持連通的概率。

2)原油海運(yùn)通道連通可靠性：根據(jù)我國進(jìn)口原油海上運(yùn)輸航線的分布情況，將中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)分為若干個(gè)海運(yùn)通道；指定海運(yùn)通道的連通可靠性為網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)完全失效時(shí)通道內(nèi)所有OD對連通可靠性的加權(quán)平均值，權(quán)重為OD對的原油進(jìn)口份額。

3)中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)完全失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中所有OD對連通可靠性的加權(quán)平均值，權(quán)重為OD對的原油進(jìn)口份額。

1.2重要節(jié)點(diǎn)識別

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)與城市交通網(wǎng)絡(luò)的連通性不同：城市交通網(wǎng)絡(luò)是既存在內(nèi)向樹為子網(wǎng)絡(luò)又存在外向樹為子網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)連通網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的連通效率較高，且節(jié)點(diǎn)間因邊的連接而具有緊密聯(lián)系；中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)只存在內(nèi)向樹為子網(wǎng)絡(luò)，且進(jìn)口來源國港口節(jié)點(diǎn)間互不相連，多數(shù)節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)沒有太大差異。此外，原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中越靠近內(nèi)向樹根部的節(jié)點(diǎn)受到攻擊，對網(wǎng)絡(luò)連通可靠性的影響就越大，因?yàn)樵娇拷康墓?jié)點(diǎn)的工作強(qiáng)度通常較大。因此，采用節(jié)點(diǎn)度和節(jié)點(diǎn)工作強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)度值及節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置來識別中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)。

1.2.1節(jié)點(diǎn)度

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的度di是指與該節(jié)點(diǎn)相連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度越大，表示其在中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中越重要。

1.2.2節(jié)點(diǎn)工作強(qiáng)度

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中末梢節(jié)點(diǎn)的重要程度與非末梢節(jié)點(diǎn)不同，且某些節(jié)點(diǎn)即使有相同的度，重要性也不同。因此，引入節(jié)點(diǎn)工作強(qiáng)度指標(biāo)(即節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的原油運(yùn)輸份額)來識別網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的原油運(yùn)輸份額是指經(jīng)由某個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸?shù)脑土空己＿\(yùn)網(wǎng)絡(luò)原油總運(yùn)量的比例，即

δi=oi/O

(1)

式(1)中：δi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作強(qiáng)度；oi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的原油運(yùn)量；O為海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)原油總運(yùn)量。

1.2.3節(jié)點(diǎn)重要度

分別對2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并賦予其相同的權(quán)重，對各節(jié)點(diǎn)的重要度進(jìn)行計(jì)算。

(2)

1.3可靠性模型構(gòu)建

1.3.1隨機(jī)性攻擊模型構(gòu)建

隨機(jī)性攻擊通常是攻擊一方?jīng)]有掌握網(wǎng)絡(luò)的信息或網(wǎng)絡(luò)自身的一些故障引發(fā)的。攻擊過程從中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的初始狀態(tài)開始，隨機(jī)選擇網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)令其失效，重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性。這里采用近似算法中的蒙特卡洛模擬，隨機(jī)產(chǎn)生失效節(jié)點(diǎn)，且失效節(jié)點(diǎn)從1個(gè)開始逐步增加，直至網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)全部失效，并借鑒圖論中的連通性判別準(zhǔn)則建立可靠性模型[12]，從而評估網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖1中：網(wǎng)絡(luò)G=(V，E)的邊集合E={(vi,vj)/vi,vj∈V}；有序?qū)?vi,vj)表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間有一條有向邊，2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是連通的，可使用m×m階的鄰接矩陣A=(aij)m×m表示網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。

(3)

(4)

(5)

(6)

在利用蒙特卡洛模擬隨機(jī)產(chǎn)生失效節(jié)點(diǎn)后，根據(jù)失效節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，采用改進(jìn)的布爾矩陣方法計(jì)算可達(dá)矩陣，進(jìn)而根據(jù)中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)矩陣判斷任意海外進(jìn)口節(jié)點(diǎn)與國內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的連通性?；谏鲜龇治?，給出網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)面臨隨機(jī)攻擊時(shí)的連通可靠性評估模型為

(7)

ru=xu/K

(8)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中OD對間的連通可靠性，可評估構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)原油海運(yùn)通道的連通可靠性為

(9)

