基于“高铁+”网络的东北地区城市联系网络结构研究

郭 建 科 ，王 琰，王 英 ，高 花 花 ，李 富 祥

(1.辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心，辽宁 大连116029；2.中北大学马克思主义学院，山西 太原030051；3.西北大学新闻传播学院，陕西 西安710127；4.辽东学院，辽宁 丹东118001)

0 引言

城市联系网络是城市间交流的直接体现。将城市置于整体网络中，能更好地体现单一城市在网络中的作用并揭示其所在网络的结构机理，打破“就城市论城市”的局限性，凸显城市互动联系在城市及整个网络中的重要性。1996年Castells提出“流动空间”概念，实现了“静态城市”到“动态城市”的演变，推动了世界城市研究视角和思维的创新[1-3]。此后，学术界开始依托城市间各种关系要素流对城市网络开展相关研究，主要集中在利用数学模型测算城市间联系强度[4-7]，利用企业分支机构衡量城市间联系[8-10]，利用人流[11,12]、交通流[13-20]、知识流[21,22]和信息流[23]等流要素建立城市流空间联系。研究尺度主要分为全球、国家、区域、城市内部4个尺度：在全球尺度上，从信息流角度计算和划分全球城市联系及城市等级排名[24]，基于航空客运数据探讨全球城市网络联系强度的时空演化[25]；在国家尺度上，基于百度迁移大数据研究中国地级以上城市的人口流动网络[26]；在区域尺度上，对各地理大区或省域有较全面的研究[27-30]；在城市内部尺度上，主要利用公交卡、手机信令等数据研究城市内部人口通勤的流动特征[31,32]。

春运是中国特有的以年为周期的人口大迁移，从1980年“春运”一词出现后，近40年来春运大军从1亿人次增至近30亿人次，春运无疑成为观察城市联系的一个重要窗口。近年来，国内学者开始从春运视角研究城市及其联系网络并取得进展，但研究重点多为人口网络，较少涉及运输网络[33,34]。春运期间脉冲式铁路运输需求与铁路运力不足的矛盾表现突出，高铁运营一定程度上缓解了春运铁路运力供需矛盾。两城市间若存在直达高铁列车将缓解普速列车的运输压力，若两城市间无直达高铁连通，通过高铁中转也会缓解普速列车的运输压力。东北地区是中国最早发展铁路的地区之一，普速列车网络发展相对完善，加之近年来高铁建设快速推进，高铁网络覆盖城市数量不断增加。因此，通过对东北地区“高铁+”联系网络的研究，将更全面地了解东北地区的城市网络结构，同时解析不同时期城市网络的结构特征以及定位中转枢纽城市将为特殊时期铁路运力供需矛盾的缓解提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源与选取

本文以东北地区黑龙江省、吉林省、辽宁省以及内蒙古自治区东四盟市的40个城市作为研究对象，收集年内变化较大的春运与非春运期间的高铁(包括G、C、D车次)及普速列车(包括Z、K、T、L、Y车次)数据(来源于智行APP)，分别构建基于高铁与“高铁+”网络的无权与加权城市联系网络，以及40×40的OD矩阵。1)基于高铁网络的无权网络构建：若两城市间存在直达高铁则为1，否则为0；基于高铁网络的加权网络构建：若两城市间存在n趟直达高铁列车，则两城市间权重为n，否则为0。2)基于“高铁+”网络的无权网络构建：若城市1—城市3无直达高铁，但可先乘坐高铁(普速列车)到达中转城市2，然后转乘普速列车(高铁)到达城市3，则认为城市1—城市2、城市2—城市3为1，城市1—城市3为0；基于“高铁+”网络的加权网络构建：若城市1—城市3无直达高铁，但存在n种换乘方案，其中m(m≤n)种换乘方案总时长小于直达普速列车的总时长，则认为城市1—城市2、城市2—城市3权重为m，城市1—城市3权重为0。

1.2 研究方法

1.2.1 复杂网络基本指标

(1)平均路径长度：用于测度网络中任意两节点之间距离的平均值，反映网络的便捷性与连通性，数值较小,说明网络中节点只需经过较少的中转即可抵达目标节点，网络整体联系紧密。公式如下：

(1)

式中：L为平均路径长度；n为节点数；dij为节点i和节点j间最短路径边数。

(2)网络聚类系数：用于测度网络的整体集聚程度，为网络中所有节点聚类系数的平均值。公式如下：

(2)

(3)

1.2.2 节点中心性指标 选取中介中心性和邻近中心性衡量网络中节点的中转、衔接以及间接可达性功能。加权网络中的最短路径通过原始网络中权重的倒数计算[35]。

(1)中介中心性：以所有节点对间的加权最短路径经过给定节点的次数和衡量，反映节点在网络中的中转和衔接功能，值越大表明节点在城市联系网络中的枢纽性越强。相关公式如下：

(4)

