赢家通吃——如何赢得网络全球化

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英文标题：
《The winner takes it all -- How to win network globalization》
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作者：
Chengyuan Han, Dirk Witthaut, Marc Timme, and Malte Schr\\\"oder
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最新提交年份：
2019
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英文摘要：
  Quantifying the importance and power of individual nodes depending on their position in socio-economic networks constitutes a problem across a variety of applications. Examples include the reach of individuals in (online) social networks, the importance of individual banks or loans in financial networks, the relevance of individual companies in supply networks, and the role of traffic hubs in transport networks. Which features characterize the importance of a node in a trade network during the emergence of a globalized, connected market? Here we analyze a model that maps the evolution of trade networks to a percolation problem. In particular, we focus on the influence of topological features of the node within the trade network. Our results reveal that an advantageous position with respect to different length scales determines the success of a node at different stages of globalization and depending on the speed of globalization.
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中文摘要：
根据各个节点在社会经济网络中的位置，量化各个节点的重要性和影响力，这在各种应用中都是一个问题。例如，个人在（在线）社交网络中的影响力、个人银行或贷款在金融网络中的重要性、个别公司在供应网络中的相关性以及交通枢纽在交通网络中的作用。在全球化、互联市场出现期间，贸易网络中节点的重要性体现在哪些特征上？在这里，我们分析了一个模型，该模型将贸易网络的演化映射为一个渗流问题。特别地，我们关注贸易网络中节点拓扑特征的影响。我们的结果表明，不同长度尺度的优势地位决定了节点在全球化不同阶段的成功与否，这取决于全球化的速度。
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分类信息：

一级分类：Physics        物理学
二级分类：Physics and Society        物理学与社会
分类描述：Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体（人类或其他）的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统（如能源网、运输网络）的物理和工程。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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PDF下载：
--> The_winner_takes_it_all_--_How_to_win_network_globalization.pdf (3.9 MB)

2022-6-24 04:37:25 上传

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关键词：全球化 Quantitative Applications QUANTITATIV Application

赢家通吃-如何赢得网络全球化，*Dirk Witthaut，1，2，+Marc Timme，3，和Malte Schr"oder3，§Forschungszentrum Jülich，能源和气候研究所-系统分析和技术评估（IEK-STE），52428 Jülich，德国科隆大学理论物理研究所，50937 K"oln，德国网络动力学主席，德累斯顿电子发展中心（cfaed）和理论物理研究所，德国德累斯顿大学，邮编：01062。根据各个节点在社会经济网络中的位置，量化各个节点的重要性和影响力，是一个跨各种应用的问题。这方面的例子包括（在线）社交网络中的每个人、个人银行或贷款在金融网络中的重要性、各个公司在供应网络中的相关性以及交通网络中的角色。在全球化、互联市场出现期间，贸易网络中节点的重要性体现在哪些特征上？在这里，我们分析了一个模型，该模型将贸易网络的演化映射为渗流问题。特别是，我们关注贸易网络中节点的拓扑特征的影响。我们的结果表明，不同长度尺度的优势决定了节点在全球化不同阶段的成功与否，这取决于全球化的速度。一、 简介全球互联互通对我们的社会、经济和技术发展至关重要[1-4]。全球运输网络的发展极大地改变了世界经济，提高了效率，使生产更加集中[5]。

但这种全球连通性也带来了新的系统性风险，尤其是在金融部门。规模经济是许多社会经济网络形成的主要推动力。一般来说，与较小、较不发达的代理相比，具有高连通性的发达经济代理更具吸引力或竞争力。因此，更大的代理自然会吸引更多的联系[8-10]。在社会网络理论中，这一原则通常被称为优先依恋，推动了无尺度网络的形成[11]。在经济理论中，规模经济被认为是导致贸易网络和全球化出现的关键机制【5，12】。最近，我们看到数字平台经济中出现了准垄断，其规模经济尤其强大[13–15]。在这种情况下，胜利者获得一切。但谁赢了，怎么赢？了解网络中哪个节点是最重要的节点，以及它如何在网络全球化过程中“赢得”竞争，在很大程度上仍然是一个悬而未决的问题。特别是，系统研究异构地理环境中的网络信息是一项艰巨的任务。描述网络增长的渗流模型通常涉及随机过程【16–18】，而网络结构的优化模型通常从单个全局目标函数开始【19–18】*中国。han@fz-朱利希。de+d。witthaut@fz-朱利希。demarc。timme@tu-德累斯顿。de§malte。schroeder@tu-德累斯顿。de23]。

