基于耦合協調度模型的綜合運輸體系支撐力研究

薛鋒，袁野

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都610031；2. 西南交通大學，綜合交通運輸智能化國家地方聯合工程實驗室，成都 610031；3. 西南交通大學，唐山研究生院，河北 唐山 063000）

0 引 言

綜合運輸系統結合了鐵路、公路、水路、管道和航空等各種交通方式，使其在各自的運輸范圍和社會活動中協調合作、有機運轉、共同構建整個地區的合理路網布局和運輸結構。每種運輸方式都有其特定的運輸特點、經濟性能以及使用價值，從開始的相對獨立到后來的相互銜接，是運輸生產力到達一定程度的必然結果。隨著科技的進步和經濟水平的提升，人們對于運輸的理解向多元化、立體化發展，運輸流程由簡入繁、環環相扣，運輸方式在互相競爭的同時，更多的是優勢互補。與此同時，各種交通運輸方式在不斷發展的過程中，運輸服務質量和運輸能力都被賦予了更高的要求，綜合運輸體系的壓力也越來越大。它的發展不僅要和生產力的結構布局相適應，而且在時間上還應具有同步性，這樣才能保證綜合運輸網和國民經濟的發展相適應。

眾所周知，綜合運輸體系是可以帶動經濟發展的巨大力量，交通運輸對區域經濟的發展具有聚集和拓展效應。亞當·斯密在《國富論》中指出“經濟的發展在于分工，分工在于市場的大小，市場的大小跟交通運輸的條件有關”。但不管是國外還是國內，關于綜合運輸體系和區域經濟之間的相互影響研究，主要集中于從直接效應和間接效應兩個方面探討基礎設施對區域經濟的影響機制，較少討論二者之間的相互作用機制，尤其是綜合運輸體系區域經濟支撐程度與匹配能力方面的研究更少。對于系統支撐能力的描述，崔旺來等對海洋支撐力進行了分析與評價，梳理了國內外界定科技支撐力的方式，構建了其指標評價體系，但分析角度過于單一[1]。王明全等利用協調發展模型和剪刀差方法對生態系統的支撐能力與社會經濟發展狀態以及兩者之間變化速率的耦合演化規律進行了研究[2]。蘇章全從資源環境多要素視角出發對滇中城市經濟圈的資源環境支撐能力進行了綜合評價，構建了以資源環境要素為主的綜合評價公式[3]。姚勝永等運用聚類分析和地理信息系統研究了河北省各縣市經濟指標與區域綜合交通支撐體系的相互關系[4]。以往的相關研究多采用定性分析，且指標體系構建代表性不強，與交通領域相關的支撐力研究甚少。本文提出綜合運輸系統支撐力的概念（綜合運輸系統支撐力是指在經濟與社會的發展進程中綜合運輸系統所能提供的起支柱和促進作用的抗壓力和拉動力），在此基礎上分析支撐體系的基本內涵、功能等，剖析其層次結構與系統特征情況，總結綜合運輸體系的基本特點以及影響其支撐力的因素，挖掘系統間相互作用機理，明確體系支撐力計算辦法，判斷綜合運輸體系與區域經濟的匹配度。

1 綜合運輸支撐力指標體系

1.1 指標體系建立的原則

綜合運輸支撐體系是一個多元而復雜的系統結構，要對其做出合理的評價，指標體系的設計是關鍵問題之一，以下是指標體系建立的相關原則：

（1）可靠性：在指標體系建立的過程中，可靠性是基礎，搜集的源數據科學可靠，對數據處理的方法合理有效，是最基礎也是最關鍵的原則，所搜集到數據的準確性會對指標的界定有最直接的影響。

（2）統一性：綜合運輸支撐力指標體系涉及多個方面，既相互獨立又相互統一，因此在建立指標體系時，應盡可能全面、完整、系統地對其進行詳細的分析和考證。

（3）實用性：為了使得整個過程更加高效，指標選取應當簡單為主，次要指標應當盡量縮減，可以將相關程度高的幾個指標合并成復合指標，使得各個指標都具有相對獨立性，避免指標之間的相互重疊和聯鎖關系[5]。

