（管理科学与工程专业论文）基于小世界网络模型的动态联盟合作关系建模研究.pdf

摘要 动态联盟作为适应2 1 世纪市场竞争环境变化的一种新型企业网 络组织模式，是敏捷制造环境下企业的主要组织和运行模式，它的敏 捷性和动态性强调了其中动态合作和核心竞争力的形成与维持，同时 也使其成为一种极难管理得组织形式。 本文针对动态联盟组织特征及运作特点，将国外交叉学科最新研 究成果小世界网络( s m a l lw o r l dn e t w o r k ) 模型引入到动态联盟 的研究当中，建立动态联盟组织成员之间合作关系的小世界网络模型。 应用网络效率和网络熵对动态联盟组织的合作稳定性和合作效率进 行评价。 本文的主要成果在于： 1 将复杂动态网络的最新研究成果小世界网络模型引入到 企业合作关系问题的研究中，分析动态联盟的供应链等方面的合作机 制，并针对其的特点，利用小世界网络理论建立起动态联盟的合作模 型。 2 。在建模的基础上，从网络的数量特征去考察动态联盟企业网 络的合作情况，提出评价标准和方案，最后结合模型对某计算机制造 企业的案例进行分析，论证模型的可行性。 3 利用社会网络分析软件s t o c n e t l 4 和数学计算语言 m a t l a b ，对动态联盟合作关系的模型进行模拟和分析。 关键词动态联盟，小世界网络，动态联盟的小世界网络模型， 评价与规划 a b s t r a c t a st h en e we n t e r p r i s eo r g a n i z a t i o nm o d e lw h i c ha d a p tt om a r k e t c o m p e t i t i o ne n v i r o n m e n to ft h e2 1 s tc e n t u r y , a g i l ev t r t u a le n t e r p r i s e ( a v e ) i st h em a i ne n t e r p r i s eo r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c em o d e lu n d e r t h ea g i l em a n u f a c t u r ee n v i r o n m e n t ，t h ea g i l ea n dd y n a m i ca t t r i b u t eo f i t s e l fm o r e e m p h a s i z e sm a i n t a i n i n gd y n a m i cc o o p e r a t i o n a n dk e y c o m p e t i t i v e n e s s m e a n w h i l e ，i ta l s om a k e s t h ea g i l ev i r t u a le n t e r p r i s ea d i f f i c u l to r g a n i z a t i o nf o r mw h i c ht om a n a g e b a s i n g o l lt h ec h a r a c t e r i s t i co f a g i l e v i r t u a l e n t e r p r i s e o r g a n i z a t i o na n do p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct ot h ed y n a m i ca l l i a n c e ，t h i s p a p e rp r o c e e d sf r o mq u a n t i t ya n g l e ，u s i n gt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so f f o r e i g nc r o s sd i s c i p l i n e ，s m a l lw o r l dn e t w o r k ( s w n ) t h e o r y , t o r e s e a r c h t h ec o o p e r a t i o nr e l a t i o n s h i po fa v e ，s e tu pt h em a t h e m a t i c sn e t w o r k m o d e lo ft h ea v e c o o p e r a t i o nr e l a t i o n s h i p ，u s i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h e n e t w o r ka n ds y s t e me n t r o p ya n a l y t i c a lm e t h o di ns m a l lw o r l dn e t w o r k t oa p p r a i s a lt h es u p p l yc h a i nc o o p e r a t i