基于運輸需求的公路網可達性研究

劉世鐸,吳群琪

(長安大學經濟與管理學院,陜西西安 710064)

基于運輸需求的公路網可達性研究

劉世鐸,吳群琪

(長安大學經濟與管理學院,陜西西安 710064)

為有效度量公路網系統可達功能的實現狀況,運用系統分析理論,對公路網可達性的含義進行了分析。分析認為,由于路網可達性應包含空間可達性、運輸可達性2個方面的內容,基于公路網建設的目的,不考慮運輸需求的路網可達性只是空間可達性,不足以反映路網可達功能的實現狀態。同時認為,由于空間可達性應從空間可達的狀態與經濟合理性2個方面考慮,而運輸可達性是指現行路網供給條件下的運輸充分性及運輸經濟性,現行公路網可達性測算方法難以顯現線路等級合理性、運輸充分性與運輸經濟性。為此,建構了公路網可達性的指標體系和計算模型。

路網可達性;空間可達性;運輸可達性;運輸充分性;運輸經濟性

可達性是反映區域空間結構與交通網絡關系的重要指標。國內外學者對可達性給出過時間、空間、社會學以及心理學等方面的多種闡釋,但是目前尚沒有公認的定義。從20世紀50年代開始,國外學者對可達性進行了許多研究。1958年Stewarz-Warntz最先提出以規模衡量城市區位的模型,經過Pooler以及JamesA等人的補充和修訂,形成了以最小阻抗表示的可達性模型[1-2]。Helling等以亞特蘭大為案例,研究了1980～1990年美國大都市圈可達性的變化[3]。國內學者楊濤、過秀成提出了包含可移動性、易動性和通達性的可達性指標[4];羅鵬飛等則研究了京滬高速鐵路將可能給滬寧地區可達性帶來的影響[5];劉賢騰和陳潔等對國內外城市交通可達性的度量方法進行了綜述[6-7];劉俊、陸玉麟利用ARCV IEW軟件的網絡分析模塊,采用加權平均時間距離指標及由其換算得出的可達性系數,對江蘇省縣級及以上65個節點城市的可達性狀況進行了評價[8]。以上研究只是對路網或交通系統的空間可達性的研究,沒有考慮運輸問題。蓋春英、裴玉龍引入節點重要度,改進了計算路網可達性的模型,并考慮了客運量、貨運量對節點重要度的影響[9];聶偉、邵春福分析了區域交通可達性的測算方法,并提出客運可達性、貨運可達性概念[10];張生瑞、王超深、徐景翠進行了基于時間阻抗函數的路網可達性研究[11],以上研究開始關注運輸問題,其研究的共同點是認為交通需求及交通量、運輸量影響路網可達性。有的在計算節點重要度時對運輸量進行考慮;有的在計算道路阻抗函數時對交通流量進行考慮等。以上研究都未考慮到潛在運輸需求節點,即以所有節點均有公路連通為前提的,與現實不符;未考慮路網非直線系數對路網可達性的影響等;傳統方法在使用最短時間計算節點可達性時,使用的是不同等級公路的設計速度,因為設計速度與實際運行速度是2個完全不同的概念。在公路過度閑置情況下,實際運行速度可能超過設計速度;在公路擁堵的情況下,交通阻抗很大,實際運行速度可能遠遠低于設計速度,其運行時間也就長于按照設計速度計算的最短時間。可見,用設計速度計算節點間的最短路徑上的最短運行時間,并作為計算節點可達性的依據是不盡合理的。另外,傳統的計算可達性(節點可達性、網絡可達性)的方法,無法體現公路等級的合理性,也就無法體現空間可達性的經濟合理性。路網可達性的傳統含義只是公路網空間布局的可達性,無法反映運輸的可達性,即無法反映現實路網以怎樣的效率在多大程度上滿足運輸需求。

本文在重新界定運輸需求含義的基礎上,分析得出路網可達性應當包含路網可達的經濟合理性(建設成本)和運輸可達性(運輸充分性、運輸經濟性)的內容,并根據交通阻抗,改進了計算路網可達性的模型。

