基于協(xié)同理論的鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)研究

朱雷鵬, 錢勇生, 曾俊偉, 廣曉平

(蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃中提出，目前我國城鎮(zhèn)化快速建設(shè)中存在人口城鎮(zhèn)化與城市空間、資源、服務(wù)水平不匹配的矛盾，因此在城鎮(zhèn)化的進程中應(yīng)重視城鎮(zhèn)化的質(zhì)量。鐵路運輸作為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，已成為城鄉(xiāng)間、城市間、城市群間物流、人流頻繁快速流動的主要途徑，為城鎮(zhèn)化的發(fā)展提供了強有力的支撐。

關(guān)于交通與城鎮(zhèn)化關(guān)系的研究較多，對于這2個系統(tǒng)協(xié)調(diào)性分析，很多學(xué)者采用動態(tài)協(xié)調(diào)度理論[1]、線性回歸模型[2]、DEA[3]等方法。上述研究提供了交通與城鎮(zhèn)化協(xié)調(diào)發(fā)展的理論依據(jù)與方法，但是當(dāng)采用這些方法對都處在低發(fā)展水平的交通與城鎮(zhèn)化系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)分析時，會出現(xiàn)2個系統(tǒng)保持協(xié)調(diào)發(fā)展的異常情況。此外，還有很多學(xué)者基于協(xié)同演化理論從不同角度建立了城鎮(zhèn)化質(zhì)量的耦合分析模型，從生態(tài)[4]，土地[5]，產(chǎn)業(yè)、人口[6]等方面探討城鎮(zhèn)化質(zhì)量的影響因素；也有學(xué)者分別從鐵路建設(shè)、運營的角度出發(fā)研究鐵路建設(shè)[7]和鐵路運力[8]對于城鎮(zhèn)化的影響。但是，目前關(guān)于鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)發(fā)展研究較少，同時對于二者耦合協(xié)調(diào)度未來變化趨勢的預(yù)測更少。

在“一帶一路”建設(shè)和“新時代西部大開發(fā)形成新格局”發(fā)展背景下，我國西部地區(qū)地區(qū)綜合交通運輸體系逐步完善，與其他交通方式相比，鐵路建設(shè)規(guī)模日益擴大，已初步形成高速、普速、城際鐵路“多鐵融合”發(fā)展的現(xiàn)代化鐵路運輸體系，成為支撐我國西部地區(qū)發(fā)展的運輸主骨架。根據(jù)國家城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃，關(guān)中、蘭西、寧夏沿黃城市群正在加緊規(guī)劃建設(shè)，這三大城市群地理相鄰，文化、經(jīng)濟、社會發(fā)展存在共性，因此本文以其所在的陜甘寧3省為例展開研究，應(yīng)用耦合協(xié)調(diào)度模型分析陜甘寧3省的鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合作用關(guān)系，在此基礎(chǔ)上運用GM(1，1)預(yù)測模型對二者未來年份的發(fā)展做出預(yù)測，為推動西部鐵路運輸發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)質(zhì)量提供一定的參考借鑒。

1 模型指標(biāo)體系與構(gòu)建

根據(jù)《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》要求，新型城鎮(zhèn)化發(fā)展之新主要體現(xiàn)在發(fā)展理念、目標(biāo)、模式、推進方式等方面，最終實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、人口、資源、環(huán)境、保障等全面協(xié)調(diào)發(fā)展。參考其他學(xué)者的研究成果[9]，從人口城鎮(zhèn)化(A1)、經(jīng)濟城鎮(zhèn)化(A2)、空間城鎮(zhèn)化(A3)、功能城鎮(zhèn)化(A4)等方面來構(gòu)建城鎮(zhèn)化質(zhì)量的一級指標(biāo)評價體系，以及各個一級指標(biāo)對應(yīng)的二級指標(biāo)(Aij)，城鎮(zhèn)化系統(tǒng)評價指標(biāo)體系詳見表1。