（4）可操作性：綜合運輸支撐力指標體系在結構和形式上都應充分考慮獲得的難易程度，并且要求按照一定的規范對其進行量化，使其具有可測性，在不同層次進行相應的不同側重，避免指標的單一化，最終確保建立的評價指標體系具有可操作性。

1.2 指標體系建立的結構

圖1 一元結構Fig.1 Unitary structure

圖2 線性結構Fig.2 Linear structure

圖3 塔式結構Fig.3 Tower structure

指標體系的結構與評價對象的復雜程度有關，常見的指標體系結構可分為一元結構、線性結構和塔式結構等，如圖1～3所示。一元結構和線性結構較簡單，可以對所評價的目標進行直接反映。塔式結構也稱為樹狀結構，需要對體系各層次之間的相互關系進行確定，相對前兩者也更加復雜。一元結構一般用于單指標評價，如社會、人口、政治等；線性結構則用來表示事物間存在著的某種平行或者順接關系；塔式結構需要對體系各個層次進行討論和劃分[6]，以便于對最終目標的抽象性進行描述，因此在各個領域的應用也較為廣泛。在評價的過程中，每個層次都需要清晰的描述，即得到每個要評價的指標，使整個指標體系更具有可靠性，更便于進行定量分析，能科學、客觀地對目標進行反饋。

在綜合運輸支撐力指標體系中，各個指標之間的關系較為復雜，系統內部、系統之間都存在一定的相互關聯、相互制約的特性，采用一元結構和線性結構不能全面的揭示各個指標之間的結構關系，不能科學地描述完整的指標體系，故本文采用塔式結構來構建綜合運輸支撐力指標體系。

1.3 綜合運輸支撐力指標體系的建立

綜合運輸支撐力體系的主要影響因素為路網布局和運輸能力[7]。路網布局反映了該交通系統的廣泛性和方便性，即“寬度”；運輸能力反映了該運輸系統的服務性和效率性，即“深度”。因此，本文選取路網布局和運輸能力作為描述綜合運輸系統支撐力的兩大主要因素。其中，線路里程體現了該種交通方式的基礎設施建設情況，密度、覆蓋率等指標可以在一定程度上反映其路網布局的均衡、全面；客運量、客運周轉量、貨運量、貨運周轉量、運輸設備數量等指標是該種交通方式運輸能力的外在表現形式。其他指標例如吸引力、抗風險能力、通達程度等，對指標體系構建原則的符合度不高，不予采用。本文構建的綜合運輸支撐力評價指標體系如圖4所示。

圖4 綜合運輸支撐力評價指標體系圖Fig.4 Indexing system of the supporting capability of comprehensive transportation systems

2 綜合運輸體系支撐力計算方法

2.1 指標的權重

由于每個運輸系統存在差異，其指標涵蓋的信息量不盡相同，因而它們對運輸系統的綜合發展程度的影響也不同。當某一項指標在不同運輸系統中的差異性體現較為明顯時，說明其信息量復雜，對系統整體的影響較大，因此對其賦予較高的權重。利用各項指標的變異程度，利用信息熵這個工具，可以對客觀數據進行整合，計算出各個指標的權重，為系統評價提供可靠依據，本文即采用熵值法對指標權重進行確定。

設xij為第i個系統中第j個指標的值（i=1,2,…,n;j=1,2,…,m），n與m分別為系統的數量與指標的數量。利用熵值法來確定各系統指標權重的步驟如下所示：

（1）計算第j項指標下的第i個系統指標值所占的比重pij：

（2）定義熵，第j項指標的熵值hj：

（3）計算第j項指標的差異性系數gj：

（4）定義熵權，計算指標的權重wj：

2.2 指標的無量綱化處理

綜合運輸支撐力體系的各個指標含義及量綱都不盡相同，具有一定程度上的不可公度性，因此需要對系統內各個指標進行無量綱化處理以便于統一比較和計算。無量綱化處理的方法有多種，如標準差法、極值差法、功效系數法等。本文采取極值差法對綜合運輸支撐力體系的指標進行無量綱化處理。設變量uij為第i個系統的第j個指標的績效系數，其計算公式為：