o ni na v e t h em a i na c h i e v e m e n to f t h ep a p e rl i e si n ： 1 i ti n t r o d u c e dt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so ft h ec o m p l i c a t e d d y n a m i cn e t w o r k - s m a l l w o r l dn e t w o r km o d e li n t ot h er e s e a r c ho f e n t e r p r i s ec o o p e r a t i o np r o b l e m , a n a l y s e dt h ec o o p e r a t i v em e c h a n i s mi n s u c hr e s p e c t sa st h es u p p l yc h a i no ft h ed y n a m i ca l l i a n c e ，e t c ，d i r e c t a g a i n s ti t s c h a r a c t e r i s t i c ，u t i l i z e ds m a l lw o r l dn e t w o r kt h e o r yt os e tu p t h ec o o p e r a t i v em o d e l so f t h ed y n a m i ca l l i a n c e 2 o nt h eb a s i so fm o d e l i n g ，i ti n v e s t i g a t e dt h ec o o p e r a t i v e j ； s i t u a t i o no ft h ed y n a m i ca l l i a n c e se n t e r p r i s e sn e t w o r kf r o mt h eq u a n t i t y c h a r a c t e r i s t i co ft h en e t w o r k , p r o p o s e de v a l u a t i o nc r i t e r i o na n ds c h e m e ， c o m b i n i n gm o d e lt oa n a l y s ee a s eo fs o m ec o m p u t e rm a n u f a c t u r i n g c o m p a n yf i n a l l y , p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em o d e l 3 u t i l i z e ds o c i a ln e t w o r ka n a l y s i ss o f t w a r es t o c n e t l 4a n d m a t h e m a t i c a lm e a s u r e m e n tl a n g u a g em a t l a b ，i m i t a t e da n da n a l y s e dt o t h em o d e lo f d y n a m i ca l l i a n c e sc o o p e r a t i o n k e yw o r d sa g i l ev i r t u a l e n t e r p r i s e , s m a l lw o r l dn e t w o r k , a g i l ev i r t u a le n t e r p r i s em o d e lb a s e do ns m a l lw o r l dn e t w o r k , a p p r a i s e a n d p l a n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 、地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 - 、 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 7 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名叠雌日期：2 坠三月兰日 硕士学位论文 第l 章导论 1 1 问题的提出 第l 章导论 ( 1 ) 企业组织的变革动态联盟的产生 在过去的一百多年里，企业组织结构先后经历了传统组织结构、u 型组织 结构、h 型组织结构、m 型组织结构。近一二十年来，随着经济全球化进程的 加快、信息技术的发展以及知识经济的到来，全球政治、经济、社会环境发生 了巨大的变化，呈现出一系列新的特征：顾客需求日益多样化、个性化；市场 进一步细分：技术创新速度加快，产品生命周期缩短；企业由竞争走向合作等 等。这一切使得企业现有的组织模式面l l 蠡着极大的挑战。