2024年3月14日发(作者:)

30

卷第

3

2071

3

运筹与

管理

OPERATEONSRESEARCH

AND

MANAGEMENTSCEENCE

VP

30,

No.

0

Mos.

2021

具有联盟结构的

position

单而芳

吕文蓉

史纪磊

上海大学管理学院

上海

200444

要:

position

值是图对策中著名的分支有效解

该值充分体现了图的边在合作中的贡献

因而也可作为网络中心

性的一种测度方法

本文基于

van

den

Brini

等提出的具有联盟结构与图结构的合作对策

position

值推广到具

有联盟结构的图对策上

提出了具有联盟结构的

position

,该值可以作为受优先联盟约束的网络中心性的一种测

度方法

本文首先证明了具有联盟结构的

position

值可以由分割分支有效性和平衡边贡献性所唯一刻画。

其次

以跨国天然气管道网的收益分配为例

对这个值与其他值做了比较分析

关键词

合作对策

联盟结构

图对策

Position

中图分类号:

F224.07

文章标识码

A

文章编号

1402-5271

2071

09-2117-25

doi

1.

1005/orms.

2071

2089

The

Position

Value

wits

Coalition

Strcctsrcs

SHAN

Er-fang

,

LYU

Wen-roog

,

SHI

JWlel

(School

of

Managemeai,

Shanghat

Un

rP

,

Shnghai

200444

,

China

)

Abstract

A

well-0nown

campooent

ePicWnt

solution

for

graph

games

W

the

position

value

,

whOh

fully

reflects

the

rote

of

the

lines

to

ceoperato

in

graph

games

,

and

W

applieh

to

measure

centralita

of

networns.

Baseh

on

the

ceoperaOve

games

with

0-01

x

000

and

graph

strnctures

proposeh

by

van

den

Brini

et

oU

,

thio

paper

extends

the

position

value

to

graph

games

with

caoPOon

strncture

,

and

proposes

the

position

value

with

caoPPoo

structure.

Thisvaluecaubeksekasamexspreforofcentrality

caosWaWeh

by

prioPta

0-011000/

in

networns.

First

,

we

show

that

the

position

value

with

0-311000

structus

ishetes

inenul

uely

yyartiti

ncam

ooekmPmOkcaauObalaucaklWOcootObutOo.

SeconOly

,

byacasevoWaushaOooaloaturalyos

pipelines

,

wecemparethevalue

with

severoi

others.

Key

wo

rds

:

2

-0001000

games

0-011000

structures

graph

games

position

value

值可看作二次应用

Shapley

首先将每个优先联

0

引言

可转移效用合作对策

1

ceoperaOve

game

with

Wansferadie

utility

9

,

简称

TU

-对策

是描述参与

者通过联盟进行合作的一种基本模型

该模型假

定任何有限参与者之间都能形成合作联盟

也即任

何联盟均是可行的

在这一框架下

Shapley

7

过考虑每个参与者对所有联盟的边际贡献

提出了

著名的分配规则

Shapley

OweP

3

考虑到

优先联盟对分配所带来的影响

提出了具有联盟结

盟作为一个整体进行

Shapley

值分配

之后考虑每

个优先联盟内的参与者

将该优先联盟的效用在各

个参与者间再次进行分配

此后

具有联盟结构的

TU-

对策受到了研究者的广泛关注

KamPv

4

提出

并刻画了该结构下的一种新的分配方案

称之为

Ka

Owen

值不同

Owen

值假定每个优先联

盟中的部分参与者与其他完整优先联盟进行合作

可以进行完全合作并产生收益

Ko

值假定只有

完整的优先联盟之间才能进行完全合作并产生收

考虑到优先联盟的权重不同

,

Kampb

5

利用赋

Shapley

值修改并重新刻画了

Ka

构的

TU-

对策

TU

-2ames

with

c-olition

structures

,

并在

Shapley

值的基础上提出了

Owen

Owen

收稿日期

201-06-1

基金项目

国家自然科学基金资助项目

197198

不同于

Owen

将联盟结构作为合作结构

作者简介

单而芳

965-

,

河北石家庄人

教授

博士生导师,

研究方向

图论及其应用

图上合作博弈

吕丈蓉

1996-

,

女,

山东济

硕士研究生

研究方向

图上合作博弈

史纪磊

187-

,

山东临沂人

博士研究生

研究方向

图上合作博弈

3

单而芳

具有联盟结构的

Position

12

Myemon

-

从另一个角度考虑了具有合作结构的

TU-

对策

他通过引入图

(

yraph

)

