我國高鐵網(wǎng)絡的形成及發(fā)展演化

（同濟大學 經濟與管理學院，上海 200092）

我國高鐵網(wǎng)絡的形成及發(fā)展演化

邢朋凱

（同濟大學 經濟與管理學院，上海 200092）

“十一五”以來，中國高鐵建設迅猛發(fā)展，高鐵網(wǎng)絡經歷了從局部分散的小網(wǎng)絡到全國聯(lián)網(wǎng)的過程。從“四縱四橫”到“八縱八橫”，高鐵建設已成為國家戰(zhàn)略層面推進的重點基礎設施建設工程，因此，研究高鐵網(wǎng)絡的發(fā)展演化十分必要。本文采用復雜網(wǎng)絡分析的方法，通過構建以地級市為基本節(jié)點的空間高鐵網(wǎng)絡，對高鐵網(wǎng)絡進行相關屬性分析，研究發(fā)現(xiàn)高鐵網(wǎng)絡屬于稀疏網(wǎng)絡，不具備小世界性，節(jié)點的度數(shù)普遍較低，處于節(jié)點末端的城市通達性不高，節(jié)點間捷徑較少，平均距離較大等。

高鐵網(wǎng)絡；網(wǎng)絡演化；城市連接

一、引言

鐵路是國家重要的基礎設施，對國民經濟發(fā)展影響重大[1]。從1997年到2007年，中國鐵路先后進行了6次大提速[2]，由普通鐵路時代進入快速鐵路時代，極大地促進了地區(qū)間人員物資的運輸效率。2007年起，國家鐵路開始由快速鐵路向高速鐵路（以下簡稱高鐵）進行轉變。中國大陸最早開通的高鐵為秦沈客運專線，于2003年7月1日正式運營。2008年，鐵道部提出了“四縱四橫”的鐵路網(wǎng)規(guī)劃，中國高鐵建設運營進入快速發(fā)展期，截止到2015年底，全國高鐵營業(yè)里程超過1.9萬公里，占到了全球高速鐵路運營里程的50%以上[3]，高鐵站點超過200個，基本建成了四縱四橫的鐵路網(wǎng)，成為世界上高鐵通車里程數(shù)及開通站點數(shù)最多的國家。高鐵具有快速、準時、容量大的特點，其開通運營極大地壓縮了城市間時空距離，提高了城市間的可達性，逐漸成為城市間交通的重要方式，極大地促進沿線地區(qū)的經濟發(fā)展。2016年7月，在“四縱四橫”的基礎上，國家進一步提出“八縱八橫”的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，高鐵建設進入新一輪高潮。

二、文獻綜述

現(xiàn)有的我國高鐵網(wǎng)絡研究集中在區(qū)域經濟、旅游發(fā)展和交通網(wǎng)絡分析等領域。

陸軍（2016）通過依據(jù)二維扭曲時空地圖體系，制作“時空壓縮地圖”，建立新的空間高鐵網(wǎng)絡，研究認為高鐵網(wǎng)絡對中國的區(qū)域格局、人口流動、第三產業(yè)和旅游發(fā)展已然產生了系統(tǒng)性的重要影響，高鐵的引導、促進、輻射、聯(lián)動、重組等正面機制與作用日益凸顯[3]。穆成林等（2015）利用高鐵網(wǎng)絡下區(qū)域城市之間的最短旅行時間修正引力模型，得出高鐵網(wǎng)絡下長三角旅游經濟發(fā)展呈現(xiàn)出上海為主核心，南京、杭州為副核心，南北兩翼各自相互抱團的空間分布特征，構成“一主兩副雙翼”的經濟格局[4]。

