朱倩，廖志高

(廣西科技大學 管理學院，廣西 柳州 545006)

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基于模糊聚類的中國西部樞紐分級研究

朱倩，廖志高

(廣西科技大學 管理學院，廣西 柳州 545006)

選取西部地區(qū)34個重點城市，建立多級樞紐劃分的評價指標體系，結(jié)合地區(qū)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資總額、城市貨運總量以及城市交通投資總額等因素，運用模糊C-均值聚類算法進行多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市分類，再結(jié)合國家政策對樞紐分類進行調(diào)整，確定各樞紐城市的等級，進而確定全國性多式聯(lián)運樞紐、區(qū)域性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐和地區(qū)性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐的城市，為后續(xù)運輸站場布局規(guī)劃、選址規(guī)劃以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建做準備。

模糊聚類；西部城市；多式聯(lián)運樞紐；分級

十八屆五中全會強調(diào)推進“一帶一路”建設(shè)，打造陸海內(nèi)外聯(lián)動、東西雙向開放的全面開放新格局。我國西部地區(qū)連接中亞、印度洋經(jīng)濟圈，戰(zhàn)略位置非常重要，發(fā)展?jié)摿O大。近年來，我國西部內(nèi)陸地區(qū)貿(mào)易發(fā)展速度不斷加快，然而與東部沿海地區(qū)和中部地區(qū)相比，仍有較大的差距[1]。東西部的交通運輸條件差距是拉開東西部經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素之一，與發(fā)達地區(qū)較為成熟的聯(lián)運系統(tǒng)相比，我國西部多式聯(lián)運在很多方面還很欠缺，比如聯(lián)運體系不完善，多式聯(lián)運在很多方面還很欠缺，比如聯(lián)運體系不完善，貨運站裝卸設(shè)備不足等[2]。西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)多級樞紐的合理劃分是多式聯(lián)運基礎(chǔ)設(shè)施體系建設(shè)和完善的前提,多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市的合理劃分與定位不僅能夠加快貨物的集散與合并，還有利于實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟效益并降低綜合運輸成本、促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，加快西部大開發(fā)的步伐。國內(nèi)外學者針對多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐進行了不同角度的研究。在歐美等發(fā)達國家，多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已趨于成熟，國外發(fā)達國家在多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的實踐方面比較成熟，較早的理論研究主要集中于多式聯(lián)運樞紐定位及布局。Arnold等[3]針對定位鐵路和公路運輸節(jié)點提出一個整數(shù)規(guī)劃模型和啟發(fā)式算法，為多式聯(lián)運樞紐定位提供了依據(jù)；Vasconcelos等[4]研究了在分散管理的制度下，交通網(wǎng)絡(luò)中無容量限制的樞紐定位問題；Alumur等[5]從多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)的視角探索樞紐定位分級問題，考慮不同交通運輸模式的網(wǎng)絡(luò)，并以土耳其的實際數(shù)據(jù)為例進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建；Reza等[6]通過建立數(shù)學模型創(chuàng)建了樞紐分級的方法，并且驗證了此分級方法的廣泛適用性。國內(nèi)在多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級上主要從樞紐規(guī)模的預測和樞紐規(guī)模影響因素分析2方面著手。方曉平等[7]針對現(xiàn)有的樞紐等級對公路零擔運輸網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，并以成本最小為目標運用Lingo軟件求解；聶偉[8]在《北京都市圈綜合交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計》研究中考慮區(qū)域協(xié)調(diào)等因素對交通需求進行預測，并對北京都市圈進行層次分級；張世翔等[9]選取長三角地區(qū)12個重點城市，針對長三角物流體系存在的問題分析其影響因素并建立評價指標體系，進而對中心城市進行分級；李伏京[10]通過借鑒國內(nèi)外樞紐級別劃分方法和標準,結(jié)合蘇州市交通特點和未來城市發(fā)展規(guī)劃,制定對外樞紐分級標準，為國內(nèi)綜合樞紐領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。國外多式聯(lián)運樞紐研究主要是從微觀上對樞紐節(jié)點進行定位與布局，進而選擇最佳運輸路線。國內(nèi)的研究主要集中于經(jīng)濟較發(fā)達的城市，目前較少研究集中于我國西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐的分級構(gòu)建；在《綜合交通網(wǎng)中長期規(guī)劃》中，主要提出了42個全國性綜合交通樞紐，沒有對區(qū)域性、地區(qū)性樞紐進行規(guī)劃。全國性綜合交通樞紐指的是樞紐節(jié)點城市，每個節(jié)點城市中根據(jù)城市規(guī)模和空間結(jié)構(gòu)以及各種運輸方式網(wǎng)絡(luò)特點，布局一個或多個實體的綜合交通樞紐站場[11]。一個省、一個城市、城市內(nèi)的一個點都可被定位為“綜合交通樞紐”,綜合交通樞紐既包括客運樞紐又包括貨運樞紐，本文考慮的多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐指具備鐵路樞紐和公路樞紐以及航空交通等條件的多種運輸方式的貨運樞紐，是從宏觀上對西部城市進行多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐的分類，為多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐站場的布局和定位做準備。我國西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市的合理分類，不僅要考慮城市經(jīng)濟發(fā)展水平、貨物集中化程度和城市運輸發(fā)展水平，還應結(jié)合“一帶一路”戰(zhàn)略和西部大通道建設(shè)等國家政策。影響多級樞紐分類因素的信息具有不確定性和模糊性的特征，模糊聚類算法可以有效地應用于影響聚類分析的因素不完全確定且具有一定程度的模糊性的聚類分析[12]。因此運用模糊C-均值聚類算法(FCM)建立西部城市多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級的模型，對西部重點城市進行聚類分析，確定各樞紐城市的等級，進而確定西部的全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐、區(qū)域性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐和地區(qū)性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐的城市，為后期各個樞紐城市運輸場站的規(guī)劃建設(shè)和項目投資提供依據(jù)。