式中：WBCi为节点i的中介中心性；nkj、nkj(i)分别为节点k与节点j间所有加权最短路径的条数及最短路径经过节点i的次数。

(2)邻近中心性：以某节点到网络中其他节点的平均加权最短路径长度的倒数衡量，反映该节点在网络中的相对可达性大小。相关公式如下：

(5)

2 东北地区“高铁+”网络特征和城市联系空间特征

2.1 “高铁+”网络的小世界特征

东北地区高铁网络平均路径长度为1.64，网络聚类系数为0.8255，表现为较小的平均路径长度和较高的聚集性，具备小世界网络特征，证明东北地区高铁网络连通状况良好。由于东北地区普速铁路网络发展相对完善，促使“高铁+”网络的小世界特征比高铁网络更明显，具体表现为：“高铁+”网络平均路径长度为1.55，网络聚类系数为0.8277。在春运期间，增加车次与延长原有列车线路等方式使得“高铁+”网络的小世界效应进一步增强，城市间联系更紧密，具体表现为：“高铁+”网络平均路径长度为1.48，网络聚类系数为0.8283。

2.2 “高铁+”网络的中心性特征

研究中剔除不合理的中转方案(同站中转时间<30 min或异站中转时间<60 min)，弥补了以往研究中忽视列车间隔时间能否满足乘客中转这一问题。总体看，“高铁+”网络相比高铁网络中的中转枢纽城市数量从4个增至9个，沈阳、长春、哈尔滨始终为区域核心枢纽城市。沈阳位于区域中心，既是辽宁省内城市间联系的重要中转城市，也是省内城市与黑龙江、吉林、蒙东地区的重要中转城市；长春是吉林省内城市间的重要中转城市，也是省内城市与黑龙江、辽宁、蒙东地区之间中转的重要城市；而哈尔滨与沈阳、长春相比，处于区域边缘，中转功能相对较弱。大连虽为东北地区四大中心城市之一，但受地理位置影响，其“中转”功能有限，在城市联系网络中的中介地位不如中部城市，未来如能建成渤海跨海通道，大连有望成为辽东半岛连接山东半岛甚至长江中下游的中转城市；吉林、四平等在“高铁+”网络中的中转地位显现，吉林在高铁网络中的中介中心性虽为0，但其在“高铁+”网络中的中介中心性仅次于三大省会城市，成为区域新的中转枢纽。春运期间，中介中心性城市的位序并未发生变化，三大省会城市中介中心性进一步提高，中转功能大大加强，枢纽性强化明显，可见省会城市是东北地区“高铁+”网络中重要的换乘枢纽。承担中转功能的城市数量有所增加，大庆、齐齐哈尔等城市也承担着部分换乘中转功能(图1、表1)。

图1 “高铁+”网络Fig.1 "High-speed rail+" network

表1 城市中介中心性Table 1 Urban betweenness centrality

高铁网络邻近中心性最高的为沈阳，其次为长春、哈尔滨、大连、四平，但在“高铁+”网络中，长春以微弱优势成为邻近中心性最高的城市，沈阳、哈尔滨、四平、吉林的邻近中心性均超过大连。未开通高铁的城市相比开通高铁的城市，其邻近中心性明显处于区域“洼地”，“高铁+”网络有助于提升未开通高铁城市的邻近中心性，最大程度提升其城市联系能力(表2)。

表2 城市邻近中心性Table 2 Urban closeness centrality

春运期间“高铁+”网络中各城市的邻近中心性都有不同幅度的提高，平均邻近中心性为14.73，较非春运期间提升89.8%。其中，沈阳提升幅度最大，其次是长春、兴安盟、哈尔滨。春运期间沈阳、长春、哈尔滨的始发列车增加，加之原有铁路线路延长后,绝大多数经过省会城市，使其邻近中心性大幅提高；兴安盟邻近中心性提高得益于原有铁路线路延长、运营班次增加。部分邻近中心性低的城市在春运期间虽有所提高，但增幅不大(如鸡西提升了1.47)，滞后于平均邻近中心性的增幅(约6.97)。春运期间“高铁+”网络中邻近中心性排名较非春运期间有一定的变化，如沈阳超过长春成为邻近中心性最高的城市，这在很大程度上得益于北京方向与东北地区城市间列车频次增加，沈阳作为该线路重要连接站点，列车频次稍多于长春。此外，春运期间沈阳的邻近中心性与中介中心性最大，其次是长春和哈尔滨，可见春运期间三大省会城市不仅自身通达能力强，而且在城市联系中的“桥梁”作用更加凸显。

2.3 城市联系空间特征

春运期间和非春运期间是一年内城市联系变化较显著的两个时期，图2反映了东北地区年内城市联系变化的全局空间趋势：东西向中间高、两边低，南北向自南向北依次递减，这种空间联系变化与哈大铁路干线走向密切相关，即城市联系变化量大的城市基本位于哈大铁路沿线。

图2 东北地区年内城市联系变化全局趋势Fig.2 Overall trend of urban connection in Northeast China within a year

