物流视角下福建省交通运输网络的复杂性分析

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　　摘 要：交通运输网络是物流活动的基础设施载体，对物流效率有重要影响。本文选取福建省交通运输网络为研究对象，搜集福建省公路、铁路和水路数据，构建了福建省交通运输网络，利用复杂网络理论，进行福建省交通运输网络的复杂性分析，并借助GIS软件进行可视化。结果表明：福建省交通运输网络具有复杂网络的典型特征，部分地市的经济、物流发展情况与其在交通运输网络中的地位不相匹配，并据此提出福建省交通运输网络优化建议。
　　关键词：物流工程;交通运输网络;复杂网络;拓扑特征
　　 引言：福建省位于我国东南部的沿海地带，在国家经济发展和战略部署上都有着重要的地位。随着福建“21世纪海上丝绸之路”核心区物流枢纽建设，交通运输网络作为物流活动的重要基础设施载体，对物流效率有重要的影响。对福建省交通运输网络的复杂性进行分析，研究交通运输网络的运行机制，有助于提出改善福建省交通运输网络的设计方案，从而促进物流运输效率提升，进而推动福建省核心区物流枢纽建设发展。
　　 复杂网络是分析交通运输网络复杂性的主流方法。高自友等探讨了交通运输网络的复杂性，并以北京市公交网络为例，给出结合复杂网络对公交网络中的枢纽站点进行选址的建议。胡一竑基于复杂网络理论，结合管理科学、计算机仿真、交通流分配模型等技术对交通网络复杂性进行分析。莫辉辉等通过分析复杂网络理论在航空、轨道交通、城市交通中的应用，指出交通运输网络由需求网络、组织网络、径路网络和设施网络四种网络结构组成，具有网络化复合结构。李进认为应用复杂网络理论研究交通网络具有实际应用价值，提出不仅要研究网络的拓扑特性，还要探索交通网络的空间特性及其优化，从而提高交通网络的抗灾变与抗攻击能力。付佳和林建滨基于高速公路规模进行预测，从而对福建省高速公路网的布局优化进行了研究，刘成则对福建铁路网络布局进行分析，并结合城市体系空间结构，提出福建省铁路网络调整策略。余增涛分析了福建省67个县域构成的交通网络密度、交通邻近度、可达性指标，得出福建省交通优势度。可见，关于福建省交通运输网络复杂性的研究有待完善。本文以福建省为例，选取了度与度分布、介数、平均路径长度和聚类系数四个指标，分析了交通运输网络的复杂性。
　　 一、复杂性指标选取
　　 （1）度值。度是描述单个节点属性最简单也是最重要的概念之一。在无向网络中，节点i的度ki定义为与节点直接连接的边的数目。网络中的节点度值越大，就代表着与该节点相连的节点数量越多，该节点在其网络中的重要程度也就越高。
　　（1）
　　其中，A为邻接矩阵，其元素aij表示，若两个相邻的县域i和j之间至少有一条运输线路经过时aij=1，否则为0。
　　 （2）介数。介数是指经过某个节点的最短路径的数目，节点i的介数定义为：
　　（2）
　　其中，为从节点到节点的最短路径数目，为从节点s到节点t的条最短路径中经过节点i的最短路径数目。节点的介数越大，意味着节点在连通整个网络中所起到的重要性越大。
　　 （3）平均路径长度。网络中连接节点i与j的边数最少的路径称为最短路径，而平均路径长度定义是任意两点间路径长度的平均值，即：
　　（3）
　　其中，N表示为网络节点的数量，表示为连接节点i和j的最短路径上的边的数目。交通运输网络中，平均路径长度可以反映出交通运输网络的效率以及交通运输网络的连通性。
　　（4）聚类系数。节点i的聚类系数定义为节点i的ki个邻居节点之间实际存在的邻居对数目和总的可能存在的邻居对数目之比，即：
　　（4）
　　其中，Ei表示为i节点i的ki个邻居节点之间实际存在的边数。整个网络的聚类系数则为网络中所有节点的聚类系数的平均值。聚类系数有助于分析节点之间连通的强度，通常用于判断运输效率高低。
　　二、福建省交通运输网络复杂性分析
　　 1.数据收集及处理
