基于列車時刻表的“一帶一路”節(jié)點城市高速鐵路網(wǎng)絡(luò)空間演變研究

齊苗苗,段曉峰

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

“一帶一路”倡議共涵蓋了我國18個省份，其中新疆、重慶、陜西、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧和廣西、云南、西藏13省(直轄市)為絲綢之路經(jīng)濟帶，上海、福建、廣東、浙江與海南5省云南為21世紀海上絲綢之路。高速鐵路作為綜合交通網(wǎng)的重要組成部分，成為城市群空間結(jié)構(gòu)與功能重分布的關(guān)鍵因素之一[1-4]。目前對于高速鐵路項目引起的區(qū)域效應(yīng)相關(guān)研究主要有以下幾個方向：提升區(qū)域可達性水平[5-9]、推動區(qū)域空間結(jié)構(gòu)進化并相互促進[9-12]、引起知識溢出效應(yīng)并重新布置經(jīng)濟發(fā)展格局等[13-15]，這些方面的相關(guān)研究較多且大多數(shù)學(xué)者認識到了高速鐵路對區(qū)域發(fā)展和城市群演化具有重要意義。本文旨在認識高速鐵路作用下深層次區(qū)域空間結(jié)構(gòu)演變，為城市定位和空間位次分析提供技術(shù)支撐，但是目前的文獻中鮮有人以鐵路時刻表數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析城市連接網(wǎng)絡(luò)，以從空間句法理論研究鐵路網(wǎng)演化。因此，以高速鐵路列車時刻表和鐵路網(wǎng)為數(shù)據(jù)源，從流數(shù)據(jù)和地理空間視角出發(fā)，通過分析代表性節(jié)點城市的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，對比分析高鐵引起的“一帶一路”節(jié)點城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空間動態(tài)演變。

1 節(jié)點城市概況

由于地理區(qū)位和政策、發(fā)展狀況等的不同，這18個節(jié)點省份的經(jīng)濟發(fā)展狀況呈現(xiàn)出明顯的不平衡。為較為直觀且定量地分析這種不平衡，則需要將這些城市進行分層。

根據(jù)人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、地區(qū)GDP總值、地區(qū)就業(yè)人口總數(shù)這5項指標的得分對城市進行分層。由中國統(tǒng)計年鑒提供的數(shù)據(jù)，根據(jù)每個指標的占比確定分數(shù)，如占比所在區(qū)間為(0.00-0.02)，則得分為1分，占比所在區(qū)間為(0.02-0.04)，則得2分，以此類推，最高分為12分，占比區(qū)間為(0.22-0.24)。統(tǒng)計出所有節(jié)點省份的全部得分之后，根據(jù)得分情況使用自然斷點分類法將這18個城市分為三層。

則各個節(jié)點省份(直轄市)的綜合得分及自然斷點分級情況如表1所示。

表1 各個節(jié)點省份(直轄市)的綜合得分及自然斷點分級

為便于后續(xù)城市網(wǎng)絡(luò)連接度分析和可達性分析，從這三層中選取典型代表省市。第一層省市中的浙江省得分最高，選為代表省份，第二層中遼寧省得分最高，重慶次之，但重慶市相比于遼寧省，其區(qū)位優(yōu)勢更為突出，在絲綢之路經(jīng)濟帶的連接節(jié)點上可以承接?xùn)|西連接南北，故選重慶市為代表省份(直轄市)；第三層中各省得分相當(dāng)，考慮到甘肅自古就是絲綢之路的黃金段，古絲綢之路在甘肅境內(nèi)橫貫東西1 600 km，歷來是我國向西開放的咽喉要道和商埠重地，故將甘肅選為代表省份。這三個代表省市分別處于東部，中西部和西北部地區(qū)，屬于長江三角洲城市群、成渝城市群和蘭州—西寧城市群。

2 代表省市網(wǎng)絡(luò)連接空間演變

2.1 數(shù)據(jù)收集

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)部分主要包括列車時刻數(shù)據(jù)和中國矢量數(shù)據(jù)，中國矢量數(shù)據(jù)從水經(jīng)注地圖下載，列車時刻數(shù)據(jù)使用2014年和2019年的數(shù)據(jù)，從攜程網(wǎng)提取，儲存在sqlite數(shù)據(jù)庫中，由Train表和Station表構(gòu)成，截取部分數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 部分列車時刻數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)計算

