發(fā)布時(shí)間：2021-08-03所屬分類：管理論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：新冠肺炎疫情給世界航空網(wǎng)絡(luò)的連通性造成重大影響，網(wǎng)絡(luò)的通達(dá)程度明顯降低。為了研究中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性在疫情影響下的變化，提出對外連通效率這一評價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)國內(nèi)外疫情爆發(fā)不同階段的特點(diǎn)采用不同的鏈路刪除規(guī)則進(jìn)行分析。研究結(jié)果
摘要：新冠肺炎疫情給世界航空網(wǎng)絡(luò)的連通性造成重大影響，網(wǎng)絡(luò)的通達(dá)程度明顯降低。為了研究中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性在疫情影響下的變化，提出對外連通效率這一評價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)國內(nèi)外疫情爆發(fā)不同階段的特點(diǎn)采用不同的鏈路刪除規(guī)則進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：在疫情爆發(fā)前期，因許多國家對中國內(nèi)地旅客采取入境限制措施，中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通效率與疫情前相比下降率最大達(dá)到39.8%，同等情形下，禁止入境措施對中國內(nèi)地的對外連通性影響比停飛直航大將近一個(gè)數(shù)量級，而這兩種限制措施造成的影響在不同國家間的橫向差異性也巨大。此外，一些與中國內(nèi)地不存在直航的國家如果采取限制入境措施，也會對中國內(nèi)地的對外連通性產(chǎn)生很大影響。在疫情爆發(fā)中后期，全球的航線連接縮減并未對中國內(nèi)地的航空對外連通性產(chǎn)生明顯影響，中國國際航線間的連通替代關(guān)系大大提升了航空網(wǎng)絡(luò)在此類極端情形下的魯棒性。
關(guān)鍵詞：航空運(yùn)輸;對外連通性;網(wǎng)絡(luò)效率;鏈路中斷;新冠肺炎疫情
航空運(yùn)輸是綜合交通運(yùn)輸體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對促進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)與文化的交流發(fā)展具有重要意義。根據(jù)中國民用航空局的相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]，2019年中國的航空旅客運(yùn)輸總量為65993.42萬人次，比上年增長7.9%，約為2000年的10.66倍。其中，國際航線完成旅客運(yùn)輸量7425.43萬人次，比上年增長16.6%。可以看出，近些年中國的航空運(yùn)輸?shù)玫搅孙w速發(fā)展，同時(shí)航空網(wǎng)絡(luò)成為了國內(nèi)與國際間運(yùn)輸交流的重要橋梁。但是，航空網(wǎng)絡(luò)對外界干擾的敏感程度極高，各類突發(fā)事件導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)(機(jī)場)與鏈路(航線)變化會對其連通性產(chǎn)生不同程度的影響。2020年初，新冠肺炎疫情爆發(fā)，隨后席卷全球，對全球的航空網(wǎng)絡(luò)，尤其是不同國家間的國際航線連接產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，通過對疫情影響下的中國內(nèi)地航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性研究，依據(jù)國內(nèi)外疫情爆發(fā)不同階段的特點(diǎn)分別分析其連通性的變化規(guī)律，對保證中國內(nèi)地與外界連通，提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與可靠性具有重要意義。
航空網(wǎng)絡(luò)是一類典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。作為航空網(wǎng)絡(luò)的一大特性，連通性衡量了網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)間的連通緊密程度[2]，同時(shí)也經(jīng)常作為評估網(wǎng)絡(luò)脆弱性[3-5]、魯棒性[6-7]和彈復(fù)性[8-9]的重要基礎(chǔ)。在航空網(wǎng)絡(luò)連通性的評價(jià)方面，常用的評價(jià)指標(biāo)包括節(jié)點(diǎn)中心性(NodeCentrality)、最短路徑長度(ShortestPathLength)、網(wǎng)絡(luò)效率(NetworkEfficiency)以及巨分支大小(SizeofGiantSub-network)等。