湖北省高速公路收费站影响域划分及其流量与人口关联分析

危小建¹， 李佩伶²， 赵林玉¹， 陈竹安¹

(1.东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013； 2．武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

摘 要： 针对以往缺乏高速公路收费站点辐射范围及其辐射范围内交通流量与人口规模的相互关系研究的现状，通过运用流量加权的网络路径—时间成本Voronoi图方法，研究高速公路收费站点的影响域范围及其演变特征，运用Pearson相关系数研究各高速公路收费站点交通流量与各收费站点影响域内的人口规模之间的关系。研究结果表明：(1) 新建高速收费站点完善了全省高速公路网络布局，且 2010年湖北省高速公路收费站点的平均影响范围较2006年更细；(2) 湖北省高速公路收费站点流量与收费站点的辐射人口呈显著正相关；(3)湖北省道路网络的发展仍应突出武汉市的全省核心枢纽地位，突出黄石、恩施、十堰、宜昌的地位，并考虑进一步补充高速公路收费站点。

关键词： 高速公路；收费站点；改进Voronoi图；交通流量; 相关性;湖北省

由于高速公路在较长运距的运输中十分重要，高速公路的规划布置是否合理直接影响着经济社会发展^[1-3]。研究高速公路的规划，特别是研究高速公路收费站点的分布、服务范围、交通流量及其与人口规模的相关性，有助于进一步分析高速公路收费站布设的合理性并为进一步完善高速公路网络提供基础。近年来，国内外学者针对交通网络结构^[4-6]、交通网络的通达性^[7-9]、交通网络的影响域^[10]等进行了大量研究。在交通网络影响域划分的研究中^[11-14]，有关高速公路收费站点影响域划分的研究很少^[15-17]，有关高速公路收费站点交通流量及其影响范围内的人口规模的相互关系的研究还未见报道。

在ANSYS软件中用来分析流体运动的是Fluent模块，对直通式截止阀的结构分析不是运用其几何模型，而是需要对其几何模型进行网格划分。首先根据机械结构尺寸利用SolidWorks三维软件绘制出该结构的三维模型。然后由几何模型的外观形状来看，在该分析中的网格划分应采用Gambit模块网格的划分方式，因为Gambit模块网格常用在圆或圆弧模型，同时Gambit模块根据自己的运算可生成复杂流道[1]。在网格划分时，因阀体底部区域受力较大则需要对底部局部地方进行网格细化，故在该区域的网格划分相对要密集一些，划分后的内部流场如图3。

因此，本文采用改进的网络加权Voronoi图研究高速公路收费站点的影响域范围及其演变特征，并进一步分析高速公路收费站点的交通流量与其影响域范围内的人口规模的相关性。研究结果有助于进一步认识湖北省高速公路的发展以及探讨高速公路收费站点设置的合理性。

1 数据与方法

1.1 数据与处理

本文以湖北省为研究区，主要数据包括：(1)湖北省2006年和2010年高速公路收费站点位置及相应年份的10月份的流量数据；(2)湖北省2006年和2010年道路数据；(3)湖北省2006年和2010年乡镇人口数据。根据不同等级道路的车辆行驶速度差异明显，将国道、省道、县道和乡道平均通行速度设定为75 km/h，50 km/h，30 km/h和20 km/h，将2006年和2010年的高速公路通行速度分别设定为90 km/h和100 km/h。

1.2 基于流量加权的网络路径时间成本距离的Voronoi图方法

Voronoi图又称V图、泰森多边形，核心是运用计算几何的思维方式对区域空间进行几何剖分。网络Voronoi图较传统的Voronoi图更贴合实际。考虑高速公路收费站点的流量数据作为发生元的加权值，通过流量加权的网络路径—时间成本Voronoi图剖分高速公路收费站点的影响域，更为符合实际。

由表1可知，2006年湖北省影响作用区域较大的前三位高速公路收费站点为：宜昌站、十堰东站和黄石站，可能原因为：湖北省高速公路正在建设过程中，最西段仅刚到达宜昌、十堰境内。对于黄石站来说，湖北省高速路网以武汉为中心向东部区域延展，黄石站作为东部高速公路的端点，承担着鄂东部地区交通中心的作用。黄石站站点辐射人口居全省首位。同时武汉、仙桃、鄂州、潜江等城市均有部分高速公路收费站点的流量排名靠前，可能原因是作为武汉1+8城市圈内城市，其经济、文化、基础设施建设等条件较好。