一、路網可達性的相關概念

路網可達性是表示公路網特性的一項重要指標,用以反映公路網布局、路線等級等合理性。路網可達性一般由節點可達性來表征。

(一)節點可達性的概念

節點可達性主要是反映公路網中某一節點與其他節點間的相互關系以及該節點在路網中的地位,反映節點對外交通聯系的便捷程度。在路線的連接方式上,2個節點之間可以直接連接,也可以通過其他節點迂回建立聯系。對2個節點之間,如果有以上2種連接方式,在不考慮經濟合理性的情況下,節點間的可達性程度要大于只有一種連接方式的情況。按照可達性的一般定義,節點與節點間連接線路越多,空間可達狀態就越好。可見,節點與節點之間連接線的條數是影響節點可達性的因素之一。

(二)路網可達性的概念

路網可達性作為公路網特性的重要指標,一般反映路網中各節點間交通的便捷程度。路網可達性通常由節點可達性來表征。

二、基于運輸需求的路網可達性

傳統可達性概念只包含空間可達性,在考慮路線等級結構與運輸需求匹配的情況下,空間可達性的經濟合理性和運輸可達性也應是基于運輸需求的路網可達性的應有之義。

(一)路網可達性含義

空間可達性是傳統的評價公路網結構的指標之一,但其只能反映公路網的空間布局,無法反映路網等級結構是否合理。用最短時間表示的節點可達性,用兩點之間的最短距離與速度之比來表示,此時的速度是不同等級公路的設計速度,并不是實際的行程速度,且體現不出運輸可達性。圖1中有A、B、C共3個點,在假設AB、AC之間的公路等級一致的前提下,按照傳統的節點可達性計算方法,由于AB之間的距離小于AC之間的距離,而設計速度是一致的,AB的可達性,要大于AC的可達性。但是,在考慮運輸可達性的情況下,AB之間的運輸可達性,可能會小于AC之間的運輸可達性。在AB之間路線等級配置過低,路線極端擁堵的情況下,AB之間的運輸需求實現過程中,交通阻抗很大,位移時間可能趨于無窮大,而AC之間路線等級配置合理,車輛暢行無阻。在這種情況下,AB之間的運輸可達性,會小于AC之間的運輸可達性。

圖1 連接三節點的簡單路網

另外,在僅僅考慮這3個節點連接的情況下, BC之間通過A節點實現迂回連接,BC之間的運輸需求實現過程必然通過節點A,如果在BC之間修建一條公路,BC之間的可達性必然提高,由于連接邊數的增多,整個路網的可達性必然提高。BC之間的運輸路徑也會縮短,但是由于新建公路需要投入大量資金,并占用大量土地,在考慮這些因素的情況下,為實現BC之間的方便連接,為提高節點可達性而修建新公路的做法可能不必要或者說不經濟。因此,必須在充分把握BC之間運輸需求的特性(包括流量、流時、流動實體等)的前提下,綜合權衡建設成本、占地成本、運輸成本,考慮是否修建新的公路。

通過對可達性定義的比較,本文認為路網可達性應包括2個方面的含義。一方面是從公路基礎設施角度考慮的空間可達性,此方面空間可達性的含義與傳統的空間可達性概念含義基本相同。空間可達性可以在一定程度上從布局或結構上反映路網合理性。在計算路網可達性時,要將路網非直線系數考慮進去,還要對一些潛在運輸需求節點進行分析,評價該連通的節點是否連通。另一個方面是從公路網的服務對象——運輸用戶出發考慮的運輸可達性,即在現有公路網結構與布局下運輸需求實現的程度。在每個方面的含義中不容忽視的內容是可達性的經濟合理性,空間可達性的經濟合理性就是要考慮節點間路線等級的配置是否合理、多線路連接是否經濟合理,也就是從建設成本角度考慮路網可達性的合理性等;運輸可達性的經濟合理性就是要考慮運輸需求實現的運輸成本是不是最低的。基于運輸需求的路網可達性的具體內容見圖2所示。