为了增强企业的灵活 性和共同应付市场的挑战，企业将注意力集中在自己最擅长的领域，将其他生 产环节以外包等方式让与其他企业，从而在彼此独立、平等的合作伙伴之间建 立了一种新型组织模式动态联盟( a # t ev m u a le n t e r p r i s e ，a v e ) 【”。如美国 福特和日本马自达结成的动态联盟、美国i b m 公司、m o t o r o l a 公司和a p p l e 公 司结成的动态联盟等等，这是一种典型的具有社会网络结构的企业网络组织。 ( 2 ) 动态联盟研究中存在的问题 动态联盟的建立对于企业竞争优势的确立具有独特的意义：动态联盟是由 多个企业组成的企业联合体，是一种企业网络，其最突出的竞争优势表现在像 一支协同作战的联合舰队，既有大型巨轮抗风险的能力，又保持着单个小船反 应灵活的特点。而这些优势得以充分发挥的核心要素是其内部的结构及运作机 制，特别是内部信息流、物流等的传播能力和传播效率。通过动态联盟中各种 流的传播，动态联盟网络中的成员企业可以实现信息、无形资产资源等的共享， 及时迅速的发现市场的机遇，可以使得整个动态联盟以低成本进入新领域，可 以实现技术创新的协同与整合优势1 2 1 。 动态联盟这种新型组织模式突破了传统科层级组织模式的界限，是对现有 组织架构的一大创新，然而新的事物往往不一定是完美的事物，随之而产生的 一些有关于其组织结构关系的问题，例如；如何对这种新型的组织模式进行描 述，动态联盟内部成员之间的合作关系如何评价，动态联盟企业组织的效率如 何，其结构的稳定性如何界定等等，开始引起了国内外经济学家的广泛的关注 与思考。但是，对于这些问题目前无论是企业还是学术界都还没有一个很明确 的解决方案，而能否解决，将直接关系到动态联盟的成功与否，关系到企业的 硕士学位论文第1 章导论 生存与发展，关系到社会经济运行的优劣。 1 2 动态联盟合作关系的国内外研究现状 动态联盟作为一种新的组织模式，其合作关系和组织结构具有很多独特性， 近年来经济学和管理学的学者们对其作了大量的研究和探讨。 ( 1 ) 动态联盟组织的描述问题 由于缺乏系统、深入的研究，对这一组织形态的描述在不同的国家有所不 同，如在美国、日本称为“虚拟企业”，美国、欧洲称为“战略伙伴”，其他部分 国家则称为“战略联盟” 3 1 、我国称为“强强联合”、“企业集群” 4 1 1 5 1 等等；而不同 学者的描述也存在许多差异，如彼得得鲁克将其描述为网络型组织( n e t w o r k e d o r g a n i z a t i o n ) ；d a v i d 和m a l o n e 称其为虚拟企业( v i r t u a lc o r p o r a t i o n ) m i l l s 则以集群组织( c l u s t e ro r g a n i z a t i o n ) 来描述它 3 1 等等。此外，即使是同一称谓， 其内容也存在较大的差异，例如：对于战略联盟这一组织模式，s i e r r a 认为，“它 是一种具有很强实力，平时本是竞争对手的公司组成的企业或伙伴关系，是竞 争性联盟”；p o r t e r 和f u l l 盯则认为，“它是不同国家或地区的公司之间的长期 联合，它超出了正常的市场关系又没有达到兼并的地步”【6 】等等。 ( 2 ) 早期对动态联盟合作关系的研究 早期对动态联盟合作关系的研究一般都具有以下三个特点： 首先，研究通常以企业或企业之间成立的联盟为单位： 其次，研究通常是在一种剔除掉社会因素的环境中进行的，外部环境往往 是通过产品或供应市场的竞争来体现【7 1 ； 再次，主要强调推动联盟形成的供应链和产业层次的因素【8 】。早期研究的 局限性在于忽略了社会网络因素的影响。 值得一提的是，大部分学者对的动态联盟合作关系的研究都偏向于研究动 态联盟在产品生产和市场销售上的合作关系，而对于动态联盟在契约关系、知 识共享、技术合作等方面的合作关系研究较少【5 l 。 ( 3 ) 几种新的模式对动态联盟合作关系的研究 一些近期成果研究了社会网络因素对企业动态联盟形成的重要性。首先是 从企业层面进行探讨【射，即哪些企业会选择建立动态联盟? 证据显示，企业进 入动态联盟的倾向性不仅受到企业财务和技术属性的影响，而且受到它们所处 的社会网络的影响。如一些研究使用了企业与先前的战略伙伴所形成的社会网 络来证明，企业原先的战略联盟越多，在网络中就越处于中心的位置，也就越 2 硕士学位论文第1 章导论 易于建立新的动态联盟关系1 9 1 一些类似的发现也证明，企业在不同的社会网络中如果处于中心地位，就 比较容易建立新的动态联盟【l 川。这一论点所依据的研究样本主要包括：生物技 术企业之间的动态联盟网络、半导体企业与其专利引用企业之间的网络、以及 那些半导体企业中的顶级管理团队等。每个网络都指明了一种不同的潜在机会， 并促使企业建立更多的联盟。这些研究强调指出，将企业置于网络中对动态联 盟的行为有着巨大的影响。 将企业置于社会网络中考察其对新动态联盟形成的影响的观点，还被应用 在对联盟企业双方层面的研究中，即谁与谁会形成联盟。在一项关于2 0 年间战 略联盟形成的研究中，g u l a t i 分析了可能进入联盟的双方公司的一些要素。