新疆铁路网与区域经济发展的 耦合协调度评价

潘振兴，韩 峰，王 博，周润芳

PAN Zhenxing1,3,4, HAN Feng2, WANG Bo1,3,4, ZHOU Runfang1,3,4

（1.兰州交通大学 测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 730070；3.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃 兰州 730070；4.甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃 兰州 730070）

(1.Faculty of Geomatics， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， Gansu， China； 2.College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，Gansu， China； 3.National-Local Joint Engineering Research Center of Technologies and Applications for National Geographic State Monitoring， Lanzhou 730070，Gansu， China； 4.Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring， Lanzhou 730070， Gansu， China)

0 引言

在很长一段时间内，新疆地区的铁路发展相对处于滞后状态，作为西北地区重要的资源基地和重点经济发展区，探讨铁路网与区域经济发展的耦合协调关系，实现二者向良性、正向的耦合协调关系的转变，有利于促进新疆实现经济腾飞和改善民生[1]。

铁路网与区域经济之间相互作用、相互影响，构成了彼此交融的耦合交互体，成为一个复杂的非线性系统。近年来，耦合协调度模型由于具有可量化分析的特点受到了广泛关注。从20世纪80年代起，国外研究人员分析国家经济发展条件中经济发展的关键因素来自交通运输和通讯系统。Mcgee[2]认为交通通讯手段革命是促进城乡一体化形成的一大动力，通过反馈循环，实现交通与经济的共同发展，最大限度的利用地区交通网络。Lakshmanan[3]利用贸易联通、技术交流、协调建设来解释和分析交通与区域经济的关系。国内学者对路网交通与区域经济的耦合研究起步较晚，研究重点集中在不同区域经济发展与铁路网的耦合度、耦合协调度以及空间分异上。刘学华等[4]利用耦合协调度模型分析了西部大开发省区份的基础交通设施与地区经济的增长关系。刘晓春[5]构建交通基础设施与经济社会发展的耦合协调度模型，认为交通基础设施与经济社会发展呈正相关。程进等[6]采用耦合度、耦合协调度、耦合协调系数分析安徽高速公路与地方经济的协调发展关系。蒋敏[7]通过耦合协调度模型分析了我国各省区市的交通情况和城市化进程，提出现阶段交通与城市化的耦合协调度偏低。

因此，利用耦合协调度模型，综合考虑各种影响因子，选取新疆14个地州(市) 2009—2017年的铁路网与区域经济的统计数据，构建铁路网与区域经济评价指标体系，熵值法确定评价指标权重，揭示铁路网与区域经济2个系统之间的耦合协调程度及发展规律，发挥铁路对区域经济的刺激作用。

1 新疆铁路网与区域经济发展耦合模型构建

1.1 耦合度模型

耦合是物理学概念，表示系统之间相互作用、相互影响的动态关联关系[8]。借鉴其定义与模型，根据铁路网子系统和经济发展子系统综合评价指数可以得到铁路-经济发展耦合度评价模型如下。

式中：C为铁路-经济发展耦合度，C∈ (0，1)，其值越大表示2个系统越耦合，反之则越不耦合；F(x)为铁路网子系统综合评价指数；G(y)为经济发展子系统综合评价指数。

式中：wi为铁路网子系统第i个指标的权重；xi为铁路网子系统第i个指标的标准化值。

式中：wj为经济发展子系统第j个指标的权重；yj为经济发展子系统第j个指标的标准化值。

当时，铁路网与区域经济发展耦合度划分如表1所示。

表1 铁路网与区域经济发展耦合度划分Tab.1 Division of coupling degree between railway network and regional economic development

1.2 耦合协调度模型

耦合度模型仅仅反应了系统之间的动态关系，未顾及到子系统本身的发展[9]。因此，单靠耦合度无法准确反映出铁路网与区域经济的协调发展水平。因此，采用耦合协调度模型来分析铁路网子系统与经济发展子系统耦合协调发展的程度，该模型不仅可以反映出子系统之间的相互作用关系，还可以反映各子系统是否具有良好的发展水平。耦合协调度的大小表示总体协调水平的好坏，其值越大，表示总体协调水平越好，反之亦然。耦合协调度计算公式如下。