鐵路運輸在縮短城鄉(xiāng)距離，促進地區(qū)人口、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，緩解交通壓力、帶動經(jīng)濟增長的過程中發(fā)揮著重要作用。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況、鐵路路網(wǎng)區(qū)域覆蓋強度、鐵路運輸能力等方面是綜合評價鐵路發(fā)展水平的重要指標(biāo)，參考其他學(xué)者的研究成果[10]，從鐵路路網(wǎng)規(guī)模(B1)和鐵路運力(B2)2方面來構(gòu)建鐵路運輸一級指標(biāo)評價體系，以及各個一級指標(biāo)對應(yīng)的二級指標(biāo)(Bij)。鐵路運輸系統(tǒng)評價指標(biāo)體系詳見表1。

表1 模型的指標(biāo)體系Table 1 Model index system

1.1 指標(biāo)的無量綱化與權(quán)重確定

a.指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。

利用功效函數(shù)對指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

式中:xij表示i系統(tǒng)第j個指標(biāo)的初始值。xmin為指標(biāo)j的最小值，xmax為指標(biāo)j的最大值。uij表示指標(biāo)xij對系統(tǒng)i的貢獻大小，uij∈(0，1)，uij靠近1時貢獻最大，uij靠近0時貢獻最小[11]。

b.指標(biāo)權(quán)重確定。

利用熵值法處理：

Step1：求xij在j項指標(biāo)體系下所占比重Pij:

(2)

Step2：求第j項指標(biāo)的熵值ej:

(3)

Step3：求第j項指標(biāo)的差異系數(shù)gj:

gj=1-ej

(4)

Step4：求權(quán)重λij:

(5)

c.計算綜合評價函數(shù)Ui。

(6)

式中:Ui表示i系統(tǒng)的綜合評價函數(shù)，其中U1、U2分別表示鐵路運輸系統(tǒng)與城鎮(zhèn)化系統(tǒng)的綜合評價函數(shù)；λij為i系統(tǒng)第j項指標(biāo)的權(quán)重。

1.2 耦合度與耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

a.耦合度模型。

鐵路運輸與城鎮(zhèn)化發(fā)展存在相互作用的關(guān)系，為研究兩者之間的互饋程度，構(gòu)建鐵路運輸與城鎮(zhèn)化發(fā)展的耦合度模型，利用耦合度對兩者之間的作用狀態(tài)、程度進行描述與衡量[12]。

(7)

式中:U1、U2分別表示鐵路運輸系統(tǒng)與城鎮(zhèn)化系統(tǒng)的綜合評價函數(shù)；C表示耦合度，C∈(0，1)，C值越大表明系統(tǒng)間的耦合性越好，兩系統(tǒng)作用程度越強。

b.耦合協(xié)調(diào)度模型。

耦合度只能判斷鐵路運輸與城鎮(zhèn)化發(fā)展的耦合強度，難以有效刻畫二者發(fā)展是否具有良性協(xié)調(diào)的狀況。耦合協(xié)調(diào)度可以科學(xué)研判二者之間交互耦合協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r，度量兩系統(tǒng)間協(xié)調(diào)發(fā)展水平的高低。因此，引入耦合協(xié)調(diào)度模型進一步探究兩系統(tǒng)間的交互耦合協(xié)調(diào)狀況[13]。

T=au1+bu2

(8)

D=(C·T)θ

(9)

式中:U1、U2分別表示鐵路運輸系統(tǒng)與城鎮(zhèn)化系統(tǒng)的綜合評價函數(shù)。T反映兩系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)指數(shù)，D為耦合協(xié)調(diào)度。θ，a，b為待定系數(shù)，一般取θ=1/2，a=0.5，b=0.5[14]。耦合協(xié)調(diào)度在耦合度基礎(chǔ)上能更全面反映系統(tǒng)狀態(tài)。判斷標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[15]。

表2 耦合協(xié)調(diào)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria for evaluating coupling coordination degree

2 耦合協(xié)調(diào)度分析與預(yù)測

本文以西部地區(qū)為例，以鐵路運輸與新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)的機制為出發(fā)點，通過建立鐵路運輸與新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量二者各自的評價體系，對陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量之間的耦合協(xié)調(diào)度進行分析，在此基礎(chǔ)上運用GM(1，1)計算未來年的耦合協(xié)調(diào)度值。

2.1 指標(biāo)權(quán)重計算

數(shù)據(jù)來源于2015年—2019年《中國統(tǒng)計年鑒》《中國城市統(tǒng)計年鑒》《中國交通年鑒》《中國鐵道年鑒》《陜西統(tǒng)計年鑒》《甘肅統(tǒng)計年鑒》《寧夏統(tǒng)計年鑒》等資料。選取各個指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，根據(jù)熵值法計算式(1)～式(6)求得各個指標(biāo)權(quán)重，如表3所示。

