四川秦巴山区绿色交通网络体系耦合分析

张江波， 林 敏， 刘志斌

(西南石油大学 理学院，四川 成都 610500)

四川秦巴山区绿色交通网络体系耦合分析

张江波， 林 敏， 刘志斌

(西南石油大学 理学院，四川 成都 610500)

四川秦巴山区绿色交通系统构建中的三大要素，农副产品资源、旅游资源与区位资源，与秦巴山区绿色交通运输方式之间有密切的关系。通过研究农副产品与公路运输之间的耦合关系，研究旅游资源与公路运输系统之间的耦合关系，以不同交通体系耦合作用下资源环境承载力的分析为例，分析了四川秦巴山区绿色交通网络系统与交通运输方式的耦合关系；探讨了四川秦巴山区东部丰富的农副产品资源如何依赖较为发达的公路交通网络，而西部丰富的旅游资源如何与当前广元—成都等铁路干线密切关联，区位资源、交通运输方式如何与资源环境承载力密切相关等问题.

绿色交通； 交通网络； 耦合分析；秦巴山区

四川秦巴山区位于秦巴山区的西南方，连通秦岭、巴山两大山脉，涵盖绵阳、广元、南充、达州和巴中五市，总人口约1 735万人，涉及25个县(市、区)、619个乡镇、6 998个建制村，幅员面积61 800 km2,是秦巴山区北接关中-天水经济区、东临中原经济区、西毗成渝经济区、南倚长江黄金水道经济带的重要组成部分。截至2010年底通车总里程40 069 km，公路网密度86.66 km/km2。其中国省道1 983 km，农村公路37 857 km，专用公路229 km。 生态环境复杂脆弱，自然保护区众多。由于秦巴绿色生态系统的特殊性和脆弱性[1]，以及国家对秦巴山区扶贫攻坚的重要性，迫切需要构建“成本最小化、利益最大化且资源环境承载力最小化”为核心要求的四川秦巴山区绿色交通系统，其中农副产品、旅游资源和区位资源作为三大绿色交通要素。而构建绿色交通系统要素之后分析要素之间的关系，以及分析要素与交通运输方式之间的关系显得尤为必要。因此，本文着重分析绿色交通要素与交通运输方式之间的耦合关系，以及不同交通运输方式之间的耦合关系。

1 系统耦合分析

系统之间的耦合(coupling)指具有相近相通，又相差相异，既有静态的相似性，也有动态的互动性[2]。这与物理系统和生物系统的耦合性相区别[3]，系统耦合一般刻画抽象系统之间的相关关系。物理上的耦合是指多个系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响的现象[4]；生物学上的耦合是多个性质相近的生态系统具有互相亲近趋合，当条件成熟时它们可以结合为一个新的高一级的系统结构[5]。

从一般意义而言，系统耦合是指多个系统在一定条件下，通过能流、物流和信息流的超循环作用，形成新的耦合系统的系统进化过程。其中耦合系统中具有耦合子系统，子系统之间的耦合是复杂系统进化的基本现象，也是复杂系统形成的基本过程[6]。分析系统耦合的目的是采取措施对具有耦合关系的系统进行引导、强化，促进两者良性的、正向的相互作用，相互影响，激发两者内在潜能，从而实现两者优势互补和共同提升。

交通系统是多功能、多层次的复杂人工系统，它具有自组织、自适应功能。交通系统内部各种要素间的耦合以及交通系统与经济社会发展要素之间的耦合研究是构建符合社会经济发展需要的综合交通系统的关键，也是综合交通系统规划的基础。本文研究的系统耦合指交通运输方式构成的子系统与绿色交通要素子系统之间的耦合，即秦巴山区交通要素系统与交通运输系统这两个系统间的动态互动性和相互作用相互影响的关系。秦巴山区四川地区交通线路的耦合关系研究是打破原有系统界限，将各个子系统的关联要素，根据自然关联的原则，进行重新组合，形成具有自组织结构的、系统内各要素具有能动性的绿色交通系统。

