基于网络特性的航空运输与综合运输协同关系

第11卷第4期2011年8月交通运输系统工程与信息JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnologyVol.11No.4August2011

文章编号：1009-6744（2011）04-0010-06

基于网络特性的航空运输与综合运输协同关系张莉*1，崔鹏2（1．中国民航科学技术研究院，北京100028；2．国家发改委基础产业司，北京100824）

摘要：航空运输是国家综合运输系统的重要组成部分，但航空运输网络与综合运输网络在网络特性上区别明显．与综合运输网络呈现随机网络的特征不同，航空运输网络具有无标度网络的特征，枢纽节点和干线航段的集中度高，网络呈现为轮辐式结构，机场节点是网络中的重要基础设施，也易成为网络效率的瓶颈．在综合运输大通道上，航空运输方式与其他交通方式的关系表现为在客货运输市场上的自然分工和自由竞争；在综合交通枢纽上则表现为衔接与合作关系．机场枢纽是体现综合运输效率的关键点，需要其他运输方式的主动衔接与配合，以发挥航空运输高效快速的优势．基于不同的网络特性，为实现两种运输网络的协同，有必要优化和改善航空运输与综合运输网络的衔接．关键词：航空运输；协同；无标度网络；网络特性；综合运输中图分类号：U8文献标识码：A

CollaborationofAirTransportandIntegratedTransportBasedonNetworkProperties

ZHANGLi1，CUIPeng2（1．ChinaAcademyofCivilAviationScienceandTechnology，Beijing100028，China；2．DepartmentofBasicIndustriesofNDRC，China，Beijing100824，China）

Abstract：Airtransportisanimportantcomponentofnationalintegratedtransportsystems．However，itsnetworkpropertiesdifferalotfromtheintegratedtransportnetworks．Differentfromrandomnetworksofothertransportmodes，airtransportnetworkishub-and-spokestructurewithtypicalscale-freenetworkcharacteristics．Thetransportquantityhighlyconcentratedathubsandmainroutes．Airportnodesaretheimportantinfrastructuresinnetworksandpotentialefficiencybottlenecks．Ontheintegratedtransportchannels，airandothertransportmodesplaydifferentrolesinthenonoverlappingareaoftransportmarketandcompeteintheoverlappingarea．Attheintegratedtransporthubs，theyarelinkedupandcollaborated．Theairportsastransporthubsarethekeypointsinefficiencyperformanceofintegratedtransport．Theyneedothertransportmodes’activelinkupandcollaborationtomakethebestuseofadvantagesinhighefficiencyandhighspeed．Basedonthepropertydifferences，theairtransporthubsarenecessarilytobeoptimizedinlinkingupwithothermodesintheintegratedtransportsystemstoachievesatisfactorycollaborationbetweenthetwokindsoftransportnetworks．Keywords：airtransport；collaboration；scale-freenetwork；networkproperties；integratedtransportCLCnumber：U8Documentcode：A

收稿日期：2011-06-17修回日期：2011-07-01录用日期：2011-07-06作者简介：张莉（1979－），女，湖北荆州人，经济师，管理学博士．*通讯作者：zhangli@mail．castc．org．cn1引言

我国规划中的综合运输网络由综合运输大通道与综合交通枢纽构成，构成通道的铁路干线、公路干线、内河高等级航道、航空主航线以及油气主管道有机衔接和相互协调．民用航空运输网络一般由民航机场与民航航线构成，网络呈现为轮辐式结构（Hub-Spoke）．而我国综合运输网络目前尚处于规划阶段，由综合运输大通道和综合交通枢纽构成，其网络结构特征与公路和铁路的干线网络相似，覆盖了二者网络的主要干线线路．本文试图通过描述两种网络结构，了解和分析两种网络的演化规律，分析结构特性及其行为，即结构和功能之间的相互关系，阐明不同性质的两种网络之间的相互作用，并对航空运输系统与综合运输系统的协同进行了分析．

2两种网络特性分析

本文研究的内容主要涉及两种网络，分别是无标度网络和随机网络，其典型结构特性对比如下：2．1无标度网络结构特性

无标度网络一般具有的典型结构特性［1］有：（1）幂律分布．

无标度网络的节点的连接数服从幂次分

布［2］，如图1（a）所示．节点度是复杂网络描述节

点特征的重要指标，它表示某节点连接其它节点的数目．（2）集聚度高与轮辐式结构．由于无标度网络的节点连接数服从幂次分布，因此少数节点拥有大量连接线路，而大多数节点拥有少数连接线路．拥有大量连接线的节点形成网络的一个个集散点，从而使网络呈现轮辐式网络（Hub-and-SpokeNetwork）的几何特征．（3）平均最短路径小．无标度网络尽管有很高的集聚度，但平均最短路径较小．在无标度网络中，任意两个节点之间只需不超过几条连接线即可连接．2．2随机网络的结构特性

随机网络具有的典型结构特性有：（1）泊松分布与平均值．随机网络也称指数网络，由N个顶点构成的图中，各个点以一定的概率随机相连而构成的网络．在随机网络中，大部分节点的连接数目会大致相同，即节点的分布方式遵循钟形的泊松分布，存在一个特征性的平均值．连接数比平均值高许多或低许多的节点都极少，随着连接数的增大，其概率呈指数式迅速递减．具体如图1（b）所示．

图1无标度网络和随机网络的节点度分布Fig．1Degreedistributionofscale-freenetwork’sandrandomnetwork

（2）集聚度低与几何格网结构．一般情况下，规则网络具有较高的集聚系数和较长的平均最短路径，无标度网络具有较高的集聚系数和较小的平均最短路径．相比而言，随机网络一般情况下具有较低的平均集聚系数和较小的平均最短路径，这表明随机网络不存在集聚度大的节点，各个节点的连接数较为平均．网络拓扑形式为几何格网结构的网络符合随机网络的这些统计特征．

11第11卷第4期基于网络特性的航空运输与综合运输协同关系2．3随机性攻击对两种网络的影响如果随机网络的大量节点受到随机性攻击，由于随机网络的结构特点，大量节点的故障易使得网络溃散成彼此毫无联系的个体，导致网络完全失去功能，如图2所示．而如果无标度网络受到随机性攻击，由于攻击对于各节点是等概率的，而绝大多数点为非集散节点，连接线少，因而在这种攻击下受破坏的大多数

为不重要的点，随机的部分节点的崩溃对网络影响几乎很小，这就是无标度网络对随机性攻击的鲁棒性［1，3］．但如果无标度网络的集散hub点一旦崩溃，则可能导致网络大面积瘫痪和失去作用，因此无标度网络对针对性攻击又呈现出脆弱性．

图2无标度网络的鲁棒性与脆弱性Fig．2Robustnessandfragilityofscale-freenetworks

3综合运输网络特性分析

综合运输网络中，由于民航与铁路、公路在运输服务和相互衔接上具有一定相关性，与水运和管道运输相关性较小，因此，本文主要探讨铁路、公路运输网络与民航网络的特性．3．1公路、铁道等运输方式网络的特性

根据国家《综合交通网中长期发展规划》，综合运输网络覆盖了公路网络与铁路网络中的主要干线线路，具有公路和铁路网络的结构特征．公、铁路运输网络所具有的特性包括：（1）网络符合随机网络特征．公、铁路线路设施网络表现为随机网络［4］，网络结构形式基本呈几何多边格网形状，大部分节点衔接的线路较少，大多数节点衔接的线路数目大体相等，节点度分布符合泊松分布．（2）随机性节点的崩溃可能导致网络区域性瘫痪．

21交通运输系统工程与信息2011年8月