1　模糊C均值聚類算法分析

聚類算法是一種無監(jiān)督的分類方法，它能按照一定的要求和規(guī)律對事物進行區(qū)分和分類，得到一個能反映指標之間親疏關(guān)系的客觀系統(tǒng)，并以此實現(xiàn)分類[13]。在基于目標函數(shù)的模糊聚類方法中，模糊C均值(FCM)聚類能夠達到良好的聚類效果，其理論比較完善且得到了廣泛的應用[14]。

(1)

(2)

再引入拉格朗日乘數(shù)λ

(4)

對式(4)求對于μik和Vi的偏導，可以得到局部最優(yōu)點的必要條件為：

(5)

i=1,2,…,c;k=1,2,…,n

(6)

用模糊聚類(FCM)算法進行分類需要遵循以下步驟：

1)確定類別數(shù)c(2≤c≤n)和權(quán)重系數(shù)m(m≥1)。設(shè)定迭代停止閾值ε>0，初始聚類中心V(0)，令k=0；

6)采用最大隸屬原則確定事物確切的歸屬類別，即如果某i0滿足條件μi0k=max{μik}，則i0為xk的歸屬類別。

2　西部城市綜合交通樞紐分類影響因素分析

在多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市劃分時，應該綜合考慮各西部城市的具體情況。表1總結(jié)了相關(guān)文獻的影響因素，為西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市劃分提供參考[10,12，15-18]。

綜合分析以上影響因素，地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和城市運輸發(fā)展水平是綜合交通樞紐以及多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級的關(guān)鍵因素，貨物集中化程度對于多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級尤為重要，同時還要考慮國家政策導向?qū)Χ嗍铰?lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級的影響。因此，我國西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市的合理劃分，需要考慮社會經(jīng)濟發(fā)展水平和各城市具體的社會條件，結(jié)合“一帶一路”戰(zhàn)略和西部物流大通道建設(shè)的國家策略，進一步找出影響西部城市多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級的關(guān)鍵因素。結(jié)合表1以及西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市的實際情況，從以下4方面考慮西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市分級的影響因素。