式中：D为铁路-经济发展耦合协调度；T为铁路-经济发展综合评价指数。

式中：α，β为待定参数，衡量各子系统对整体的重要度，一般将各子系统看作同等重要，故取α=β= 0.5。

为了更好地分析铁路网与经济发展2个子系统的协调关系与发展阶段，在参考已有成果的基础上，对耦合协调度进行划分及评价标准。铁路网与经济发展耦合协调度划分及评价标准如表2所示。

表2 铁路网与经济发展耦合协调度划分及评价标准Tab.2 Division and evaluation criteria between railway network and economic development coupling degree

1.3 熵值法确定指标权重

熵代表信息体系的混乱程度， Shannon[10]首次引入信息熵这一概念，其后这一概念在其他领域得到了广泛应用。熵值法确定指标权重，熵值的大小度量信息量的多少，某个指标项携带的信息越多，该指标对决策的影响作用就越大。熵值法确定指标权重[11]的步骤如下。

步骤1：数据标准化。构建判断矩阵(m个评价方案n个评价指标)。

为了消除不同量纲无法进行比较所带来的影响，需要先对判断矩阵进行标准化处理，将矩阵的值转化为[0，1]区间内的相对化数值，标准化的数据指标分为“正向型指标”和“逆向型指标”，公式为

步骤2：求各指标的信息熵。信息熵Ei公式为

步骤3：确定指标权重。依据信息熵公式，各个指标的信息熵为E1，E2，…，Ek。指标权重Wi公式为

1.4 评价指标选取

铁路网子系统与经济发展子系统极其复杂，涉及的因素众多。在评价指标的选取中，在考虑研究区域的实际情况，兼顾指标选取的真实性、可行性、动态性和完备性[12-14]。铁路网子系统包括路网投入和路网产出；经济发展子系统包括经济规模、经济结构、经济水平和经济效率。

为了综合考虑整个新疆铁路路网与区域经济发展的耦合协调度关系，选取新疆乌鲁木齐、石河子、克拉玛依、昌吉、吐鲁番、哈密、伊犁、塔城、阿勒泰、博尔塔拉、巴音郭楞、阿克苏、克孜勒苏、喀什、和田等15个地州(市)，根据上述指标，对新疆15个地州(市) 2009—2017年相关统计数据作为耦合协调度评价指标值，采用ArcGis10.2软件进行矢量化。铁路网子系统与区域经济子系统耦合协调评价指标体系及权重如表3所示。

表3 铁路网子系统与区域经济子系统耦合协调评价指标体系及权重Tab.3 Coupling coordination evaluation index system and weight between railway network subsystem and regional economic subsystem

2 新疆铁路网与区域经济发展耦合关系动态分析

2.1 综合发展水平分析

新疆地域广阔，为分析方便而选取了有代表性的州(市)，在北疆城市中以乌鲁木齐市为代表，在南疆城市中以和田地区为代表。2009—2017年乌鲁木齐铁路-经济发展综合评价指数变化如图1所示。

从图1可以看出，2009年、2010年铁路网子系统的综合评价指数要高于经济发展子系统综合评价指数，由此可见，铁路网子系统发展较好。在2010年的发展过程中，铁路网子系统综合评价值较前2年有一定程度的下降。2011—2015年，铁路网子系统评价值保持了持续平稳上升，在2016—2017年又有所回落。相比较而言，在整个统计年限期间，经济发展呈现出快速上升的趋势，并在2016年超过了铁路网子系统的综合评价指数。可以看出，在不同的时间段内，铁路网对经济起到了不同程度的刺激作用。

2009—2017年和田地区铁路-经济发展综合评价指数如图2所示。

图1 2009—2017年乌鲁木齐铁网-经济发展综合评价指数变化Fig.1 Changes in the comprehensive evaluation index of the economic development of Urumqi railway network from 2009 to 2017

图2 2009—2017年和田地区铁路-经济发展综合评价指数Fig.2 Hetian regional railway network-economic development comprehensive evaluation index from 2009 to 2017

从图2可以看出，在整个统计期间，经济发展综合评价指数都保持了持续稳定的增长。2009—2012年铁路网子系统的综合评价指数要高于经济发展子系统综合评价指数。2013年铁路网子系统综合评价值较前2年有一定程度的下降，在2014—2016年有所上升，2017年铁路网子系统综合评价指数要小于经济发展子系统综合评价指数。

