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“丝路”海运网络的脆弱性及风险控制研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

吴迪¹^,, 王诺¹^,, 于安琪¹, 关雷¹^,²

1. 大连海事大学交通运输工程学院,大连 116026

2. 大连港集团有限公司博士后科研工作站,大连 116026

Vulnerability and risk management in the Maritime Silk Road container shipping network

WUDi¹^,, WANGNuo¹^,, YUAnqi¹, GUANLei¹^,²

1. College of Transportation Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning, China

2. Postdoctoral Research Station of Dalian Port Corporation Limited, Dalian 116026, Liaoning, China

通讯作者:通讯作者：王诺(1954-), 男, 辽宁大连人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事交通运输规划与管理相关研究。E-mail: wangnuodl@126.com
收稿日期:2017-06-12
修回日期:2018-04-22
网络出版日期:2018-06-25
版权声明:2018《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:

国家自然科学基金项目(71372087)

国家海洋软科学项目(JJYX201612-1)

辽宁省社科基金重点项目(L15AJY014)

作者简介:
-->作者简介：吴迪(1989-), 男, 黑龙江大庆人, 博士研究生, 主要从事交通运输规划与管理相关研究。E-mail: wudidlmu@163.com

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摘要
为研究海上丝绸之路集装箱海运网络的脆弱性,对沿线集装箱港口及挂靠航线进行了统计,构建了海上丝绸之路集装箱海运网络,以随机攻击和蓄意攻击两种方式分别对网络的平均度、孤立节点比例、聚类系数、平均路径长度、网络效率和最大连通子图相对大小等反映网络连通性特征值的变化进行了研究。结果表明“丝路”海运网络在受到随机攻击时较为“强壮”,在受到蓄意攻击时相对脆弱。经进一步挖掘,揭示了蓄意攻击下网络开始崩溃和完全崩溃的临界点,并据此指出了需重点保护的枢纽干线港;结合地理特征,分析了“丝路”中主要海上通道通航受阻时网络连通性的变化,发现马六甲海峡、台湾海峡、曼德海峡及苏伊士运河对网络的脆弱性影响最为显著。为进行风险评价,分析了“丝路”网络脆弱性形成因素和抗毁性机制,并提出了相应的抗毁性评价方法,经计算得出南亚为“丝路”网络中抗毁性最薄弱的区域。最后,结合地缘风险分析,提出了相应的对策和建议。本研究对于认清“丝路”海运网络的脆弱性及风险控制方法,保障其互联互通,具有重要的理论意义和应用价值。

关键词：海上丝绸之路;集装箱;网络;连通性;脆弱性;风险;抗毁性
Abstract
The Maritime Silk Road is representative of China's global strategy of this century. The road runs through the western Pacific Ocean, the southern Indian Ocean, the Mediterranean Sea, and the eastern Atlantic Ocean, connecting most of the ports in Eurasia and northeastern Africa from east to west. As world economy dependence on container shipping has been constantly increasing and terrorism has quickly spread, research on the vulnerability and geopolitical risk of the Maritime Silk Road container shipping network is crucial in establishing and improving the security mechanism in the global economy operation, as well as in guaranteeing unobstructed container shipping. Our study specifically addresses this issue through a statistical analysis of all ports and shipping lines in the Maritime Silk Road operated by global container shipping companies in 2015, covering 93% of the global container shipping capacity. The results highlight the presence of 2429 shipping lines and 440 ports in the Maritime Silk Road container shipping network. Based on these statistics, we calculated the rates of change of network average degree, isolated-node proportion, clustering coefficient, network average shortest-path length, network efficiency, and relative size of the largest connected subgraph when the network is under either random or intentional attack. Results indicate that the network is robust under random attack, but vulnerable under an intentional one. We find that the top 53 ports with the largest node strength are hub/mainline ports which require more careful protection, as the network begins to collapse when the intentional attack rate reaches 12%, with a complete collapse when such a rate is 30%. Moreover, by combining geographical features and calculating the rates of change of the network metrics when the main channels in the Maritime Silk Road are interrupted, we find that the straits of Malacca, Taiwan, and Mandeb, as well as the Suez Canal are the most influential channels, thus requiring more attention in terms of protection. In the risk evaluation, the factors determining network vulnerability and survivability are analysed. As for the latter, we find that South Asia is the weakest area in the network. Then, by combining geopolitical and economic factors, we considered the geopolitical risk of the Maritime Silk Road container shipping network. Finally, we formulated corresponding policy recommendations from the perspective of maritime security. Overall, this paper is of great theoretical significance and practical value in the study of vulnerability and risk management of the Maritime Silk Road container shipping network.

Keywords：the Maritime Silk Road;container;network;connectivity;vulnerability;risk;survivability

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吴迪, 王诺, 于安琪, 关雷. “丝路”海运网络的脆弱性及风险控制研究[J]. 地理学报, 2018, 73(6): 1133-1148 https://doi.org/10.11821/dlxb201806011
WU Di, WANG Nuo, YU Anqi, GUAN Lei. Vulnerability and risk management in the Maritime Silk Road container shipping network[J]. Acta Geographica Sinica, 2018, 73(6): 1133-1148 https://doi.org/10.11821/dlxb201806011

