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世界航运网络的结构特性及其动力学行为研究

作　者: 熊文海
导　师: 张嗣瀛
学　校: 青岛大学
专　业: 系统理论
关键词: 复杂网络世界海洋运输系统加权网络空间网络演化机理社团划分鲁棒性
分类号: U692
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

世界海洋运输系统是典型的复杂系统,它是由数百个港口和数以千计的船舶组成的,而且这些港口和船舶的数量是随时间演化的,在空间上,船舶与港口之间的联系也是千差万别的,因此对其进行整体性研究存在许多的困难,现今的研究方法仍然采用还原论的思想,将其分成子系统进行研究,虽然也得到了一些有益的成果,但是缺失了许多系统整体的信息。网络是对现实系统的一种数学抽象,它描述了系统元素之间相互作用的关系,是一种用整体论的思想来研究系统的有效工具,正因为如此,本文从复杂网络的视角,将世界海洋运输系统中的每个港口看作网络中的节点,将港口与港口之间通过船舶进行货物转移的相互联系看作网络中节点与节点之间边的连接关系,把世界海洋运输系统抽象为一种复杂网络拓扑图——世界航运网络图,这种图直观地体现了世界海洋运输系统中各个港口之间复杂的关联关系。本文以世界海洋运输系统为研究对象,从复杂网络的视角,利用统计分析与比较分析相结合、定性分析与定量分析相结合的方法对其进行了深入的研究,遵循着从世界航运网络的构建到网络结构统计属性的实证分析,再到寻找形成这种网络结构的机理,最后研究这种网络结构会出现什么样的动力学行为的思路开展研究工作。具体而言,本文在以下几个方面对世界航运网络进行了研究:1)根据连续的观察、调研以及对航运系统充分了解的基础上,构建了一个世界航运网络图,该图具有加权、有向和包含空间维度等特性。随后从无权和加权两个方面对网络的结构特性进行了系统的研究,得到了一系列测度参量的分布特征,比如,度、强度分布、网络特征谱表现出无标度特性;网络的平均路径长度很小以及网络簇系数却很大等特性,也就是说世界航运网络同样是一个小世界网络。除此之外,还对网络测度参数之间的相关性进行了研究,结果表明网络同时具有加权网络特性和空间网络特性,这些特性是许多其它复杂网络不曾具有的。2)系统的结构决定了系统的功能和行为,那么为什么世界航运网络会呈现这样的结构特性呢?这也就成为了本文需要解决的首要问题,本文作者根据长期调研世界海洋运输系统运行演化规律的结果,并结合前面统计分析得到的世界航运网络的一些结构参量分布特性,对世界航运网络的演化机理进行了深入的研究,建立了交通流驱动的世界航运网络模型和空间距离限制的世界航运网络模型,这些模型能够很好地再现世界航运网络的某些结构特性。3)社团结构虽然是一个社会学中的概念,但是它同系统中的传播动力学有着密切的联系,因此也是人们关注的焦点。世界航运网络中的社团结构同样值得我们的关注,因为我们可以从中发现世界各个国家之间的贸易往来联系紧密程度以及网络中交通流的分布情况,因此本文还对世界航运网络中社团结构的定义、划分标准以及划分具体的算法进行了系统的研究,得到了最优的社团个数,同时还解释了为什么在世界航运网络中会出现这样的结构划分。4)世界航运网络是典型的基础设施系统网络,它的效率和安全性一直是人们关注的焦点,特别是当系统受到一些意外的因素(比如像战争、恐怖袭击以及极限自然环境的干扰)影响时,系统是否依然能够表现出稳健性。另一方面系统的动力学行为必然能够反映出系统结构特性,因此最后本文还对世界航运网络的动力学行为进行了研究——鲁棒性研究,以此来验证我们所得到的系统结构特性是否准确。通过对世界航运网络的结构特性以及动力学行为的研究,我们可以宏观地了解各个国家之间的贸易联系,为分析各种地区间经济联系提供佐证;可以为建立新航线、合理分布航线、提高网络效率提供理论参考;可以为今后港口建设规划提供理论支持。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-20
  1.1 选题的背景及意义  9-12
    1.1.1 选题的背景  9-11
    1.1.2 研究的意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
    1.2.1 海洋运输系统的研究现状  12-13
    1.2.2 复杂网络的研究现状  13-15
  1.3 研究的主要内容、拟解决的关键问题及创新点  15-17
    1.3.1 本文研究的主要内容和方法  15-16
    1.3.2 本文拟解决的关键问题及创新点  16-17
  1.4 本文的组织结构  17-20
第二章复杂网络的理论基础及其应用  20-40
  2.1 引言  20-21