表3 模型指標(biāo)體系及權(quán)重Table 3 Model index system and weights

從權(quán)重的大小可以看出，鐵路路網(wǎng)中運營里程權(quán)重最大(0.139 0)；鐵路運力中貨運量權(quán)重最大(0.266 0)。 人口城鎮(zhèn)化中第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員權(quán)重最大(0.092 5)； 經(jīng)濟城鎮(zhèn)化中第三產(chǎn)業(yè)占GDP權(quán)重最大(0.073 7)； 空間城鎮(zhèn)化中城市人口密度權(quán)重最大(0.115 6)； 功能城鎮(zhèn)化中衛(wèi)生機構(gòu)床位數(shù)權(quán)重最大(0.172 9)，權(quán)重較大的指標(biāo)對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也相對較大。

2.2 耦合協(xié)調(diào)性分析

根據(jù)耦合度與耦合協(xié)調(diào)度計算模型，由式(7)～式(9)分別計算得到陜甘寧2012年—2016年鐵路運輸系統(tǒng)與城鎮(zhèn)化質(zhì)量系統(tǒng)的綜合水平值及其耦合度和耦合協(xié)調(diào)度，詳見表4。

表4 陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量綜合評價值與耦合協(xié)調(diào)度Table 4 Comprehensive evaluation value and coordinating degree of railway transportation and urbanization quality of Shaanxi,Gansu and Ningxia

由表4得，從鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的綜合評價值來看，2015年—2019年陜西省二者的綜合評價值都在上升，但是城鎮(zhèn)化質(zhì)量一直都滯后于鐵路運輸?shù)陌l(fā)展；甘肅省在2015年—2019年二者的綜合評價值同樣都在上升，在2019年出現(xiàn)城鎮(zhèn)化質(zhì)量的發(fā)展超前于鐵路運輸發(fā)展的新趨勢；2015年—2019年寧夏的城鎮(zhèn)化質(zhì)量綜合水平值都在上升，但是鐵路運輸綜合水平值卻呈現(xiàn)出下降趨勢。是因為鐵路運輸指標(biāo)中，除客運量和旅客周轉(zhuǎn)量相對于2015年上升外，其它指標(biāo)都有不同程度地下降，其中貨運量與貨運周轉(zhuǎn)量降幅均在30%以上，主要原因是鐵路新開通線路少，鐵路營業(yè)里程與路網(wǎng)密度發(fā)展滯后和大宗貨物運量下降。從鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的耦合度來看，2015年—2019年陜西、甘肅兩系統(tǒng)耦合度處于穩(wěn)步上升趨勢，2015年—2018年寧夏耦合度一直在緩慢下降，在2019年出現(xiàn)上升趨勢。整體來看，陜西、甘肅、寧夏鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的耦合度都較高，但與東部、中部地區(qū)相比，西部地區(qū)的鐵路運輸與城鎮(zhèn)化建設(shè)水平都較低[16]，因此陜甘寧地區(qū)存在鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量發(fā)展耦合度高、發(fā)展水平較低的問題。這類問題主要是由于兩系統(tǒng)發(fā)展水平雖低，但二者綜合評價值變化速率趨同造成的。因此耦合度模型難以為陜甘寧地區(qū)鐵路運輸與城鎮(zhèn)化進一步發(fā)展提供較為準(zhǔn)確的參考建議，而耦合協(xié)調(diào)度模型可以彌補耦合度模型的不足，有效刻畫二者發(fā)展是否具有良性協(xié)調(diào)狀況，這也驗證了耦合度與耦合協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建正確性。

為了方便數(shù)據(jù)的對比分析，將耦合協(xié)調(diào)度值在圖中表示，如圖1所示。

圖1 陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度變化Figure 1 The change of coupling degree of the quality of railway transportation and urbanization of Shanxi, Gansu and Ningxia