1 引言

21世纪海上丝绸之路,主要指由东亚经东南亚、南亚、西亚、东非和地中海,西至欧洲的海运走廊^[1]。在当前恐怖主义肆意蔓延,部分地区政治局势动荡的背景下,研究海上丝绸之路集装箱海运网络（简称“丝路”网络）的脆弱性,找出其薄弱环节,进而制定相应的安全保障策略,对于确保“丝路”网络互联互通和安全运行,促进中国与“丝路”沿线各国的贸易合作具有重要意义。
脆弱性是地理学领域的重要概念,在灾害管理、生态学、公共健康、气候变化等方面均有应用^[2],如气候变化下生态系统的脆弱性^[3,4],自然灾害区域脆弱性^[5,6]及评价指标体系^[7],城市经济系统脆弱性^[8,9]等。在交通领域,交通网络的脆弱性是指网络受到攻击或局部失效时对网络连通性的影响程度,主要关注当某些节点或路径等要素失效或出现扰动的情况下对系统整体的影响。在这方面,王诺等针对全球集装箱海运构建了无向无权网络,并对其脆弱性及变化进行了研究^[10];王成金等分析了现代集装箱航运的空间组织结构及演进理论^[11,12];杜超等研究了集装箱海运无向无权网络的复杂性^[13]和拓扑特性^[14];邓贵仕等对不同节点失效策略下,全球集装箱海运网络受影响的程度进行了研究^{[15,16,17,18]};金凤君等揭示了铁路网络的空间通达性^[19]和拓扑特性^[20];还有****对航空网络的空间组织结构^[21]、空铁复合网络遭受攻击时系统的失效过程^[22]和不同交通网络的复杂性特征进行了研究^[23]。关于交通网络的抗毁性,即网络受到攻击或局部失效时的自我调节和保持连通的能力问题,主要涉及当某些节点或路径失效时是否存在替代节点或路径以维持网络连通的分析。在这方面,钟少颖等对城市交通网络的抗毁性进行了分析和优化^[24,25];钟云鹏等认为危险品运输网络的抗毁性主要是由少数节点和边所维系^[26];黄英艺等研究了级联失效传播对运输网络抗毁性的影响^[27]。上述研究虽然讨论了集装箱海运网络、铁路网络、航空网络以及城市交通网络的脆弱性和抗毁性,具有一定的借鉴价值,但对于东起东亚西至欧洲,由台湾海峡、马六甲海峡、曼德海峡、苏伊士运河、直布罗陀海峡及英吉利海峡等海上通道串联而成的“丝路”网络的脆弱性和抗毁性还缺少专门研究。在地理特点上,“丝路”网络对沿线枢纽/干线港及海上通道等关键节点的安全和通畅极为敏感,任何一个关键节点无法正常运营都将导致“丝路”网络的运输受阻,因而需要有针对性的深入分析。
目前,关于海运安全方面的研究主要包括港口安全和海上通道安全两个方面：对于港口安全,Yang等利用模糊评价法对恐怖袭击背景下港口安全的可靠性进行了分析^[28,29];Talas等研究了集装箱港口安全系统的构建与优化^[30];Germond分析了地缘因素对海运安全的影响^[31]。对于海上通道安全,吕靖等运用投入产出法分析了主要海上通道的安保效率^[32];赵旭等分别利用投影寻踪法^[33]和盲数理论^[34]研究了中国海上战略通道所面临的安全风险;Rusli等分别对马六甲海峡^[35]和苏伊士运河^[36]的作用及安全进行了分析;Rosenberg和杜德斌分别对南海航运安全^[37]和中国海上通道安全保障^[38]进行了研究等。上述研究虽然涉及了“丝路”中部分港口及海上通道的安全保障问题,但还缺少从整体互联互通的角度,全面分析“丝路”网络中薄弱环节的相关研究。此外,海上丝绸之路途径西太平洋、北印度洋、中东和欧洲等地区,其地缘政治环境复杂多变,港口安全和航道通畅面临着诸多的风险和挑战,因而需要对“丝路”中不同地区的地理要素和政治格局可能引起的风险进行有针对性的分析^[39],进而制定相应的安全保障对策。
针对以上问题,本文统计了全球集装箱班轮公司在“丝路”沿线港口挂靠的航线数据,构建出相应的集装箱海运网络,并对该网络的特性进行了分析。本文的主要贡献是：① 通过计算随机攻击和蓄意攻击下网络连通性特征值的变化,分析了不同情况下该网络的脆弱性,揭示了蓄意攻击下该网络开始崩溃和完全崩溃的临界点,得到了对连通性起重要作用的枢纽/干线港;② 将复杂网络理论引入地缘研究,分析了海上通道的通畅对“丝路”网络脆弱性的影响,指出了安全保障的重点区域;③ 对“丝路”网络脆弱性形成因素和抗毁性机制进行了分析和评价,结合地缘政治及经济形势,对其安全保障所面临的挑战进行了分析,并提出了相应的对策和建议。

2 “丝路”网络结构分析

2.1 网络构建

“丝路”网络的地理分布如图1所示。对于以班轮形式运输的集装箱海运而言,一条航线是由若干条箱位相近的船舶按照固定班期连续在港口间进行运输的,即某一航线基本上每周同一天都有箱位相近的船舶在同一港口挂靠。因此,如果将航线视为管道,将港口视为由管道连接的水池,则航线中船舶的箱位总和即为管道口径,进而可以将两港口间所有航线的箱位总和视为两港口间的最大通过能力。据此,“丝路”网络模型构建方式如下：

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图1“丝路”网络基本分布
-->Fig. 1Location of Maritime Silk Road container shipping network
-->

（1）一城一港,每个港口城市为1个节点。
（2）若节点i和节点j为任一航线相邻的两个挂靠港,则认为节点i和j之间有边连接,且不重复连接。
（3）港口间的运输是往返的,因此不考虑边的方向,将网络抽象为无向网络。
（4）以所有连续挂靠港口i和港口j航线的船舶箱位之和为节点i和j之间边的权重。边权重越大,则说明运输能力越大。
为研究“丝路”海运网络的脆弱性,本文对2015年在网上发布航班信息的所有集装箱班轮公司（占全球集装箱船舶总运力的93%）挂靠的港口和航线进行了统计,结果显示全球共有集装箱港口734个,航线2827条（重叠航线不计）,其中,在“丝路”网络中共有集装箱港口440个,航线2429条,分别占全球集装箱港口和航线总数的59.95%和85.92%,表明“丝路”网络覆盖面相当广泛。