该 研究所调查的社会网络是企业原先所形成的动态联盟的积累；被调查的社会结 构的影响是由企业之问直接或间接的联系所得来的【l “ 另外，企业之间双边关系的形成模式也被用于分析纵向的( 即买方和卖方 之间的) 联盟关系【1 2 1 。例如，研究者们曾经对日本汽车制造商在北美重建其类 似于日本的关系模式的程度进行过研究。有证据表明，除了一些与买、卖双方 相关的战略因素外，曾经建立过类似联盟的经历也是再建类似关系的重要原因。 企业之间进行联盟的历史越长，那么它们在北美重建联盟的机会就越大。这也 证明了社会网络对企业之间纵向联盟的建立具有重要的作用。 企业建立动态联盟并不仅是为了建立社会网络，最主要的原因还是建立企 业间的战略互补关系【1 3 】而企业所拥有的社会关系网络有助于其选择那些拥有 互补资源的企业，并与其建立新的联盟关系。虽然这种互补的经济优势是企业 建立联盟所必需的，但它并不是唯一的原因。由于企业处在一种多重的社会网 络中，而对这种网络带给一个企业的多重且可能是相互矛盾的影响现在尚未有 人进行过系统研究。譬如，企业联动就是一个被广泛关注的跨组织问题，而对 这种联动所引发的问题现在还缺乏研究。而且，更多的关于社会网络的制度性 探讨也必将产生深远的影响。 目前对动态联盟的研究更多地是从联盟中企业的分工协作、产业价值链中 位置的确定、组成战略联盟与虚拟组织等问题展开【1 4 1 1 s l ! 阍。国内对动态联盟的 研究基本停留在如何建立合资企业、资源如何整合、如何根据各自的优势取长 补短进行合作、虚拟组织的形式等问题上，忽视了动态联盟的本质是什么，合 作的内在动力是什么，这种合作的稳定性如何界定，是什么因素联结着互相合 作的主体。 3 硕士学位论文第l 章导论 1 3 复杂网络理论及其对经济管理领域研究的启发 t 。 1 3 1 复杂网络理论的提出与发展 复杂网络是1 9 9 8 年以来的系统复杂性研究新热点。研究的特点是大量应用 了统计物理的方法和工具【l7 。实际上，在此之前许多领域用网络来描述一些研 究对象已经有很长历史了，然而系统模型或者是完全规则，或者是完全随机， 没有体现复杂特性。 1 9 9 8 年，w a t t s 和s t r o g a t z ( w s ) 在n a t u r e 上著文建立了第一个复杂网络 模型，即介于规则与随机之间的“小世界网络模型”( s m a l lw o r l d n e t w o r k ) 【埔】， 开创了复杂网络研究的先河。他们建立了标志小世界网络的两个特征统计参数： 平均路径长度q 和分支系数c 。w a t t s 和s 仃o g a t z 列举了电影演员合作网、美 国西部电力网、以及线虫的神经网的平均路径长度和分支系数的统计结果，说 明相当大部分的实际网络具有比随机网大得多的分支系数和小得多的平均路径 长，也即具有小世界网络的特征。 1 9 9 9 年，b a r a b a s i 和a l b e r t ( b a ) 在s c i e n c e 上著文建立了第二个复杂网 络模型，即“无标度网的b a 模型”【1 9 】。他们建立的标志无标度网特征统计参数 是顶点度的分布函数，即描述具有相同边数( 顶点度k ) 的顶点的出现概率p ( k ) 。b a 列举了电影演员合作网、美国西部电力网、以及万维网的顶点度分 布函数的统计结果，说明相当大部分的实际网络显示顶点度分布的“幂律尾”关 系，大部分复杂网络会自组织向一个无标度状态。 近年来，关于复杂网络的研究正处于蓬勃发展的阶段。特别是自2 0 0 2 年以 来的这两年间，网络研究进入飞速发展，有关复杂网络的新的研究理论不断出 现，新的应用领域迅速发展和开辟，其研究者来自图论 2 0 1 1 2 1 1 、统计物理学 2 2 2 3 1 、 计算机网络 2 4 2 5 1 1 2 6 1 、生态学 2 7 1 、社会学【2 叼以及经济学【2 9 】【3 等各个不同领域。 网络研究的文章主要发表于p h y s r e v l e t t ，p h y s r e v e ，p h y s i e a a ，p n a s 等物 理类期刊，n a t u r e ，s c i e n c e 等综合期刊，以及e c o l o g y l e t t e r 、a c m 等专业期 刊。 复杂网络提出后引起各学术界的关注，在物理、数学、生物等自然科学领 域都有较广泛的应用，展现出很强的适用性和广阔的发展前景。对复杂网络的 研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 研究网络中顶点与边的度值和权值等微观性质，网络的几何性质、效 率与稳定性等宏观性质，以及微观和宏观两者之间的关系，这是复杂网络研究 的核心内容。 4 硕士学位论文第l 章导论 在这一方向上所做的工作有：a l b e r t 和b a r a b a s i 、d o r o g o v t s e v 和m e n d e s 等关于顶点度值、介数的分析方法以及大量不同网络中存在的相同统计特征研 究1 ；p a n d i t 和a m r i t k a r 、d u n n e 的随机去点与选择性攻击对网络结构的影响 及其分析方法；m o t t c r 等人通过对基于边的介数的攻击方式研究发现t , b 世界 网络( s m a l lw o r l dn e t w o r k ) 对于这样的攻击方式非常敏感【3 2 1 。