數(shù)據(jù)計算包括4個步驟。

第一步，根據(jù)采集到的以浙江、重慶和甘肅三個省份高鐵通行頻次構(gòu)建城市之間的發(fā)車頻次數(shù)量關(guān)系矩陣，Vij為采集到的城市i與城市j的高鐵通車頻次。

第二步，基于中心地理論(Christaller[16])，計算城市的對外連接指數(shù)，其反映城市等級，則計算公式如下

(1)

式中，Ni為城市的對外連接指數(shù)。

第三步，為衡量城市間基于高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系程度，計算城市之間的網(wǎng)絡(luò)空間連接度，公式如下

Rij=Vij×Vji

(2)

采取最大值的標準化

(3)

式中，Vij為標準化之后的城市i與城市j的高鐵通車頻次，Vji為標準化之后的城市j與城市i的高鐵通車頻次，這兩者的區(qū)別為前者為以i城市為始發(fā)站，j城市為途經(jīng)站或者終點站，后者為以j城市為始發(fā)站，i城市為途經(jīng)站或者終點站，Rij為城市i與城市j的網(wǎng)絡(luò)連接度最大值。

第四步，計算各城市的網(wǎng)絡(luò)連接度，網(wǎng)絡(luò)連接度反映了城市在網(wǎng)絡(luò)體系中的連接作用強度，公式如下

(4)

式中，Mi為城市的網(wǎng)絡(luò)連接度。

表3為浙江省2014年的對外連接度矩陣，由于3個省份共計29個城市，本文篇幅有限，因此只列出部分數(shù)據(jù)；表4與表5分別為2014年與2019年3個省份的部分節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接度計算結(jié)果。

表4 2014年3個省份的部分節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接度計算結(jié)果

表5 2019年3個省份的部分節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接度計算結(jié)果

2.3 網(wǎng)絡(luò)連接度分析

2.3.1 整體特性分析

高速鐵路網(wǎng)絡(luò)連接起來的城市網(wǎng)絡(luò)體系與實體城市網(wǎng)絡(luò)關(guān)系有明顯的相似性，出現(xiàn)了以下特征。

(1)“一帶一路”倡議政策為3個省(直轄市)的發(fā)展帶來了不同的影響，甘肅省與重慶市的高鐵分別實現(xiàn)了從無到有和由少到多的跨越，且層次性明顯。由表4與表5可知，浙江省的網(wǎng)絡(luò)連接度在5年之內(nèi)平均增加了25倍，重慶市24倍，甘肅省75倍。截止2019年，計算所得的171組城市網(wǎng)絡(luò)連接度有13組大于5000，僅占總數(shù)的9.56%，有33組小于500，占總數(shù)的24%，說明城市間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系強度存在較大的層次性。

圖1 車次通達頻率拓撲關(guān)系對比

(3)連接網(wǎng)絡(luò)空間中的連接度與城市等級相對一致。圖2中，橫坐標是城市對外連接指數(shù)(Ni)，城市等級越低在橫軸越靠后；縱坐標為橫軸上的各個城市的網(wǎng)絡(luò)連接度(Mi)，反映城市在高速鐵路連接網(wǎng)絡(luò)中的連接程度，可見，不論是2014年還是2019年，城市的網(wǎng)絡(luò)連接度與城市等級呈現(xiàn)出一定的正比例關(guān)系，等級越高的城市，其網(wǎng)絡(luò)連接度一般也較高，相反，網(wǎng)絡(luò)連接度會隨著城市等級的降低而降低。但是2014年紹興、合川等地與2019年溫州、嘉興、蘭州等城市網(wǎng)絡(luò)連接度與城市等級不符。例如紹興、合川等小城市是小區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，溫州作為浙江省重要的商品供應(yīng)基地，其商品遠銷全國，可見溫州市與外界的網(wǎng)絡(luò)連接度日益增長。蘭州是西北重鎮(zhèn)，自古就是西通青藏、新疆的戰(zhàn)略重地，但是高速鐵路網(wǎng)絡(luò)單一，目前只有蘭渝鐵路，蘭新、寶蘭、成蘭高鐵，因此雖然城市等級較高但網(wǎng)絡(luò)連接度較低。