来描述合作结构

成员进行合作所产生的效用

记所有

TU-

对策的

集合为严

S

C

N,

(S

,

ls

)

表示限制在点集

S

上的子对策

这里对任意

T

C

S,

e

ls

(

T)

=

(

T

)。

如果对任意的

ie

N,

都有

(

C

)

=0

,

则称对策

提出了具有图结构的

TU-

对策

简称为图对策

(yraph

yame)

图中的节点表示参与者

,而图中的

边表示参与者间的某种通讯关系

并假设可行联盟

0

-

规范的

事实上

每个

TU-

对策都可以归结

仅在连通的参与者之间能够形成

Myerson

提出了

0

-

规范对策

以下讨论涉及的对策均为

0

-

范的

记所有

0-

规范的

TU-

对策的集合为卩

9

图对策的第一个分配规则

Myerson

该值定

义为图限制对策

(

yraph-estPcted

yame)

Shapley

为方便起见

对任意

S

C

N,

S

U

it

简记为

S

U

i,S

{i

简记为

Sc

0((,0,

)

简记为

In

j,

2)

ISI

表示

s

的基数

MeesseU

7

为了强调通讯边在合作中的贡献

将图对策中的边看作

参与者

提出了图对策中

另一个重要的分配规则

也就是

position

Myerson

值相比

该值凸显了参与者在图中位置的

重要性

它首先计算每条边的

Shapley

然后再

把每条边的

Shapley

值平均分配给它的两个端点

对应的参与者

每个参与者获得的支付等于与他关

联的所有边

Shapley

值一半的和

2005

SlikkeP

5

给出了任意图对策上的

position

值的公理

化刻画

证明了该值可由分支有效性和平衡边贡献

性所唯一刻画

关于

Position

值的其他研究进展

可参看

9

然而

在现实中合作可能受到两种或者多种合

作结构的限制

基于此

Vdzquez-Bpye

2

Alonsa-Meijife

3

考虑了联盟结构和图结构两

种限制

分别将

Owen

值和

Banzhaf

值推广到了具

有联盟结构和图结构的

TU-

对策上

van

den

Brink

-]

进一步拓展了该理论

Ke

值和

Myemon

的基础上

提出并刻画了图-分割值和分割-图值

其中图-分割值即是具有图结构的

Ke

而分割-

图值即是具有联盟结构的

Myerson

本文旨在将图对策上的

position

值推广到具有

联盟结构和图结构的

TU-

对策上

提出并刻画了

具有联盟结构的

position

本文以下内容安排如

下:第一节给出本文需要的基本定义和记号

。第二

节提出具有联盟结构的

position

值的定义

并给出

公理化刻画

第三节以跨国天然气管道铺设为例

结合具有联盟结构的

position

与其他值做了比

较分析

最后

总结了本文所做工作

-

预备知识

TU-

对策

TU-

对策

由二元组

(

N,

3

)

构成

其中

^=

(1

,

2

,

0

是参与者

(

player)

集合

e

2"f

R

为特

征函数

t

charycteristie

function

且规定

"

(

0

)

=0

N

的任意非空子集

S

称为联盟

,

es

)

表示联盟

S

支付向量

=

(;

1

2

-

,

2

)

e

n

是指一个

n

维向量

其中

)

表示分配给参与者的收益

TU-

策的单值解或者值是一个函数

/,

它把任意对策

(

N

,

)

对应到一个支付向量

/(",

)

e

"

这就是

通常指的分配规则

对于给定的参与者集合

N

一个非空联盟

T

C

N

,

致性对策(

)

2

定义

为:若

T

C

S,

则有

t

(

S

)

=1;

否则

t

(

S

)

=0

已经知道:任何一个对策

(

N

,)

的特征函数都能唯

一的表示为一致性对策的线性组合

-

,即

)

=

T

C

N

X

T

M

0

T

3

)

T

,

其中

T

()

=

S

C

X

T

3

-

1)I

TI-ISI

^(

S

)

,

称为

Hamwyi

红利

最著名的单值有效解是

SSapley

Sh(N,)

对于

TU-

对策和任意的参与者

^

,

SSapley

值可以

表示为

S

h

(N

e

T

C

X

N

t

1.2

具有联盟结构和图结构的

TU-

对策

联盟结构可由

(

N,C

)

表示

其中

N

是参与者

C

=

lC

,C-,-,C„

|

N

的一个划分

被称

为联盟结构

它满足

3)

U

"-

C

,

=N;(2

)

对所有

k

e

{1,2

,

m

,C

(

M

0;(3

)任意的

k

,

e

(1,2,

m

],

(

C

(

n

C=0

称每一个

C

(

e

C

为优

先联盟

N

上所有联盟结构的集合为

C(N

)