表1　各影響因素一覽表Table 1 Factors

1)城市經(jīng)濟發(fā)展水平。城市經(jīng)濟發(fā)展水平的高低決定物流集散與中轉(zhuǎn)的數(shù)量[19]。城市經(jīng)濟越發(fā)達，產(chǎn)生的貨物需求越多，對交通樞紐硬件設(shè)施的要求就越多，就越有必要進行交通樞紐站場的建設(shè)。因此，全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐一般為有充足物流量的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。城市經(jīng)濟發(fā)展水平以地區(qū)生產(chǎn)總值和固定資產(chǎn)投資總額作為關(guān)鍵指標。

2)城市貨物集中化程度。城市貨物集中化程度直接反應了各地區(qū)物流量狀況[20]。多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐是不同運輸方式的組合節(jié)點，各種運輸方式之間的轉(zhuǎn)換都需要在多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐進行，因此，在貨物集中化程度高的城市建設(shè)綜合交通樞紐站場有利于減少貨運成本，節(jié)省轉(zhuǎn)運時間以及促進規(guī)模經(jīng)濟。將城市貨運總量作為衡量城市貨物集中化程度的關(guān)鍵指標。

3)城市運輸發(fā)展水平。各城市的物流需求在一定程度上可以由城市運輸發(fā)展水平的高低來決定[21]。較高的城市運輸發(fā)展水平對應于較好的基礎(chǔ)設(shè)施和組織水平，能夠擴大該城市貨物集散與中轉(zhuǎn)的吸引范圍，進而增加物流需求，促進綜合交通樞紐的建設(shè)與發(fā)展。將城市交通投資總額作為衡量城市運輸發(fā)展水平的關(guān)鍵指標。

4)國家政策導向。各個地區(qū)的交通運輸建設(shè)需要以國家交通運輸發(fā)展規(guī)劃為出發(fā)點，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平建設(shè)配套的物流基礎(chǔ)設(shè)施?！耙粠б宦贰睉?zhàn)略和西部大通道建設(shè)等國家政策必將促進西部經(jīng)濟發(fā)展與交通網(wǎng)絡(luò)的完善。

表2　各影響因素一覽表Table 2 Factors

3　實例分析

對西部12個省、自治區(qū)及直轄市中的重點城市進行模糊聚類分析，進而確定各城市的樞紐等級。重點城市的選擇考慮其城市經(jīng)濟發(fā)展水平、城市貨物集中化程度、城市運輸發(fā)展水平等多種因素，以陜西省和廣西自治區(qū)進行說明。陜西省選取的西安市區(qū)位優(yōu)勢明顯，是連接西部和東部、促進東西部貿(mào)易往來的重要節(jié)點城市；咸陽市位于關(guān)中平原，與多省交接；榆林市自然資源豐厚，作為國家能源化工基地，得到了國家的重視和投資；寶雞具有省級和國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，且處于通往西南、西北的重要交通樞紐。廣西自治區(qū)選取的南寧市為廣西的首府，也是政治、文化中心，同時在2010年年底已經(jīng)建成了安吉、江南、金橋、玉洞4大物流園區(qū)，并建設(shè)了東盟-川桂商貿(mào)物流項目；柳州市為廣西第一工業(yè)重地，有著雄厚的工業(yè)基底，是廣西的重要交通樞紐；北海市曾是“海上絲綢之路”始發(fā)港，也是中國西部唯一具備空港、海港、高速公路和鐵路的城市；桂林市為廣西最具盛名的旅游城市，每天?？抗鹆终镜母哞F和動車近百趟。通過以上分析并結(jié)合其他省、自治區(qū)及直轄市的城市經(jīng)濟發(fā)展水平、城市貨物集中化程度和城市運輸發(fā)展水平等因素最終選擇了34個重點城市，見表3。

