錢曉彤，史峰，趙爍，徐光明

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

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高速鐵路網(wǎng)絡對可達性的影響分析
——以湖南省為例

錢曉彤，史峰，趙爍，徐光明

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要:以縣級行政建制為基本單元節(jié)點，在公路網(wǎng)絡及城市交通網(wǎng)絡的基礎上，討論高鐵開通前后，各單元節(jié)點交通可達性的變化狀況。采用加權平均出行時間為可達性指標，結合高鐵開行方案的發(fā)車頻率、停站方式及乘客等待時間，計算單元節(jié)點的可達性變化值，分析高速鐵路網(wǎng)絡對可達性的影響以及站點高鐵可達頻次對所在節(jié)點可達性的影響情況。以湖南省為例，將其劃分為122個單元節(jié)點，分別得到各單元節(jié)點的潛在區(qū)域優(yōu)勢以及交通可達性的空間形態(tài)，對高鐵網(wǎng)絡的建設及開行提供參考依據(jù)。

關鍵詞：可達性；加權平均出行時間；高速鐵路；區(qū)域空間結構

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，旅客的出行時間逐漸縮短，區(qū)域空間結構發(fā)生改變，時間和空間不斷被壓縮，為人們跨區(qū)域通勤出行提供了便利條件?？蛇_性簡單來說就是指從一個地方到另一個地方的容易程度[1]。利用可達性指標可以反映區(qū)域優(yōu)勢和區(qū)域的潛在實力，而區(qū)域潛力直接影響著經(jīng)濟、人口流動、就業(yè)問題等，相對來說可達性越高的地區(qū)，人口、就業(yè)機會、經(jīng)濟以及人們的生活質(zhì)量就會越高，同樣的人們會根據(jù)可達性的高低選擇出行計劃，商家在選址的時候也會選擇可達性高的地區(qū)。對于可達性的研究主要有最短距離、可達性系數(shù)、加權平均出行時間和經(jīng)濟潛力模型等方法。最短距離就是網(wǎng)絡中某評價節(jié)點到所有設定終點的最短距離的總和，值越小可達性就越好。這種方法便于計算和解釋，但是只考慮了一種參數(shù)過于單一，僅僅依賴于2個節(jié)點間的位置關系。張兵等[2]運用時間距離計算了湖南公路網(wǎng)絡的可達性?？蛇_性系數(shù)主要指網(wǎng)絡中某節(jié)點到其他節(jié)點的總運輸距離與各節(jié)點的總運輸距離平均值的比。這種度量方法將整個網(wǎng)絡考慮進來，但同樣只考慮了節(jié)點的位置與交通網(wǎng)絡。金鳳君等[3]提出了可達性系數(shù)的概念并以此分析中國鐵路網(wǎng)絡擴展及可達性。加權平均出行時間指標是一個評價節(jié)點到各中心的時間測度，這種評價方法與中心節(jié)點的實力密切相關，同樣2節(jié)點間的交通網(wǎng)絡也直接影響了可達性指標。Gutiérrez[4]運用加權平均出行時間計算了馬德里—巴塞羅那—法國邊界的可達性。經(jīng)濟潛力模型的評價結果是與中心節(jié)點的規(guī)模和實力成正比，與評價節(jié)點到中心節(jié)點的的時間、距離、費用成反比。但潛力模型的結果存在隨距離的增加逐步衰減，一般要采用距離衰減函數(shù)，并且節(jié)點的規(guī)模對結果影響大，因此在規(guī)模較大的節(jié)點上費用的影響差異小。Vandenbulcke等[5]運用經(jīng)濟潛力模型計算得到比利時可達性空間格局圖。Zhu等[6]通過分析新加坡地鐵對當?shù)爻鲂械挠绊懀l(fā)現(xiàn)新建地鐵對東北部出行可達性有提高作用。蔣海兵等[7]比較有無京滬高鐵2種情形下京滬地區(qū)中心城市可達性空間格局變化，探討高鐵對中心城市可達性的影響。羅鵬飛等[8]以滬寧地區(qū)為例，探討高鐵對沿線地區(qū)可達性的影響并進行有效評價。王緝憲等[9]則討論了高速鐵路對城市空間演變的影響。本文采用加權平均出行時間為可達性的評價指標，分析高鐵開通前后各區(qū)域的可達性變化值。以縣級行政建制為單位，將湖南省劃分為122個節(jié)點，節(jié)點間的交通網(wǎng)絡弧段由城市道路交通、普通公路、高速公路及高速鐵路組成，并分別定義不同交通方式下的出行時間費用。通過ArcGIS平臺構建網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，計算122個節(jié)點的可達性值，并利用二維平面得到節(jié)點可達性的空間位置關系，分析高速鐵路網(wǎng)絡對可達性的影響以及站點高鐵可達頻次對所在節(jié)點可達性的影響情況。

