本發(fā)明涉及海上交通管理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分層的海運(yùn)航線樞紐港口分析方法。

背景技術(shù)：

近年以來(lái)，世界商品貿(mào)易的增長(zhǎng)不再遙遙領(lǐng)先于世界gdp的增長(zhǎng)率，世界貿(mào)易的增長(zhǎng)動(dòng)力越發(fā)乏力，世界經(jīng)濟(jì)處于階段性筑底、蓄勢(shì)上升的低迷階段，世界貿(mào)易的增長(zhǎng)也并不樂(lè)觀，而世界貿(mào)易百分之八十是通過(guò)海洋運(yùn)輸來(lái)實(shí)現(xiàn)商品的流通，在這一大前提下，海洋運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展好壞在一定程度上受到世界經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的發(fā)展的影響，并反向作用于世界經(jīng)濟(jì)，因此如何增加海運(yùn)效率，降低海運(yùn)成本，通過(guò)尋找海運(yùn)樞紐，從而合理的安排使得海運(yùn)線路不斷優(yōu)化也成了相關(guān)行業(yè)的熱門話題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分層的海運(yùn)航線樞紐港口分析方法，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的量化方法對(duì)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行評(píng)估，篩選海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)樞紐。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分層的海運(yùn)航線樞紐港口分析方法，包括以下步驟：

步驟一、針對(duì)一區(qū)域的航線數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從而完成原始數(shù)據(jù)的采集；

步驟二、將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，整合出構(gòu)建海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)所需要的港口之間的連接情況；

步驟三、以預(yù)處理后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)中所包含的港口數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)，航線為邊，貨運(yùn)總量作為權(quán)重，構(gòu)建加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)；

步驟四、對(duì)于所構(gòu)建出的加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算其節(jié)點(diǎn)度指標(biāo)及其中心性指標(biāo)；

步驟五、采用k-core算法對(duì)整個(gè)加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層處理，得到分層后的k層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，其中k越大，代表該層中所包括的的節(jié)點(diǎn)在k層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中地位越高；

步驟六、分別將k層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的每一層中的節(jié)點(diǎn)，依照步驟四中所計(jì)算的中心性指標(biāo)進(jìn)行排序，排名越靠前意味著該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的港口在該層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中越處于樞紐地位，從而實(shí)現(xiàn)海運(yùn)航線樞紐港口分析。

進(jìn)一步的，步驟三的具體方法為：對(duì)于任意一個(gè)港口，將其作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于任意的兩個(gè)港口之間，若航線數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)港口之間存在航線，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在一條邊將其連接起來(lái)，將港口之間的航線所承載的貨運(yùn)總量作為權(quán)重，由此得到基于航線數(shù)據(jù)的加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。

進(jìn)一步的，步驟四中，所述的中心性指標(biāo)包括點(diǎn)度中心性、緊密中心性和介數(shù)中心性；所述點(diǎn)度中心性衡量經(jīng)過(guò)港口的航線數(shù)量，反映港口在網(wǎng)絡(luò)中的地位，所述點(diǎn)度中心性的值越大，該港口在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的中心地位越高；所述緊密中心性衡量一港口對(duì)其他港口進(jìn)行船舶運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)能力，所述緊密中心性的值越大，該港口船舶運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)能力越強(qiáng)；所述介數(shù)中心性衡量一港口與網(wǎng)絡(luò)中所有其它港口的距離之和，反映出港口在海上運(yùn)輸時(shí)的通達(dá)性，所述介數(shù)中心性的值越大，該港口在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的樞紐地位越高。

進(jìn)一步的，步驟五中，采用k-core算法對(duì)整個(gè)加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層處理的具體方法為：

a.根據(jù)步驟四計(jì)算的到的節(jié)點(diǎn)度指標(biāo)，從加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中移除節(jié)點(diǎn)度值為ki＝1的所有節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)的外圍層；在移除節(jié)點(diǎn)度值為ki＝1的所有節(jié)點(diǎn)后，若存在節(jié)點(diǎn)與主網(wǎng)絡(luò)之間完全斷開(kāi)連接的情況，則這些節(jié)點(diǎn)也包含在外圍層當(dāng)中；

b.在接下來(lái)的迭代中，從加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中依次移除節(jié)點(diǎn)度值為ki’＝t，t＝2；3；...；max的節(jié)點(diǎn)；如果在步驟t中移除節(jié)點(diǎn)度值為ki’＝t的所有節(jié)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)中所產(chǎn)生的新節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度值小于t，則移除這些節(jié)點(diǎn)；其中，ki’是上次迭代完成后所產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)的度，max為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度的最大值；

c.當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中移除時(shí)，算法在迭代至步驟t＝max時(shí)停止，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有k＝t層結(jié)構(gòu)，得到k層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

進(jìn)一步的，步驟六中，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序的具體方法為：對(duì)于每一層中的節(jié)點(diǎn)，采用步驟四中計(jì)算得到的點(diǎn)度中心性、緊密中心性和介數(shù)中心性對(duì)每層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行排序，其節(jié)點(diǎn)在三個(gè)中心性指標(biāo)的排序中越靠前，代表該節(jié)點(diǎn)在同層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中具有更高的樞紐地位，選取三個(gè)指標(biāo)都靠前的節(jié)點(diǎn)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的港口為該層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的樞紐港口。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的海運(yùn)航線樞紐港口分析方法，是通過(guò)將現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)映射到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)建的模型之中，采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的量化方法對(duì)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的特征進(jìn)行評(píng)估，將現(xiàn)實(shí)世界抽象出來(lái)，通過(guò)指標(biāo)分析，網(wǎng)絡(luò)分層等一系列技術(shù)方案，分析現(xiàn)有的航線數(shù)據(jù)，衡量海運(yùn)港口地位，進(jìn)而辨別不同區(qū)域中的海運(yùn)樞紐，為海運(yùn)航線規(guī)劃，尤其是軸輻式運(yùn)輸航線規(guī)劃提供了有利參考。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的海運(yùn)航線樞紐港口分析方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

