分形物流网络拓扑弹性研究

发布时间：2020-09-09 19:06

　　随着生产方式的大社会化和世界经济全球化,现代物流网络已经发展成为一个动态的、随机的、高度耦合的物流系统,并且其演化过程具备动力学生长特征。在物流网络运行的过程中,不确定因素所带来的影响和冲击会导致物流节点或者输运线路失效,造成物流网络结构的损伤和功能的损失,继而导致物流服务的中断。针对这种脆弱性,现代物流网络的结构必须具有良好的容错能力和恢复能力,保障物流网络在面对外部冲击时仍然能够提供必需的物流服务,且在外部冲击消失之后可以迅速恢复其物流功能。本文在分析现代物流网络脆弱性形成原因的基础上,总结了物流网络拓扑弹性的理论体系,分别对基于规则生长的分形物流网络和基于随机生长的分形物流网络的拓扑弹性动态变化规律进行分析,使用分形优化模型对现实物流网络结构进行优化,提高现实物流网络的拓扑弹性。论文的主要内容如下:(1)在分析现代物流网络脆弱性形成原因的基础上,通过对比物流网络弹性、物流网络可靠性和物流网络柔性,确定物流网络弹性的概念和边界;通过分析物流网络拓扑弹性的作用过程,设计物流网络拓扑弹性二阶段测度方法。(2)分析分形物流网络的产生机理,研究物流网络分形结构产生的必要条件和充分条件,使用盒计数法和重整化群理论,建立物流网络分形特征分析体系。(3)以物流网络中已存物流节点的度作为新生物流节点个数的依据,设置分形物流网络规则生长模型的“生长规则”,基于“备用物流节点选择规则”增加物流网络的结构冗余,并使演化所得的物流网络的结构具有自相似性和标度不变性特征,从而获得基于规则生长的分形物流网络。使用计算机仿真实验,研究基于规则生长的分形物流网络在演化过程中面对随机失效和攻击失效时的拓扑弹性动态变化规律。研究发现随着物流网络规模的增大,面对节点随机失效时,基于规则生长的分形物流网络的拓扑弹性逐渐增强;面对区域随机失效时,基于规则生长的分形物流网络的拓扑弹性保持稳定;面对攻击失效时,基于规则生长的分形物流网络的拓扑弹性保持稳定。(4)当物流网络中产生新增物流节点时,按照物流网络中已存物流节点的度选择新增物流节点的“吸引子节点”,基于不同的“备用物流节点选择规则”增加物流网络的结构冗余,分别获得基于DLA随机生长的分形物流网络、平稳随机生长的分形物流网络和非平稳随机生长的分形物流网络。使用计算机仿真试验,研究基于随机生长的分形物流网络在演化过程中面对随机失效和攻击失效时的拓扑弹性动态变化规律。研究发现随着物流网络规模的增长,面对节点随机失效时,基于DLA随机生长的分形物流网络和平稳随机生长的分形物流网络的拓扑弹性逐渐降低,非平稳随机生长的分形物流网络的拓扑弹性保持稳定;面对区域随机失效时,基于DLA随机生长的分形物流网络和平稳随机生长的分形物流网络的拓扑弹性保持稳定,非平稳随机生长的分形物流网络的拓扑弹性逐渐增强;面对攻击失效时,基于DLA随机生长的分形物流网络、平稳随机生长的分形物流网络和非平稳随机生长的分形物流网络的拓扑弹性都保持稳定。(5)构建基于分形的物流网络拓扑弹性优化模型,对现实航空物流网络的拓扑结构进行优化。研究发现,无论是面对随机失效情况时,还是面对攻击失效情况时,经过分形优化的物流网络拓扑结构的容错性都得到了提升。本文基于复杂网络理论和分形方法,在研究分形物流网络生成机理的基础上,构建分形物流网络规则生长模型和分形物流网络随机生长模型,并从静态和动态两个角度分析了分形物流网络的拓扑弹性,结论对研究现代物流网络运作的稳定性和物流网络拓扑结构优化具有指导意义。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：F252
【部分图文】：

