1、文章编号:1009-6094(2023)03-0713-11面向突发事件的粮食铁水联运网络抗毁性研究*牟能冶1，2，3，程驰尧1(1 西南交通大学交通运输与物流学院，成都 611756;2 综合交通大数据应用技术国家工程实验室，成都 611756;3 新疆大学交通运输工程学院，乌鲁木齐 830046)摘要:铁水联运是我国粮食物流的主体运输方式，其网络面向突发事件的抗毁能力是网络系统可靠性的重要指标，也是粮食安全的核心要素。而网络中各节点城市的重要度存在差异，不同的节点失效，会影响网络系统结构和性能，导致不同的网络抗毁性。在统计和分析粮食物流突发事件的基础上，基于复杂网络理论，以城市为节点，并以
2、铁路或水路为边，以城市间的粮食物流联系强度为边权建立了我国的粮食铁水联运网络模型。通过 Gephi 和 MATLAB 工具分析网络的节点度、平均路径长度、聚类系数等复杂特性，建立了综合的抗毁性测度指标。结合节点城市的粮食产能、农业经济、货运能力等属性以及拓扑结构特性，构建邻接信息熵模型衡量节点重要度，完成节点体系的层级划分。研究随机攻击和蓄意攻击模式下网络抗毁性测度的变化，针对指标参数进行敏感性分析。结果表明:粮食铁水联运网络整体呈现小世界特性和无标度特性。节点体系的层级网络中，一级节点枢纽作用最强，尤其是广州、上海、重庆等关键节点“沿线”和“沿水”特征明显，需重点维系和保护;二级节点数量最多
3、，分布最广，包含大量东部地区交通枢纽城市和各个粮食主产地，“沿线特征”明显;目前，三级节点中，成都、贵阳、昆明等西南地区重点城市粮食物流能力与城市枢纽地位不相匹配，随着国家铁路线网的建设和发展，网络性能有提升空间。关键词:安全系统学;突发事件;粮食物流;铁水联运;抗毁性中图分类号:X954文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1920*收稿日期:2021 10 29作者简介:牟能冶，博士，副教授，从事物流系统规划、风险管 理、供 应 链 管 理 等 研 究，。基金项目:四川省科技项目(2021JD0072)、成都市科技项目(2019 K00 001
4、05 ZF)0引言粮食安全是国家安全的重要基础，在 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标的建议 中，国家首次把粮食安全战略纳入五年规划，将其列在“粮食、能源资源、金融安全”三大安全战略的首位1。粮食流通作为粮食安全三大指标之一2，流通方式以铁路和水路为主，占据粮食整体运量的 90%以上，受台风、洪水、地震等自然灾害和恐怖袭击、重大疫情等不可抗力因素的影响，在实际运行过程中存在着一定的风险和隐患。分析粮食铁水联运网络的拓扑结构和运行特性，有助于增强政府、企业与社会组织应对重大突发公共事件的粮食应急物流能力，为粮食物流网络的稳定运行和效率提升提供一定支持。1984
5、年，Kemball-Cook 等3 针对索马里难民救助行动，首次提出了突发事件下的粮食组织调度问题，此后，粮食流通应急体系的建设开始受到国内外学者的广泛关注，但以网络为基础的研究相对较少。2011 年，赵思敏4 最先将粮食应急物流网络定义为:突发事件发生后，能够保障粮食应急供给的粮食物流应急节点、粮食紧急调运路径和相关设施的集合，并在此基础上构建了满足经济发展和灾害救助的网络选址体系。Seyed 等5 提出了一个减少粮食供应链网络收获后损失(Post-harvest Loss，PHL)的数学模型，通过确定新的预处理设施的最优位置，优化公路、铁路容量扩展来确定最优的粮食运输基础设施投资。2018
