基于主成分分析法的新疆運(yùn)輸通道建設(shè)多指標(biāo)因素影響分析

王 晉，王伯禮 WANG Jin, WANG Boli

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830000；2. 新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸廳規(guī)劃設(shè)計(jì)管理中心，新疆烏魯木齊830000）

(1. School of Transportation and Logistics Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, China; 2. Xinjiang Uygur Autonomous Region Transportation Department Planning Design Management Center, Urumqi 830000, China)

0 引 言

在中共中央、國務(wù)院已經(jīng)印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》和國家“十四五”綜合交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃編制工作正在緊鑼密鼓進(jìn)行的背景之下，抓緊建立現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系已刻不容緩。作為保障不同區(qū)域或城市群之間相互往來的運(yùn)輸通道，在現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系中占據(jù)著重要的地位。建設(shè)便捷、高效、集成的運(yùn)輸通道，不僅能夠促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長，而且能夠在極大程度上保障和利于政治、文化、軍事交流。針對(duì)綜合立體交通運(yùn)輸通道的建設(shè)與發(fā)展，國內(nèi)外諸多學(xué)者從多領(lǐng)域、多角度進(jìn)行了不同程度的研究。

Xiaowei 等人從綜合運(yùn)輸通道內(nèi)乘客長途和低頻旅行角度出發(fā)，采用分解模型研究綜合運(yùn)輸走廊中旅行者的選擇行為[1]。Zhi-Chun Li 等人解決了位于線性城市運(yùn)輸走廊中的鐵路運(yùn)輸線的設(shè)計(jì)問題，以鐵路線長度、車站數(shù)量和位置、車距和票價(jià)的組合為服務(wù)變量，提出了兩個(gè)利潤最大化模型，這些模型考慮了不同的公交定價(jià)結(jié)構(gòu)（固定票價(jià)和基于距離的票價(jià)制度） 的影響[2]。Füsun ülengin 通過關(guān)聯(lián)分析確定土耳其主要運(yùn)輸方式的影響因素[3]。Godil Danish Iqbal 分析了客貨運(yùn)輸量與碳排放之間的相互影響關(guān)系[4]。Litman T 研究了運(yùn)輸問題中的可達(dá)性影響因素。Michelle R，Oswald Beiler 分析了BosWash 都市圈的綜合運(yùn)輸走廊建設(shè)問題[6]。以上研究雖然對(duì)運(yùn)輸通道的乘客出行選擇和運(yùn)輸走廊道路運(yùn)輸線設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，但多局限于單一運(yùn)輸方式。

當(dāng)前國內(nèi)研究者對(duì)運(yùn)輸通道的研究多結(jié)合路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)布局、重要度聯(lián)合交通區(qū)位分析和建立評(píng)價(jià)模型等層面展開?？滴膽c將重要度和交通區(qū)位融合，進(jìn)行干線公路網(wǎng)規(guī)劃布局研究[7]。楊?；◤闹匾嚷?lián)合區(qū)位法理論出發(fā)，對(duì)運(yùn)輸通道布局、交通節(jié)點(diǎn)選擇和區(qū)位線進(jìn)行了分析[8]。譚健妹、李涵等人對(duì)城市群客運(yùn)結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸通道的評(píng)價(jià)指標(biāo)做出了評(píng)價(jià)研究[9-10]。張銥瑩對(duì)客運(yùn)專線運(yùn)輸通道的分擔(dān)率進(jìn)行了研究[11]。夏倩引入效用理論對(duì)出行決策的三個(gè)階段進(jìn)行了分析，對(duì)特性變量參數(shù)建立MNL 模型，估計(jì)結(jié)果采用t統(tǒng)計(jì)量和似然率對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證[12]。王伯禮分別從城市公路建設(shè)對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)影響和運(yùn)輸通道內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析[13]。

綜合上述，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)運(yùn)輸通道的規(guī)劃布局和運(yùn)輸方式等進(jìn)行了研究，通過建模，系統(tǒng)分析了運(yùn)輸通道客運(yùn)分擔(dān)率和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的影響，但較少從出行者決策和社會(huì)總體考慮運(yùn)輸通道影響因素。