具有联盟结构的

TU-

对策由三元组

(

N,

0,C

)

所构成

其中

(

N,)

表示

TU-

对策

,

N,C)

表示联盟

结构

记所有具有联盟结构的

TU-

对策集合为

U(

N

)

O

对任意的

(

N

,

)C

)

e

U

(

N

)

,

C

=

(

C

r

S

e

M

=

(

,2,

m

,

,

定义商对策

(

quotient

yame

)

(M

,

C

),

其中

M

是参与者集

且对任意的

R

C

M

,

)C

(

R

)

="

(

Uy

r

C

-

)

如果对任意的

t

N,,C

)

e

"

(

N)

都有唯一的支

付向量

/(N

,

)C

)

e

则称/为具有联盟结构的

TU-

对策的单值解或者值

对于任意

(

N,,C

)

e

U

(

N

),ze

C

o

e

C

,

Owen

值定义为

J

:

14

运筹与

2071

年第

30

B

N

2,C)

=

x

X

m

⑺八

w

-1)

R<

T

M

hS<

r

C

k

i

M

其中

对任意的

A

C

L

,

)

n

(

A

)

X

T

)

,

称为边

T

e

N/L

对策

(

link

game

)

记为

(

L,

o

N

)

ICI!

Kampb

5

的假设只有完整的优先联盟之间才

具有联盟结构和图结构的

TU-

对策由四元组

(N,o,L,C)

构成

其中

(

N,o)

表示

TU-

对策

(

N,L

)

能进行完全合作并产生完全的收益

也即对于任意

表示图

,

(

N

,

C)

表示联盟结构

记所有的

(

N

,

,

L

,

C)

集合为炉

对具有联盟结构和图结构的

TU-

S

C

C

e

C

C,

e

C,

s,优先联盟

C

C

中所有成员参与合作时

可获得收益

(CU

C

)

对策

,van

den

BCnk

1

提出了两个不同的受限

TU-

对策

一个被称为图-分割限制对策

(

N

,

v

L

S

),

其中

而当

s

C

合作时

仅能获得收益

(

S

)

+

(

c

,

)。

因此

对任意的

c

=

1

C

P

r

e

M

=

门,

m

H

,S

U

N

S

M

0

,

定义

S/C

=

1

U

p,e

M

igh

c

C

p

U

iSn

C

S

Cl

C

a

M

C

a

,

a

e

M

对任意的

(

N

,v,

C

)

e

U(X

),

由联盟结构

C

导出的分割限制对策

(

N

,

s

)

的特征函数定义为

对任意的

S

C

N,

3(

S

)

对任意的

(

N

,

v,C

)

e

U

(

N

)

,

Ko

值定义

T

X

e

S/C

"

为分割限制对策上的

Shapley

也即

Ka

(

N

,

0,C

)

=

S

h(N

,

S

c

)

(

graph

)

可以由

(

N,

厶)来表示

其中

N

称为

图的节点集

而厶称为图的边集

它由

N

的一些无

序二元子集

1,3

所构成

也即

L

C

1

j-q|

e

N

x

N

i

Mi

通常

我们将边

1

-

3!

简记为

记厶

=

1

e

L

j

e

N

(

N,

中包含节点

N

的边的集合

(N

,-)

表示由

(

N

,)

去掉边

后形成的图

如果

e

L

称节点

i

与/是直接相连的

如果对任意的

4

=

1,2,

h-l,

都有

--

+

/

e

L

,

则称互异点列

(

-

,

-

(

N

,

L

)

中的一条路

如果节点

t

和/之

间存在一条路

则称节点

-

j

是连通的

如果

(N,L)

中任意两点都是连通的

则称

(

N,L

)

是连通

对任意非空集合

S

C

N

,

联盟

S

的导出子图表

示为

(

S,L(S

))

,

其中

L(S

)

=

i-

e

L

e

S

(

S,L(S

))

是连通的

则称联盟

S

是连通的

(

S

,

L(

S

)

)

是连通的

但对于任意

je

Nh

,

S

U

j,

LSUj

))

不连通

则称

S

(

N,L)

的一个分支

N/L

来表示

(

N,L

)

中所有分支的集合

图对策由三元组

(

N,e,L)

组成

其中

(

N,o)

TU-

对策

,

(

N

,

L

)

表示一个图

记所有图对策

的集合为

G

(

N

)

如果对于任意的

1

N

,

v,L

)

e

G

(N)

都有唯一的支付向量

/(N

,

)