其他的研究还 包括n e w m a n 等人j 研究网络的几何性质、网络的形成机制和网络演化的统计 规律，w a t t z 和s 仃o g a t z 3 3 1 对网络上的模型性质以及网络的结构稳定性的研究。 ( 2 ) 从各种实际网络的现象之上抽象出一般的网络几何量，并用这些一般 性质指导更多实际网络的研究，进而通过讨论实际网络上的具体现象发展网络 上模型的一般方法，最后讨论网络本身的形成机制。 这方面的研究包括了一批新型特殊的复杂网络模型的提出：w a t t z 、s 仃o g a t z 在对社会网络的研究基础上提出单参数的小世界网络模型( w s 模型) ，随后， n e w m a n 和w a t t z 改进了原始的w s 模型，提出全局耦合的小世界网络模型( n w 模型) ，a l b e r t 和b a r a b a s i 等人在描绘万维网的研究基础上提出了s c a l ef r e e 网 络模型t 3 4 1 ，在s c a l ef r e e 网络的基础上l i 和c h e r t 又提出了局部演化网络模型。 ( 3 ) 复杂网络应用领域的发展与开辟。例如渗流模型的动态网络；选择数 学和神经科学领域的研究者网络作为研究对象，研究合作者网络的动态演化性 质；用小世界网络来描述接触性传染病的传播，谣言在人群中的传播等现象， 提高对不良传播的监控力度；运用s c a l ef r e e 网络的抗攻击性和容错性分析方 法，研究病毒和黑客对计算机网络的攻击情况，改进计算机网络的安全等。妇 1 3 2 对经济管理领域研究的启发 当前，我们正在建立各种各样的复杂网络，如能源供应网络、商业关系网 络、信息网、交通网等，这些网络都与我们的日常生活密切相关。因此，需要 我们深入研究和更深刻的理解这些复杂网络的拓扑结构，运行机制，动力行为， 抗干扰能力，同步能力等等，以便更好的设计和管理现实当中的复杂网络系统， 而这些工作对于促进社会，经济等方面的发展，都具有十分重要的意义 小世界网络理论的提出是复杂网络系统研究的一个新突破，代表着网络结 构理论研究的最新成果，近年来引起了国际学术界的广泛关注，它是一种能够 定量描述和分析现实社会网络的工具。大量实证研究表明，小世界网络可以较 好地反映现实社会网络特征，有助于深入探讨网络结构对网络功能的影响，在 不同领域都有广泛的理论研究前景。 许多不同的自然、社会与经济系统，从遗传网络到互联网，从自然生态网 络到神经网络，从销售网络到运输网络，都可以用具有复杂结构的社会网络模 硕士学位论文第1 章导论 型来描述。然而，在自然科学和社会科学中，这些大量的使人感兴趣的网络都 不同程度呈现着有序性和随机性并存的结构特征。在社会上，由人、群体或组 织所构成的某一类型的网络表现出与一般网络拓扑结构不同的网络属性，这类 网络具有高度的局部集团化特征和较短的全局平均路径长度，介于高度有序和 高度随机之间，这就是所谓的“小世界网络现象” 长期以来，许多经济与管理学家致力于从纷繁多变的经济、管理现象中寻 找可能存在的定量规律来指导实践，但是现实条件千变万化，要建立精确描述 经济、管理问题的数学模型十分困难。由于科学技术日新月异的发展，微电子 技术、信息技术、计算机技术等对世界各国以及全球的经济都带来了巨大的冲 击，产生了许多传统方法无法合理解释的新问题。互联网的出现，使经营者之 间、经营者与消费者之间信息的交流打破时间与空间的限制，电子商务、网上 贸易等作为新兴的经济行为日益普遍，互联网上的信息交换十分复杂，运用传 统方法很难分析与预测通过网络来实现的各种经济管理行为。然而，许多经济、 管理活动却可以用复杂的网络结构来描述，网络中各要素相互关联、相互影响， 同时存在一些不确定性因素、产生一定的随机现象。因此，结合网络结构来研 究经济管理问题未尝不是一种新的尝试。 各种复杂动态系统的结构特征是千差万别的，经济和管理领域就本身而言 就存在许多巨大的复杂动态系统，而作为复杂网络结构理论的最新成果之一的 小世界网络理论能够将复杂的管理、经济系统抽象成简单的网络结构模型，与 其他模型相比更好的符合现实网络特征，有助于分析系统所处的网络结构的特 征与其动态属性之间的关系，并实现网络功能优化，从而为经济、管理活动决 策提供参考。在经济与管理领域中广泛存在小世界现象，因而小世界网络模型 也可作为研究经济与管理问题的有效工具，同时也是对小世界网络理论研究的 一种新的拓展。 1 4 研究内容及论文结构安排 随着市场竞争的日益加剧并伴随着经济全球化趋势和信息技术的不断发 展，作为一种以核心能力作为主要竞争手段、对企业内外部资源进行优化整合 的商业组织模式动态联盟，正成为许多企业的现实选择。如何对这种新型 的商业组织模式进行系统的描述和评价? 动态联盟企业的运作效率如何? 如何 组建动态联盟企业等等，是关系到动态联盟能否高效运作的关键，对其进行深 入研究无论在理论上还是在实践应用中都有非常重要的意义。 