表3　各城市指標值Table 3 Indexes

3.1指標取值

依據(jù)指標的可量化性，最終選取地區(qū)生產(chǎn)總值(億元)、固定資產(chǎn)投資總額(億元)、城市貨運總量(萬t)、城市交通投資總額(億元)作為關(guān)鍵指標，分別記為X1,X2,X3和X4。由國家政策導向引起的如“一帶一路”戰(zhàn)略和西部大通道建設(shè)等政策因素，將在后文進行分析再對樞紐分級做進一步的調(diào)整。

其原始數(shù)據(jù)來自《中國城市統(tǒng)計年鑒——2014》。各城市指標值見表3。

3.2參數(shù)取值

根據(jù)以上介紹，確定西部的全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐、區(qū)域性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐和地區(qū)性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐的城市，結(jié)合我國西部城市的實際情況，參數(shù)取值規(guī)定如下：

1)將選取的34個城市分為3類，即類別數(shù)c取值為3；

2)將指標權(quán)重m取值為1.5；然后確定G范數(shù)的p×p對稱正定矩陣G=I；

3.3Matlab計算結(jié)果

利用matlab中的FCM函數(shù)，輸入各城市指標和各參數(shù)取值，即可得模糊聚類中心的指標值以及各城市對應3個類別的隸屬度。當m=1.5時，3個類別的模糊聚類中心指標值見表4,34個城市對應的3個類別的隸屬度見表5。

表4　模糊聚類中心指標值Table 4 Center indexes

表5　各城市對應類別的隸屬度Table 5 Subordinate degree

我國的交通運輸網(wǎng)絡(luò)基本上是以全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市為中心向外輻射,全國性的多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐構(gòu)成了多式聯(lián)運交通網(wǎng)的主骨架，因此在配套物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時必須考慮長期發(fā)展的要求；區(qū)域性、地區(qū)性的多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐在交通運輸服務網(wǎng)絡(luò)中起輔助作用，為區(qū)域經(jīng)濟服務，因此建設(shè)時需要從屬于全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐的規(guī)劃，滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的要求[22]。

34個重點城市對應3個類別的隸屬度見表5。在該隸屬度矩陣中，得到每個城市對某一個聚類中心的隸屬度，根據(jù)其隸屬度的大小決定該城市的分類。由此可得34個城市的聚類情況為：

全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐:蘭州、西安、榆林、昆明、成都、重慶、貴陽、遵義和南寧，應作為主樞紐城市，馬上建設(shè)規(guī)模較大的物流配套基礎(chǔ)設(shè)施。

區(qū)域性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐：呼和浩特、烏魯木齊、慶陽、銀川、西寧、咸陽、寶雞、曲靖、昭通、普洱、綿陽、拉薩、柳州和桂林，應作為次樞紐城市，物流主要集中于主樞紐城市，主要為主樞紐城市服務，所以也應建設(shè)適當?shù)奈锪髋涮谆A(chǔ)設(shè)施。

地區(qū)性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐：包頭、赤峰、克拉瑪依、庫爾勒、天水、石嘴山、海西、攀枝花、達州、興義和北海。