网络弹性,来源,外部冲击

恢复（Recover）四个步骤以应对外部冲击给网络造成的影响和冲击，第二个阶段通过诊断（Diagnose）和改善（Refine）对网络在应对外部冲击和恢复的过程的不足予以改善（图1-1）[11, 12]。图1-1 网络弹性策略图（来源Sterbenz 2011）欧阳敏等人使用“弹性三阶段分析方法”对城市基础设施系统的弹性进行分析，他们认为基础设施弹性的分析主要分为三个阶段——灾害预防阶段（Disaster Prevention）、冲击扩散阶段（Damage Propagation）、评估和恢复阶段

系统弹性,来源

5（Assessment and Recovery）（图1-2）。灾害预防阶段是从系统的正常运行一直到灾害发生的初始阶段，这一阶段主要强调系统持续防止故障发生的能力与故障发生时降低系统损害的能力；冲击扩散阶段是初始损坏之后的破坏传播阶段，这一阶段主要突出系统吸收损害冲击的能力以及后续损失最小化的能力；评估和恢复阶段是外部冲击结束之后系统的恢复阶段，这一阶段主要体现系统迅速有效的恢复能力[13]。图1-2 系统弹性阶段分析图（来源Ouyang Min 2012）Rosenkrantz 等人使用拓扑学中的连通性指标来度量物流网络的弹性，这种方法使用物流网络的连通性和容错度来度量物流网络的弹性[14]。Najjar 等人使用网络不连通的概率来表示网络容错度的概率测度[15]。Liu 等人使用网络的通信量来度量网络弹性[16]。Albert 等人对随机网络和无标度网络在面对随机失效和攻击失效时的连通性和容错度进行研究用以测度网络的弹性[17]。Crucitti 等人使用网络功效对无标度网络的容错性进行分析，研究发现“网络全局功效”比“网络特征路径长度”更适合于衡量外部冲击对网络的影响[19]。以上的物流网络弹性的测度体系继承了网络可靠性研究的度量标准，为物流网络弹性的测度开辟了新的道路。然而该评价体系使用恢复的期望值作为规划的目标函数，没有考虑到在网络恢复过程中节点恢复与线路恢复的差异。Henry 等人基于时间函数设计了一套通用的系统弹性测度指标和量化方法用以衡量系统的弹性。整个方法以时间为标度分为四个阶段

分析图,物流网络,过程状态,拓扑

本文将物流网络拓扑弹性的变化过程分为三个阶段进行，即受到外部冲击之前阶段、受到外部冲击阶段和恢复阶段（图 2-1）。在受到外部冲击之前阶段，物流网络的结构保持在一个稳定的状态，其结构和功能都保持完整状态。外部冲击阶段可以分为两个过程，即物流网络受到外部冲击过程和物流网络结构在受到外部冲击下达到另一个稳定状态的过程。当物流网络受到外部冲击时，由于物流网络中各种失效事件的发生，物流网络的结构出现损伤，其所提供的物流功能出现下降，在这个过程中，由于物流网络具备冗余结构，且网络结构具有适应性，物流网络的结构保持在一个可以接受的范围之内，这一过程表现了物流网络抵御外部冲击和吸收外部冲击能量的能力，体现了物流网络结构的容错能力和适应能力。在物流网络吸收外部冲击能量时，物流网络结构本身会达到一个相对稳定的状态，在外部冲击消失之前，物流网络的结构和功能会保持在这个状态。在恢复阶段，随着自然灾害和攻击行为的结束，物流网络所遭受的外部冲击消失了，物流网络中某些失效要素开始恢复运作，物流网络的结构和功能也随之恢复，但是，物流网络的结构和功能是否可以恢复到遭受外部冲击之前的状态是由网络中失效要素的恢复情况所决定。

【参考文献】