2.2 网络特性分析

2.2.1 无标度特性经统计分析,得到“丝路”网络港口节点度概率分布曲线（图2）,该曲线满足截断递减幂律分布,即度值（连接边数）较大的节点（港口）所占比例较小,度值较小的节点所占的比例较大,说明该网络具有无标度特性^[22],其中节点度排名前10位的港口如表1所示。由于无标度网络具有增长性和偏好依附性的特点,因此随着“丝路”的发展,该网络的规模将不断扩大,新加入的港口将倾向于连接原网络中度值较大的港口。

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图2“丝路”网络节点度概率分布
-->Fig. 2Distribution of port’s node degrees in the Maritime Silk Road container shipping network
-->

Tab. 1
表1
表1节点度排名前10位的港口
Tab. 1Top 10 ports with the largest node degree

排名	港口	国家	节点度
1	新加坡港	新加坡	97
2	巴生港	马来西亚	76
3	釜山港	韩国	74
4	鹿特丹港	荷兰	64
5	上海港	中国	62
6	杰贝阿里港	阿联酋	54
7	香港港	中国	53
8	深圳港	中国	49
9	丹戎帕拉帕斯港	马来西亚	49
10	高雄港	中国	47

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2.2.2 小世界特性为分析“丝路”网络的小世界特性,分别对该网络和同等规模随机网络的平均路径长度和聚集系数进行计算,结果如表2所示。
Tab. 2
表2
表2“丝路”网络与同等规模随机网络特征值比较
Tab. 2Comparison of Maritime Silk Road container shipping network and same-size random network metrics

网络	节点数	网络平均度	平均路径长度	聚集系数
“丝路”网络	440	8.8955	3.2379	0.5158
随机网络	440	8.8977	3.0163	0.0194

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计算结果表明,“丝路”网络的平均路径长度为3.2379,聚集系数为0.5158,而同等规模的随机网络平均路径长度为3.0163,聚集系数为0.0194,即“丝路”网络具有与同等规模随机网络相当的平均路径长度和较大的聚集系数,因此具有一定的小世界特性,即对于拥有440个港口节点的网络,集装箱的海上运输从起始港到目的港平均只需中转2次。另外,还发现“丝路”网络的平均路径长度略高于同等规模的随机网络,这是由于海运在一定程度上受到海洋地理及航道分布等因素的限制,船舶不能随意航行,大部分跨区域航线需途经某些海峡或运河进行运输。

3 脆弱性的内涵及衡量指标

所谓网络的脆弱性,是指在网络的结构发生变化时,网络连通性受到影响的程度。在“丝路”网络中,其脆弱性指由于台风、海啸、恐怖袭击或军事封锁等突发事件导致部分航线或港口不能正常营运时,网络连通性受到影响的程度。因此,“丝路”网络的脆弱性可以通过网络遭受攻击后各特征值的变化来分析。
（1）网络平均度,即网络中所有节点度（与节点相连接边的数量）的平均值。实际中,当网络遭受攻击时,随着网络节点和边的减少,其网络平均度必然发生变化,变化越大说明网络越敏感,也意味着更为脆弱。设K为网络平均度,N为网络中节点总数,k_i为节点i的节点度,则^[10]

K = \frac{1}{N} \overset{N}{\sum_{i = 1}} k_{i}

（1）
（2）孤立节点比例,即没有边与其相连接的节点所占的比例。当网络中的港口因遭受攻击而无法正常运营时,其与周边港口的边将断开连接,进而可能使其周边的支线港或喂给港成为孤立节点,影响整个网络的规模和连通性。设N和N^*分别为网络遭受攻击前后的节点总数,则孤立节点比例ΔN为^[10]

Δ N = (1 - \frac{N^{*}}{N}) \times 100 %

（2）
（3）聚集系数,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。聚集系数能够反映出网络的聚集程度,一般情况下,当遭受攻击时,网络将变得松散,导致聚集系数下降。设港口i的簇系数为C_i,则^[10]

C_{i} = \frac{2 M_{i}}{k_{i} (k_{i} - 1)}, i = 1, 2, 3, ?, N

（3）
式中：M_i为港口i的相邻港口间存在的边数。进而网络的聚集系数C的计算公式为：

C = \frac{1}{N} \overset{N}{\sum_{i = 1}} C_{i}

（4）
（4）平均路径长度,即网络中所有节点对之间最短路径经过边数的平均值。一般情况下,在网络遭受攻击但未导致网络破碎时,平均路径长度能够反映节点间的平均分离程度。设d_ij为港口i和港口j之间最短路径经过的边数,则网络平均路径长度L的计算公式为^[10]：

L = \frac{2}{N (N - 1)} \overset{N}{\sum_{i = 1}} \overset{N}{\sum_{j = i + 1}} d_{ij}

（5）
（5）网络效率,即网络所有节点效率的总和,其中节点效率为两节点之间路径长度的倒数。网络效率能够反映集装箱在网络中运输的难易程度,网络效率越高说明其连通性越好。设h_ij为距离d_ij的倒数,E为网络效率,则^[10]：

E = \frac{1}{N (N - 1)} \overset{N}{\sum_{i = 1}} \overset{N}{\sum_{j = 1 (j \neq i)}} h_{ij}

（6）
（6）最大连通子图相对大小,即最大连通子图中节点的数量与网络节点总数的比值^[22]。通过分析网络遭受攻击前后该特征值的变化,能够直观的反映出网络受到破坏的程度。设N′为网络遭受攻击后最大连通子图中节点的数量,则最大连通子图相对大小G的计算公式为：

