高速铁路网络对可达性的影响分析——以湖南省为例

钱晓彤，史峰，赵烁，徐光明

(中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)



高速铁路网络对可达性的影响分析
——以湖南省为例

钱晓彤，史峰，赵烁，徐光明

(中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

摘要:以县级行政建制为基本单元节点，在公路网络及城市交通网络的基础上，讨论高铁开通前后，各单元节点交通可达性的变化状况。采用加权平均出行时间为可达性指标，结合高铁开行方案的发车频率、停站方式及乘客等待时间，计算单元节点的可达性变化值，分析高速铁路网络对可达性的影响以及站点高铁可达频次对所在节点可达性的影响情况。以湖南省为例，将其划分为122个单元节点，分别得到各单元节点的潜在区域优势以及交通可达性的空间形态，对高铁网络的建设及开行提供参考依据。

关键词：可达性；加权平均出行时间；高速铁路；区域空间结构

随着高速铁路的快速发展，旅客的出行时间逐渐缩短，区域空间结构发生改变，时间和空间不断被压缩，为人们跨区域通勤出行提供了便利条件。可达性简单来说就是指从一个地方到另一个地方的容易程度[1]。利用可达性指标可以反映区域优势和区域的潜在实力，而区域潜力直接影响着经济、人口流动、就业问题等，相对来说可达性越高的地区，人口、就业机会、经济以及人们的生活质量就会越高，同样的人们会根据可达性的高低选择出行计划，商家在选址的时候也会选择可达性高的地区。对于可达性的研究主要有最短距离、可达性系数、加权平均出行时间和经济潜力模型等方法。最短距离就是网络中某评价节点到所有设定终点的最短距离的总和，值越小可达性就越好。这种方法便于计算和解释，但是只考虑了一种参数过于单一，仅仅依赖于2个节点间的位置关系。张兵等[2]运用时间距离计算了湖南公路网络的可达性。可达性系数主要指网络中某节点到其他节点的总运输距离与各节点的总运输距离平均值的比。这种度量方法将整个网络考虑进来，但同样只考虑了节点的位置与交通网络。金凤君等[3]提出了可达性系数的概念并以此分析中国铁路网络扩展及可达性。加权平均出行时间指标是一个评价节点到各中心的时间测度，这种评价方法与中心节点的实力密切相关，同样2节点间的交通网络也直接影响了可达性指标。Gutiérrez[4]运用加权平均出行时间计算了马德里—巴塞罗那—法国边界的可达性。经济潜力模型的评价结果是与中心节点的规模和实力成正比，与评价节点到中心节点的的时间、距离、费用成反比。但潜力模型的结果存在随距离的增加逐步衰减，一般要采用距离衰减函数，并且节点的规模对结果影响大，因此在规模较大的节点上费用的影响差异小。Vandenbulcke等[5]运用经济潜力模型计算得到比利时可达性空间格局图。Zhu等[6]通过分析新加坡地铁对当地出行的影响，发现新建地铁对东北部出行可达性有提高作用。蒋海兵等[7]比较有无京沪高铁2种情形下京沪地区中心城市可达性空间格局变化，探讨高铁对中心城市可达性的影响。罗鹏飞等[8]以沪宁地区为例，探讨高铁对沿线地区可达性的影响并进行有效评价。王缉宪等[9]则讨论了高速铁路对城市空间演变的影响。本文采用加权平均出行时间为可达性的评价指标，分析高铁开通前后各区域的可达性变化值。以县级行政建制为单位，将湖南省划分为122个节点，节点间的交通网络弧段由城市道路交通、普通公路、高速公路及高速铁路组成，并分别定义不同交通方式下的出行时间费用。通过ArcGIS平台构建网络数据集，计算122个节点的可达性值，并利用二维平面得到节点可达性的空间位置关系，分析高速铁路网络对可达性的影响以及站点高铁可达频次对所在节点可达性的影响情况。

1评价单元的选择与网络构造

1.1评价单元的选择

选择县级行政建制为评价节点，县级行政建制主要包括城市市区、县级市和县。选择县级行政建制为单位的原因是因为每个县级行政建制单位都可以作为一个独立的经济个体，并且各个单元节点均匀分布在湖南省内，可以准确反映各区域的可达情况。而节点数目越多，在进行空间插值时就可以得到更加准确的结果。并且将城市以市区的形式表达，加入了区与区之间的时间费用，更准确地反映了城市内部到达的时间成本。

湖南全省现有13个地级市、1个自治州，其中包含了16个县级市、71个县(其中7个自治县)、35个市辖区，计122个县级行政建制，因此选择122个节点作为评价单元。

