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2017 , Vol. 36 >Issue 4: 719 - 730

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201704010

Articles

The impact of main channel interruption on vulnerability of container shipping network and China container shipping

  • WU Di ,
  • WANG Nuo ,
  • WU Nuan ,
  • LIN Wanni
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  • Transportation Management College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China

Received date: 2016-11-29

  Request revised date: 2017-02-19

  Online published: 2017-04-20

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《地理研究》编辑部
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Abstract

The Malacca Strait, the Suez Canal and the Panama Canal are the main channels in the global container shipping network. As the dependence of the world economy on container shipping constantly increases and terrorism wantonly spread, research of the impact of main channel interruption on the global container shipping network and China container shipping is of great significance in analyzing the vulnerability of the global container shipping network, establishing and improving the security mechanism of the global economy operation and guaranteeing unobstructed container shipping between China and other regions. To study the impact, we performed a statistical analysis of all ports and shipping lines that are operated by the top 100 container shipping companies in 2015, which occupy 93% of the global container shipping capacity. The results indicate that there are 2827 shipping lines and 734 ports in the global container shipping network. Based on the statistics, we calculated the change rates of network average degree, isolated-node proportion, clustering coefficient, network average shortest-path length and network efficiency of the network when the main channels are attacked respectively. The average of the change rates of the network's metrics are 5.61%, 3.50% and 1.89% when the Malacca Strait, the Suez Canal and the Panama Canal are attacked respectively. So the network is sensitive to the three main channels, and the Malacca Strait is the most influential channel, followed by the Suez Canal and the Panama Canal. At the same time, we analyzed the impact on China container shipping by combining the characteristics of global marine geography. The node degrees of 12, 6 and 6 ports in China decrease when the main channels are attacked respectively, and the network shortest-path lengths between the affected ports in China and other ports in the world increase in varying degrees, so the transport efficiency decreases obviously. Finally, to guarantee unobstructed container shipping between China and other regions, we present the alternative shipping lines by detour transportation or sea-land multimodal transportation according to different main channels, and make corresponding policies from the maritime security perspective.

Key words： Malacca Strait; Suez Canal; Panama Canal; container; network

Cite this article

WU Di , WANG Nuo , WU Nuan , LIN Wanni . The impact of main channel interruption on vulnerability of container shipping network and China container shipping[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2017 , 36(4) : 719 -730 . DOI: 10.11821/dlyj201704010

1 引言

在地理上,马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河是全球集装箱海运网络中最重要的三大主航道。在当前世界经济对集装箱海上运输的依赖性不断增加、恐怖主义肆意蔓延的背景下,研究上述航道受到攻击时对整个海运网络可能产生的影响,对于认识集装箱海运网络体系的脆弱性,建立健全世界经济运行安全机制,保障中国海上运输通道的通畅具有重要意义。
脆弱性是地理学领域的一个重要概念,在灾害管理、生态学、公共健康、气候变化等方面均有应用[1],如针对气候变化的生态系统脆弱性[2]、自然灾害区域脆弱性[3,4]及评价指标体系[5]、城市经济系统脆弱性[6,7]等。在交通领域,交通网络的脆弱性概念是指在受到攻击时对网络连通性的影响程度,关注系统要素或系统某些方面失效对整个网络连通性的影响,本质上是研究在局部失效或出现扰动的情况下对系统整体的影响程度。
在交通网络脆弱性的研究方面,Barrat等对交通基础设施网络拓扑结构进行了研究[8];王成金等对全球集装箱航运的空间组织结构及演进理论进行了分析[9,10];杜超等针对集装箱海运构建了无向无权网络,研究了集装箱海运网络的网络格局和复杂性[11,12];邓贵仕等对无向无权集装箱海运网络的脆弱性及变化进行了研究[13-17];金凤君等揭示了铁路网络的拓扑结构和发展规律[18,19];还有学者对航空网络的空间格局[20]和空铁复合网络遭受攻击时系统的失效过程[21]进行了研究;同时,莫辉辉等对各种交通网络的复杂性特征进行了总结[22]。在衡量交通网络受影响程度的方法方面,有的学者建立了突发事件影响评估方法[23,24]和动态识别方法[25];种鹏云等分别研究了交通网络抗毁性测度和级联失效模型,模拟了交通网络遭受攻击时连通性的变化过程[26,27];Latora等针对恐怖袭击提出了交通枢纽等关键节点的评价模型,分析了减少交通网络受恐怖袭击影响的措施[28,29]。在航道海运安全方面,李颖等分析了马六甲海峡安全形势对中国海运的影响[30];史春林等对苏伊士运河的航运安全进行了评价[31];Alarcon等建立了风险识别模型研究巴拿马运河的安全问题[32];Rosenberg等分别对南海航运安全和中国海上通道安全保障进行了研究[33,34]。
分析发现,尽管国内外学者对交通网络及其脆弱性进行了研究,但针对主航道遭受攻击时集装箱海运网络脆弱性的有关研究尚未见到。作为集装箱海运大国,中国与欧洲和美洲等航运核心区之间的商贸往来大部分需经过马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河等主航道实现运输,若上述主航道运输受阻,将对中国海运产生重大影响,因此,分析主航道对集装箱海运网络脆弱性及其对中国的影响具有重要的意义。利用全球集装箱班轮公司挂靠港口和航线分布数据,分别删除马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河三大主航道上的航线,分析三大主航道对全球集装箱海运网络脆弱性的影响程度,并结合地理特征,研究对中国集装箱海运产生的影响及应对措施。

