基于“高鐵+”網絡的東北地區城市聯系網絡結構研究

郭 建 科 ，王 琰，王 英 ，高 花 花 ，李 富 祥

(1.遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心，遼寧 大連116029；2.中北大學馬克思主義學院，山西 太原030051；3.西北大學新聞傳播學院，陜西 西安710127；4.遼東學院，遼寧 丹東118001)

0 引言

城市聯系網絡是城市間交流的直接體現。將城市置于整體網絡中，能更好地體現單一城市在網絡中的作用并揭示其所在網絡的結構機理，打破“就城市論城市”的局限性，凸顯城市互動聯系在城市及整個網絡中的重要性。1996年Castells提出“流動空間”概念，實現了“靜態城市”到“動態城市”的演變，推動了世界城市研究視角和思維的創新[1-3]。此后，學術界開始依托城市間各種關系要素流對城市網絡開展相關研究，主要集中在利用數學模型測算城市間聯系強度[4-7]，利用企業分支機構衡量城市間聯系[8-10]，利用人流[11,12]、交通流[13-20]、知識流[21,22]和信息流[23]等流要素建立城市流空間聯系。研究尺度主要分為全球、國家、區域、城市內部4個尺度：在全球尺度上，從信息流角度計算和劃分全球城市聯系及城市等級排名[24]，基于航空客運數據探討全球城市網絡聯系強度的時空演化[25]；在國家尺度上，基于百度遷移大數據研究中國地級以上城市的人口流動網絡[26]；在區域尺度上，對各地理大區或省域有較全面的研究[27-30]；在城市內部尺度上，主要利用公交卡、手機信令等數據研究城市內部人口通勤的流動特征[31,32]。

春運是中國特有的以年為周期的人口大遷移，從1980年“春運”一詞出現后，近40年來春運大軍從1億人次增至近30億人次，春運無疑成為觀察城市聯系的一個重要窗口。近年來，國內學者開始從春運視角研究城市及其聯系網絡并取得進展，但研究重點多為人口網絡，較少涉及運輸網絡[33,34]。春運期間脈沖式鐵路運輸需求與鐵路運力不足的矛盾表現突出，高鐵運營一定程度上緩解了春運鐵路運力供需矛盾。兩城市間若存在直達高鐵列車將緩解普速列車的運輸壓力，若兩城市間無直達高鐵連通，通過高鐵中轉也會緩解普速列車的運輸壓力。東北地區是中國最早發展鐵路的地區之一，普速列車網絡發展相對完善，加之近年來高鐵建設快速推進，高鐵網絡覆蓋城市數量不斷增加。因此，通過對東北地區“高鐵+”聯系網絡的研究，將更全面地了解東北地區的城市網絡結構，同時解析不同時期城市網絡的結構特征以及定位中轉樞紐城市將為特殊時期鐵路運力供需矛盾的緩解提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與選取

本文以東北地區黑龍江省、吉林省、遼寧省以及內蒙古自治區東四盟市的40個城市作為研究對象，收集年內變化較大的春運與非春運期間的高鐵(包括G、C、D車次)及普速列車(包括Z、K、T、L、Y車次)數據(來源于智行APP)，分別構建基于高鐵與“高鐵+”網絡的無權與加權城市聯系網絡，以及40×40的OD矩陣。1)基于高鐵網絡的無權網絡構建：若兩城市間存在直達高鐵則為1，否則為0；基于高鐵網絡的加權網絡構建：若兩城市間存在n趟直達高鐵列車，則兩城市間權重為n，否則為0。2)基于“高鐵+”網絡的無權網絡構建：若城市1—城市3無直達高鐵，但可先乘坐高鐵(普速列車)到達中轉城市2，然后轉乘普速列車(高鐵)到達城市3，則認為城市1—城市2、城市2—城市3為1，城市1—城市3為0；基于“高鐵+”網絡的加權網絡構建：若城市1—城市3無直達高鐵，但存在n種換乘方案，其中m(m≤n)種換乘方案總時長小于直達普速列車的總時長，則認為城市1—城市2、城市2—城市3權重為m，城市1—城市3權重為0。