6 硕士学位论文第l 章导论 本文将复杂网络理论引入管理研究领域，在介绍小世界网络模型的产生、 基本理论及发展现状的基础上，把小世界网络建模方法引入到对一种典型的商 业网络组织动态联盟的研究中，通过研究动态联盟的管理行为中的相关要 素，系统地建立起对应于小世界网络理论中相关参数变量的映射关系，将动态 联盟合作中的供应链管理问题抽象为小世界的网络模型，以便更好的评价和优 化动态联盟的供应链合作关系。 根据小世界网络模型的动态特性和其独特的拓扑结构等特点，从数量化角度 建立动态联盟中各企业集团之间供应链合作关系的网络模型，运用小世界网络 理论中网络结构参数对网络功能影响的论断，对动态联盟的供应链合作网络属 性进行评价，寻求动态联盟供应链合作的网络结构调整和网络功能优化的途径。 基于以上认识，本文主要从以下几个方面对动态联盟组织进行研究： ( 1 ) 动态联盟的组建及合作机制； ( 2 ) 动态联盟供应链合作关系的描述及评价指标体系； ( 3 ) 基于小世界网络的动态联盟合作网络模型。镳 论文总体围绕着动态联盟企业供应链合作关系进行评价和规划这一条主线 来展开，采用复杂网络理论和方法进行建模分析，并结合我国计算机制造企业 动态联盟的案例予以论证，为我国企业动态联盟的建立和管理提供一个思路。辱 本文的研究主题正是在前人研究的基础上，将有关的概念集中到动态联盟这 一统一的分析框架下，从企业合作网络的本质出发，运用小世界网络理论这一 系统科学理论方面的分析工具对企业动态联盟这一组织模式作详细的讨论，陇， 从理论上为我国企业的网络化发展提供参考和借鉴。 全文分为5 章。 第1 章导论，介绍本研究的背景、意义、理论渊源、研究方法以及研究对 象等一系列与本文有关的总体问题。 第2 章复杂网络理论的基础知识，对复杂网络的一种形式小世界网络 理论进行综述，总结小世界网络理论的发展和应用情况，阐述其基本概念，基 本参数。 第3 章基于小世界网络理论的动态联盟合作关系模型的建立，在对动态联 盟这种商业组织体系结构和运作机制进行分析和阐述的基础上，建立起基于小 世界网络理论的动态联盟合作模型，对相关的假定及约束条件、理论模型进行 描述，实现小世界网络理论中的相关参数和指标与管理研究领域中的一些概念 和属性的相应映射转换。 第4 章案例分析和模型的计算，运用统计物理学和系统学的一些方法，将 7 硕士学位论文第1 章导论 基于小世界网络的动态联盟合作关系模型应用于对我国计算机制造企业的动态 联盟的评价和规划，设计算法并用数学分析软件m a d a b 计算参数指标，运用社 会网络分析软件s t o c n e t i 4 对的企业动态联盟网络进行模拟运算分析，以求验 证理论和模型的合理性和可行性，最后在分析的基础上提出有关提高联盟成功 率和加强联盟合作管理的方法和策略。 第5 章结论与展望，在前文分析的基础上进行总结，提出今后工作的重点。 3 硕士学位论文第2 章复杂网络理论的基础知识 第2 章复杂网络理论的基础知识 网络是一个包含了大量个体及个体之间相互作用的系统，自然界中许许多 多包含大量基本单元的复杂系统可以用复杂网络来描述。人与人之间的社会关 系、物种之间的捕食关系、计算机之间的网络联接、科研文章之间的引用关系、 以及科学家之间的合作关系，甚至产品的生产与被生产关系等等，都可以用网 络来描述。复杂网络作为现象的背景舞台，用以研究在社会关系网络上讨论舆 论的传播，接触关系网络上讨论传染病的传播，计算机病毒在i n t c r a e = t 网络或邮 件网络上的传播，价值链网络上讨论知识的传播等。复杂网络与现象结合可以 用来讨论网络的稳定性等结构与功能关系，例如在食物链网络上讨论个别或部 分物种灭绝对整体生态系统的影响，在不同的网络上讨论传染病传播的控制， 在科学家网络中讨论某个领域中不同的科学家的影响力对网络演化的影响。 我们把个体与相互作用直接抽象为顶点与边的系统称为网络，把网络的统 计性质称为网络静态几何量；把关于实际网络演化的统计规律的分析称为网络 演化性质的研究，而把关于具有特定几何性质的网络的形成机制的探索称为网 络演化机制模型，把网络的各种攻击方式与响应称为网络的结构稳定性。 本章将对复杂网络的研究情况进行综述，并着重介绍复杂网络中的备受关 注的小世界网络理论，为论文后面章节的深入阐述提供必要的理论基础。 2 1 从“六度分离”试验到小世界网络模型 小世界现象，或称六度分离( s i x d e g r e e s o f s e p a r a t i o n ) ”，是社会网络( s o c i a l n e t w o r k s ) 中的一个基本问题，即每个人只需要很少的中间人( 平均6 个) 就 可以和全世界的人建立起联烈嘲。在这一理论中，每个人可看作是图( g r a p h ) 的节点，并有大量路径连接着他们，相连接的节点表示互相认识的人。这是一 个涉及社会学，数学和计算科学问题的多学科交叉问题。该问题源于社会心理 学家m i l g r a m 上世纪6 0 年代作的实验 3 0 3 ；“追踪美国社交网络中的最短路径”。 他要求每个参与者寄信给一个住在波士顿附近的“目标人物”，规定每个参与者 只能转发给一个他们认识的人。m i l g r a m 去掉实验细节，得出的结论是：世界 上任意两个人可以平均通过6 个熟人联系起来，不管是什么方式的联系。