基于信息熵的综合交通发展与区域产业结构适应性研究

杨玉琪，贾元华，李桦楠，姬亚鹏

(北京交通大学交通运输学院，北京 100044)



基于信息熵的综合交通发展与区域产业结构适应性研究

杨玉琪，贾元华，李桦楠，姬亚鹏

(北京交通大学交通运输学院，北京 100044)

摘要：交通运输与区域经济发展之间存在着密切的相互作用关系，二者之间的协调程度对于整个系统的集成、优化具有重要意义。本文在对综合交通与区域经济适应性影响因素进行系统分析的基础上，从总量适应度、能力适应度和效率适应度三个维度构建了综合交通发展与区域产业结构适应性评价指标体系，基于信息熵理论对其行了定量分析。以湖北省为例，进行了适应性评价。结果表明，构建的评价指标体系及方法有效。

关键词：信息熵；适应性；综合交通；区域产业结构

随着我国经济持续快速增长，交通运输作为经济发展的基本需要和先决条件，其地位和作用已得到充分显现。综合交通与区域经济发展是一项复杂的系统工程，两者相互促进、协调发展，一方面综合交通运输体系的完善促进了区域产业结构调整，反过来，区域产业结构调整又促进了综合交通运输体系的建设，而交通运输与区域产业结构适应性则是该复杂系统的优化与集成问题，也是该系统不断进行的自组织自适应过程[1]。

对于交通运输与经济发展适应性理论，国内学者早有研究。贾元华[2]在2002年提出了高速公路经济适性应概念，从系统工程的角度出发，对我国高速公路建设和管理发展过程中的经济适应性问题进行了探讨，认为高速公路的经济适应性包括规划方案、投资建设体制、投资效果以及经营管理体制的适应性；周伟等[3]从公路交通与经济发展适应性的概念出发，提出了公路交通与经济发展适应性分析的木桶理论，以规模、结构、功能、布局、发展速度、投资特性和管理与法制7个方面12项具体指标，构建了公路交通与经济发展适应性评价指标体系；Brown等[4]应用复杂适应系统理论对基础设施的相关性及其评估进行了研究，提出基础设施是一个复杂的相互关联、相互依存的自适应系统，通过对基础设施相互依存关系的分析，对基础社会发展计划的影响及可能产生的风险进行了研究；刘冰[5]从交通运输对经济的负效应着手，分析了区域及其划分方法、交通运输与区域经济的数量关系，并对上海市交通运输指标与经济指标进行了定量分析；王双[6]运用灰色关联度模型，从交通运输系统与区域经济系统的动态适应性和静态适应性两个角度出发，分别对公路、铁路、航空和水运四大运输系统与贵州经济系统进行协调性评价。

在评价方法选取方面，Prudes等[7]从社会、经济和环境等层面，分析了大型交通基础设施的社会经济影响机制，提出自适应的方法有助于实现可持续运输和可持续发展；刘奕[8]建立了基于CAS理论的高速公路经济适应性定量分析仿真模型，实现了对区域高速公路经济适应性的分析、预测和评价；卢青[9]从协调发展、供需均衡和可持续发展三个方面分析了公路交通经济适应性，以协调发展度、潜在供需度、资源利用效率和环境友好指数为基础构建了适应性评价指标体系，并选取DEA评价模型、Malmquist生产效率指数对适应性进行评价；郑达[10]从总量规模、运输结构、规划布局和服务水平四个维度，构建了区域综合交通系统经济适应性评价指标体系，并运用AHP-Entropy的多级可拓评价方法对建立的指标体系进行定量评价。

本文在前人研究的基础上，从系统工程的角度出发，认为综合交通与经济社会发展的适应性应包含两层含义，一是经济社会发展水平决定综合交通基础设施建设的规模、速度和发展趋势，即综合交通体系要与经济社会发展水平相匹配；二是综合交通体系的建设对经济社会发展起到引导、促进或制约、阻碍作用。

