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基于复杂网络理论的湖北省铁水复合货运网络抗毁性研究

摘要

随着交通强国战略的实施，湖北作为首批建设试点省份，凭借其独特的区位优势，已

经成为我国中部地区连接东西、贯穿南北的重要交通枢纽。为响应国家战略部署，湖北省

积极推进大宗货物集疏港运输“公转铁”、“公转水”，这一转型不仅巩固了铁路与水路运输

在综合立体交通系统中的核心地位，也促进了货运铁路与干线航道的快速发展。然而，随

着货运铁路网络与干线航道网络规模的日益扩张，其面临的运营风险也相应增加，任何突

发事件都有可能严重影响交通运输网络的稳定性与服务质量。在此背景下，应用复杂网络

理论成为研究与提升网络抗毁性能的重要方法，对于确保运输网络在面对各种风险时能够

维持安全稳定运行具有重要意义。

本文以截至2023年5月份在建与规划的湖北省货运铁路网与干线航道网作为研究对

象。首先，基于复杂网络理论基础，采用L空间法构建无向非加权的湖北省铁水复合货运

网络拓扑模型，包括铁路与航道两个单模式子网络。通过对比分析铁水复合网络及其子网

络的各项拓扑特征参数，研究发现三类网络均具备小世界网络特性，但不具备无标度网络

特性，并且复合网络在平均路径长度、网络直径以及网络全局效率上的表现更为均衡，体

现出铁路层网络与航道层网络在功能上的互补与协同作用。其次，本研究选取网络效率的

相对值和最大连通子图的节点比例作为网络抗毁性评估指标，并设计了五种节点攻击策略

和三种连边攻击策略，进而构建出网络抗毁性评价模型。使用Python编程进行仿真模拟，

探讨货运铁路层网络、干线航道层网络以及铁水复合网络在不同攻击策略下的抗毁性表现，

结果表明：三类网络在随机攻击策略下均具备较强的抗毁性，而动态攻击策略相较于静态

攻击，在攻击初期就迅速削弱了网络的抗毁性能。随后，进一步对比分析三类网络在同一

攻击策略下的抗毁性能，发现货运铁路层网络的抗毁性最弱，而复合网络在攻击的初期阶

段表现出显著的抗毁性优势，但其优势随着攻击比例的增加而逐渐减弱，但整体上复合网

络的抗毁性仍优于两个单层网络。在此基础上，通过仿真模拟分析单个节点或单条连边失

效对铁水复合网络抗毁性的影响，提出网络效率变化率作为识别复合网络关键组件的指标，

分析发现：关键组件主要位于干线航道层网络，且关键节点多分布于湖北省鄂西北区域与

武汉市，关键连边多分布在鄂西北与鄂西南区域。最后，综合上述抗毁性分析结果，提出

若干策略性建议，旨在提升湖北省铁水复合货运网络的抗毁性。

本研究为复杂网络理论在复合交通网络抗毁性的实证分析方面提供了新视角，也有助

于交通管理部门更高效地识别并加强网络潜在风险点的管理，从而提升整个综合运输系统

的抗风险能力，为保障公共安全和促进区域经济的稳定发展提供了实践参考价值。

关键词：复杂网络；铁水复合网络；拓扑特性；攻击策略；抗毁性分析

InvulnerabilityResearchOfHubeiRail-WaterCompound

FreightNetworkBasedonComplexNetworkTheory

Abstract

WiththeimplementationoftheNationalTransportationStrategy,Hubei,asoneofthefirst

pilotprovinces,hasbecomeanimportanttransportationhubinChinascentralregion,connecting

easttowestandrunningthroughnorthtosouth,thankstoitsuniquegeographicaladvantages.In

responsetothenationalstrategicdeployment,Hubeihasactivelypromotedthetransportation

transformationofbulkcargofromtrucktorail,andfromtrucktowater,amovethatnotonly

solidifiesthecorepositionofrailandw