基于Matlab的交通运输与空间结构耦合响应研究∗
2019-05-07刘金金和伟康
刘金金 屈 磊 马 瑛 和伟康 郭 迪
(1.新疆农业大学管理学院 乌鲁木齐 830000)(2.新疆生产建设兵团公路科学技术研究所 乌鲁木齐 830000)(3.中国矿业大学环境与测绘学院 徐州 221116)
1 引言
城市作为一个社会系统,本身非常复杂,具有交通、工作、生活、休憩四项基本功能[1]。随着城市现代化的不断发展,交通问题不断涌现,国内外学者一致认为,只有交通系统与城市土地利用协调发展才能从根本上解决问题[2]。
早期时候国外学者就指出城市的空间结构受交通出行方式的影响,从“步行城市”到“公交城市”再发展到“汽车城市”[2],在进一步对小汽车型城市空间形态和交通模式的研究中指出城市交通主要受城市密度和土地利用混合程度的影响[3~4],但其他因素对交通的影响也很重要。国外一些发达国家出行距离长,外围出行强度远远大于核心城市,这与我国的国情有很大差别。国内学者研究晚,其中潘海啸提出以轨道交通为主导的城市公共交通在很大程度上塑造了城市空间形态,他倡议城市应该发展绿楔间隔的公共交通走廊[4]。一些学者指出交通运输通过影响经济发展、社会人口、土地利用规模等要素引起城市空间结构的演变[5~7]。通过借用GIS软件,引用协整分析、格兰杰检验、分形模型、引力模型等方法对交通运输与城市空间结构之间的相互作用进行深入分析[7-10],但缺乏对两大系统是处于低水平协调还是高水平协调的探究。
本文从乌鲁木齐实际出发,通过构建交通运输与城市空间结构指标评价体系,定量测度乌鲁木齐不同时期交通运输与城市空间结构的耦合协调度,通过构建响应模型,借助回归分析,对乌鲁木齐交通运输与城市空间结构的耦合协调关系进行深入探究,为西部内陆城市交通与空间结构的发展提供科学依据。
2 研究区概况
乌鲁木齐是新疆维吾尔自治区首府,也是全疆的政治、经济、文化、科教和交通中心,地处86°37′33″-88°58′24″E,42°45′32″-44°08′00″N之间,天山北麓中段,准噶尔盆地南边,东、西、南三面环山,总体地势南高北低。地处亚欧大陆腹地,属于中温带干旱区大陆性气候,昼夜温差大,降雨量稀少,属于典型的干旱区绿洲城市[11]。作为我国西部重要的开放口岸,乌鲁木齐通过公路、铁路、航空等方式直接与中亚众多国家通商口岸相连接,形成的交通运输网贯通中亚,可连接到欧洲。2016年为止,地区GDP全年总额2458.98亿元,相比2015年,按可比价计算增长7.6%。地区二、三产业增加值总共达到2430.61亿元,其中,第三产业更是取得带动经济上升7.0个百分点的成绩。全市七区一县,行政面积13787.90km2,建成区面积436km2,截止到2016年末,全市常住人口达到351.96万。
3 数据来源与研究方法
3.1 数据来源
考虑到数据的可获得性,研究所用数据均来源于2001年-2016年《乌鲁木齐统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、乌鲁木齐市国民经济和社会发展统计公报、《中国交通运输统计年鉴》、乌鲁木齐市交通局内部资料、乌鲁木齐市公安局支队内部资料数据和乌鲁木齐市城市综合交通项目研究中心内部数据。对于少量统计口径不一致的指标数据进行了更正,少数年代数据缺失进行了时间序列的补充。
3.2 研究方法
3.2.1 构建评价指标体系
城市空间结构与交通运输两大系统各要素之间相互作用、相互制约,筛选指标时尽量能体现两大系统的变化特征及作用关系[12]。
城市由物质环境、功能活动和文化价值等要素组成,各部分之间相互联系,并通过城市空间结构的形式表现出来[13]。各组成要素形成不同的功能分区,选取人口、经济发展水平、产业结构、土地利用4个方面来表征城市空间结构的演替[5~7],每个目标层涵盖具体的目标值,共计16个(表1)。在城市交通运输演化方面,选取交通运输规模、交通运输能力、交通运输工具、交通运输服务水平来表征城市交通运输体系的演变[8,14],共包含 13 个目标值(表2)。
3.2.2 数据标准化处理与权重确定
每个指标都分别拥有各自的量纲和属性,为了提高计算结果的精准性,采用标准差法对指标的原始数据进行标准化处理。
式(1)中,Xij'为第i项指标第 j年标准化处理数据,xij为第i项指标第 j年的原始数据,-xi为第i项指标均值,si为第i项指标的标准差。
借助Matlab2014a软件,依据熵值法,计算各指标的权重。由于标准化后数据有可能会出现负数,需进行变换[15]。 Xij'范围在-2~2之间,可进行坐标平移变换,得到:
在式(2)基础上对平移变换后的数据进行归一化处理:计算指标体系中第i项指标的信息熵值Hi:
表1 乌鲁木齐城市空间结构指标体系及权重
表2 乌鲁木齐交通运输指标体系及权重
式(4)中,K=(l n n)-1,(i=1,2,…,m)。计算指标i的信息权重wi:
3.2.3 计算综合评价值
将各指标值加权求和,得到交通运输和城市空间结构的综合评价值。
式(6)、(7)中,Eh代表城市交通运输综合评价水平,ES代表城市空间结构综合评价水平,fij表示两个评价系统指标xij归一化处理数值,wi表示两个系统中第i项指标的权重。
3.2.4 耦合模型的构建
耦合最早出现于物理学中,代表至少两个的系统或运动形式之间借助各组成要素的相互作用而形成的一种关系。当系统各要素之间和谐一致,达到良性循环,相互促进的程度时就达到了协调,如果各系统要素相互破坏,没有形成良性互动,就形成了对立面——系统相悖[16]。本文的耦合是指乌鲁木齐交通运输系统的运输设施、运输能力、运输工具、运输服务水平等各子系统在环境、政策等机理作用下与城市空间结构的人口、经济、产业、土地等子系统相互影响的过程。参考有关研究[17~19],构建耦合协调模型:
式(8)~(10)中,C 为城市交通运输与城市空间结构耦合度;T代表交通运输与城市空间结构的综合评价水平,α、β为待定系数,满足α+β=1的条件,根据交通运输与城市空间结构的指标权重计算出α=0.47,β=0.53;D代表城市交通运输与城市空间结构的耦合协调度。由于 C∈(0,1],T∈(0,1],所以 D∈(0,1],D值越大,则表明城市交通运输系统和城市空间结构系统各组成要素之间协调作用越好,反之,则表明组成要素间相悖,协调程度越低。根据两大系统耦合协调的计算结果,参考有关交通运输与城市空间结构耦合关系的研究[14,20~21],设定耦合协调度等级划分(表3)。
表3 交通运输演变与城市空间结构演变耦合协调等级划分
4 结果与分析
4.1 乌鲁木齐交通运输与城市空间结构作用关系分析
运用SPSS24.0统计分析软件分别对城市人口密度(p)与道路网密度(g)、人均城市道路面积(r)与固定资产投资(f)进行回归分析,揭示乌市交通运输与城市空间结构宏观上的作用关系,计算得到数量关系式:
式(11)、(12)分别具有0.814与0.926的较高决定系数,且显著性水平均小于0.01,通过显著性检验,表明城市交通运输与城市空间结构之间相互作用关系明显。
考虑到城市外部形态的变化、内部结构的重组均与城市建成区面积密切相关,则选取时间序列的城市建成区面积占行政区面积比重(M)的变化来表征城市空间结构的演变。在交通运输系统中,选取时间序列的人均交通支出占人均消费总支出的比重(K)来表示交通运输系统演变特征,从数理层面进一步解析交通运输与城市空间的作用关系。为保证数据的规整性,选取2000年-2015年为研究时段,分别对人均交通支出占人均消费总支出比重(K)与城市建成区面积占行政区面积比重(M)进行曲线拟合,得到交通运输对城市空间结构作用的数量关系及两者的演变趋势:
