高速公路與城市化發(fā)展的耦合度分析

楊春風(fēng)，閆曉晨

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401)

眾所周知，城市化的發(fā)展集中體現(xiàn)在城市人口數(shù)量和城市基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展水平上，其中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是最主要的因素。而作為基礎(chǔ)設(shè)施中最重要的元素，高速公路的布局設(shè)計和建設(shè)質(zhì)量是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，對城市化建設(shè)起著至關(guān)重要的作用。但隨著城市化的進(jìn)程加快，部分高速公路已經(jīng)不能承受城市化發(fā)展速度，致使其成為城市化發(fā)展的瓶頸，出現(xiàn)各種問題和矛盾。原來修建的高速公路逐漸被城市“包圍”，使原來有助于城市發(fā)展的運(yùn)輸通道成為城市發(fā)展要逾越的門檻，導(dǎo)致發(fā)展失衡[1]。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者直接研究城市化與高速公路之間協(xié)調(diào)關(guān)系的文章很少。20世紀(jì)初，Weber[2]在其《論工業(yè)區(qū)位》中談到，影響工業(yè)區(qū)位選擇的重要因素是運(yùn)輸成本和工資，強(qiáng)調(diào)便捷的交通運(yùn)輸是區(qū)位選擇比較看重的因素。20 世紀(jì)50年代，弗朗索瓦·佩魯[3]提出增長極理論。該理論認(rèn)為便捷的交通是城市之間聯(lián)系的主要途徑，是一個或數(shù)個經(jīng)濟(jì)增長中心向相鄰或相關(guān)的地區(qū)或行業(yè)傳導(dǎo)的關(guān)鍵，是增長極形成和對外輻射的基礎(chǔ)和保障。1987年5月，日本國土廳為了提高的高速交通服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)以及強(qiáng)化三大都市圈的交通網(wǎng)絡(luò)，發(fā)表了“高標(biāo)準(zhǔn)干線公路網(wǎng)規(guī)劃方案”，該方案使得日本實(shí)現(xiàn)了高速公路面積覆蓋率，高速公路人口覆蓋率的增長，將已有的城市盡可能連接起來。Timofeev[4]以的西烏拉爾地區(qū)為例，實(shí)證研究了高等級公路的建設(shè)發(fā)展對加速城市擴(kuò)張具有積極的作用。而國內(nèi)修建高速公路起步較晚，這方面研究也很少。汪傳旭[5]運(yùn)用大系統(tǒng)的理論與方法，建立了一類反映交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展程度的綜合指標(biāo)——協(xié)調(diào)發(fā)展指數(shù)，并建立了定量分析模型，提出了相應(yīng)的定量評價計算方法。楊忠臣等[6]對當(dāng)時高速公路較為發(fā)達(dá)的山東省進(jìn)行研究，重點(diǎn)對高速公路分布與城鎮(zhèn)化發(fā)展水平之間的相互關(guān)系進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，高速公路的發(fā)展提升或強(qiáng)化了區(qū)位優(yōu)勢，隨之帶來了規(guī)模龐大的人流、物流、資金流、信息流等，極大提升和推動了高速公路沿線城鎮(zhèn)化的進(jìn)程。耿虹等[7]以高速公路沿線產(chǎn)業(yè)和小城鎮(zhèn)的發(fā)展為研究對象，研究表明在高速公路出入口容易形成工業(yè)發(fā)展，從而促進(jìn)城鎮(zhèn)發(fā)展，進(jìn)而形成包圍城鎮(zhèn)的格局。陳彥光[8]利用中國城市化水平和鐵路里程的時間序列和空間序列，證明區(qū)域城市體系的建設(shè)與交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展應(yīng)該是同步進(jìn)行。古銳[9]采用回歸分析方法研究城市化進(jìn)程與公路交通建設(shè)的關(guān)系，應(yīng)用Granger 因果檢驗法分析兩者的因果關(guān)系，得出在不同發(fā)展階段的城市化與公路交通建設(shè)之間的互動關(guān)系存在差異，并且預(yù)測了我國十二五期間城市與公路交通建設(shè)的發(fā)展。從相關(guān)研究可以看出：1)目前的研究集中于單方面研究高速公路對城市化的作用或城市化對高速公路的作用，關(guān)于高速公路建設(shè)與城市化發(fā)展是否協(xié)調(diào)的研究較少，實(shí)證研究更少；2)從系統(tǒng)論角度研究高速公路與城市化關(guān)系的研究目前很少；3)我國開始建設(shè)高速公路的時間并不長，所以主要是通過城市化與交通運(yùn)輸之間的內(nèi)在關(guān)系、城市空間形態(tài)與交通運(yùn)輸、土地利用與高速公路等研究從側(cè)面反映兩者的關(guān)系[10]。本文試圖以京津冀地區(qū)的數(shù)據(jù)為樣本，借鑒物理學(xué)中的耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建“高速公路—城市化”復(fù)合系統(tǒng)，計算兩者的協(xié)調(diào)關(guān)系。

