交通运输与经济系统耦合协调的研究

谢奔一，黄永燊

XIE Ben-yi, HUANG Yong-shen

（武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063）

(School of Traffic, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, Hubei, China)

交通运输与经济系统耦合协调的研究

谢奔一，黄永燊

XIE Ben-yi, HUANG Yong-shen

（武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063）

(School of Traffic, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, Hubei, China)

在分析交通运输与经济系统相互作用机制的基础上，运用系统科学理论和剪刀差方法构建交通运输与经济系统的动态耦合协调模型。以长江中游航运中心为例，对长江中游航运中心交通运输与经济系统耦合协调进行分析，研究结果表明：2003—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统处于协调发展阶段，经济系统发展减小了对交通运输的依赖，交通运输与经济系统变化趋势间的差异逐渐缩小。动态耦合协调模型反映了交通运输与经济系统相互作用的关系，有助于正确认识交通运输与经济系统的动态耦合规律，为交通运输与经济系统的可持续发展提供理论指导。

交通运输；经济系统；协调发展；剪刀差；长江中游航运中心

0　引言

交通运输业是国民经济中重要的生产部门之一，通过发挥铁路、公路、水路、管道、航空 5 种运输方式作为基础性、先导性和服务性产业的作用，将有效促进国民经济发展和人民生活水平的提高；而经济系统的发展也将不断增加新的交通需求，促使交通运输业改善运输服务或发展新的运输服务，实现交通运输业的变革与演化。为此，交通运输的发展应与经济社会的发展相适应，并保持合理的比例关系。目前，对交通运输与经济的协调发展研究主要集中在协调发展水平的量化与测度方面。汪传旭[1]提出大系统的理论和方法衡量交通运输与经济协调程度；金从力[2]、杜渐等[3]利用主成分分析法分别研究公路运输与经济社会发展协调程度综合值；蒋慧峰[4]、侯德劭等[5]借助协同理论建立交通运输与经济系统的协调性测度模型；郭卉[6]、石兆旭等[7]结合数据包络分析方法分别分析公路建设、综合交通运输体系与经济发展的适应程度。这些评价方法中采用的大系统理论对专家的主观依赖性大，协同理论缺乏权威的功效系数定义法[8]，而且这些研究大多是从静态的角度揭示交通运输与经济发展的协调程度。因此，通过运用系统科学理论建立交通运输与经济系统的动态耦合协调模型，以长江中游航运中心为例，辨识经济系统与交通运输发展的动态耦合规律和发展趋势的差异性。

1　交通运输与经济系统的耦合协调模型

1.1交通运输与经济系统的相互作用机制

交通运输业是国民经济大系统得以有效运转和协调发展的主要承载体，交通运输业通过提供运输工具和运输服务，对区域内物质要素的空间位移和组织管理产生影响，实现空间要素的优化配置，推动经济活动发展和经济空间结构的演变；经济系统的发展将导致资金、科学技术、劳动力和政策等经济要素流的变化，带来更多的运输需求，进而形成交通运输业的循环发展。交通运输与经济系统的相互作用机制如图1 所示[9-11]。

1.2交通运输与经济系统协调发展的动态耦合模型

根据交通运输与经济系统的相互作用机制，利用系统论中的系统演化思路建立交通运输与经济系统的动态耦合模型。交通运输与经济系统的变化属于非线性的演变过程，其演化方程[12]表示为

图1　交通运输与经济系统的相互作用机制

式中：f 为 xi的非线性函数，再加上非线性系统运动的稳定性取决于一次近似系统特征根的性质[13]，在原点处展开泰勒级数，并省略高次项 ε (x1，x2，…，xn) 以保证运动的稳定性，则非线性系统近似为线性系统的表达式[14]如下。

式中：ai为元素所对应的权重。

由此，可得交通运输 (TR) 与经济系统 (ES) 的一般函数为

式中：xi为交通运输系统的元素；ai为各元素对应的权重。

式中：yj为经济系统的元素；bj为各元素对应的权重。

根据交通运输与经济系统的相互作用关系，假定一个复合系统以这 2 个子系统为主导部分，按照Bertalanffy 的一般系统理论[15]，则系统的演化方程如下。

式中：A，B 分别为由于受到自身和外界的影响，交通运输系统与经济系统的演化状况；α1，β1，以及 α2，β2分别为交通运输系统和经济系统耦合演化的影响系数。

另外，由于该复合系统中交通运输系统与经济系统相互影响，任何一个系统的变化将会影响整个系统。当 2 个系统协调时，整个系统处于协调发展的状况。因此，整个系统的演化速度可以视为交通运输系统和经济系统演化速度的函数。