  2.2 复杂网络的结构度量  21-31
    2.2.1 无权网络中的结构度量  21-26
    2.2.2 加权网络中的结构度量  26-31
  2.3 经典的网络模型  31-36
    2.3.1 规则网络  31-32
    2.3.2 随机网络  32-33
    2.3.3 复杂网络  33-36
  2.4 真实世界中的一些网络  36-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章世界航运网络结构的实证研究  40-69
  3.1 引言  40-41
  3.2 数据的来源及说明  41-44
    3.2.1 数据来源及说明  41-42
    3.2.2 数据处理说明  42-44
  3.3 世界航运网络现状分析  44-47
    3.3.1 世界航运网络的构建  44-45
    3.3.2 世界航运网络的特征描述  45-46
    3.3.3 世界航运网络现状分析  46-47
  3.4 网络的无权拓扑统计特征  47-54
    3.4.1 度分布  47-49
    3.4.2 平均路径长度  49-51
    3.4.3 簇系数  51-52
    3.4.4 介数分布  52-53
    3.4.5 特征谱密度分布  53-54
  3.5 网络的加权拓扑统计特征  54-59
    3.5.1 边权与边权分布  55
    3.5.2 点的强度、强度分布  55-57
    3.5.3 权重差异度  57-59
    3.5.4 加权簇系数  59
  3.6 网络的关联性分析  59-64
    3.6.1 度度相关性  59-60
    3.6.2 簇度相关性  60-61
    3.6.3 度权相关性  61-62
    3.6.4 度介数相关性  62-64
  3.7 权重对网络拓扑结构的影响  64-67
    3.7.1 权重对平均最近邻居度的影响  64-66
    3.7.2 权重对聚集性的影响  66-67
  3.8 本章小结  67-69
第四章世界航运网络的演化机理研究  69-80
  4.1 引言  69
  4.2 交通流驱动的世界航运网络建模  69-75
    4.2.1 权重的概念及其意义  69-70
    4.2.2 交通流驱动的世界航运网络模型  70-73
    4.2.3 演化模型的统计特质分析  73-75
  4.3 距离限制的世界航运网络建模  75-79
    4.3.1 空间物理连接成本的概念及其意义  75-76
    4.3.2 距离限制的世界航运网络模型  76-78
    4.3.3 演化模型的统计特质分析  78-79
  4.4 本章小结  79-80
第五章世界航运网络中的社团结构  80-95
  5.1 复杂网络中的社团结构  80-84
    5.1.1 社团结构的定义  80-81
    5.1.2 社团结构的定量描述——模块化Q函数  81-83
    5.1.3 社团结构的划分思路  83-84
  5.2 寻找社团结构的算法  84-88
    5.2.1 无权网络中社团结构划分算法  85-88
    5.2.2 加权网络中社团结构划分算法  88
  5.3 世界航运网络中的社团发现算法  88-92
    5.3.1 谱分解算法  88-89
    5.3.2 模糊K-均值聚类算法  89-90
    5.3.3 模块度函数优化  90-91
    5.3.4 基于模糊聚类分析的社团发现算法  91-92
  5.4 世界航运网络中社团结构的意义  92-94
  5.5 本章小结  94-95
第六章世界航运网络的鲁棒性研究  95-104
  6.1 引言  95
  6.2 网络的静态与动态鲁棒性  95-97
  6.3 世界航运网络的鲁棒性分析  97-102
    6.3.1 随机移除与蓄意攻击对网络平均路径长度的影响  98-100
    6.3.2 随机移除与蓄意攻击对网络簇系数的影响  100-101
    6.3.3 随机移除与蓄意攻击对网络巨组元大小的影响  101-102
  6.4 本章小结  102-104
第七章总结与展望  104-107
  7.1 全文总结  104-105
  7.2 研究展望  105-107
参考文献  107-114
攻读学位期间的研究成果  114-115
攻读学位期间参与的项目  115-116
致谢  116-118

世界航运网络的结构特性及其动力学行为研究

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