1.2网络构造

节点之间的交通网络主要由城市道路交通、普通公路、高速公路及高速铁路组成，并在ArcGIS中完成交通网络的构造。连通规则为高速铁路在站点处连通，高速公路在收费站处连通，城市道路交通与普通公路在任意端点和交叉点均可连通。其中城市道路交通仅为表示市区与市区之间到达时所产生的额外时间费用，因此仅以主要干道连接各个市区节点，简化城市道路交通。湖南省内开通的高铁线路有京广高铁、沪昆高铁以及衡柳客专，整体的网络构造如图1。在构建的综合交通网络中，并没有考虑既有线上的常速列车，因为在常速列车的开行方案中，开行列次少、旅行时间长，会造成较长的等待时间，不能满足每日通勤等目的的省内出行需求，乘客的选择概率低，对网络整体的可达性贡献小。

图1　湖南省评价节点及交通网络构造Fig.1 Evaluation node and traffic network structure of Hunan province

2评价方法

2.1可达性评价指标

突出交通网络的改变对可达性的影响分析适合采用加权平均出行时间的方法。加权平均出行时间是评价节点到各个经济中心点的时间测度，而评价结果不仅仅在节点与经济中心点的空间位置关系上，更与2点之间的交通连接方式息息相关。加权平均出行时间越长可达性越低，相反的时间越短可达性就越高，计算公式如下：

式中：Ai为节点i的可达性;Tij为表示节点i通过交通网络到达经济中心j所花费的最短时间，也可以定义为最小的费用;Mj为中心点的质量，也可以定义为经济中心的吸引力;n为经济中心点的数量。

2.2经济中心点的确定

经济中心点即为人们的出行目的地节点，出行的目的地的选择主要与节点的经济地位及出行时间紧密相关，因此中心节点要均匀辐射整个湖南地区，并且具有一定的经济实力。因此选择13个地级市的市中心城区为目的地节点(因湘西自治州经济总量较低并没有市辖区，所以不包括在内)，各市2014年的国民生产总值为权重的计算依据，得到的结果如表1。

表1　2014年湖南省各市GDP

2.3出行时间费用

影响节点之间的出行时间费用，主要在于节点之间交通网络的便捷程度和交通方式的选择。不同的交通方式下出行时间费用的计算也各不相同。以下给出高速铁路和公路2种交通方式的出行时间计算。时间费用如下。

1)公路及城市道路出行时间费用

式中：Sij为节点i到节点j的里程;v为平均旅行速度，定义市内道路的平均旅行速度为20 km/h，普通公路的平均旅行速度为50 km/h，高速公路的平均旅行速度为80 km/h。

2)高速铁路出行时间费用

高速铁路的出行时间主要受开行方案的影响，如若2个节点之间有线路但是没有列车开行，则2个节点仍旧没有受到高速铁路所带来的效益，除此之外开行频率越高，乘客的等待时间就越短，选择高铁出行的概率越大。因此高速铁路的出行时间要充分考虑到各站点之间的开行频率、停站方案以及及乘客的等待时间。根据2015年的列车运行图，如果湖南省内的2个高铁站点之间有列车开行，则在ArcGIS中将2站点用弧段连接起来，并在弧段上附上时间费用，时间费用的计算如下。

Tij=tij+wi

式中：wi为在车站i的等待时间;tij为站点i到站点j的行驶时间。

式中：K为修正系数;H为车站的运营时间；fij为节点i到节点j的发车次数。

3可达性数值分析

3.1基于道路网络的节点可达性

基于道路网络的节点可达性是通过公路及城市道路网络，并采用加权平均出行时间的方法计算122个节点到13个经济中心点的可达性值，但以上方式计算得到的仅为122个节点的可达性，不能直观反映湖南省其他区域的情况，因此采用空间插值的方式得到区域空间连续可达性，插值方法为反距离权重法，得到的结果如图2。

图2　基于公路网络的可达性值Fig.2 Value of accessibility based on the highway network

在没有高铁网络的前提下，旅客在省内出行只能选择普通公路或者高速公路，因长株潭地区的经济总量占湖南省经济总量的40%，因此湖南省的交通网络中心以长株潭城市群为首，并且2.5小时圈涉及范围小，可以满足旅客当天通勤往返的区域有限，基本不能达到人们跨区域通勤的目的。可达性最高的地区为长沙县，加权平均出行时间为2.026 7 h，可达性最差的地区为湘西自治州以及怀化的西南区域，其中龙山县的加权平均出行时间最长，为13.966 7 h。