后来 9 硕士学位论文第2 章复杂网络理论的基础知识 这种现象被称为“六度分离”，用物理学的术语来说就是“小世界效应”就是说 如果两个人有一个共同的熟人，他们具有一个分离度；如果每个人都认识1 0 0 个人，那么“六度分离”式的7 次联系足够使地球上每个人相连。 小世界效应不仅适用于朋友之间的网络，而且它还普遍存在于其他的社会网 络中。比如9 度凯文培根”的游戏就是要求参加者通过尽可能少的合作者将电 影明星培根与其他演员联系起来。同样在数学领域中有一个评估e n d 6 s 数( 简 称e 数) 的相似游戏，即计算要与多产的数学家e n d 6 s 相联系，需要多少次 共同的科研创作。 社会网络与某些自然网络一样都是大型的动态复杂系统，六度分离现象是 在社会网络中发现的，自然网络结构是否也存在相似的情况? 回答是肯定的， 应用数学家w a t t s 和s t r o g a t z 在自然上发表的文章【l 研，提出利用小世界性 质( s m a l l - w o r l dp r o p e r t y ) 来研究网络：一个高度聚集的包含了“局部连接”节点 的子网，连同一些随机的有助于产生短路径的长距离无规连接( r a n d o m l o n g - r a n g es h o r t c u t s ) ，并相应证明几个典型的自然网络具有小世界网络结构特 征。各种复杂的自然、社会网络之间具有某些相同的特征。 除了对社会、技术和生物网络的唯象研究( e m p i r i c a ls t u d i e s ) ，w a r s 和 s t r o g a t z ( w s ) 还考虑了以下简单模型系统：以一个d 维格点网络开始 ( d - d i m e n s i o n a ll a t t i c en e t w o r k ) ，如图2 1 ，给每个节点添加一些少量随机长距 离连接，把它们连接到随机选择的一些终点上。这样构建的网络将会有局域聚 集( 1 0 c a lc l u s t e r i n g ) 现象及短的路径，如同现实世界中发现的大多数网络一样， 如图2 2 。 瞳圈 扣审0 叫卜专扶乎索鼋弋毒 卜夺专制p 洙p 扣中呻 p 争0 叫p 专邀加牲受为 图2 - 1 带有单个随机连接二维格点网络图2 - 2 带有多个随机联结的二维格点网络 2 2 小世界网络模型的应用领域 小世界网络提出后引起各学术界的关注，在物理、数学、生物等自然科学 i o 硕士学位论文第2 章复杂网络理论的基础知识 领域都有较广泛的应用。小世界网以全新的理论思路和有效的技术工具，展现 出很强的适用性和广阔的发展前景。 ( 1 ) 物理研究领域 小世界问题研究首先是在物理领域取得了丰硕的成果，例如传播介质在一 个要素问平均分离度为6 网络中扩散要比在平均分离度为1 0 0 或一百万的网络 中快得多，这对于研究信息、疾病等的传播具有指导意义。除了理论研究方面， 科学家们还发现在小世界网络中研究物理问题能够解释许多实际现象。 m o n a s s o n 用转移矩阵的方法研究了小世界网络上的拉普拉斯算子特征谱。国内 研究者朱陈平和熊诗杰提出了无序量子小世界网络模型，发现存在局域化 退局域化相变，并以此解释了参杂高聚物中的电导突变现象例。 ( 2 ) 生物研究领域 在生物学方面，研究人员通常运用b a k - s n e p p c n 物种进化模型( 模拟大数 量物种间相互作用对进化产生的影响) 来描述生态系统，k r c t z h m a r 建立了小 世界网络结构模型研究相同的问题，结果表明网络功能依赖于建立的网络结构， 小世界网络结构模型比b a k - s n e p p e n 低维规则模型更接近真实的生态网络。 2 0 0 0 年，l a g o - f e n m n d e k 等研究了基于各种图形的h o d g k i n - h u x l e y 神经元神经一 系统【2 l l ，发现由于网络结构的高度集团化引起系统相干振荡，网络中各点间较 短的平均间隔距离使得网络对外部刺激快速做出反应。同时具有这两个特征的 小世界网络( 高度的局部集团化和较短的全局平均路径) 是他们发现的唯一同一 时具有相干性和快速反应的网络结构形式【3 7 - 4 0 l 。 且前运用小世界理论研究最多、最有成效的问题就是疾病传播。研究表明 病毒在小世界网络中传播很快，与实际情况很接近。k u p e n n a n 和a b m m a s o n 建立了s 峪动态模型，研究社会结构对疾病动态传播的影响。j b 京大学物理学 院非线性实验室和理论生物试验中心的林国基、贾殉等人写的文章【4 l l ，作者用 小世界网络模型对非典型性肺炎的传染动力学行为作了数字模拟研究，在传染 模型中加入了负反馈机制与信息流效应。由于小世界网络结构是目前描述社会 网络结构较好的工具，因此在小世界网络中研究疾病传播问题极具现实意义。 ( 3 ) 系统学和数学领域 在系统科学与数学研究方面，上海理工大学管理学院的车洪安和中国科学 院数学与系统科学研究院系统科学研究所的顾基发等人也在其所发表的文章 i l 刀中对复杂动态网络理论以及小世界网络进行了基础性的介绍，阐述了其系统 n 硕士学位论文 第2 章复杂网络理论的基础知识 科学研究的意义，提出以复杂动态网络研究为切入点，深入开展系统结构的研 究。