2 全球集装箱海运网络

纵观全球海洋,共分布有大小航道139条,有集装箱航线的约23条（表1）。其中,跨区域的主要航道为马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河,分别连通太平洋与印度洋、印度洋与地中海、太平洋与大西洋,将东亚、欧洲及北美等航运核心区连接在一起（图1）,形成集装箱环球海运主航道。为研究全球集装箱海运网络特征,对2015年运营规模排名前100位的集装箱班轮公司（占全球总运力的93%）挂靠的所有港口和运营航线进行了统计,结果显示：目前全球集装箱海运网络共有航线2827条（重叠航线不计）,其中,经过马六甲海峡、苏伊士运河和巴拿马运河的航线分别为643条、285条和108条,占全球航线总数的22.74%、10.08%和3.82%;集装箱港口734个,其中经过马六甲海峡、苏伊士运河和巴拿马运河航线挂靠的港口分别为188个、117个和92个,占港口总数的25.61%、15.94%和12.53%。基于以上数据,建立无向非加权网络对主航道中断背景下全球集装箱海运网络拓扑结构的连通性进行分析。
Fig. 1 Location of container shipping lines via main channels

图1 集装箱海运主航道航线分布图

Tab. 1 Statistics of channels in the global shipping network

表1 全球海运网络航道统计

编号 航道 编号 航道 编号 航道
1 马六甲海峡 9 龙目海峡 17 白令海峡
2 苏伊士运河 10 望加锡海峡 18 土耳其海峡
3 巴拿马运河 11 民都洛海峡 19 德雷克海峡
4 英吉利海峡 12 台湾海峡 20 麦哲伦海峡
5 直布罗陀海峡 13 大隅海峡 21 多佛尔海峡
6 曼德海峡 14 朝鲜海峡 22 莫桑比克海峡
7 霍尔木兹海峡 15 宗谷海峡 23 基尔运河
8 巽它海峡 16 佛罗里达海峡

3 网络特征值分析

在航运布局上,经过马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河的航线绝大多数为跨区域集装箱班轮干线,当上述主航道遭受攻击时,假设途经主航道的所有航线都被迫停止运行,即所有相关港口都不再有上述航线的班轮挂靠,对受攻击前后的网络平均度、孤立节点比例、聚类系数、平均距离及网络效率等网络特征值进行计算,进而通过网络特征值的变化分析网络脆弱性[17]。

3.1 网络平均度

所谓网络平均度即网络中所有节点度的平均值,又称平均节点度。根据复杂网络理论,计算方法如下[16]：
K = 1 N ∑ i = 1 N k i （1）
式中： K 为平均节点度。
实际中,港口即为海运网络的节点,港口的节点度反映了该港口的重要程度。若某集装箱港口为枢纽港或干线港,则其节点度必定较大。当三大主航道遭受攻击时,部分港口之间的航线将会中断,其网络平均度必然发生变化,变化较大者即表明网络较为敏感,也意味着更为脆弱。设 ΔK 表示某航道受到攻击时平均节点度变化的比率,则
ΔK = ( 1 - K * K ) × 100 % （2）
式中： K 和 K * 分别为航道遭受攻击前后的网络平均度。
根据式（1）和式（2）,得到各主航道分别遭受攻击时网络平均节点度的变化率。如表2所示,当马六甲海峡受到攻击时网络的平均节点度减少最多,分别比苏伊士运河和巴拿马运河多出3.23个百分点和7.03个百分点。节点度减少最大的前5名港口见表3,其中,当马六甲海峡遭受攻击时,巴生港、新加坡港和丹戎帕拉帕斯港受到的影响最大,原因是这些港口位于马六甲海峡南北两端,几乎所有途经马六甲海峡的航线都在这3个港口之一挂靠,因此航线损失最为严重。当苏伊士运河受到攻击时,吉达港和塞得港的节点度下降最多,这是由于吉达港位于苏伊士运河南端红海海域,塞得港位于苏伊士运河北入海口,二者分别为苏伊士运河南北两端的咽喉,大部分经过苏伊士运河的航线都在这两个港口之一挂靠,因此航线损失最多;由于科伦坡港是欧洲和地中海与远东之间的重要航运中转节点,大部分远东—欧洲及远东—地中海航线都在科伦坡中转和加油,因而科伦坡港节点度也大幅度下降。巴拿马运河是墨西哥湾和加勒比海周边众多港口连接太平洋的必经之路,当其受到攻击时,位于运河北端入海口的巴拿马曼萨尼略港和科隆港的节点度减少最多;釜山港紧随其后,这是由于釜山港是大部分远东—北美东海岸航线在远东地区的中转港及加油港。
Tab. 2 Change in the network average degree after themain channels are attacked

表2 三大主航道遭受攻击时网络节点度变化

攻击对象 无 马六甲海峡 苏伊士运河 巴拿马运河
平均节点度 9.19 8.28 8.58 8.92
变化率(%) - -9.90 -6.67 -2.87
Tab. 3 Top five ports with the largest decrease in node degree when the main channels are attacked