1.2 研究方法

1.2.1 復雜網絡基本指標

(1)平均路徑長度：用于測度網絡中任意兩節點之間距離的平均值，反映網絡的便捷性與連通性，數值較小,說明網絡中節點只需經過較少的中轉即可抵達目標節點，網絡整體聯系緊密。公式如下：

(1)

式中：L為平均路徑長度；n為節點數；dij為節點i和節點j間最短路徑邊數。

(2)網絡聚類系數：用于測度網絡的整體集聚程度，為網絡中所有節點聚類系數的平均值。公式如下：

(2)

(3)

1.2.2 節點中心性指標 選取中介中心性和鄰近中心性衡量網絡中節點的中轉、銜接以及間接可達性功能。加權網絡中的最短路徑通過原始網絡中權重的倒數計算[35]。

(1)中介中心性：以所有節點對間的加權最短路徑經過給定節點的次數和衡量，反映節點在網絡中的中轉和銜接功能，值越大表明節點在城市聯系網絡中的樞紐性越強。相關公式如下：

(4)

式中：WBCi為節點i的中介中心性；nkj、nkj(i)分別為節點k與節點j間所有加權最短路徑的條數及最短路徑經過節點i的次數。

(2)鄰近中心性：以某節點到網絡中其他節點的平均加權最短路徑長度的倒數衡量，反映該節點在網絡中的相對可達性大小。相關公式如下：

(5)

2 東北地區“高鐵+”網絡特征和城市聯系空間特征

2.1 “高鐵+”網絡的小世界特征

東北地區高鐵網絡平均路徑長度為1.64，網絡聚類系數為0.8255，表現為較小的平均路徑長度和較高的聚集性，具備小世界網絡特征，證明東北地區高鐵網絡連通狀況良好。由于東北地區普速鐵路網絡發展相對完善，促使“高鐵+”網絡的小世界特征比高鐵網絡更明顯，具體表現為：“高鐵+”網絡平均路徑長度為1.55，網絡聚類系數為0.8277。在春運期間，增加車次與延長原有列車線路等方式使得“高鐵+”網絡的小世界效應進一步增強，城市間聯系更緊密，具體表現為：“高鐵+”網絡平均路徑長度為1.48，網絡聚類系數為0.8283。

2.2 “高鐵+”網絡的中心性特征

研究中剔除不合理的中轉方案(同站中轉時間<30 min或異站中轉時間<60 min)，彌補了以往研究中忽視列車間隔時間能否滿足乘客中轉這一問題?？傮w看，“高鐵+”網絡相比高鐵網絡中的中轉樞紐城市數量從4個增至9個，沈陽、長春、哈爾濱始終為區域核心樞紐城市。沈陽位于區域中心，既是遼寧省內城市間聯系的重要中轉城市，也是省內城市與黑龍江、吉林、蒙東地區的重要中轉城市；長春是吉林省內城市間的重要中轉城市，也是省內城市與黑龍江、遼寧、蒙東地區之間中轉的重要城市；而哈爾濱與沈陽、長春相比，處于區域邊緣，中轉功能相對較弱。大連雖為東北地區四大中心城市之一，但受地理位置影響，其“中轉”功能有限，在城市聯系網絡中的中介地位不如中部城市，未來如能建成渤海跨海通道，大連有望成為遼東半島連接山東半島甚至長江中下游的中轉城市；吉林、四平等在“高鐵+”網絡中的中轉地位顯現，吉林在高鐵網絡中的中介中心性雖為0，但其在“高鐵+”網絡中的中介中心性僅次于三大省會城市，成為區域新的中轉樞紐。春運期間，中介中心性城市的位序并未發生變化，三大省會城市中介中心性進一步提高，中轉功能大大加強，樞紐性強化明顯，可見省會城市是東北地區“高鐵+”網絡中重要的換乘樞紐。承擔中轉功能的城市數量有所增加，大慶、齊齊哈爾等城市也承擔著部分換乘中轉功能(圖1、表1)。