圖2 基于運輸需求的路網可達性的具體內容

空間可達性的經濟合理性以及運輸可達性(運輸可達狀態、經濟合理性)在以往路網可達性的研究中都未見涉及。因此,以傳統路網可達性定義為基礎,將路網可達性定義為:公路網中,運輸流通過合理等級的公路,以最短的運行時間或最低的運輸成本實現節點之間位移的難易程度。

(二)基于運輸需求的路網可達性影響因素

1.運輸需求概念的重新界定

運輸需求是運輸經濟學理論的基礎概念之一,幾乎所有的運輸經濟學理論都對運輸需求做過界定,目前國內許慶斌、榮朝和、馬運,邵振一、陳貽龍,嚴作人、張戎等學者都曾給出過具有代表性的運輸需求定義[12-15],其中大多數學者將運輸需求定義為“在一定的時期、一定的價格水平下,消費者愿意并且能夠購買的商品數量”。這些運輸需求定義具有共同點,如運輸需要是運輸需求形成的前提條件;支付能力和支付意愿是運輸需求形成的必要條件;沒有支付能力的運輸需要不能形成運輸需求等。

隨著運輸經濟學理論的不斷發展及運輸實踐活動的不斷深入,吳群琪、馬暕對運輸需求做出了新的解釋:“運輸需求是指一切有利于國民經濟及社會發展的對人與物的位移的需要”[16]。該定義體現了運輸需求的客觀性、運輸行為的本質和運輸需求主導的觀念。基于該定義,運輸需求應該包括現實運輸需求和潛在運輸需求。現實運輸需求是指在現狀路網條件下實現的運輸需求,是指現實的運輸量;潛在運輸需求是指由于路網配置、布局等方面的原因而無法得以有效實現的運輸需求。

2.基于運輸需求的路網可達性影響因素

由于路網可達性有空間可達性、運輸可達性2個方面的含義,基于運輸需求的路網可達性的影響因素也要從這2個方面來進行分析。

根據可達性的一般定義,假設公路等級足夠高,通行能力足夠大,路網交通阻抗為零,公路網中的節點之間均有公路連通,可達性最好,在這樣的路網上,可以以最短的時間、最短的距離、最低的運輸成本實現節點之間的位移。剔除假設前提,僅從路網建設成本考慮,這樣的路網不一定是可達性最好的路網。連通是可達的必要條件而非充分條件。公路建設成本受區域經濟發展限制,并不是無約束。不管是公路建設投資還是占用的土地資源,都是有限的。從運輸用戶角度考慮運輸時間、運輸成本的同時,也要考慮公路的等級配置是否合理,考慮路網可達性的建設成本問題。假設需要三級公路連接,卻有一級公路甚至高速公路連接的情況下,雖然路網可達性很高,但是是不經濟的。另外,運輸需求強度不同的節點組成的不同區域,應該具有不同結構的路網,具有相同數目節點的區域,有的可能樹狀路網更合理,有的可能網狀路網更合理。

產業布局的變化極有可能導致現在重要的運輸需求節點的重要性在未來相比其他節點降低;現在非重要的運輸需求節點、甚至目前還不是運輸需求的節點未來可能變成重要的運輸需求節點,產業布局對后者的影響尤其重大。如杭州千島湖,從最初的人跡罕至,到現在的旅游勝地,就是其節點重要度發生了重大變化。因此,潛在的運輸需求節點也會影響到未來的路網可達性。

運輸可達性可以理解為運輸需求通過公路網實現節點間位移的難易程度,與節點之間是否有直達線路(直線形)、線路的長短、線路的等級有關。運輸可達性包括2個方面的內容,即運輸充分性與運輸經濟性。前者是指在現有路網供給條件下運輸需求的實現程度;后者是指現實運輸需求的運輸成本問題。如果針對規劃路網,前者是指區域未來運輸需求的實現程度;后者是指區域未來的平均運輸成本問題。

三、基于運輸需求的路網可達性指標及其計算方法

基于運輸需求的路網可達性包含空間可達性、運輸可達性兩2個方面的內容。在構建公路網可達性計量指標時需要對節點可達性、交通阻抗、運輸充分性、運輸經濟性進行充分考慮。

(一)節點可達性

假設節點i、j之間有n條路徑,lij為i、j之間的實際長度,則節點i、j的可達性可表示為

式中:kij為節點i、j之間的可達性;lij(shortest)為節點i、j之間的最短距離為 節點i、j之間所有n條路徑的總長度,s為路徑條數為節點i、j之間路徑的平均長度。

