交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的研究

謝奔一，黃永燊

XIE Ben-yi, HUANG Yong-shen

（武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

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

交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)的研究

謝奔一，黃永燊

XIE Ben-yi, HUANG Yong-shen

（武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063）

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

在分析交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論和剪刀差方法構(gòu)建交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合協(xié)調(diào)模型。以長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心為例，對(duì)長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展減小了對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊蕾?，交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)變化趨勢(shì)間的差異逐漸縮小。動(dòng)態(tài)耦合協(xié)調(diào)模型反映了交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互作用的關(guān)系，有助于正確認(rèn)識(shí)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合規(guī)律，為交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

交通運(yùn)輸；經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；協(xié)調(diào)發(fā)展；剪刀差；長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心

0　引言

交通運(yùn)輸業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的生產(chǎn)部門之一，通過發(fā)揮鐵路、公路、水路、管道、航空 5 種運(yùn)輸方式作為基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和服務(wù)性產(chǎn)業(yè)的作用，將有效促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高；而經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展也將不斷增加新的交通需求，促使交通運(yùn)輸業(yè)改善運(yùn)輸服務(wù)或發(fā)展新的運(yùn)輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸業(yè)的變革與演化。為此，交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展應(yīng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展相適應(yīng)，并保持合理的比例關(guān)系。目前，對(duì)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展研究主要集中在協(xié)調(diào)發(fā)展水平的量化與測(cè)度方面。汪傳旭[1]提出大系統(tǒng)的理論和方法衡量交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)程度；金從力[2]、杜漸等[3]利用主成分分析法分別研究公路運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展協(xié)調(diào)程度綜合值；蔣慧峰[4]、侯德劭等[5]借助協(xié)同理論建立交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性測(cè)度模型；郭卉[6]、石兆旭等[7]結(jié)合數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法分別分析公路建設(shè)、綜合交通運(yùn)輸體系與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適應(yīng)程度。這些評(píng)價(jià)方法中采用的大系統(tǒng)理論對(duì)專家的主觀依賴性大，協(xié)同理論缺乏權(quán)威的功效系數(shù)定義法[8]，而且這些研究大多是從靜態(tài)的角度揭示交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)程度。因此，通過運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)理論建立交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合協(xié)調(diào)模型，以長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心為例，辨識(shí)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與交通運(yùn)輸發(fā)展的動(dòng)態(tài)耦合規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)的差異性。

1　交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)模型

1.1交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用機(jī)制

交通運(yùn)輸業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)得以有效運(yùn)轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)發(fā)展的主要承載體，交通運(yùn)輸業(yè)通過提供運(yùn)輸工具和運(yùn)輸服務(wù)，對(duì)區(qū)域內(nèi)物質(zhì)要素的空間位移和組織管理產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)空間要素的優(yōu)化配置，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)空間結(jié)構(gòu)的演變；經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展將導(dǎo)致資金、科學(xué)技術(shù)、勞動(dòng)力和政策等經(jīng)濟(jì)要素流的變化，帶來更多的運(yùn)輸需求，進(jìn)而形成交通運(yùn)輸業(yè)的循環(huán)發(fā)展。交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用機(jī)制如圖1 所示[9-11]。

1.2交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的動(dòng)態(tài)耦合模型

根據(jù)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用機(jī)制，利用系統(tǒng)論中的系統(tǒng)演化思路建立交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合模型。交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的變化屬于非線性的演變過程，其演化方程[12]表示為

圖1　交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用機(jī)制

式中：f 為 xi的非線性函數(shù)，再加上非線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性取決于一次近似系統(tǒng)特征根的性質(zhì)[13]，在原點(diǎn)處展開泰勒級(jí)數(shù)，并省略高次項(xiàng) ε (x1，x2，…，xn) 以保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，則非線性系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng)的表達(dá)式[14]如下。

式中：ai為元素所對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

由此，可得交通運(yùn)輸 (TR) 與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) (ES) 的一般函數(shù)為

式中：xi為交通運(yùn)輸系統(tǒng)的元素；ai為各元素對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

式中：yj為經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的元素；bj為各元素對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

根據(jù)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的相互作用關(guān)系，假定一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)以這 2 個(gè)子系統(tǒng)為主導(dǎo)部分，按照Bertalanffy 的一般系統(tǒng)理論[15]，則系統(tǒng)的演化方程如下。

