集中性及空間結構研究

　　劉 輝 1，2，申玉銘※1，孟 丹 1，薛 晉 1

　　(1.首都師范大學 資源環境與旅游學院，中國 北京 100048;2.中國城市科學規劃設計研究院，中國 北京 100037)

　　摘 要：伴隨高速公路和高速鐵路基礎設施建設和運營，城市間“時間距離”縮短，引起城市區位和城市關系網絡發 生變化。研究將 GIS 網絡分析和社會網絡分析結合起來，利用 O-D 矩陣和引力場模型，分析京津冀都市圈在公路、鐵 路、高速公路和高速鐵路 4 種不同交通模式下，可達性的差異性及都市圈城市經濟相互作用的外向和內向集中程度 等。結果發現：①交通可達性對都市圈內層極化作用高于外層作用，交通按照公路→鐵路→高速公路→高速鐵路順 序大大提高城市間可達性。②交通可達性具有兩面性。一方面提高城市經濟輻射能力和城市間聯系度，另一方面拉 大城市間差異程度，且北京、天津以輻射功能為主，其它城市以集聚為主。③可達性在 1h 以內，城市對外影響力較明 顯，變化幅度最大的是廊坊(0.25h)，在 1h 以上，城市經濟影響力變化較弱，在 2h 以上影響漸漸消失。④公路、鐵路、 高速公路和高速鐵路 4 種交通模式中，天津交通區位優越于北京，但在可達性和經濟影響力綜合作用下，北京外向 集中程度(Out Degree)地位明顯優越于天津，而內向集中程度(In Degree)天津高于北京。⑤可達性拓展了都市圈內 層的空間范圍，并引起空間結構由“多中心”結構向連續的“帶狀”結構演變。

　　關鍵詞：交通類論文發表,城市網絡,引力模型,京津冀都市圈

　　The City Network Centrality and Spatial Structure in the Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region

　　LIU Hui1，2，SHEN Yu - ming1，MENG Dan1，XUE Jin1

　　(1. College of Resources Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048，China;

　　2. Chinese Institue of Urban Planning and Design，Beijing 100048，China)

　　Abstract: With the expressway and high- speed railway infrastructure construction, city’s“Temporal Distance”is shortened, which cause city location and network relationship changing. On the basis of the study on GIS network analysis and social network analysis, and using O-D matrix and gravity field model, the paper analysis the accessibility, OutDegree and InDegree for different traffic mode of highway, railway, expressway and high- speed railway in the

　　Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Area. The results show that:①Inner polarization effect of accessibility is higher than

　　the outer layer of metropolitan, according to the highway, railway, highway traffic, high- speed railway order, the city accessibility is improved more and more.②The traffic accessibility has two sides. On the one hand, it improves economic

　　radiant ability and connection degree between city, on the other hand, it enhances the big different degree, besides, Beijing, Tianjin with radiant function, other city to agglomeration.③According to the“Temporal distance”in 1 hour, the

　　city's external influence becomes obviously, the biggest changing is Langfang (0.25 hours). 1 hour over, the economic influence becomes gradually weaker, which disappear in 2 hour over. ④ Tianjin traffic is advantageously more than

　　Beijing, in the highway, railway, expressway and high-speed railway 4 traffic modes. But then, under the comprehensive effect of accessibility and economic influence, Beijing’s Outdegree is higher than Tianjin, InDegree Tianjin than Beijing.

　　⑤ Accessibility enlarges the space scope of metropolitan, besides it causes the spatial structure from“Poly- centricity Spatial Structure”to“Zonal Spatial Structure”

　　Key words: city network; gravity model; accessibility; Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan region

　　收稿時間：2013 - 01 - 10;修回時間：2013 - 05 - 05

　　基金項目：國家自然科學基金項目(40871069) 作者簡介：劉輝(1978—)，男，山東單縣人，博士，講師。主要研究方向為城市與區域發展。E-mail：urban-hui@163.com。

　　※通訊作者：申玉銘(1968—)，男，河南?？h人，教授，博士生導師。主要研究方向為產業地理與區域發展。E-mail：shenyuming@263.net。

　　38 經 濟 地 理 第 33 卷

　　交通可達性指利用交通系統從某一給定區位 到達活動地點的便利程度，反映兩地間相互作用機 會的潛能和克服空間分割的愿望和能力。Hansen 首 次提出了 Accessibility 的概念，將其定義為交通網 絡中各節點相互作用的機會的大小[1]，并利用重力 方法研究了可達性與城市土地利用之間的關系。之 后國內外學者對可達性及其利用在以下三個方面 進行研究：①可達性研究，包括可達性評價、可達性 的空間格局及其演化[2-3]，實質是交通網絡自身的特 征[4]、結構[5]、等級[6]、演化及交通網絡演化機制等方 面的研究[7];②可達性對城市職住空間分離[8]、公共