　　 研究数据来源于《福建省统计年鑒2018》、《福建省中长期铁路网规划（2017年）》、《福建省普通国省干线公路网布局规划（2012-2030年）》和《福建省“十三五”综合交通运输发展专项规划》。将福建省行政区规划的68个县域作为节点，公路、铁路和水路的路网作为边，构建出福建省交通运输网络。
　　 2.复杂性分析结果
　　 借助Matlab软件计算选取的四个交通运输网络复杂性指标，通过GIS软件进行可视化，结果如下图所示。
　　图 福建省交通运输网络复杂性指标计算结果
　　 （1）度值计算结果如图（a）所示。福建省交通运输网络图中度值前三的县域为闽清、古田何永泰，其中闽清与古田在地理位置相似，因为临近福州港，闽清连接着福州与福建省西部内陆地区，而古田则连接着福州与福建省北部地区以及邻省的交通运输路线，因此两地度值较高。永泰连接着福建省沿海地区的南北地区，因此度值也相对较高。而福建省南部有着泉州港、厦门港以及莆田港，交通运输线路较为的分散，度值分布相对分散。除沿海城市以外，福建省大多数内陆县域的度值都比较低，福建省作为沿海省份，度值的分布基本符合福建省的特性由内陆至沿海逐渐变高，多数度值高的县域分布于福建省的主要港口城市附近以及连接港口城市具有纽带作用的县域。
　　（2）介数值计算结果如图（b）所示。福建省交通运输网络中介数靠前的县域是闽清、古田和沙县。介数值越大，也就说明了经过该县域的最短路径越多，反映了该县域的重要性。从地理位置上看，闽清和古田起到连接福州与其他县域的作用，而沙县位于福建省内陆，作为运输纽带连接着内陆与沿海县域的运输路线。介数排名前三的县域辐射了福建省大部分地区。而福建省南部介数值较高的节点县域主要分布在泉州、厦门和龙岩附近，主要连接福建省南部内陆与沿海县域之间的交通运输线路。内陆与邻省接壤的城市或一些沿海港口城市作为交通运输的起点或者终点，这些县域的介数都相对较低。 　　 （3）平均路径长度计算结果如图（c）所示。节点平均路径小表示该节点在运输网络中的连通性好，但不可避免地需要考虑到实际地理位置的因素。从图（c）中可以看出福建省各县域的平均路径长度由外向内逐渐减小，分布规律明显，基本符合实际地理位置上位于中央位置节点平均路径较小的分布规律。通过Matlab软件计算，福建省交通运输网络的平均路径长度为3.819，说明福建省交通运输网络的平均路径较短，反映了福建省交通运输网络的连通性较好。
　　 （4）聚类系数计算结果如图（d）所示。当聚类系数为1时，意味着网络中任意节点相互连接。在福建省交通运输网络中，大部分的节点县域聚类系数的值都在中等水平，意味着网络结构比较松散，各县之间的交通运输连通强度一般。经过Gephi软件的计算可以得到福建省交通运输网络聚类系数为0.438，结合其平均路径长度，可见，福建省交通运输网络具有典型的复杂网络特征。
　　三、政策建议
　　 为了给出促进物流运输效率提升的福建省交通运输网络优化建议，对福建省交通运输网络与物流发展的协同性进行分析。首先，使用离差法对福建省所有县域的四个指标计算结果分别进行标准化处理：
　　（5）
　　 其中，表示第i个县域在第j个复杂性指标上的计算结果，表示所有县域在第j个复杂性指标上的取值，表示第i个县域在第j个复杂性指标上计算结果的标准化值。将在四个复杂性指标上的平均值，作为县域的交通运输网络结构特征综合值，并根据各县域在其所属地级市中的地区生产总值（GDP）比重进行加权求和，得到福建省9个地市的交通运输网络结构特征综合值。
　　其次，将各地市交通运输网络结构特征综合值与福建省地区生产总值、货运量进行比对分析，结果如下表所示。
　　表 福建省交通运输网络与物流发展的协同性分析