表3 三大主航道遭受攻击时节点度减少最多的前5个港口

受攻击航道 排名 港口 攻击前节点度 攻击时节点度 节点度减少值 变化率(%)
马六甲海峡 1 巴生港(马来西亚) 91 21 70 76.92
2 新加坡港(新加坡) 123 68 55 44.72
3 丹戎帕拉帕斯港(马来西亚) 60 22 38 63.33
4 科伦坡港(斯里兰卡) 47 28 19 40.43
5 比雷埃夫斯港(希腊) 48 29 19 39.58
苏伊士运河 1 吉达港(沙特阿拉伯) 41 18 23 56.1
2 塞得港(埃及) 42 20 22 52.38
3 科伦坡港(斯里兰卡) 47 29 18 38.3
4 丹戎帕拉帕斯港(马来西亚) 60 43 17 28.33
5 巴生港(马来西亚) 91 74 17 18.68
巴拿马运河 1 曼萨尼略港(巴拿马) 48 31 17 35.42
2 科隆港(巴拿马) 27 16 11 40.74
3 釜山港(韩国) 103 94 9 8.74
4 纽约港(美国) 38 29 9 23.68
5 卡塔赫纳港(哥伦比亚) 43 35 8 18.6

3.2 网络孤立节点比例

所谓孤立节点,是指没有边与其相连接的节点。当某港口成为孤立节点时,意味着该集装箱港口因没有挂靠航线而停止运营。设航道受到攻击时网络孤立节点的比例为 ΔN ,计算方法如下：
ΔN = 1 - N * N × 100 % （3）
式中： N 和 N * 分别为遭受攻击前后的网络节点数。
由式（3）,可得到各航道分别遭受攻击时网络孤立节点比例变化（表4）,结果显示：马六甲海峡受到攻击时产生的孤立节点最多,比苏伊士运河和巴拿马运河分别多出1.23个百分点。分析表5发现,成为孤立节点的港口多处于跨区域航线的始末端。当马六甲海峡遭受攻击时,欧洲、中东和南亚与远东之间航线无法正常运行,导致欧洲、地中海、中东及亚洲部分喂给港成为孤立节点;当苏伊士运河遭受攻击时,欧洲与中东、南亚、远东和非洲东海岸之间航线无法正常运行,使得欧洲、中东、南亚、远东和非洲东海岸某些喂给港成为孤立节点;当巴拿马运河遭受攻击时,欧洲—美洲西海岸、欧洲—远东—美洲东海岸、大洋洲—美洲东海岸和美洲西海岸—美洲东海岸航线无法正常运行,导致欧洲、南亚、远东、大洋洲及美洲的一些喂给港成为孤立节点。
Tab. 4 Proportion of network isolated-nodes after themain channels are attacked

表4 三大主航道遭受攻击时网络孤立节点比例

攻击对象 无 马六甲海峡 苏伊士运河 巴拿马运河
孤立节点数 0 16 7 7
孤立节点比例(%) - 2.18 0.95 0.95
Tab. 5 The ports that become isolated nodes after themain channels are attacked

表5 三大主航道遭受攻击时产生的孤立节点

受攻击航道 港口 原节点度
马六甲海峡 伊利切夫斯特港(乌克兰) 7
阿巴斯港(伊朗) 5
塔兰托港(意大利) 4
威廉港(德国) 4
山打根港(马来西亚) 4
纳闽岛港(马来西亚) 4
斗湖港(马来西亚) 3
盖梅港(越南) 3
佩尼谢港(葡萄牙) 2
埃因苏赫纳港(埃及) 2
苏科纳港(埃及) 2
印诺尔港(印度) 2
蒙格拉港(孟加拉) 2
米里港(马来西亚) 2
西港港(马来西亚) 2
诗巫港(马来西亚) 2
苏伊士运河 塔兰托港(意大利) 4
威廉港(德国) 4
延布港(沙特阿拉伯) 3
盖梅港(越南) 3
勒波尔港(法国) 2
贾瓦哈拉尔港(印度) 2
贝岛港(马达加斯加) 1
巴拿马运河 斯拉维亚卡港(俄罗斯) 4
科鲁尼亚港(西班牙) 2
尤日内港(乌克兰) 2
罗摩港(斯里兰卡) 2
布拉夫港(新西兰) 2
科罗内尔港(智利) 2
圣安德烈斯港(哥伦比亚) 2

3.3 网络聚类系数

所谓网络聚类系数,即在网络中与同一节点连接的两节点之间相互连接的平均概率,体现了网络聚集的程度。在航运网络中,如果港口 v i 与某些港口可以直接通航,则定义这些港口为港口 v i 的邻居。根据复杂网络理论,港口 v i 的簇系数 C i 为[16]：
C i = 2 M i k i ( k i - 1 ， i = 1,2 , 3 , … , N （4）
式中： M i 为港口 v i 与相邻港口间存在的边数; k i 为与港口 v i 直接通航的港口数。
设 C 为网络聚类系数,有[16]
C = 1 N c ∑ i = 1 N C i ， i = 1,2 , 3 , … , N （5）
式中： N c 表示网络中簇系数不为0的节点数。
设遭受攻击时得到的网络聚类系数与原网络相比变化率为 ΔC ,则
ΔC = ( 1 - C * C ) × 100 % （6）
式中： C 和 C * 分别表示三大主航道遭受攻击前后的网络聚类系数。显然,网络聚类系数下降越多,表明网络对主航道的敏感程度越高。
由式（5）和式（6）,可得到各主航道分别遭受攻击时网络聚类系数的影响结果（表6）。结果显示：当各航道遭受攻击时,集装箱海运网络聚类系数下降,网络变得松散,聚集程度下降。其中,马六甲海峡遭受攻击时的网络聚类系数下降最多,比苏伊士运河和巴拿马运河分别多2.09个百分点和2.94个百分点。
Tab. 6 Change in the clustering coefficient after the main channels are attacked