2 绿色交通要素与交通运输方式的耦合分析

将重点从农副产品要素与公路交通和旅游资源与公路交通出发，分析农副产品构建的子系统与公路交通网络构建的子系统之间的耦合关系，以及公路交通网络子系统与旅游资源构建的子系统之间的耦合关系。

2.1 农副产品要素与公路交通耦合分析

首先从农副产品要素与高速公路的角度分析：公路网是支撑秦巴山区绿色交通发展的基础条件(图1)，而绿色交通构建要素农副产品是秦巴山区绿色交通体系的基本要素之一，因此公路与绿色交通农副产品要素的关系分析具有重要的意义。

从图2可见，秦巴山区四川部分高速公路与农副产品加工点具有一定的相关关系，即加工点往往处于高速公路或者河流边上。考虑到农产品加工点成品走出秦巴山区的问题，则要考虑加工点资源流向成渝经济区的问题。基于秦巴山区调研数据[7-11]，分析此复杂网络上的货物流量问题，复杂网络拓扑分析最关键的问题是利用合理规则处理现实中的交通网络，并考虑如下时不变的网络运输问题。

图1 四川秦巴山区高速公路网络

利用公路交通原有拓扑进行建模，假设物流量是固定的(即每个加工点的月单位加工量都是定值，这方面的数据往往要基于每年当地的生产能力，而往往也受到天气、灾害环境发生、经济等因素产生较大的波动)，基于节点度、Hub点和聚类系数的概念，将这14个农产品加工节点加工量以及成都和重庆市月需求量分别用Ai(i=1，2，…，14)，B1，B2表示，显然，根据实际背景，假设这是一个供不应求的关系，即需求量远大于加工量。用X表示农副产品的月平均单位利润。基于秦巴山区高速公路的网络拓扑结构，对于经济效益与交通流分析方面，可应用运筹学最大流算法进行优化处理。

图2 四川秦巴山区高速公路与农产品加工节点

其方法为：分别记普通公路，省级高速公路和国家级高速公路的最大流量为c1，c2和c3，c1

图3 四川秦巴山区高速公路与农产品加工节点网络拓扑

结合复杂网络中度的概念，可以发现巴中地区平昌到达州的公路交通较为脆弱(节点A11至A14)，即若发生泥石流等地质灾害，巴中地区通向广元与其他地区的交通容易中断，并对巴中地区的农产品经济造成巨大影响。

从四川省内秦巴山区农副产品与成渝经济圈关联的角度来看，对于农产品要素应该加强巴中平昌段到达州段的交通建设，抑或加大力度建设从巴中到仪陇段的交通路线。类似地，我们可以从四川省外关中经济区、华中经济区、中原经济区、甘肃兰州经济带的地理位置角度来分析四川秦巴山区高速公路建设与农产品加工节点之间的关系。以汉中、安康、陇南为外部需求节点，可以绘制最优运输路线如图4所示。

利用类似的方法，可以发现，通江段至万源市的公路处于秦巴山区地段，交通脆弱；而南江县至陕西汉中经过光雾山国家森林公园，环保压力较大。因此，从省外因素考虑，也要加强广元与万源之间的横向交通路线建设，增强巴中地区的农副产品走出去的能力；而适当减弱旅游路线以及山区交通脆弱地段的农副产品资源流，减少机会损失成本。

2.2 旅游资源与公路交通耦合分析

利用类似的方法，可以分析旅游与公路交通之间的相互关系以及交通脆弱性。核心问题是，秦巴山区四川部分的周边主要城市、如汉中、安康、成都、重庆、陇南到达各个旅游节点的总时间在怎样的公路等级设计并考虑环保、道路安全等条件下以各个城市到达任意旅游节点的总时间最短为目标。这是一个网络最优化问题，通过类似的复杂网络分析得出，以图5为要点，其中蓝色旅游资源点代表附近存在多于10个旅游目的地，平武县的公路等级可以适当加强以适合当地旅游资源发展，南江地区的旅游公路等级也可以加强以适应当地旅游资源的发展。