文獻(xiàn)[10]利用度中心性、接近中心性與介數(shù)中心性等特征對中國航空網(wǎng)絡(luò)的連通性水平進(jìn)行了分析，并利用特定節(jié)點(diǎn)刪除的規(guī)則對網(wǎng)絡(luò)連通性的損失進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[11]基于旅行時(shí)間模型對航空聯(lián)盟的連通性進(jìn)行評估，改善了航空聯(lián)盟區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連通性和整體可達(dá)性。文獻(xiàn)[12]對中國、歐洲和美國機(jī)場網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行了比較研究，并根據(jù)分析結(jié)果分別提出了相應(yīng)的管理啟示。文獻(xiàn)[13-14]以最大化網(wǎng)絡(luò)的代數(shù)連通性為目標(biāo)建立優(yōu)化模型，通過鏈路增刪方法提升了航空網(wǎng)絡(luò)的連通性與魯棒性。文獻(xiàn)[15-16]提出了連通性指數(shù)的概念，分別對1990-2012年、2006-2016年世界航空網(wǎng)絡(luò)的連通性變化進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[17]利用NetScan模型分析了中國機(jī)場網(wǎng)絡(luò)的連通性，并找出了連通性變化的潛在驅(qū)動因素。文獻(xiàn)[18]研究了中國與澳大利亞兩國間的航空交通連通性，發(fā)現(xiàn)中國航司為兩國的航空連通做出主要貢獻(xiàn)，并分析得出占主導(dǎo)因素的關(guān)鍵機(jī)場。在航空網(wǎng)絡(luò)受外界影響的性能變動方面，現(xiàn)有研究通常圍繞特定的破壞場景對航空網(wǎng)絡(luò)的性能下降情況進(jìn)行評估與比較。文獻(xiàn)[19]以巨分支大小為指標(biāo)分析了航空網(wǎng)絡(luò)在不同節(jié)點(diǎn)刪除規(guī)則下的性能變化，發(fā)現(xiàn)中介中心性高的機(jī)場是航空網(wǎng)絡(luò)抵御攻擊時(shí)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。文獻(xiàn)[20]從結(jié)構(gòu)和功能的角度提出了一種機(jī)場網(wǎng)絡(luò)遭到破壞時(shí)的脆弱性評價(jià)方法，并比較了中美兩國航空網(wǎng)絡(luò)在遭蓄意攻擊時(shí)的性能變化差異。文獻(xiàn)[21]從節(jié)點(diǎn)的負(fù)載和容量分析了空域扇區(qū)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效過程，并提出了相鄰負(fù)載再分配和局部負(fù)載再分配兩種優(yōu)化策略以提升級聯(lián)失效時(shí)的抗毀性。文獻(xiàn)[22]分機(jī)場隨機(jī)關(guān)閉和蓄意攻擊兩種方式對航空網(wǎng)絡(luò)性能下降情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明航空網(wǎng)絡(luò)在遭隨機(jī)關(guān)閉時(shí)魯棒性較強(qiáng)，而遭蓄意攻擊時(shí)性能下降較快，同時(shí)不同國家和地區(qū)遭蓄意攻擊時(shí)性能下降差異很大。文獻(xiàn)[23]利用網(wǎng)絡(luò)效率這一指標(biāo)，評估了航空網(wǎng)絡(luò)可替代機(jī)場對遭到破壞時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能的下降程度。文獻(xiàn)[24]研究了中國航空網(wǎng)絡(luò)從1975-2017年的魯棒性變化，發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)場和航線數(shù)目的增加，中國航空網(wǎng)絡(luò)面對隨機(jī)破壞和蓄意攻擊的能力都有較大程度的提升。
在上述研究中，考慮突發(fā)事件引起的航空網(wǎng)絡(luò)破壞場景多數(shù)為節(jié)點(diǎn)(機(jī)場)遭破壞致使其關(guān)閉，并評估節(jié)點(diǎn)的重要程度與節(jié)點(diǎn)對連通性的影響[25]。但是，在新冠肺炎疫情發(fā)生期間，航空網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并沒有遭到破壞，致使網(wǎng)絡(luò)連通性下降的關(guān)鍵因素是鏈路(航線)的大幅度減少。鏈路被破壞與節(jié)點(diǎn)被破壞相比最大的特點(diǎn)是航空網(wǎng)絡(luò)中鏈路的數(shù)量遠(yuǎn)多于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)分布也更為復(fù)雜，因此受破壞的情形也更為復(fù)雜多樣。對于節(jié)點(diǎn)破壞，現(xiàn)有文獻(xiàn)中一般假設(shè)與該節(jié)點(diǎn)相連的所有鏈路都被破壞，產(chǎn)生的后果比較直觀。但鏈路破壞并不一定導(dǎo)致某個(gè)節(jié)點(diǎn)被孤立，而是主要體現(xiàn)在航空網(wǎng)絡(luò)通行能力的下降上。