圖2 網(wǎng)絡(luò)連接度與城市等級關(guān)系

(4)空間中城市層級分布差異明顯。按照網(wǎng)絡(luò)連接度(Mi)對城市進行進一步的細分，如圖3所示，橫坐標是對應(yīng)的城市，縱坐標是各城市的網(wǎng)絡(luò)連接度，橫坐標值越大則表示該城市在高速鐵路網(wǎng)絡(luò)空間中的聯(lián)系作用越弱。觀察圖3中2019年城市網(wǎng)絡(luò)連接度排序圖中的曲線斜率變化率，將19個代表市區(qū)劃分為6個層級，如表6所示。杭州為第一層級，網(wǎng)絡(luò)連接度大于20 000，是全國性的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系中心，利川、石柱、張掖等地位第六層，網(wǎng)絡(luò)連接度小于1 000，是地方網(wǎng)絡(luò)連接節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)系作用最弱。從分析的6個不同層級來看，個別城市在網(wǎng)絡(luò)中的地位并非完全由經(jīng)濟水平而決定，而是在社會經(jīng)濟水平與文化以及國家戰(zhàn)略地位的共同影響下決定的。

圖3 城市網(wǎng)絡(luò)連接度排序

表6 城市網(wǎng)絡(luò)層級劃分

2.3.2 城市單元分析

(1)東中西三大區(qū)域板塊差異明顯

從地理區(qū)劃來說，所選的3個省市分別屬于東部，中西部和西北部地區(qū)。如圖4所示，橫軸從左到右依次為東部，中西部和西北部，對19個代表市區(qū)的地理區(qū)劃進行排序。由圖4可知，浙江省作為東部地區(qū)，其城市層級遠高于作為重慶和甘肅的中西部地區(qū)，但是中西部地區(qū)中，也有連接等級較高的城市，而且中西部城市之間的差異性較低。

圖4 東部、中西部和西北部城市層級

對于各區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接強度，根據(jù)區(qū)域間的相互聯(lián)系和地理特征，由圖5可得，東部、中西部與西北部地區(qū)三大板塊差別顯著。由圖5(a)可知，2014年各區(qū)域以內(nèi)部聯(lián)系為主，但是2019年各區(qū)域聯(lián)系范圍和頻次明顯擴增(圖5(b))；在2019年的網(wǎng)絡(luò)體系拓撲結(jié)構(gòu)中，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)連接度大于3 000的城市中，東部城市占77%，為827條，累計連接頻次達到87 835次，中西部地區(qū)566條，占總數(shù)的56.7%，西北地區(qū)555次，占總數(shù)的62.3%，其次，東部地區(qū)與中部地區(qū)的連接緊密度也相對較高，連接線有253條，占23.5%。但是在中西部地區(qū)之間網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系明顯較弱。

圖5 杭州、溫州、重慶和其他城市聯(lián)系對比

(2)城市網(wǎng)絡(luò)布局中高等級城市占主導(dǎo)地位

為明確核心城市在網(wǎng)絡(luò)體系中是否重要，本文找出了一個聯(lián)系全國城市的中心和一個聯(lián)系全國城市的副中心，分別是杭州和溫州。研究發(fā)現(xiàn)，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)體系中呈現(xiàn)出明顯的高等級城市絕對支配的特征。

中小企業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展中扮演著重要的角色。截止到2016年底,山西省登記的中小企業(yè)達到21.7萬戶，占全省企業(yè)總數(shù)的99.7%，中小企業(yè)經(jīng)濟總量占到全省GDP的47.5%，中小企業(yè)已成為山西實體經(jīng)濟的主要基礎(chǔ)，占據(jù)了山西省經(jīng)濟的將近半壁江山。更重要的是,中小企業(yè)還是老百姓就業(yè)和增加收入的主要渠道，這是中小企業(yè)最主要的貢獻。近年來,中小企業(yè)從業(yè)人數(shù)占全體從業(yè)人員的80%以上，數(shù)據(jù)顯示，截止到2016年，以中小企業(yè)為主體的就業(yè)崗位已經(jīng)占到山西省全體城鎮(zhèn)新增就業(yè)的90%以上，大批的老百姓通過自己創(chuàng)辦企業(yè),或者是在中小企業(yè)工作,獲得一份收入,改善了生活條件，對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