式中：A，B 分別為由于受到自身和外界的影響，交通運(yùn)輸系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的演化狀況；α1，β1，以及 α2，β2分別為交通運(yùn)輸系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合演化的影響系數(shù)。

另外，由于該復(fù)合系統(tǒng)中交通運(yùn)輸系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互影響，任何一個(gè)系統(tǒng)的變化將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng) 2 個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于協(xié)調(diào)發(fā)展的狀況。因此，整個(gè)系統(tǒng)的演化速度可以視為交通運(yùn)輸系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演化速度的函數(shù)。

式中：V 為整個(gè)系統(tǒng)的演化速度；VA，VB分別為 2個(gè)系統(tǒng)在自身和外來影響下的演化速度。將 VA，VB作為控制變量，分析 V 的變化以研究交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系。由于整個(gè)系統(tǒng)的演化符合組合 S 型發(fā)展機(jī)制[16]，假定經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的變化是周期性的，交通運(yùn)輸受經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響，其變化也具有周期性。以 VA，VB為變量建立坐標(biāo)系，將 VA，VB的演化軌跡投影到一個(gè)二維平面上分析 V 的變化，V 的演化軌跡為坐標(biāo)系中的橢圓，交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)如圖2 所示。

由圖2 可知，VA與 VB的夾角 α 滿足

將 α 作為耦合協(xié)調(diào)度，由 α 的取值可以確定交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度，系統(tǒng)演化狀態(tài)分析如表1 所示。

1.3剪刀差分析

剪刀差計(jì)算方法可以用來反映 2 種變化趨勢(shì)的差異性，將剪刀差用于交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，可以反映某時(shí)刻 2 種變化趨勢(shì)的差異。剪刀差可以由交通運(yùn)輸變化曲線和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)變化曲線在給定時(shí)刻的兩切線夾角表示[17-18]。

圖2　交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)

式中：β 為剪刀差，β 值越大，表示交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)變化趨勢(shì)之間的差異值越大。

2　交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合分析

2.1交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的指標(biāo)體系構(gòu)建

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度，在遵循科學(xué)性、可行性、主導(dǎo)性等基本原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的研究成果[1-8,19]，最終確定以交通運(yùn)輸業(yè)從業(yè)人數(shù)、客運(yùn)量、貨運(yùn)量等 8 個(gè)指標(biāo)衡量交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展水平；以地區(qū)生產(chǎn)總值、社會(huì)固定資產(chǎn)投資總額、社會(huì)消費(fèi)品總額等 8 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展水平，構(gòu)建交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表2 所示。

2.2基于主成分分析的交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

主成分分析法在衡量協(xié)調(diào)發(fā)展水平上已經(jīng)取得較為成熟的應(yīng)用。因此，利用主成分分析法對(duì)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。主成分分析法可以消除評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中指標(biāo)之間的相互影響，減少指標(biāo)選擇的工作量，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較多時(shí)，還可以在不影響評(píng)價(jià)結(jié)果精度的前提下用少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)代替原指標(biāo)體系進(jìn)行分析，并且利用主成分分析法確定權(quán)數(shù)較為客觀合理，能夠克服某些評(píng)價(jià)方法人為確定權(quán)數(shù)的缺陷。主成分分析法主要步驟[20-21]如下。

表1　系統(tǒng)演化狀態(tài)分析

表2　交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

步驟 1：對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中：Xij為第 i 系統(tǒng)第 j 指標(biāo)值；為 j 指標(biāo)平均值；σj為方差。

步驟 2：求解主成分的特征值和特征向量。構(gòu)造相關(guān)系數(shù)矩陣，利用 SPSS 軟件計(jì)算特征值 λj、特征向量和相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率 pj。

步驟 3：計(jì)算第 i 個(gè)樣本在各主成分分量方向的分值 Fi和綜合評(píng)價(jià)值。通常主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于 85% 時(shí)，可用前 m 個(gè)主成分 Fi表示，結(jié)合其對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率 pj，可得協(xié)調(diào)發(fā)展水平的綜合評(píng)價(jià)值為

