基于信息熵的綜合交通發展與區域產業結構適應性研究

楊玉琪，賈元華，李樺楠，姬亞鵬

(北京交通大學交通運輸學院，北京 100044)

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基于信息熵的綜合交通發展與區域產業結構適應性研究

楊玉琪，賈元華，李樺楠，姬亞鵬

(北京交通大學交通運輸學院，北京 100044)

摘要：交通運輸與區域經濟發展之間存在著密切的相互作用關系，二者之間的協調程度對于整個系統的集成、優化具有重要意義。本文在對綜合交通與區域經濟適應性影響因素進行系統分析的基礎上，從總量適應度、能力適應度和效率適應度三個維度構建了綜合交通發展與區域產業結構適應性評價指標體系，基于信息熵理論對其行了定量分析。以湖北省為例，進行了適應性評價。結果表明，構建的評價指標體系及方法有效。

關鍵詞：信息熵；適應性；綜合交通；區域產業結構

隨著我國經濟持續快速增長，交通運輸作為經濟發展的基本需要和先決條件，其地位和作用已得到充分顯現。綜合交通與區域經濟發展是一項復雜的系統工程，兩者相互促進、協調發展，一方面綜合交通運輸體系的完善促進了區域產業結構調整，反過來，區域產業結構調整又促進了綜合交通運輸體系的建設，而交通運輸與區域產業結構適應性則是該復雜系統的優化與集成問題，也是該系統不斷進行的自組織自適應過程[1]。

對于交通運輸與經濟發展適應性理論，國內學者早有研究。賈元華[2]在2002年提出了高速公路經濟適性應概念，從系統工程的角度出發，對我國高速公路建設和管理發展過程中的經濟適應性問題進行了探討，認為高速公路的經濟適應性包括規劃方案、投資建設體制、投資效果以及經營管理體制的適應性；周偉等[3]從公路交通與經濟發展適應性的概念出發，提出了公路交通與經濟發展適應性分析的木桶理論，以規模、結構、功能、布局、發展速度、投資特性和管理與法制7個方面12項具體指標，構建了公路交通與經濟發展適應性評價指標體系；Brown等[4]應用復雜適應系統理論對基礎設施的相關性及其評估進行了研究，提出基礎設施是一個復雜的相互關聯、相互依存的自適應系統，通過對基礎設施相互依存關系的分析，對基礎社會發展計劃的影響及可能產生的風險進行了研究；劉冰[5]從交通運輸對經濟的負效應著手，分析了區域及其劃分方法、交通運輸與區域經濟的數量關系，并對上海市交通運輸指標與經濟指標進行了定量分析；王雙[6]運用灰色關聯度模型，從交通運輸系統與區域經濟系統的動態適應性和靜態適應性兩個角度出發，分別對公路、鐵路、航空和水運四大運輸系統與貴州經濟系統進行協調性評價。

在評價方法選取方面，Prudes等[7]從社會、經濟和環境等層面，分析了大型交通基礎設施的社會經濟影響機制，提出自適應的方法有助于實現可持續運輸和可持續發展；劉奕[8]建立了基于CAS理論的高速公路經濟適應性定量分析仿真模型，實現了對區域高速公路經濟適應性的分析、預測和評價；盧青[9]從協調發展、供需均衡和可持續發展三個方面分析了公路交通經濟適應性，以協調發展度、潛在供需度、資源利用效率和環境友好指數為基礎構建了適應性評價指標體系，并選取DEA評價模型、Malmquist生產效率指數對適應性進行評價；鄭達[10]從總量規模、運輸結構、規劃布局和服務水平四個維度，構建了區域綜合交通系統經濟適應性評價指標體系，并運用AHP-Entropy的多級可拓評價方法對建立的指標體系進行定量評價。

本文在前人研究的基礎上，從系統工程的角度出發，認為綜合交通與經濟社會發展的適應性應包含兩層含義，一是經濟社會發展水平決定綜合交通基礎設施建設的規模、速度和發展趨勢，即綜合交通體系要與經濟社會發展水平相匹配；二是綜合交通體系的建設對經濟社會發展起到引導、促進或制約、阻礙作用。

