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企业管理视角下中国民用货运航空网络演化分析

论文编号:lw202001300002029180 所属栏目:企业管理论文 发布日期:2020年02月09日 论文作者:www.51lunwen.com

本文是一篇企业管理论文,本文在随机失效和蓄意模拟攻击的策略下分析我国货运航空网络结构的变化情况。其中,蓄意模拟攻击依据节点的重要性选择性地移除网络节点。由于节点度高的节点具有较高的可达性,而中介中心度高的节点具有较强的货运中转和衔接能力,为此蓄意模拟攻击策略将分别依据上述两项指标对节点重要性进行评估并选择性剔除。


第 1 章   绪论

1.1   研究背景与意义

交通运输作为人类社会物质传输的载体,是经济建设的基础和重要影响因素。交通运输实现了区域间的资源共享,促进了我国产业的发展,对我国的经济,社会,政治和国防具有重要意义。由于上个世纪中段我国基础建设能力较弱,未能紧跟世界航空产业的步伐,改革开放以来,高投入,放宽松使得我国的航空运输产业空前发展,以其速度快、机动性强和直达能力强的特点在我国运输方式中不可或缺。相对于其他运输方式,航空运输以其时速高效的特性满足一些顾客的要求,由于其成本高昂,航空运输一般用于急需运输的货物,如急救物资、紧急文件等。随着国内产业、资源发展以及物流行业的自由竞争,人们对物流时效的要求越来越高,货运航空在物流运输中地位逐步上升。国际航空运输协会(IATA)最新发布的 2018 年上半年全球货运航空定期数据,显示全球货运航空需求增长 4.7%,货运运力增长 4.1%;据波音 2014 年预测,全球货运航空市场将在 2033 年实现收益 5218 亿 RTKs(收益吨公里),相当于 2013 年的近三倍,而这主要来自于亚太地区,特别是中国市场的增长[1]。 

20 世纪 90 年代,因特网的出现使得信息技术快速发展,人类社会大踏步的进入网络时代。为了应对现实生活中纷繁复杂的各种大型复杂网络,人们不断探寻各种理论工具,近年来复杂网络理论的出现及应用为此带来了曙光。复杂网络应该如何解释?在我们的生活中,说到复杂网络,普通人一般会先想到互联网。如今的网络已经渗透在了人们生活的方方面面,人们已经习惯用网络来称呼因特网。从最初只有几个简单的节点,因特网迅猛发展,如今用户量达到数以亿计。互联网的复杂程度超乎想象,即使不考虑终端用户,路由端的使用量也有数万。然后,面对如此庞大复杂的网络,我们缺少一个专门的行政管理机构来统一调度这些节点,网络的复杂使得无人知晓互联网上的路由器究竟是如何联结在一起的,也就是说我们无法绘制一张用互联网联结的完整的地图。不仅仅是互联网,复杂网络囊括了我们生活的各个方面,很多例子都可以比作复杂网络。比如说,万维网就是一个非常复杂的网络,如果我们将单独一个万维网作为一个节点,那么它的数量将是数以亿计的。其次,对于人类个体,在我们身体中就存在着各种复杂网络。我们的大脑控制着身体的各项运作,数量超过十次方以上的神经元连接在一起,构成大脑中的神经网络,还有各种用于呼吸、消化等的复杂网络。这样的例子在我们生活中不计其数,比如,一片森林中的食物链也可以构成一个网络,一个企业或公司内部所有职员的关系同样也构成复杂网络,或者软件系统也可以看作一个对象类形成的复杂网络。所以,我们生活在许许多多单独或叠加的复杂网络中。

图1-1研究框架图

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1.2   国内外相关研究进展

近年来,国际国内学者基于复杂网络对航空网络的理论研究和实证分析都取得了大量的研究成果[2-4],这些成果主要包括:航空网络的结构,规模效应,枢纽式优化,健壮性分析。学者对复杂网络的探析,都是对网络的健壮性和复杂性的详细了解与摸索。