式中：xmin為指標j的最小值；xmax為指標j的最大值；績效系數uij表示目標達到的滿意程度，其絕對值越大，系統的目標越易于實現。0≤uij≤1，當uij=0時為最不滿意；當uij=1時為最滿意。

2.3 系統的綜合發展程度

系統i中所有指標對該系統的總貢獻是該系統的綜合發展程度的內在表現依據，總貢獻值越高（低），即系統綜合發展程度也越高（低），因此對于系統的綜合發展程度，可利用線性加權求和的方法來計算：

式中，wj表示第j個指標的權重；Ui表示第i個系統的綜合發展程度。

2.4 耦合度的計算方法

本文研究的綜合運輸系統包括鐵路、公路、航空和水運等，其各種運輸方式之間存在一定的相互作用與相互影響，各個系統共同促進、配合綜合運輸系統形成良性循環的發展態勢，耦合度就是用來描述這種協同狀態的度量。其評判公式如下：

式中，C表示各個系統之間的耦合度；Uj表示第j個系統的綜合發展程度。

2.5 耦合協調度的提出

單純運用耦合度來判斷系統間的相互作用關系會造成各系統發展同時偏低引起的耦合度偏高的偽協調，耦合協調度不僅能評判不同系統間相互耦合的協調程度，而且可以反映出不同系統發展水平的相對高低。其評判公式如下：

式中，D為耦合協調度，T為協調參數。

2.6 系統支撐力的計算方法

系統的支撐力是指在經濟與社會的發展進程中系統所能提供的起支柱和促進作用的抗壓力和拉動力。本文用系統內各子系統的綜合發展程度和子系統間的耦合協調度來表示系統的支撐能力，其評判公式如下：

式中，a、b、c、d、e為待定參數，0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1，0＜d＜1，-0.5＜e＜0.5，按照各類交通方式發展程度與評價系統的相關度確定各參數。比例系數設為100，與人們習慣的百分制標準相一致。

3 四川省綜合運輸體系支撐力分析

3.1 四川省交通現狀

四川推動交通運輸服務由原來的硬件為主逐步向軟硬并重加速轉變，落實公共交通優先發展戰略，以鐵路運輸為骨干、公路交通為基礎、其他交通方式為輔助的現代城鄉一體化交通運輸體系加快形成。

十二五期間，四川交通基礎設施建設掀起了前所未有的高潮，多種交通運輸方式建設齊頭并進，線路建設與樞紐設施建設同步推進。鐵路、公路、水運、航空各運輸方式得到了顯著的發展，全省的交通運輸布局發生了根本性的變化。高速公路大發展，鐵路、公路的路網建設骨架突出，初步形成了各種交通方式相互依存，協同合作的綜合運輸體系。

現階段，四川基本形成了以成都為中心的K字形鐵路網以及以成都為中心、放射狀的高速公路網和以成都為中心的民用航線網絡。鐵路、公路、航空三個交通網絡均以成都為中心呈放射狀分布，將省內的主要城市有機地聯結起來，形成了強大的綜合運輸樞紐[8]。

本文數據主要源于四川統計年鑒（2015年）、四川交通年鑒（2015年）、成都統計年鑒（2015年）、國家數據（2010—2014年）和成都鐵路局年鑒（2015年）。考慮到指標體系的原則性和獲取的難易度，選取鐵路營業里程、客運量、客運周轉量、貨運量、貨運周轉量以及鐵路運輸業就業人員數作為鐵路系統的評價指標；選取線路里程、客運量、客運周轉量、貨運量、貨運周轉量、公路密度、機動車擁有量、等級公路所占比和公路運輸業就業人員數作為公路系統的評價指標；選取航空線路里程、客運量、客運周轉量、貨運量、貨運周轉量、飛機架數、航空線路數和航空運輸業就業人員數作為航空系統的評價指標；選取內河航道里程、客運量、客運周轉量、貨運量、貨運周轉量、船舶擁有量和水上運輸業就業人員數作為水路系統的評價指標。各系統詳細數據見表1～4。