6、 年，Li6 基于复杂网络中的 4 个中心性统计指标和改进的熵权 TOPSIS 法(Techniquefor Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，理想解的相似度排序技术)，结合政府政策和“一带一路”建设运营经验对中国进口粮食配送节点的配送能力进行了综合评价，并确定最终的进口粮食集散中心。同年，程林7 在复杂网络的基础上改进了BA 网络模型(由 Barabasi 和 Albert 提出，简称 BA 模型)，分析了黑龙江省农产品物流网络的拓扑特性，并识别出哈尔滨、大庆、绥化、齐齐哈尔为关键节点。邢秀玲8 运用图论的方法对吉林省九个
7、粮食节点城市布局进行了调整，最终确定吉林省 2 个层次的粮食物流节点布局，在保障网络安全的同时提升了粮食物流效率。随着复杂网络研究的兴起和国家政府对安全问题的重视度提高，越来越多的学者运用复杂网络理论对现实网络抗毁性测度进行分析，且研究主要集中在节点重要度计算和攻击模式设计上。王兴隆等9 建立了度、加权度、介数等抗毁性攻击的去点指标，分析蓄意去点攻击和随机去点攻击条件下航路网络全局网络效率的变化情况。Du 等10 提出了一种基 于 改 进 的 考 虑 熵 的 拓 扑 势 模 型(ImprovedTopological Potential model considering Entropy，IT
8、PE)317第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023的地铁网络节点重要度计算方法，将节点进行排序，并进一步利用网络连通度作为抗毁性测度指标来检验关键节点识别的合理性。李亚飞等11 基于我国航路网络结构，从机场间的连通时间成本出发，提出基于改航可达性的关键航路点识别算发并对其进行抗毁性仿真。Bombelli 等12 运用复杂网络理论的视角分析航空货物运输网络，展示了点、边单一失效和级联失效等攻击策略下，作为桥梁的枢纽系统或机场崩溃时间对于网络全局网络效率和最大连通子图的
9、影响。总体而言，粮食物流网络的现有研究大多侧重于网络的结构特征和性质，或研究粮食供应体系在特定情况下的资源配置问题，缺乏定量分析粮食物流网络和节点的抗毁性，而复杂网络抗毁性多以节点拓扑特性作为节点重要度的评判标准，较少考虑节点内在的能力，对衡量抗毁性的网络性能指标的研究也较为简单，现实可行性存在一定不足。鉴于此，本文将构建粮食铁水联运物流网络，并对该网络的特性进行分析，在此基础上建立考虑节点内在能力的节点重要度判断模型和综合抗毁性测度指标，以期为大型粮企对粮食物流时采取节点和线路的改进提供理论依据，也为各级粮食单位的应急预案优化提供方向。1粮食铁水联运网络建模及特性分析1.1粮食铁水联运物流网
10、络模型从整体上而言，中国的粮食流向的基本格局是“北粮南运”，但考虑到品种结构的需求，事实上，中国各省市几乎是“无线不运粮，无县不流粮”。根据中国粮食安全报告白皮书 对于 2019 年粮食物流市场研究显示:铁路、水路和公路流粮的比例约为5 4 1，铁路和水路为粮食运输的主要方式，因此，为了更好地对粮食铁水联运网络抗毁性进行研究，对构建的网络进行如下假设。1)在 P 空间定义复杂网络。即网络中以铁路货运站点或港口所在城市为节点，任意 2 个城市间只要有同一铁路货运列车在这2 个站点停靠，或任意2个城市间只要有同一航线可以到达，就认为这 2 个节点之间有连线。2)节点说明。如果 1 个城市同时有铁路
11、货运站点和港口，或如果 1 个城市同时有 2 个及以上数量的铁路货运站点或港口，都认为该城市为 1 个节点。3)连边说明。如果 2 个城市间既有铁路货运线路，又有航运线路，则认为在粮食铁水联运网络中，2个城市间只有 1 条连线，不重复连线。4)无向网络。一般情况下，2 个城市间的铁路货运线路和航运线路都是双向的，因此，在进行数据提取时，不考虑线路的方向，将网络抽象成无向网络。5)加权网络。考虑城市的粮食物流能力以及城市间的地理空间关系，计算节点间的粮食运输联系强度，作为网络中的连接权重，将网络抽象成加权网络。本文以城市作为网络节点，以节点间的水路及铁路直接连通关系作为网络边，构建基于粮食铁水联