1評價單元的選擇與網(wǎng)絡構造

1.1評價單元的選擇

選擇縣級行政建制為評價節(jié)點，縣級行政建制主要包括城市市區(qū)、縣級市和縣。選擇縣級行政建制為單位的原因是因為每個縣級行政建制單位都可以作為一個獨立的經(jīng)濟個體，并且各個單元節(jié)點均勻分布在湖南省內(nèi)，可以準確反映各區(qū)域的可達情況。而節(jié)點數(shù)目越多，在進行空間插值時就可以得到更加準確的結果。并且將城市以市區(qū)的形式表達，加入了區(qū)與區(qū)之間的時間費用，更準確地反映了城市內(nèi)部到達的時間成本。

湖南全省現(xiàn)有13個地級市、1個自治州，其中包含了16個縣級市、71個縣(其中7個自治縣)、35個市轄區(qū)，計122個縣級行政建制，因此選擇122個節(jié)點作為評價單元。

1.2網(wǎng)絡構造

節(jié)點之間的交通網(wǎng)絡主要由城市道路交通、普通公路、高速公路及高速鐵路組成，并在ArcGIS中完成交通網(wǎng)絡的構造。連通規(guī)則為高速鐵路在站點處連通，高速公路在收費站處連通，城市道路交通與普通公路在任意端點和交叉點均可連通。其中城市道路交通僅為表示市區(qū)與市區(qū)之間到達時所產(chǎn)生的額外時間費用，因此僅以主要干道連接各個市區(qū)節(jié)點，簡化城市道路交通。湖南省內(nèi)開通的高鐵線路有京廣高鐵、滬昆高鐵以及衡柳客專，整體的網(wǎng)絡構造如圖1。在構建的綜合交通網(wǎng)絡中，并沒有考慮既有線上的常速列車，因為在常速列車的開行方案中，開行列次少、旅行時間長，會造成較長的等待時間，不能滿足每日通勤等目的的省內(nèi)出行需求，乘客的選擇概率低，對網(wǎng)絡整體的可達性貢獻小。

圖1　湖南省評價節(jié)點及交通網(wǎng)絡構造Fig.1 Evaluation node and traffic network structure of Hunan province

2評價方法

2.1可達性評價指標

突出交通網(wǎng)絡的改變對可達性的影響分析適合采用加權平均出行時間的方法。加權平均出行時間是評價節(jié)點到各個經(jīng)濟中心點的時間測度，而評價結果不僅僅在節(jié)點與經(jīng)濟中心點的空間位置關系上，更與2點之間的交通連接方式息息相關。加權平均出行時間越長可達性越低，相反的時間越短可達性就越高，計算公式如下：

式中：Ai為節(jié)點i的可達性;Tij為表示節(jié)點i通過交通網(wǎng)絡到達經(jīng)濟中心j所花費的最短時間，也可以定義為最小的費用;Mj為中心點的質(zhì)量，也可以定義為經(jīng)濟中心的吸引力;n為經(jīng)濟中心點的數(shù)量。

2.2經(jīng)濟中心點的確定

經(jīng)濟中心點即為人們的出行目的地節(jié)點，出行的目的地的選擇主要與節(jié)點的經(jīng)濟地位及出行時間緊密相關，因此中心節(jié)點要均勻輻射整個湖南地區(qū)，并且具有一定的經(jīng)濟實力。因此選擇13個地級市的市中心城區(qū)為目的地節(jié)點(因湘西自治州經(jīng)濟總量較低并沒有市轄區(qū)，所以不包括在內(nèi))，各市2014年的國民生產(chǎn)總值為權重的計算依據(jù)，得到的結果如表1。