然而，这两个模型类都不能完全描述社会经济网络，其形成取决于交互代理的单个决策（优化、非随机）（多个不同的目标函数）。经济均衡模型和博弈论模型捕捉了这些相互作用和个人决策，但随着代理数量的增加，这些模型很快变得难以处理[3，24-28]。在本文中，我们研究了一个供应网络模型，该模型明确包括非线性非凸规模经济和运输成本，同时通过将贸易网络的演化映射到渗流问题来实现半分析处理[29]。在该模型中，代理商试图通过国内生产或进口，以最低成本满足给定的需求。规模经济有利于生产的集中化和贸易的出现。另一方面，非零运输成本有利于分布式生产。通过在该模型中模拟贸易网络的演变，我们可以系统地研究全球化是如何发生的，运输网络是如何影响全球化的，以及最后但至少是哪些地理因素为经济主体提供了优势。特别是，我们证明了“赢得”全球化进程的方法是在正确的长度范围内处于有利地位。我们表明，表征节点竞争力的长度尺度取决于全球化的阶段和全球化进程的速度。二、方法a。经济渗流模型我们分析了拓扑特征对Schr"oder等人最近引入的网络形成模型中节点重要性的影响。该模型描述了基于运输成本生产成本+=单位PK总成本Sk+=图1的贸易互动的形成。网络供应问题。

每个节点i选择一个供应商k，以最低成本Ki=minkKki满足其需求D。这些成本包括：（I）nodek的生产成本，其中每单位成本取决于该节点（左面板）的生产总量，以及（II）运输成本，其取决于基础运输网络中节点之间的距离Tki和I（虚线）。网络中的所有节点（包括k个）同时解决各自的优化问题。基本网络供应问题[5，12]。其基本思想如下：每个节点（或经济主体）i∈ 网络中的{1，2，…，N}有固定的需求D（所有节点都相同）。一个节点可以通过国内生产或通过从其通过基础运输网络连接的其他节点采购来满足这一需求。满足这一需求通常会导致节点i的成本：（i）节点k处生产的生产成本kPKI，即使对于k=i的国内生产，以及（II）如果节点i从其他节点采购（k 6=i），从节点k到节点i的运输成本kPKI。此一般设置如图1所示。在诺德克制造的商品和在节点i消耗的商品的生产成本由kpki=pk（Sk）×Ski给出，（1）其中Skidenotes表示在诺德克生产的商品和在节点i消耗的商品的数量。单位pk的成本随着总生产量的减少而降低Sk=PNi=1Skidueto node k的规模经济。这意味着生产对于更大的数量来说效率更高。

通过这篇文章，我们假设一个线性关系pk（Sk）=bk- 为了简单起见，询问（2），其中参数a≥ 0直接量化规模经济的强度，BK是每个节点不同的恒定效应集，描述了固有的生产成本优势。运输成本sktki=pTTkiSki（3）与基础运输网络中节点之间的采购货物量ski和距离tkiski成比例。比例系数Pt控制运输成本相对于生产成本的重要性。在现实环境中，由于运输部门的技术进步，它通常会随着时间的推移而减少，并作为网络形成模型的主要控制参数。如图1所示，节点i readKi=NXk=1Kki=NXk=1KPki+KTki（4）的总成本加在一起。每个节点i选择其采购技巧，以便在其完全满足其需求的约束条件下最小化其成本，PkSki=D。通常，这会导致非线性和非凸优化问题，因为生产成本取决于所有节点的采购。然而，由此产生的纳什均衡，即没有节点可以通过改变其供应商来进一步降低成本，可以高效地计算，如【29】所示：每个节点i仅选择一个供应商k（其自身或网络中的另一个节点），该供应商k可以通过适当的广度第一搜索有效地找到。我们从有限的运输成本（pT=∞, 这样所有节点都会在本地进行采购，而不会进行交易。随着传输成本重要性的降低，一些节点开始进行非本地购买，从而增加了其他节点的生产成本。最终，大型共同市场（集群）出现在Ski贸易网络中，每个都有一个供应商节点k。

最终，当运输成本消失，pT=0时，只有一个巨大的市场（集群）与一个供应商k保持一致*全球集中生产Sk*= ND。图2展示了小型平面网络的这种演变。在本文中，我们研究了这一贸易网络形成的两个主要方面：第一，集中化是如何发生的？也就是说，如何从大型PTT的本地生产过渡到低pTtake的集中生产？其次，我们分析谁在竞争中“获胜”。即，哪个节点k*成为最终供应商，因为pT的生产完全集中→ 网络结构分析经济渗流模型明确地包含了异质地理条件。矩阵Tkiencodes对所有节点对（k，i）的距离进行编码，这取决于它们的地理位置和基础运输网络的结构。因此，该模型可以系统地研究地理或拓扑属性对贸易形成和生产集中的影响。是否有任何地理或拓扑特征决定了哪些节点成为最终供应商，哪些节点不是？为了研究传输网络拓扑的影响，我们考虑了四种不同的随机网络集合。我们从地理上嵌入的网络集合开始，通过在单位平方上均匀随机分布N=1000个节点获得。边由具有周期边界条件的Delaunay三角剖分构造。每个结果M=3000（a）（b）（c）（d）（e）图2。渗流模型中的市场增长。（a） 四个市场SIO规模的演变由市场供应商i的生产SIO衡量。网络中的每个节点优化其成本，以满足其需求，如正文所述。