李鑫（2016）等通過構建高鐵網(wǎng)絡，分析認為網(wǎng)絡呈現(xiàn)無標度特性，不具有小世界性；高鐵站點的單位服務人數(shù)與地區(qū)人均GDP 具有一定相關性；與第一產業(yè)產值相關性不大，與第二、三產業(yè)的耦合度較第一產業(yè)有所提高[5]。徐鳳（2013）運用復雜網(wǎng)絡理論，構建無向非加權網(wǎng)絡，實證研究了中國高鐵-民航復合網(wǎng)絡的基本拓撲性質，認為高鐵網(wǎng)絡具有無標度特性和小世界特性，表現(xiàn)出很強的集聚性，具有明顯的群落結構特征[6]。姜博（2016）利用可達性模型和改進的哈夫模型分析高鐵可達性空間演變特征及規(guī)律，認為高鐵網(wǎng)絡逐漸形成“多中心”高鐵服務格局以及日益龐大而復雜的高鐵特質空間集群，高鐵網(wǎng)絡影響下的中國區(qū)域空間格局的漸變與重塑日趨復雜[7]。曹晶（2013）基于復雜網(wǎng)絡理論研究高鐵網(wǎng)空間增長問題，認為鐵路網(wǎng)絡具有小世界特征，系統(tǒng)城市之間的短距離聯(lián)系的特性更明顯[8]。吳德馨（2015）選取高速鐵路初建時期和完善時期的高速列車運行時刻數(shù)據(jù)建立高鐵運營網(wǎng)絡，分析了高速鐵路對于城市中心性的影響以及高速鐵路建設發(fā)展的變化趨勢[9]。鐘柯等（2012）根據(jù)列車時刻表，構建了鐵路運營L型網(wǎng)絡，展示了鐵路運輸視角下我國城市的層次結構[10]。

總體來看，現(xiàn)有研究多集中于高鐵網(wǎng)絡建設對沿線經濟發(fā)展影響的研究，對高鐵網(wǎng)絡整體特征及其演變過程的研究較少，因此，本文立足高鐵網(wǎng)絡，采用社會網(wǎng)絡分析的方法，研究高鐵網(wǎng)絡隨時間演變的關系，以期對未來高鐵規(guī)劃建設、優(yōu)化線路的布局提供一定的借鑒參考。

三、高鐵網(wǎng)絡的構建方法

1、數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于國家鐵路局官方網(wǎng)站高鐵專欄，依據(jù)國家鐵路局對高鐵的定義，高鐵指的是設計開行時速250公里以上（含預留），初期運營時速200公里以上的客運列車專線鐵路。高鐵網(wǎng)絡統(tǒng)計的時間范圍為2008年（以下簡寫為08年）到2015年（以下簡寫為15年），2008年及之前開通的高鐵線路統(tǒng)一歸到2008年，每年的統(tǒng)計截至時點為該年度的12月31日。

2、網(wǎng)絡參數(shù)的界定

（1）無向網(wǎng)絡：一般情況下，如果能從城市A乘坐高鐵到達城市B，那么也能夠從城市B沿相同線路到達城市A。因此，在進行數(shù)據(jù)提取時，不考慮線路的方向，將網(wǎng)絡抽象成無向網(wǎng)絡。

（2）非加權網(wǎng)絡：不考慮高鐵網(wǎng)絡中的高鐵發(fā)車頻次和數(shù)量，即不考慮網(wǎng)絡中的連接權重的問題，將網(wǎng)絡抽象成非加權網(wǎng)絡。構建的高鐵網(wǎng)絡基于站點的空間位置，即兩個節(jié)點間有高鐵連通，則節(jié)點間連接數(shù)為1，否則為0。

（3）節(jié)點：為保持統(tǒng)計口徑一致，在網(wǎng)絡分析時，統(tǒng)一以地級市作為宏觀意義上的節(jié)點，地級市劃分參照國務院統(tǒng)計局設管司的行政區(qū)劃。同一地區(qū)的設立多個站點的，如武漢有武昌、漢口、武漢站，統(tǒng)一歸為“武漢”節(jié)點，又如蘇州有蘇州北、蘇州園區(qū)、蘇州站，其下轄昆山市亦設有昆山、昆山南站，在此統(tǒng)一歸為“蘇州”節(jié)點。

3、繪制高鐵網(wǎng)絡

根據(jù)高鐵開通時間，構建以地級市為基本節(jié)點的高鐵網(wǎng)絡，使用NetDraw，繪制2008年—2015年全國高鐵網(wǎng)絡，如圖1所示。

四、高鐵網(wǎng)絡形成及演化特點

1、高鐵組網(wǎng)過程

圖1 2008年—2015年全國高鐵網(wǎng)絡

圖2 成分數(shù)量

圖3 第一主成分占比

圖4 網(wǎng)絡密度

圖5 節(jié)點度數(shù)比例構成

圖6 最大子網(wǎng)接近中心度

圖7 最大子網(wǎng)中間中心度

如果一個網(wǎng)絡可以分為幾個部分，每個部分內節(jié)點互相連接，各個部分之間無任何關聯(lián)，則把每個部分稱為一個成分。由于高鐵建設分期分段進行，所以本文采用成分及分裂性來描述高鐵組網(wǎng)過程。成分越多，表明無關聯(lián)的群體越多，網(wǎng)絡的統(tǒng)一性越差。第一主成分（main component）指節(jié)點數(shù)最多的成分。