对于研究小世界网络以及其它复杂动态网络的拓扑结构和应用价值具有很 好的参考意义。中国科学院数学与系统科学研究所的吕金虎在他的文章中1 4 2 1 提出了时变的小世界网络的数学模型描述，探讨了有关小世界网络的同步准则， 对于小世界网络数学模型的建立具有很好的借鉴意义。 ( 4 ) 交通网络研究领域 南京航空航天大学的王斌所写的文章【4 3 】中，作者引入了全局效率和局部效 率两个参数，重新定义小世界网络，从网络的数字特征去规划网络和评价网络。 对小世界网络中固定数目的捷径配置问题提出了用遗产算法的解决方案，并结 合了运筹学中的图论和最优化原理，对小世界网络模型的应用进行深化。 2 3 小世界网络的特性 2 3 1 统计参量 已经进行过比较仔细研究的实际网络，有社会网络( 亲朋关系网、商业关 系网、演员合作网、科研合作网、电子邮件网、电话通话网等) 、信息网络( 论 文引用网、w o r l d w i d ew e b 、专利使用网、计算机共享网等) 、技术网络( 电力 网、自然河流网、i n t e r n e t 、电话线路网等) 、生物网络( 代谢途径网、蛋白质相 互作用网、基因调节网、食物链网、神经网络等) 等等。1 9 9 8 年以来发现了这 些实际网络的一些共性。这些共性中最主要的是w a t t s 和s t r o g a t s ( w s ) 指出 的小世界特性。 描述这些特性的统计参量是： ( 1 ) 平均路径长度( l ) ( c h a r a c t e r i s t i cp a t hl e n g t h ) 沿最短路径连接 任意两个顶点的边数的平均值。平均路径长度是网络的全局特征，在朋友( 熟 人) 网络中，平均路径长度就是联系两个人的朋友个数。 ( 2 ) 集团化系数c ( c l u s t e r i n gc o e f f i c i e n t ) 又称作分支系数，每个顶 点的集团化系数为该团簇( 即与此顶点有边连接的其它顶点的集合) 中实际存 在的边数和最大可能边数的比值，网的分支系数c 是所有顶点的集团化系数的 平均值。很明显，集团化系数是网络的局部特征。在朋友( 熟人) 网络中，集 团化系数反映了相邻两个人之间朋友圈子的重合度。 ( 3 ) 顶点度k 一弓襞一个顶点的边数，可用分布函数p ( k ) 来描述具有相 硕士学位论文 第2 章复杂网络理论的基础知识 同顶点度k 的顶点的出现概率。 用具体的数学定义来看小世界网络，可以表示为：若网络中任意两点间的 平均距离l 随网络格点数n 的增加呈对数增长，即l hn ，且网络的局部结 构具有较明显的集团化特征，则称该网络具有小世界特性。 2 3 2 网络的构造 w s 提出的小世界网模型是在一个规则局域结构( 类似于一个“晶体格子”) 的基础上以一定概率去掉一些规则边，加上一些随机跳跃的远程连接边构成的。 他们解析并数值地证明了；当此概率为零时，规模展示为一个规则网，具有大 的平均路径长( l 和大的分支系数c ；当此概率为1 时，模型展示为一个随机 网，具有小的平均路径长( l ) 和小的分支系数c ；当此概率在0 和1 之间的一 个相当大范围中时，模型展示为一个小世界网，具有小的平均路径长( l ) 和大 的分支系数c 。 在图2 - 3 中，按顺时针方向，选出一个节点和一条到这个节点最近邻节点 的边，以概率p 重新连接到其它节点，目标节点在整个网络中以同样的概率选 出，如果这两点间已经有边则放弃此次操作，变化过程中不改变总节点数和总 边数，处理完所有节点算一次循环。然后，考虑到这个节点第二近的邻节点的 一 边，重新连接的方法同上。当所有的边都被处理过以后，停止循环过程( k 2 次循环) 。 只连接4 个最邻近顶 点的规则网络 具有少量捷径连接 的小世界网络 具有完全任意性连 接的随机网络 o 桊 p 拳0 _ i p 荨 增加随机性 图2 - 3 规则网络( 2 0 个节点，每个节点4 条边的) 向随机网络变化的示意过程嗍 规则网络的平均路径长和分支系数比较大，( 具有相同节点数和边数的) 随 机网络这两个参数值都比较小，给人的感觉是这两个参数在规则网络向随机网 络变化的过程中具有相同的变化趋势。但实际情况并非如此，见图2 - 4 。 硕士学位论文第2 章复杂网络理论的基础知识 图2 - 4 规则网络向随机网络过渡时特征路径长度和聚合系数的变化过程 图2 - 4 中网络节点数n = 1 0 0 0 ，平均的顶点度k = l o 。水平轴采用对数坐标。 可以看到，当边的调整概率很小的时候，平均路径长度已经迅速变得很小了， 而相对的分支系数基本未发生变化。这同时也意味着在局部几乎无法察觉的就 过渡到了小世界。 小世界网络表现出的结构特征与人们对现实网络的归纳结果相接近。从局 部看小世界网络具有高度的集团化特征、而从整体看任意两点间的平均路径长 度有能够保持较短，它介于高度有序和高度随机结构之间，是一种很特殊的抽 象网络图。当网络中格点数增减，即网络大小变化时，任意两点间的最短平均 距离变化相对缓慢，大致随格点数增加呈对数增长，且网络具有明显的局部集 团化特征，所谓的小