從圖5可以看出，2014年杭州的連接線以長三角區(qū)域為主，最多通至中部地區(qū)，2019年杭州的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系覆蓋全國，杭州與其他城市的連接線占總量的24.8%，共717條，累計網(wǎng)絡(luò)連接度為57 772，占整個網(wǎng)絡(luò)空間的30.9%，在整個網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)地位明顯。重慶次之，雖然其覆蓋程度低于杭州，但是究其連接頻次以及網(wǎng)絡(luò)連接度的值，重慶市的地位仍然舉足輕重，這兩個區(qū)域連接頻次有1 208條，占各區(qū)域總頻次的31.2%，累計網(wǎng)絡(luò)連接度為74 102。而且由圖中可得，由杭州和重慶主導(dǎo)的城市網(wǎng)絡(luò)體系走向及趨勢與其他各級城市構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)空間保持相似狀態(tài)，由此明確了杭州、溫州和重慶這3個城市在網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)地位。

3 代表省市鐵路網(wǎng)絡(luò)空間演變

為研究鐵路網(wǎng)絡(luò)空間演變，采用可達性來度量，在本文中，可達性基于空間句法理論計算。空間句法模型由節(jié)點模型發(fā)源，經(jīng)過學(xué)者們的推廣應(yīng)用，提出了軸線模型和凸空間模型，軸線模型主要針對于線性空間，該模型以軸線為基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于城市的交通、功能、結(jié)構(gòu)等方面的研究，但是該模型在建模唯一性問題上受到了學(xué)術(shù)界的爭議。因此本文選用優(yōu)化形成的線段模型(segment map)，不同之處是后者用中心線代替軸線，建模標準統(tǒng)一，加入了角度權(quán)重和NAIN、NACH指標，通過片段化網(wǎng)絡(luò)細化了分析結(jié)果，還可以通過歐氏距離限定研究半徑，更適合大尺度的鐵路網(wǎng)分析和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)空間[17-21]。

3.1 指標與模型

3.1.1 指標選取

用空間句法計算城市的可達性，實際上就是度量在鐵路網(wǎng)的覆蓋下，城市能夠達到的空間行為與活力。線段模型通常用集成度和深度來刻畫可達性，分別如下。

(1)深度

深度表示空間可達性，表示的是一個點到達其他點的能力，計算公式為

(5)

式中，n為連接圖的總節(jié)點數(shù)。

(2)集成度

集成度表示空間關(guān)聯(lián)程度或者聚集程度，指的是在一定半徑下，某節(jié)點與其他節(jié)點的聯(lián)系能力。集成度有整體集成度和局部集成度，分別表示某空間與其余空間的關(guān)系和距離最短空間的關(guān)系，集成度的值越大，該空間在系統(tǒng)中的交通越便捷，則越閉塞。由于該概念并不考慮所有節(jié)點，需要用平均深度的概念加以定義，用相對不對稱值和實際相對不對稱值來表示，計算公式為

(6)

(7)

式中，n為區(qū)域內(nèi)節(jié)點數(shù)目，為同數(shù)量節(jié)點排列成為鉆石網(wǎng)絡(luò)后最根部節(jié)點的RA值。

3.1.2 模型建立

用CAD軟件分別繪制浙江省、重慶市和甘肅省2014年和2019年的高速鐵路線路網(wǎng)絡(luò)，將該網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入Depthmap中，得到線段模型，然后在ENVI軟件中對預(yù)處理后各個城市節(jié)點的市域范圍以及市域節(jié)點進行矯正，并截取節(jié)點范圍半徑50 km內(nèi)的緩沖區(qū)面積進行分析，此處僅列舉2019年三省的線段及其2019年的緩沖模型為例，如圖6所示。

圖6 線段及其緩沖模型

由于在空間句法理論中，空間流量與一定半徑下的整合度呈現(xiàn)較強的相關(guān)性，因此在線段地圖模型中，半徑R的選擇極為重要，該值表示的是以該米制距離為半徑，截取局部實際距離出來進行計算。而鐵路乘客信息本就屬于個人信息，乘客來源與戶籍信息更無法獲取，因此本文中以高鐵站點為圓心，半徑分別為2 000，5 000，10 000，12 000，15 000 m和20 000 m，疊加人口密度信息，用來代替客流量數(shù)據(jù)，以2014年和2019年鐵路網(wǎng)和對應(yīng)市域范圍的緩沖區(qū)面積構(gòu)建線段模型并確定R值。