,L

)

e

,则称/是

图对策的一个

单值

(

N

,

L

)

e

G

(

N

)

,

Meessen

给出了

position

值的表达式

7

:

对任意的

-

e

N

,

n(N

,

)

,L

)

X

tSSKL,)

)

L

C

=

X

『(

T

)

另一个被称为分割-图限制对策

T

e

SLC

3,(%)),

其中

(^C-X

c

(

T

)

在此基础上,

T

e

S/L

van

den

BPO

c

等分别定义这两个限制对策的

Shapley

值为图-分割值和分割-图值

对任意的

(N,o,L,C

)

e

0,

图-分割值定义为

2(N

,

)

L,C

)

=Sh(N

,

)

I

c),

分割-图值定义为

0

(

N,o,L,C

)

=S

h(N,3lc

f)

7

具有联盟结构的

position

值及其公理化刻画

2・1

具有联盟结构的

position

本节将

position

值推广到具有联盟结构与图结

构的

TU2

寸策中

定义了具有联盟结构的

position

简称为

C

-poUtOo

定义

1

对于任意的

(

N,

o,

L,C

)

e

具有联盟

结构的

position

n

C

可定义如下

对任意的

-

e

N

,

n

-

(

N

,

)

L

,

c

)

=

n(

N

,

)

c

L

)

=

ieL-

X

4

/

s

(

)

c

)

N

)

(')

其中

(

)

c

)N

(

A

)

=

T

X

e

N/L

)

c

(

T

)

=

T

e

X

N/LR

e

X

T/L

)R

)

显然

c=N

c

=

1

!1

2

7

|

,-2

a

n

C-PositOn

值就是经典的

Position

2.1

具有联盟结构的

position值的公理化刻画

本节将给出具有联盟结构的

Position

值的公

理性刻画

为方便刻画

$10^

5

理论基础上,

将刻画

position

值的性质进行推广

并给出

C

-position

值所满足的性质

分支有效性:对任意

(

N,o,L,C

)

e

歹,

K

e

N/L,

若分配规则

f

e

Ra

满足

X

f

P

N

,

)L,C

)

=)K

)

则称

t

e

K

/具有分支有效性

由于分支有效性并没有考虑到联盟结构,

C-posWOo

值不再满足该性质

C-positOo

值中

,

分支总收益受到联盟结构的影响

仅当分支

K

3

单而芳

具有联盟结构的

Pos/iou

15

的所有参与者均在同一个优先联盟中时

才能实现

和城市

5

提供天然气

当城市

1

向城市

2

输送天

的分支总收益

考虑到联盟结构

我们用下列的分

割分支有效性来代替分支有效性

分割分支有效性

对任意

(

N,

0,

C

)

e

©

,

K

e

N/3,

若分配规则

/e

R

n

满足

然气时

可产生

3

的收益

当城市

-

向城市

4

或城

5

输送天然气时

可产生

10

的收益

城市

3

参与

到城市

)

和城市

2

城市

1

和城市

4

城市

1

和城市

5

城市间时

收益保持不变

当城市

1

分别向城市

2

Z(N,

0,

L,C

)

=,

c

(

K

)

=

te

K

T

e

K/C

和城市

4

城市

2

和城市

5

城市

4

和城市

5

输送天

则称

/

具有分割分支有效性

然气时

可产生

的收益

同样城市

3

加入时收益

保持不变

当城市

-

向城市

2

城市

4

和城市

5

输送

这个性质是指分支中所有成员的收益之和等

于该分支由优先联盟所确定的分割限制对策的值,

也即由分支所确定的各个子优先联盟值之和

当每个优先联盟恰好为一个分支时

分割分支

有效性即为分支有效性

进一步

当厶图为连通图

分割分支有效性等同于有效性

引理

1

对任意的

(

N,0,

厶,

C

)

e

F^C-posiPou

n

C

(N,0,L,C

)

满足分割分支有效性

平衡边贡献性:对任意

(

N

,,

厶,

C

)

e

/,1,0

N,

若分配规则

/e

满足

[/(川昇丄工)-/(川,,厶,()]

/e

=

[[.("

厶⑺

-/(N,,

C

)]

Ly

则称

/

具有平衡边贡献性

这个性质是指

:逐条去掉与丿相连的所有边对

参与者

t

的收益影响之和等于逐条去掉与

t

相连的

所有边对参与者丿的收益影响之和

引理

2

对任意的

(

N

,

,

,

L

,

C

)

e

F

,

n

C

(

N,

0,

L,C

)

满足平衡边贡献性

现在我们给出

C

4(

x

0011

值的刻画

定理

1

对任意的

(

N

,

,

,

L

,

C

)

e

F

,

C-BosiPou

n

C

(

N,,L,C

)