采用自然断裂法(Jenks Naturel Breaks)对年内两个时期城市联系进行分类，进而对两个时期各层级城市进行对比，结果显示：1)在地理分布上，最高层级城市表现出一定的稳定性，即两个时期最高层级城市除哈尔滨属于黑龙江，其他城市均属于辽宁和吉林，蒙东地区城市均未进入最高层级城市序列，且两个时期最高层级城市数量均呈现出辽宁>吉林>黑龙江>蒙东地区。2)通辽作为连接内蒙古与东北地区的门户，是春运期间唯一进入第二层级的蒙东地区的城市，层级地位在春运期间开始凸显；第二层级城市数量表现出辽宁>黑龙江>吉林>蒙东地区。3)第三层级和第四层级城市数量众多，各地区均有分布。

春运期间城市间联系强度均有所提升，位序为辽宁(4.7)>吉林(3.8)>黑龙江(2.4)>蒙东地区(1.1)，辽宁内部既是联系强度最高的地区，也是联系强度变化最大的地区。在联系组团方面，辽宁仅有抚顺、葫芦岛位于边缘组团，其余城市均位于核心组团；吉林仅有辽源、通化、白城位于边缘组团，其余均位于核心组团；黑龙江位于核心组团的城市不多。城市间联系平均变化量为120次，沈阳为联系变化量最大的城市(291次)，其次为长春(268次)、哈尔滨(265次)、四平(254次)、大连(245次)。沈阳在省际联系上向北主要增强了与长春、哈尔滨、四平的联系，向西加强了与四盟市的联系，省内联系上主要增强了向南与大连的联系。长春在省际联系上主要增强了与北部哈尔滨、南部沈阳及西部四盟市的联系，省内联系上增强了与吉林和延边的联系。哈尔滨在省际联系上主要增强了与长春、沈阳、大连的联系，在省内联系上主要增强了与大庆、齐齐哈尔、牡丹江的联系。另外，四平作为东北地区铁路的重要枢纽之一，在城市联系中有着举足轻重的作用，其省际联系增强了与沈阳、哈尔滨、大连、齐齐哈尔等城市的联系，省内加强了与长春、吉林、白城的联系。大连虽然位于区域端点，但其联系强度变化仍很明显，这与其经济发展水平较高、外来务工人口多密切相关，其省内主要联系城市为沈阳、鞍山、辽阳等，省外联系城市主要是长春、哈尔滨、吉林等。各省会城市在省际联系中占据首要地位，春运期间地位更突出。

3 结论与建议

本文通过“高铁+”网络与高铁网络的对比，探讨“高铁+”网络对城市联系网络的作用，相比已有研究本文的贡献在于：第一，从“高铁+”视角探究城市网络特征，解析了各城市在高铁网络以及“高铁+”网络中的作用和功能，明确了城市在不同网络中的地位和作用；第二，以年内城市联系变化较大的春运与非春运期间为例，解析了不同时期“高铁+”网络的特征及城市的功能、地位变化。主要结论如下：1)“高铁+”网络提升了东北地区城市联系网络的小世界特征。处于高铁网络之外的城市可以借助“高铁+”网络使自身邻近中心性得到提升，除三大省会城市外，吉林分化为区域第四大中转枢纽。2)春运期间“高铁+”网络的小世界特征较非春运期间更明显，铁路网络的联通状况进一步改善。春运期间三大省会城市不仅自身通达能力强，而且在城市联系中的“桥梁”作用更凸显。部分邻近中心性低的城市在春运期间有所提高，但增幅不大，与邻近中心性高的城市仍存在较大差距。3)城市年内联系变化量与哈大铁路干线走向密切相关，通辽作为内蒙古与东北地区连接的门户，其层级地位在春运期间开始凸显。省会城市在省际联系中占据首要地位，春运期间地位更突出。

目前东北地区高速铁路建设逐步推进，但部分未开通高铁的城市与其他城市联系存在诸多不便。鉴于高铁建设周期长、速度较缓慢的特点，未开通高铁的城市应加快推进高铁建设，同时加强与铁路部门的沟通与协作，利用东北地区普速铁路发展相对完善的优势，规划、搭建与高铁相连接的换乘网络,以便加强与其他城市的交流与合作，从而促进自身发展。春运期间铁路供需矛盾更加突出，经济发达或欠发达城市均存在脉冲式需求量与运力不足之间的矛盾，为此要根据春运期间客流变化及时调整运营线路、发车频次，科学安排换乘接续列车，最大程度释放高铁优势以缓解运力供需矛盾。换乘枢纽城市承担着换乘人流压力，对于同站换乘而言，除现有车站内设置的换乘便捷通道外，应组织换乘客流优先下车，减少流线交叉干扰，并适当投入人力引导换乘以确保站点稳定、高效运行；对于异站换乘而言，站点之间接驳的交通设施是换乘的重要条件，应改善站点之间的交通便捷度、舒适度等，并结合信息技术与网络媒体建立换乘信息服务平台，最大程度确保异站中转客流的顺利换乘。