圖1 “高鐵+”網絡Fig.1 "High-speed rail+" network

表1 城市中介中心性Table 1 Urban betweenness centrality

高鐵網絡鄰近中心性最高的為沈陽，其次為長春、哈爾濱、大連、四平，但在“高鐵+”網絡中，長春以微弱優勢成為鄰近中心性最高的城市，沈陽、哈爾濱、四平、吉林的鄰近中心性均超過大連。未開通高鐵的城市相比開通高鐵的城市，其鄰近中心性明顯處于區域“洼地”，“高鐵+”網絡有助于提升未開通高鐵城市的鄰近中心性，最大程度提升其城市聯系能力(表2)。

表2 城市鄰近中心性Table 2 Urban closeness centrality

春運期間“高鐵+”網絡中各城市的鄰近中心性都有不同幅度的提高，平均鄰近中心性為14.73，較非春運期間提升89.8%。其中，沈陽提升幅度最大，其次是長春、興安盟、哈爾濱。春運期間沈陽、長春、哈爾濱的始發列車增加，加之原有鐵路線路延長后,絕大多數經過省會城市，使其鄰近中心性大幅提高；興安盟鄰近中心性提高得益于原有鐵路線路延長、運營班次增加。部分鄰近中心性低的城市在春運期間雖有所提高，但增幅不大(如雞西提升了1.47)，滯后于平均鄰近中心性的增幅(約6.97)。春運期間“高鐵+”網絡中鄰近中心性排名較非春運期間有一定的變化，如沈陽超過長春成為鄰近中心性最高的城市，這在很大程度上得益于北京方向與東北地區城市間列車頻次增加，沈陽作為該線路重要連接站點，列車頻次稍多于長春。此外，春運期間沈陽的鄰近中心性與中介中心性最大，其次是長春和哈爾濱，可見春運期間三大省會城市不僅自身通達能力強，而且在城市聯系中的“橋梁”作用更加凸顯。

2.3 城市聯系空間特征

春運期間和非春運期間是一年內城市聯系變化較顯著的兩個時期，圖2反映了東北地區年內城市聯系變化的全局空間趨勢：東西向中間高、兩邊低，南北向自南向北依次遞減，這種空間聯系變化與哈大鐵路干線走向密切相關，即城市聯系變化量大的城市基本位于哈大鐵路沿線。

圖2 東北地區年內城市聯系變化全局趨勢Fig.2 Overall trend of urban connection in Northeast China within a year

采用自然斷裂法(Jenks Naturel Breaks)對年內兩個時期城市聯系進行分類，進而對兩個時期各層級城市進行對比，結果顯示：1)在地理分布上，最高層級城市表現出一定的穩定性，即兩個時期最高層級城市除哈爾濱屬于黑龍江，其他城市均屬于遼寧和吉林，蒙東地區城市均未進入最高層級城市序列，且兩個時期最高層級城市數量均呈現出遼寧>吉林>黑龍江>蒙東地區。2)通遼作為連接內蒙古與東北地區的門戶，是春運期間唯一進入第二層級的蒙東地區的城市，層級地位在春運期間開始凸顯；第二層級城市數量表現出遼寧>黑龍江>吉林>蒙東地區。3)第三層級和第四層級城市數量眾多，各地區均有分布。

