一種空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐節(jié)點(diǎn)選擇與分級(jí)的綜合方法

摘

要：空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐節(jié)點(diǎn)的選取與發(fā)展定位對(duì)構(gòu)建完善合理的空鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。為此，文章基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、熵權(quán)Topsis與系統(tǒng)聚類理論等提出了一種綜合性評(píng)價(jià)方法，即熵權(quán)Topsis-Q型聚類法，同時(shí)全面考慮城市的運(yùn)輸能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，對(duì)我國(guó)空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐城市的選擇與分級(jí)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首先，以36個(gè)國(guó)家級(jí)流通節(jié)點(diǎn)城市為研究對(duì)象，構(gòu)建了有向非加權(quán)的空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，明確并計(jì)算出反映城市運(yùn)輸能力的節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)。其次，進(jìn)一步考慮城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平指標(biāo)，建立了一個(gè)三級(jí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。再次，應(yīng)用熵權(quán)Topsis-Q型聚類分析法進(jìn)行樞紐城市篩選與分級(jí)，最終確定出2個(gè)全國(guó)性樞紐城市和7個(gè)區(qū)域性樞紐城市。文章結(jié)論與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展高度一致，提出的方法可用于不同模式交通樞紐節(jié)點(diǎn)分級(jí)評(píng)價(jià)研究。關(guān)鍵詞：空鐵聯(lián)運(yùn);綜合樞紐;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);熵權(quán)Topsis法;系統(tǒng)聚類0

引

言民航與高鐵是我國(guó)交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，兩者通過合作實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)具有重大意義?？砧F聯(lián)運(yùn)這一概念自提出以來就受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者圍繞該問題開展了研究，主要集中在聯(lián)運(yùn)可行性、空鐵競(jìng)合關(guān)系、樞紐網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面。在聯(lián)運(yùn)可行性方面，Givoni等[1]將高鐵作為補(bǔ)充線路引入航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型，研究空鐵聯(lián)運(yùn)的可能性，結(jié)果表明民航與高鐵聯(lián)運(yùn)具有一定的優(yōu)勢(shì)。在空鐵競(jìng)合關(guān)系方面，從采用方法的角度可將研究歸納為兩大類，一類是采用實(shí)證方法探討高鐵引入對(duì)民航市場(chǎng)的沖擊和影響[2-3];另一類是基于理論方法研究空鐵的競(jìng)爭(zhēng)與合作策略行為及其對(duì)市場(chǎng)需求量、利潤(rùn)、社會(huì)福利和環(huán)境等因素的影響[4-5]。在樞紐網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面，針對(duì)樞紐節(jié)點(diǎn)選取和分類涉及的主要方法包括聚類分析、主成分分析、因子分析等。楊京帥等[6]選取人口、人均收入和年總產(chǎn)值等指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，并引入聚類算法對(duì)主成分進(jìn)行聚類，再根據(jù)預(yù)測(cè)及聚類結(jié)果布設(shè)公路線路;徐鳳等[7]考慮節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)，采用系統(tǒng)聚類分析法，進(jìn)行樞紐集散點(diǎn)的測(cè)度;王銘飛[8]利用Topsis法篩選出了8個(gè)樞紐候選節(jié)點(diǎn)城市;荀宗偉[9]采用系統(tǒng)聚類分析法得到7個(gè)樞紐候選城市;嚴(yán)琛等[10]選取常住人口數(shù)量、人均可支配收入等7個(gè)指標(biāo)，采用兩種聚類算法進(jìn)行空鐵樞紐類別劃分。構(gòu)建完善合理的空鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是推進(jìn)空鐵聯(lián)運(yùn)發(fā)展的基礎(chǔ)，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐節(jié)點(diǎn)篩選或分級(jí)的研究較少，現(xiàn)有研究?jī)H單方面考慮城市節(jié)點(diǎn)中心性或城市發(fā)展水平，并且采用方法相對(duì)單一，導(dǎo)致結(jié)果的客觀性與科學(xué)性有所欠缺。本文基于已有研究，充分考慮樞紐城市在空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的重要性，創(chuàng)新性地將城市的節(jié)點(diǎn)中心性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相結(jié)合，構(gòu)建出綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并應(yīng)用熵權(quán)Topsis-Q型聚類法，進(jìn)行樞紐城市的選擇與分級(jí)，以期為科學(xué)構(gòu)建空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)提供理論依據(jù)。1