1 高速公路與城市化的協(xié)調(diào)度

在城市化進(jìn)程中，人口向中心城鎮(zhèn)或城市地帶集中、產(chǎn)業(yè)的高級化和城市空間利用合理化過程不斷加快對交通系統(tǒng)的要求不斷提高。而高速公路具有快捷、安全、運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)，城市化需要以高速公路系統(tǒng)為基礎(chǔ)，所以高速公路是城市化發(fā)展的助推器。除此之外高速公路投資建設(shè)成本高，要與該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，城市化的進(jìn)程會伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，極大帶動了以高速公路為代表的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)[11]。因此，城市化發(fā)展與高速公路的建設(shè)存在先天耦合的機(jī)理。

1.1 協(xié)調(diào)度的計算模型

從協(xié)同學(xué)的角度看，耦合作用和耦合程度決定了系統(tǒng)在達(dá)到臨界區(qū)域時走向何種序與結(jié)構(gòu)，或稱決定了系統(tǒng)由無序走向有序的趨勢。在此基礎(chǔ)上有學(xué)者提出借鑒物理學(xué)中的耦合度函數(shù)來計算協(xié)調(diào)度，建立多個系統(tǒng)(或要素)相互作用的耦合度模型，即物理學(xué)中的容量耦合概念(capacitive coupling)及容量耦合系數(shù)模型[12]。

設(shè)變量 ui(i=1, 2, …, m)，uj(j=1, 2, …, n)分別表示不同的系統(tǒng)，推廣得到多個系統(tǒng)(或要素)相互作用的耦合度模型為

當(dāng)只有2個系統(tǒng)時，為便于分析，可以直接得到兩者的耦合度函數(shù)，表示為

在此，假設(shè)GS和CSH分別代表高速公路和城市化水平，1(,)Ftx和2(,)F ty分別是度量兩者發(fā)展水平的函數(shù)，其中x和y分別為系統(tǒng)GS和CSH的特征向量，t代表某一年度。綜合上式可以定義高速公路與城市化的協(xié)調(diào)度為：

1.2 耦合協(xié)調(diào)度

雖然用 CI可表示高速公路與城市化之間的協(xié)調(diào)程度，然而這個模型的不足之處是在有些情況下卻很難反映出高速公路與城市化的實(shí)際水平和狀態(tài)。假設(shè)高速公路與城市化的得分都比較低，但是卻能得出其協(xié)調(diào)度高于兩者一高一低時的結(jié)論。例如，當(dāng)1(,)Ftx和2(,)F ty都取值為0.001，計算得出的協(xié)調(diào)度卻大于1(,)Ftx和2(,)F ty取值分別為 0.8和0.9的結(jié)果，在城市化和交通水平得分相等但是數(shù)值都比較低的情況下，卻有可能出現(xiàn)協(xié)調(diào)度較高的評價結(jié)果，這樣的結(jié)果顯然不符合事實(shí)，違背常理[13]。為了克服這一點(diǎn)，構(gòu)造高速公路與城市化耦合協(xié)調(diào)度模型，目的是評判不同區(qū)域高速公路與城市化交互耦合的協(xié)調(diào)程度，其中還能反映出高速公路水平和城市化水平的相對高低。為此，根據(jù)前述對協(xié)調(diào)發(fā)展的定義，本文將度量交通與城市化水平高低的定量指標(biāo)稱為耦合協(xié)調(diào)度：式中：D為耦合協(xié)調(diào)度；CI為協(xié)調(diào)度；T為高速公路與城市化的綜合評價指數(shù)，反映兩者的整體效益或水平；θ，α和β為待定參數(shù)，一般取θ=1/2。

表1 耦合協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)分級Table 1 Coupling coordination standard classification

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

若1(,)Ftx>2(,)Fty，則為城市化發(fā)展滯后型；若1(,)Ftx<2(,)F ty，則為高速公路發(fā)展滯后型。高速公路與城市化協(xié)調(diào)度數(shù)值及其對應(yīng)的協(xié)調(diào)程度等級可分為以下10級，具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。