用于構(gòu)建海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)主要包括以下幾個(gè)部分：

1.港口數(shù)據(jù)：包括港口的地理位置，規(guī)模，以及基礎(chǔ)信息，用港口作為構(gòu)建海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)其他信息作為節(jié)點(diǎn)的屬性用以描述節(jié)點(diǎn)的特征。

2.航線數(shù)據(jù)：包括航線名稱，航線軌跡，航線船舶信息，航線貨物信息，用航線軌跡作為構(gòu)建海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的邊，同時(shí)其他信息作為邊的屬性用以描述邊的特征。

針對(duì)上述海運(yùn)數(shù)據(jù)，本發(fā)明提供一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分層的海運(yùn)航線樞紐港口分析方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟一、針對(duì)某一區(qū)域的航線數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，從而完成原始數(shù)據(jù)的采集。

步驟二、將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，整合出構(gòu)建海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)所需要的港口之間的連接情況。

步驟三、對(duì)于任意一個(gè)港口，將其作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于任意的兩個(gè)港口之間，若航線數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)港口之間存在航線，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在一條邊將其連接起來(lái)，將港口之間的航線所承載的貨運(yùn)總量作為權(quán)重，由此得到基于航線數(shù)據(jù)的加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。

步驟四、對(duì)于所構(gòu)建出的加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算其節(jié)點(diǎn)度指標(biāo)及其中心性指標(biāo)(包括點(diǎn)度中心性、緊密中心性和介數(shù)中心性)，從不同角度描述不同位置的港口在海運(yùn)系統(tǒng)的地位與作用。

節(jié)點(diǎn)度指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的基本屬性。某一節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)被定義為節(jié)點(diǎn)的度。因此，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度值越大，該節(jié)點(diǎn)的連邊越多，與其他節(jié)點(diǎn)連接的范圍越大，其在網(wǎng)絡(luò)中可能起到的作用就越大。

點(diǎn)度中心性衡量經(jīng)過(guò)港口的航線數(shù)量，反映港口在網(wǎng)絡(luò)中的地位，點(diǎn)度中心性的值越大，該港口在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的中心地位越高。

任一港口i的點(diǎn)度中心性的計(jì)算公式為：

其中，x表示海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣。

緊密中心性衡量一港口對(duì)其他港口進(jìn)行船舶運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)能力，緊密中心性的值越大，該港口船舶運(yùn)輸?shù)闹修D(zhuǎn)能力越強(qiáng)。

任一港口i的緊密中心性的計(jì)算公式為：

gjk表示港口j和k之間的最短路徑；gjk(i)表示包含港口i的兩兩港口間的最短路徑。

介數(shù)中心性衡量一港口與網(wǎng)絡(luò)中所有其它港口的距離之和，反映出港口在海上運(yùn)輸時(shí)的通達(dá)性，介數(shù)中心性的值越大，該港口在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的樞紐地位越高。

任一港口i的介數(shù)中心性的計(jì)算公式為：

d(i,j)表示港口i與港口j間的最短路徑。

步驟五、采用k-core算法對(duì)整個(gè)加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層處理，用于尋找系統(tǒng)中最密集連接的核心，以及其周邊層的狀態(tài)，具體方法為：

a.根據(jù)步驟四計(jì)算的到的節(jié)點(diǎn)度指標(biāo)，從加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中移除節(jié)點(diǎn)度值為ki＝1的所有節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)的外圍層；在移除節(jié)點(diǎn)度值為ki＝1的所有節(jié)點(diǎn)后，若存在節(jié)點(diǎn)與主網(wǎng)絡(luò)之間完全斷開(kāi)連接的情況，則這些節(jié)點(diǎn)也包含在外圍層當(dāng)中；

b.在接下來(lái)的迭代中，從加權(quán)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中依次移除節(jié)點(diǎn)度值為ki’＝t(t＝2；3；...；max，max為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度的最大值)的節(jié)點(diǎn)；如果在步驟t中移除節(jié)點(diǎn)度值為ki’＝t的所有節(jié)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)中所產(chǎn)生的新節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度值小于t，則移除這些節(jié)點(diǎn)。其中，ki’是上次迭代完成后所產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)的度。

c.當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中移除時(shí)，算法在迭代至步驟t＝max時(shí)停止，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有k＝t層結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)k-core算法分解后的海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，具有k層結(jié)構(gòu)，k值越大，該層中所包括的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中越具有核心地位。

步驟六、分別將k層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的每一層中的節(jié)點(diǎn)，采用步驟四中計(jì)算得到的點(diǎn)度中心性、緊密中心性和介數(shù)中心性對(duì)每層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行排序，其節(jié)點(diǎn)在三個(gè)中心性指標(biāo)的排序中越靠前，代表該節(jié)點(diǎn)在同層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中具有更高的樞紐地位，選取三個(gè)指標(biāo)都靠前的節(jié)點(diǎn)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的港口為該層海運(yùn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的樞紐港口，從而實(shí)現(xiàn)海運(yùn)航線樞紐港口分析。

本發(fā)明方法可用于在海運(yùn)過(guò)程中，對(duì)于軸輻式運(yùn)輸航線規(guī)劃過(guò)程中，逐級(jí)的樞紐港口選取。