表1　2014年湖南省各市GDP

2.3出行時間費用

影響節(jié)點之間的出行時間費用，主要在于節(jié)點之間交通網(wǎng)絡的便捷程度和交通方式的選擇。不同的交通方式下出行時間費用的計算也各不相同。以下給出高速鐵路和公路2種交通方式的出行時間計算。時間費用如下。

1)公路及城市道路出行時間費用

式中：Sij為節(jié)點i到節(jié)點j的里程;v為平均旅行速度，定義市內(nèi)道路的平均旅行速度為20 km/h，普通公路的平均旅行速度為50 km/h，高速公路的平均旅行速度為80 km/h。

2)高速鐵路出行時間費用

高速鐵路的出行時間主要受開行方案的影響，如若2個節(jié)點之間有線路但是沒有列車開行，則2個節(jié)點仍舊沒有受到高速鐵路所帶來的效益，除此之外開行頻率越高，乘客的等待時間就越短，選擇高鐵出行的概率越大。因此高速鐵路的出行時間要充分考慮到各站點之間的開行頻率、停站方案以及及乘客的等待時間。根據(jù)2015年的列車運行圖，如果湖南省內(nèi)的2個高鐵站點之間有列車開行，則在ArcGIS中將2站點用弧段連接起來，并在弧段上附上時間費用，時間費用的計算如下。

Tij=tij+wi

式中：wi為在車站i的等待時間;tij為站點i到站點j的行駛時間。

式中：K為修正系數(shù);H為車站的運營時間；fij為節(jié)點i到節(jié)點j的發(fā)車次數(shù)。

3可達性數(shù)值分析

3.1基于道路網(wǎng)絡的節(jié)點可達性

基于道路網(wǎng)絡的節(jié)點可達性是通過公路及城市道路網(wǎng)絡，并采用加權平均出行時間的方法計算122個節(jié)點到13個經(jīng)濟中心點的可達性值，但以上方式計算得到的僅為122個節(jié)點的可達性，不能直觀反映湖南省其他區(qū)域的情況，因此采用空間插值的方式得到區(qū)域空間連續(xù)可達性，插值方法為反距離權重法，得到的結果如圖2。

圖2　基于公路網(wǎng)絡的可達性值Fig.2 Value of accessibility based on the highway network

在沒有高鐵網(wǎng)絡的前提下，旅客在省內(nèi)出行只能選擇普通公路或者高速公路，因長株潭地區(qū)的經(jīng)濟總量占湖南省經(jīng)濟總量的40%，因此湖南省的交通網(wǎng)絡中心以長株潭城市群為首，并且2.5小時圈涉及范圍小，可以滿足旅客當天通勤往返的區(qū)域有限，基本不能達到人們跨區(qū)域通勤的目的。可達性最高的地區(qū)為長沙縣，加權平均出行時間為2.026 7 h，可達性最差的地區(qū)為湘西自治州以及懷化的西南區(qū)域，其中龍山縣的加權平均出行時間最長，為13.966 7 h。

3.2基于綜合交通網(wǎng)絡的節(jié)點可達性

綜合交通網(wǎng)絡是在公路網(wǎng)絡的基礎上增加了高速鐵路網(wǎng)絡，并且引入了開行方案的因素可以更準確地反映高鐵對區(qū)域空間結構的影響，根據(jù)綜合交通網(wǎng)絡重新計算得到的122個節(jié)點的可達性值都發(fā)生了改變，省內(nèi)的2.5 h圈擴大，范圍不僅僅局限于長株潭城市群，同時長株潭所包含的縣、縣級市(寧鄉(xiāng)縣、醴陵市、株洲縣、湘潭縣、韶山市)，以及岳陽、衡陽城市區(qū)域的加權平均出行時間均在2.5 h以內(nèi)，可以滿足多個地區(qū)的跨區(qū)域通勤需求。并且高鐵站點所在的節(jié)點可達性變化明顯，形成了多個省內(nèi)交通樞紐，其中變化最大的區(qū)域包括岳陽市區(qū)、汨羅、衡陽市區(qū)、郴州市區(qū)、婁底市區(qū)以及懷化市區(qū)，出行時間減少幅度均超過30%。交通發(fā)達地區(qū)即平均出行時間在3 h以內(nèi)的區(qū)域由18 939.8 km2提升到57 779.6 km2?？蛇_性最高的地區(qū)為芙蓉區(qū)，加權平均出行時間為1.434 4 h，可達性最低的地區(qū)仍為龍山縣，加權平均出行時間為13.278 49 h，因為龍山縣位于湖南省的西北部，不在高鐵線路上并且與最近的高鐵站點有一定的距離，因此可達性值改變較小，全局可達性值的結果如圖3。

