珠江三角洲陆路运输网络效率测度及其演化，本文主要内容关键词为：陆路论文,效率论文,网络论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修订日期：2013-12-22 中图分类号：F542 文献标识码：A 文章编号：1003-2398(2014)02-0076-07 1 引言 交通运输系统是由需求、服务的区域及支持位移的网络所构建的复杂关系集[1]，作为其核心组成要素的交通运输网络在经济社会发展过程中发挥基础性作用。交通运输网络发展到高水平阶段，从效率角度着手对其进行探讨对运输网络优化和把握其与区域发展相互作用机制有重要意义。 目前，国内外对交通运输网络的研究主要集中在四个方面：交通运输网络的空间格局特征[2-4]、交通运输网络时空演化规律[5-8]、交通运输网络评价[9-12]及与区域发展的相互关系[13-15，4]。如Taffee等人基于对多个非洲沿海殖民地国家交通网络发展的历史考察，提出了发展中国家交通运输网络演化的六阶段模式[16]；金凤君和王姣娥在对近100年来中国铁路网络的发展及其通达性格局演化的分析之后，提出了中国铁路网络“内陆扩张”模式[17]；曹小曙等人利用空间欧式距离可达性指标对中国国家干线公路网的研究，提出了中国城市可达性呈现“核心—边缘”模式[18]。近年来，随着对城市交通拥堵、物流及时运输以及自然灾害等问题的关注，交通网络可靠性研究逐渐兴起，主要集中在探讨上述不确定因素造成的网络通行能力和网络结构的变化对交通网络可达性的影响[19-22]。此外，新近兴起的复杂网络理论分析方法为交通运输网络的复杂性研究提供了崭新的视角，学者们借助复杂网络分析指标对交通运输网络结构特征进行了探讨，如王姣娥等人对中国航空网络空间结构的复杂性研究[23]；莫辉辉等人从结构、过程和机理角度对中国航空、铁路以及高速公路网络的研究[24]等。 在运输效率研究方面，自20世纪70年代开始，在运输管制放松和运输企业私有化改革的背景下，国外就开始了对运输效率问题的探讨。国内外对于运输效率的研究集中在交通经济学与管理学方面，主要关注运输效率指标构建与评价模型探讨[25-28]、运输效率影响因素及政策制定探讨[29-31]、运输效率实证研究[32-34]、运输能源效率探讨[35-37]四方面。然而，上述研究大多是基于属性分析思路，以运输企业、各类运输行业部门为单位进行分析，从空间相互作用思路出发专门研究运输网络效率问题的成果并不多见。 改革开放以来，我国交通基础设施网络已基本完成了网络骨架构建和规模扩张阶段，运输网络内部的优化配置成为满足未来经济社会发展需求的关键步骤[38]。在此背景下，对于运输网络效率时空演化规律及其与区域发展相互作用关系等问题的探讨尤为必要。鉴于此，本文在对运输网络效率内涵及其测度方法界定的基础上，以运输网络基础设施发达的珠江三角洲地区为实证，以县域为基本研究单元，综合考虑公路、铁路两种交通运输方式，分析1980年代以来珠江三角洲陆路交通运输网络效率时空演化特征。 2 运输网络效率的涵义与测度 2.1 运输网络效率的涵义 运输效率是指在运输生产活动中实际产出与资源投入之间的比率。运输资源的稀缺性决定了人们必须合理配置和有效利用运输资源，以达到运输效率最大化。Fielding等人分别从供应和需求角度出发，认为运输效率应包括运输效率(transport efficiency)与运输效益(transport effectiveness)两方面，前者反映运输系统供应运输产品即价值的效率，后者则反映了其所提供的运输产品转化为使用价值即被消费的效率[39]。运输效率还可分为技术效率与经济效率，技术效率关注的是生产的可能性，对于生产成本的考虑较少，指在一定的运输资源和技术水平条件下，单位产出的产品产量与实际所能达到的最佳值之间的比例关系，其实质是考虑现有生产条件的优化利用问题[40]；经济效率则同时考虑生产成本与产出两方面，指的是以货币形式表现的运输资源投入与产出的比例。Levinson认为由于不同学科背景的学者所关注角度的差异，他们对运输效率的认识也各不相同，交通工程学者主要关注机动性与安全性，交通经济学者关注的是消费者剩余或效用，管理者主要关注生产率提高，而规划者关注的是可达性[41]。 