1 基于多指標(biāo)的通道建設(shè)評(píng)價(jià)體系建立

一般而言，便利的交通運(yùn)輸條件，會(huì)在一定程度上降低要素流動(dòng)成本、擴(kuò)大區(qū)域市場范圍、促進(jìn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)合理布局，同時(shí)便利的交通條件本身就是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引力之一，它能夠起到吸引經(jīng)濟(jì)資源的作用。影響運(yùn)輸通道建設(shè)的因素指標(biāo)較多，宏觀層面可能涉及國家政策方針、對(duì)區(qū)域交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃布局等，微觀層面可能涉及建設(shè)運(yùn)輸成本、客貨運(yùn)輸總量等。

為保證數(shù)據(jù)的可靠性，本文選取《新疆維吾爾自治區(qū)國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)報(bào)告》、《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》所列指標(biāo)和數(shù)據(jù)，并將其歸納為三個(gè)方面指標(biāo)：社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、交通運(yùn)輸指標(biāo)、城市設(shè)施建設(shè)指標(biāo)。具體指標(biāo)如表1 所示。

表1 多指標(biāo)體系建立

2 主成分分析法原理及模型建立

2.1 主成分分析法及模型建立

主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA） 是將多個(gè)變量通過線性變換以選出較少個(gè)數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，是處理數(shù)據(jù)降維的一種方法。其原理是設(shè)法將原來眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo)，重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標(biāo)來代替原來的指標(biāo)[14]。具體算法如下：

設(shè)有n個(gè)樣本、p個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建出客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的原始數(shù)據(jù)矩陣X為：

式（1） 中：xij為第i個(gè)樣本對(duì)第j個(gè)指標(biāo)的打分值：

2.2 主成分分析法計(jì)算步驟

（1） 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，收集所需指標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2） 標(biāo)準(zhǔn)化。由于各指標(biāo)的特征參數(shù)不一樣，數(shù)量級(jí)有大有小，所以會(huì)存在指標(biāo)的量綱不同，通常在計(jì)算之前須先消除量綱的影響，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，也叫無量綱處理。設(shè)有n個(gè)樣本觀察值，用xij表示,i代表樣本，i= （1,2,…,n），j= （1,2,…,p）代表指標(biāo)，采用Z-score 法。

（3） 求相關(guān)系數(shù)矩陣R及相關(guān)系數(shù)矩陣R特征值、特征向量

各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率亦即綜合主成分線性表達(dá)式的權(quán)重系數(shù)。

（5） 確定綜合主成分表達(dá)式

式中：ηi為各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按照各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重計(jì)算，F(xiàn)i為各個(gè)主成分表達(dá)式。

3 實(shí)例分析

中國新疆深處亞歐大陸腹地，并與多國接壤?？缇?、跨區(qū)、區(qū)內(nèi)運(yùn)輸通道成為新疆交通運(yùn)輸體系的典型特點(diǎn)和主體組成部分，也是交通強(qiáng)國新疆試點(diǎn)建設(shè)所確定的四大試點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域之一。其中，最為典型的是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)北通道、中通道、南通道，該三條通道橫貫新疆全境，東聯(lián)內(nèi)地，西出北亞、中亞、南亞，在絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)、交通強(qiáng)國新疆試點(diǎn)建設(shè)中居于主干線地位，也是當(dāng)前和未來一個(gè)時(shí)期新疆運(yùn)輸通道建設(shè)的主要方向和重點(diǎn)。

為了更好地評(píng)定新疆區(qū)域運(yùn)輸通道建設(shè)的影響因素，結(jié)合新疆全域發(fā)展實(shí)際，本文收集2012～2018 年新疆區(qū)域運(yùn)輸主通道多項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用主成分分析法，探尋新疆區(qū)域運(yùn)輸通道建設(shè)主要影響因素，并就新疆區(qū)域運(yùn)輸通道后續(xù)建設(shè)提出相關(guān)建議。