圖3　基于綜合交通網(wǎng)絡的可達性值Fig.3 Value of accessibility based on comprehensive transportation network

4高速鐵路對可達性影響的數(shù)值分析

4.1高鐵線路網(wǎng)絡對各節(jié)點可達性的影響

高鐵的開通勢必會對區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的可達性造成影響，但不同節(jié)點的影響情況與高鐵線路的關系還要具體去分析。利用高鐵開通前后加權平均出行時間的差值分析高速鐵路對各節(jié)點可達性的影響，再根據(jù)三次局部多項式插值法得到總體的可達性變化特征，結果如圖4。通過結果可知節(jié)點可達性值的變化趨勢是沿著高鐵線路網(wǎng)絡展開，距離中心節(jié)點距離越遠的區(qū)域，可達性的變化就越大，而不在高鐵沿線上的區(qū)域，距離中心節(jié)點越遠，可達性的變化就越小。因此高鐵不經(jīng)過的區(qū)域可達性受到的影響很小，因此時空是沿著高鐵線路進行壓縮，而不是整體性的壓縮。京廣高鐵沿線顯著影響的區(qū)域為郴州市、岳陽市，滬昆高鐵沿線顯著影響的區(qū)域為邵陽市、懷化市，衡柳客專沿線顯著影響的區(qū)域為永州市，圖中虛線部分為高鐵沿線顯著改善區(qū)域。改變最小的區(qū)域仍為湖南省的西北部。

圖4　高鐵對各節(jié)點可達性的影響特征Fig.4 Impact of node accessibility by high-speed railway

4.2站點高鐵可達頻次對站點所在節(jié)點可達性的影響

圖5　各站點發(fā)車頻率對站點所在節(jié)點可達性的影響Fig.5 Impact of node accessibility bytotal numbers of the site to other sites

5結論

1)分析可達性的研究方法時，結合了高鐵開行方案的發(fā)車頻率、停站方式及乘客等待時間3個因素，使得各節(jié)點得到的值更加準確，更能確切反映高鐵的開通對節(jié)點可達性的影響。

2)高鐵站點總可達頻次的引入，以及分析其與站點所在節(jié)點可達性變化的影響，為制定高鐵開行方案提供了參考依據(jù)。

3)高速鐵路網(wǎng)絡的形成改變了湖南省各區(qū)域節(jié)點的可達性，時間和空間沿著高速鐵路線路被壓縮，人們在就業(yè)、就學、出游等跨區(qū)域出行時有了更多選擇的機會，提升了各節(jié)點的潛在實力，促進了商業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟貿(mào)易。

4)在省級范圍內(nèi)，高速鐵路對中長途即100 km以上距離的影響尤為明顯。而在制定高鐵開行方案時，發(fā)車頻率越高，可達性的影響就越大，但達到一定值時趨于平緩，因此在重要高鐵站點時，與其他各站點的可達頻次不要低于100次/d。

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* 收稿日期：2015-10-22

基金項目：國家自然科學基金重點資助項目(U1334207)

通訊作者：史峰(1956-)，男，湖南芷江人，教授，博士，從事交通運輸規(guī)劃與管理研究；E-mail：shifeng@csu.edu.cn

中圖分類號：U2-9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1007-05

Research on the impact of accessibility by the high-speed railway network——A case study of Hunan province

QIAN Xiaotong,SHI Feng,ZHAO Shuo,XU Guangming

(School of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410075， China)

Abstract:Bassed on the county administrative divisions, the road network and the urban traffic network, the nodes traffic accessibility changes before and after the opening of high-speed railway is discussed. This paper uses the weighted average travel time for accessibility indicators. By combining the high-speed railway service frequency, stop mode and passenger waiting time, the nodes accessibility changes is calculated. The high-speed railway network, and the total number of site to other sites is analysed in terms of the accessibility of the node where the site in. We study the case of Hunan province and divide it into 122 nodes，then 122 nodes potential regional advantage and traffic accessibility space form are obtained. These findings can provide the reference basis of construction and operation of high-speed railway.

Key words：accessibility; weighted average travel time; high-speed railway; regional spatial structure