ENPC TD1 : Python (NetworkX) et analyse de réseaux

Dans le cadre d’un enseignement sur les risques à l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, j’ai élaboré une séquence de cours concernant plus spécifiquement les réseaux techniques. Ce billet propose le résumé d’une séance qui est en lien direct avec les préoccupations de ce blog, puisqu’elle traite de l’analyse de réseaux avec une bibliothèque Python nommée NetworkX. Pour reproduire ce billet, il conviendra bien entendu d’installer Python, puis les bibliothèques : Numpy, Scipy et NetworkX 1.7.

Pour ce billet, nous disposons d’un fichier Python définissant trois listes (ici). Ces listes correspondent à une modélisation simplifiée d’un graphe du réseau autoroutier français. Il convient tout d’abord d’ouvrir ce fichier dans l’IDLE Python, puis d’exécuter ce code. Il est alors possible de construire le graphe du réseau à étudier.

import networkx as nx # import de la bibliothèque networkx
g=nx.Graph() # création du graphe g
g.add_edges_from(arcs) # ajout des arcs de la liste arc au graphe
print(g.nodes()) # consultation des nœuds du graphe g

print(g.edges()) # consultation des arcs du graphe g

Plusieurs indicateurs pouvant nous servir par la suite peuvent être calculés. Pour chaque nœud, on peut ainsi calculer le degré, la centralité intermédiaire ou l’intermédiarité (betweenness), l’éloignement moyen.

deg=nx.degree(g) # calcul des degrés des nœuds du graphe g
bet=nx.betweenness_centrality(g)  # calcul des centralités
aspl=nx.average_shortest_path_length(g)

print(aspl) # consultation des éloignements moyens

Si l’on souhaite afficher le nom des villes suivant leur niveau de centralité intermédiaire, il est possible d’utiliser la bibliothèque Operator :

import operator # import de la bibliothèque operator
tri=sorted(bet.items(), reverse=True, key=operator.itemgetter(1))
for i in range(len(tri)): # boucle affichant le nom des villes

    print(villes[int(tri[i][0])])# en fonction de l’opération de tri

Pour analyser les forces et les faiblesses d’un réseau, il faut le mettre à l’épreuve. Pour cela, il existe un moyen radical : supprimer des éléments du réseau et recalculer des indicateurs calculés au préalable afin de comparer les résultats obtenus. Pour un réseau transport, l’éloignement moyen peut être considéré comme un indicateur pertinent. Afin de conserver un graphe « intact », il peut être pertinent de travailler sur un deuxième graphe créé pour être perturbé.

g2=nx.Graph() # création du graphe g2 créé pour être perturbé
g2.add_edges_from(arcs) # le graphe g2 est au départ identique au graphe g
g2.remove_node(20) # suppression du nœud 20
aspl2=nx.average_shortest_path_length(g2) # calcul sur le graphe perturbé
vul20=aspl2-aspl # comparaison des valeurs obtenues pour un même indicateur

print(vul20) # affichage du résultat correspondant à la perturbation engendrée par la suppression du nœud 20

Dès lors, il est possible de généraliser ce calcul pour l’ensemble des nœuds du réseau étudié :

vul=[] # création du tableau qui contiendra les résultats
for i in range(len(g.nodes())): # boucle de la taille du nombre de nœuds
   g2=nx.Graph() # à chaque itération, création du graphe g2 qui sera perturbé
   g2.add_edges_from(arcs) # le graphe g2 est au départ identique au graphe g
   g2.remove_node(i) # à chaque itération, suppression d’un nœud (le numéro i)
   aspl2=nx.average_shortest_path_length(g2) # calcul sur le graphe perturbé
   dif=aspl2-aspl # à chaque itération on calcule la perturbation engendrée

   vul=vul+[(i,dif)] # ajout dans le tableau de la valeur obtenue pour un nœud supprimé

Néanmoins, à partir du 8ème élément (print(vul)), une erreur se produit. En effet, retirer un ou plusieurs éléments à un réseau n’est pas une opération neutre. En l’occurrence, certains éléments, s’ils sont retirés, peuvent notamment engendrer des ruptures de connexité (des pertes de connectivité). Ici, les ruptures de connexité engendrent l’impossibilité de calculer l’éloignement moyen puisque certaines distances deviennent incalculables (ces distances tendent en fait vers l’infini). Il faut alors créer des exceptions.

vul=[] # création du tableau qui contiendra les résultats
for i in range(len(g.nodes())): # même code que ci-dessus
   if (i!=8 and i!=53): # on rajoute juste deux exceptions
      g2=nx.Graph()
      g2.add_edges_from(arcs)
      g2.remove_node(i)
      aspl2=nx.average_shortest_path_length(g2)
      dif=aspl2-aspl

      vul=vul+[(i,dif)]

Comme précédemment, il est possible de trier les résultats obtenus afin d’identifier les éléments les plus problématiques. Il apparaît alors que ces éléments sont presque identiques à ceux apparaissant comme les plus centraux.

On peut alors chercher à mesurer le degré d’intensité de la relation existant entre la « vulnérabilité » et la « centralité » d’un nœud. Pour cela, il convient de trouver un indicateur de vulnérabilité pouvant se calculer pour tous les nœuds. NetworkX propose un indicateur qui fonctionne comme nous avons procédé, mais en utilisant un indicateur de proximité (closeness) et non d’éloignement, ce qui permet de palier au problème de rupture de connexité (en effet, en s’appuyant sur les inverses des distances, les valeurs tendant vers l’infini tendent vers zéro).

import numpy
vul2=nx.closeness_vitality(g) # calcul de vulnérabilité avec networkx
mvul2=list(vul2.items()) # transforme la bibliothèque en une liste
avul2=numpy.array(mvul2) # transforme cette liste en une array
x=avul2[:,1] # la variable x correspondant à la vulnérabilité des nœuds
mbet=list(bet.items()) # transforme la bibliothèque en une liste
abet=numpy.array(mbet) # on transforme cette liste en une array
y=abet[:,1] # la variable y correspondant à la centralité des nœuds
from scipy import stats
slope, intercept, r_value, p_value, std_err = stats.linregress(x,y)
r2=r_value*r_value # calcul du r2

print(r2) # affichage du r2

A la fin, on obtient un code propre que vous pouvez télécharger ici. S’il existe un lien entre vulnérabilité et centralité, celui-ci est imparfait. On essaiera de le montrer dans un prochain billet relatif à ces enseignements.


Serge Lhomme

Maitre de conférences à l'université Paris Est Créteil - Docteur en géographie de l'université Paris VII spécialité "dynamique des milieux et risques"

More Posts - Website

Une réflexion au sujet de « ENPC TD1 : Python (NetworkX) et analyse de réseaux »

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *