我国高铁网络的形成及发展演化

（同济大学 经济与管理学院，上海 200092）

我国高铁网络的形成及发展演化

邢朋凯

（同济大学 经济与管理学院，上海 200092）

“十一五”以来，中国高铁建设迅猛发展，高铁网络经历了从局部分散的小网络到全国联网的过程。从“四纵四横”到“八纵八横”，高铁建设已成为国家战略层面推进的重点基础设施建设工程，因此，研究高铁网络的发展演化十分必要。本文采用复杂网络分析的方法，通过构建以地级市为基本节点的空间高铁网络，对高铁网络进行相关属性分析，研究发现高铁网络属于稀疏网络，不具备小世界性，节点的度数普遍较低，处于节点末端的城市通达性不高，节点间捷径较少，平均距离较大等。

高铁网络；网络演化；城市连接

一、引言

铁路是国家重要的基础设施，对国民经济发展影响重大[1]。从1997年到2007年，中国铁路先后进行了6次大提速[2]，由普通铁路时代进入快速铁路时代，极大地促进了地区间人员物资的运输效率。2007年起，国家铁路开始由快速铁路向高速铁路（以下简称高铁）进行转变。中国大陆最早开通的高铁为秦沈客运专线，于2003年7月1日正式运营。2008年，铁道部提出了“四纵四横”的铁路网规划，中国高铁建设运营进入快速发展期，截止到2015年底，全国高铁营业里程超过1.9万公里，占到了全球高速铁路运营里程的50%以上[3]，高铁站点超过200个，基本建成了四纵四横的铁路网，成为世界上高铁通车里程数及开通站点数最多的国家。高铁具有快速、准时、容量大的特点，其开通运营极大地压缩了城市间时空距离，提高了城市间的可达性，逐渐成为城市间交通的重要方式，极大地促进沿线地区的经济发展。2016年7月，在“四纵四横”的基础上，国家进一步提出“八纵八横”的《中长期铁路网规划》，高铁建设进入新一轮高潮。

二、文献综述

现有的我国高铁网络研究集中在区域经济、旅游发展和交通网络分析等领域。

陆军（2016）通过依据二维扭曲时空地图体系，制作“时空压缩地图”，建立新的空间高铁网络，研究认为高铁网络对中国的区域格局、人口流动、第三产业和旅游发展已然产生了系统性的重要影响，高铁的引导、促进、辐射、联动、重组等正面机制与作用日益凸显[3]。穆成林等（2015）利用高铁网络下区域城市之间的最短旅行时间修正引力模型，得出高铁网络下长三角旅游经济发展呈现出上海为主核心，南京、杭州为副核心，南北两翼各自相互抱团的空间分布特征，构成“一主两副双翼”的经济格局[4]。

李鑫（2016）等通过构建高铁网络，分析认为网络呈现无标度特性，不具有小世界性；高铁站点的单位服务人数与地区人均GDP 具有一定相关性；与第一产业产值相关性不大，与第二、三产业的耦合度较第一产业有所提高[5]。徐凤（2013）运用复杂网络理论，构建无向非加权网络，实证研究了中国高铁-民航复合网络的基本拓扑性质，认为高铁网络具有无标度特性和小世界特性，表现出很强的集聚性，具有明显的群落结构特征[6]。姜博（2016）利用可达性模型和改进的哈夫模型分析高铁可达性空间演变特征及规律，认为高铁网络逐渐形成“多中心”高铁服务格局以及日益庞大而复杂的高铁特质空间集群，高铁网络影响下的中国区域空间格局的渐变与重塑日趋复杂[7]。曹晶（2013）基于复杂网络理论研究高铁网空间增长问题，认为铁路网络具有小世界特征，系统城市之间的短距离联系的特性更明显[8]。吴德馨（2015）选取高速铁路初建时期和完善时期的高速列车运行时刻数据建立高铁运营网络，分析了高速铁路对于城市中心性的影响以及高速铁路建设发展的变化趋势[9]。钟柯等（2012）根据列车时刻表，构建了铁路运营L型网络，展示了铁路运输视角下我国城市的层次结构[10]。

总体来看，现有研究多集中于高铁网络建设对沿线经济发展影响的研究，对高铁网络整体特征及其演变过程的研究较少，因此，本文立足高铁网络，采用社会网络分析的方法，研究高铁网络随时间演变的关系，以期对未来高铁规划建设、优化线路的布局提供一定的借鉴参考。

三、高铁网络的构建方法

1、数据来源

本文数据来源于国家铁路局官方网站高铁专栏，依据国家铁路局对高铁的定义，高铁指的是设计开行时速250公里以上（含预留），初期运营时速200公里以上的客运列车专线铁路。高铁网络统计的时间范围为2008年（以下简写为08年）到2015年（以下简写为15年），2008年及之前开通的高铁线路统一归到2008年，每年的统计截至时点为该年度的12月31日。