本文围绕适应性定义，引入信息熵理论对综合交通发展与区域产业结构适应性进行了评价。

1评价指标体系的建立

综合交通与经济适应性是子系统与大系统之间的适应性，按照综合交通与区域产业经济互动的发展理念，本文从指标体系构建的系统性、客观性、准确性、目的性和可评价性原则出发，在对交通运输与经济适应性影响因素进行系统分析的基础之上，从总量、能力和效率三个不同的方面分别综合分析了适应性影响因素，使构建的评价指标能够更好地反映交通运输与区域经济的适应性。

总量适应度代表区域经济发展对交通运输的供给有定量的需求，主要表现在对交通的基础设施建设和服务水平提供上，在总量上要满足供需平衡关系。能力适应度要求交通运输供给能力要满足区域经济发展的需求能力，是从能力方面定义交通运输与区域经济的适应性。效率适应度即任何复杂系统、工作和任务都要考虑效率，效率是考核指标完成程度的主要因素，也是系统集成和优化的依据，交通运输与经济系统也不例外，所以选取效率指标来综合考虑整个复杂系统的适应性的强弱。这三个方面能较好地反映综合交通与区域经济的适应性，能够从整体上把握复杂系统的主体特征，使构建出来的评价指标体系具备更强的系统性、科学性、准确性和可研究性。

1.1总量适应度评价指标

总量适应度评价指标，是指区域经济的发展对综合交通有定量的需求，即综合交通运输系统提供的运输服务供给总量要与区域经济社会对综合交通的需求总量相适应，总量适应度评价指标分为货运强度、客运强度和理论规模接近度三个指标。

(1)货运强度

货运强度是指货物周转量与国内生产总值(或工农业产值、工业产值)的比值，反映社会生产对货运方面的需求。

货运强度=货物周转量/GDP。

(1)

(2)客运强度

客运强度是旅客周转量与人口的比值。与货运强度指标类似，客运强度指标的大小可以判断运输业与国民经济发展之间的适应关系。

客运强度=旅客周转量/总人口。

(2)

(3)理论规模接近度

该指标反映运输网络建设规模的适应程度，一个国家或地区的运网规模与该国家或地区的经济发展水平和人口密度关系最为密切，运用国土系数理论可以较好地分析在一定时期运网线路的合理长度

(3)

其中，α为理论规模接近度；L为运网线路实际总长度，km；P为人口数量，万人；A为区域面积，km2。

1.2能力适应度评价指标

能力适应度评价指标，是指综合交通发展的供给能力要适应区域经济发展的需求能力，主要体现在综合交通的发展要与经济增长的需要相适应，主要分为主路网规模、运网连通度和综合交通运网综合密度三个指标。

(1)主路网规模

主路网规模能够反映某一区域交通基础设施建设发展规模。

主路网规模=主路网里程/面积。

(4)

(2)运网连通度

运网连通度是综合反映路网各节点间的连接程度。

(5)

其中，D为运网连通度；L为综合运输运网里程，(万公里)；N为区域城镇数，(个)；A为区域面积，(万平方公里)。

(3)综合交通运网综合密度

综合交通运网综合密度反映了综合交通运输体系建设的总体规模水平，通过不同地区之间的横向比较，可以评价综合交通体系宏观规模合理性[11]，其计算公式为

(6)

其中，δ为综合交通运网综合密度；A为区域土地面积，km2;P为区域总人口，万人；Q为区域工农业(包括商业运输)总产值，万元；L为第i种交通运输车总里程，km;n为不同种运输方式种类数。

1.3效率适应度评价指标

效率适应度评价指标，是指综合交通系统内部各子系统之间分工合理、密切合作和协调发展，综合交通系统与外部经济社会环境相协调、适应，系统供需结构匹配，其指标主要包括运网等级线路所占比重以及多式联运比重两项指标。

