随着我国能源化工业的迅速发展,危险品运输已成为重要的国民经济活动,这也导致为其服务的危险品运输网络无论从道路里程还是路网密度均显著提高,网络的集成性和复杂性也进一步凸现。相比普通货物运输,危险品运输对象一般具有易燃、易爆、强烈腐蚀性和放射性等,如汽油、火乍药、强酸和过氧化物等,因此当危险品运输车辆在运输过程中遭遇随机攻击(如交通事故)或蓄意攻击(如恐怖袭击),除对环境、周围居民和经济活动的正常运转造成严重损害外,危险品运输网络功能的正常发挥也极易受到破坏。特别的,当事故发生地点为网络最为“脆弱”的节点或边,则可能导致网络“瘫痪”。因此,认知危险品运输网络拓扑特性、研究危险品运输网络的级联失效机理及网络抗毁性有助于提高对网络特性的认识和降低未知风险对网络功能的损害。本论文以危险品运输网络为研究对象,运用复杂网络理论,构建了危险品运输复杂网络模型,在此基础上,研究了不同条件下的网络级联失效机理和网络抗毁性方法,具体的,本论文研究工作主要包括以下六个部分：(1)基于复杂网络的危险品运输网络拓扑特性分析及优化策略。针对危险品运输网络的双层属性,提出两种不同的网络空间构造方式,并分别构建其复杂网络模型。其中,一种为基于原始法的危险品运输物理网络模型；一种为基于邻接节点的危险品运输服务网络模型。以大连市危险品运输网络为研究对象,分析其拓扑特性及相应优化策略。计算分析结果表明：1)物理网络节点度累积分布概率服从指数分布,表现出随机网络的特性；2)网络具有较小的特征路径长度和较大网络聚集系数,是一种典型的小世界网络；3)服务网络累积节点度分布服从幂律分布,呈现出无标度网络特性：4)节点强度与节点强度排列序数、节点强度与累积节点强度的关系均服从幂律分布,也表现出无标度网络的特性；5)通过降低危险品运输物理网络平均路段长度、相近条件下(网络规模和网络特征路径长度等)降低网络平均路段大小、扩大局部网络规模和采用疏密结合的布局方法等都可提高网络小世界特性。(2)蓄意攻击下基于单次攻击的危险品运输网络级联失效建模及仿真。在考虑危险品运输网络多节点状态特性的基础上,针对危险品运输网络在遭受蓄意攻击后单个节点的失效可能会引发网络级联失效现象,构建了危险品运输网络级联失效抗毁性模型。在蓄意攻击条件下,定义三种节点状态：“正常”、“失效”和“暂停状态”,从“结果性”和“过程性”两个视角出发,提出了网络抗毁性的评价测度“节点存活率”和“相对二次级联失效数”。通过建立仿真场景,并就不同节点的度、不同容量系数和不同规划方式下危险品运输网络级联失效特性进行定量研究。仿真结果发现：节点存活率随迭代次数的增加而出现小范围波动以及多变的增减趋势,说明了危险品运输网络级联失效抗毁性的动态性及本文定义“正常”、“失效”和“暂停状态”三种节点状态的正确性,也验证了所构建级联失效抗毁性模型的科学有效性。研究结果表明：1)在危险品运输网络规划前期,要充分重视网络的级联失效特性对路网抗毁性的影响,特别是蓄意攻击方式对危险品运输网络的影响,防止网络级联崩溃现象出现；2)在网络规划中期,通过一些必要“规定”来提高网络的抗毁性：①危险品运输网络节点容量度要高于道路交通网络：②尽量采用小节点——大节点相互毗邻的规划方式；③若采用小节点——小节点相互毗邻的规划方式,则小节点必须有很大的节点容量度；④当网络容量系数不是很大时,网络节点的度不应非常大,即网络的结构不要太复杂；3)在网络规划后期,通过建立蓄意攻击方式下的突发事件场景,仿真分析网络的级联失效抗毁性,为优化网络的结构提供理论依据。(3)蓄意攻击下基于连环攻击的危险品运输网络级联失效建模及仿真。在定义网络的三种节点状态基础上,研究了单次和多次蓄意攻击下的危险品运输网络级联失效过程,基于此,建立连环攻击下的危险品运输网络级联失效模型。从“结果性”和“过程性”两个视角出发,提出网络抗毁性的评价测度“节点存活率”和“相对二次级联失效数”。