由圖1可知，網(wǎng)絡的成分數(shù)先上升后下降，原因在于高鐵建設的分段性，2008年—2010年建設的高鐵線路較為分散，沒有組網(wǎng)，使得成分數(shù)不斷上升，11年及之后，獨立的小網(wǎng)絡不斷連接到一起，使得網(wǎng)絡的成分數(shù)量不斷下降。到15年底，網(wǎng)絡包含三個成分，即中東部的主體網(wǎng)絡，海南環(huán)島鐵路，蘭新（蘭州-烏魯木齊）高速鐵路三個部分，整體來看，現(xiàn)有的高鐵網(wǎng)絡不具備小世界性。

圖2表明網(wǎng)絡總體分裂性和主成分占比呈反向關系。08年-13年網(wǎng)絡主成分占比呈上升趨勢，表明網(wǎng)絡中節(jié)點可達性不斷提高，12年開始，網(wǎng)絡第一主成分占比大于60%。13年網(wǎng)絡分裂性最低，是由于13年全國高鐵城市除了九江、南昌、海口、三亞、成都5個獨立節(jié)點外，其余節(jié)點全部鏈接在一個網(wǎng)絡中，14年和15年，鐵路隨著其他成分占比的增加，網(wǎng)絡分裂性有進一步上升趨勢，但最大子網(wǎng)占比保持在90%以上。

2、城市聯(lián)系緊密程度的演化

城市間連線越多，則聯(lián)系越密切，對于由多個城市構成的網(wǎng)絡，通常我們采用密度（density）這個指標來測度城市間總體聯(lián)系的緊密程度。其計算公式為節(jié)點間實際連接數(shù)與最大可連接數(shù)的比值。對一個由n個節(jié)點構成、包含m條連線的網(wǎng)絡，其最大可能連接邊數(shù)為n鄢（n-1），則是密度。

高鐵網(wǎng)絡密度變化如圖3所示，整體上看，高鐵網(wǎng)絡屬于稀疏網(wǎng)絡，網(wǎng)絡密度＜0.12，城市間聯(lián)系并不密切，網(wǎng)絡的密度隨節(jié)點數(shù)量增多而遞減，主要原因是受限于網(wǎng)絡節(jié)點的空間地理特性，每個節(jié)點直接相連的點數(shù)較少（≤5），使得節(jié)點增加帶來的網(wǎng)絡總連接數(shù)增加有限，而最大可能連接數(shù)快速上漲，導致網(wǎng)絡密度隨節(jié)點增加而下降。

3、區(qū)域中心城市變遷

度數(shù)最基本的城市地位測度指標，衡量節(jié)點在區(qū)域內地位。網(wǎng)絡中一點的度數(shù)等于節(jié)點直接相連的其他點個數(shù)。度數(shù)越大，則該城市直接相連的城市數(shù)量越多，在區(qū)域內地位越高。

圖4表明高鐵網(wǎng)絡中，度數(shù)較大節(jié)點所占比例不斷提升，度數(shù)為1的網(wǎng)絡邊緣節(jié)點所占比例不斷下降。12年首次出現(xiàn)度數(shù)為4的節(jié)點，為武漢和鞍山；之后度數(shù)大的節(jié)點不斷增多，到15年，網(wǎng)絡中度數(shù)最大的節(jié)點為鄭州和武漢，分別與5個節(jié)點相連。可以看出，高鐵網(wǎng)絡對傳統(tǒng)的火車樞紐有強化效果，同時，高鐵的修建帶來新的鐵路樞紐：新興的鐵路中心為南寧和上饒，南寧是柳南（柳州-南寧）客運專線、南廣（南寧-廣州）高速鐵路、南昆（南寧-昆明）客運專線、南欽（南寧-欽州）高鐵四條高鐵線路的交叉點，上饒是滬昆（上海-昆明）高鐵和合福（合肥-福州）高鐵的交叉點。表1展示了度數(shù)較大點的變化情況。

4、網(wǎng)絡中心城市變遷

接近中心度用給定節(jié)點到所有節(jié)點的最短距離之和進行衡量，表示網(wǎng)絡中某一點與其他節(jié)點的接近性程度，它是對節(jié)點不受其他點控制程度的測度，相對接近中心度越小，節(jié)點越靠近網(wǎng)絡中心。本文使用接近中心度來分析處于網(wǎng)絡中心位置的城市，隨時間變化情況。