　　 从表1中可以看出：（1）福建省9个地市的交通运输网络结构特征综合值排名前三的分别为厦门、福州与泉州，与福建省的GDP、货运量排名前三的地市一致，说明在福建省交通运输网络中，廈门、福州与泉州处于核心地位，且在福建省交通运输网络中的地位与经济、物流发展情况相匹配。（2）龙岩、莆田和三明在交通运输网络结构特征综合值上差距不大，但是，相较于三明和龙岩，莆田的GDP和货运量都不及三明和龙岩，货运量仅约为龙岩和三明的一半，这说明了莆田在交通运输网络中的地位与经济、物流发展情况不相匹配，有较大的提升空间。莆田是福州与厦门、泉州之间的运输纽带，合理规划莆田的交通运输网络将有助于福建省交通运输网络连通性和物流运输效率的提高。（3）漳州和南平的交通运输网络结构特征综合值偏低，在整个交通运输网络中的地位相对靠后。然而，漳州是连接福建与广东的重要纽带，存在较大货运量上需求，其在交通运输网路中的地位却与之不相匹配，反映出漳州的交通运输网络基础设施建设仍需要完善，也将有助于福建省物流运输效率的提高。（4）宁德在福建省交通运输网络中的地位处于中间位置，但其GDP、货运量上都排在靠后位置，说明宁德在交通运输网络中的优势没有完全得以发挥，交通运输基础设施的利用还不够完善。
　　 根据上述分析提出以下建议：（1）继续优化福建省交通运输网络结构。从交通运输网络复杂性的四个指标计算结果来看，福建省交通运输网络效率偏低，原因是福建省内各县域之间仍有许多相邻的节点没有存在相连的边，即没有直达的交通运输线路。例如从仙游到南安，尤溪到大田，永安到清流等，这些县域尽管相邻，但是需要经过其他县域才能抵达，这将会大大降低物流运输效率。因此，适当增加相邻县域之间的运输线路，将增加整个交通运输网络的密度，缩短交通运输网络的平均最短路径。（2）合理完善莆田和漳州的交通运输网络基础设施，畅通福州与厦泉之间、福建与广东之间的物流通道。（3）充分发挥宁德在交通运输基础设施优势，通过政策引导，促进福建省与浙江省物流往来，使其经济、物流发展情况与其在福建省交通运输网络中的地位相匹配。（4）大力发展福建省铁路网建设。相比于福建省公路网，福建省的铁路网络结构相对简单，而且辐射范围较小，不仅大大降低了海铁联运的可能性，并且影响了福建省交通运输网络整体连通性，大力建设福建省铁路网，将有助于完善福建省交通运输网络结构，提升福建省物运输效率。
　　 四、小结
　　 本文以福建省行政区规划的68个县域为节点，公路、铁路和水路的路网为边，构建了福建省交通运输网络，并借助复杂网络理论，对福建省交通运输网络的复杂性进行分析，并与福建省经济、物流发展情况进行比对。研究发现，福建省交通运输网络具有典型的复杂网络特征，各地市的交通运输发展存在不平衡，部分地市节点与其在交通运输网络中的地位不相匹配;福建省主要交通运输以公路运输为主，铁路运输有待进一步加强。尽管较为全面地掌握了福建省的交通运输网络结构复杂性情况，但是研究仍存在不足之处，构建交通运输网络的边仅考虑是否有运输线路通过，复杂性指标的选取未考虑到县域的空间分布特征，在今后的研究中有待完善。
　　参考文献：
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　　[5]付佳.福建省高速公路网布局优化研究[D].福建师范大学，2010.
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　　[7]刘成.福建铁路网络布局及对城市空间结构的响应[D].福建师范大学，2013.
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　　[10]Freeman L C.A Set of Measures of Centrality Based on Betweenness[J].Sociometry，1977，40（1）：35-41.
　　作者简介：潘静静（1984- ），女，福建仙游人，讲师，主要研究方向：物流与供应链管理
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