表6 三大主航道遭受攻击时网络聚类系数变化

参数 未攻击前 马六甲海峡 苏伊士运河 巴拿马运河
聚类系数 0.4973 0.4788 0.4892 0.4934
变化率(%) - -3.72 -1.63 -0.78

3.4 网络平均距离

网络平均距离是衡量网络脆弱性的另一项重要指标。实际中,集装箱班轮公司选择开通航线时并不只是考虑港口间距离的远近,一般还会综合考虑运输需求量、空箱转运量、中转成本以及运输条件等各个方面的因素。所以,通常并不以传统的物理长度来表示港口之间的运输距离,而是选取连接两个港口之间最少的中转次数,即以两港最短路径需经过的边数来表示港口 v i 和港口 v j 之间的距离 d i , j 。设网络的平均距离（特征路径长度） L 为所有节点对之间最短距离的平均值,以此描述网络中所有节点间的平均分离程度。由复杂网络理论,其计算公式为[16]：
L = 1 N 2 ∑ i = 1 N ∑ j = 1 N d i , j （7）
对于集装箱海运网络的实际情况, d i , j = d j , i 且 d i , j = 0 ,则上式可化简为[16]：
L = 2 N ( N - 1 ∑ i = 1 N ∑ j = i + 1 N d i , j （8）
设遭受攻击时网络平均距离的变化率为 ΔL ,则
ΔL = ( 1 - L * L ) × 100 % （9）
式中： L 和 L * 分别表示遭受攻击前后的网络平均距离。显然,网络平均距离变化率越大,说明敏感程度越高。
由式（8）和式（9）,得到各主航道分别遭受攻击时网络平均距离的变化（表7）。从中可以看到,三大主航道遭受攻击时,网络平均距离明显增加,说明集装箱从始点向终点的运输过程中中转次数增加。其中,马六甲海峡最为敏感,比苏伊士运河和巴拿马运河分别多2.43个百分点和3.97个百分点。
Tab. 7 Change in the network average shortest-path lengthafter the main channels are attacked

表7 三大主航道遭受攻击时网络平均距离变化

参数 未攻击前 马六甲海峡 苏伊士运河 巴拿马运河
平均距离 3.4514 3.6824 3.5984 3.5452
变化率(%) - 6.69 4.26 2.72

3.5 网络效率

网络效率是网络所有节点的效率总和,反映了集装箱在网络上运行的难易程度。设网络的节点效率为 E i ,根据复杂网络理论,其计算公式为[16]：
E i = 1 ( N - 1 ∑ j = 1 ( j ≠ i ) N w i , j （10）
式中： w i , j 为距离 d i , j 的倒数。
设遭受攻击时得到的网络效率与原网络相比变化率为 ΔE ,则
ΔE = ( 1 - E * E ) × 100 % （11）
式中： E 和 E * 分别表示遭受攻击前后的网络效率。显然,网络效率下降越多,说明敏感程度越高。
由式（10）和式（11）,可得到各主航道分别遭受攻击时网络效率的变化（表8）。从中可以看到,三大主航道遭受攻击时,集装箱海运网络效率明显下降,说明集装箱在网络上运行的难度增加。其中,马六甲海峡最为敏感,分别比苏伊士运河和巴拿马运河多2.04个百分点和3.65个百分点。
Tab. 8 Change in the network efficiency after the mainchannels are attacked

表8 三大主航道遭受攻击时网络效率变化

参数 未攻击前 马六甲海峡 苏伊士运河 巴拿马运河
网络效率 0.3175 0.2991 0.3056 0.3107
变化率(%) - -5.79 -3.75 -2.14
综合以上各特征值的分析结果,将其汇总并计算变化幅度平均值。结果显示：马六甲海峡、苏伊士运河、巴拿马运河遭受攻击时网络特征值变化幅度的平均值分别为5.66%、3.45%和1.89%,其中马六甲海峡遭受攻击时网络特征值变化幅度的平均值分别比苏伊士运河和巴拿马运河多2.21个百分点和3.77个百分点,说明集装箱海运网络的脆弱性对三大主航道的敏感程度由高至低分别为马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河。同时,通过计算发现,全球海运网络未因三大主航道遭受攻击而破碎分解为多个子网络,说明三大主航道的中断虽然导致全球海运网络变得脆弱,但并未导致其崩溃。

4 对中国的影响

据统计,目前中国开展集装箱运输的港口有45个（台湾省未计入）,共挂靠航线1318条（不计重叠航线）,其中经过马六甲海峡的航线445条,经过苏伊士运河的202条,经过巴拿马运河的63条。

4.1 节点度变化分析

当各主航线分别遭受攻击时,中国集装箱港口节点度的减少情况见表9。节点度的减少反映了中国港口与周边港口直接通航能力的下降,其中,马六甲海峡和苏伊士运河遭受攻击时节点度变化最大的是深圳港,其次是上海港;巴拿马运河遭受攻击时节点度变化最大的是深圳港和青岛港（并列）,其次是香港港。
Tab. 9 Statistics of the ports in China for which node degree changes when the three main channels are attacked