春運期間城市間聯系強度均有所提升，位序為遼寧(4.7)>吉林(3.8)>黑龍江(2.4)>蒙東地區(1.1)，遼寧內部既是聯系強度最高的地區，也是聯系強度變化最大的地區。在聯系組團方面，遼寧僅有撫順、葫蘆島位于邊緣組團，其余城市均位于核心組團；吉林僅有遼源、通化、白城位于邊緣組團，其余均位于核心組團；黑龍江位于核心組團的城市不多。城市間聯系平均變化量為120次，沈陽為聯系變化量最大的城市(291次)，其次為長春(268次)、哈爾濱(265次)、四平(254次)、大連(245次)。沈陽在省際聯系上向北主要增強了與長春、哈爾濱、四平的聯系，向西加強了與四盟市的聯系，省內聯系上主要增強了向南與大連的聯系。長春在省際聯系上主要增強了與北部哈爾濱、南部沈陽及西部四盟市的聯系，省內聯系上增強了與吉林和延邊的聯系。哈爾濱在省際聯系上主要增強了與長春、沈陽、大連的聯系，在省內聯系上主要增強了與大慶、齊齊哈爾、牡丹江的聯系。另外，四平作為東北地區鐵路的重要樞紐之一，在城市聯系中有著舉足輕重的作用，其省際聯系增強了與沈陽、哈爾濱、大連、齊齊哈爾等城市的聯系，省內加強了與長春、吉林、白城的聯系。大連雖然位于區域端點，但其聯系強度變化仍很明顯，這與其經濟發展水平較高、外來務工人口多密切相關，其省內主要聯系城市為沈陽、鞍山、遼陽等，省外聯系城市主要是長春、哈爾濱、吉林等。各省會城市在省際聯系中占據首要地位，春運期間地位更突出。

3 結論與建議

本文通過“高鐵+”網絡與高鐵網絡的對比，探討“高鐵+”網絡對城市聯系網絡的作用，相比已有研究本文的貢獻在于：第一，從“高鐵+”視角探究城市網絡特征，解析了各城市在高鐵網絡以及“高鐵+”網絡中的作用和功能，明確了城市在不同網絡中的地位和作用；第二，以年內城市聯系變化較大的春運與非春運期間為例，解析了不同時期“高鐵+”網絡的特征及城市的功能、地位變化。主要結論如下：1)“高鐵+”網絡提升了東北地區城市聯系網絡的小世界特征。處于高鐵網絡之外的城市可以借助“高鐵+”網絡使自身鄰近中心性得到提升，除三大省會城市外，吉林分化為區域第四大中轉樞紐。2)春運期間“高鐵+”網絡的小世界特征較非春運期間更明顯，鐵路網絡的聯通狀況進一步改善。春運期間三大省會城市不僅自身通達能力強，而且在城市聯系中的“橋梁”作用更凸顯。部分鄰近中心性低的城市在春運期間有所提高，但增幅不大，與鄰近中心性高的城市仍存在較大差距。3)城市年內聯系變化量與哈大鐵路干線走向密切相關，通遼作為內蒙古與東北地區連接的門戶，其層級地位在春運期間開始凸顯。省會城市在省際聯系中占據首要地位，春運期間地位更突出。

目前東北地區高速鐵路建設逐步推進，但部分未開通高鐵的城市與其他城市聯系存在諸多不便。鑒于高鐵建設周期長、速度較緩慢的特點，未開通高鐵的城市應加快推進高鐵建設，同時加強與鐵路部門的溝通與協作，利用東北地區普速鐵路發展相對完善的優勢，規劃、搭建與高鐵相連接的換乘網絡,以便加強與其他城市的交流與合作，從而促進自身發展。春運期間鐵路供需矛盾更加突出，經濟發達或欠發達城市均存在脈沖式需求量與運力不足之間的矛盾，為此要根據春運期間客流變化及時調整運營線路、發車頻次，科學安排換乘接續列車，最大程度釋放高鐵優勢以緩解運力供需矛盾。換乘樞紐城市承擔著換乘人流壓力，對于同站換乘而言，除現有車站內設置的換乘便捷通道外，應組織換乘客流優先下車，減少流線交叉干擾，并適當投入人力引導換乘以確保站點穩定、高效運行；對于異站換乘而言，站點之間接駁的交通設施是換乘的重要條件，應改善站點之間的交通便捷度、舒適度等，并結合信息技術與網絡媒體建立換乘信息服務平臺，最大程度確保異站中轉客流的順利換乘。