表1 鐵路系統支撐力評價指標體系Tab.1 Indexing system of the supporting capability of railway system

表2 公路系統支撐力評價指標體系Tab.2 Indexing system of the supporting capability of highway system

表3 航空系統支撐力評價指標體系Tab.3 Indexing system of the supporting capability of the aviation system

表4 水路系統支撐力評價指標體系Tab.4 Indexing system of the supporting capability of the water system

3.2 四川省綜合運輸體系支撐力計算與分析

通過對基礎數據的整理，運用第2節的計算公式得出鐵路、公路、航空、水路等系統的綜合發展程度以及各系統間的耦合協調度，結果如表5、6所示。

表6 綜合運輸系統耦合協調度Tab.6 Coupling coordinate of the comprehensive transportation system

用灰色關聯度來表示各類交通方式發展程度與評價系統的相關度，系統支撐力計算公式中的各參數確定如下：a=0.263，b=0.575，c=0.681，d=0.263，e=0。得到系統支撐力計算公式：

根據各系統綜合發展程度以及耦合協調度，得到綜合運輸系統支撐力，其結果見表7。

表7 綜合運輸系統支撐力Tab.7 Supporting capability of the comprehensive transportation system

四川省綜合運輸系統支撐力趨勢圖如圖5所示。

圖5 綜合運輸體系支撐力趨勢圖Fig.5 Trend line of the supporting capability of the comprehensive transportation systems

3.3 四川省綜合運輸體系支撐力與區域經濟的關系

四川省綜合運輸體系支撐力與地區生產總值之間存在一定的相互作用關系，通過前文計算所得數據，將其兩者的協調情況量化，用組合圖的形式更加直觀地表示出來，如圖6所示。從圖中可看出，綜合運輸體系支撐力與地區生產總值基本呈現正相關狀態，但隨著經濟的不斷發展，支撐力彈性系數有減小的趨勢，這預示著隨著日后區域經濟的發展，綜合運輸體系支撐力會出現滿足程度不足的可能，應采取相關措施，使綜合運輸體系支撐力能夠更好地適應經濟的發展，為其提供強有力的支持。

圖6 支撐力與地區生產總值關系圖Fig.6 Relationship between supporting capability and gross regional production

4 結 論

以鐵路、公路、航空和水路組成的綜合運輸體系為出發點，通過確定綜合運輸支撐力指標體系，將各子系統綜合發展程度與系統間耦合協調度相結合，提出綜合運輸體系支撐力的計算方法，使其量化，為之后的相關研究提供理論依據，通過研究分析得出以下結論：

（1）在鐵路、公路、航空和水路組成的綜合運輸體系中，公路運輸憑借其機動靈活、覆蓋率廣等特點，承擔了綜合運輸體系中大部分的運輸效用。除航空運輸綜合發展程度以年均17%的增長率持續穩步上升外，鐵路、公路、水路等運輸方式都出現了一定的波動性。

（2）綜合運輸系統耦合協調度雖然在總體上保持上升趨勢，但上升速度較為緩慢，應建立更加科學的鼓勵政策，提供良好的綜合運輸環境，使其更加和諧有序。同樣，綜合運輸系統支撐力與地區生產總值雖然態勢可觀，但支撐力已經呈現出疲軟傾向，這與各運輸子系統表現出的反復性有一定關系，應加快完善綜合運輸體系的運營模式，最大限度使各交通方式的效率發揮，真正形成多元化、全方位的綜合運輸體系。這樣才能不斷滿足飛速發展的區域經濟水平，為地區發展提供更有利的支撐。

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