表9 三大主航道遭受攻击时中国港口节点度变化统计

受攻击航道 港口 攻击前节点度 攻击后节点度 节点度减少值 变化率(%)
马六甲海峡 上海港 74 66 8 -10.81
香港港 68 61 7 -10.29
深圳港 59 49 10 -16.95
宁波港 54 48 6 -11.11
青岛港 44 43 1 -2.27
厦门港 40 34 6 -15
天津港 32 30 2 -6.25
大连港 28 24 4 -14.29
广州港 25 22 3 -12
福清港 15 13 2 -13.33
福州港 13 10 3 -23.08
汕头港 11 9 2 -18.18
苏伊士运河 上海港 74 72 2 -2.7
香港港 68 64 4 -5.88
深圳港 59 51 8 -13.56
宁波港 54 51 3 -5.56
厦门港 40 37 3 -7.5
大连港 28 26 2 -7.14
巴拿马运河 上海港 74 72 2 -2.7
香港港 68 65 3 -4.41
深圳港 59 55 4 -6.78
宁波港 54 53 1 -1.85
青岛港 40 40 4 -9.09
厦门港 28 38 2 -5
对比发现,所有在苏伊士运河遭受攻击时节点度减少的港口（上海港、香港港、深圳港、宁波港、厦门港及大连港）,在马六甲海峡遭受攻击时其节点度也会减少,且减少值相同,这说明中国—欧洲航线均同时经过马六甲海峡和苏伊士运河,其中任何一条航道受到攻击,中国—欧洲航线都将无法正常运行。由于中国与欧洲间的海上运输几乎全部是集装箱方式,因此若中国—欧洲航线中断,将导致中国每年出口欧洲超过1千万TEU的轻工和机电产品,以及从欧洲进口超过350万TEU机械和电子等高附加值产品的运输受到影响,进而对中国相关产业造成巨大冲击。当巴拿马运河遭受攻击时,只有上海港、香港港、深圳港、宁波港、青岛港及厦门港的节点度减少且减少幅度较小,其原因是中国至美洲东海岸的集装箱只在上述港口中转,且所有中国—美洲东海岸集装箱干线在中国只挂靠上述6个港口。此外,统计结果显示,在中国挂靠并经过巴拿马运河的所有航线都以美国东海岸港口为目的港,若巴拿马运河遭受攻击,将导致中国每年超过330万TEU出口美国东海岸的机电产品和轻工产品及原料的运输受阻。

4.2 网络距离变化分析

节点度变化在一定程度上反应了港口受到的影响,但不足以描述中国集装箱运输整体情况受到的影响,还需分析网络距离的变化。当马六甲海峡、苏伊士运河和巴拿马运河受到攻击时,中国分别与全球其他485个港口（7258对始终港）、257个港口（4123对始终港）和133个港口（2842对始终港）之间的网络距离出现了不同程度的增加（表10）,说明集装箱在其间的中转次数增加,运输效率下降。
Tab. 10 Statistics of the change of Chinese ports' network shortest-path lengths after the main channels are attacked

表10 三大主航道遭受攻击时中国港口网络距离变化统计

攻击对象 马六甲海峡 苏伊士运河 巴拿马运河
网络距离增加的港口数(个) 485 257 133
网络距离增加的
始终港数(对)		 7258 4123 2842

4.3 替代航线分析

海上运输的最大特点,是各航线途径的海上航道不一定是唯一的。因而,当三大主航道因恐怖袭击、军事封锁或政治因素导致通航短时间受阻或较长时间中断时,仍可临时利用替代航线进行运输。由于地理分布特点,各替代航线的情况又有所不同。
当马六甲海峡通航受阻时,中国—南亚、中国—中东、中国—欧洲及中国—非洲航线可经巽他海峡绕道苏门答腊岛南部进行运输,其航线距离将因此增加约760 n mile。例如,上海港—科伦坡港原航线距离为4030 n mile,替代航线的距离为4790 n mile,增加18.86%（图2a）。
Fig. 2 Alternative shipping lines when the main channels are attacked

图2 三大主航道遭受攻击时的替代航线

当苏伊士运河通航受阻时,中国—地中海、中国—欧洲及中国—西非航线可绕道好望角或利用海陆联运的方式运输（图2b）。若绕道好望角经大西洋至欧洲,则航线距离因此增加3430 n mile。例如,上海港—鹿特丹港原航线距离为10750 n mile,替代航线的距离为14180 n mile,增加31.91%;若利用海陆联运方式运输,以上海港—鹿特丹港为例,集装箱从上海港出发,经海运至沙特阿拉伯的吉达港,转陆运至以色列的阿什杜德港或海法港,再由海运至鹿特丹港,海运距离分别为10500 n mile和10530 n mile,陆运距离分别为530 km和630 km,运输距离虽然变化不大,但阿什杜德港和海法港的年通过能力总和不超过400万TEU,远不能满足中欧之间每年超过1350万TEU的运输需求。因此,当苏伊士运河遭受攻击时,大部分集装箱运输还需绕道好望角。
当巴拿马运河通航受阻时,中国—美洲东海岸航线可选择西行跨越印度洋、地中海及大西洋进行运输,或者东行利用海陆联运的方式运输（图2c）。若西行,则航线距离增加2000 n mile,例如上海港—纽约港原航线距离为10580 n mile,西行的替代航线距离将延长至12580 n mile,增加18.90%;若东行利用海陆联运的方式,以上海—纽约为例,集装箱货物从上海港出发经海运至洛杉矶港或长滩港,再转陆路运至纽约港,其海运距离为5770 n mile,陆路运距约为4430 km。
综上所述,当三条主航道遭受攻击时,替代航线能够在一定程度上维系中国港口与全球其他港口的连接,使得集装箱运输总体上不会中断,但与原航线相比,海运替代航线增加了海运距离,海陆联运替代航线增加了陆运距离及换装费用,导致运输成本急剧上升,将对中国进出口货物的运输产生十分不利的影响。