2 京津冀高速公路與城市化耦合協(xié)調(diào)度評價實(shí)例

2.1 指標(biāo)選擇

高速公路對城市的自然形態(tài)和社會形態(tài)都有著深刻的影響，其影響著城市化的進(jìn)程和結(jié)果。同時它也受到城市化的影響，高速公路作為社會經(jīng)濟(jì)活動的支撐系統(tǒng)和承載體，其承載能力必須與城市人口、社會經(jīng)濟(jì)活動所產(chǎn)生的需求壓力相適應(yīng)，才能保證城市活動有條不紊地進(jìn)行和社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展。高速公路布局與城市化的協(xié)調(diào)度是指在一定的資源約束下，對高速公路的建設(shè)與城市化中的人口、經(jīng)濟(jì)、社會的協(xié)調(diào)發(fā)展進(jìn)行量化研究，測量高速公路對人口的承載能力，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的合理承載量，以充分發(fā)揮高速公路與城市化互相促進(jìn)、良性互動的各項功能[14]。本文的數(shù)據(jù)來源是《北京市統(tǒng)計年鑒》、《天津市統(tǒng)計年鑒》、《河北省統(tǒng)計年鑒》和國家數(shù)據(jù)庫。

表2 高速公路體系指標(biāo)表Table 2 Freeway system

2.2 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè) X1，X2，…，X12為描述高速公路系統(tǒng)特征的指標(biāo)；設(shè)Y1，Y2，…，Y10為描述城市化系統(tǒng)特征的指標(biāo)。為了消除指標(biāo)量綱或指標(biāo)測度量級的不同而造成的影響，將指標(biāo)體系中的指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)2類進(jìn)行無量綱處理。具體公式如下：

當(dāng)uij為正向指標(biāo)時，

當(dāng)uij為負(fù)向指標(biāo)時，

式(6)和式(7)中：uij為其第i個系統(tǒng)的第j個指標(biāo)，值為xij(i=1，2；j=1，2，…，n)，max(xij)和 min(xij)分別為指標(biāo)xij的最大值和最小值。

表3 城市化體系指標(biāo)表Table 3 Urbanization system index

2.3 確定權(quán)重

由于高速公路系統(tǒng)與城市化系統(tǒng)是2個不同而又相互影響的子系統(tǒng)，可通過集成方法來實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)中各指標(biāo)對總系統(tǒng)的貢獻(xiàn)程度，一般采用幾何平均法和線性加權(quán)法。公式如下：

式中：U1和U2分別為城市高速公路系統(tǒng)和城市化系統(tǒng)的綜合評價函數(shù)；λij表示權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重采用熵值賦權(quán)法計算獲得。熵值賦權(quán)法依據(jù)客觀環(huán)境的原始信息，通過分析各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)程度以及各指標(biāo)所提供的信息量來確定指標(biāo)的權(quán)重，這在一定程度上能夠避免主觀因素所帶來的偏差。其過程如圖1所示。

2.4 最終結(jié)果

城市化是個大系統(tǒng)，高速公路是城市化的“循環(huán)與累積效應(yīng)”的重要誘導(dǎo)劑和強(qiáng)大觸發(fā)力，是研究的著眼點(diǎn)，城市化的發(fā)展離不開高速公路合理布局的支持，兩者同步發(fā)展， 所以同等重要， 應(yīng)該賦予同樣的權(quán)重，故設(shè)α=β=0.5。

各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果：根據(jù)圖1得到城市化系統(tǒng)的綜合權(quán)重為(0.134，0.182，0.356，0.328)，高速公路體系的綜合權(quán)重為(0.267，0.467，0.266)。

根據(jù)式(1)~(7)，并結(jié)合所得權(quán)重值，計算京津冀區(qū)域城市化與高速公路的耦合協(xié)調(diào)度，結(jié)果見表4。

圖1 熵值法求權(quán)重步驟Fig. 1 Entropy weighting step注：其中，

表4 京津冀高速公路與城市化耦合協(xié)調(diào)度值Table 4 Coupling coordination of Beijing Tianjin Hebei Expressway and urbanization

從上面的結(jié)果中可以看出：1)雖然北京和天津地區(qū)達(dá)到了中級協(xié)調(diào)發(fā)展的階段，可是高速公路整體水平要落后于城市化系統(tǒng)。而河北地區(qū)高速公路的發(fā)展速度則明顯慢于城市化進(jìn)程，兩者之間的差距在不段拉大；2)在城市化的快速發(fā)展、機(jī)動化出行水平快速提升的背景下，高速公路缺乏與城市的溝通，其發(fā)展速度已落后于城市化，不能滿足城市化的發(fā)展的要求，且符合目前的事實(shí)。