(1) 运网等级线路所占比重

该指标是指综合交通系统内各交通方式等级线路所占比重的算数平均值。该指标越高表明路网中高等级道路所占的比重越大，运网建设水平越高。

(7)

其中，φ为运网等级线路所占比重；ki为第i种交通方式等级线路所占比重。

(2) 多式联运比重

该指标指铁水、公水、公铁等多式联运货运量占总货运量的比重。

(8)

其中，ϑ为多式联运比重；ζ为铁水货运量；ω为公铁货运量；θ为总货运量。

2评价方法的选取

基于上文适应性评价指标体系建立的基础之上，运用信息熵理论对评价指标进行定量分析，并运用灰色预测模型对未来的适应性进行预测。

Shannon于1948年提出的熵(Entropy)的概念代表着一种“不确定性”度量，系统的熵越大代表系统内部越无序，系统的紊乱性越强;反之则系统内部结构越稳定，外部功能越强[12]。基于信息熵理论，综合交通发展与区域产业结构适应性信息熵可以综合反映研究区域内综合交通发展情况以及区域产业结构利用程度，信息熵越大，代表综合交通发展与区域产业结构适应性越低，二者越不协调；反之，信息熵越小，系统越稳定，两者协调发展，互利共赢。

综合交通发展与区域产业结构适应性评价过程：

(1)先对初始数据xij(t)做归一化处理

(9)

(2)求适应性的信息熵大小

(10)

(3)适应性均衡度

定义：Hj(t)=-H(t,pj)/lnn，且0≤Hj(t)≤1，其中Hj(t)为由信息熵函数构造的j指标对综合交通与区域产业结构适应性的均衡度，在本文对综合交通与区域产业结构适应性的研究中，均衡度代表三次产业之间比例均衡程度，其值越小代表三次产业之间分工更加合理，产业结构适应性更强。

(4)适应性优势度

j指标的信息效用值取决于该项指标的均衡度Hj(t)与1的差值：Gj(t)=1-Hj(t)，Gj(t)为j指标对综合交通发展与区域产业结构适应性的优势度，可以间接地反映综合交通发展与区域产业结构适应性的大小，是基于信息熵理论对适应性最直观的反映指标，通过优势度分析可以较快地判断复杂系统的适应性强弱。

3实例应用

本文选取湖北省为研究对象，对其综合交通发展与区域产业结构的适应性进行信息熵处理和适应性预测。根据《湖北省统计年鉴2013》历史统计数据，以及上文各指标的计算公式，得到相应的各评价指标历史取值如表1所示。

表1　评价指标历史数据

续表1

年份主路网规模运网连通度路网综合密度多式联运比重货运强度客运强度理论规模接近度路网等级线路所占比重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

运用信息熵理论对评价指标进行信息熵、均衡度和优势度处理，并运用MATLAB软件进行灰色预测，其相应的数据处理结果如图1所示。综合交通与区域产业结构适应性优势度评价等级划分表见表2。

图1　湖北省综合交通与区域产业结构适应性信息熵、均衡度、优势度Fig.1Information entropy, equilibrium degree, advantage degree of adaptability of Hubei comprehensive transportation and regional industrial structure

评价等级优势度取值范围综合交通与区域经济发展水平较差Gj(t)<0.15综合交通与区域经济适应性低,综合交通发展水平很低,交通基础设施无法满足经济发展的客、货量需求,综合交通与区域经济可持续发展能力较弱,运输服务水平无法满足出行需求,综合交通一体化、信息化水平和管理现代化程度低下。一般0.15≤Gj(t)<0.30综合交通与区域经济适应性较低,综合交通发展水平较低,交通基础设施基本能满足经济发展的客、货量需求,综合交通与区域经济具有初步可持续发展能力,运输服务水平基本可以满足出行需求,基本建立了综合交通运输网络,综合交通一体化、信息化水平和管理现代化程度基本满足区域经济发展需要。良好0.30≤Gj(t)<0.50综合交通与区域经济适应性较好,综合交通发展水平良好,交通基础设施较为发达,运输服务水平较高,可持续能力强,综合交通运输网络能够满足区域经济发展的需要,综合交通一体化、信息化水平和管理现代化程度较好,与区域经济外部经济交流加大。优0.50≤Gj(t)≤1综合交通与区域经济适应性强,综合交通发展水平高,具有完善的综合交通运输体系,能完全满足区域经济发展需要,并基本实现资源、环境协调发展,运输服务水平、综合交通一体化和信息化水平优秀。