由此可見,當lij為最小值時,即i、j之間距離為lij(shortest),kij取最小值,此時i、j節點之間具有最大可達性;并且n越大,即節點i、j之間路徑越多,kij也就越小,節點可達性越大,反映了路徑條數對可達性的影響。

但是在實際情況中,可達性往往以時間最小為衡量指標,此時雖然路徑最小,但是在行為人都選擇最短路徑導致交通擁擠時,很有可能使得車速降低、時間延續加長,導致可達性降低。因此有必要引入交通阻抗函數的概念來彌補這一缺陷。

(二)交通阻抗函數

交通阻抗函數是指用交通網絡上路段之間的運行距離、運行時間、費用、舒適度等單項指標或者將各項指標綜合起來表達出行難度的函數[11],它的大小可以直接反映節點之間的交通往來難易程度,其值越大,說明交通便利性越低、空間聯系越難、可達性越低。

車輛在公路路段上所需運行時間是隨著該路段上交通流量的增加而增加,其運行時間與交通流量的關系可表示為

式中:ta為通過路段a所需的時間;qa為路段a上通過的交通流量。

對于交通阻抗函數,被廣泛應用的是由美國道路局(Bureau of Public Road,BPR)開發的函數,又被稱為B PR函數,其形式為

式中:ta(0)為路段a上車輛自由運行的平均時間, ta(0)可由路段的實測數據分析得到;α、β為待標定的參數,BPR建議α=0.15,β=4,它們也可以由實際數據回歸分析求得;ea為路段a的實際通行能力,即單位時間里可通過的最大車輛數,對于參數ea可由路段a的實測數據分析得到。

某區域內,應該由公路連通卻未連通的潛在運輸需求節點,如規劃開發但尚未開發的旅游景區、已探明但尚未開發的礦產所在地等,其現有實現運輸需求的阻抗可看作無窮大,其他節點到這個節點或者這個節點到其他節點的時間阻抗為無窮大。由于節點間的運輸需求較大,該由二級公路連接,卻只有四級公路連接的情況,其阻抗也是很大的。這種情況下,ea可看作0。

綜上所述,為了將時間概念體現在式(1)所表示的模型中,將該節點可達性模型改進為

式中:kijt為考慮時間阻抗函數的節點可達性。

交通量只是在現有路網供給條件下可以實現運輸需求的表現,無法體現潛在運輸需求。并且,從式(4)中無法體現運輸需求實現程度,因此,必須引入運輸充分性概念。

(三)運輸充分性

運輸充分性可以體現現有公路網供給條件下運輸需求的實現程度。由前文論述可知,運輸需求是指一切有利于國民經濟及社會發展的對人與物的位移的需要,包括可實現運輸需求和潛在運輸需求。因此,運輸需求的實現程度可以表示為

式中:Eij為節點i、j之間運輸需求實現程度,可以反映運輸充分性;Qij為節點i、j的總體可實現運輸需求;Dij為i、j間的運輸需求總量。

(四)運輸經濟性

運輸經濟性是指運輸用戶的經濟成本高低問題。運輸用戶經濟成本可以理解為運輸需求方為實現運輸所付出的代價或喪失的利益。如海鮮等品質型需求具有較強的時效性,運輸的延誤等造成的損失將是商品價值的完全喪失;高產值的精細產品往往要求小批量運輸,準時性要求很高,運輸的不及時不僅延長占用資金的周轉期,降低資金周轉率,還可能造成貽誤商機,影響企業信譽,此時運價相對于這些重大損失可謂是九牛一毛。因此,對于運輸需求者來說,考慮的不僅僅是運價,而是權衡運輸全程支付的總額,而經濟成本必須考慮占用資源的成本,不僅包括顯性成本,而且包括機會成本。從運輸全過程及其對用戶利益影響來分析,運輸需求方要承擔的經濟成本應包括運輸過程的時間價值損失、空間價值損失、其他潛在的損失及支付的全程費用(運費、保險費、裝卸費等)。

