通过整合复杂网络模型和SIR（传染病传播）模拟方法，探讨液化天然气（LNG）运输网络韧性的动态特征：以中国为例

《Ocean Engineering》：Exploring the dynamic characteristics of LNG shipping network resilience by integrating complex network and SIR simulation: A case of China

液化天然气海运网络韧性评估及动态演化研究基于复杂网络与SIR模型，结合AIS数据构建包含67港口和11关键节点的有向网络，采用改进K壳分解算法量化节点重要性，提出三维静态韧性评估框架（吸收、缓冲、恢复能力），并首次通过动态仿真揭示马六甲海峡地缘政治扰动下的网络韧性演化规律，为全球能源供应链提供新评估方法。

　　

赵玉兰|马晓雪|乔伟良|韩冰|张文军

大连海事大学海洋经济与管理学院，中国大连

摘要

液化天然气（LNG）在全球能源体系中发挥着关键作用，然而，由于存在显著的不均衡性，提高LNG海上运输的韧性至关重要。首先，收集了2023年9月4日至2024年9月21日期间399艘LNG船舶在1345次航行中的自动识别系统（AIS）数据，然后构建了一个由67个港口和11个关键海上咽喉要道组成的有向复杂网络。应用改进的K壳层分解算法来确定节点的重要性系数。此外，提出了一种基于节点拓扑指标和重要性系数的三维韧性框架，从吸收能力、缓冲能力和恢复能力三个维度评估网络的静态韧性，并测量其综合值。在此基础上，结合复杂网络（CN）和易感-感染-恢复（SIR）分析技术，提出了一种描述网络韧性动态演变特征的新方法。最后，研究了马六甲海峡在地缘政治干扰后的网络韧性动态演变特征。此外，该方法的应用范围还可以扩展到其他类似行业。

引言

海上运输在全球贸易中起着至关重要的作用，约占国际贸易的80%。2022年，全球100个主要港口的吞吐量增长了1.5%，总计达到6.858亿标准箱（Lloyd’s List，2024年）。随着海上运输服务覆盖范围的扩大，航运公司运营的航线变得更加复杂和脆弱。同时，海上运输的干扰事件仍在增加，尤其是在港口和海峡地区（álvarez等人，2021年）。例如，2021年苏伊士运河因一艘大型集装箱船搁浅而被迫关闭，导致约96亿美元的货物损失，每小时损失达4亿美元，影响了1000多家公司的进出口活动（Li等人，2024a）。此外，LNG运输航线缺乏多样性，严重依赖关键的地理咽喉要道，这些要道因地缘政治不稳定而成为最大的干扰源，马六甲海峡就是典型例子。根据国际海事组织（IMO）的全球综合航运信息系统（GISIS）数据，2015年至2024年间，马六甲海峡发生了721起海盗和恐怖主义事件。由于LNG分布的不均衡性，国家间的LNG运输主要依赖于海上运输。作为全球能源系统的重要组成部分，LNG不仅是现代运输的主要能源来源，也是能源产业的核心资源。干扰事件的发生不仅影响运输需求，还增加了LNG供应的不稳定性。为了到2030年将温室气体排放量比2005年水平减少60-65%，中国将其确定为低碳发展战略的核心能源选项。图1展示了2013年至2023年间世界主要LNG进口国的进口量。

从图1可以看出，中国的LNG进口量呈现稳步增长趋势，年进口量高达6510.91亿立方米。2023年，中国超越日本，成为世界上最大的LNG进口国。这一结果表明，分析LNG进口运输网络的韧性在中国具有重要的研究意义。目前，韧性被定义为在干扰事件发生时维持海上运输正常运行的能力，包括适应并恢复到正常状态的能力（Reggiani等人，2015年）。本研究的目的是开发一个框架，从静态和动态演变特征的角度评估网络韧性。本研究的主要贡献如下：

(a)

使用改进的K壳层分解算法量化了复杂网络（CN）中节点的重要性系数，并分析了网络中关键节点的重要性系数。

(b)

从网络静态韧性的角度出发，基于节点的拓扑指标和重要性系数，开发了一个三维框架来评估网络韧性。然后，通过定量分析吸收能力、缓冲能力和恢复能力来评估网络韧性，并测量其综合值。

(c)

首次结合复杂网络（CN）和易感-感染-恢复（SIR）模型，分析了马六甲海峡在地缘政治干扰后的网络韧性动态演变特征，填补了现有研究中关于网络韧性评估的空白。

本研究的后续部分安排如下：第2节介绍文献；第3节介绍所提出的方法；第4节展示所提出方法的实施和计算分析；第5节提供结论。

研究片段

关于航运网络的研究

海上运输建立了一个复杂的系统，其中港口或国家是关键节点，航线则是连接这些节点的纽带（Ducruet，2020年）。传统上，航运网络主要利用统计数据源构建，如BP世界能源统计回顾（Geng等人，2014年）、世界综合贸易解决方案数据库（WITS）（Hou等人，2023年）和联合国商品贸易统计数据库（UN Comtrade）。然而，

所提出方法的原则

本研究以中国的LNG进口运输网络为例，分析所提出方法的适用性。图2概述了该方法，包括三个步骤：构建有向加权网络、网络韧性评估以及网络韧性评估结果。

第一部分：构建有向加权网络。利用399艘LNG船舶在1345次航行中的AIS数据，构建了一个有向复杂网络。

航运网络的发展

数据来自HiFleet数据库（https://www.hifleet.com/），用于收集2023年9月4日至2024年9月21日期间中国LNG进口运输网络的1345条航运路线的实时位置信息（Mou，2020年）。Space L模型是构建航运网络的关键方法之一，可以显示网络节点的空间分布，因此非常适用。

结论

韧性对于海上运输的可持续发展至关重要。因此，在本研究中，首先根据CN和SIR模拟原理，开发了网络韧性的动态演变特征。具体来说，使用改进的K壳层分解算法获得节点的重要性系数，然后基于节点的拓扑指标和重要性系数定量提出网络韧性。

CRediT作者贡献声明

赵玉兰：撰写——原始草案。马晓雪：调查。乔伟良：验证。韩冰：调查。张文军：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国博士后科学基金会（项目编号：2022M720626）、教育部的人文学科和社会科学项目（项目编号：23YJCZH171）、中国海洋石油总公司海洋环境保护公益基金会（CF-MEEC/TR/2025–17）以及中央高校基本研究基金（项目编号：3132023530）的资助。