在众多的关于运输效率的定义、评价和应用研究中，其涵义均与两个变量相关①运输投入变量：主要是指运输生产成本，包括操作成本、设施成本、能源成本以及劳动力成本等；②运输产出变量：主要是指运输产品，包括货币化的经济直接收益和间接收益、可达性以及客货周转量等方面。围绕这两个变量的不同组合产生了不同的运输效率定义。 交通运输网络是由节点(城镇、港站、枢纽、道路交叉点)、线(交通线、行车线路、客货流)相互衔接所组成的。从地理学角度出发，交通运输网络所提供的直接产品就是实现区域中具有互补性的地理事物的空间运输联系—可达性和机动性。相应地，交通运输网络效率即是指交通运输网络形成与发育过程中，所体现出的满足客货空间位移需求现实能力与其实际所能达到的最佳值之间的比例关系，具有空间性、时间性和社会经济性特征。需要指出的是，虽然运输网络效率与运输效率概念类似，但内涵不同。运输效率是指以运输企业、运输部门或地区为研究对象，以属性分析思路为主，寻求达到增加运输收益、提高运输服务水平的途径。而运输网络效率主要是从空间相互作用角度，表现节点间相互作用、节点与网络整体的协同耦合程度，然后才是有形实体(企业、部门)在空间中的运行状况，运输网络效率越高，在区域发展的过程中，就越能够节省更多的运输成本，使得区位决策的灵活度增高，形成合理的地域空间结构，获得更高的投入产出效益。 2.2 运输网络效率的测度 2.2.1 运输网络效率测度模型 如前所述，专门针对运输网络探讨效率问题的研究成果并不多见，然而，学者们在对交通运输网络结构复杂性探讨过程中实际上已经涉及了网络效率问题。如莫辉辉、王姣娥在对航空网络复杂性进行度量的过程中，指出邻近中心性指标反映了节点对整个网络的控制能力，体现了网络组织效率[24]。Latora等人在验证波士顿地铁网络的小世界性特征的过程中，基于平均路径长度指标和集聚系数指标提出了全局网络效率指标和局域网络效率指标，他认为网络G①中任意两节点i与j间的网络效率
与连接两点间最短距离
成反比：即
=1/
，当节点i与j不连通时，
=+∞，相应地，其网络效率
为0。整个网络G的平均效率即为网络中任意两点间效率的平均值[42]。 运输网络效率本质上反映了网络中任意两节点间完成相互作用的难易程度。两节点间产生并完成相互联系受到了经济社会水平、路网距离成本、路网通行能力以及网络整体结构等变量的影响。在决定运输网络效率众多变量中，路网距离成本发挥着至关重要的作用。参考Latora关于网络效率的定义，令
和
分别表示运输网络中任意两点i和j之间的网络效率值和节点i的网络效率总值，
表示点i和点j的路网距离成本(本文采用路网最短旅行时间成本表示)，则其计算公式如下：
进一步将上述公式计算所得的网络效率值与最优网络效率对比进行标准化。最优网络效率的计算思路为：令
和
分别表示理想情况下运输网络中任意两点i和j之间的最优网络效率和节点i的最优网络效率总值，
表示点i和点j的最优路网距离成本，鉴于本文基于区域尺度进行分析，以及珠三角地势低平、河网密布的自然地理背景，文章取两点间直线距离作为最优距离，假设两点间由高速公路连接，按照路网时间距离计算方法将上述最优物理距离转化为最优时间距离。具体计算公式为：
为使标准化后的网络效率值更容易判断，文章将标准化值取倒数，同时，为表现目的地经济规模对节点吸引力的影响，以各地GDP权重
加权平均得出最终的网络效率
。显而易见，网络效率值
的取值范围≥1，当
=1时，表示路网实际效率达到了理想情况下的最优效率水平，
越大，网络效率水平越低。
2.2.2 路网距离计算 节点间的运输距离是衡量网络中连通程度的重要指标。考虑到路网通行时间并不能完全反映实际路网通行能力，舒适性与安全性也是影响路网通行能力的重要因素，为使计算出来的路网时间距离更符合实际，在计算了各节点之间最短旅行时间的基础上，采用路网等级为权重赋值计算最短旅行时间作为路网时间距离指标。本文将路网等级分为四级：其中第一级为油面干线公路、高等级干线公路和高速公路，权重为-0.2，第二级为普通干线公路和国道，权重为0.0，第三级为普通干线公路和省道，权重为0.2，第四级为普通公路和县道，权重为0.4。具体计算公式为：