　　陣，往往受構建矩陣人對成員關系的認識程度、調 查對象的閱歷高低、數據的代表性大小等影響，對 兩兩關系作用大小判斷具有主觀性。而采用的交通 客流量、子母公司隸屬關系、產業鏈條下的業務流 量關系等屬性，卻往往忽略了地理空間距離損耗對 網絡的影響，特別是對網絡中心性、凝聚性的影響。 因此社會網絡分析能較好地考慮網絡內不同結節 點之間關系的前后和左右聯系性，但對網絡的空間 屬性反映具有局限性?；谝陨戏治觯芯繉⑸鐣?網 的 分 析 方 法 與 ArcGIS 技 術 支 撐 下 的 網 絡 分 析

　　(Network Analyst)結合起來進行京津冀城市空間網

　　服務設施[9(]

　　消防、醫院、商場)布局、土地利用[10] 等

　　絡研究，既可以發揮社會網分析的優勢，又能彌補

　　城市內部的生產和生活的影響，反映城市內部交通 網絡的效率以及交通網絡對城市內部空間結構的

　　影響;③可達性與區域經濟聯系和發展[11]，城市間

　　相互作用關系[12]、空間重構等方面的作用和影響，

　　反映城市間交通網絡是產業、經濟、人口等流動的 載體，交通網絡與城市網絡之間的內在聯系和作用

　　機制[13]。

　　伴隨城市間交通可達性提高，以及產業分工多 元化、合作密切化、人員流動頻繁化、貿易公平化、 資源共享化，各種流將區域內的城市緊密聯系在一

　　起，形成了城市網絡。M.Castells 在他的著作《網絡

　　社會的崛起》中指出世界城市應該被抽象成網絡中

　　的“流動空間”，是城市網絡中的關鍵節點而不是具 體的場所(place)[14]。城市作為網絡中一個節點的價 值，在于他和其他節點之間相互作用關系，這種作 用關系決定了城市的地位[15]。國內外針對城市網絡 研究主要借助復雜網絡(Complex Network)、社會網

　　(Social Network Analysis)分析方法，通過城市之間

　　的信息流和交通流的某一種經濟聯系，計算聯系網

　　絡的中心度、集聚系數、社團等指標，測度城市網絡 特征。其中武文杰[16]、金鳳君[17]、周一星[18]、王發輝[19]、 趙渺希[20]、夏輝[21]等分別對中國金融網絡、航空網絡 及其作用下中國城市網絡格局的變化進行了研究。

　　對空間屬性反映的局限。

　　1 研究方法

　　按照國家發改委界定，京津冀都市圈范圍涵蓋 北京市、天津市和河北省的石家莊、唐山、保定、秦 皇島、廊坊、滄州、承德、張家口 8 個地市及其所屬 的通州新城、順義新城、濱海新區和唐山曹妃甸工 業新區，面積有 18.84 萬 km2。2010 年末，都市圈生產 總值 39 598.6 億元，總人口 7 404.9 萬人。

　　1.1 城市間經濟聯系強度

　　城市間相互作用關系網絡是城市內部不同企 事業單位和企業主體之間關系以及與其它相關產 業之間聯系形成的網絡，事業單位和企業主體是城 市網絡參與的主體。由不同城市之間企事業單位業 務聯系、技術合作、商品流通等關系，將各個城市有 機連接在一起。其中經濟活動集聚的城市作為網絡 的節點，城市間通過一定基礎設施聯系起來的人 流、物流、資金和信息流作為網絡中節點之間的連 線。各城市因經濟規模、基礎設施、對外服務輸出等 差異形成不同的能量等級關系。如何測度城市之間 經濟聯系和影響力關系，研究利用常用的牛頓力學 引力模型來分析，即：

　　PkGk Pj Gj

　　據現有研究發現城市網絡研究一方面集中在交通

　　Fkj = 2

　　D

　　kj

　　(1)