式(7)～式(9)中：ru，R?和R分別為OD對間的連通可靠性、通道連通可靠性及網(wǎng)絡(luò)連通可靠性；K為模擬次數(shù)；xu為K次模擬中第u個(gè)OD對間連通的次數(shù)；q和n分別為指定通道內(nèi)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的OD對數(shù)；ωu為第u個(gè)OD對的權(quán)重。

1.3.2選擇性攻擊模型構(gòu)建

選擇性攻擊是根據(jù)“1.2”節(jié)中節(jié)點(diǎn)的重要度判別方法，按照節(jié)點(diǎn)重要度的高低，依次對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，并重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)連通可靠性，直至所有節(jié)點(diǎn)都被攻擊。選擇性攻擊是攻擊一方充分掌握網(wǎng)絡(luò)信息對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的蓄意破壞，無需利用蒙特卡洛模擬失效節(jié)點(diǎn)。因此，采用解析算法中的不交化最小路集算法[13]對選擇性攻擊下的中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)L1，L2，…，Lm為中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中某條OD的所有最小路，則OD對間的連通可靠性為

Ro,d(G)=Pr(L1+L2+…+Lm)

(10)

為計(jì)算式(10)，由不交化公式可得

(11)

式(11)中各項(xiàng)是不交的，因此

(12)

運(yùn)用不交和定理對式(12)進(jìn)行簡化，可得

(13)

利用式(13)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)失效情況計(jì)算中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各OD對的連通可靠性。與隨機(jī)性攻擊相同，利用式(7)和式(9)，根據(jù)各OD對的連通可靠性進(jìn)一步計(jì)算各海運(yùn)通道的連通可靠性及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性。

2 中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性實(shí)證分析

為正確衡量并全面掌握中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性狀況，根據(jù)中國進(jìn)口原油來源國分布情況，獲取實(shí)際的原油進(jìn)口海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。利用已識別的重要節(jié)點(diǎn)及構(gòu)建的可靠性模型，分別計(jì)算面臨隨機(jī)性攻擊和選擇性攻擊時(shí)中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各OD對的連通可靠性，并結(jié)合各OD對的進(jìn)口份額計(jì)算各海運(yùn)通道及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性。

2.1中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)概述

中東、非洲、俄羅斯及美洲是中國4大原油來源地區(qū)。除了從俄羅斯、哈薩克斯坦和蒙古進(jìn)口的原油采用陸路運(yùn)輸之外，其余全部依賴海運(yùn)。結(jié)合我國近年來原油主要進(jìn)口來源國的分布情況及進(jìn)口量情況，得到中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)見圖2。

圖2 中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)

從圖2中可看出，中國進(jìn)口原油海上運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)由中東—中國、非洲—中國及拉丁美洲—中國等3條海上運(yùn)輸通道構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)中的主要海峽和運(yùn)河包括霍爾木茲海峽、馬六甲海峽、巽他海峽、龍目海峽、直布羅陀海峽、曼德海峽、蘇伊士運(yùn)河、巴拿馬運(yùn)河、臺灣海峽及巴士海峽。原油來源國的原油裝船港和我國的原油接卸港是網(wǎng)絡(luò)中的另一類節(jié)點(diǎn)，其中原油裝船港以主要原油來源國(見表1)中的一個(gè)原油港口為代表，我國的原油接卸港以寧波-舟山港為代表，因此網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合V=(v1,v2,…,vn)，由原油來源國港口、寧波-舟山港及上述海峽和運(yùn)河構(gòu)成，且|V|=24，共有24個(gè)節(jié)點(diǎn)。在24個(gè)節(jié)點(diǎn)中，有13個(gè)節(jié)點(diǎn)是原油來源國港口，因此網(wǎng)絡(luò)中共有13個(gè)OD對，各OD對中包含的節(jié)點(diǎn)情況、各OD對的原油進(jìn)口份額及隸屬海運(yùn)通道的情況見表1，數(shù)據(jù)來源于美國能源信息署。利用已建立的可靠性模型對網(wǎng)絡(luò)中的3個(gè)運(yùn)輸通道的連通可靠性及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。

表1 中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各OD對的節(jié)點(diǎn)情況、原油海運(yùn)進(jìn)口份額及隸屬通道

2.2重要節(jié)點(diǎn)