通过建立实例仿真场景和仿真流程,就不同攻击次数、不同节点的度及容量系数和不同规划方式对危险品运输网络级联失效特性的影响进行仿真分析。研究结果表明：1)网络节点存活率越大,网络抗毁性能越高。当网络未出现级联崩溃现象时,相对二次级联失效数越小,网络抗毁性能越高。当网络出现级联崩溃现象时,相对二次级联失效抗毁性越大,网络抗毁性能越高；2)连环攻击的级联失效抗毁性小于单次的情况,因此连环攻击的危害性远高于单次。失效节点相邻的多节点级联失效抗毁性强于不相邻情况。因此在现实中,可通过遭遇攻击周边节点临时失效的方法减缓级联失效对网络的危害；3)在规划危险品运输网络时,尽量采用小节点——大节点相互毗邻的规划方式,若采用小节点——小节点相互毗邻的规划方式,则小节点尽量具备很大的容量系数；4)尽量不要选取度较大的节点作为危险品运输网络节点；5)危险品运输网络节点容量系数要高于普通的道路网络。(4)基于蓄意攻击策略的危险品运输网络级联失效建模及仿真。首先,结合实证研究结果,构建了基于WS小世界网络的危险品运输复杂网络生成算法；接着,提出了具有时间阶段特性并带有可调参数的节点初始负载模型,确定了“失效”节点负载分配的择优分配概率模型和节点容量模型,并利用节点负载动态分配概率值,动态描述节点“正常”“暂停”和“失效”三种状态,从而构建危险品运输网络级联失效机制模型；最后,以网络级联失效平均规模和相变临界值作为网络抗毁性测度,通过构建两种蓄意攻击策略,对比研究了不同攻击策略对危险品运输网络级联失效抗毁性的影响。研究结果表明：1)本文构建的危险品运输网络级联失效模型是有效的；2)节点容量系数、过载承受能力调节参数和网络平均节点的度对蓄意攻击策略的变化是不敏感的,但通过提高它们的取值,能够有效降低网络级联失效平均规模,提高网络抗毁性；3)对于节点度的降序攻击策略,可调参数越小,网络抗毁性越强,但对于节点度的升序攻击策略,可调参数越大,网络抗毁性越强,且两种攻击策略下的相变临界值曲线在可调参数为0.5处相交。(5)基于复杂网络的危险品运输关联网络级联失效建模及耦合特性研究。首先,根据危险品运输网络特性,提出了一个包含物理网络、服务网络和关联边的危险品运输关联网络模型；接着,在构建一种具有时间阶段特性的初始负载加载模型的基础上,确定了网络节点的容量模型,并利用节点负载动态分配概率值动态描述节点三种状态,从而构建了危险品运输关联网络级联失效模型；最后,以基于节点度的级联失效平均规模作为网络抗毁性评估测度,对比研究了危险品运输网络关联网络级联失效机理及耦合特性。研究结果表明：危险品运输物理网络和服务网络间关联边的“传导”特性并不相同,相同失效节点数目下,物理网络的级联失效节点数总大于服务网络节点,通过改变网络模型参数可提升关联网络抗毁性,且提升服务网络的参数比提升比物理网络见效更快等。(6)基于复杂网络的危险品运输网络抗毁性研究。通过构建危险品运输超网络模型,分析了网络之间的相互作用和影响,继而建立了危险品运输网络模型生成方式。通过引入危险品运输网络“最短路径”、“平均最小风险路径距离”和“网络最大连通子图”概念,提出了“网络风险效率”和“最大连通度”抗毁性测度模型。根据网络流量特性,构建了危险品运输网络介数模型,从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。以危险品运输网络为例进行仿真,从不同攻击方式、攻击类型和攻击策略三个方面进行模拟实验。研究结果表明：1)本文提出的研究方法是合理的,危险品运输网络抗毁性表现为对随机攻击的鲁棒性和蓄意攻击的脆弱性,抗毁性更接近于无标度网络；2)网络抗毁性是由少数节点和边维系的,且网络对节点攻击的抗毁性低于边攻击；3)网络最大连通度性能优于网络风险效率,适当增加系统冗余性可提高网络抗毁性。