本文圍繞適應性定義，引入信息熵理論對綜合交通發展與區域產業結構適應性進行了評價。

1評價指標體系的建立

綜合交通與經濟適應性是子系統與大系統之間的適應性，按照綜合交通與區域產業經濟互動的發展理念，本文從指標體系構建的系統性、客觀性、準確性、目的性和可評價性原則出發，在對交通運輸與經濟適應性影響因素進行系統分析的基礎之上，從總量、能力和效率三個不同的方面分別綜合分析了適應性影響因素，使構建的評價指標能夠更好地反映交通運輸與區域經濟的適應性。

總量適應度代表區域經濟發展對交通運輸的供給有定量的需求，主要表現在對交通的基礎設施建設和服務水平提供上，在總量上要滿足供需平衡關系。能力適應度要求交通運輸供給能力要滿足區域經濟發展的需求能力，是從能力方面定義交通運輸與區域經濟的適應性。效率適應度即任何復雜系統、工作和任務都要考慮效率，效率是考核指標完成程度的主要因素，也是系統集成和優化的依據，交通運輸與經濟系統也不例外，所以選取效率指標來綜合考慮整個復雜系統的適應性的強弱。這三個方面能較好地反映綜合交通與區域經濟的適應性，能夠從整體上把握復雜系統的主體特征，使構建出來的評價指標體系具備更強的系統性、科學性、準確性和可研究性。

1.1總量適應度評價指標

總量適應度評價指標，是指區域經濟的發展對綜合交通有定量的需求，即綜合交通運輸系統提供的運輸服務供給總量要與區域經濟社會對綜合交通的需求總量相適應，總量適應度評價指標分為貨運強度、客運強度和理論規模接近度三個指標。

(1)貨運強度

貨運強度是指貨物周轉量與國內生產總值(或工農業產值、工業產值)的比值，反映社會生產對貨運方面的需求。

貨運強度=貨物周轉量/GDP。

(1)

(2)客運強度

客運強度是旅客周轉量與人口的比值。與貨運強度指標類似，客運強度指標的大小可以判斷運輸業與國民經濟發展之間的適應關系。

客運強度=旅客周轉量/總人口。

(2)

(3)理論規模接近度

該指標反映運輸網絡建設規模的適應程度，一個國家或地區的運網規模與該國家或地區的經濟發展水平和人口密度關系最為密切，運用國土系數理論可以較好地分析在一定時期運網線路的合理長度

(3)

其中，α為理論規模接近度；L為運網線路實際總長度，km；P為人口數量，萬人；A為區域面積，km2。

1.2能力適應度評價指標

能力適應度評價指標，是指綜合交通發展的供給能力要適應區域經濟發展的需求能力，主要體現在綜合交通的發展要與經濟增長的需要相適應，主要分為主路網規模、運網連通度和綜合交通運網綜合密度三個指標。

(1)主路網規模

主路網規模能夠反映某一區域交通基礎設施建設發展規模。

主路網規模=主路網里程/面積。

(4)

(2)運網連通度

運網連通度是綜合反映路網各節點間的連接程度。

(5)

其中，D為運網連通度；L為綜合運輸運網里程，(萬公里)；N為區域城鎮數，(個)；A為區域面積，(萬平方公里)。

(3)綜合交通運網綜合密度

綜合交通運網綜合密度反映了綜合交通運輸體系建設的總體規模水平，通過不同地區之間的橫向比較，可以評價綜合交通體系宏觀規模合理性[11]，其計算公式為

(6)

其中，δ為綜合交通運網綜合密度；A為區域土地面積，km2;P為區域總人口，萬人；Q為區域工農業(包括商業運輸)總產值，萬元；L為第i種交通運輸車總里程，km;n為不同種運輸方式種類數。

1.3效率適應度評價指標

效率適應度評價指標，是指綜合交通系統內部各子系統之間分工合理、密切合作和協調發展，綜合交通系統與外部經濟社會環境相協調、適應，系統供需結構匹配，其指標主要包括運網等級線路所占比重以及多式聯運比重兩項指標。

(1) 運網等級線路所占比重

該指標是指綜合交通系統內各交通方式等級線路所占比重的算數平均值。該指標越高表明路網中高等級道路所占的比重越大，運網建設水平越高。

(7)

其中，φ為運網等級線路所占比重；ki為第i種交通方式等級線路所占比重。

(2) 多式聯運比重

該指標指鐵水、公水、公鐵等多式聯運貨運量占總貨運量的比重。

(8)