原油船型主要有超大型油船(Very Large Crude Carrier, VLCC)、蘇伊士型、阿芙拉型和巴拿馬型等，而蘇伊士運(yùn)河無法通過VLCC型船舶。例如：若從利比亞進(jìn)口的原油采用VLCC運(yùn)輸，則只能向西過直布羅陀海峽，繞道好望角東行，而不能選擇經(jīng)蘇伊士運(yùn)河?xùn)|行；若從拉美3個(gè)國家進(jìn)口的原油選擇VLCC、蘇伊士型和阿芙拉型船舶運(yùn)輸，則無法通過巴拿馬運(yùn)河，只能經(jīng)好望角向東航行。因此，在計(jì)算各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的原油運(yùn)輸份額(即各節(jié)點(diǎn)的工作強(qiáng)度)時(shí)，應(yīng)考慮各OD對中節(jié)點(diǎn)所能通過船型的不同，從而更準(zhǔn)確地進(jìn)行重要節(jié)點(diǎn)的識別。例如：對于從利比亞進(jìn)口的原油，VLCC、蘇伊士型、阿芙拉型和巴拿馬型船舶都可通過直布羅陀海峽；而蘇伊士運(yùn)河只能通過后3種船型。假設(shè)2條航線配的船舶數(shù)量相同，根據(jù)各船型的載重能力，經(jīng)直布羅陀海峽運(yùn)輸?shù)膹睦葋嗊M(jìn)口的原油約為蘇伊士運(yùn)河的1.44倍。根據(jù)該比例，在利比亞—中國間分配各節(jié)點(diǎn)的原油承擔(dān)量，其他OD對各節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的原油運(yùn)輸份額也用該方法計(jì)算。此外，對于臺灣海峽和巴士海峽，假設(shè)二者承擔(dān)的原油份額相同。

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的度、各節(jié)點(diǎn)工作強(qiáng)度及各節(jié)點(diǎn)的重要度見表2。

從表2中可看出，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中最重要的節(jié)點(diǎn)為馬六甲海峽和霍爾木茲海峽，且海峽和運(yùn)河的重要度相比港口節(jié)點(diǎn)要高。

2.3可靠性結(jié)果

2.3.1隨機(jī)性攻擊

借鑒參數(shù)估計(jì)中樣本量的確定方法[14]，確定模擬次數(shù)K。當(dāng)K=1 000時(shí)，可滿足中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性在置信水平為95%情況下誤差≤0.01的要求，因此取K=1 000，失效節(jié)點(diǎn)從1個(gè)逐步增加到23個(gè)，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性及各原油海運(yùn)通道連通可靠性分別見圖3和圖4。

圖3 隨機(jī)性攻擊下中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性

圖4 隨機(jī)性攻擊下各原油海運(yùn)通道連通可靠性

2.3.2選擇性攻擊

根據(jù)表2中各節(jié)點(diǎn)重要度的高低，依次攻擊各節(jié)點(diǎn)，并假設(shè)未被攻擊的節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)營的概率為0.95，重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性，直至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)被攻擊，得到面臨選擇性攻擊時(shí)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性及各原油海運(yùn)通道連通可靠性見圖5和圖6。

表2 各節(jié)點(diǎn)重要度排序

圖5 選擇性攻擊下中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性

2.4結(jié)果分析

2.4.1隨機(jī)性攻擊

從圖3中可看出：隨著網(wǎng)絡(luò)中失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性快速下降。當(dāng)有1個(gè)節(jié)點(diǎn)完全失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性為0.940 7；當(dāng)失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加到7個(gè)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性降為0.502 4，我國原油進(jìn)口安全受到較大威脅；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有1/2以上節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，幾乎所有OD對都不連通，原油供應(yīng)中斷。這表明：當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)遭受攻擊而同時(shí)失效時(shí)，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性較低，原油進(jìn)口安全性相對較差；但對于攻擊一方，隨機(jī)攻擊分散在全球各地的節(jié)點(diǎn)也將耗費(fèi)較高成本，因此在節(jié)點(diǎn)面臨隨機(jī)攻擊時(shí)中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)相對可靠。

圖6 選擇性攻擊下各原油海運(yùn)通道連通可靠性

從圖4中可看出，在中國進(jìn)口原油海運(yùn)通道中，中東通道的連通可靠性相對最差，拉美通道的連通可靠性相對最好，這主要是因?yàn)橹袞|通道過度依賴安全狀況較差的霍爾木茲海峽和馬六甲海峽，而拉美通道中從巴西、委內(nèi)瑞拉等國家進(jìn)口的原油可選擇經(jīng)由巴拿馬運(yùn)河運(yùn)輸?shù)轿覈?。由于非洲通道避開了霍爾木茲海峽，其連通可靠性介于中東通道和拉美通道之間。目前拉美通道承擔(dān)的原油進(jìn)口量相對較少，可考慮增加該通道的原油進(jìn)口量，從而改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性。