公路行车速度根据《中华人民共和国公路工程技术标准(JTGB01-2003)》规定的公路设计速度，同时结合不同时期实际情况设定：1988年公路网络由油面干线公路、普通干线公路和油面普通公路、普通公路组成，平均行车速度分别为50km/h、40km/h、30km/h；1998年公路由高等级干线公路、国道、省道以及县道组成，平均行车速度分别为90km/h、70km/h、60 km/h、40km/h；2008年，高速公路120km/h、国道80km/h、省道70km/h、县道50km/h。铁路运行时间根据各个时段的铁路运行时刻表来测定②。通过ArcGIS 9.3的网络分析模块求出不同时间断面各节点城市与其它节点城市之间的最短路径(最短旅行时间)，随后根据上述公式计算基于陆路交通网络的各城市与其它城市间的加权平均运输网络效率。 2.3 数据收集及处理 以珠江三角洲为实例，选取1988年、1998年、2008年三个等时间间隔年份进行分析。考虑到资料获取性，以2005年行政区划为基准，选取县域(县级市、区)与合并后的地级以上城市市区作为研究单元，其中县级单元18个，地级市及城市市区9个③。 本文主要以社会经济数据和道路网资料为数据源。社会经济数据来源于历年各地市统计年鉴，通过市区合并统计整理而得；道路网数据(包括铁路、高速公路、国道、省道及一般公路)分别来源于《中国分省公路交通地图册》(中国地图出版社，1988年)、《中国交通营运里程图集》(人民交通出版社，1998年)、《中国分省交通详图》(人民交通出版社，2008年)。对纸质地图进行扫描、裁剪、拼接、几何校正和配准等预处理，以ArcGIS 9.3为操作平台，对数据信息分层矢量化。 3 陆路交通运输网络效率空间格局及其变化 利用公式(3)、(4)计算了珠江三角洲陆路交通运输网络不同时间断面效率值，其空间格局如图1所示。为了突出交通基础设施变化对网络效率的影响，本文所研究的三个时间节点权重统一取2005年各城镇GDP总值。 3.1 运输网络效率空间格局 (1)运输网络效率空间分异特征与通达性空间分异模式具有较大差异，网络效率高值城市和低值城市同时存在于珠三角核心地区和外围地区。这与笔者对珠三角地区通达性的研究结论具有明显差异，珠三角公路交通通达性空间格局以穗—莞—深—线为最高，向外围逐渐递减的态势。通过图1可以看出，运输网络效率空间格局并不符合“核心—外围”模式，在外围地区分布着有四会、恩平等网络效率水平较高的城市，同时中心地区也存在诸如番禺、高明、珠海等网络效率水平较低的城市。 运输网络效率空间格局是由路网实际距离成本和路网最优距离成本相互作用的综合体现，本质上反映了网络中节点间相互作用的便利性程度，地理空间位置因素的作用程度大大弱化。相反，在传统的通达性研究方法中，由于地理位置因素权重较大，学者们通常都得出了通达性自区域中心向外围逐渐递减的趋势，进而认为要改变外围地区的落后状态必须要加大交通基础设施建设力度，实际情况也证明这种举措并没有达到促进经济发展的目的[43]。这也表明了本文所运用的运输网络效率指标在表征交通运输网络的发展水平方面的有效性。
图1 1988-2008年珠三角运输网络效率格局演化 Fig.1 The Evolution of Spatial Structure of Transport Network Efficiency in Pearl River Delta(1988-2008) (2)运输网络效率空间格局呈现出沿交通干线延伸的条带状分布特征，空间覆盖范围不断扩大。在交通干道沿线地带，构成网络效率最优区域，在该地带内部，处于路网交汇处的城市如广州、东莞、深圳等地形成了网络效率最低值点(网络效率水平最高)。随着距交通干道距离的增加，网络效率逐渐递减。对比3个时间断面，1988年和1998年的网络效率空间格局较为吻合，形成以“四会—三水—广州—东莞—深圳”一线为核心的南北向网络效率最优地带，1998年该核心地带进一步扩展到惠州、惠阳等东部地区。同时，珠三角西岸地区的网络效率明显提高。结合路网演化过程以及运输网络效率空间分布特征可以看出，伴随着珠江三角洲地区路网规模不断增长，其空间覆盖范围不断扩大，运输网络效率空间分布日趋均衡，城市的分布与基础设施网络在地域上逐渐趋于吻合。与前两个阶段相比，2008年的空间格局在保持交通干道指向性的同时，网络效率空间格局从原有的南北向“走廊”分布态势，转化为东西向面状均衡分布格局。 从局部城市来看，1988年和1998年，四会为高效率城市之一，而到了2008年，珠三角其它城市网络规模增长速度大大超过了四会，四会的运输网络规模优势大大弱化，公路网密度仅为106 km/百