5 结论与讨论

（1）在全球2827条航线和734个集装箱港口中,经过马六甲海峡、苏伊士运河和巴拿马运河的航线分别为643条、285条和108条,占航线总数的22.74%、10.08%和3.82%;涉及的挂靠港口分别为188个、117个和92个,占港口总数的25.61%、15.94%和12.53%,表明上述三大主航道在全球集装箱网络中占有极其重要的地位,对集装箱运输的通畅有较大影响。
（2）通过对各网络特征值变化的分析,显示三大主航道在遭受攻击时对全球集装箱海运网络的影响十分明显,其中马六甲海峡对全球集装箱海运网络的脆弱性影响最大,其次是苏伊士运河及巴拿马运河。
（3）统计表明,全球集装箱海运网络中包含中国港口45个、挂靠航线1318条,其中,经过马六甲海峡、苏伊士运河和巴拿马运河的分别为445条、202条和63条。当马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河分别遭受攻击时,节点度减少的港口分别为12个、6个和6个,且中国港口分别与全球485个、257个和133个港口之间共计7258对、4123对和2842对始终港的网络距离出现不同程度的增加,影响较大。
（4）结合地理特征,当马六甲海峡遭受攻击时,中国—南亚、中国—中东、中国—欧洲及中国—非洲航线可经巽他海峡绕道苏门答腊岛南部进行运输;当苏伊士运河遭受攻击时,中国—地中海、中国—欧洲及中国—西非航线可绕道好望角或利用海陆联运的方式运输;当巴拿马运河遭受攻击时,中国—美洲东海岸航线可西行跨越印度洋、地中海及大西洋进行运输或东行利用海陆联运的方式运输。虽然大体上可以维持与世界各港的互联互通,但替代航线较原航线的运输效率将大幅度降低。
以上分析表明,一旦三大主航道运输受阻,将对全球集装箱海运网络及中国集装箱运输产生严重影响。需要说明的是,主航道因局部战争或军事封锁而较长时间中断是一种极端情况,而因恐怖袭击或海盗袭船等因素导致短时间运输受阻却随时可能发生,因此在全球集装箱海运网络对马六甲海峡、苏伊士运河及巴拿马运河的依赖日益增强,恐怖主义日益盛行和国际政局动荡加剧的背景下,为保障各主航道运输通畅,维护中国经济运行稳定,提出以下几点对策：① 提升对海运安全保障重要性认识,维护中国周边海域的安全,加强建设海上安全保障力量,为恐怖袭击及海盗袭船频发地区的航线提供护航;② 积极寻求国际合作,与主航道附近国家结为海运同盟,加强与海上强国之间的合作,寻求共同利益;③ 利用“一带一路”建设的契机,寻求开辟新的海上或陆上交通通道,减少各主航道对中国海上运输的制约,提高互联互通和应对各种危机的能力。关于全球集装箱海运网络中的权重问题将是下一步研究的内容。

The authors have declared that no competing interests exist.

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莫辉辉, 王姣娥, 金凤君. 交通运输网络的复杂性研究. 地理科学进展, 2008, 27(6): 112-120.通过分析复杂网络理论在航空、轨道交通(地铁和铁路)、城市交通(公交和道路)等中的应用,指出系统复杂性是交通运输网络复杂性的根源,以及复杂网络分析方法中忽视地理空间性所引起的问题,即一般性地认为交通运输网络为小世界网络或无标度网络.目前基于统计物理学的交通运输网络的复杂性研究多为拓扑化的理论分析或数据建模,与实际网络结构特征及动力学机理仍存在较大差距.研究进一步指出,交通运输网络由需求网络、组织网络、径路网络和设施网络四种网络结构组成,是一类具有"开放性"复杂系统的网络化复合结构.交通运输作为一门实践应用性较强的学科,应围绕"理论→模型与方法→实践"模式前向性循环推进.综合分析复杂网络的理论与实践情况,提出未来交通运输网络的复杂性研究的主要内容:①对交通运输系统的网络结构复杂性的基础认识;②以地理空间特性为基础的网络复杂性分析;③基于组织与效率的网络结构复杂性分析及应用:④相互作用产生的各种流与网络结构的互动关系;⑤网络局域结构特征及对广域结构的影响:⑥系统开放性对网络演化的影响.

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[Mo Huihui, Wang Jiaoe, Jin Fengjun.Complexity perspectives on transportation network. Progress in Geography, 2008, 27(6): 112-120.]