2.4.2選擇性攻擊

在節(jié)點(diǎn)面臨選擇性攻擊時(shí)，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性下降速度很快，網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性很差。節(jié)點(diǎn)重要度排序靠前的節(jié)點(diǎn)一般為各原油海運(yùn)通道中的必經(jīng)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)首先選擇攻擊這些節(jié)點(diǎn)時(shí)，許多節(jié)點(diǎn)對之間不再連通，會大幅度降低網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性，造成中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

從圖5中可看出：當(dāng)攻擊重要度最高的節(jié)點(diǎn)馬六甲海峽時(shí)，由于其有替代的節(jié)點(diǎn)巽他海峽和龍目海峽，因此馬六甲海峽的中斷沒有給網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性帶來較大的不利影響，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)連通可靠性為0.920 4；而當(dāng)繼續(xù)攻擊霍爾木茲海峽時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性驟降為0.441 8，因?yàn)閺闹袞|地區(qū)進(jìn)口的原油絕大部分都要經(jīng)由霍爾木茲海峽運(yùn)輸，霍爾木茲海峽的失效將導(dǎo)致中東通道癱瘓；在攻擊巽他海峽時(shí)，馬六甲海峽的替代海峽中只有龍目海峽還連通，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性繼續(xù)惡化，此時(shí)為0.284 9；再攻擊龍目海峽時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性僅為0.105 6，網(wǎng)絡(luò)中絕大部分OD對間不再連通，原因是除了拉美通道中的拉美國家經(jīng)巴拿馬運(yùn)河到我國的路徑外，其他原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各OD對的各條路徑都需經(jīng)過馬六甲海峽、巽他海峽及龍目海峽，而當(dāng)這3個(gè)海峽都被攻擊時(shí)，中東通道和非洲通道均不再連通，網(wǎng)絡(luò)中只有拉美地區(qū)的OD對可達(dá)；選擇攻擊臺灣海峽、巴士海峽、曼德海峽、安哥拉及阿曼都不會影響拉美地區(qū)3個(gè)國家經(jīng)巴拿馬運(yùn)河到我國OD對的連通性，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性不再發(fā)生變化；當(dāng)攻擊拉美通道的委內(nèi)瑞拉和哥倫比亞時(shí)，只有巴西經(jīng)巴拿馬運(yùn)河到我國的唯一一條OD對連通，網(wǎng)絡(luò)可靠性依次降為0.059和0.023；繼續(xù)攻擊巴拿馬運(yùn)河時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有OD對不再連通，連通可靠性為0。

中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)通道都有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因此在選擇攻擊不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，各原油海運(yùn)通道的連通可靠性不盡相同。馬六甲海峽雖為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，但當(dāng)其面臨攻擊時(shí)，巽他海峽和龍目海峽可作為替代海峽，并沒有給3個(gè)通道的連通可靠性帶來較大影響；霍爾木茲海峽是中東通道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在繼續(xù)攻擊霍爾木茲海峽時(shí)，中東通道的連通可靠性僅有0.185 3，下降了79.6%，而非洲通道和拉美通道的連通可靠性沒有受到影響；當(dāng)繼續(xù)攻擊巽他海峽時(shí)，中東通道的連通可靠性變化不大，非洲通道的連通可靠性驟降為0.257 5，拉美通道的連通可靠性沒有變化；當(dāng)繼續(xù)攻擊馬六甲海峽的另一個(gè)替代節(jié)點(diǎn)龍目海峽時(shí)，中東通道和非洲通道徹底癱瘓，連通可靠性為0，拉美通道由于可經(jīng)巴拿馬運(yùn)河到中國，其連通可靠性并未受到較大影響，之后保持不變；當(dāng)攻擊拉美通道的委內(nèi)瑞拉和哥倫比亞時(shí)，連通可靠性開始驟降到0.501 4和0.200 6；當(dāng)攻擊巴拿馬運(yùn)河時(shí)，其連通可靠性也驟降為0；至此，整個(gè)中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)不再連通。