根据以上数据处理结果(图1、表2)可以看出，从2003年到预测年限2025年之间，湖北省综合交通与区域经济适应性大致经历了三个时期：2003—2010年之间适应性较低，主要表现在综合交通水平比较低，交通基础设施无法满足区域经济发展的需要；2010—2024年湖北省综合交通与区域产业结构处于一般水平，在这一时期综合交通发展水平较低，运输服务水平基本可以满足出行需求，但区域经济产业结构不够合理，综合交通一体化、信息化水平比较低；2024年以后为第三个时期，根据预测这一时期的适应性将达到良好水平，交通基础设施较为发达，运输服务水平基本可以满足出行需求，综合交通一体化、信息化水平和管理现代化程度较好，立体化综合交通运输网络体系基本建成。

从2003年到预测年限2025年(图1)，差不多每两个五年计划，湖北省的适应性会提升一个等级。总体上，湖北省综合交通与区域产业结构适应性的信息熵与均衡度不断下降，而优势度不断增加，表明湖北综合交通与区域产业结构的适应性不断增强，整个复杂系统不断地进行自组织、自适应，区域经济产业结构得到不断调整、优化，促进了综合交通的发展。反过来交通的建设发展又促进了湖北经济的快速发展，进而优化区域经济产业结构，这使得整个区域经济与交通不断进行协调发展，整个交通运输与经济系统内部向更稳定、结构更优和功能更强大的方向发展。

从2003年到中长期预测年限2025年之间，湖北省区域经济产业结构适应性不断降低。表明在这一时期里，湖北经济系统由无序状态向有序状态过渡，产业结构系统由简单系统逐渐向复杂系统升级。湖北省三产业结构不断调整，三产业之间功能、职责、定位相互转化、协调，分工趋向于更合理化，三产业之间联系更加紧密，整个系统向适应性更强的方向发展。

根据信息熵的分析结果，湖北省综合交通与区域经济适应性现在还处于一般水平，所以在未来，湖北省应加大基础设施建设，统筹区域经济和交通规划发展，扩大资源的配置范围、配置效率以及配置力度，加强综合交通运输体系的规划建设，实现各种运输方式有效衔接，加大经济产业结构调整，优化区域经济产业结构，以经济增长带动交通发展，以交通发展促进经济增长，不断调节优化，逐步实现区域内系统最优。

4结论

适应性理论在土地利用结构及财政支出结构等领域具有丰富的研究成果，本文创新性地将适应性理论应用于综合交通发展与区域产业结构适应性评价，利用系统信息熵的大小对比分析综合交通发展与区域产业结构适应性强弱，丰富了适应性评价理论及方法。实例证明，信息熵理论可以应用于适应性评价，是一种较好的评价方法。利用信息熵代表系统无序程度这一特性，可以对比分析综合交通与区域经济发展协调性的强弱、综合交通发展情况和经济结构的优化程度，以及整个交通与社会经济系统的稳定性和系统内部协调性。整个评价方法对交通运输与经济的发展具有一定的现实指导意义，如何提高评价方法的准确性以及构建指标体系的精确性将是下一步研究的主要内容。

参考文献：

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【交通运输】

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

中图分类号：U11

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2015)04-0046-06

作者简介：杨玉琪(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为交通运输规划与管理。Email：14120916@bjtu.edu.cn

收稿日期：2015-06-03

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.009