图5 秦巴山区四川旅游资源与相关公路路线

关于区位因素与公路交通的关系，可以通过分析公路交通网络的度数，并基于前两点分析未来需求量较大的节点，总结如下：①秦巴山区四川部分从农副产品要素角度考虑，未来巴中通江可以比较便利地连接秦巴山区四川部分以北经济带和成渝经济带，是一个比较好的农副产品资源公路交通Hub点；②从秦巴山区旅游要素角度考虑，既已形成的公路Hub点主要是西段的广元市，这是一个既定的但比较合理的旅游资源公路交通Hub点。

3 不同交通运输方式之间的耦合研究

从典型的公路交通与铁路交通的耦合角度考虑，因为四川秦巴山区物产运输方式从公路交通转变到铁路交通较为固定，以及四川秦巴山区东段铁路交通的稀疏性，分析了旅游要素与铁路、公路交通运输方式的耦合。并由经济成本问题约束条件较为固定，分析了环境影响的机会成本问题。

基于绿色交通的要求，分析交通运输方式不同的组合对于秦巴山区绿色生态环境的影响程度，这里假定公路的环境破坏能力大于铁路的环境破坏能力(单位时间单位旅客的维护环境的成本)。用K表示公路对绿色生态的影响程度(单位时间单位旅客单位路长上的维护费用)，L表示铁路对绿色生态的影响程度，M表示水运对绿色生态的影响程度。其中航空的影响程度忽略不计。基于网络拓扑结构上的分析，可以构建如下以最小生态破坏程度的最优化模型：

(1)

上述模型，一方面能够帮助刻画不同交通运输方式下资源环境承载力度，另外也可以帮助分析在资源环境承载力度一定的情况下，如何安排公路、铁路和水运这3类交通运输方式；另外如果要考虑这3种交通运输方式的成本，可以在将上述模型推广到以最小资源环境承载力为主要目标以及最小成本为次要目标的多目标优化模型，也可以将资源环境承载力放置在限制条件中并以最小成本为目标的单目标优化模型。因此这类优化模型可以推广到考虑资源环境承载力，不同交通运输方式的成本甚至不同线路(i到j)上交通运输方式成本的多目标优化模型，具有相当广泛的理论意义和实际价值。当然，基于数据上的多方位要求，实际这部分后续工作需要任重而道远[13]。

从上述模型中，基于此网络上不同运输方式下成本最小化模型，可以适当优化四川秦巴山区五地区客流量的交通运输渠道，以此实现对四川秦巴山区绿色环保以及绿色交通的最优化。上述的要素研究与交通运输方式的关系强度可以综合如图6所示，其中的细线表示基于当前的交通系统分析得出的关系较为疏远的部分。

图6 秦巴山区要素与交通运输方式关系强度

4 结语

由于四川秦巴山区绿色交通构建的需求，本文基于四川秦巴山区绿色交通系统中绿色交通要素农副产品、旅游资源和区位资源的构建基础，在充分掌握四川秦巴山区交通现状的基础上，分析并阐述了交通要素与交通运输方式两个子系统之间的关系：(1)分析了秦巴山区农副产品要素与公路交通运输方式之间的耦合关系，构造了相关公路交通运输网络并分析农副产品资源节点在此网络上的互动的耦合关系；(2)分析了秦巴山区绿色交通要素旅游资源与交通运输方式公路交通之间的耦合关系，类似地分析了旅游资源节点与公路交通网络之间互动的耦合关系；(3)构建了几种交通运输方式网络下资源环境承载力的最小化数学模型，分析了模型的特征以及相关不同运输方式之间的耦合关系。上述几类分析方法可以推广到旅游资源与铁路要素，区位资源与铁路公路水运3种交通运输方式之间的耦合关系等等。本文交通网络上资源流分析表明了不同运输方式对于资源环境不同承载力条件下绿色交通合理安排运输方式的重要作用，并通过交通运输方式的分析说明现有的交通网络与绿色要素之间的强弱关系。

