城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性實證研究

魏磊

【摘 要】為了促進(jìn)城市群內(nèi)不同運(yùn)輸方式協(xié)調(diào)發(fā)展，本文提出構(gòu)建復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的思路，對城市群交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性進(jìn)行實證研究。首先，對城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性進(jìn)行深入分析；其次，提出城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法及網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)指標(biāo)計算方法；最后，以長株潭城市群為例，構(gòu)建道路-軌道復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)模型，采用Matlab仿真計算網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)指標(biāo)。結(jié)果表明：長株潭城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)是典型的小世界網(wǎng)絡(luò)，軌道交通網(wǎng)絡(luò)的疊加有效提高了網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性，道路、軌道運(yùn)輸方式的協(xié)作發(fā)展存在很大的發(fā)展空間。

【關(guān)鍵詞】城市群；復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；復(fù)雜性

0 引言

城市群的形成與發(fā)展已成為我國城市進(jìn)入快速發(fā)展階段的重要特征和發(fā)展趨勢，隨著城市群交通基礎(chǔ)設(shè)施的日益完善，多種運(yùn)輸方式共同服務(wù)于客貨運(yùn)輸，然而運(yùn)輸方式不能有效銜接，信息不能共享，未能有效配合形成最高效的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，使得運(yùn)輸方式間的不協(xié)調(diào)性持續(xù)擴(kuò)大，造成城市群交通運(yùn)輸系統(tǒng)日益混亂。而復(fù)雜性可以用來表示網(wǎng)絡(luò)包含節(jié)點(diǎn)和邊之間的復(fù)雜關(guān)系，為了合理引導(dǎo)不同運(yùn)輸方式的樞紐與線路布局協(xié)調(diào)，對交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性進(jìn)行深入研究，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)一步發(fā)展的重要需求。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性進(jìn)行了部分研究。文獻(xiàn)[1]研究出波士頓軌道交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜拓?fù)涮匦?；文獻(xiàn)[2]研究了城市交通網(wǎng)絡(luò)的小世界特性；文獻(xiàn)[3]研究了城市交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的根源；文獻(xiàn)[4]研究表明上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)是一個無標(biāo)度復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[5]分別對不同運(yùn)輸方式網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性進(jìn)行研究，探索出交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性演化規(guī)律。但這些研究成果大多是以單一城市或單一運(yùn)輸方式網(wǎng)絡(luò)為研究對象，這已不能滿足城市群發(fā)展的需要，城市群包含的各種運(yùn)輸方式相互聯(lián)系、相互作用，任何一種運(yùn)輸方式變動必然引起整個城市群交通網(wǎng)絡(luò)特性發(fā)生改變，它是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)。為此，本文提出構(gòu)建城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的新方法，以復(fù)合網(wǎng)絡(luò)這一視角，對城市群交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性進(jìn)行深入研究，保障城市群交通運(yùn)輸系統(tǒng)高效運(yùn)行，為運(yùn)輸方式一體化引導(dǎo)提供直接依據(jù)。

1 城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性分析

隨著城市群規(guī)模的不斷擴(kuò)大和交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，各種運(yùn)輸方式為人們的出行構(gòu)建了一個立體化、多層次的運(yùn)輸空間。城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)可以包含多種運(yùn)輸方式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和邊，是由城市群公路交通網(wǎng)絡(luò)、城市群軌道交通網(wǎng)絡(luò)、城市群水運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)、城市群航運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)中任意幾種疊加形成的復(fù)合形態(tài)。由于管道運(yùn)輸?shù)奶厥庑?，本文暫不考慮管道運(yùn)輸方式。因此，運(yùn)輸方式以城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)為載體相互影響，若不同運(yùn)輸方式間的互補(bǔ)性協(xié)調(diào)性高，則公路運(yùn)輸?shù)谋憬菪?、軌道運(yùn)輸?shù)耐ㄟ_(dá)性、航空運(yùn)輸?shù)撵`活性、水路運(yùn)輸?shù)牧畠r性便可優(yōu)勢互補(bǔ)，從而彌補(bǔ)單一運(yùn)輸方式的不足之處，使城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率得到顯著提升，進(jìn)而可使城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的承載力和暢通性達(dá)到最大。