空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與城市節(jié)點(diǎn)中心性分析1.1

節(jié)點(diǎn)城市篩選本文以《全國(guó)流通節(jié)點(diǎn)城市布局規(guī)劃（2015—2020年）》確定的37個(gè)國(guó)家級(jí)流通節(jié)點(diǎn)城市為依據(jù)，考慮交通運(yùn)輸能力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平和地理位置等要素，確定36個(gè)節(jié)點(diǎn)城市作為研究對(duì)象，城市分布如圖1所示。針對(duì)以上節(jié)點(diǎn)城市，首先構(gòu)建空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，分析節(jié)點(diǎn)城市中心性;其次綜合考慮城市中心性與城市多維發(fā)展水平，建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;再次應(yīng)用熵權(quán)Topsis-Q型聚類分析法篩選空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的樞紐城市并分級(jí)。1.2

空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建以攜程網(wǎng)和12306官網(wǎng)的航班及高鐵數(shù)據(jù)為依據(jù)，以城市為節(jié)點(diǎn)，城市直達(dá)路徑為邊，進(jìn)行有向非加權(quán)空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。為更好地區(qū)別各個(gè)城市的運(yùn)輸能力，本文對(duì)節(jié)點(diǎn)間的連接做出規(guī)定，即2個(gè)城市間同時(shí)具有直達(dá)航班和直達(dá)高鐵，則在2個(gè)城市節(jié)點(diǎn)間連一條邊[11]。在不考慮邊的權(quán)重、節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置的前提下，利用Ucinet得到空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖2所示。1.3

城市中心性評(píng)價(jià)指標(biāo)與測(cè)算本部分以空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D為基礎(chǔ)，利用三個(gè)節(jié)點(diǎn)中心性指標(biāo)，即度中心度、介數(shù)中心度、接近中心度，評(píng)估城市節(jié)點(diǎn)在空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的重要性[12]。（1）度中心度DC度中心度是計(jì)算經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i的運(yùn)輸路線數(shù)，反映綜合運(yùn)輸能力。若d是節(jié)點(diǎn)i的度，N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，DC為：DC=

（1）（2）介數(shù)中心度BC介數(shù)中心度是節(jié)點(diǎn)i在網(wǎng)絡(luò)中作為中介節(jié)點(diǎn)的頻率，反映中轉(zhuǎn)運(yùn)輸能力。設(shè)k為節(jié)點(diǎn)j到r的最短路徑總數(shù)，ki為經(jīng)過i的最短路徑數(shù)，BC為：BC=（2）（3）接近中心度CC接近中心度指節(jié)點(diǎn)i到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的難易程度，反映獨(dú)立運(yùn)輸能力。若l是節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的最短距離，N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，CC為：CC=

（3）根據(jù)上述公式，計(jì)算36個(gè)城市節(jié)點(diǎn)的中心性指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。2

節(jié)點(diǎn)城市綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建為了更科學(xué)地選取空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐城市并精準(zhǔn)把握其發(fā)展定位，本部分在上述城市中心性指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮城市各方面發(fā)展水平，并將兩者轉(zhuǎn)化為以城市為研究主體的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從社會(huì)發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和空鐵運(yùn)輸能力3個(gè)層面進(jìn)行指標(biāo)的確定，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以保證結(jié)果的科學(xué)性和客觀性。基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究、調(diào)研、專家訪談等方法確定出15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性和客觀性等原則，按照指標(biāo)對(duì)應(yīng)類別，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表2所示。3

空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐節(jié)點(diǎn)的選擇與分級(jí)為了對(duì)空鐵聯(lián)運(yùn)節(jié)點(diǎn)城市進(jìn)行科學(xué)的綜合評(píng)價(jià)，以判斷其是否能作為樞紐節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)其等級(jí)類型進(jìn)行劃分，以明確未來的發(fā)展定位，本文運(yùn)用熵權(quán)Topsis-Q型聚類方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。3.1

