世界集装箱海运网络结构特征与抗毁性研究

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海洋运输是各国经济贸易往来的天然纽带,国际货物运输有80%以上都依靠海洋运输。然而,海运在为世界经贸、文化的交流提供便利的同时,也存在一些安全隐患,例如在海运过程中可能会遭遇台风、海啸、罢工、恐怖袭击等突发事件,会阻碍海洋运输的顺利进行。因此研究世界集装箱海运网络的结构特征,以此为基础,研究网络的抗毁性,增强网络应对各类突发事件所表现出的抵御能力是十分必要的。本文利用复杂网络理论,以全球前10大班轮公司的所有航线为基础,考虑航线数量与运输频次,构建了一个由461个节点、12409条有向边组成的有向加权世界集装箱海运网络。在此基础上,重点研究集装箱海运网络的结构特征(拓扑结构与空间格局)与抗毁性(静态抗毁性与动态抗毁性)。(1)世界集装箱海运网络拓扑结构。利用Gephi软件生成世界集装箱海运网络拓扑结构图,从整体特征、节点特征和组团结构三方面研究了网络拓扑结构。研究结果显示该网络具有小世界和无标度性,新加坡港、阿尔赫西拉斯港和鹿特丹港在网络中的控制能力最强,亚洲与欧洲的港口在网络中的地位较高,其中,中国的上海港、宁波港、深圳港等港口在网络中的作用突出。网络中有明显的组团形式,将网络划分为6大社团:东亚社团、印度洋沿岸社团、欧洲-非洲西海岸社团、地中海沿岸社团、北美洲-南美洲沿岸社团、大洋洲社团。(2)世界集装箱海运网络空间格局。从枢纽港口、航线组织和子系统格局三方面研究网络的空间格局。研究结果显示该网络中的港口体系具有明显的核心-边缘结构,核心港口的数量少,边缘港口的数量居多,呈现出金字塔的结构,新加坡港处于网络中的核心地位。网络中的航区联系主要集中在东西向联系,东亚航区和东南亚航区处于航区中的核心位置,东欧航区、非东航区、南美东航区、澳新航区、非西航区处于网络中的边缘位置。重要航线组织也呈现出明显的区域特征,多聚集在东亚航区和东南亚航区。在世界集装箱海运网络的子系统格局中存在着单中心与多中心多种格局。(3)世界集装箱海运网络静态抗毁性。通过模拟仿真网络分别在随机攻击与蓄意攻击发生的情况下,网络性能的变化结果,发现网络在随机攻击下具有较好的抗毁性,在受到蓄意攻击时相对脆弱。因此根据蓄意攻击下网络性能的变化情况,本文对港口进行分层,第一层次中的55个港口需要重点保护。与以往研究不同,本文还关注海上通道受阻对世界范围内和区域范围内的集装箱海运网络产生的影响,其中巴拿马运河、苏伊士运河、台湾海峡等海上通道失效对网络影响较大,朝鲜海峡、台湾海峡和马六甲海峡失效对中国集装箱海运影响较大。为保证在海上通道受阻的情况下,集装箱依旧可以到达目的港,本文提出替代航线。(4)世界集装箱海运网络动态抗毁性。从攻击方式与负载重分配两方面模拟在级联失效情况下,港口失效与海上通道受阻对网络抗毁性的影响。研究结果发现最大介数攻击对网络影响最大,适当调节网络的容限系数大小可以增强网络的抗毁性。不同海上通道受阻对网络抗毁性影响的差异较大,其中马六甲海峡、苏伊士运河、巴拿马运河等跨区域海上通道受阻对网络的影响巨大。根据研究结论,本文考虑到风险发生前、发生中与发生后的三种情况,从保护重点港口和海上通道、优化网络结构与加强港口的应急措施三方面,提出对策与建议,以灵活应对各类突发事件对世界集装箱海运网络造成的不利影响。
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