2.2 “剪刀差”成因分析

从图1、图2看出，在不同的地区，铁路网子系统综合评价指数与经济发展子系统综合评价指数表现出了相同的发展规律，只是在时间上有所差别而已。通过进一步分析可以看出，2个子系统之间存在明显的“剪刀差”，并随着时间呈现出阶段性演化。具体来说分3个阶段：第一阶段F(x) ＞G(y)，铁路网与经济发展都上升，但是经济发展综合评价指数小于铁路网综合评价指数；第二阶段F(x)与G(y)大致相等，此时的“剪刀差”由大变小；第三阶段F(x) ＜G(y)，此时的剪刀差又由小变大。通过对新疆铁路网与区域经济发展的量化分析，铁路网与经济发展的综合评价指数较为真实、客观地反映了“剪刀差”现象。

（1）新疆铁路-经济发展耦合协调度偏弱。近10年来，新疆地区的经济发展取得了显著成绩，区域宏观经济环境体现在经济产业结构的调整、城镇化的能源聚集、越来越多的开放口岸，从内向型经济向外向型经济跨出了一大步。相对而言，铁路网系统相对较封闭，建设滞后于区域经济。因此，2个子系统会出现不同的发展态势，从而导致“剪刀差”情况的出现。以乌鲁木齐铁路-经济发展综合评价指数为例，2009年、2010年为了应对全球范围的经济危机，拉动内需、刺激增长，铁路网有了很大发展，通过铁路建设带动周边经济的提升。2011—2014年，两者呈现较为协调的态势。2015—2017年，随着经济结构的快速调整，运量需求的急剧增长，铁路网已经不能满足区域经济发展的需要，铁路网子系统出现下降趋势。

（2）新疆公路网的发展。目前，新疆基础交通设施发展迅猛，“Y”型公路网主骨架基本建成，四纵四横的国道道路，覆盖县乡的公路，特别是高速公路网的形成，有利于在广大铁路网没有覆盖的地区，充分发挥公路的“门到门”的优势，在一定程度上削弱了区域铁路网的在经济发展中的地位。

2.3 耦合协调度分析

为了更加直观地反映新疆铁路-经济发展耦合协调度的变化趋势，以及分析铁路网子系统与经济发展子系统之间的发展轨迹，在2009—2017年的统计年份中选取3个典型年份(2009年、2013年和2017年)的耦合协调度D，将其绘制成折线图，对铁路-经济发展耦合协调度发展状况进行分析。新疆铁路-经济发展耦合协调度变化如图3所示。

图3 新疆铁路-经济发展耦合协调度变化Fig.3 Changes of coupling coordination degree of Xinjiang railway economic development

从图3可以看出，在不同的时间断面，乌鲁木齐市、克拉玛依市及石河子市耦合协调度处在濒临失调阶段，这些地区基本在北疆地区，人口稠密，资源丰富，使北疆铁路网发展较快，铁路建设促进经济发展。和田市、喀什市及阿勒泰市处于极度失调阶段，可以看出，这些地区地处南疆，铁路发展缓慢，限制了铁路对经济的促进作用。兰新高速铁路(兰州西—乌鲁木齐)的开通加强了新疆与内地的联系，喀和铁路(喀什—和田)把喀什、和田地区连到一起，对于改善经济发展作用重大。

由于各地级市经济发展水平有高有低，区域经济发展也应符合各城市的功能定位，在铁路网建设资源一定的条件下应优先发展濒临失调的地区，其次是其他失调的地区，发挥铁路对区域经济的刺激作用。当地区经济发展快于铁路发展时，可以通过修建铁路，加大铁路网密度来提高耦合协调度。相反，铁路网发展领先于经济发展时，会对经济产生巨大的带动作用。

2.4 耦合协调度的空间分异

选取新疆14个地州(市)3个典型年份(2009年、2013年和2017年)的耦合协调度D，利用ArcGis10.2软件绘制耦合协调度空间分异如图4所示。

从图4可以看出，3个时期的耦合协调度共出现了极度失调、严重失调、中度失调、轻度失调与濒临失调5种状态。2009年，新疆境内有兰新线(兰州—阿拉山口)、南疆线(吐鲁番—喀什)、精霍线(精河—霍尔果斯)、奎北线(奎屯—北屯)以及乌将线(乌北—将军庙)，其中乌鲁木齐市、克拉玛依市和石河子市耦合协调度处在勉强协调的边缘，进入到濒临失调阶段，说明铁路网与经济发展协调性较好，路网密度尚能基本满足要求。哈密地区和吐鲁番地区是轻度失调的地区，说明铁路网与经济协调性一般，路网密度较低，这些地区应加强铁路网的建设，带动区域经济发展。和田地区位于新疆自治区的最南端，是处于极度失调的地区，说明铁路网建设不足阻碍了区域经济的发展。