其中，?為多式聯運比重；ζ為鐵水貨運量；ω為公鐵貨運量；θ為總貨運量。

2評價方法的選取

基于上文適應性評價指標體系建立的基礎之上，運用信息熵理論對評價指標進行定量分析，并運用灰色預測模型對未來的適應性進行預測。

Shannon于1948年提出的熵(Entropy)的概念代表著一種“不確定性”度量，系統的熵越大代表系統內部越無序，系統的紊亂性越強;反之則系統內部結構越穩定，外部功能越強[12]。基于信息熵理論，綜合交通發展與區域產業結構適應性信息熵可以綜合反映研究區域內綜合交通發展情況以及區域產業結構利用程度，信息熵越大，代表綜合交通發展與區域產業結構適應性越低，二者越不協調；反之，信息熵越小，系統越穩定，兩者協調發展，互利共贏。

綜合交通發展與區域產業結構適應性評價過程：

(1)先對初始數據xij(t)做歸一化處理

(9)

(2)求適應性的信息熵大小

(10)

(3)適應性均衡度

定義：Hj(t)=-H(t,pj)/lnn，且0≤Hj(t)≤1，其中Hj(t)為由信息熵函數構造的j指標對綜合交通與區域產業結構適應性的均衡度，在本文對綜合交通與區域產業結構適應性的研究中，均衡度代表三次產業之間比例均衡程度，其值越小代表三次產業之間分工更加合理，產業結構適應性更強。

(4)適應性優勢度

j指標的信息效用值取決于該項指標的均衡度Hj(t)與1的差值：Gj(t)=1-Hj(t)，Gj(t)為j指標對綜合交通發展與區域產業結構適應性的優勢度，可以間接地反映綜合交通發展與區域產業結構適應性的大小，是基于信息熵理論對適應性最直觀的反映指標，通過優勢度分析可以較快地判斷復雜系統的適應性強弱。

3實例應用

本文選取湖北省為研究對象，對其綜合交通發展與區域產業結構的適應性進行信息熵處理和適應性預測。根據《湖北省統計年鑒2013》歷史統計數據，以及上文各指標的計算公式，得到相應的各評價指標歷史取值如表1所示。

表1　評價指標歷史數據

續表1

年份主路網規模運網連通度路網綜合密度多式聯運比重貨運強度客運強度理論規模接近度路網等級線路所占比重20071.0471.1300.4910.1760.1760.0830.3990.80120080.0721.1650.4670.1680.2330.0800.4080.81620090.1211.2360.4670.1730.1980.0720.4260.85620100.1721.3120.4500.1660.1940.0670.4450.91120111.2071.3370.4310.1620.1930.0630.4570.92420121.2391.3670.4240.1860.2000.0610.4680.931

運用信息熵理論對評價指標進行信息熵、均衡度和優勢度處理，并運用MATLAB軟件進行灰色預測，其相應的數據處理結果如圖1所示。綜合交通與區域產業結構適應性優勢度評價等級劃分表見表2。

圖1　湖北省綜合交通與區域產業結構適應性信息熵、均衡度、優勢度Fig.1Information entropy, equilibrium degree, advantage degree of adaptability of Hubei comprehensive transportation and regional industrial structure

評價等級優勢度取值范圍綜合交通與區域經濟發展水平較差Gj(t)<0.15綜合交通與區域經濟適應性低,綜合交通發展水平很低,交通基礎設施無法滿足經濟發展的客、貨量需求,綜合交通與區域經濟可持續發展能力較弱,運輸服務水平無法滿足出行需求,綜合交通一體化、信息化水平和管理現代化程度低下。一般0.15≤Gj(t)<0.30綜合交通與區域經濟適應性較低,綜合交通發展水平較低,交通基礎設施基本能滿足經濟發展的客、貨量需求,綜合交通與區域經濟具有初步可持續發展能力,運輸服務水平基本可以滿足出行需求,基本建立了綜合交通運輸網絡,綜合交通一體化、信息化水平和管理現代化程度基本滿足區域經濟發展需要。良好0.30≤Gj(t)<0.50綜合交通與區域經濟適應性較好,綜合交通發展水平良好,交通基礎設施較為發達,運輸服務水平較高,可持續能力強,綜合交通運輸網絡能夠滿足區域經濟發展的需要,綜合交通一體化、信息化水平和管理現代化程度較好,與區域經濟外部經濟交流加大。優0.50≤Gj(t)≤1綜合交通與區域經濟適應性強,綜合交通發展水平高,具有完善的綜合交通運輸體系,能完全滿足區域經濟發展需要,并基本實現資源、環境協調發展,運輸服務水平、綜合交通一體化和信息化水平優秀。