式中：V 为整个系统的演化速度；VA，VB分别为 2个系统在自身和外来影响下的演化速度。将 VA，VB作为控制变量，分析 V 的变化以研究交通运输与经济系统间的耦合协调关系。由于整个系统的演化符合组合 S 型发展机制[16]，假定经济系统的变化是周期性的，交通运输受经济系统的影响，其变化也具有周期性。以 VA，VB为变量建立坐标系，将 VA，VB的演化轨迹投影到一个二维平面上分析 V 的变化，V 的演化轨迹为坐标系中的椭圆，交通运输与经济系统的耦合协调如图2 所示。

由图2 可知，VA与 VB的夹角 α 满足

将 α 作为耦合协调度，由 α 的取值可以确定交通运输与经济系统的耦合协调度，系统演化状态分析如表1 所示。

1.3剪刀差分析

剪刀差计算方法可以用来反映 2 种变化趋势的差异性，将剪刀差用于交通运输与经济系统的耦合关系，可以反映某时刻 2 种变化趋势的差异。剪刀差可以由交通运输变化曲线和经济系统变化曲线在给定时刻的两切线夹角表示[17-18]。

图2　交通运输与经济系统的耦合协调

式中：β 为剪刀差，β 值越大，表示交通运输与经济系统变化趋势之间的差异值越大。

2　交通运输与经济系统的耦合分析

2.1交通运输与经济系统的指标体系构建

为准确评价交通运输与经济系统的协调度，在遵循科学性、可行性、主导性等基本原则的基础上，结合交通运输与经济协调发展的研究成果[1-8,19]，最终确定以交通运输业从业人数、客运量、货运量等 8 个指标衡量交通运输系统的发展水平；以地区生产总值、社会固定资产投资总额、社会消费品总额等 8 个指标评价经济系统的发展水平，构建交通运输与经济系统的协调发展评价指标体系如表2 所示。

2.2基于主成分分析的交通运输与经济系统综合评价

主成分分析法在衡量协调发展水平上已经取得较为成熟的应用。因此，利用主成分分析法对交通运输与经济系统进行综合评价。主成分分析法可以消除评价指标体系中指标之间的相互影响，减少指标选择的工作量，当评价指标较多时，还可以在不影响评价结果精度的前提下用少数几个综合指标代替原指标体系进行分析，并且利用主成分分析法确定权数较为客观合理，能够克服某些评价方法人为确定权数的缺陷。主成分分析法主要步骤[20-21]如下。

表1　系统演化状态分析

表2　交通运输与经济系统的协调发展评价指标体系

步骤 1：对原始数据进行标准化处理。

式中：Xij为第 i 系统第 j 指标值；为 j 指标平均值；σj为方差。

步骤 2：求解主成分的特征值和特征向量。构造相关系数矩阵，利用 SPSS 软件计算特征值 λj、特征向量和相应的方差贡献率 pj。

步骤 3：计算第 i 个样本在各主成分分量方向的分值 Fi和综合评价值。通常主成分的累计方差贡献率大于 85% 时，可用前 m 个主成分 Fi表示，结合其对应的方差贡献率 pj，可得协调发展水平的综合评价值为

2.3案例分析

以长江中游航运中心为例，分析交通运输与经济系统的耦合态势。随着以黄金水道为主轴的沿江综合运输大通道辐射作用不断增强，长江中游航运中心基本形成了以长江黄金水道为依托，水路、铁路、公路、民航和管道等多种运输方式协同发展的综合交通体系。2014年，长江经济带公路、铁路、内河航道总里程达到 201 万 km，约占全国的 44%。内河通航里程 9 万 km，其中可通航 500 吨级船舶的 4 级及以上航道 1.2 万 km，分别占全国的 71% 和63%；公路网总里程约占全国的 43%，密度为全国平均水平的 2 倍；铁路网总里程约占全国的 28%，密度超出全国平均水平 35%；完成客运量 181亿人、旅客周转量 1.6 万亿人公里，分别占全国的51% 和 52%；完成货运量 179 亿 t、货物周转量 6.8万亿 t · km，分别占全国的 49% 和 44%。