2.3案例分析

以長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心為例，分析交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合態(tài)勢(shì)。隨著以黃金水道為主軸的沿江綜合運(yùn)輸大通道輻射作用不斷增強(qiáng)，長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心基本形成了以長(zhǎng)江黃金水道為依托，水路、鐵路、公路、民航和管道等多種運(yùn)輸方式協(xié)同發(fā)展的綜合交通體系。2014年，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶公路、鐵路、內(nèi)河航道總里程達(dá)到 201 萬 km，約占全國(guó)的 44%。內(nèi)河通航里程 9 萬 km，其中可通航 500 噸級(jí)船舶的 4 級(jí)及以上航道 1.2 萬 km，分別占全國(guó)的 71% 和63%；公路網(wǎng)總里程約占全國(guó)的 43%，密度為全國(guó)平均水平的 2 倍；鐵路網(wǎng)總里程約占全國(guó)的 28%，密度超出全國(guó)平均水平 35%；完成客運(yùn)量 181億人、旅客周轉(zhuǎn)量 1.6 萬億人公里，分別占全國(guó)的51% 和 52%；完成貨運(yùn)量 179 億 t、貨物周轉(zhuǎn)量 6.8萬億 t · km，分別占全國(guó)的 49% 和 44%。

根據(jù)以上計(jì)算思路，得出 2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)值如表3 所示。

根據(jù)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的演化趨勢(shì)分別將 2 條曲線進(jìn)行非線性擬合，利用公式 ⑶ 至公式 ⑺ 可得

將公式 ⒀、公式 ⒁ 所求得的數(shù)據(jù)代入公式 ⑻和公式 ⑼，則 2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度如表4 所示。

表3　2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的綜合指數(shù)值

根據(jù)表4 可知，2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸 f (TR) 與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) f (ES) 協(xié)調(diào)耦合度位于協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)間，并且交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)耦合度趨于強(qiáng)耦合協(xié)調(diào)狀態(tài)。2003—2008年 f (TR)和 f (ES) 的曲線軌跡波動(dòng)較大，說明這個(gè)時(shí)期交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系快速地向強(qiáng)協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)轉(zhuǎn)變；交通運(yùn)輸為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，其發(fā)展速度大于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的速度。2009—2011年在交通運(yùn)輸建設(shè)的推動(dòng)作用下，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)并開始對(duì)交通運(yùn)輸發(fā)展產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?，f (TR)和 f (ES) 的曲線軌跡波動(dòng)逐漸趨同，這個(gè)階段交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的矛盾進(jìn)一步緩和，交通運(yùn)輸對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的約束作用逐漸減少，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與交通運(yùn)輸處于較為同步的發(fā)展時(shí)期。一般隨著經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的快速發(fā)展，在不對(duì)交通運(yùn)輸發(fā)展產(chǎn)生脅迫的條件下，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)將與交通運(yùn)輸處于共同發(fā)展的階段。然而，2008年受全球金融危機(jī)影響，長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到一定程度沖擊，而交通運(yùn)輸業(yè)在“十二五”期間，其建設(shè)規(guī)模和發(fā)展速度均處于高速發(fā)展的階段。因此，2012—2014年交通運(yùn)輸系統(tǒng)的增長(zhǎng)速度超過經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)增長(zhǎng)速度。

表4　2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)度

由表4 的 β 值可知，2013—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的剪刀差總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，2003—2007年交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)以較快的速度向同步發(fā)展方向轉(zhuǎn)變；2008—2014年隨著經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展，交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的演化速率差異逐漸縮小，交通運(yùn)輸 f (TR) 和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng) f (ES) 的發(fā)展趨勢(shì)逐漸趨同，但受到外界因素的影響，2012年以來交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的演化速率差異略微增大。

3　結(jié)束語

應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)理論和剪刀差構(gòu)建交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合模型，分別判斷長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，以及兩者發(fā)展趨勢(shì)之間的差異。研究結(jié)果表明：2003—2014年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)正處于協(xié)調(diào)發(fā)展階段，交通運(yùn)輸發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的制約逐漸減弱，交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)向共同發(fā)展階段演化；為實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的和諧發(fā)展，未來幾年長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心在保證交通運(yùn)輸發(fā)展的基礎(chǔ)上，應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定地推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)。這也說明不斷建設(shè)和完善的交通運(yùn)輸業(yè)，將帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展；當(dāng)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展到一定階段，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的依賴程度逐漸減低，甚至對(duì)交通運(yùn)輸建設(shè)產(chǎn)生脅迫作用。因此，所構(gòu)建的動(dòng)態(tài)耦合模型反映了交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互作用的關(guān)系，有助于正確認(rèn)識(shí)交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耦合規(guī)律，為區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

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責(zé)任編輯：金 穎

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

交通部軟科學(xué)項(xiàng)目 (2015322811270)