以上分類是考慮城市經(jīng)濟發(fā)展水平、城市貨物集中化程度、城市運輸發(fā)展水平等因素，通過量化指標并運用模糊C均值聚類算法對西部重點城市進行聚類分析，進而確定各樞紐城市的等級?！耙粠б宦贰睉?zhàn)略及西部大通道建設(shè)會促進沿線城市物流的發(fā)展，加快貨物的集散，有利于西部樞紐城市經(jīng)濟的進一步發(fā)展[23]。樞紐城市建設(shè)是一個長期持續(xù)的過程，在規(guī)劃建設(shè)時必須考慮城市未來的發(fā)展[24]。同時，在規(guī)劃的42個全國性綜合交通樞紐包括了所有省會城市，但是其分類是從全國干線交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點分布進行劃分，并不代表所有節(jié)點都有全國性的運輸組織功能和影響力且42個樞紐中的層次差異很大[11]。因此有必要對部分城市的樞紐等級進行進一步調(diào)整。在《推動共建“一帶一路”的愿景與行動》的文件中，明確將新疆定位為“絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)”，烏魯木齊作為新疆的省會城市將充分發(fā)揮其戰(zhàn)略樞紐地位，帶來新一輪的物流量的增長，因此將烏魯木齊調(diào)整為全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市；在“一帶一路”終極版圖中，寧夏被圈定為“一帶一路”沿線的重要省份之一[25]。銀川是寧夏的省會城市，也是新亞歐大陸橋沿線的重要商貿(mào)城市，具有很好的區(qū)位優(yōu)勢，因此將銀川作為全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市；北海是中國西部唯一的沿海開放城市，多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較完善。湛江港、防城港，欽州港和北海港構(gòu)成的北部灣是我國大西南地區(qū)出?？谧罱耐贰ｋS著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，北部灣迎來了新的發(fā)展機遇，其當?shù)匚锪骱瓦^境物流增長速度較快，所以將北部灣作為區(qū)域性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐。

由此可得34個城市的聚類情況調(diào)整如下。

全國性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐:烏魯木齊、蘭州、銀川、西安、榆林、昆明、成都、重慶、貴陽、遵義和南寧，應作為主樞紐城市，馬上建設(shè)規(guī)模較大的物流配套基礎(chǔ)設(shè)施。

區(qū)域性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐：呼和浩特、慶陽、西寧、咸陽、寶雞、曲靖、昭通、普洱、綿陽、拉薩、柳州、桂林和北部灣，應作為次樞紐城市，物流主要集中于主樞紐城市，主要為主樞紐城市服務，所以也應建設(shè)適當?shù)奈锪髋涮谆A(chǔ)設(shè)施。

地區(qū)性多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐：包頭、赤峰、克拉瑪依、庫爾勒、天水、石嘴山、海西、攀枝花、達州和興義。

4　結(jié)論

1)隨著“一帶一路”戰(zhàn)略和西部大通道建設(shè)的發(fā)展，原本地處腹地的西部省份迎來了對外開放的新機遇。對西部多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市進行分類有利于科學定位西部各城市交通運輸職能，促進區(qū)域間交通運輸功能互補與資源共享，加快西部城市的協(xié)同發(fā)展。

2)通過對西部地區(qū)多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐城市分類，確定了各城市的樞紐等級，可為西部城市綜合運輸通道布局提供依據(jù)，為各個城市根據(jù)樞紐規(guī)模進行基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè)和交通戰(zhàn)場的布局提供指導。

3)中國西部城市多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級研究和長江三角洲、珠江三角洲城市群以及環(huán)渤海灣城市群的樞紐城市分級具有一定的相似性，因此，本文的研究對這些城市進行多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)樞紐分級也有借鑒意義和參考作用。

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Research of hub classification in western Chinese based on the fuzzy clustering

ZHU Qian,LIAO Zhigao

(School of Enterprise Management, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006,China)

This paper selects 34 key cities in western China and established a multi-level evaluation index system including GDP, the total investment in fixed assets, the urban freight amount and urban transportation investment. Multimodal transport network hub is classified with the fuzzy C - average clustering algorithm and hub classification considering the national policy is then adjusted. This paper provides reference to decide the level of each hub, layout planning ,site selection and network construction.

fuzzy clustering; western city; multimodal transport hub; classification

2015-12-14

廣西哲學社會科學基金資助項目(13BGL009)

廖志高(1977-)，男，湖南隆回人，教授，博士，從事不確定決策理論與方法、物流與供應鏈管理研究；E-mail：liaozhigao@126.com

F562.865

A

1672-7029(2016)10-2085-07