2.4.32種攻擊模式對比

2種攻擊模式下的網(wǎng)絡(luò)連通可靠性對比見圖7。

圖7 2種攻擊模式下的網(wǎng)絡(luò)連通可靠性對比

從圖7中可看出：2種攻擊模式下的中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性有較大差異。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)面臨選擇性攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性反應(yīng)劇烈，當(dāng)只選擇攻擊馬六甲海峽和霍爾木茲海峽(即8%的節(jié)點(diǎn))時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性為0.441 8，降到原來的1/2以下，已變得相對較差。對于隨機(jī)性攻擊，當(dāng)隨機(jī)攻擊8個(gè)節(jié)點(diǎn)(即33%的節(jié)點(diǎn))時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性與只選擇攻擊馬六甲海峽和霍爾木茲海峽時(shí)的連通可靠性基本相同；當(dāng)進(jìn)行第4次選擇性攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性已降為0.105 6，隨機(jī)攻擊14個(gè)節(jié)點(diǎn)才會使網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性降為0.1左右；在繼續(xù)選擇性攻擊第12個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性為0，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)已完全癱瘓；隨機(jī)攻擊網(wǎng)絡(luò)中的21個(gè)節(jié)點(diǎn)會使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不再連通。

選擇性攻擊是攻擊一方首先對網(wǎng)絡(luò)中重要度高的節(jié)點(diǎn)發(fā)起攻擊，這些節(jié)點(diǎn)對保證網(wǎng)絡(luò)的連通性具有重要作用。當(dāng)攻擊這些通道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大變化，從而使較多的OD對不再連通。當(dāng)隨機(jī)性攻擊時(shí)，恰好攻擊到這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的概率較低，攻擊較多的節(jié)點(diǎn)才會使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，當(dāng)攻擊一方掌握中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，對重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇攻擊時(shí)，會給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來較大破壞，原油的穩(wěn)定供應(yīng)會遭受嚴(yán)重威脅。

3 結(jié)束語

利用蒙特卡洛模擬和不交化最小路集算法對中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)面臨隨機(jī)性攻擊及選擇性攻擊時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連通可靠性進(jìn)行評估，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)節(jié)點(diǎn)度和節(jié)點(diǎn)工作強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的節(jié)點(diǎn)重要度，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中最重要的節(jié)點(diǎn)有馬六甲海峽和霍爾木茲海峽，且海峽和運(yùn)河的重要度相對高于港口節(jié)點(diǎn)。

2)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)面臨隨機(jī)性攻擊時(shí)，中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)相對可靠。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有1個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性為0.940 7；隨機(jī)攻擊網(wǎng)絡(luò)中的21個(gè)節(jié)點(diǎn)會使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不再連通。

3)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)遭受選擇性攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連通可靠性反應(yīng)劇烈，原油穩(wěn)定供應(yīng)遭受較大威脅。當(dāng)選擇攻擊馬六甲海峽時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性沒有受到太大影響；當(dāng)繼續(xù)攻擊霍爾木茲海峽時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性僅為0.441 8；當(dāng)選擇性攻擊第4個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性僅為0.105 6，原油供應(yīng)受到嚴(yán)重影響。若攻擊一方掌握網(wǎng)絡(luò)信息，在選擇性攻擊網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)時(shí)，會給原油運(yùn)輸帶來巨大壓力。

4)在中國進(jìn)口原油的3個(gè)海運(yùn)通道中，拉美通道的連通可靠性相對最好，中東通道的連通可靠性相對最差，可通過適當(dāng)增加拉美通道的原油進(jìn)口份額來提高中國進(jìn)口原油海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的連通可靠性。

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ConnectivityReliabilityofMaritimeTransportationNetworkforImportingCrudeOiltoChina

LYUJing,WANGShuang

(School of Transportation Management, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to measure the effects of the function failure of nodes on the connectivity reliability of the maritime transportation network for importing crude oil to China, the important nodes in the network is identified and a connectivity reliability evaluation model is builded with Monte Carlo Simulation and the disjoint minimal path set algorithm. The evaluation results indicate that to random attack, the maritime transportation network is relatively reliable, but the targeted attack may cause a substantial decline in the network connectivity reliability, threatening the security of crude oil imports. The analysis also reveal that, comparatively, among the three crude oil importing shipping channels, the connectivity reliability of Latin channel is the best, the Middle East channel is the worst.

maritime transportation network for crude oil; connectivity reliability; node failure; random attack; targeted attack

U698

A