樞紐節(jié)點(diǎn)選擇與分級(jí)的綜合方法3.1.1

熵權(quán)Topsis法設(shè)初始評(píng)價(jià)矩陣為A=x，x為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的值。步驟如下：（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。本文選用向量規(guī)范化法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，如式（4）所示：z=x（4）（2）使用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重。信息熵e與權(quán)重w的計(jì)算公式如下：e=（5）w=（6）其中：p為指標(biāo)z所占的比例，e為指標(biāo)j的信息熵，1-e為指標(biāo)j的信息熵冗余度，w為指標(biāo)j的權(quán)重。（3）計(jì)算加權(quán)矩陣R=r：r=wz（7）（4）計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解之間的距離：d=，d=

（8）其中：d、d為評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的距離，r、r為指標(biāo)j的最大、最小值。（5）計(jì)算相對(duì)接近度s：s=（9）3.1.2

Q型聚類分析法Q型聚類方法是一種系統(tǒng)聚類法，能綜合利用多個(gè)變量的信息對(duì)樣本進(jìn)行分類，所得結(jié)果較為直觀全面[13]。已知初始樣本為x，m為樣本數(shù)，n為指標(biāo)數(shù)，將每個(gè)樣本各自定義為一類，共有m類，聚類步驟如下：（1）計(jì)算歐氏距離。樣本i與樣本j的距離為d，采用歐氏距離表示為：d=

（10）（2）初步聚類。將距離較近的兩個(gè)樣本聚為一類，其他樣本不變，聚成m-1類。（3）再次聚類。利用類平均法把距離最近的兩類進(jìn)一步聚成一類，聚成m-2類，用d表示類g與類g間的距離，η、η分別表示g、g中的樣本個(gè)數(shù)，公式如下：d=d

（11）（4）重復(fù)上一步驟，直至所有樣本聚為一類。3.2

樞紐節(jié)點(diǎn)篩選與分級(jí)結(jié)果運(yùn)用上述綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)36個(gè)節(jié)點(diǎn)城市進(jìn)行評(píng)價(jià)與分級(jí)研究，得到城市節(jié)點(diǎn)綜合得分和分級(jí)結(jié)果，如表3和表4所示。通過表3清晰地看出了考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與交通運(yùn)輸?shù)确矫鏁r(shí)各個(gè)城市之間的綜合差距，據(jù)此可以判斷哪些城市可以作為或有潛力作為空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的樞紐節(jié)點(diǎn)。表4是36個(gè)節(jié)點(diǎn)城市的Q型聚類結(jié)果，第一類為{北京，上海}，第二類為{廣州，深圳，杭州，成都，重慶，天津}，其余城市為第三類。根據(jù)表4的結(jié)果可以準(zhǔn)確地對(duì)節(jié)點(diǎn)城市進(jìn)行類型劃分，以明確其未來發(fā)展地位。綜合表3與表4的結(jié)果，并結(jié)合目前文獻(xiàn)研究所涉及的樞紐節(jié)點(diǎn)數(shù)量、現(xiàn)實(shí)空鐵聯(lián)運(yùn)的發(fā)展需求，本文最終確定了9個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)城市，即北京、上海、深圳、廣州、成都、重慶、杭州、武漢、天津。其中，北京和上海屬于作為全國(guó)性樞紐城市，其余城市作為區(qū)域性樞紐城市，具體分布如圖3所示。由圖3可知，本文篩選出的樞紐城市總體分布和局部分布都較為合理。從總體分布來看，本研究所得樞紐城市分布與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口分布相一致。東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平較高、人口密集，空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)樞紐多分布在東部地區(qū);成渝地區(qū)是我國(guó)第二大人口與產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，也成為重要的空鐵聯(lián)運(yùn)樞紐。從局部分布來看，各區(qū)域均涉及2個(gè)樞紐城市。如京津冀區(qū)域有北京和天津，長(zhǎng)三角區(qū)域有上海和杭州，珠三角區(qū)域有廣州和深圳等，距離相近的兩個(gè)城市可相互協(xié)調(diào)和平衡運(yùn)輸量，并形成協(xié)同發(fā)展態(tài)勢(shì)，以全面促進(jìn)空鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展。4

結(jié)

論本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中心度理論、熵權(quán)Topsi