同時，城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。它服務(wù)于更大的區(qū)域?qū)哟?，立足于不同運(yùn)輸方式間的有效銜接，著重于城市群內(nèi)城市之間以及城市群與外部的相互影響與作用，功能在于客貨流的無縫中轉(zhuǎn)流通，具有更強(qiáng)的開放性和綜合性。而傳統(tǒng)的綜合交通網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)公路、水路、軌道、航空等運(yùn)輸方式的綜合運(yùn)用，以形成一個技術(shù)先進(jìn)的綜合運(yùn)輸系統(tǒng)，其功能著重于提供先進(jìn)的位移服務(wù)。因此，城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)不同于綜合交通網(wǎng)絡(luò)。

2 城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法

本文采用“站點(diǎn)映射法”分別以城市群內(nèi)不同運(yùn)輸方式的所有站點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，連接站點(diǎn)的各條線路為網(wǎng)絡(luò)的邊，構(gòu)建城市群不同運(yùn)輸方式交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，之后對它們進(jìn)行疊加復(fù)合。在疊加過程中，若多個站點(diǎn)地理位置較近，則忽略距離將其合并為一個節(jié)點(diǎn)，若兩站點(diǎn)之間可以通過多種運(yùn)輸方式線路相互到達(dá)，則將其視作一條邊相連，將城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)抽象成無向圖G=（V，E）；

其中V={1，2，3，…，m，m+1，…，n-1，n}表示城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的集合；E={（i，j）∣i，j∈V且i≠j}表示邊的集合；i、j分別表示城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)中的任意兩節(jié)點(diǎn)；圖G=（V，E）所對應(yīng)的鄰接矩陣表示為A=（aij）n×n，其定義式為：

aij=1（i與j直接相連）0（其他）

則節(jié)點(diǎn)Vi的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目ki可由A=（aij）n×n得到。

現(xiàn)對該模型做出如下假設(shè)：

（1）若疊加過程中兩個或者兩個以上的汽車站、火車站、機(jī)場、港口地理位置較近，可以忽略其距離，將它們看作一個站點(diǎn)，即在復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)模型中視為一個節(jié)點(diǎn)；

（2）若交通網(wǎng)絡(luò)疊加后，兩個節(jié)點(diǎn)之間有多條邊相連，則在復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)中將其視為一條邊相連；

（3）若某節(jié)點(diǎn)可以到達(dá)另一節(jié)點(diǎn)，則認(rèn)為另一節(jié)點(diǎn)也可以到達(dá)該節(jié)點(diǎn)，不考慮線路的方向，即城市群交通網(wǎng)絡(luò)是無向網(wǎng)絡(luò)；

（4）由于載運(yùn)工具的運(yùn)力有所差異，因此不考慮載運(yùn)工具的運(yùn)行頻率與數(shù)量，即城市群交通網(wǎng)絡(luò)是無權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

3 城市群交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)指標(biāo)

4 長株潭城市群實證研究

4.1 復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

長株潭城市群以京廣鐵路、京珠高速、湘江水道、黃花機(jī)場等設(shè)施為骨架，公路、鐵路、航運(yùn)、航空交通網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá)[6]。根據(jù)城市群交通運(yùn)輸客運(yùn)量、貨運(yùn)量可知，目前公路、鐵路承擔(dān)著最主要的運(yùn)輸任務(wù)，是最重要的運(yùn)輸方式，航運(yùn)和航空與其相比，承擔(dān)客貨運(yùn)輸量很小。因此，根據(jù)長株潭城市群交通基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀，構(gòu)建道路-軌道復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)模型。

首先，按照“站點(diǎn)映射法”分別以城市群內(nèi)所有汽車站和火車站為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，若站點(diǎn)之間通車，則節(jié)點(diǎn)之間有邊相連，從而得到與其對應(yīng)的鄰接矩陣。將鄰接矩陣輸入Pajek軟件得到道路交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和軌道交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖1、圖2所示。

圖1 長株潭城市群道路交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 長株潭城市群軌道交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

將道路、軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加構(gòu)建復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)，得到復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。該網(wǎng)絡(luò)共有188個節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 長株潭城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.2 交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)指標(biāo)變化情況

經(jīng)Matlab仿真計算得到長株潭城市群道路交通網(wǎng)絡(luò)、復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性指標(biāo)變化情況如表1。