　　流、生產性服務業、主體產業機構之間的研究，而從 整體經濟流的研究相對較少，另外以航空網絡研究 較多，而從不同交通網絡對比研究較少，特別是不 同交通模式引起可達性變化對城市網絡的影響較 少。從研究方法上來看多采用復雜社會網絡方法從 網絡的聯系性、網絡結節性、凝聚性等方面研究，能 較好反映網絡結節點(城市)在交通流網絡中的影 響程度和地位。但是，在網絡分析構建成員關系矩

　　式中：Fkj 表示 k 市、j 市的經濟聯系量;Pk、Pj、Gk、Gj 分 別表示 k 市、j 市的人口和 GDP;Dkj 為 k 市和 j 市間的 空間距離。

　　這種簡單的引力模型認為，城市 k 對城市 j 以及 城市 j 對城市 k 的影響力相等，實際上因城市經濟規 模的不同，作用力是不同的。為充分反映城市間作 用力的方向以及交通模式的變化對城市間相互作 用力的影響程度，研究需要考慮兩城市之間可達性

　　第 8 期 劉 輝，申玉銘，孟 丹，等：基于交通可達性的京津冀城市網絡集中性及空間結構研究 39

　　程度——“時間距離”?；谶@些對該模型進行調 整。

　　Sij = fsi Tij (2)

　　i 1 2 n

　　fs = n a a ?a

　　(3)

　　式(2)和式(3)中：Sij 表示 i 城市對 j 城市經濟影響力 的大小;fsi 為 i 城市經濟發展水平指數;Tij 為 i 城市和

　　j 城市之間可達時間;an 表示城市經濟實力的單個指 標(經過無量綱化)，這里主要采用中國城市統計年 鑒(2011 年)及河北省、北京和天津三省市 2011 年 相應統計年鑒數據，統計具體指標為京津冀都市圈 內各城市(全市范圍內，不單純指城市建成區)的經 濟、交通和產業發展等指標：①經濟總量指標：非農 業人口數、GDP、工業總產值、固定資產投資、限額 以上批發零售貿易銷售總額、社會消費品零售總 額、當年實際使用外資金額、一般預算內收入、年末 金融機構存款余額、年末金融機構貸款余額;②基 礎設施水平指標：客運總量、貨運總量、年末郵政局 數、郵政業務總量、電信業務總量、本地電話年末用 戶數、移動電話年末用戶數、國際互聯網用戶數、年 末實有道路面積、年末實有公共車輛數、全年公共 汽(電)車客運總量、年末實有出租汽車數;③產業 發展狀況指標：科學研究、技術服務和地質勘查業， 水利、環境和公共設施管理業，居民服務和其他服 務業，信息傳輸、計算機服務和軟件業，批發和零售業，住宿、餐飲業，制造業。

　　1.2 城市間“時間距離”計算

　　針對京津冀都市圈內兩兩城市之間可達時間， 研究先通過 ArcGIS 將國家高速公路網布局方案 7 條首都放射線、9 條縱線、18 條橫線，國家高速鐵路

　　5 條縱線、6 條橫線、7 條連接線分別矢量畫，在中國

　　1∶400 萬的中國行政區圖中進行 ArcGIS 配準、提取

　　京津冀都市圈范圍內的公路、鐵路、高速公路和高

　　速鐵路① 。借助 ArcGIS10.0 的 Calculate Geometry 和 Field Calculator 分別計算出不同城市間交通距離和 交通時間。其中行車速度參照《公路工程技術標準》

　　(JTG B01—2003)的規定和國家鐵路規定和建議相 關文件，每小時公路 80km，鐵路 100km，高速公路 110km，高 速 鐵 路 220km。最 后 利 用 ArcGIS10.0 的 Network Analyst 分 析 ，計 算 出 兩 兩 城 市 之 間 O- D

　　Cost Matrix 統計表。

　　圖 1 京津冀都市圈交通網

　　Fig.1 City’s transport network in Beijing-Tianjin-Hebei

　　metropolitan region

　　網絡節點的選擇，以京津冀都市圈范圍內為基本研 究區域，北京、天津和石家莊等 10 個城市看作經濟

　　網絡節點;其次，確定 10 個城市之間的社會組織網

　　絡關系，利用公式(2)計算的 i 城市在 j 城市經濟影

　　響力作為社會組織網絡關系，網絡結構的邊用來代

　　表節點(城市)間發生的聯系。具體包括：城市之間人 流、物流、信息、資本流的聯系等，其中邊的粗細反 映聯系程度大小;再次，數據處理，通過公式(2)以 及兩兩城市間 O-D Cost Matrix 表，構建京津冀都市 圈內 10 個主要城市節點 10×10 網絡數據矩陣;最 后，采用 UCINET 6 軟件，分別計算基于公路、鐵路、 高速公路和高速鐵路 4 中不同交通模式下的城市 間的經濟網絡節點作用力大小、作用網絡密度等。