2、网络参数的界定

（1）无向网络：一般情况下，如果能从城市A乘坐高铁到达城市B，那么也能够从城市B沿相同线路到达城市A。因此，在进行数据提取时，不考虑线路的方向，将网络抽象成无向网络。

（2）非加权网络：不考虑高铁网络中的高铁发车频次和数量，即不考虑网络中的连接权重的问题，将网络抽象成非加权网络。构建的高铁网络基于站点的空间位置，即两个节点间有高铁连通，则节点间连接数为1，否则为0。

（3）节点：为保持统计口径一致，在网络分析时，统一以地级市作为宏观意义上的节点，地级市划分参照国务院统计局设管司的行政区划。同一地区的设立多个站点的，如武汉有武昌、汉口、武汉站，统一归为“武汉”节点，又如苏州有苏州北、苏州园区、苏州站，其下辖昆山市亦设有昆山、昆山南站，在此统一归为“苏州”节点。

3、绘制高铁网络

根据高铁开通时间，构建以地级市为基本节点的高铁网络，使用NetDraw，绘制2008年—2015年全国高铁网络，如图1所示。

四、高铁网络形成及演化特点

1、高铁组网过程

图1 2008年—2015年全国高铁网络

图2 成分数量

图3 第一主成分占比

图4 网络密度

图5 节点度数比例构成

图6 最大子网接近中心度

图7 最大子网中间中心度

如果一个网络可以分为几个部分，每个部分内节点互相连接，各个部分之间无任何关联，则把每个部分称为一个成分。由于高铁建设分期分段进行，所以本文采用成分及分裂性来描述高铁组网过程。成分越多，表明无关联的群体越多，网络的统一性越差。第一主成分（main component）指节点数最多的成分。

由图1可知，网络的成分数先上升后下降，原因在于高铁建设的分段性，2008年—2010年建设的高铁线路较为分散，没有组网，使得成分数不断上升，11年及之后，独立的小网络不断连接到一起，使得网络的成分数量不断下降。到15年底，网络包含三个成分，即中东部的主体网络，海南环岛铁路，兰新（兰州-乌鲁木齐）高速铁路三个部分，整体来看，现有的高铁网络不具备小世界性。

图2表明网络总体分裂性和主成分占比呈反向关系。08年-13年网络主成分占比呈上升趋势，表明网络中节点可达性不断提高，12年开始，网络第一主成分占比大于60%。13年网络分裂性最低，是由于13年全国高铁城市除了九江、南昌、海口、三亚、成都5个独立节点外，其余节点全部链接在一个网络中，14年和15年，铁路随着其他成分占比的增加，网络分裂性有进一步上升趋势，但最大子网占比保持在90%以上。

2、城市联系紧密程度的演化

城市间连线越多，则联系越密切，对于由多个城市构成的网络，通常我们采用密度（density）这个指标来测度城市间总体联系的紧密程度。其计算公式为节点间实际连接数与最大可连接数的比值。对一个由n个节点构成、包含m条连线的网络，其最大可能连接边数为n鄢（n-1），则是密度。

高铁网络密度变化如图3所示，整体上看，高铁网络属于稀疏网络，网络密度＜0.12，城市间联系并不密切，网络的密度随节点数量增多而递减，主要原因是受限于网络节点的空间地理特性，每个节点直接相连的点数较少（≤5），使得节点增加带来的网络总连接数增加有限，而最大可能连接数快速上涨，导致网络密度随节点增加而下降。

3、区域中心城市变迁

度数最基本的城市地位测度指标，衡量节点在区域内地位。网络中一点的度数等于节点直接相连的其他点个数。度数越大，则该城市直接相连的城市数量越多，在区域内地位越高。

图4表明高铁网络中，度数较大节点所占比例不断提升，度数为1的网络边缘节点所占比例不断下降。12年首次出现度数为4的节点，为武汉和鞍山；之后度数大的节点不断增多，到15年，网络中度数最大的节点为郑州和武汉，分别与5个节点相连。可以看出，高铁网络对传统的火车枢纽有强化效果，同时，高铁的修建带来新的铁路枢纽：新兴的铁路中心为南宁和上饶，南宁是柳南（柳州-南宁）客运专线、南广（南宁-广州）高速铁路、南昆（南宁-昆明）客运专线、南钦（南宁-钦州）高铁四条高铁线路的交叉点，上饶是沪昆（上海-昆明）高铁和合福（合肥-福州）高铁的交叉点。表1展示了度数较大点的变化情况。

4、网络中心城市变迁

接近中心度用给定节点到所有节点的最短距离之和进行衡量，表示网络中某一点与其他节点的接近性程度，它是对节点不受其他点控制程度的测度，相对接近中心度越小，节点越靠近网络中心。本文使用接近中心度来分析处于网络中心位置的城市，随时间变化情况。