表1 城市群交通網(wǎng)絡(luò)特性指標(biāo)變化情況表

4.3 交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)分析

從表1結(jié)果看出，對于城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)、平均度都大于城市群道路交通網(wǎng)絡(luò)。說明城市群軌道交通網(wǎng)絡(luò)的疊加復(fù)合不僅增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，同時還增加了道路交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的連邊數(shù)，交通流獲得了更多可選擇路徑，利于交通流線的疏解。因此，軌道交通網(wǎng)絡(luò)在一定程度上分散了道路交通網(wǎng)絡(luò)的交通壓力。

從表1看出長株潭城市群道路交通網(wǎng)絡(luò)平均最短路徑為2.6231，即居民出行一次平均經(jīng)過三個站點(diǎn)便可到達(dá)目的地。在疊加了軌道交通網(wǎng)絡(luò)之后，復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑為2.0452，站點(diǎn)之間互相到達(dá)路段減少，導(dǎo)致居民出行經(jīng)過站點(diǎn)減少加了一個，即居民出行一次平均經(jīng)過兩個站點(diǎn)便可到達(dá)目的地。

規(guī)則城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)如圖4，該網(wǎng)絡(luò)聚集系數(shù)為1，即網(wǎng)絡(luò)中每一對節(jié)點(diǎn)之間都存在運(yùn)輸線路直接相連，該復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)是全局耦合的，擁有最短的平均路徑長度，不同的運(yùn)輸方式之間合理配合、合理銜接。居民在城市群內(nèi)任意兩個重要的交通節(jié)點(diǎn)之間可以通過不同的運(yùn)輸線路直達(dá)，即出行一次消耗的路程最短，出行較為方便。但在現(xiàn)實世界中，城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)的聚集系數(shù)是分布在區(qū)間[0，1]之內(nèi)的。若聚集系數(shù)為0，則表明該城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間沒有任何運(yùn)輸線路相連接，所有節(jié)點(diǎn)都是孤立的；若聚集系數(shù)為1，則表明該城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間都存在運(yùn)輸線路直接相連，網(wǎng)絡(luò)是全局耦合的。因此，城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)聚集系數(shù)的值越大表明網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間聯(lián)系越緊密、網(wǎng)絡(luò)的連通程度越高。從表1結(jié)果看出，長株潭城市群復(fù)合交通的聚集系數(shù)為0.3668，大于道路交通網(wǎng)絡(luò)，說明復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)化更加明顯，聚集程度更高。由此說明，軌道交通網(wǎng)絡(luò)的疊加增大了網(wǎng)絡(luò)的聚集程度，提高了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性。

綜上可知，長株潭城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)是道路、軌道運(yùn)輸方式優(yōu)勢互補(bǔ)的結(jié)果，今后要進(jìn)一步加大它們的發(fā)展，同時，長株潭城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)擁有較大的聚集系數(shù)和較小的平均路徑長度，是典型小世界網(wǎng)絡(luò)。

圖4 規(guī)則城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)論

文在分析城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，闡述了城市群復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法及復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)指標(biāo)計算方法。以長株潭城市群為研究對象進(jìn)行了實證研究，將道路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和軌道運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加構(gòu)建復(fù)合交通網(wǎng)絡(luò)。借助Matlab仿真計算不同網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜拓?fù)湫再|(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)軌道運(yùn)輸方式與道路運(yùn)輸方式之間存在明顯的協(xié)作關(guān)系。通過分析網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性得出的結(jié)論，不僅可以為長株潭城市群未來新的交通線路設(shè)計提供直接參考依據(jù)，而且可以為城市群未來不同運(yùn)輸方式的協(xié)調(diào)發(fā)展研究提供借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Latora V， Marchiori M. Is the Boston subway a small-world network [J].Physica A（S0378-4371），2002，314（1-4）：109-113.

[2]Sienkiewicz J， Holyst J A. Public transport systems in Poland [J].Phys Rev. E（S1063-651x），2005，72：046127.

[3]莫輝輝，王嬌娥，金鳳君.交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性研究[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2008，27（6）：112-120.

[4]丁小兵.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其在上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)可靠性分析評價中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2012，11：50-53.

[5]胡一竑.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2008.

[6]王國明.城市群道路網(wǎng)絡(luò)特性及演化研究[D].中南大學(xué)，2012.