節點間可能有多條路徑,但總有一條最短路徑,在不考慮高等級公路收費的情況下,最短路徑上的運輸用戶經濟成本應該是最低的。因此,路網的運輸經濟性可以用最短路徑上實現的運輸量及運輸用戶經濟成本與節點間實現的總的運輸量及總的經濟成本的比值來確定。其比值越高,運輸經濟性越高。

式中:Wij為i、j間的運輸經濟性;Qij(shortest)為i、j間最短路徑上的運輸量;Cij(shortest)為最短路徑上的單位運輸成本;m為i、j間路徑數量;為i、j間n條路徑的總運輸量;Qij(m)為i、j間第m條路徑的運輸量;Cij(m)為i、j間第m條路徑的單位運輸成本。

(五)路網可達性

在路線等級確定的情況下,直線路徑的便捷程度要高于迂回連接,此處的直線路徑與前文提到的最短路徑不是一個概念,本文中最短路徑是指實際的最短路徑。直線路徑可以理解為理想最短路徑,是指節點之間假想的連接路線,與實際路網無關。因此,引入路網非直線系數(η)概念作為衡量路網可達性的一個因素。

假設在某一區域公路網中有p個節點,則整個路網的可達性(Anet)可表示為

該測算公路網可達性的模型中,考慮了路網非直線系數、運輸充分性、運輸經濟性、節點間路徑數目、連接路線等級對路網可達性的影響;換言之,該模型包含了路網的空間可達性(可達狀態、經濟合理性)和運輸可達性(運輸充分性、運輸經濟性)2個方面的內容。

四、結 語

可達性是公路網規劃方案的重要評價指標之一,對可達性的研究也是目前公路網規劃方案評價指標體系的研究重點之一。路網可達性包含空間可達性、運輸可達性2個方面的內容。前者從公路基礎設施供給方出發,包括空間可達狀態、經濟合理性2個方面的內容;后者從運輸用戶角度出發,包括運輸充分性、運輸經濟性2個方面的內容。由于現有公路網可達性測算方法難以體現路線等級合理性、運輸需求實現程度及其經濟合理性,本文在剖析可達性影響因素的基礎上,對公路網可達性測算模型進行了改進,引入了路網非直線系數、運輸需求實現程度、運輸經濟性等指標反映路網的整體可達性。由于數據資料的限制,未進行詳細和深入的模型驗證分析,這一方面還有待于進一步展開研究。

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[13]陳貽龍,邵振一.運輸經濟學[M].北京:人民交通出版社,1999.

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[15]榮朝和.西方運輸經濟學[M].北京:經濟科學出版社,2003.

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Accessibility of highway network on the basis of transportation demand

L IU Shi-duo,WU Qun-qi
(School of Economics andManagement,Chang'an University,Xi'an 710064,Shaanxi,China)

In order to measure the functions of highway network reasonably,and through systematic analysis of the status quo about researches on accessibility of highway network,the authors improve the connotation of accessibility of highway ne twork so as to find the defects existing in the current researches which lack the consideration about transport demand and it's degree of realization.The conclusion made in this study is that accessibility of highway network can be understood from two aspects:space accessibility and transportation accessibility.However,there is scarce study about transportation accessibility.The purpose of highway construction is providing service for transportation.Therefore,the accessibility that doesn't consider the transport demand is only space accessibility of highway network,and it can not reflect the whole function of accessibility.Space accessibility can be considered from the state and economic rationality,and transportation accessibility is considered from transportation adequacy and transportation users'economics under the highway network supply.As there exist the defects that the currentmethods in calculating the accessibility of highway network fail to reflect the reasonablity of highway grades, the transportation adequacy and transportation users'economics,the authors improve the current the model to measure the accessibility of highway network,which is of great theoretical significance.

accessibility of highway ne twork;space accessibility;transportation accessibility; transportation adequacy;transportation economics

F540

A

1671-6248(2010)01-0040-06

2009-09-01

交通部前期工作費項目(1230899402)

劉世鐸(1979-),女,山東青州人,工學博士研究生。