对于分散网络，网络的整体特征往往不明显，因此，对最大子网的分析，往往更能体现网络的演变规律。图2表明，2012年—2015年，第一主成分占比超过65%，且不断上升。因此，本文选取2012年—2015年对最大子网进行属性分析。

图6表明最大子网的接近中心度呈不断下降的趋势，表明最大子网节点与网络中心的距离在不断缩小。表2展示了从12年到15年，相对接近中心度较大的点的变迁情况，可以看出，靠近网络中心的节点集中在武汉与合肥周边，这些节点即位于空间地理中心，也接近于网络中心。

5、换乘中心变迁

中间中心度是网络中任意两个节点的最短路径经过某一节点的次数比例，测度节点是其他节点“中间人”的程度，反映的该节点在多大程度上控制他人交流。中间中心度越大，节点作为其他节点中间人的次数越多。对高铁网络来说，中间中心度越大，城市越靠近铁路换乘中心，对其他城市间交流的控制能力越强。

图7表明最大子网节点的中间中心度不断下降，表明平均每个节点对其他节点交往的控制能力变弱；另一方面，网络的中间中心势不断上升，表明最大子网有向某些点集中的趋势，节点的中介性两级分化，重要节点如武汉、合肥、长沙对网络通道的控制能力在不断加强。表2展示了从12年到15年，相对接近中心度较大的点的变迁情况，可以看出，武汉一直是中间中心度排名第一的城市；长沙与合肥也一直有着较高的中间中心度，其他中间中心度较高的城市在地理上环绕武汉、合肥、长沙三个中心城市。所有的城市也位于高铁网络的空间地理位置中心。

表1 中心度较高的城市变迁

表2 接近中心度较高的城市变迁

表3 中间中心度较高的城市变迁

五、结论与展望

高铁网络的形成经历了从局部分散的小网络到全国联网的过程，总体属于稀疏网络，不具备小世界性。随着网络的初步形成，节点的度数在上升，网络的密度在逐渐下降，节点间可达性不断加强。但受空间位置的影响，节点的度数不大于5，处于节点末端的城市通达性不高，网络中捷径较少，平均距离较大。高铁的修建，对传统的铁路枢纽城市有强化效果，也带来了诸如南宁、上饶等新兴铁路枢纽，但整体来看，网络的换乘中心数量少，城市间交流不够便捷。此外，武汉、长沙、合肥及周边城市，得益于地理优势，处于高铁网络的中心位置，对其他城市间的交流的控制能力较强。

因此，在开行高铁列车时，铁路部门应适当开通跨过相邻城市的列车，打破空间不相邻区域的地理壁垒，丰富网络中的连接数，在加强空间不相邻城市联系的同时，通过增加远距离列车运营班组，充分发挥高铁列车运行速度快、运营高效的特点。此外，还应充分发挥高铁列车的骨架作用，与普通列车组互补，有效分流，降低普通列车客运压力，提高高铁列车利用率，实现铁路与地方发展的共赢，更好地促进地区交流与经济发展。在八纵八横的网络规划中，适当增加枢纽点与换乘点，将整个网络连接，形成具有小世界特征的分散化网络，降低城市间的平均距离，提高网络的效率，让每个城市都能够因此收益。

基于空间地理位置对高铁网络的分析，是在现有高铁运营架构下的抽象与简化，未来研究将考虑高铁列车实际运营情况，构建更为完善，更贴合实际情况的高铁网络，同时寻找区域经济发展的相关指标，量化高铁网络对经济发展的影响，以进行更为深入的研究。

[1] 李平、王春晖、于国才：基础设施与经济发展的文献综述[J].世界经济，2011（5）.

[2] 林路：中国铁路第六次大提速[J].铁道知识，2007（3）.

[3] 陆军：高铁时代的中国区域发展研究[J].人民论坛·学术前沿，2016（2）.

[4] 穆成林、陆林、黄剑锋、汪莹、邓洪波：高铁网络下的长三角旅游交通格局及联系研究[J].经济地理，2015（12）.

[5] 李鑫、郭进利、张禹：我国高速铁路网络的实证研究[J].物流科技，2016（3）.

[6] 徐凤、朱金福、杨文东：高铁—民航复合网络的构建及网络拓扑特性分析[J].复杂系统与复杂性科学，2013（3）.

[7] 姜博、初楠臣、修春亮、赵映慧、李晓庆、罗冲：中国“四纵四横”高铁网络可达性综合评估与对比[J].地理学报，2016（4）.

[8] 曹晶：中国高铁组织网空间增长建模及可达性研究[D].武汉大学，2012.

[9] 吴德馨：基于复杂网络理论的铁路运营网络中心性分析[D].北京交通大学，2015.

[10] 钟柯、肖昱、许珺、马福光、刘瑜、邬伦：基于列车运行网络的中国城市中心性分析[J]. 地球信息科学学报，2012（1）.

（责任编辑：占雨秀）