對于分散網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的整體特征往往不明顯，因此，對最大子網(wǎng)的分析，往往更能體現(xiàn)網(wǎng)絡的演變規(guī)律。圖2表明，2012年—2015年，第一主成分占比超過65%，且不斷上升。因此，本文選取2012年—2015年對最大子網(wǎng)進行屬性分析。

圖6表明最大子網(wǎng)的接近中心度呈不斷下降的趨勢，表明最大子網(wǎng)節(jié)點與網(wǎng)絡中心的距離在不斷縮小。表2展示了從12年到15年，相對接近中心度較大的點的變遷情況，可以看出，靠近網(wǎng)絡中心的節(jié)點集中在武漢與合肥周邊，這些節(jié)點即位于空間地理中心，也接近于網(wǎng)絡中心。

5、換乘中心變遷

中間中心度是網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點的最短路徑經過某一節(jié)點的次數(shù)比例，測度節(jié)點是其他節(jié)點“中間人”的程度，反映的該節(jié)點在多大程度上控制他人交流。中間中心度越大，節(jié)點作為其他節(jié)點中間人的次數(shù)越多。對高鐵網(wǎng)絡來說，中間中心度越大，城市越靠近鐵路換乘中心，對其他城市間交流的控制能力越強。

圖7表明最大子網(wǎng)節(jié)點的中間中心度不斷下降，表明平均每個節(jié)點對其他節(jié)點交往的控制能力變弱；另一方面，網(wǎng)絡的中間中心勢不斷上升，表明最大子網(wǎng)有向某些點集中的趨勢，節(jié)點的中介性兩級分化，重要節(jié)點如武漢、合肥、長沙對網(wǎng)絡通道的控制能力在不斷加強。表2展示了從12年到15年，相對接近中心度較大的點的變遷情況，可以看出，武漢一直是中間中心度排名第一的城市；長沙與合肥也一直有著較高的中間中心度，其他中間中心度較高的城市在地理上環(huán)繞武漢、合肥、長沙三個中心城市。所有的城市也位于高鐵網(wǎng)絡的空間地理位置中心。

表1 中心度較高的城市變遷

表2 接近中心度較高的城市變遷

表3 中間中心度較高的城市變遷

五、結論與展望

高鐵網(wǎng)絡的形成經歷了從局部分散的小網(wǎng)絡到全國聯(lián)網(wǎng)的過程，總體屬于稀疏網(wǎng)絡，不具備小世界性。隨著網(wǎng)絡的初步形成，節(jié)點的度數(shù)在上升，網(wǎng)絡的密度在逐漸下降，節(jié)點間可達性不斷加強。但受空間位置的影響，節(jié)點的度數(shù)不大于5，處于節(jié)點末端的城市通達性不高，網(wǎng)絡中捷徑較少，平均距離較大。高鐵的修建，對傳統(tǒng)的鐵路樞紐城市有強化效果，也帶來了諸如南寧、上饒等新興鐵路樞紐，但整體來看，網(wǎng)絡的換乘中心數(shù)量少，城市間交流不夠便捷。此外，武漢、長沙、合肥及周邊城市，得益于地理優(yōu)勢，處于高鐵網(wǎng)絡的中心位置，對其他城市間的交流的控制能力較強。

因此，在開行高鐵列車時，鐵路部門應適當開通跨過相鄰城市的列車，打破空間不相鄰區(qū)域的地理壁壘，豐富網(wǎng)絡中的連接數(shù)，在加強空間不相鄰城市聯(lián)系的同時，通過增加遠距離列車運營班組，充分發(fā)揮高鐵列車運行速度快、運營高效的特點。此外，還應充分發(fā)揮高鐵列車的骨架作用，與普通列車組互補，有效分流，降低普通列車客運壓力，提高高鐵列車利用率，實現(xiàn)鐵路與地方發(fā)展的共贏，更好地促進地區(qū)交流與經濟發(fā)展。在八縱八橫的網(wǎng)絡規(guī)劃中，適當增加樞紐點與換乘點，將整個網(wǎng)絡連接，形成具有小世界特征的分散化網(wǎng)絡，降低城市間的平均距離，提高網(wǎng)絡的效率，讓每個城市都能夠因此收益。

基于空間地理位置對高鐵網(wǎng)絡的分析，是在現(xiàn)有高鐵運營架構下的抽象與簡化，未來研究將考慮高鐵列車實際運營情況，構建更為完善，更貼合實際情況的高鐵網(wǎng)絡，同時尋找區(qū)域經濟發(fā)展的相關指標，量化高鐵網(wǎng)絡對經濟發(fā)展的影響，以進行更為深入的研究。

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（責任編輯：占雨秀）