3.2基于综合交通网络的节点可达性

综合交通网络是在公路网络的基础上增加了高速铁路网络，并且引入了开行方案的因素可以更准确地反映高铁对区域空间结构的影响，根据综合交通网络重新计算得到的122个节点的可达性值都发生了改变，省内的2.5 h圈扩大，范围不仅仅局限于长株潭城市群，同时长株潭所包含的县、县级市(宁乡县、醴陵市、株洲县、湘潭县、韶山市)，以及岳阳、衡阳城市区域的加权平均出行时间均在2.5 h以内，可以满足多个地区的跨区域通勤需求。并且高铁站点所在的节点可达性变化明显，形成了多个省内交通枢纽，其中变化最大的区域包括岳阳市区、汨罗、衡阳市区、郴州市区、娄底市区以及怀化市区，出行时间减少幅度均超过30%。交通发达地区即平均出行时间在3 h以内的区域由18 939.8 km2提升到57 779.6 km2。可达性最高的地区为芙蓉区，加权平均出行时间为1.434 4 h，可达性最低的地区仍为龙山县，加权平均出行时间为13.278 49 h，因为龙山县位于湖南省的西北部，不在高铁线路上并且与最近的高铁站点有一定的距离，因此可达性值改变较小，全局可达性值的结果如图3。

图3　基于综合交通网络的可达性值Fig.3 Value of accessibility based on comprehensive transportation network

4高速铁路对可达性影响的数值分析

4.1高铁线路网络对各节点可达性的影响

高铁的开通势必会对区域内各节点的可达性造成影响，但不同节点的影响情况与高铁线路的关系还要具体去分析。利用高铁开通前后加权平均出行时间的差值分析高速铁路对各节点可达性的影响，再根据三次局部多项式插值法得到总体的可达性变化特征，结果如图4。通过结果可知节点可达性值的变化趋势是沿着高铁线路网络展开，距离中心节点距离越远的区域，可达性的变化就越大，而不在高铁沿线上的区域，距离中心节点越远，可达性的变化就越小。因此高铁不经过的区域可达性受到的影响很小，因此时空是沿着高铁线路进行压缩，而不是整体性的压缩。京广高铁沿线显著影响的区域为郴州市、岳阳市，沪昆高铁沿线显著影响的区域为邵阳市、怀化市，衡柳客专沿线显著影响的区域为永州市，图中虚线部分为高铁沿线显著改善区域。改变最小的区域仍为湖南省的西北部。

图4　高铁对各节点可达性的影响特征Fig.4 Impact of node accessibility by high-speed railway

4.2站点高铁可达频次对站点所在节点可达性的影响

图5　各站点发车频率对站点所在节点可达性的影响Fig.5 Impact of node accessibility bytotal numbers of the site to other sites

5结论

1)分析可达性的研究方法时，结合了高铁开行方案的发车频率、停站方式及乘客等待时间3个因素，使得各节点得到的值更加准确，更能确切反映高铁的开通对节点可达性的影响。

2)高铁站点总可达频次的引入，以及分析其与站点所在节点可达性变化的影响，为制定高铁开行方案提供了参考依据。

3)高速铁路网络的形成改变了湖南省各区域节点的可达性，时间和空间沿着高速铁路线路被压缩，人们在就业、就学、出游等跨区域出行时有了更多选择的机会，提升了各节点的潜在实力，促进了商业发展和经济贸易。

4)在省级范围内，高速铁路对中长途即100 km以上距离的影响尤为明显。而在制定高铁开行方案时，发车频率越高，可达性的影响就越大，但达到一定值时趋于平缓，因此在重要高铁站点时，与其他各站点的可达频次不要低于100次/d。

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* 收稿日期：2015-10-22

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(U1334207)

通讯作者：史峰(1956-)，男，湖南芷江人，教授，博士，从事交通运输规划与管理研究；E-mail：shifeng@csu.edu.cn

中图分类号：U2-9

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1007-05

Research on the impact of accessibility by the high-speed railway network——A case study of Hunan province

QIAN Xiaotong,SHI Feng,ZHAO Shuo,XU Guangming

(School of Traffic and Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410075， China)

Abstract:Bassed on the county administrative divisions, the road network and the urban traffic network, the nodes traffic accessibility changes before and after the opening of high-speed railway is discussed. This paper uses the weighted average travel time for accessibility indicators. By combining the high-speed railway service frequency, stop mode and passenger waiting time, the nodes accessibility changes is calculated. The high-speed railway network, and the total number of site to other sites is analysed in terms of the accessibility of the node where the site in. We study the case of Hunan province and divide it into 122 nodes，then 122 nodes potential regional advantage and traffic accessibility space form are obtained. These findings can provide the reference basis of construction and operation of high-speed railway.

Key words：accessibility; weighted average travel time; high-speed railway; regional spatial structure