[23]
石超峰, 徐寅峰. 突发事件对交通网络的影响评估指标和方法. 运筹与管理, 2013, 22(4): 144-150.近年来,由于自然灾害,不断地环境恶化以及不可预测的灾害侵袭,突发事件时有发生,突发事件可能对交通网络产生非常严重的影响。本文给出了一些指标来表征突发事件对交通网络的影响程度。这些指标适用于用户最优、系统最优以及效率损失等情形。我们给出了这些指标的性质并讨论了在用户最优、系统最优以及效率损失等情形下的指标之间的关系。交通网络的数值算例表明了关于突发事件的指标的合理性。突发事件对交通网络的影响程度评估对于道路规划、道路维护以及网络脆弱性分析均有重要意义。

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[Shi Chaofeng, Xu Yinfeng.Link importance identification of transportation networks in the emergency. Operations Research and Management Science, 2013, 22(4): 144-150.]

[24]
胡一竑, 吴勤旻, 朱道立. 城市道路网络的拓扑性质和脆弱性分析. 复杂系统与复杂性科学, 2009, 6(3): 69-76.基于GIS技术和复杂网络理论,研究国内包括杭州、苏州在内的江浙4座城市的街道网络的复杂性.分析了街道网络的基本拓扑性质,如点度分布、路径长度分布、网络效率,发现这4个街道网络尽管规模、历史、经济各不相同,但性质非常相似.然后进行城市街道网络的脆弱性分析,通过比较随机和蓄意两种攻击策略,发现城市街道网络对随机攻击很稳健,而对基于点度和介数的选择性攻击策略很脆弱,说明点度和介数是很有用的,找到关键节点和预先防御的指标,这对城市应急管理、应急交通调度和导航都具有借鉴意义.

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[Hu Yihong, Wu Qinmin, Zhu Daoli.Topological properties and vulnerability analysis of spatial urban street networks. Complex Systems and Complexity Science, 2009, 6(3): 69-76.]

[25]
张勇, 屠宁雯, 陶骏杰. 道路交通网络脆弱性动态识别方法. 交通运输工程学报, 2014, 14(5): 74-81.分析了路段和节点的流量传播过程与离散的瞬时动态用户最优路径选择均衡条件,建立了反应型的动态用户均衡网络交通流模型,设计了对角化的启发式算法求解模型,评价了动态化的道路网络脆弱性指数。分析结果表明在自由流速度为40km？h-1、堵塞密度为125veh？km-1的9节点12路段构成的算例路网中,在时刻3路段1受损时,路段3在高峰时的车辆数量从原有的50veh增加到了100veh,入口流量增加1倍,路段2的入口流量降为0;在路段3、6、7和10构成的路径上,路段1受损使得此路径的车辆数将近增加1倍,车辆数量的增加导致各路段的阻抗增加。提出的方法能刻画车辆绕开受损路段的交通流传播过程,能有效辨识道路网络在各个路段各个时刻的脆弱性。

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[Zhang Yong, Tu Ningwen, Tao Junjie.Identification method of dynamic road traffic network vulnerability. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2014, 14(5): 74-81.]

[26]
种鹏云, 帅斌. 基于复杂网络的危险品运输网络抗毁性测度分析. 中南大学学报: 自然科学版, 2014, 45(5): 1715-1723.在构建危险品运输网络模型的基础上,采用复杂网络理论对该网络模型抗毁性测度及特性进行研究。首先,根据网络模型的配送特性,提出"网络风险效率"和"最大连通度"抗毁性测度;接着,通过建立危险品运输网络介数模型和对道路网络节点和边的随机和蓄意攻击,描述网络模型的流量和拓扑特性,继而构建基于复杂网络理论的危险品运输网络抗毁性研究框架。实验结果表明:本文构建的抗毁性测度可以很好表征危险品运输网络的抗毁性能水平,且网络抗毁性是由少数节点和边维系的;无论节点攻击还是边攻击,网络均表现出对随机攻击的鲁棒性和蓄意攻击的脆弱性,故抗毁特性更接近于无标度网络,且边的抗毁性高于节点的抗毁性;此外,在攻击较多节点和边时,度攻击的抗毁性较弱,且网络配送的可达性优于风险值增长水平。

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[Chong Pengyun, Shuai Bin.Measure of hazardous materials transportation network invulnerability based on complex network. Journal of Central South University: Science and Technology, 2014, 45(5): 1715-1723.]

[27]
段东立, 吴俊, 邓宏钟, 等. 基于可调负载重分配的复杂网络级联失效模型. 系统工程理论与实践, 2013, 33(1): 203-208.针对现实网络上的负载重分配规则常常是介于全局分配与最近邻分配、均匀分配与极端非均匀分配的特点,提出了一种可调负载重分配范围与负载重分配异质性的复杂网络级联失效模型,并分析了该模型在无标度网络上的级联失效条件.解析与仿真结果表明,合理调节负载重分配的范围、负载重分配的异质性可以显著提高复杂网络抵御级联失效的抗毁性.

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[Duan Dongli, Wu Jun, Deng Hongzhong, et al.Cascading failure model of complex networks based on tunable load redistribution. Systems Engineering-Theory & Practice, 2013, 33(1): 203-208.]

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Latora V, Marchiori M.Is the Boston subway a small-world network?. Physica A-Statistical Mechanics and Its Application, 2002, 314(1-4): 109-113.The mathematical study of the small-world concept has fostered quite some interest, showing that small-world features can be identified for some abstract classes of networks. However, passing to real complex systems, as for instance transportation networks, shows a number of new problems that make current analysis impossible. In this paper we show how a more refined kind of analysis, relying on transportation efficiency, can in fact be used to overcome such problems, and to give precious insights on the general characteristics of real transportation networks, eventually providing a picture where the small-world comes back as underlying construction principle.