研究复杂网络的学者在分析网络结构时,一般通过度(包括入度和出度)、度度相关性、聚类系数、平均最短路径长度等指标来计算网络的统计特征值。Amaral(2001)等通过对结构特征的分析研究航空网络[5],GuimeràRoge 和 Mossa(2003)研究了全球航空网络的结构特征(GAN)[6],在网络基本属性确定中,他们把机场所在的城市作为网络中的一个结点,若一个城市有两个及以上机场,将这些机场合并为一个节点。如果一个城市与其通航城市之间有直达飞机,将这两个城市用边连接起来。通过研究和分析,可以得出全球航空网络中转航班平均数与网络节点对数成正比,且集聚系数远高于同尺度随机网络,因此全球航空网络也是一个小世界网络。Sen 等(2003)针对印度铁路网络进行了研究,结果表明其具有小世界特性[7]。将列车停靠的车站作为该铁路网络中的结点,假设有列车在这两个站点之间停靠,把它们之间的线路连接起来,就形成了该网络的一个边。几位研究人员通过对印度铁路网络中的实际数据研究分析,得出该网络形成后,网络的平均距离与具有较大集聚系数的结点数呈对数关系。还有很多关于复杂网络的可生存性的研究。Guimera(2004)使用蓄意攻击的方式,根据度的大小,由高到低对网络中的结点进行针对性打击,研究了网络的整体性能[8]。许多模拟或者仿真测试结果表明,无标度网络在面对外部蓄意攻击时具有很强的敏感性,而随机攻击则表现得较为缓慢,网络不易崩溃。Cohen(2005)针对易于造成网络崩溃的枢纽节点进行了特性研究[9]。由于高安全性和可靠性的要求,航空网络在运行过程中容易受到外部因素的影响,比如恶劣天气、恐怖活动等极易干扰和破坏网络的稳定运行。因此,航空网络的生存能力也受到了大量关注,针对这方面的研究不断涌现,比如:Beygelzimer(2005)提出了一种新的方法来研究网络的鲁棒性,这种方法是离散的方法[10]。

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第 2 章   复杂网络相关理论基础


2.1   复杂网络定义

复杂网络理论的研究过程可分为四个阶段,从 18 世纪的第七个桥梁问题到 1960 年代的随机图论和米尔格拉姆的小世界实验,然后发表了格兰诺维特的“弱连接强度”论文。最后,提出了复杂网络和无尺度网络的小世界模型。然而,到目前为止,复杂网络在网络科学的研究中还没有统一的定义。钱学森给出了一个描述性的定义:一个具有自组织、自相似性、吸引力、小世界、无尺度部分或其所有属性的网络称为复网络。在维基百科中,复杂的网络被定义为由大量的节点和节点之间错综复杂的关系组成的网络结构,也就是说,它被认为是一个具有足够复杂的拓扑特征的图。截至现在,复杂网络理论主要有以下内容: 发现:揭示了网络系统结构的统计特性和测量这些特性的适当方法。

建模:构建与现实网络相当或相似的复杂网络模型,了解这些统计特征的意义与产生机理。

分析:根据网络中单个节点的属性特征和整个网络的结构特性,对网络的行为进行分析和预测。

控制:提出优化已存在的网络功能、在已有基础上构建新网络的有效方法,特别是在稳定性、一致性和流通性等方面。

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2.2   复杂网络统计特征

近年来,国内外学者在研究复杂网络结构的统计特征上提出了许多概念和方法,其中有三个基本的概念:度分布、聚类系数和平均路径长度。

2.2.1   节点度及度分布 

度是刻画节点属性重要程度的首要指标。节点i 的度ik 定义为与该节点连接的其他节点的数目[32]。直观来说,一个节点的度值越大,其在某种意义上就越“重要”。

中国民用货运航空网络演化分析

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第 3 章   我国货运航空网络的拓扑结构现状与演化分析 ..................... 17

3.1   货运航空网络的拓扑结构现状及演化.......................... 17

3.1.1   货运航空网络拓扑结构现状........................... 17

3.1.2   货运航空网络拓扑结构演化.............................. 18

第 4 章   我国货运航空网络载运率现状与演化分析 ............................ 28

4.1   货运航空网络载运率现状 ...................................... 28

4.2   货运航空网络载运率演化过程 ................................... 29

第 5 章   我国货运航空网络的健壮性现状与演化分析......................... 34

5.1   货运航空网络健壮性现状 .................................... 34

5.2   货运航空网络健壮性演化 .................................... 36


第 5 章   我国货运航空网络的健壮性现状与演化分析


5.1   货运航空网络健壮性现状

本文采用一组随机攻击和两组蓄意的模拟攻击来观察货运航空网络的结构变化状况,以此来评估货运航空网络的健壮性。其中,随机攻击是从网络中随机移除节点;节点度高的节点具有较高的可达性,中介中心性高的节点有较强的中转和衔接能力,本文针对节点度和中介中心性的排序对网络进行蓄意攻击。基于 2016 年的数据,对货运航空网络依据上述三种节点失效或攻击策略进行节点的模拟剔除,并随之移除该节点的连接边,统计此时网络的相对平均最短路径、聚类系数和最大连通子图的相对规模,如此循环直至网络中所有节点

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