可由分割分支有效性和

平衡边贡献性所唯一确定

3

算例分析

本节以某跨国天然气管道网的利益分配为例

给出具有联盟结构和图结构的

TU-

对策的一个例

并利用具有联盟结构的

pos/iou

值进行分析

问题的描述

假设有五个城市

)

2,3,4,5,

们属于三个不同的国家

城市

-

与城市

2

位于同

一个国家

城市

4

和城市

5

位于同一个国家

城市

3

单独位于一个国家

铺设的天然气管道如图

)

所示

由城市

)

铺设管道

给城市

2

城市

3

城市

4

天然气时

收益为

12,

城市

3

的加入对其无影响

假设城市

-

可以不受任何限制的向其他城市铺

设管道

但实际中,管道铺设受许多因素的制约

此处

假设城市

-

可向城市

2

铺设管道

城市

2

可向城市

3

铺设管道

城市

3

可向城市

4

和城市

5

铺设管道

下面我们利用具有联盟结构和图结构的

TU-

对策进行分析

参与者集合设为

N

=

{),2,,

4

,

5

U

每个国家可看作一个优先联盟

这样形成三

个优先联盟

C

)

=

{),2

C

.

=

j

C

.

=

{4,5

而天然气管道网对应的图的边记为

a

=

{1,2

!

,

b

{

2,3

丨,

c

=

{

3

,

4

!,

^

=

{

3

,

5

!

o

I------------------------------------------------------

1

0

2

5

I

L

__________________________________

I

I

1

某跨国天然气管道网

根据收益情况

特征函数定义如下

3

,

S={,2

!,

1,2,

3

,

,

S={,4

!,

1,5

!,

1,3,4

!,

1,3,

5!

:

S={,2,4

!,

1,2,5

!,

1,4,

5!

{,

3,4,5

!,{,

2,3,5

!,{,

2,3,4

!

1

,

S=

{,

2,4,5

!,{

N

!

0

,

其他

根据公式

(

1

)

计算可得

C-posiPou

n

C

如表

1

所示

表中同样列出了案例背景下的

Shapley

pos/iou

图-分割值以及分割-图值

116

运筹

1

各值计算结果

2021

年第

30

参与者

12

Shayley

23

2

丁丁

Position

79

2

24

34

图-分割值

3333

而—

分割-图值

3333

而—

C-9osition

21

30

育育

比较分析表中结果可知

,

Shapley

值没有考虑

图结构

也没有考虑联盟结构

使得起

枢纽

作用

的城市

3

的收益为

0

position

值考虑了图结构

能突出城市在网络中位置的重要性

但没有考虑联

盟结构

图-分割值和分割-图值虽然既考虑了联

盟结构

也考虑了图结构

但是并不能突出城市

3

在网络中位置的重要性

使得城市

3

和城市

4

5

分配到相同的收益

C-position

既能考

虑到联盟结构与图结构

也能突出城市

3

在网络中

位置的重要性

因而有更广泛的应用价值

最后

通过此例验证

C-position

值所满足的性

分割分支有效性显然满足

我们以城市

-

和城

3

为例

验证平衡边贡献性

计算可得

n

-

2

(

N

,

0

,

L

6

C

)

=

亍;

n

-

(

N

,

0

,

L

c

,

C

)

=亍

-

n

-

(

N

,

),LC,C

)

二亍;

n

-(

N

,

),Lc,C

)

=

0

X

:

n

(

N

,

)LC

)

-

n

(

N

,

)M^C

)]

=

f

?

lel

-

=

X

[n

C

(

N

,,

l

,

C)

-

nf

(N

,

3

,

LZ

,

C)]

z

T

l

-

C-posibon

值满足平衡边贡献性

-

结论及注记

本文给出了具有联盟结构的

position

值的定义

及其满足的性质

,

它是经典

posOmu

值的推广

通过分割分支有效性和平衡边贡献性

给出了

具有联盟结构的

position

值的公理化刻画

其次

,

算例分析结果表明

,

具有联盟结构的

posikon

值相

比其他分配规则更侧重于关键位置的参与者

,

且考

虑到了优先联盟对合作利益的影响

因而可以作为

具有联盟约束的网络中心性的一种测度方法

有联盟结构的

position

值满足的分割分支有效性

,

但不满足有效性

如何把这个值推广为满足有效

性的值是进一步需要研究的问题

3

45

0

11

6

~6

65

1111

2424

9

9

9

丐丐

9

9

9

丐丐

27

99

育育

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