表 1 2006年湖北省高速公路收费站点影响排序

2 结果与分析

2.1 湖北省高速公路站点服务范围演变

2.1.1 高速公路收费站点流量空间分布与服务范围

由表2可知， 2010年湖北省高速公路已覆盖到恩施州，极大地提高了恩施州的可达性，同时可能由于恩施州地势复杂、海拔较高，高速路网建设难度较大，站点分布并不密集，恩施州的部分高速收费站点的服务面积较大。同时在2006—2010年间，宜昌市的高速路网也逐渐发展成熟，辐射区域趋于稳定，影响范围依旧较大。对鄂中部区域而言，随着沪蓉高速、随岳高速的建成，武汉1+8城市圈路网的逐渐成熟。虽然站点的影响区域更加细化，区域服务范围面积不大，但是辐射人口较多。鄂东地区高速路网发展也较为迅速，随着武英高速、大广高速等高速的建成，黄石站的流量压力被分担。但黄石站依旧作为鄂东地区交通枢纽站点，服务范围面积和辐射人口数量较大，影响作用十分明显。

图 1显示湖北省2006年和2010年高速公路收费站点流量空间分布与流量加权的路径—时间成本Voronoi空间划分。由图1可知，湖北省高速公路收费站点流量空间分布存在明显差异，2006—2010年湖北省高速公路路网发展迅速，高速收费站点由89个增长至181个。全省范围内，形成了武汉为中心，黄石为东部交通枢纽，西部高速路网快速发展的空间格局，表明基础设施建设投入也开始从东向西倾斜。

2.1.2 基于Voronoi空间划分的高速公路收费站点影响

2006年湖北省高速公路收费站点影响域的空间分布不均衡，武汉市的高速公路收费站点空间影响区域较小。可能原因是武汉市高速收费站点数量最多，布局最密。从全省来看，鄂西地区部分宜昌站、长阳站、十堰站影响范围较大、辐射的乡镇数目也较多。从鄂东部地区来看，湖北省高速公路最东部达到黄石港，黄石港高速公路站起作为连接枢纽，辐射影响较大，站点辐射的范围和乡镇数目都较多。2010年湖北省高速公路收费站点的平均影响范围较2006年更细，原因是高速收费站点数量的增多。值得指出的是，路网的更新和改变，可能导致城镇通过新的路网到达不同高速收费站点的时间产生变化，从而引起高速公路收费站点的服务区域边界的改变，如泉口与赤壁的服务范围的变化。

统计高速收费站点的服务范围面积和影响区域内人口数量，列出前十位影响较大的湖北省高速公路收费站点名称(表1和表 2)。

心理社社员总共约50个，每次聚会大概会来8成，比例算高。像我一样的大一新社员有12位，其中3位是女生。

USDA11月报告将2018/2019年度阿根廷大豆产量预测值调整至5550万吨，低于上月预测的5700万吨，但仍比上年因为干旱而严重减产的3780万吨产量高出47%。预计出口量维持800万吨，高于2016/2017年度703万吨及2017/2018年度的211万吨。

流量加权的网络路径—时间成本Voronoi图方法实现的关键步骤如下：(1)将道路网按照不同道路等级的阻碍作用赋予不同速度，构建基于时间抗阻的湖北省道路网络模型；(2)以高速公路收费站点为初始地、湖北省乡镇(最小单元)为目的地，构建网络模型，在ArcGIS中计算OD成本矩阵；(3)统计OD成本矩阵结果，以乡镇为空间剖分对象，统计各乡镇到所有高速公路收费站点的路径—时间成本；(4)以高速收费站点为对象，对高速公路收费站点流量进行标准化处理，标准化为[0.8，1]的权重值，用以进一步调整各乡镇到高速公路收费站点的路径—时间成本；(5)用加权处理后的路径—时间成本距离进行湖北省高速公路收费站点的Voronoi图划分，最终获得网络加权的Voronoi图。

图 1湖北省 2006年和 2010年高速公路收费站点流量空间分布与流量
加权的路径—时间成本 Voronoi空间划分

桂娭毑吓了一跳，他这个身体，怎能上得水库工地，这一去，准是送肉上砧板。她晓得宝玉爹的脾气，宁折不弯从来不低头求人的，思前想后她豁出去了，瞒着宝玉爹，去找带队的大队民兵营长白招财。忘了跟大家通气，招财在部队待了两年，没有更光荣，复员回来了，当了民兵营长，如今也成了喊得水动的角色了。