根据以上计算思路，得出 2003—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统的综合指数值如表3 所示。

根据交通运输与经济系统的演化趋势分别将 2 条曲线进行非线性拟合，利用公式 ⑶ 至公式 ⑺ 可得

将公式 ⒀、公式 ⒁ 所求得的数据代入公式 ⑻和公式 ⑼，则 2003—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统的耦合协调度如表4 所示。

表3　2003—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统的综合指数值

根据表4 可知，2003—2014年长江中游航运中心交通运输 f (TR) 与经济系统 f (ES) 协调耦合度位于协调发展区间，并且交通运输与经济系统的协调耦合度趋于强耦合协调状态。2003—2008年 f (TR)和 f (ES) 的曲线轨迹波动较大，说明这个时期交通运输与经济系统的协调关系快速地向强协调耦合状态转变；交通运输为满足经济发展的需要，其发展速度大于经济增长的速度。2009—2011年在交通运输建设的推动作用下，经济系统呈现快速发展的趋势并开始对交通运输发展产生反馈作用，f (TR)和 f (ES) 的曲线轨迹波动逐渐趋同，这个阶段交通运输与经济系统的矛盾进一步缓和，交通运输对经济系统的约束作用逐渐减少，经济系统与交通运输处于较为同步的发展时期。一般随着经济系统的快速发展，在不对交通运输发展产生胁迫的条件下，经济系统将与交通运输处于共同发展的阶段。然而，2008年受全球金融危机影响，长江中游航运中心经济发展受到一定程度冲击，而交通运输业在“十二五”期间，其建设规模和发展速度均处于高速发展的阶段。因此，2012—2014年交通运输系统的增长速度超过经济系统增长速度。

表4　2003—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统的耦合协调度

由表4 的 β 值可知，2013—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统的剪刀差总体呈现减小的趋势，2003—2007年交通运输与经济系统以较快的速度向同步发展方向转变；2008—2014年随着经济系统的发展，交通运输与经济系统的演化速率差异逐渐缩小，交通运输 f (TR) 和经济系统 f (ES) 的发展趋势逐渐趋同，但受到外界因素的影响，2012年以来交通运输与经济系统之间的演化速率差异略微增大。

3　结束语

应用系统科学理论和剪刀差构建交通运输与经济系统的动态耦合模型，分别判断长江中游航运中心交通运输与经济系统的协调发展状态，以及两者发展趋势之间的差异。研究结果表明：2003—2014年长江中游航运中心交通运输与经济系统正处于协调发展阶段，交通运输发展对经济增长的制约逐渐减弱，交通运输与经济系统向共同发展阶段演化；为实现交通运输与经济系统的和谐发展，未来几年长江中游航运中心在保证交通运输发展的基础上，应持续稳定地推动经济快速增长。这也说明不断建设和完善的交通运输业，将带动经济系统的发展；当经济系统发展到一定阶段，经济增长对交通运输业的依赖程度逐渐减低，甚至对交通运输建设产生胁迫作用。因此，所构建的动态耦合模型反映了交通运输与经济系统相互作用的关系，有助于正确认识交通运输与经济系统的动态耦合规律，为区域协调发展提供科学依据。

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责任编辑：金 颖

Study on Coupling and Coordination between Transportation and Economic System

Based on analyzing the interaction mechanism between transportation and economic system, the dynamic coupling and coordination model between transportation and economic system is established by using system science theory and scissors method. Taking shipping center of middle reaches of Yangtze River as an example, this paper analyzes the coupling and coordination between transportation and economic system in the center, the study result shows the transportation and economic system in the center was in a coordinated development phase during 2003—2014, and the development of economic system reduced the dependence on transportation, and the difference of change trend between transportation and economic system was gradually reduced. The dynamic coupling and coordination model reflects the interactional relationship between transportation and economic system, and contributes to a correct understanding of the dynamic coupling principle of transportation and economic system, and provides theoretical guidance for sustainable development of transportation and economic system.

Transportation; Economic System; Coordinative Development; Scissors Difference; Shipping Center of Middle Reaches of Yangtze River

1003-1421(2016)06-0029-06

F50

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.06

2015-12-21

2016-05-20

交通部软科学项目 (2015322811270)