2013年，新疆境内有兰新线、南疆线、精霍线、奎北线、乌将线、准东线(准东—准东北)、北疆线(乌鲁木齐—阿拉山口)、六道湾线(乌鲁木齐—六道湾)、库俄线(库车西—俄霍布拉克)、哈罗线(哈密南—罗中)以及芦草沟线(乌鲁木齐—芦草沟)，比2009年多增加了7条铁路线路。乌鲁木齐市、克拉玛依市和石河子市耦合协调度仍处在濒临失调外，上述铁路网覆盖的塔城地区、阿克苏地区、巴音郭楞蒙古自治州的耦合协调度从严重失调变为中度失调。

2017年底，新疆境内有兰新线、南疆线、精霍线、奎北线、乌将线、准东线、北疆线、六道湾线、红岭线、哈罗线、芦草沟线、兰新客运专线(兰州西—乌鲁木齐)、鱼焉线(鱼儿沟—焉耆)、临哈线(临河—哈密)、阿境线(阿拉山口—境外)以及霍境线(霍尔果斯—境外)，相较2013年，这3年间铁路线路涨幅不明显，耦合协调度基本上没有显著变化，昌吉回族自治州耦合协调度甚至出现了衰退的趋势，从中度失调变为严重失调。

通过上述9年的3个阶段分析，铁路通车影响着区域经济的发展，从而耦合协调度也会出现变化。早期的铁路建设可以带动经济发展，当铁路建设的速度不能匹配经济的增长速度时，就会阻碍、抑制经济的发展。总体而言，铁路网与经济发展的耦合协调度依然很弱，铁路建设滞后于经济发展，没有发挥出铁路对经济发展的刺激作用。因此，为保证铁路-经济发展系统向良好、优质协调发展，需要加快经济产业调整，加大铁路建设投资。

图4 新疆铁路网与经济发展耦合协调度空间分异Fig.4 Spatial differentiation of the coupling coordination degree of railway network and economic development in Xinjiang Uygur Autonomous Region

3 研究结论

在“十二五”期间，新疆铁路建设取得了很大成绩，却依然存在铁路网的不足对经济发展的限制。乌鲁木齐作为城市化和工业化发展的重点区域，保障铁路建设的规模和体系，保障乌鲁木齐—兰州—西宁城市圈的一体化发展。克拉玛依地区和伊犁哈萨克自治州有丰富的矿产资源，加大这一地区的路网建设，使得能源运输通道实现大的发展。南疆地区除了南疆线、喀和铁路以及2017年开始修建的和若铁路外，铁路网密度较北疆地区差距较大，加强该地区的路网建设成为南北疆共同发展的基础。因此，可以通过分析新疆铁路网与经济发展的耦合协调度指导该地区铁路的规划和建设。

（1）铁路网建设与经济发展有很大的相关性，通过耦合协调度评价可以分析不同地区的铁路与经济的耦合协调关系。空间分异上，新疆3个典型年份的耦合协调度出现了极度失调、严重失调、中度失调、轻度失调与濒临失调5种状态，这表明铁路网建设滞后于经济发展。

（2）新疆与周边省区相比较铁路网密度及铁路网里程均有不足，虽然“人”字状的路网骨架已经建成，但铁路网形态单一，部分地州(市)之间没有直达的铁路，社会参与化程度低，限制了铁路网对沿线地区经济的促进作用。

（3）新疆处于丝绸之路经济带的重要交汇地，铁路-经济发展耦合协调度可以为铁路投资与建设提供决策依据，做到铁路网建设带动经济发展，经济发展促进铁路网建设。

新疆由于地理、经济和政治方面等的原因，经济发展和路网建设极不匹配，广大地区两者的协调度处于极度失调的边缘。为此，通过研究不同时空分布下铁路网与区域经济的关系，路网规模与区域经济的耦合协调关系，可以解决铁路网的现实短板和硬性约束问题，真正实现并确保铁路网促进经济发展，经济发展带动铁路建设。