和顺县的辐射水源井主要是远离河流集取地下水型，以小泉小水为水源的农村饮水安全工程，可通过实施水平辐射把漏失的泉水和未开发的散泉集中起来，增水效果十分明显，比如横岭镇的龙旺村、阳照村等，尤其适宜厚度较薄的含水层以及不易用渗渠开采的厚度薄、埋深大的含水层。主要优点：（1）山区辐射井水源工程多为引水工程，管理方便，运行成本较低。（2）集水范围大，含水层厚时可多层设置集水孔，此水水质优良且水量稳定，受季节影响较小。

表 2 2010年湖北省高速公路收费站点影响排序

2.2 湖北省高速公路收费站点流量与其辐射人口关系

2.2.2 湖北省高速公路收费站点流量与其辐射人口的耦合分析

湖北省2006、2010年份乡镇单元的人口空间分布见图2。根据人口密度空间分布，湖北省可分为鄂西部人口区以及鄂中东部人口区，人口空间分布呈现由东向西逐级递减的梯度差异，同时在2006—2010年期间差异仍不断加强。湖北省人口出现由鄂西部落后区域向东部发达区域集聚的趋势，以及由鄂东地区人口向武汉市集聚的人口迁移趋势。

2.2.1 湖北省城镇人口变化

基于路径—时间成本计算的Voronoi图的空间划分，将全省高速公路收费站点流量与辐射人口进行耦合，在SPSS中分析两者相关性(表 3)。由表3可知，2006年湖北省高速公路收费站点流量与其辐射人口存在显著相关性，站点总流量与辐射人口之间相关性达0.611，站点进站流量、出站流量与辐射人口之间也显著相关，相关性分别为：0.604、0.615。同时2006年高速公路站点总流量、进站流量、出站流量与辐射面积显著相关，相关性分别为：0.317、0.306、0.325。说明高速公路收费站点车流量值、站点辐射人口、影响范围面积三者呈正比例关系。

表 3 2006年和 2010年湖北省高速公路收费站点流量与其辐射人口相关性

**在0.01水平(双侧)上显著相关；*在0.05水平(双侧)上显著相关。

对比2006年站点流量与辐射人口相关性发现，2010年相关性的值有一定下降，可能原因是：2006—2010年间，湖北省高速路网发展迅速，城镇内高速公路收费站点增加，可供城镇居民选择的高速公路出入口增多，原本站点辐射的人口数量被多个站点重新划分，相关性值减小。

图 2 2006年和 2010年湖北省人口空间分布

总而言之，2006年、2010年湖北省高速收费站点流量与站点辐射人口均呈显著正相关性，且随着网络趋于复杂化，高速收费站点数量增大，辐射人口空间划分改变，相关性值也随之变化，高速公路收费站点流量与站点Voronoi图划分的辐射人口存在一定关联。

⑧Helen Nissenbaum，“Privacy as Contextual Integrity”，Washington Law Review，79(1)，2004，pp．119 ～158．

3 结论

本文采用基于流量加权改进的路径—时间成本Voronoi图划分高速公路收费站点的影响域范围，并分析其流量与其影响域范围内的人口规模的相关性。研究结果表明：(1)新建高速收费站点完善了全省高速公路网络布局。 2010年湖北省高速公路收费站点的平均影响范围较2006年更细。

(2)湖北省高速公路收费站点流量与收费站点的辐射人口呈显著正相关，且随着网络趋于复杂化，高速收费站点数量增大，辐射人口空间划分改变，其相关性值也随之变化。

(3)湖北省道路网路的发展仍应突出武汉市的全省核心枢纽地位，突出黄石、恩施、十堰、宜昌的地位，加强区域连通各市(州)的快速城市间通道的建设，大力推动高速公路快速发展来带动全省的城际交流，并通过对高速公路收费站点的影响范围及其人口的分析，考虑进一步补充高速公路收费站点。

[参考文献]

[1] 蒋海兵，张文忠，祁毅，等. 基于可达性分析的高速公路投资空间溢出效应[J]. 地理研究，2014(1): 71-82.

[2] 刘瑞超，丁四保，王成新，等. 高速公路对区域发展影响的评价体系研究——以山东省为例[J]. 地理科学，2012(7): 798-806.

[3] 王成金. 中国高速公路规划网的空间效应与政策机制[J]. 地理学报， 2011, 66(8): 1076-1088.

[4] 高中华，李满春，陈振杰，等. 城市道路网络的小世界特征研究[J]. 地理与地理信息科学，2007(4): 97-101.

[5] 李清泉，曾喆，杨必胜，等. 城市道路网络的中介中心性分析[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2010(1): 37-41.