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析

（1） 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。利用SPSS25.0 統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)算得出變量的相關(guān)系數(shù)矩陣R，計(jì)算R的特征值和貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率。如表2 所示，依據(jù)特征值大于1 且累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則提取2 個(gè)主成分，第一主成分的貢獻(xiàn)率為83.4%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為9.1%，2 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率92.5%，說明兩個(gè)主成分即可表征所有指標(biāo)的92.5%的信息，滿足要求，故提取兩個(gè)主成分。

表2 總方差解釋

提取方法：主成分分析法。

（2） 主成分載荷分析

由表3 可以發(fā)現(xiàn)GDPX1（）、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入X2（）、農(nóng)村居民人居可支配收入X3（）、社會(huì)消費(fèi)品零售總額X4（）、公路里程（X13）、鐵路客運(yùn)量X6（）以上6 個(gè)變量在第一主成分上具有較高載荷，載荷值均在0.95 以上，能較好地反映指標(biāo)信息。民用航空里程（X14）、道路長度（X16）在第二主成分上有較高的載荷，說明第二主成分能夠反映這2 個(gè)指標(biāo)的信息。因此，所提取的2 個(gè)主成分基本可以反映絕大部分指標(biāo)的信息，能夠代替17 個(gè)變量進(jìn)行分析。

（3） 計(jì)算主成分得分

表3 成分矩陣a

提取方法：主成分分析法；a. 提取了2 個(gè)成分。

根據(jù)主成分系數(shù)可以看出：

第一主成分主要反映了城鎮(zhèn)居民人均可支配收入/元、鐵路客運(yùn)量/萬人、公路里程/里程、社會(huì)消費(fèi)品零售總額/億元、GDP/億元、鐵路周轉(zhuǎn)量/億人公里、民用航空客運(yùn)量/萬人、管道輸油（氣）、民用航空周轉(zhuǎn)量/億人公里的指標(biāo)信息。

第二主成分主要反映了道路面積/萬平方米、道路長度/公里、鐵路里程/公里、民用航空里程/公里、貨物進(jìn)出口總額/億美元、公路周轉(zhuǎn)量/億人公里、公路客運(yùn)量/萬人的指標(biāo)信息。

（4） 計(jì)算綜合得分

以貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建主成分綜合評(píng)價(jià)模型：

主成分得分和指標(biāo)權(quán)重及排名如表4、表5 所示：

表4 主成分得分

表5 指標(biāo)權(quán)重及排名

3.2 指標(biāo)變量的聚類分析

針對(duì)指標(biāo)的聚類分析，通常是對(duì)研究對(duì)象指標(biāo)特性相似或相近程度進(jìn)行分類，關(guān)于聚類個(gè)數(shù)的確定是劃分指標(biāo)屬性對(duì)通道建設(shè)影響的關(guān)鍵，分類簇?cái)?shù)太少不能充分地將通道建設(shè)影響進(jìn)行歸類，分類簇?cái)?shù)太多則會(huì)削弱聚類結(jié)果的概括性[15]。由于對(duì)聚類個(gè)數(shù)不能確定，本文采用系統(tǒng)聚類分析的方法對(duì)指標(biāo)變量進(jìn)行聚類分析，并根據(jù)平均歐氏距離采用組間聯(lián)接，生成聚類譜系圖。

此外，由于所分析的指標(biāo)個(gè)數(shù)較多，可能會(huì)引起數(shù)據(jù)的自相關(guān)性過高，導(dǎo)致聚類結(jié)果的偏差。為降低指標(biāo)間的自相關(guān)性問題，最簡單直接的方法是削減指標(biāo)的數(shù)量，故在此基礎(chǔ)上提出精簡的指標(biāo)確定方法，結(jié)合主成分F1的主成分系數(shù)和權(quán)重大小，選取10 個(gè)精簡指標(biāo)進(jìn)行聚類，為防止數(shù)量級(jí)大小的不同，采取Z-score 對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。聚類后精簡指標(biāo)結(jié)果如圖1 所示。