3 京津冀高速公路與城市化耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測

3.1 預(yù)測模型

由于城市化與高速公路交互耦合的階段性、動態(tài)性和復(fù)雜性，所以不能用一般的線性或非線形模型來預(yù)測其發(fā)展。我們根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能自動學(xué)習(xí)、聯(lián)想存儲和平行處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為普遍的BP反饋模型來預(yù)測耦合度動態(tài)變化情況。為了提高網(wǎng)絡(luò)的性能，減少其陷入局部極小的可能性，提高收斂速度，在算法上采用了動量法來實(shí)現(xiàn)。人工神經(jīng)模型的訓(xùn)練函數(shù)、反饋函數(shù)與算法公式分別為

式中：ut和bj為序參量輸入和隱含層輸入；ωi和vji分別為輸入層和隱含層的連接權(quán)值；θj和rj分別為輸入層和隱含層的閾值；η為動量因子；cj(t)和dj(t)為實(shí)際輸出與期望輸出；E為t時刻的誤差。

為了預(yù)測的簡易性，我們通過 MATLAB來實(shí)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測，分別選取2010~2014年的高速公路路網(wǎng)密度、交通運(yùn)輸增加值、公路就業(yè)人員數(shù)、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、城鎮(zhèn)人口比例作為控制因子，將計算得出的耦合度作為輸出因子，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模并訓(xùn)練。顯然，本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元個數(shù)為6， 而輸出層神經(jīng)元個數(shù)為 1。為了保證隱含層的神經(jīng)元個數(shù)較少，我們進(jìn)行人工賦值，然后遞加并進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣便于網(wǎng)絡(luò)較快收斂，同時提高預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性，最后得到的隱含層神經(jīng)個數(shù)為 5。北京、天津、河北分別經(jīng)過2 997，2 797，1 634次迭代，網(wǎng)絡(luò)基本穩(wěn)定；再將2010~2014年京津冀地區(qū)高速公路與城市化進(jìn)程耦合度的各項計算值作為檢驗樣本，參與模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與實(shí)際值較為吻合，誤差較小，模型確實(shí)可行(見表5)。

3.2 預(yù)測結(jié)果分析

利用已經(jīng)建好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將 2010~2014年的京津冀地區(qū)的高速公路與城市化序參量的實(shí)際值、規(guī)劃值及推算值作為網(wǎng)絡(luò)輸入，模擬得到未來5年間二者的耦合度值(如表6所示)。

從表6可以看出，北京市高速公路與城市化之間的耦合度呈現(xiàn)下降的趨勢，基本以中低度耦合為主，表明北京地區(qū)高速公路與城市化水平依然處在過渡的時期。而天津和河北高速公路與城市化耦合水平雖然在不斷提高，可是其發(fā)展速率趨于平緩，高速公路與城市化之間的帶動關(guān)系還不明顯。可見今后隨著京津冀地區(qū)城市的不斷擴(kuò)張，城市化水平的迅速發(fā)展，高速公路的服務(wù)水平將面臨巨大的壓力。

表5 京津冀高速公路與城市化2010~2014耦合協(xié)調(diào)度實(shí)際值與預(yù)測值對比Table 5 Comparison of 2010~2014 coupling coordination degree between Beijing Tianjin Hebei Expressway and urbanization

表6 京津冀高速公路與城市化2015~2019年耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測值Table 6 Coupling coordination degree of Beijing Tianjin Hebei Expressway and urbanization 2015~2019

4 結(jié)論

1) 高速公路與城市化之間存在著交互耦合關(guān)系，它們共處于城市—經(jīng)濟(jì)—交通大系統(tǒng)之中，但作為2個子系統(tǒng)，高速公路與城市進(jìn)程的相互作用存在著低水平耦合，拮抗，磨合和高水平耦合的 4個階段，協(xié)調(diào)好二者的發(fā)展關(guān)系是城市良性發(fā)展的基礎(chǔ)。

2) 耦合協(xié)調(diào)度模型雖然簡單，卻綜合了高速公路與城市化的協(xié)調(diào)狀況D，以及兩者所處的發(fā)展層次T。有效地避免了城市化水平低、高速公路水平低，但兩者協(xié)調(diào)的異常情況，因而具有簡便卻又概括、綜合系統(tǒng)整體信息的特點(diǎn)?？捎糜诓煌鞘?或區(qū)域)之間、同一城市(或區(qū)域)在不同時期高速公路與城市化協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r的定量評價和比較。