，相较于其它城市，四会成为低效率城市。2008年，新会的公路网密度达到了136 km/百
，其网络效率也由前两个阶段的低水平区进入到高水平区。珠江口西岸地区的珠海则由于珠江口的阻隔，与其它地区相比，三个时间断面上珠海的运输网络效率均较低。可以预见，随着广珠城际、广珠铁路、粤西沿海铁路特别是港珠澳大桥的修建，珠海的运输网络效率将会得到大幅度提高。 3.2 运输网络效率时间变化 (1)运输网络效率大幅度提升，基本接近最优效率水平。从网络效率值变化来看(图2)，1988-2008年间，各个城市网络效率水平均得到了大幅度提升。网络效率平均值从1988年的4.42小时，减少到1998年的2.61小时，进而到2008年的1.41小时，变化率达到68.09%，除四会网络效率值变化率为39.04%，小于50%外，其余各城市的变化率均大于50%，这与前述对四会的分析相一致。网络效率提高最大的城市为新会，从5.68减少到1.04小时，减少4.64小时，比率为81.66%。各阶段网络效率提高幅度差异较大，存在递减效应。1988-1998年期间，网络效率平均值从4.42减少到2.61小时，减少1.81小时，比率为40.95%，1998-2008年期间，从2.61减少到1.41小时，减少1.20小时，比率为45.98%。 1988年，珠三角公路网络由干线公路、普通公路组成，通车里程约21113km。1988-1998年间，珠三角公路交通网络的发展主要以路网等级提升为主，路网空间格局并没有发生大的改变，到1998年，珠三角基本上形成了以国道、省道、县道为主体的公路网络，通车里程约为29530km，这也导致了1988-1998年期间网络效率水平提升的同时，其空间格局并没有发生太大的变化。1998-2008年间，国道、省道等级提升和高速公路大规模兴建同时进行，公路网络格局发生了很大变化，至2008年，初步形成了以高速公路为主干的珠三角高等级公路网络，区域内主要城市皆由高速公路相连，通车里程约为53418km，从而决定了该时期运输网络效率空间均衡性大大提高。
图2 1988-2008年珠三角运输网络效率变化 Fig.2 The Change of Transport Network Efficiency in Pearl River Delta(1988-2008)
图3 珠江三角洲运输网络效率变化 Fig.3 The Change of Transport Network Efficiency in Pearl River Delta(1988-2008) (2)网络效率空间格局变化由中部地区逐渐向东西两翼转移。图3显示了网络效率变化的空间态势，从网络效率变化空间分布来看，1988-1998年期间，网络效率变化的主要地区分布在珠三角东西两岸以及中部地区，珠海、江门、南海都是网络效率大幅度提高的地区，同时网络效率变化值呈现出从中部向东西两翼逐渐减少的趋势。1998-2008年，除四会、花都以及三水网络效率提高幅度较小外，其余各地网络效率水平都得到了较大的提高。结合图1可以看出，初始网络效率优越区域的变化远远小于初始网络效率较差区域的变化。 3.3 运输网络效率空间差异 为更细致刻画研究时段内珠三角地区运输网络效率的空间格局分异特征，选取统计学中常用的样本标准方差指标，依据不同年份网络效率值计算不同年份运输网络效率标准差，以反映网络效率分布的均衡性(表1)。 从1988年到2008年，网络效率值的标准方差从1.02减少到0.33，这说明，研究时段内，运输网络效率逐渐趋向于均衡分布，这与前述对空间格局特征分析是一致的。进一步分析网络效率的最高值和最低值，与标准差指标一致，其差值呈现逐渐降低的特征，表明运输网络效率逐渐呈现出整体均衡化趋势，即所谓的时间—空间收敛趋势。 4 交通与经济发展匹配空间格局 运输网络效率格局及其变化深刻影响着区域经济社会发展。为探讨珠三角交通运输网络发展水平与区域发展之间的匹配程度，我们收集了27个城市的人均GDP数据，用其指示各城市经济发展水平。以27个城市的平均水平为基准，分别求出各城市人均GDP和网络效率对平均水平的比值，对人均GDP值来说，将比值大于1的成为经济发达城市类，比值小于1的成为经济落后城市类；对运输网络效率值来说，将比值大于1的称为陆路交通基础设施高度完善型，比值小于1的称为陆路交通基础设施基本完善型，通过对二者的交叉分类，将珠三角地区27个城市划分为以下四类发展区域④(图4)。