G = \frac{N'}{N}

（7）
（7）节点强度,即与某节点相连所有边的权重之和,能够反映节点的重要程度。设w_ij为节点i和j之间边的权重,若节点i和j之间没有边,则w_{i j} = 0。节点i的强度s_i为：

s_{i} = \overset{N}{\sum_{j = 1}} w_{ij}

（8）

4 “丝路”网络节点脆弱性分析

检验网络脆弱性的方式主要包括随机攻击和蓄意攻击两种。所谓随机攻击,是指以一定的概率对网络节点进行的随机攻击,即依概率随机删除网络中的节点,这种删除方式能够模拟台风、海啸及地震等随机事件对“丝路”网络造成的影响。蓄意攻击是指对网络中的节点选择影响力最大的进行有针对性攻击,即按照节点强度从大到小的顺序对网络中的节点进行删除,这种攻击方式能够模拟恐怖袭击或军事封锁等蓄意事件对“丝路”网络造成的影响。为了能更清晰地揭示网络的脆弱性,本文以逐步删除1%网络节点的比例分别进行模拟随机攻击和蓄意攻击,计算出当网络遭受攻击时平均节点度、孤立节点比例、聚集系数、平均路径长度、网络效率及最大连通子图相对大小等特征值的变化情况,结果如图3所示。

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图3网路特征值变化情况
-->Fig. 3Changes in the network metrics
-->

由图3可以看到,在随机攻击下,“丝路”网络的网络平均度、聚集系数、网络效率和最大连通子图相对大小等特征值将随着攻击比例的增加成缓慢减少趋势;在蓄意攻击下,上述特征值将随着攻击比例的增加骤降至较低水平后逐渐减少为0,即攻击伊始,上述4个特征值就已产生较大变化。同时,孤立节点比例在蓄意攻击下的变化幅度较大,但小于其他特征值,这是由于在计算过程中,受攻击的节点将不再与其他节点连接,因而受攻击的节点也被视为孤立节点,进而增大了孤立节点的基数,使得孤立节点图像的变化幅度偏小。但实际上,两种攻击情况下孤立节点总数的最大差值达到了74个,占港口总数的18.64%,差距较大。上述情况说明“丝路”网络在受到随机攻击时较为强壮,而在受到蓄意攻击时相对脆弱。
由复杂网络理论,在网络未崩溃时,平均路径长度越短则网络的连通性越好。如图3d所示,在两种攻击情景下,平均路径长度都是先增加后减小,但在遭受蓄意攻击时平均路径长度明显骤增,说明网络的连通性迅速变差。如图3d和图3f所示,当蓄意攻击比例小于12%时,平均路径长度迅速增加,最大连通子图相对大小虽有所下降,但网络还保持着一定的整体性和连通性,尚未开始崩溃;当攻击比例达到12%,即蓄意攻击的节点数为53个时,平均路径长度出现了第一次下降,同时最大连通子图相对大小在一直趋于小幅下降的基础上,也第一次出现了大幅度下降。由于平均路径长度是根据最大连通子图进行计算的,因而当平均路径长度第一次由升转降、最大连通子图相对大小第一次大幅下降的情况同时出现时,可以判定此时的网络开始崩溃;当攻击比例达到30%,即蓄意攻击节点数为132个时,平均路径长度下降至初始值以下,最大连通子图相对大小下降至10%以下,即可判定此时的网络已经崩溃成诸多子网络。由此,可以得出节点度排名前53的港口为对“丝路”畅通有重要影响的枢纽/干线港（表3）,而排名54至132的港口虽然节点度相对较低,但对网络的连通性也具有一定的影响。
Tab. 3
表3
表3“丝路”枢纽/干线港
Tab. 3The hub/mainline ports on the Maritime Silk Road

排名	港口名称	国家	节点强度	排名	港口名称	国家	节点强度	排名	港口名称	国家	节点强度
1	深圳港	中国	9402800	19	丹戎帕拉帕斯港	马来西亚	1524500	37	阿尔格萨拉斯港	西班牙	825200
2	新加坡港	新加坡	9269900	20	勒阿佛尔港	法国	1510400	38	大连港	中国	819800
3	上海港	中国	8872300	21	费利克斯托港	英国	1354200	39	胡志明港	越南	657600
4	香港港	中国	7301900	22	热那亚港	意大利	1325500	40	基隆港	中国	610400
5	宁波港	中国	6673100	23	广州港	中国	1249000	41	大阪港	日本	599200
6	釜山港	韩国	5342600	24	林查班港	泰国	1248200	42	拉斯佩齐亚港	意大利	559700
7	巴生港	马来西亚	4720100	25	东京港	日本	1232000	43	豪尔费坎港	阿联酋	535000
8	鹿特丹港	荷兰	3651200	26	巴塞罗那港	西班牙	1224300	44	台北港	中国	498900
9	高雄港	中国	3272200	27	瓦伦西亚港	西班牙	1204700	45	蒙德拉港	印度	442400
10	青岛港	中国	2988500	28	名古屋港	日本	1193500	46	莱戈恩港	意大利	442200
11	汉堡港	德国	2888800	29	横滨港	日本	1163400	47	阿什杜德港	以色列	434100
12	厦门港	中国	2370000	30	神户港	日本	1154500	48	清水港	日本	423200
13	安特卫普港	比利时	1835600	31	南安普敦港	英国	1146300	49	马耳他港	马耳他	419900
14	杰贝阿里港	阿联酋	1828600	32	天津港	中国	1070400	50	皮帕瓦沃港	印度	418400
15	塞得港	埃及	1791100	33	比雷埃夫斯港	希腊	1070200	51	头顿港	越南	414500
16	科伦坡港	斯里兰卡	1775700	34	那瓦西瓦港	印度	997900	52	雅加达港	印度尼西亚	382000
17	吉达港	沙特阿拉伯	1695500	35	不来梅哈芬港	德国	953500	53	泽布吕赫港	比利时	371600
18	光阳港	韩国	1556200	36	滨海福斯港	法国	937200