同時(shí)，在疫情發(fā)生之前，很少有類似的事件出現(xiàn)全球航空網(wǎng)絡(luò)鏈路被大面積破壞的情形，所以相關(guān)的研究較為少見。此外，上述研究多將航空網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)整體(世界、國家或航空聯(lián)盟的網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行連通性的研究，鮮有考慮網(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)與其他部分之間的連通性及其變化情況。為此，本文以新冠肺炎疫情下的航空網(wǎng)絡(luò)為研究對象，定義對外連通效率這一指標(biāo)，結(jié)合疫情爆發(fā)初期和中后期的航線變化不同特性，研究中國內(nèi)地航空網(wǎng)絡(luò)與其他國家和地區(qū)之間的綜合連通性的變化規(guī)律，以期加深對中國航空網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識，同時(shí)為中國航空網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略布局提供參考依據(jù)。
1航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性定義與評價(jià)指標(biāo)
1.1定義
在世界航空網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)，一個(gè)國家的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性是刻畫該國內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與世界其他國家或地區(qū)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的連通緊密程度的屬性。因此，對外連通性具有2層含義，第1層是國家內(nèi)部節(jié)點(diǎn)到國家外部節(jié)點(diǎn)的連通程度，第2層是國家外部節(jié)點(diǎn)到國家內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的連通程度。由于航空網(wǎng)絡(luò)的對稱性，內(nèi)部到外部與外部到內(nèi)部的連通性可以看作是一致的。對外連通性越強(qiáng)，說明該國航空層面的對外聯(lián)系越緊密。
1.2評價(jià)指標(biāo)
網(wǎng)絡(luò)效率(NetworkEfficiency)是評估一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通性的重要指標(biāo)之一，文獻(xiàn)[26]將網(wǎng)絡(luò)效率E定義為網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)不同節(jié)點(diǎn)間最短路徑長度倒數(shù)的平均值。
基于網(wǎng)絡(luò)效率的概念，依據(jù)對外連通性的定義，本文首先提出了無權(quán)網(wǎng)絡(luò)下的對外連通效率(Domestic-ForeignEfficiency，DFE)這一指標(biāo)。
給定一個(gè)無權(quán)無向的世界航空網(wǎng)絡(luò)G，G中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)有機(jī)場的城市，G中的每條鏈路代表城市間的航線連接。當(dāng)一個(gè)城市有多座機(jī)場時(shí)，將該城市所有機(jī)場的航線進(jìn)行合并。集合N代表航空網(wǎng)絡(luò)G中所有節(jié)點(diǎn)的集合，集合A代表航空網(wǎng)絡(luò)G中某一國家內(nèi)部節(jié)點(diǎn)集合，集合B為A在N中的補(bǔ)集，即航空網(wǎng)絡(luò)G中世界其他國家和地區(qū)的節(jié)點(diǎn)集合。
但是，DFE這一指標(biāo)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)平等看待，并沒有考慮鏈路權(quán)重(如航線的航班數(shù)或座位總數(shù))對網(wǎng)絡(luò)性能所產(chǎn)生的影響，與實(shí)際情況不完全符合。因此，在DFE的基礎(chǔ)上，本文定義了加權(quán)對外連通效率(WeightedDomestic-ForeignEffi-ciency，WDFE)這一對外連通性評價(jià)指標(biāo)，將航空網(wǎng)絡(luò)每條航線的定期航班數(shù)量作為鏈路權(quán)重，利用分層拆分網(wǎng)絡(luò)的方法對WDFE進(jìn)行計(jì)算。
WDFE的計(jì)算可分為如下3步：