3.3 結(jié)果分析

從表3 可以看出，第一主成分F1的得分排名與綜合得分排名一致，主要由于第一主成分方差貢獻(xiàn)率達(dá)83.4%，基本反映出新疆區(qū)域運(yùn)輸通道發(fā)展?fàn)顩r。從綜合得分來看，自2014 年以來，新疆區(qū)域交通運(yùn)輸通道發(fā)展水平逐年提升。主要原因是“一帶一路”倡議的提出，對(duì)新疆區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和運(yùn)輸通道建設(shè)發(fā)揮了重要引導(dǎo)和促進(jìn)作用。

從表4 的指標(biāo)權(quán)重排名可以看出，鐵路周轉(zhuǎn)量/億人公里、民用航空周轉(zhuǎn)量/億人公里、道路面積/萬平方米、GDP/億元指標(biāo)信息占據(jù)了較高的權(quán)重，涵蓋了社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸和城市設(shè)施建設(shè)三種主要的指標(biāo)體系，這也在一定程度上表征了所建立的運(yùn)輸通道指標(biāo)體系具備一定的合理性，從側(cè)面說明以上占據(jù)較高權(quán)重的指標(biāo)對(duì)運(yùn)輸通道建設(shè)具有較大影響。

圖1 平均聯(lián)接組間譜系圖展示了指標(biāo)的聚類過程，每次分類的組間距離不同，可以將民用航空周轉(zhuǎn)量/億人公里、道路面積/萬平方米歸為一類，民用航空里程/公里獨(dú)自為一類，其余的指標(biāo)變量歸為一類，共分為3 類，分類結(jié)果與指標(biāo)體系建立具有一定相關(guān)性，說明該方法分類效果較好。

研究結(jié)果表明，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸發(fā)展因素是主要影響因素，政策因素對(duì)運(yùn)輸通道建設(shè)的影響作用也不可忽視。

圖1 平均聯(lián)接組間譜系圖

4 結(jié)束語

（1） 本文從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸和城市道路設(shè)施建設(shè)三個(gè)主要方向，列舉了17 個(gè)指標(biāo)因素，構(gòu)建了多指標(biāo)的運(yùn)輸通道建設(shè)影響分析體系，提出了利用主成分分析理論進(jìn)行運(yùn)輸通道建設(shè)綜合評(píng)價(jià)的新方法，該方法避免了人為經(jīng)驗(yàn)值的主觀性干擾，由定量分析計(jì)算出的綜合主成分得分和權(quán)重值。

（2） 設(shè)計(jì)了主成分分析和系統(tǒng)聚類方法，依據(jù)主成分系數(shù)和權(quán)重大小，精簡指標(biāo)體系，優(yōu)化聚類結(jié)果。由此得到主成分得分和指標(biāo)類別劃分簇?cái)?shù)，通過以上的方法研究，可以較好地反映出新疆運(yùn)輸通道當(dāng)前建設(shè)狀況。

（3） 本文對(duì)個(gè)別問題的研究還存在不足，在判別多種指標(biāo)屬性對(duì)區(qū)域運(yùn)輸通道的影響程度方面還需做進(jìn)一步分析研究，如交通基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)經(jīng)濟(jì)效益影響的具體評(píng)價(jià)、對(duì)通道演變過程及規(guī)律的分析、對(duì)未來年份的客貨運(yùn)輸量進(jìn)行預(yù)測研究等。

關(guān)于運(yùn)輸通道建設(shè)影響因素的研究是多方面的，除了考慮到以上影響因素外，還應(yīng)考慮規(guī)劃建設(shè)總體布局、建設(shè)項(xiàng)目時(shí)序等。相關(guān)交通管理部門應(yīng)立足實(shí)際，主動(dòng)契合國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，依據(jù)交通運(yùn)輸與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合關(guān)系，著重考慮運(yùn)輸通道建設(shè)關(guān)鍵影響因素，做到有的放矢，突出重點(diǎn)，努力實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交通建設(shè)互利共贏協(xié)調(diào)發(fā)展。