3) 從結(jié)果中可以看出，高速公路整體水平要落后于城市化系統(tǒng)。這表明在城市化的快速、機(jī)動化出行快速提升的背景下，高速公路缺乏與城市的溝通，其發(fā)展速度已落后于城市化，不能滿足城市化的發(fā)展的要求，因此，今后高速公路的布局建設(shè)應(yīng)該與城市化發(fā)展相結(jié)合。使高速公路規(guī)劃與區(qū)域發(fā)展規(guī)劃形成一個有機(jī)的整體，有效地促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)快速、協(xié)調(diào)發(fā)展。

[1] 汪傳旭. 交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展分析模型及其應(yīng)用[J]. 上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報, 1998(4): 26-31.WANG Chuanxu. Analysis model and its application to the coordinated development of transportation and economy[J]. Journal of Shanghai Maritime University,1998(4): 26-31.

[2] Weber. Theory of the location of industries[M]. Carl J Friedrich, trans. Chicago: The University of Chicago Press, 1929.

[3] 弗朗索瓦·佩魯. 增長極概念[J]. 經(jīng)濟(jì)學(xué)譯叢, 1998(9):10-16.Francois Pelu. The concept of growth pole[J]. Economics,1998(9): 10-16.

[4] Timofeev. Great siberian highway and process urbanization on southern[J]. Journal of Siberian Federal University: Humanities & Social Sciences, 2009(2):176-183.

[5] 汪傳旭. 交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)程度的定量評價[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報, 1999(3): 96-102.WANG Chuanxu. Quantitative evaluation of coordination degree of transportation and economic development[J].Journal of Shanghai Maritime University, 1999(3):96-102.

[6] 楊忠臣, 陸玉麒. 高速公路建設(shè)與區(qū)域城鎮(zhèn)分布的相互影響初探—以山東省為例[J]. 中國人口資源與環(huán)境,2003(3): 57-61.YANG Zhongchen, LU Yuqi. Construction and regional distribution of urban interaction-taking Shandong province as an example[J]. China Population Resources and Environment, 2003(3): 57-61.

[7] 耿虹, 趙學(xué)彬. 高速公路推動小城鎮(zhèn)發(fā)展的作用探究[J]. 城市規(guī)劃, 2004(9): 43-47.GENG Hong, ZHAO Xuebin. Study on the role of Expressway in promoting the development of small cities and towns planning[J]. City Planning, 2004(9): 43-47.

[8] 陳彥光. 交通網(wǎng)絡(luò)與城市化水平的線性相關(guān)模型[J].人文地理, 2004(1): 62-65.CHEN Yanguang. Linear correlation model of traffic network and urbanization level[J]. Human Geography,2004(1): 62-65.

[9] 古銳. 城市化進(jìn)程與公路交通建設(shè)關(guān)系分析[J]. 上海公路, 2011(2): 68-72.GU Rui. Analysis on the relationship between urbanization and highway traffic construction[J].Shanghai Highway, 2011(2): 68-72.

[10] 譚玉成. 對環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈金融產(chǎn)業(yè)集聚與經(jīng)濟(jì)增長的耦合關(guān)系研究[J]. 金融研究, 2009(7): 54-56.TAN Yucheng. Research on the coupling relationship between the financial industry agglomeration and economic growth of the Bohai economic circle[J].Financial Research, 2009(7): 54-56.

[11] 單剛, 王曉原, 王鳳群. 城市交通與城市空間結(jié)構(gòu)演變[J]. 城市問題, 2007(9): 37-42.SHAN Gang, WANG Xiaoyuan, WANG Fengqun. Urban traffic and urban spatial structure evolution[J]. Urban Problems, 2007(9): 37-42.

[12] 孫愛軍, 吳均. 交通與城市化耦合分析——以江蘇省為例[J]. 城市交通, 2007, 5(2): 42-46.SUN Aijun, WU Jun. Coupling analysis of traffic and urbanization--taking Jiangsu province as an example[J].Urban Traffic, 2007, 5(2): 42-46.

[13] 王搏. 基于耦合模型的我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展動態(tài)研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2014.WANG Bo. Study on the coordinated development of regional economy and ecological environment in China based on the coupled model[D]. Changsha: Hunan University, 2014.

[14] 劉圓圓, 李娉. 河北省區(qū)域交通與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展評價研究[J]. 價值工程, 2012(36): 158-159.LIU Yuanyuan, LI Ping. Hebei province regional traffic and regional economic coordinated development evaluation of[J]. Value Engineering, 2012(36): 158-159.