步驟1將帶有權(quán)重的世界航空網(wǎng)絡(luò)拆分成若干個(gè)無權(quán)的子網(wǎng)絡(luò)，具體拆分方法如下：①根據(jù)相關(guān)航線數(shù)據(jù)生成以航班數(shù)為鏈路權(quán)重的有權(quán)航空網(wǎng)絡(luò);②提取該有權(quán)航空網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路的一個(gè)權(quán)重單元，并從該網(wǎng)絡(luò)中移除(即對應(yīng)鏈路權(quán)重減去1)，將其構(gòu)成一個(gè)無權(quán)子網(wǎng)絡(luò);③重復(fù)②中的步驟直到該有權(quán)航空網(wǎng)絡(luò)中集合A與集合B之間沒有鏈路連接，即所計(jì)算國家與其他國家和地區(qū)之間的國際航線已不存在于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中。
步驟2計(jì)算每個(gè)無權(quán)子網(wǎng)絡(luò)的DFE值。
步驟3將步驟2計(jì)算得出的所有無權(quán)子網(wǎng)絡(luò)DFE值相加得到WDFE的值，具體公式為WDFE=DFE1+DFE2+…+DFEn(4)式中：n為所計(jì)算國家國際航線中的最高權(quán)重。
可以看出，拆分過程中的第1層網(wǎng)絡(luò)是完整的無權(quán)航空網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出的DFE1與無權(quán)網(wǎng)絡(luò)定義的DFE值相等。隨著拆分的不斷進(jìn)行，所拆分出的網(wǎng)絡(luò)完整性越低，當(dāng)所有涉及該國的國際航線全部拆分完成之后，整個(gè)拆分過程結(jié)束。值得注意的是，航空網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)往往連接航線較多，對應(yīng)的航線連接權(quán)重也相對較大，因此在拆分出的各個(gè)無權(quán)子網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的航線連接出現(xiàn)的次數(shù)也更為頻繁。尤其在拆分過程的后段，網(wǎng)絡(luò)中的航線連接幾乎都涉及這些較為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。
為了方便表述，本文后續(xù)部分所涉及的“對外連通效率”統(tǒng)一指加權(quán)對外連通效率WDFE。
1.3疫情影響下的對外連通性分析方法
2019年底，中國武漢陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多例不明肺炎患者，2020年1～2月，新冠肺炎疫情在中國大陸爆發(fā)。多個(gè)國家和地區(qū)分別對中國內(nèi)地旅客采取了入境限制，包括停飛中國內(nèi)地與該國直飛航班、全面禁止入境等，與中國內(nèi)地直航的航線數(shù)直線下降。隨后，從2020年2月底開始，疫情在全球各地相繼爆發(fā)，全球的航空網(wǎng)絡(luò)航線都有著較大幅度的縮減，而此時(shí)中國內(nèi)地的疫情已經(jīng)開始得到較好的控制。因此，分疫情前期(中國內(nèi)地爆發(fā)階段)與疫情中后期(全球爆發(fā)階段)對中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性進(jìn)行分析。
在疫情前期，依據(jù)停飛直航和全面禁止入境2種情況對正常時(shí)期的航空網(wǎng)絡(luò)航線連接進(jìn)行刪除，比較疫情爆發(fā)前后的對外連通性變化，并評估不同國家采取的措施對中國內(nèi)地航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性的影響。停飛直航表現(xiàn)為暫停該國與中國內(nèi)地的所有國際航線，而全面禁止入境則要求中國內(nèi)地旅客既不能直接入境，也不能從第三國中轉(zhuǎn)入境，在對外連通性的研究中則刪除該國所有的國際航線。
在疫情中后期，全球大多數(shù)國家的航線連接數(shù)量均有著不同程度的下降。因此，按照不同的比例刪除航線連接，觀察在不同比例下中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性變化情況。具體的鏈路刪除規(guī)則如圖1所示。
2數(shù)值試驗(yàn)與分析
2.1航空網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)
本文使用的航空網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來自AviationEdge網(wǎng)站(http：∥aviation-edge.com/v2/pub-lic/routes)，經(jīng)過去除方向和統(tǒng)計(jì)各航線權(quán)重，同時(shí)合并同一城市不同機(jī)場之后，一共包含了3616個(gè)節(jié)點(diǎn)與27452條航線連接。圖2為數(shù)值試驗(yàn)所使用的全球航空網(wǎng)絡(luò)，黑點(diǎn)為中國內(nèi)地節(jié)點(diǎn)，紅點(diǎn)為其他國家和地區(qū)的節(jié)點(diǎn)，藍(lán)色的邊代表全球所有航線連接。其中，中國內(nèi)地的節(jié)點(diǎn)204個(gè)，與國際其他國家和地區(qū)航線連接1084條，直飛航線涉及全球80個(gè)國家和地區(qū)。圖3展示了在世界范圍內(nèi)涉及中國內(nèi)地的所有國內(nèi)與國際航線。