檢驗結(jié)果如表7所示，屬經(jīng)過整合度的P值檢驗，將R值設(shè)置為2 000 m。

表7 模型參數(shù)值匯總

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 不同時期的深度

從2014年以及2019年的句法圖可知，除了貫穿甘肅省東西的主要鐵路之外，甘肅省的大多數(shù)線路網(wǎng)絡(luò)處于封閉狀態(tài)，只有蘭州周圍地區(qū)深度值變小，兩個年份的網(wǎng)絡(luò)可達性并沒有發(fā)生很大的變化，是甘肅省特殊的地理位置而造成的。而重慶市和浙江省已經(jīng)連成路網(wǎng)，因此浙江省和重慶市的可達性發(fā)生了很大的變化。2019年三省可達性具體數(shù)值如圖7所示。浙江省2014年平均深度高達3 680.78，2019年則降至674.46，重慶市則由3 767.51降至253.34。此外，由圖7可以看出，3個省份的可達性都呈現(xiàn)出省會城市向周邊蔓延的過程，重慶市的情況最為明顯，中心帶動周邊。但是甘肅省張掖市、平?jīng)鍪泻驼憬〗鹑A市呈現(xiàn)相反的趨勢，這些區(qū)域以較高的可達性向省會城市靠攏。

圖7 3省2019年可達性

3.2.2 不同時期的全局整合度

由三省在兩個年份里的整合度句法圖可知，2014年“一帶一路”倡議剛開始實施，此時的地圖基本上可以體現(xiàn)我國鐵路建設(shè)加速期以前各區(qū)域的狀況?？梢钥闯觯憬?、甘肅省和重慶市在2014年的鐵路網(wǎng)都是在省會城市附近達到最高值，各個地級市的鐵路網(wǎng)相對于整體來說整合度較低，有的地級市甚至還沒有通達鐵路，例如浙江省的舟山市和甘肅省的慶陽市等。但是在2019年整合度增長較大，雖然整合度峰值還是在各地區(qū)的省會附近，但是在各個地級市周圍出現(xiàn)了整合度較高的區(qū)域，說明在這幾年中，各個省份的鐵路網(wǎng)規(guī)模已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的增長，尤其是浙江省和重慶市，重慶的平均整合度由11.716增長到了253.348，浙江由19.23變成了389.55，且增加了許多新建鐵路，路網(wǎng)的整合結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了較大調(diào)整，例如浙江省原本以杭州為中心的米字形路網(wǎng)變成了口字形，重慶市的鐵路線連成了網(wǎng)狀。

4 結(jié)論

“一帶一路”倡議對我國涉及的區(qū)域影響越來越大，從地理空間的角度，基于高速鐵路時刻表數(shù)據(jù)，通過高速鐵路網(wǎng)絡(luò)研究了城市網(wǎng)絡(luò)體系格局與特征，研究結(jié)果如下。

(1)基于列車時刻表的流數(shù)據(jù)與空間句法能夠用來研究高速鐵路網(wǎng)絡(luò)空間與城市群演化。

(2)對比2014年與2019年數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)“一帶一路”倡議政策很大程度上推進了沿線區(qū)域高速鐵路建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)完善。但是就城市網(wǎng)絡(luò)層級與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系強度而言，東中西三大地區(qū)表現(xiàn)出來明顯的區(qū)域差異性，東部地區(qū)城市內(nèi)部聯(lián)系較為緊密，其他兩大區(qū)域之間和內(nèi)部聯(lián)系都較為薄弱。

(3)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)空間視角下，中國城市網(wǎng)絡(luò)體系等級關(guān)系明顯，層級劃分明確，城市之間的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)連接度與城市等級呈正比變化；在高速鐵路網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)中，高等級城市對網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)的變化起支配作用，杭州和溫州是聯(lián)系全國城市的中心，重慶等為副中心。

(4)用空間句法對不同時期的鐵路網(wǎng)絡(luò)進行進一步分析發(fā)現(xiàn)，基于鐵路網(wǎng)的空間可達性有了很大提高，路網(wǎng)整合度增長、深度降低，說明隨著鐵路網(wǎng)擴張，其達到和連接的區(qū)域已經(jīng)越來越多。

研究結(jié)果表明了高速鐵路時刻表分析城市網(wǎng)絡(luò)體系的有效性，可用于支撐高鐵帶來的“一帶一路”時空收縮效應(yīng)量化研究。