图4 运输网络效率与经济发展空间匹配 Fig.4 Spatial Match Between Transport Network Efficiency and Economic Development 在经济高度发达的城市类别中，可分为两种类型：①高度支撑型：包括广州及其周边的三水、增城、南海、东莞、深圳和中山，这7个城市的网络效率标准化值和人均GDP标准化值均大于1，即陆路交通基础设施高度完善且经济发展水平高，作为珠三角经济社会发展的重要区域，城市发展对陆路交通的依赖并不突出，但交通便捷度较高，可以很好的支撑城市经济社会发展，二者之间处于高度支撑状态；②基本支撑型：主要是指陆路交通基础设施基本完善且经济发展水平高的城市，包括花都、肇庆、佛山、高明、顺德以及珠海6个城市，这6个城市的运输网络效率标准化值小于1，但人均GDP标准化值大于1，与上述类型一样，该类城市发展对交通的依赖性不强，但与第一种类型相比，交通运输网络建设水平相对较低，城市经济社会发展与交通运输网络之间处于基本支撑状态。 在经济较为落后的城市类别中，也有两种类型：①基本适应型：主要是指陆路交通基础设施基本完善但经济发展水平较低的城市，包括番禺和珠三角东翼地区的惠阳、惠东、西翼地区的四会、高要、鹤山、开平和台山8个城市，这8个城市网络效率标准化值和人均GDP标准化值均小于1，在经济落后发展的同时，交通运输网络因素对经济发展并不构成瓶颈作用，二者之间处于基本适应状态；②高度适应型：主要是指陆路交通基础设施高度完善但经济发展水平低的城市，包括珠三角外围地区的恩平、从化、博罗以及惠州、江门和新会6个城市，这6个城市网络效率标准化值大于1，但人均GDP标准化值小于1，在经济落后发展的同时，交通运输网络高度发达，与基本适应型相比，二者之间处于高度适应状态。 5 结论 (1)运输网络效率有效的表征了珠三角运输网络发育的实际状况。珠三角运输网络效率空间分异模式与通达性空间分异模式具有较大差异，高值城市和低值城市同时存在于珠三角核心地区和外围地区。 (2)运输网络效率空间格局呈现出沿交通干线延伸的条带状分布特征，且空间覆盖范围不断扩大。交通干道沿线地带为网络效率最优区域，随着距交通干道距离的增加，网络效率逐渐递减。网络效率空间格局变化由中部逐渐向东西两翼转移，空间格局从原有的南北向“走廊”分布态势，转化为东西向面状均衡分布格局。 (3)研究时段内，运输网络效率大幅度提升。1988-2008年间，随着珠三角陆路交通网络的发展与完善，网络效率平均值从4.42减少到1.41小时，变化率达到68.09%。各阶段网络效率提高幅度差异较大，存在递减效应。1988-1998年期间，网络效率平均值从4.42减少到2.61小时，减少1.81小时，比率为40.95%，1998-2008年期间，从2.61减少到1.41小时，减少1.20小时，比率为45.98%。 (4)运输网络效率除了受到路网结构以及速度影响外，路网密度、交通阻碍等因子均会对运输网络效率产生影响，考虑到数据的可获得性，本文仅考虑了路网结构和速度两个方面，在未来的研究中，可以将其他的影响因子考虑进去，更为全面的揭示运输网络效率演化特征。 ①地理空间网络经抽象和简化，常用数学语言将地理网络描述为图G=｛v，E}，V为网络中的节点集，E为网络中的边集。 ②铁路运行时间来源于《全国铁路运行时刻表》(中国铁道出版社，1988年、1998年、2008年)。 ③行政上包括了广州市区、深圳市、珠海市、中山市、东莞市、佛山市区、惠州市区、江门市区、肇庆市区以及花都区、番禺区、增城市、从化市、顺德区、南海区、高明区、三水区、惠阳市、惠东县、博罗县、新会区、台山市、鹤山市、四会市、高要市、开平市、恩平市。 ④网络效率值越小，其网络效率水平越高，为使分类结果更直观，我们将上述基于平均值的标准化结构取倒数；2008年，27个城市运输网络效率平均值为1.41，据此判断，各地交通基础设施均属于高度完善和基本完善阶段。
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