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通过上述分析可知,“丝路”网络中占极少数比例的枢纽/干线港对网络的连通性具有至关重要的作用,因此该网络在蓄意攻击下非常脆弱,抵抗攻击的能力较差,而在随机攻击下相对较强壮。具体而言,当“丝路”中出现台风、海啸及地震等随机事件时,不会对整个网络的互联互通造成较大影响;但如果某些枢纽/干线港遭到恐怖袭击或军事封锁等蓄意事件的破坏时,网络的连通性将受到较大影响,因而应对枢纽/干线港的运营安全进行重点保护。

5 海上通道畅通对“丝路”网络脆弱性的影响

受海洋地理的限制,很多海运航线需通过某些海峡或运河进行运输,这些海上通道的通畅与否对“丝路”网络的脆弱性有着直接影响。按照地理特点,可将其分为“丝路”干线通道和支线通道（表4）,各海上通道位置如图4所示。由于表4中各海上通道均为船舶事故及海盗袭船高发区域,安全保障效率较低^[32],因而本文分析上述海上通道的通畅对“丝路”网络脆弱性的影响具有重要意义。
Tab. 4
表4
表4海上通道统计
Tab. 4Statistics of shipping channels

编号	海上通道	类型
1	台湾海峡	干线通道
2	马六甲海峡	干线通道
3	曼德海峡	干线通道
4	苏伊士运河	干线通道
5	直布罗陀海峡	干线通道
6	英吉利海峡	干线通道
7	霍尔木兹海峡	支线通道
8	莫桑比克海峡	支线通道
9	土耳其海峡	支线通道

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图4海上通道位置图
注：图中编号含义见表4。
-->Fig. 4Location of shipping channels
-->

5.1 海上通道通航受阻时网络的连通性变化

根据上文分析,当“丝路”网络节点遭受攻击时,网络平均度、孤立节点比例、聚集系数、网络效率及最大连通子图相对大小的变化曲线都是单调的,能够直观反映网络遭受攻击时连通性受到影响的程度,因而可以用来分析海上通道通航受阻时网络的脆弱性。本文以前述相同的方法进行计算（表5）。结果显示,当海上通道通航受阻时,综合影响程度由大到小的排名依次为马六甲海峡、台湾海峡、曼德海峡、苏伊士运河、英吉利海峡、直布罗陀海峡、霍尔木兹海峡、土耳其海峡及莫桑比克海峡。
Tab. 5
表5
表5各海上通道通航受阻时特征值变化
Tab. 5Change in the network metrics when the shipping channels are blocked

编号	海上通道	网络平均度		孤立节点比例	聚集系数		网络效率		最大连通子图相对大小		无法正常运营的航线数量		平均变化率	综合排序
编号	海上通道	数值	变化率	变化率	数值	变化率	数值	变化率	数值	变化率	数值	变化率	平均变化率	综合排序
1	台湾海峡	6.3545	0.2856	0.0545	0.4571	0.1137	0.1897	0.4446	0.7295	0.2705	958	0.3944	0.2606	2
2	马六甲海峡	7.1182	0.1998	0.0659	0.4711	0.0866	0.1633	0.5219	0.5227	0.4773	683	0.2812	0.2721	1
3	曼德海峡	7.7455	0.1293	0.0341	0.4928	0.0446	0.1864	0.4542	0.5955	0.4045	286	0.1177	0.1974	3
4	苏伊士运河	7.9091	0.1109	0.0182	0.5050	0.0209	0.1942	0.4314	0.6182	0.3818	255	0.1050	0.1780	4
5	直布罗陀海峡	8.0227	0.0981	0.0295	0.5021	0.0265	0.2343	0.3141	0.7864	0.2136	205	0.0844	0.1277	6
6	英吉利海峡	7.7545	0.1283	0.0500	0.4914	0.0473	0.2482	0.2734	0.8386	0.1614	299	0.1231	0.1306	5
7	霍尔木兹海峡	8.3273	0.0639	0.0250	0.5069	0.0171	0.2997	0.1224	0.9364	0.0636	132	0.0543	0.0577	7
8	莫桑比克海峡	8.7318	0.0184	0.0159	0.5128	0.0057	0.3244	0.0501	0.9750	0.0250	46	0.0189	0.0223	9
9	土耳其海峡	8.3864	0.0572	0.0386	0.4922	0.0456	0.3160	0.0748	0.9614	0.0386	62	0.0255	0.0467	8
-	正常通航时网络	8.8955	-	-	0.5158	-	0.3415	-	1	-	0	-	-	-

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5.2 结果分析

分析表5可以发现,干线通道通航受阻时比支线通道对“丝路”网络影响更大,这是由于海上丝绸之路由东至西需依次通过台湾海峡、马六甲海峡、曼德海峡、苏伊士运河、直布罗陀海峡和英吉利海峡等干线通道进行运输（图4）,其中任何1个干线通道通航受阻都将阻断“丝路”的正常通航,而支线通道只涉及局部区域,不会阻断“丝路”的正常通航,影响相对较小（表6）。结合表5和表6,可以得出关于“丝路”中海上通道对网络脆弱性影响情况的基本认识如下：
Tab. 6
表6
表6各海上通道受阻时对“丝路”网络的影响
Tab. 6Impact of shipping channel interruption in the Maritime Silk Road container shipping network