随着运输成本重要性的降低，节点进行外部采购，共同市场（集群）出现，其中生产集中在单个节点k。作为pT→ 0，只有供应商k的单一全球市场*= 16和S=1保留（蓝线）。（b-e）pT不同值的网络快照。面板（a）中所示的四个集中生产的市场（集群）以各自的颜色显示，中央供应商节点以较大的圆圈突出显示。黑色节点不属于这四个市场中的任何一个。实线表示运输网络中的活动链接，虚线表示四大市场未使用的潜在运输链接。参数为D=1/N，b∈ [0，1]随机均匀分布，a=10-3、平面网络创建为Delaunay三角剖分，从n=100个点开始，在单位平方内随机均匀分布（更多详细信息，请参见方法）。链接是无方向的，并且指定的距离等于连接节点之间的欧几里德距离。网络中两个任意节点i，j的距离tijo最终作为网络中的测地线或最短路径距离获得。其他随机网络群是通过边缘重组从初始群中获得的。此过程使连接数和各个边长度的分布保持相同，从而使网络彼此具有可比性。我们采用三种不同的重组程序创建具有不同性质的随机：首先，我们保持网络结构不变，但选择距离的随机排列（随机权重）。这打破了链接距离和节点位置之间的相关性。其次，我们在结果网络连接的约束下，统一随机地将链接重新连接到不同的节点。

然后，该网络具有与泊松随机网络相对应的拓扑结构[2]。将这种随机化与原始网络进行比较，可以让我们了解规则与随机网络拓扑的影响。第三，我们创建了aBarabasi-Albert无标度网络，具有相同数量的链路和相同的链路距离【11】。韦瑟斯创造了四个不同的组合，平均度数和边缘长度相同，但全球结构却大不相同。例如，对于几何和泊松随机网络，度分布从窄变为无标度网络的重尾。C、 模型参数除了运输网络的结构外，几个模型参数还决定了全球化的进程。首先，我们注意到系统演化对于成本的重新缩放是不变的。特别是，我们可以通过选择合适的单元系统来设置D=1/N。距离的重新缩放可以被吸收到描述单位运输成本的主控制参数Pt中。它描述了运输成本相对于生产成本的相对重要性。两个参数a和b通过单位成本p（Sk）=bk表征生产成本- 询问[等式（2）]。由于只有成本的相对排序与比较不同的供应商相关（以KKI<Kji的形式），我们对成本进行了缩放，以便所有bi∈ [0，1]，minibi=0，maxibi=1。特别地，我们从区间[0，1]中随机均匀地选择BI。第二个参数a是规模经济的特征，对模型行为有很大影响。我们对差异极大的值进行模拟a∈-5, 10-4.10覆盖不同的全球化制度。

要考虑到这一点，请注意，总的生产集中化会导致生产成本下降，D=1/N时下降NDa=a。如果a比成本参数bi的典型差异小得多，则规模经济可以忽略不计，即 1/N=10-3、如果AI与bi差异最大，则规模经济占主导地位，即论坛≈ 1、范围a∈-5, 10-4.10涵盖两种制度。总之，我们对四个不同的交通网络群和几个A值进行了模拟。对于每种情况，我们考虑1000个不同的网络随机实现，10个不同的bieach排列，每个集合产生10.000个测量值和a值。对于每个实现，我们在大传输成本的限制下开始模拟，pT=∞,没有任何贸易往来。然后，我们逐渐降低成本，并记录贸易网络的出现，即采购Ski定义的网络连接组件的合并，以及pT=0的最终供应商。三、 结果A。全球化是如何产生的？为了了解全球化市场的出现，我们记录了最大市场的规模，因为运输成本从pT=∞ （无交易）到pT=0（单一，全球市场）。随着运输成本的降低，节点之间的交易网络也随之合并。图2显示了一个小型地理嵌入随机网络的生产全球化示例。当pt=1.0时，几个节点已经决定从其他相邻节点购买其商品，并且已经形成了多个市场，其中生产集中于单个节点。随着更多节点决定非本地购买，当ptt降低topT=0.5时，市场将增长。最后，许多节点再次改变其供应商，加入一个具有强大规模经济的大型全球市场，而不是较小的本地市场。