[6] 詹璇，林爱文，孙铖，等. 武汉市公共交通网络中心性及其与银行网点的空间耦合性研究[J]. 地理科学进展， 2016(9): 1155-1166.

[7] 姜博，初楠臣，王媛，等. 高速铁路影响下的城市可达性测度及其空间格局模拟分析——以哈大高铁为例[J]. 经济地理， 2014(11): 58-62.

[8] 蒋海兵，张文忠，祁毅，等. 基于可达性分析的高速公路投资空间溢出效应[J]. 地理研究，2014(1): 71-82.

[9] 周恺. 长江三角洲高速公路网通达性与城镇空间结构发展[J]. 地理科学进展， 2010(2): 241-248.

[10] 耿红，唐旭，祝国瑞. 基于空间竞争的城市道路影响域划分方法研究[J]. 武汉大学学报：信息科学版，2004(6): 521-524.

[11] 胡石元，刘耀林. Voronoi图的扩展及其在土地定级因素影响半径确定中的应用[J]. 中国土地科学， 2004(3): 46-49.

[12] 王伟，封学军. 基于加权Voronoi图的连续型物流节点布局优化[J]. 武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011, 35(6): 1103-1107.

[13] 王新生，余瑞林，姜友华. 基于道路网络的商业网点市场域分析[J]. 地理研究， 2008(1): 85-92.

[14] 谢顺平，冯学智，王结臣，等. 基于网络加权Voronoi图分析的南京市商业中心辐射域研究[J]. 地理学报， 2009(12): 1467-1476.

[15] 侯静轩，苑思楠，盛强，等. 地铁线路及站点周边人流量空间预测模型研究[C]//建构文化——2015年全国建筑院系建筑数字技术教学研讨会论文集，2015.

[16] 廖固. 高速公路收费站通行能力分析[J]. 公路工程， 2010(3): 153-155.

[17] 马军. 高速公路收费站拥堵问题调查与分析[J]. 公路交通科技：应用技术版，2012(4): 299-302.

Radiation Domain of Highway Toll -station and Relationship Between Traffic Flow and Population Size in Hubei Province

WEI Xiao-jian¹, LI Pei-ling², ZHAO Lin-yu¹, CHEN Zhu-an¹

(1.School of Geomatics ,East China University of Technology ,Nanchang 330013,China ; 2.School of Resource and Environment Science ,Wuhan University ,Wuhan 430079,China ,)

Abstract : In previous research, there are rare papers on how to divide highway toll-station’s field scientifically and accurately and on exploring the relationship between traffic flow of highway toll stations and the size of the population within the radiation range of highway toll stations. This paper, based on Hubei province road network data in 2006 and 2010 year, uses Voronoi method which based on road network path cost of time distance and traffic flow to divide the influence area of highway toll station, and then uses the Pearson correlation coefficient to study the relationship between traffic flow of the highway toll stations and the population size within the the influence area of highway toll station, which can explore the consistency of traffic flow and the size of the population. The research results show that: (1) The new high-speed toll stations have improved the province’s highway network layout. The average range of influence areas of toll stations in 2010 was smaller than that in 2006; (2) The traffic flow of toll stations is significantly positively related to population within the the influence area of highway toll station; (3) Considering Hubei province road network development, Wuhan city should be the core, and the status of Huangshi, Enshi, Shiyan, and Yichang should be highlighted, and the highway toll sites should be considered to add further.

Key Words : highway；toll-station；voronoi diagram；traffic flow；correlation；Hubei province

中图分类号： F323

文献标识码： A

文章编号： 1674-3512(2019)01-0026-06

危小建，李佩伶，赵林玉，等.湖北省高速公路收费站影响域划分及其流量与人口关联分析[J].东华理工大学学报：社会科学版，2019，38(1)：26-31.

Wei Xiao-jian, Li Pei-ling, Zhao Lin-yu, et al.Radiation domain of highway toll-station and relationship between traffic flow and population size in Hubei province[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2019，38(1)：26-31.

收稿日期： 2018-08-03

基金项目： 江西省社科规划项目(17GL30 )。

作者简介： 危小建(1988—)，男，江西省南昌人，博士，讲师，主要从事土地利用规划、评价和土地信息智能化处理研究。

标签：高速公路论文;  收费站点论文;  改进Voronoi图论文;  交通流量论文;  相关性论文;  湖北省论文;  东华理工大学测绘工程学院论文;  武汉大学资源与环境科学学院论文;