编号	海上通道	受影响的航线	对“丝路”网络的影响
1	台湾海峡	东北亚与东南亚、南亚、西亚、东非、地中海及欧洲之间所有航线	东北亚成为孤立的子网络
2	马六甲海峡	东亚和东南亚与南亚、西亚、东非、地中海及欧洲之间所有航线	东亚和东南亚成为孤立的子网络
3	曼德海峡	东亚、东南亚、南亚及东非与地中海和欧洲之间所有航线	“丝路”网络被分割成规模相近的东、西两个子网络
4	苏伊士运河	东亚、东南亚、南亚及东非与地中海和欧洲之间所有航线	“丝路”网络被分割成规模相近的东、西两个子网络
5	直布罗陀海峡	东亚、东南亚、南亚、东非及地中海与西欧和北欧之间所有航线	西欧和北欧成为孤立的子网络
6	英吉利海峡	东亚、东南亚、南亚、东非、地中海及西欧与北欧之间所有航线	北欧成为孤立的子网络
7	霍尔木兹海峡	波斯湾与其他区域之间所有航线	波斯湾区域成为孤立的子网络
8	莫桑比克海峡	非洲东海岸莫桑比克海峡以南区域与其他区域之间所有航线	非洲东海岸莫桑比克海峡以南区域成为孤立的子网络
9	土耳其海峡	黑海与其他区域之间所有航线	黑海区域成为孤立的子网络

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5.2.1 干线通道台湾海峡和马六甲海峡位于“丝路”初段,是东北亚西行航线的必经之路。当台湾海峡通航受阻时,“丝路”网络中网络平均度、聚集系数和无法正常运营的航线数量变化最大,孤立节点比例变化较大,导致东亚大部分港口的西行航线无法正常通航,使台湾海峡以东区域成为孤立的子网络。当马六甲海峡通航受阻时,虽然网络平均度、聚集系数和无法正常运营的航线数量变化并非最大,但孤立节点比例、网络效率和最大连通子图相对大小的变化幅度却明显高于其他任何一个通道,其原因是经过马六甲海峡的绝大部分航线都是连接太平洋、印度洋以及地中海和欧洲的跨区域航线及洲际航线,因而对“丝路”网络的脆弱性影响最大。
曼德海峡和苏伊士运河位于海上丝绸之路东西方向的中段,二者皆为印度洋与地中海间集装箱海运的必经之路。由于曼德海峡和苏伊士运河在地理上较近,因而在其通航受阻时网络特征值的变化情况也较为相似,其中最大连通子图相对大小的变化率远大于除马六甲海峡以外的其他海上通道,原因是上述两个通道位于“丝路”中段,若二者通航受阻,“丝路”网络将被分割成规模相近的东、西两个子网络,阻断了亚洲大部分地区和欧洲之间的海上运输。
直布罗陀海峡和英吉利海峡位于海上丝绸之路东西方向的末端,二者皆是西北欧航运要道。直布罗陀海峡和英吉利海峡与曼德海峡和苏伊士运河通航受阻时无法正常运营的航线数量相近,但与后者相比,直布罗陀海峡和英吉利海峡通航受阻时最大连通子图相对大小的变化却相对较小,这是由于二者位于“丝路”末端,当其通航受阻时,海运网络将被分割成东大、西小的两个子网络,此时对东部子网络的连通性影响不大,但对西部子网络影响较大,阻断了西北欧部分国家与地中海和亚洲之间的集装箱运输。
5.2.2 支线通道霍尔木兹海峡、莫桑比克海峡和土耳其海峡位于“丝路”支线,分别是阿拉伯海进入波斯湾、贯通非洲东海岸及连接黑海和地中海的重要海上通道。当上述通道通航受阻时,“丝路”网络中波斯湾、非洲东海岸南部和黑海等海域将成为孤立的子网络。但由于上述海上通道在地理上均位于“丝路”支线,因而在通航受阻时,对整个网络连通性的影响较小。需要指出的是,由于支线通道主要连接跨区域航线的末端,因而孤立节点比例和聚集系数的变化率相对较高。

6 “丝路”网络风险评价

6.1 脆弱性形成因素

分析发现,脆弱性的形成因素主要有两个：①“丝路”网络呈现分层结构,② 海运受到海洋地理因素的影响较大。
6.1.1 分层结构成因及影响对于集装箱海运而言,为了降低运输成本,往往采用集约化运输的方式,即在集装箱运输过程中,先将末端港口的集装箱汇聚至中转港或枢纽港,再经集装箱干线由始发区域运往目的区域的枢纽干线港,最后经区域内支线分拨运输抵达目的港。因此,“丝路”网络呈现分层结构。根据第4节的分析结果,从网络连通性的角度,可将港口分为三类：第一类为节点度排名前53,对“丝路”互联互通起重要作用的枢纽干线港;第二类为节点度排名54至132,对连通性具有一定影响的港口;第三类为节点度排名133以后,对连通性影响较小的喂给港。如图5所示,“丝路”网络中的港口分层呈现金字塔结构,即由下至上,不同层次的港口数量逐渐减少,而对“丝路”网络互联互通的重要性却逐渐增加。正因为这一分层特点,导致了仅在少数重要节点遭受攻击时,网络的连通性就会急剧下降。

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图5“丝路”网络的金字塔形分层结构
-->Fig. 5Pyramidal layered structure of the Maritime Silk Road container shipping network
-->

6.1.2 海洋地理影响集装箱海运作为一种商业化海上运输方式,与其他运输方式相比具有两个明显的特点：① 只能在海上运输,因而受海洋地理环境的限制;② 为了降低成本,通常选择距离最短的路线进行运输。所以,对于“丝路”的地理特点而言,本文提及的9个海上通道都是其所在区域最合理的路线。例如,正常情况下,可以通过马六甲海峡运输的航线,不会绕道苏门答腊岛东南侧的龙目海峡或巽他海峡进行运输;可以通过苏伊士运河运输的航线,也不会绕道好望角进行运输。因此,对于“丝路”组成的集装箱网络,经过长期的成长和演变,在重要的海上通道周边产生并汇聚了更多的第一类和第二类港口,加速了港口分层结构的形成,促使“丝路”网络在蓄意攻击情况下更加脆弱。