不同于传统交通内部因素的耦合分析[6]，本文基于“成本最小化、利益最大化且资源环境承载力最小化”的绿色交通核心要求，深入分析了绿色交通体系要素与主要交通运输方式的耦合关系，尤其是农副产品资源与公路交通体系，旅游资源与公路交通体系，交通运输方式与资源环境承载力之间的关系。这些模型的建模思想具有借鉴性和推广性。此类优化模型的构建思想和相关分析方法是绿色交通网络体系构建的重要方法之一，可为日后秦巴山区交通网络建设提供一定的参考依据，并推动四川秦巴山区绿色资源和绿色经济的可持续发展。

[1]国务院扶贫办.秦巴山片区区域发展与扶贫攻坚规划(2011—2020年)[R].中国：国务院扶贫办，2012.

[2]方创琳，杨玉梅.城市化与生态环境交互耦合系统的基本定律[J].干旱区地理，2006，29(1)：1-8.

[3]洪嘉振，尤超蓝.刚柔耦合系统动力学研究进展[J].动力学与控制学报，2004，2(2)：1-6.

[4]钱学森.一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论[J].上海理工大学学报，2011，(6)：526-532.

[5]任继周，李向林，侯扶江.草地农业生态学研究进展与趋势[J].应用生态学报，2002，13(8)：1017-1021.

[6]王久梗，何蓉.交通运输系统的耦合过程分析[J].铁道经济研究，2011，(6)：5-8.

[7]绵阳市发展和改革委员会.绵阳市交通运输“十三五”发展规划[R].四川：绵阳市发改委，2015.

[8]巴中市发展和改革委员会.巴中市综合交通枢纽发展规划[R].四川：巴中市发改委，2012.

[9]达州市发展和改革委员会.达州市“十三五”规划思路[R].四川：达州市发改委，2015.

[10]南充市交通运输局.南充市交通运输局总结(2011—2014年)[R].四川：南充市发改委，2014.

[11]广元市发展和改革委员会.广元市“十三五”交通发展规划[R].四川：广元市发改委，2015.

[12]巴中市发展和改革委员会.巴中市山区现代农业发展规划[R].四川：巴中市发改委，2013.

[13]黄玖菊，李永玲.我国绿色交通研究综述[J].福建建筑，2012，(9)：56-60.

Coupling Analysis on Green Transport System in Sichuan Qinba Mountain Areas

ZHANGJiang-bo，LINMin，LIUZhi-bin

(College of Science,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Three elements of Green Transport in Sichuan Qinba Mountain Areas,including subsidiary agricultural products,tourist resources and location resources,are connected with the modes of green transportation in this region.By studying the relations between agricultural products and motor transportation mode,tourist resources and motor transportation mode,and carrying capacity of resources and environment under different transportation mode,the paper analyses the coupling relations between green traffic network system and transportation modes,and discusses the following problems,including how the rich agricultural products in the east of Sichuan Qinba Mountain Areas depend on the motor transportation network,how the tourist resources in the western Sichuan Qinba Mountain Areas correlates with the railway networks such as Guangyuan-Chengdu railway,etc.and how the carrying capacity of resources and environment relates with locations and different transportation modes.

green transportation;traffic network system;coupling analysis；Qinba Mountain Areas

10.3969/j.issn.1009-4210.2016.02.018

2016-03-10

中国工程院重大咨询项目 (2015-ZD-05-09-05)；四川省发改委重点课题项目(ZH2015038)

张江波(1985—)，男，博士，从事多智能体系统研究和舆论动力学研究。E-mail:eridalin@163.com

U491(271)

A

1009-4210-(2016)02-102-07