依據(jù)這兩張正常時(shí)期的航空網(wǎng)絡(luò)圖，令集合A代表中國內(nèi)地的節(jié)點(diǎn)集合，集合B代表世界其他國家和地區(qū)的節(jié)點(diǎn)集合，根據(jù)1.2節(jié)中的式(3)和式(4)計(jì)算得出中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通效率WDFE值為0.9099，計(jì)算過程中共分為43個(gè)無權(quán)的子網(wǎng)絡(luò)。在接下來的數(shù)值試驗(yàn)中，分別對疫情爆發(fā)前期與疫情爆發(fā)中后期對外連通效率變化情況進(jìn)行詳細(xì)研究。
2.2疫情前期的對外連通性
2.2.1疫情前期中國內(nèi)地對外連通性變化情況
在2020年初中國內(nèi)地爆發(fā)新冠肺炎疫情之后，許多國家對中國內(nèi)地旅客采取了入境管制措施。最為典型的兩類入境限制措施為：①停飛所有直航航班;②全面禁止中國內(nèi)地旅客入境。這2類國家的列表及對應(yīng)措施如表1所示(信息來源：國家移民管理局(https：//www.nia.gov.cn/))。其中，明確停飛直航的國家有8個(gè)，而禁止中國內(nèi)地旅客入境的國家多達(dá)24個(gè)。將這些國家所涉及的航線按照1.3節(jié)分析的鏈路刪除規(guī)則進(jìn)行刪除，可以得出停飛直航國家和禁止入境國家對中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性的影響變化情況。
經(jīng)過計(jì)算，將停飛直航的8個(gè)國家與中國內(nèi)地的航線連接全部刪除，得出的中國內(nèi)地航空網(wǎng)絡(luò)對外連通效率WDFE的值為0.9086，僅比正常時(shí)期下降了0.1365%。禁止中國內(nèi)地旅客入境的國家同時(shí)也不準(zhǔn)經(jīng)由第三國中轉(zhuǎn)入境該國，因此將禁止入境的24個(gè)國家的國際航線全部刪除，得出的中國內(nèi)地航空網(wǎng)絡(luò)對外連通效率WDFE的值為0.5493，比正常時(shí)期下降了39.6278%。可以看出，全面禁止入境方式對中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性的影響遠(yuǎn)高于暫停直飛航線的方式。分析其原因，首先，全面禁止入境的國家遠(yuǎn)多于停飛直航的國家;其次，禁止入境措施排除了通過第三國轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)入該國的可能性;此外，禁止入境也使得旅客無法利用該國作為中轉(zhuǎn)去往其他國家，造成與其他更多國家的航空通達(dá)程度受到極大的負(fù)面影響。將采取停飛直航與禁止入境兩種限制措施的所有國家按對應(yīng)鏈路刪除規(guī)則在世界航空網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行航線連接的全部刪除，計(jì)算得出此時(shí)中國內(nèi)地的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通效率WDFE的值為0.5480，比正常時(shí)期下降了39.7720%。由此可見，在疫情爆發(fā)初期，中國內(nèi)地旅客的航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性受到了極大的考驗(yàn)，內(nèi)部與外部的通達(dá)程度大幅度降低。
進(jìn)一步，對這兩類入境限制的國家進(jìn)行逐一分析，單獨(dú)進(jìn)行相應(yīng)的鏈路刪除，計(jì)算對應(yīng)的對外連通效率以及下降百分比。停飛直航國家的計(jì)算結(jié)果如表2所示，禁止入境國家的計(jì)算結(jié)果如表3所示，所有結(jié)果按WDFE下降百分比降序排列。
根據(jù)表2可以看出，采取停飛直航的國家對中國內(nèi)地航空網(wǎng)絡(luò)對外連通性變化的影響主要分為2部分因素：①與中國內(nèi)地直航連接數(shù)目大小，②各國家在國際航空網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。意大利與中國內(nèi)地的直航連接數(shù)最多，同時(shí)共連通全球285個(gè)國外城市，比其他國家高出了一個(gè)數(shù)量級，因此停飛中意之間的航班不僅影響了中意兩國城市的直接連通，也一定程度上影響了中國內(nèi)地與一部分世界其他城市的間接連通。同理，以色列與烏茲別克斯坦比吉爾吉斯斯坦對WD-FE的影響高也較大程度取決于其在全球航空網(wǎng)絡(luò)中的地位。而哈薩克斯坦與中國內(nèi)地的直航連接數(shù)有6條卻比直航數(shù)只有4條的馬爾代夫?qū)DFE的影響小，這是因?yàn)楣_克斯坦的國際航線數(shù)遠(yuǎn)高于馬爾代夫，因此中國內(nèi)地與哈薩克斯坦之間由第三方國家進(jìn)行中轉(zhuǎn)的連通程度優(yōu)于馬爾代夫，所以暫停哈薩克斯坦與中國內(nèi)地直航的對外連通性損失較小。——論文作者：李思平，周耀明
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