12、运网络，不考虑其方向性。粮食铁水联运网络描述为G=(V，E，W)(1)式中G 为网络中各元素的集合，i、j 均为节点编号，ij;V=vi|i=1，2，n为网络节点集合;E=eij|(vi，vj)为节点间的连边集合;W=wij|(vi，vj)为节点间的粮食物流联系强度，n=v为网络的节点总数，m=E 为网络的连边总数。1.2特性分析根据复杂网络的统计指标特性，建立粮食铁水联运网络的度、平均路径、介数、聚类系数等指标参数体系，通过指标计算分析网络结构，并将其作为网络抗毁性测度的依据，各参数计算方式如下。1)平均路径长度。平均最短路径长度是网络中所有节点对之间最短路径长度的平均值，网络的平均路径长度
13、越小，则说明路网内两地通达需要中转的次数越少，连通程度越高，其公式为L=112n(n+1)ijdij(2)式中n 表示节点数量，dij为从节点 vi到节点 vj需要经过的不同路线的最少条数。2)聚类系数。聚类系数(Ci)是网络节点的连接紧密程度的反映，即节点之间互相邻接的概率，其公式为Ci=2Eiki(ki 1)(3)式中ki为节点度，Ei表示节点 vi与所有相邻节点间的连边数目。3)介数。介数(Bi)表示网络所有最短路径中经过节点 vi所占的数量比例，从而衡量节点 vi在网络中的重要程度，其公式为417Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期Bi=kjGDij(i)
14、Dkj(4)式中Dkj表示节点 vi与节点 vj之间的最短路径数量;Dij(i)表示节点 vi与节点 vj之间的最短路径经过节点 vi的条数。4)网络连通度。网络连通度(S)为最大连通子图节点数和网络初始节点数的比值，往往用于衡量网络的整体连通度，其公式为S=nmaxn(5)式中nmax表示最大连通子图包含节点数目。5)全局网络效率。表 1我国近年来粮食物流重大突发事件汇总Table 1Summary of major emergencies of grain logistics in China in recent years时间事件名称事件类型粮食紧急调运措施2003 年“非典”疫情公共卫
15、生事件由天津市、山东省、河北省等地向北京调粮;浙江指令 4 家加工厂 24 h 突击加工;江苏省、山西省、陕西省、广东省等也采取措施保障粮食供应2008 年汶川地震自然灾害中储粮先后累计从四川省、甘肃省、陕西省、云南省、湖北省等地分 3 批向灾区紧急投放救灾粮油 64 万 t2010 年西南大旱自然灾害云南动用部分地方储备粮，跨省移库粮食约 180 万 t2010 年舟曲泥石流自然灾害共运送面粉 1 140 t，由兰州市小西坪省级储备库出库小麦2013 年雅安地震自然灾害安排中储粮位于金堂县和内江市的2 个直属库紧急加工大米500 t，并抵达灾区2014 年威尔逊台风自然灾害海南省供应救灾粮
16、2 168 t 和食用油 29 t。文昌市粮食部门动用 658 t 地方储备大米、1 万桶地方储备食用油供应灾区2019 年新冠肺炎疫情公共卫生事件河北省内中储粮直属库出库小麦和玉米等粮油产品 50 余万 t2021 年郑州暴雨自然灾害全国粮食和物资储备局向河南省紧急调运中央储备物资全局网络效率(E)通常用来反映整个网络中节点与节点之间连接的难易程度，其公式为E=1n(n 1)ij1dij(6)式中dij为从节点 vi到节点 vj需要经过的不同路线的最少条数。2粮食铁水联运网络抗毁性2.1粮食物流突发事件粮食公共危机往往伴随着各类突发事件的发生而滋生，而突发事件根据引发原因又可分为有一定可预测性的自然灾害、强意外性的事故灾难以及强传播性的公共卫生事件等多种不同的类型。通过文献整理13 和网络检索的方式，本文分析了我国近年重大突发事件下粮食调度的情况，如表 1 所示。整体来看，对我国粮食物流造成影响的突发事件类型主要有自然灾害和重大公共卫生事件，不同事件类型和严重程度对粮食物流的影响范围不一样，即可能波及多个城市，也可能只影响单个城市，分别映射复杂网络中的级联失效和单点失效 2 种情况。