從圖1可以看出，目前陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度存在明顯差異，陜西耦合協(xié)調(diào)度最好，其次為甘肅，最后為寧夏。結(jié)合耦合協(xié)調(diào)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表1)，2010年—2019年，陜西省鐵路運輸發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)基本處于中級協(xié)調(diào)階段；甘肅省鐵路運輸發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)前處于初級協(xié)調(diào)階段，因此甘肅省需大力推進鐵路線網(wǎng)建設(shè)力度，有效支撐城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展；寧夏鐵路運輸建設(shè)與城鎮(zhèn)化質(zhì)量目前處于勉強協(xié)調(diào)階段，因此寧夏鐵路建設(shè)未能充分支撐城鎮(zhèn)化發(fā)展，還需科學(xué)制定路網(wǎng)規(guī)劃，形成能夠充分有效支撐城鎮(zhèn)化發(fā)展路網(wǎng)體系。

2.3 基于GM(1，1)的耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測

2.3.1GM(1，1)預(yù)測模型

Step1：構(gòu)造數(shù)據(jù)序列。

構(gòu)造原始數(shù)據(jù)序列：X(0)=[x(0)(1)，x(0)(2)，…x(0)(n)]。對原始時間數(shù)據(jù)序列進行累加，記為：X(1)=[x(1)(1)，x(1)(2)，…，x(1)(n)]，

Step2：緊鄰均值等權(quán)序列。

對X(1)作緊鄰均值等權(quán)生成序列Z(1)記為：

Z(1)=[z(1)(1)，z(1)(2)，…z(1)(n)]

(10)

其中，

Step3：建立灰色GM(1，1)模型。

(11)

其中，

Step4：求解與還原。

求出白化方程的解即時間響應(yīng)序列為：

k=1，2，…，n-1

(12)

其中，“a”為發(fā)展系數(shù)，“b”為灰色作用量。根據(jù)模型中的發(fā)展系數(shù)a，可方便地判別各個事物的發(fā)展趨勢。a的大小表明該事物發(fā)展速度的快慢。

(13)

2.3.2GM(1，1)預(yù)測結(jié)果分析

a.GM(1，1)模型校驗。

根據(jù)GM(1，1)預(yù)測模型，分別將陜西、甘肅、寧夏2015年—2019年的鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度值作為原始數(shù)據(jù)，計算得到耦合協(xié)調(diào)度實際值與預(yù)測值的誤差對比結(jié)果，如表5所示。

表5 陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度(D)實際值與預(yù)測值比較Table 5 Comparison of Actual and Predicted Values of Railway Transportation and Urbanization Quality Coupling Degree (D)of Shanxi, Gansu and Ningxia

由表5看出，3個省份的耦合協(xié)調(diào)度除寧夏2018年預(yù)測值誤差為5.14%，其余誤差范圍均在3%以內(nèi)，因此可以說明GM(1，1)模型誤差較小，可以很好地預(yù)測耦合協(xié)調(diào)度的發(fā)展變化。

b.2020年—2024年陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)發(fā)展分析。

在此基礎(chǔ)上，預(yù)測2020年—2024年的陜西、甘肅、西寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的耦合協(xié)調(diào)度，測算結(jié)果如表6所示。

由表6預(yù)測結(jié)果可以看出，陜西、甘肅的鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的耦合協(xié)調(diào)度在未來年份會穩(wěn)步上升，其中陜西鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量發(fā)展保持良好協(xié)調(diào)階段內(nèi)，甘肅省將由初級協(xié)調(diào)階段躍升至高級協(xié)同階段，鐵路運輸與城鎮(zhèn)化發(fā)展環(huán)境將進一步優(yōu)化。但寧夏的耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，處于瀕臨失衡的階段，鐵路運輸與城鎮(zhèn)化發(fā)展很難達到優(yōu)勢互補，因此寧夏后續(xù)應(yīng)注重鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展，提升二者發(fā)展質(zhì)量。

表6 陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量2020年—2024年耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測值Table 6 Predicted values of railway transportation and urbani-zation quality coupling degree of Shaanxi, Gansu and Ningxia,2020—2024