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Latora V, Marchiori M.How the science of complex networks can help developing strategies against terrorism?. Chaos Solitons & Fractals, 2004, 20(1): 69-75.ABSTRACT A new method, based on a recently defined centrality measure, allows to spot the critical components of a generic complex network. The identification and protection of the critical components of a given communication–transportation network should be the first concern in order to reduce the consequences of terrorist attacks. On the other hand, the critical components of a terrorist organization are the terrorists to target to disrupt the organization and reduce the possibility of terroristic attacks.

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[30]
李颖, 陈其慎, 柳群义, 等. 中国海外矿产资源供应安全评价与形势分析. 资源科学, 2015, 37(5): 900-907.为系统研究我国矿产资源海外供应的总体安全状况,本文创建了集资源综合对外依存度、资源通道依存度和资源地域依存度为一体的海外矿产资源供应安全指标体系,及对应的计算模型.收集了2013年我国39种矿产资源的进出口价值、消费量等数据,测算了2013年我国资源综合对外依存度、资源通道依存度和资源地域依存度,分析了我国海外矿产资源供应安全形势.研究结果表明,我国矿产资源综合对外依存度过高,而且呈不断上升趋势,对资源安全影响较大;我国南海地区尤其是马六甲海峡,资源通道依存度过高,对资源安全风险较大;我国中东、非洲矿产资源地域依存度相对较高,存在一定安全风险.建议增加陆路通道资源进口比例,加强我国矿产品、产地和产能储备工作,保障我国矿产资源安全.

[Li Ying, Chen Qishen, Liu Qunyi, et al.An indicator system for overseas mineral resource supply security and analysis of the security situation for China's overseas resource supply. Resources Science, 2015, 37(5): 900-907.]

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史春林, 李秀英. 苏伊士运河与航运安全. 太平洋学报, 2014, 22(10): 79-90.

[Shi Chunlin, Li Xiuying.The Suez Canal and shipping security. Pacific Journal, 2014, 22(10): 79-90.]

[32]
Alarcon L, Ashley D, Hanily A, et al.Risk planning and management for the Panama Canal expansion program. Journal of Construction Engineering and Management-ASCE, 2011, 137(10): 762-771.In April 2006, the Panama Canal Authority formally proposed a major expansion of the canal to increase its capacity and make it more productive, safe, and efficient. This proposal included cost and schedule estimates for completing the expansion and was supported overwhelmingly by the citizens of Panama in an October 2006 public referendum. Given the conceptual level of design at the time of the proposal and the inherent uncertainty in a project of this magnitude at the early stages of engineering, a comprehensive risk analysis was performed to develop a contingency model for the total expansion program cost and schedule. This contingency model is based on a Monte Carlo simulation of the cost and schedule estimates, taking into account the most significant risks identified for the project. The resulting model provides contingency assessments for duration and total cost and sensitivity analysis of the risks; it also allows for multiple scenario planning and ultimately supports overall risk management. This paper presents a project case study that focuses on the contingency model development and the resulting risk management and contingency resolution processes.

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Rosenberg D, Chung C.Maritime security in the South China Sea: Coordinating coastal and user state priorities. Ocean Development and International Law, 2008, 39(1): 51-68.Maritime security concerns in the South China Sea are increasing for several reasons: higher volumes of shipping traffic, protection of exclusive economic zone resources, piracy, terrorist threats, greater international scrutiny of ports and shipping, and the modernization of regional naval and coast guard forces. Coastal states and international user states have many overlapping interests in the South China Sea, for example, in promoting safe navigation through its busy sea-lanes. On other issues, in particular, antipiracy or anti-maritime terrorism measures, they have different views about the seriousness of the threats and the responses necessary to address them. This article examines the convergent and divergent maritime security interests of coastal states (China, Indonesia, Malaysia, and Singapore) and international user states (Australia, India, Japan, and the United States) in the South China Sea. It finds that multiple stakeholders pursuing diverse interests have yet to close the gap between goals and means of achieving maritime security.

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杜德斌, 马亚华, 范斐, 等. 中国海上通道安全及保障思路研究. 世界地理研究, 2015, 24(2): 1-10.改革开放以来,尤其是加入WTO后,中国经济业已形成"两头在外、两头在海"的运行格局。对外贸易运输量巨大,且地区分布相对集中,加之海域的封闭或半封闭性特点,中国海洋运输对马六甲海峡等海上通道的依赖程度远高于其他国家;由于尚未构建起与自身经济实力和现实需要相匹配的海上安全保障体系,中国海外供应链暴露于多种安全威胁之下,使国民经济体系潜伏安全隐患,这些战略性威胁主要来自美、日、印三个国家,其中美国是唯一可动用全球性同盟力量关闭主要海上通道、瘫痪中国运输体系的国家。因此,基于对中国海上通道安全态势的解析和中国所拥有的战略资源的综合考虑,本文提出"以合作化解风险,以威慑保障安全"的总体思路,即以建构中美"新型大国关系"为中心,大力推进与美国、俄罗斯和航线周边国家在战略及各事务性领域的合作,同时沿南海、印度洋方向进行预防性战略部署,提升海上力量的威慑能力,从根本上保障中国海上通道安全。

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[Du Debin, Ma Yahua, Fan Fei, et al.China's maritime transportation security and its measures of safeguard. World Regional Studies, 2015, 24(2): 1-10.]

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