1)人均交通支出占消费总支出比重为自变量,城市建成区面积占行政区面积比重为因变量:
2)城市建成区面积占行政区面积比重为自变量,人均交通支出占消费总支出比重为因变量:
图1 交通运输对城市空间结构作用关系演变趋势
图2 城市空间结构对交通运输作用关系演变趋势
城市交通运输系统的演变主要是借助推进主导交通方式,新建交通设施,更新路网布局来实现,通过改变交通可达性最终引起城市内部功能区的重新分配。在城市空间结构的演变过程中,建成区面积的不断扩大,会带动交通固定资产投资的增加,使得道路网密度不断增大,对经济集聚的作用更加突显,不同要素之间的相互组合通过空间效应等表现为不同的城市功能分区,影响城市空间结构的演变。同时,城市的外部形态、内部功能结构为交通运输的发展提供了方向和条件,城市的交通流、交通量以及交通路网的空间分布,从宏观上构建了交通运输系统的架构。在社会发展的整个过程中,交通运输与城市空间结构是共生的,二者相辅相成,生成一个相互反馈的循环圈[2]。
图3 交通运输与城市空间结构作用关系解析
4.2 乌鲁木齐交通运输演变与城市空间结构演变耦合协调分析
在研究前期采用的指标数据处理方法及构建的耦合协调模型基础上,计算得到乌鲁木齐交通运输与城市空间结构不同年份的综合评价值和耦合协调度值以及变化趋势(表4)。
表4 乌鲁木齐市交通运输与城市空间结构耦合协调度
乌鲁木齐交通运输与城市空间结构的综合评价水平在研究期内处于持续上升阶段,由2006年的0.1434提高到2015年的0.8461。耦合度在2007年最低,为0.7685,其他研究年份都高于0.9,尤其是2012年以后,耦合度几近1的水平。两者协调度总体处于上升态势,与耦合度相呼应,2007年协调度最低。
2006年-2008年,乌市交通运输与城市空间结构协调度不足0.5,处于失调状态。城市空间结构综合评价0.18~0.23之间,交通运输综合评价指标0.05~0.13之间,滞后于空间结构的发展。由于空间结构与交通运输之间的相互作用是一个漫长的过程,城市的发展对交通运输的带动作用尚没有显现出来。
2009年-2010年,耦合协调度处于0.5~0.6的勉强协调水平。2009年交通运输综合得分0.23,城市空间结构综合评价0.30,2010年交通运输得分0.38,城市空间结构综合得分0.31,相比较2009年以前二者协调度上升,且交通运输发展首次超越城市空间结构水平。到2010年末乌鲁木齐道路总里程1583.5km,社会营运客货运输车辆73789辆,城市客运车辆11802辆,客运营运线路336条。该阶段乌鲁木齐地区生产总值达到10875036万元,产业升级化程度为71.27%,空间结构各因素对交通运输系统的拉动作用表现明显,带动交通运输水平快速上升。
2011年处于低度协调状态,交通运输综合评价得分0.42,城市空间结构综合得分0.52,相比2010年,城市空间结构发展水平迅速。一方面是交通运输的发展带动了经济水平的提高,促使了产业结构的优化,土地利用再分配,另一方面西部大开发的成果开始展现,国家级经济技术开发区功能得到强化,国家级出口加工区进一步成熟。2012年上升到中度协调,交通运输综合得分0.54,城市空间结构得分0.57,二者综合发展水平高度接近。
2013年-2015年,两者耦合协调度大于0.8,2015年超过了0.9,协调状态达到了良好和优质的水平。交通运输与城市空间结构评价得分比较相近,且处于持续上升阶段。截止到2015年末,乌鲁木齐生产总值达到26316398万元(当年价格),其中第二产业7873749万元,第三产业18126210万元,常住人口达到355万。经济的发展带动运输量的增加,2015年,乌鲁木齐交通运输客运量超过4000万人,货运量超过16000万吨,私人汽车拥有量达到632144辆,道路总长度2237km。交通运输系统与城市空间系统在相互作用下不断优化协调发展。交通运输系统与城市空间系统在各要素的相互作用下,协调水平不断提高。