　　節點中心度(Degree Centrality)是測量城市經 濟網絡單個節點城市在網絡結構中的指標。其值大 小反映城市在網絡中地位高低，即影響能力大小。 如果某城市的企事業和公司等經濟體與其他城市 都有經濟信息、業務和技術往來，則該節點與其它

　　所有節點都直接相連，具有較高的節點中心度。計 算公式為：

　　n

　　C (n ) = R

　　1.3 城市網絡測度指標選取

　　D i ∑

　　j = 1

　　ij (4)

　　選用社會網分析方法，首先，確定網絡范圍和

　　式中：CD (ni) 為節點中心度;Rij 為節點間的聯系強度。

　?、?高速公路和高速鐵路：這里參與空間統計分析和計算的指規劃期末所有的高速公路和高速鐵路。

　　40 經 濟 地 理 第 33 卷

　　網絡集中度(Network Centralization)是衡量城 市經濟整體網絡結構集中程度的指標。其計算公式 為：

　　n é n ù

　　→鐵路→高速公路→高速鐵路順序大大縮短，其中 北京到秦皇島由 3.5h 縮短到 1.2h，北京到石家莊由 3.4h 縮短到 1.1h，大大促進了北京與周邊城市之間

　　旅游、科技貿易、信息技術等現代服務業的發展和

　　C =∑(Cmax - Ci )/ maxê∑(Cmax - Ci )ú

　　i = 1

　　2

　　Cmax =(n

　　- 3n + 2)/2

　　ëi = 1

　　û (5)

　　聯系，提高了城市的外向服務功能。②周邊城市間

　　可達性變化程度與核心城市和周邊城市之間變化

　　式中：C 為城市經濟網絡集中度(節點中心勢);Cmax 是網絡結構中最大點度中心度的值;Ci 是其他節點 的中心度。

　　網絡密度(Network Density)指的是城市經濟網 絡中各個經濟主體機構之間聯系的緊密程度，是通 過網絡中實際存在的關系數量與理論上可能存在

　　的關系數量相比得到。其計算公式為：

　　相比較明顯。通過公路到高速鐵路、鐵路到高速鐵 路可達性對比來看，京津冀都市圈內核——北京到

　　周邊城市之間可達性變化最大值 2.31h(北京—石 家莊)、1.63h(北京—廊坊)，變化最小值分別為 1.2h

　　(北京—保定)、0.83h(北京—保定)。而京津冀都市

　　周邊城市之間，公路到高速鐵路可達性最大縮短時

　　間是 4.73h(秦皇島—石家莊)，滄州—石家莊縮短

　　k k 4.21h;另外鐵路到高速鐵路最大縮短時間是 3.35h

　　D =∑∑d(ni,nj )/k(k - 1) (6)

　　i = 1 j = 1

　　式中：D 為網絡密度;k 為城市經濟網絡節點數量。 D 值越大，節點之間的聯系就越多。當 D =1，說明 網絡節點之間都有聯系;當 D =0 時，則節點之間 都沒有聯系。

　　2 可達性與城市網絡結構

　　交通技術變革大大縮短了城市間的時間距離， 引起產業在區域和城市之間轉移，城市空間結構發 生重構。京津冀都市圈內北京到天津時間由 2.8h 縮 短到 0.5h(表 2)，可達性對城市間相互作用關系如 何演化?研究首先假設各城市是均質的，即各城市 經濟發展實力和作用均是一樣的，城市間聯系強弱 僅與空間距離和時間距離有關。然后再分析各城市 在經濟、人口、科技創新作用力下，城市間作用關系 的變化情況。

　　2.1 城市間可達性的變化

　　通過 GIS 技術計算出京津冀兩兩城市間公路、 鐵路、高速公路和高速鐵路的 O-D Cost Matrix 表。 經對比分析發現：①城市間可達性隨著交通技術變 革變化明顯。北京到周邊各城市間通達時間按公路

　　(秦皇島—石家莊)，滄州—石家莊縮短 3.22h。

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