6.2 抗毁性评价

尽管“丝路”网络在蓄意攻击下脆弱性较为明显,但实际中,由于近年来集装箱海运不断发展,沿线港口的吞吐能力迅速提高,在市场竞争的作用下,促使大部分区域形成了多核枢纽港布局。如中国的上海港、宁波港、香港港和深圳港,马六甲海峡附近的新加坡港、巴生港和丹戎帕拉帕斯港,苏伊士运河附近的塞得港、吉达港和亚历山大港,欧洲的鹿特丹港、汉堡港和安特卫普港等距离相近的枢纽/干线港几乎同时相伴成长。这种多核枢纽港布局起到了类似计算机备份机制的作用,一旦某一枢纽港在蓄意攻击下暂时失效,邻近的其他枢纽港将立即承担起其中转运输功能,使得“丝路”网络具备一定的自我调节机制,即抗毁性。
根据上文分析可知,第一类和第二类港口对连通性起着重要作用,因此“丝路”网络中不同地区的抗毁性与第一类港口和第二类港口的数量呈正相关。对于不同层次的港口而言,对连通性贡献较大的一类港口,对抗毁性的贡献程度也更大;此外,由于当前全球集装箱运力和港口吞吐能力过剩,因此可以认为同一区域的同一类港口对抗毁性的贡献基本处于同一水平。综上,某区域的抗毁性指数S的计算方法如下：

S = p_{1} \times r_{1} + p_{2} \times r_{2}

（8）
式中：p₁和p₂分别表示该区域第一类和第二类港口的数量;r₁和r₂分别表示该区域第一类和第二类港口对区域抗毁性贡献水平的权重。令r₁=1,则r₂的计算方法如下：

r_{2} = \frac{\overset{ˉ}{w_{2}}}{\overset{ˉ}{w_{1}}}

（9）
式中：

\overset{ˉ}{w_{1}}

和

\overset{ˉ}{w_{2}}

分别表示该区域第一类和第二类港口的节点强度平均值。
利用上述方法,对东亚、东南亚、南亚、中东和欧洲等“丝路”主要区域的抗毁性指数进行计算,发现东亚和欧洲的抗毁性指数相对较高,遭受攻击时具有较强的自我调整能力;东南亚、中东和南亚的抗毁性指数较低,遭受攻击时的自我调整能力较弱。由表7可知,“丝路”网络抗毁性的瓶颈为南亚区域,若该区域港口无法正常运营,则“丝路”网路连通性的恢复能力将最为薄弱。
Tab. 7
表7
表7“丝路”主要区域的抗毁性指数
Tab. 7Survivability index of main regions on the Maritime Silk Road

区域	东亚	东南亚	南亚	中东	欧洲
第一类港口数量(个)	20	7	4	4	18
第二类港口数量(个)	13	7	5	21	24
w₂	0.0572	0.0891	0.2483	0.1528	0.0728
抗毁性指数	20.74	7.62	5.24	7.21	19.75

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6.3 地缘风险分析

根据地缘特点,本文将“丝路”覆盖的主要海域划分为西太平洋海域、北印度洋海域、中东周边海域和欧洲周边海域,在上述各海域中,枢纽/干线港和海上通道的分布情况如表8所示。
Tab. 8
表8
表8各海域枢纽/干线港和海上通道分布情况
Tab. 8Location of hub/mainline ports and shipping channels in each sea area

名称	枢纽/干线港数量(个)	海上通道
西太平洋海域	27	台湾海峡、马六甲海峡
北印度洋海域	4	—
中东周边海域	4	曼德海峡、苏伊士运河、霍尔木兹海峡、土耳其海峡
欧洲周边海域	18	直布罗陀海峡、英吉利海峡

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西太平洋海域位于海上丝绸之路初段,其间分布的枢纽/干线港数量最多,而且涵盖了台湾海峡和马六甲海峡这两个对中国海上运输畅通影响极大的咽喉要道。除中国外,该海域还存在美国、日韩、东盟等多方势力,地缘政治十分复杂。一直以来,美国在西太平洋海域保持着较高程度的军事存在,并力图通过外交和军事等多种手段,牵制和阻挠中国与东盟的合作,进而影响“丝路”的构建与通畅。同时,美国利用马来半岛及中南半岛相关国家对中国的误解,通过外交和舆论煽动反华情绪,给“丝路”的建设和通行安全制造各种困难。日本也以保护西南航线为借口,向西太平洋及印度洋扩展其海上自卫队的活动范围,借机染指马六甲海峡,进而影响中国西行航线的运输安全^[1]。
对于北印度洋海域,虽然枢纽/干线港数量较少,但因“丝路”网络中有大量亚欧航线的船舶需要在斯里兰卡或印度的港口中转和加油,故其战略地位十分重要。在这一海域,“丝路”安全保障面临的最大挑战来自美国和印度。近年来,美国正逐步介入缅甸政局,试图通过解除经济制裁的方式拉拢缅甸,并通过挑起缅甸内战的方式扰乱其国内安全局势,企图阻断中国经缅甸进入北印度洋的运输通道。此外,印度派遣海军穿越马六甲海峡进入西太平洋,意图与日本和新加坡进行战略对接,增加了北印度洋和马六甲海峡周边安全环境的不稳定因素。
中东周边海域沿岸国家民族情况复杂,宗教冲突明显,各国之间矛盾众多。历史上,苏伊士运河曾两次因战争原因而关闭;近年来恐怖事件频发,2010年以来该海域的曼德海峡发生海盗袭船111起^[32];未来若美伊关系进一步恶化,霍尔木兹海峡随时可能被伊朗封锁;土耳其海峡历来是兵家必争之地,俄罗斯为抢夺黑海出海口,曾多次向土耳其海峡用兵。因而,中东及周边区域的地缘政治和安全局势很可能处于长期动荡的局面。
近一时期,欧洲的恐怖主义袭击事件数量骤然攀升,其安全环境正每况愈下。随着经济危机席卷欧洲大陆,欧洲经济正面临凛冬将至的危机;在难民危机余波未平之际,欧洲多国正处于政府更迭之中,预示着欧洲社会正在经历政治和经济的双重变化,其地缘政治和经济环境势必更加动荡不安。
综上,海上丝绸之路的通畅运行和安全保障,正面临沿线各区域政治和经济环境的多重挑战和风险,需要中国积极应对。