4.3 乌鲁木齐城市空间结构对交通运输演变的响应分析
城市空间结构响应是指城市人口密度、经济结构、产业水平、土地利用等空间结构组成要素对交通运输规模、运输工具、运输水平、运输能力等变化所形成的反馈效应。构建响应模型,并运用SPSS24.0统计分析软件进行运算。
式(15)~(17)中,ηs为城市空间结构对城市交通运输演变的响应指数,ηh为城市交通运输对空间结构演变的响应指数,μ取η的绝对值,代表城市空间结构演变与交通运输演变相互作用的响应度。μ值越大表明响应程度越高,反之,响应程度越低。
利用SPSS24.0统计分析软件对乌鲁木齐2006年-2015年城市交通运输综合水平(Eh)与城市空间结构综合水平(Es)进行曲线估计,得到两者最优响应函数方程:
拟合函数中,R2分别为0.961和0.951,且显著性水平小于0.01,通过显著性检验,表明城市交通运输与空间结构之间有较好的曲线拟合效果。
图4 城市空间结构对交通运输的响应
图5 交通运输对城市空间结构的响应
由式(15)~(19)相结合得到近十年乌鲁木齐城市空间结构与交通运输间的响应指数。
表5 乌鲁木齐交通运输演变与城市空间结构演变响应度
2006年-2015年,乌鲁木齐城市空间结构对交通运输演变响应度从0.5170跨度到1.1850,总体响应度处于先上升后下降的趋势。交通运输对城市空间结构演变响应度在2007年为最小值0.3569,2010年达到最大值1.6736,总体变化相对较小。同时期横向对比来看,2010年ηs与ηh差距最大,ηh大于ηs,说明这一时期,空间结构占据主导地位,对交通运输的带动作用远超出交通运输对空间结构的促进作用。
西部大开发以及科学发展观等政策的实施,带动乌市建成区面积从2006年的235.88km2,扩展到2015年的429.96km2,扩大了0.8倍,地均GDP从2006年的627.23万元上升到2015年的1908万元。经济的快速发展,带动产业布局结构重组,人口变动,交通运输设施固定资产投资额不断增加,道路网密度从2006年的13.61km/hkm2增加到2015年的20.64km/hkm2,人均交通消费支出由357.78元上升到2312元,交通通达性的改变为城市空间结构重组提供了动力。
乌鲁木齐城市空间结构与交通运输在相互作用下,经过长期调整,已由2006年的失调优化为2015年的优质协调,响应指数变化较小,说明二者处于持续稳定的相互响应阶段。
5 结语
乌鲁木齐发展的不同阶段,其交通运输与城市空间结构之间的耦合协调关系及响应关系都存在差异。2006年-2015年间,乌鲁木齐交通运输与城市空间结构综合水平处于持续上升趋势,二者协调度也不断上升,与综合水平的变化一致。交通运输与城市空间结构之间响应度变化幅度较小,且响应程度相似。
通过分析交通运输与城市空间结构综合评价指数的变动,揭示二系统之间相互作用关系,并构建耦合协调模型与响应模型测度两大系统的协调响应度,分析探究二者之间相互作用过程。研究结果表明,交通运输与城市空间结构协调响应模型的设立符合乌鲁木齐现状,具有一定的科学性,交通运输的发展会促进城市空间结构水平的提高,另一方面,城市空间结构的重组也会带动交通运输水平的增长。
未来乌鲁木齐应继续加强城市空间结构与交通运输水平的提高,充分利用二者间的相互带动作用,促进交通运输与城市空间结构的协调发展。文章从宏观方面通过数理统计分析揭示了乌鲁木齐交通运输与城市空间结构的耦合响应关系,但未能从微观层面对各交通运输系统要素与城市空间结构要素的协调过程及作用机理进行分析,有待进一步研究。