3 鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)發(fā)展建議

通過前述實證結(jié)果，為提高陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化發(fā)展水平，政策建議如下：

a.以耦合協(xié)調(diào)為依據(jù)，提升鐵路運輸水平。

由表4與表6得出，陜甘寧鐵路運輸與城鎮(zhèn)化耦合協(xié)調(diào)度都需要向良好乃至優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。與陜西、甘肅相比，寧夏鐵路運輸與城鎮(zhèn)化耦合協(xié)調(diào)較差，處于勉強協(xié)調(diào)階段，因此寧夏應(yīng)亟需強化鐵路運輸與周邊城市群的聯(lián)系，實現(xiàn)中心城市銀川與蘭州、西安的高速鐵路相連，推動城鎮(zhèn)化高質(zhì)量建設(shè)。甘肅省處于初級協(xié)調(diào)階段，且在2019年甘肅省內(nèi)出現(xiàn)了鐵路運輸落后于城鎮(zhèn)化質(zhì)量建設(shè)的趨勢，所以甘肅應(yīng)該完善絲綢之路鐵路通道作用，依托絲綢之路經(jīng)濟帶提升鐵路運量，服務(wù)關(guān)中、蘭西和寧夏沿黃三大城市群的建設(shè)，促進鐵路運輸與城鎮(zhèn)化建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展。陜西省處于中級協(xié)調(diào)階段，并向良好協(xié)調(diào)逐步過渡，因此陜西省應(yīng)科學(xué)制定鐵路運輸與城鎮(zhèn)化的發(fā)展規(guī)劃，促進區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

b.以城市群建設(shè)為契機，推動城鎮(zhèn)化發(fā)展。

由表4鐵路運輸與城鎮(zhèn)化的綜合評價值得出，目前陜西城鎮(zhèn)化落后于鐵路運輸發(fā)展。陜西應(yīng)抓住關(guān)中城市群建設(shè)機遇，發(fā)展功能完備的城鎮(zhèn)化體系。根據(jù)表3指標(biāo)權(quán)重結(jié)果，陜西應(yīng)加強空間、功能城鎮(zhèn)化建設(shè)，充分發(fā)揮西安的輻射作用，帶動中小城市的共同發(fā)展。與陜西相比，甘肅、寧夏鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的綜合評價值較低，因此甘肅、寧夏后續(xù)發(fā)展應(yīng)以城市群建設(shè)為契機，通過關(guān)中平原城市群，借力陜西發(fā)展優(yōu)勢，補足自身短板。在此基礎(chǔ)上，加強關(guān)中平原、蘭西、寧夏沿黃城市群協(xié)同互動，從而促使陜甘寧城鎮(zhèn)化質(zhì)量的綜合水平的持續(xù)上升。

c.以協(xié)同發(fā)展為導(dǎo)向，促進耦合協(xié)調(diào)發(fā)展。

由表6鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)度預(yù)測結(jié)果可得，陜西、甘肅、寧夏3省之間鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量的協(xié)調(diào)發(fā)展仍存在一定差距，且寧夏與陜西、甘肅的差距甚至?xí)^續(xù)擴大。因此需要推動3省鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量協(xié)調(diào)同步發(fā)展，陜西省應(yīng)發(fā)揮其鐵路運輸優(yōu)勢，帶動甘肅、寧夏地區(qū)鐵路對外聯(lián)通。同時各城市群明確城市功能定位，優(yōu)勢互補以促進城鎮(zhèn)化質(zhì)量共同提高，助力實現(xiàn)關(guān)中平原、蘭西與寧夏沿黃城市群之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié)束語

為促進陜甘寧3省鐵路與城鎮(zhèn)化協(xié)調(diào)發(fā)展，本文通過組合運用耦合協(xié)調(diào)度模型與GM(1，1)預(yù)測模型，對陜甘寧2015年—2019年的鐵路運輸與城鎮(zhèn)化質(zhì)量耦合協(xié)調(diào)進行分析，并對其未來發(fā)展趨勢做出預(yù)測，結(jié)果表明GM(1，1)可以很好地預(yù)測耦合協(xié)調(diào)度發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)發(fā)展建議，本文的方法應(yīng)用可以為西部地區(qū)鐵路運輸與城鎮(zhèn)化建設(shè)提供參考與借鑒。然而，城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量與鐵路、公路、航空、水運，以及區(qū)域經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)、對外政策等方面息息相關(guān)，是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，本文僅對西部地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展起主要支撐化作用的鐵路運輸進行了研究，未考慮其他影響因素，為使所得結(jié)論更加全面，這些問題有待進一步的研究。