7 结论与讨论

7.1 结论

基于全球航运公司运营航线及挂靠港的统计数据,利用复杂网络理论对“丝路”网络的脆弱性进行了研究,结合地缘政治及经济形势分析了“丝路”安全保障所面临的挑战和风险。主要结论为：
（1）在“丝路”网络中共有集装箱港口440个,航线2429条,并具有无标度特性和一定的小世界特性;该网络在随机攻击下较为强壮,在蓄意攻击下非常脆弱;在蓄意攻击下,网络开始崩溃和完全崩溃的临界点分别为12%和30%,进而判断节点度排名前53的港口为枢纽/干线港,需重点保护。
（2）基于“丝路”网络的结构特点,任何一个海运干线通道通航受阻都将阻断“丝路”的正常通航,相对于支线通道对网络脆弱性的影响更大,其中影响程度最大的为马六甲海峡、台湾海峡、曼德海峡和苏伊士运河,需要予以高度关注。
（3）“丝路”网络脆弱性主要受网络分层结构和海洋地理等因素的影响。经深入分析,发现由于多核枢纽港布局的存在,使得“丝路”网络具备一定的抗毁性。利用本文方法进行评价,发现“丝路”网络抗毁性的短板为南亚区域。此外,各海域的地缘政治、经济环境和军事存在呈现出不同态势,给“丝路”网络的通畅运行和安全保障造成了较大的挑战和风险。

7.2 讨论

根据以上研究成果,在“丝路”网络中,当某些枢纽/干线港发生恐怖袭击和军事冲突等蓄意事件,或某个海上通道因政局动荡、军事封锁而无法通航时,网络的运输功能和连通性将受到较大影响,甚至导致“丝路”无法正常通航。为提高“丝路”网络的畅通性和对地缘风险的控制能力,提出以下对策建议：
（1）提升“丝路”网络安全保障的战略高度。随着海上丝绸之路的构建,中国与沿线国家之间的集装箱运输量将逐渐增加,作为集装箱贸易大国和海上丝绸之路的发起国,中国不仅需维护好本国港口和周边海域海上通行的安全,还应以大国思维放眼世界,参与全球治理,进而保证海上丝绸之路的互联互通和安全通畅。
（2）打造海外战略支点,构筑“丝路”网络安全屏障。在“丝路”网络的440个集装箱港口和9个主要海上通道中,只有位于“丝路”初段约50个集装箱港口和台湾海峡处于中国有效的控制范围内,其余绝大部分港口和海上通道基本上鞭长莫及,在保障“丝路”全程的运输效率和安全方面存在明显不足。对此,中国应加快海外战略支点的建设,进而降低地缘风险的影响,保障“丝路”的互联互通和安全运行。可采取的具体措施有：① 通过直接援助建设的方式,在巴基斯坦的瓜达尔港构筑战略支点,维护北印度洋航线的航行安全;② 通过建设境外经贸合作区的方式,在埃及的苏伊士港构筑战略支点,提高中国经苏伊士运河航线的运行效率;③ 通过收购港口股份的方式,在亚丁湾的吉布提港构筑战略支点,为中东航线提供安全保障;④ 通过出资获得长期专属经营权的方式,在希腊的比雷埃夫斯港构筑战略支点,促进中欧间货物运输的稳定运行等。
（3）加强海上军事力量建设,提高维护海上通道通航安全的威慑力。可从以下两个方面入手：一是从战略上提高军事威慑力,达到“不战而屈人之兵”的效果;二是从战术上全面提升海军的远洋能力,增加中国在重要海上通道周边海域的军事存在,为曼德海峡等地缘政治复杂的重要海上通道提供常态化护航。
（4）积极寻求国际合作,提高政治互信,构建“丝路”共同体。海上丝绸之路沿线国家众多,政治环境和宗教文化差异较大,为了保障“丝路”网络的通航安全,积极寻求与沿线国家之间的国际合作必不可少。可采取的主要方式有：① 与“丝路”沿线国家构建海运同盟,共同维护“丝路”网络的运行安全,进而保证中国集装箱航线及船舶在其控制海域免受恐怖主义和海盗袭击的困扰;② 积极推动海上通道周边军事冲突频发、政治环境动荡的国家之间开展和平谈判,促进该区域的和平稳定,避免因战争或政治因素导致海上通道的封锁;③ 加强与海上强国之间的合作,寻求共同利益,减少冲突,保证“丝路”网络运行通畅;④ 完善中国海上货物运输相关法律法规,尽快与《鹿特丹规则》、《海牙规则》和《汉堡规则》等国际公约接轨,提升中国在国际海事仲裁方面的话语权,为解决未来可能发生于“丝路”中的不测事件提供法律援助。
（5）制定替代航线预案,提高应急能力。为了提高应对能力,应制定替代的航线方案,例如：① 若马六甲海峡无法正常通航,则可通过巽它海峡绕道苏门答腊岛南部进行运输;② 若曼德海峡、苏伊士运河或直布罗陀海峡无法正常通航,则可绕道好望角进行运输;③ 若霍尔木兹海峡或土耳其海峡无法正常通航,则可通过海陆联运的方式进行运输。对此,应提前进行布局,以提高“丝路”网络畅通的可靠性和应对地缘风险的能力。
随着21世纪海上丝绸之路建设的推进,其影响范围不断扩大,届时将有新的地区和国家加入进来,因而美洲航线、巴拿马运河对“丝路”运输网络的影响是下一步需要研究的内容。
The authors have declared that no competing interests exist.

“丝路”海运网络的脆弱性及风险控制研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Vulnerability and risk management in the Maritime Silk Road container shipping network

1 引言