根據以上數據處理結果(圖1、表2)可以看出，從2003年到預測年限2025年之間，湖北省綜合交通與區域經濟適應性大致經歷了三個時期：2003—2010年之間適應性較低，主要表現在綜合交通水平比較低，交通基礎設施無法滿足區域經濟發展的需要；2010—2024年湖北省綜合交通與區域產業結構處于一般水平，在這一時期綜合交通發展水平較低，運輸服務水平基本可以滿足出行需求，但區域經濟產業結構不夠合理，綜合交通一體化、信息化水平比較低；2024年以后為第三個時期，根據預測這一時期的適應性將達到良好水平，交通基礎設施較為發達，運輸服務水平基本可以滿足出行需求，綜合交通一體化、信息化水平和管理現代化程度較好，立體化綜合交通運輸網絡體系基本建成。

從2003年到預測年限2025年(圖1)，差不多每兩個五年計劃，湖北省的適應性會提升一個等級。總體上，湖北省綜合交通與區域產業結構適應性的信息熵與均衡度不斷下降，而優勢度不斷增加，表明湖北綜合交通與區域產業結構的適應性不斷增強，整個復雜系統不斷地進行自組織、自適應，區域經濟產業結構得到不斷調整、優化，促進了綜合交通的發展。反過來交通的建設發展又促進了湖北經濟的快速發展，進而優化區域經濟產業結構，這使得整個區域經濟與交通不斷進行協調發展，整個交通運輸與經濟系統內部向更穩定、結構更優和功能更強大的方向發展。

從2003年到中長期預測年限2025年之間，湖北省區域經濟產業結構適應性不斷降低。表明在這一時期里，湖北經濟系統由無序狀態向有序狀態過渡，產業結構系統由簡單系統逐漸向復雜系統升級。湖北省三產業結構不斷調整，三產業之間功能、職責、定位相互轉化、協調，分工趨向于更合理化，三產業之間聯系更加緊密，整個系統向適應性更強的方向發展。

根據信息熵的分析結果，湖北省綜合交通與區域經濟適應性現在還處于一般水平，所以在未來，湖北省應加大基礎設施建設，統籌區域經濟和交通規劃發展，擴大資源的配置范圍、配置效率以及配置力度，加強綜合交通運輸體系的規劃建設，實現各種運輸方式有效銜接，加大經濟產業結構調整，優化區域經濟產業結構，以經濟增長帶動交通發展，以交通發展促進經濟增長，不斷調節優化，逐步實現區域內系統最優。

4結論

適應性理論在土地利用結構及財政支出結構等領域具有豐富的研究成果，本文創新性地將適應性理論應用于綜合交通發展與區域產業結構適應性評價，利用系統信息熵的大小對比分析綜合交通發展與區域產業結構適應性強弱，豐富了適應性評價理論及方法。實例證明，信息熵理論可以應用于適應性評價，是一種較好的評價方法。利用信息熵代表系統無序程度這一特性，可以對比分析綜合交通與區域經濟發展協調性的強弱、綜合交通發展情況和經濟結構的優化程度，以及整個交通與社會經濟系統的穩定性和系統內部協調性。整個評價方法對交通運輸與經濟的發展具有一定的現實指導意義，如何提高評價方法的準確性以及構建指標體系的精確性將是下一步研究的主要內容。

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【交通運輸】

Information entropy based comprehensive transportation development

and regional industrial structure adaptability

YANG Yu-qi，JIA Yuan-hua，LI Hua-nan，JI Ya-peng

(School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

Abstract∶Close interaction exists between transportation and regional economic development.Their coordination degree is significant for integration and optimization of the whole system.We construct a comprehensive traffic development and evaluation index system of regional industrial structure adaptability from total fitness, competency and efficiency adaptabilities based on system analysis of comprehensive traffic and regional economic adaptability factors.We also perform a quantitative analysis based on information entropy theory.Adaptability evaluation is done, taking Hubei province as an example.Results show that evaluation index system and the method are effective.

Key words∶information entropy; adaptability; comprehensive transportation; regional industrial structure

中圖分類號：U11

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2015)04-0046-06

作者簡介：楊玉琪(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為交通運輸規劃與管理。Email：14120916@bjtu.edu.cn

收稿日期：2015-06-03

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.009