栗向阳,王 磊*,张宇欣,彭一升
(1.武汉大学经济与管理学院，湖北 武汉 430072；
2.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000;3.武汉大学城市设计学院，湖北 武汉 430072)
城市网络体系是由若干职能分工不同、等级规模差异、空间分布有序的城市，依靠人口、交通、资金、能源、信息等关系网络所构成的城市群体[1-2].21世纪前，城市网络为垂直等级结构，城市网络体系的研究主要基于克里斯特勒的中心地理论[3].20世纪90年代以后，城市网络体系的研究在信息化和全球化的推动下也逐渐转向网络范式，取代了传统的基于中心地的城市体系研究.萨森[4]基于高级生产性服务业探究分析了世界城市体系结构，并揭示了近半世纪以来伦敦、东京和纽约等城市对世界城市网络体系的主导作.纽尔·卡尔斯特[5]在《网络社会的崛起》中提出了为城市网络研究奠定基础的“流动空间”理论.
近年来，随着交通、通信等各项技术的发展，城市体系的网络化结构特征愈加明显，表现在城市间各项要素流的交流愈加频繁，城市间的相互关联程度明显提高，城市间的关系趋向扁平化[6].在这种日益扁平、复杂的城市联系下，通过优化城市空间网络布局不仅能推动区域协调发展、优化城市各项资源要素，而且有利于区域中心的形成建设，从而带动区域共同发展，促进区域整体更好地融入到高等级城市网络体系中.因此，在全球化进程快速推进下，城市网络体系的研究对于区域发展及区域城市融入全球城市网络体系中显得更有重要意义.
纵观已有的文献，关于城市网络的研究可以分为基于属性数据和关系数据.早期的研究多基于前者，采用地区生产总值、人口数量等城市固有属性并结合城市流模型和引力模型对区域城市空间网络结构进行探讨.例如，苗长虹等[7]基于引力模型对河南省城市经济空间联系进行了分析.近年来，交通通讯技术的发展和科技的进步使得数据获取的方式及数据的种类越来越多，尤其是大数据时代的到来使得基于关系型数据的研究愈来愈成为国内外学者们研究的焦点[8].国外基于关系型数据的城市网络研究较多，其中以全球化与世界城市研究小组(Globalization and World City, GaWC)的成果最为丰富[9-11].限于篇幅，文中不再赘述.国内学者对城市网络的研究起步较晚，但取得了颇为丰富的研究成果[12].总结相关文献，国内关于城市网络的研究多基于关系型数据展开，从企业资金流[13]、交通流[14]、信息流[15]和消费流[16]等角度，从国家、省域、市域等不同尺度探讨我国城市网络结构的演化特征及其影响因素.
河南省作为我国的交通枢纽地区，具有铁路、公路、航空等相结合的综合交通运输体系.不仅在全国的城市交通网络结构中具有举足轻重的地位，而且省域内公路、城际铁路等构成的区域交通体系也不断得到完善，成为城市间联系的“生命要道”.因此，关于河南省的城市空间网络尤其是省内交通联系格局的研究对河南省的区域协同发展及融入到全国乃至世界城市体系中具有重要参考意义.安愈静等[17-18]基于中原城市群30个省辖市间的客运班次和百度数据，利用社会网络分析对中原城市群城市空间联系及网络格局进行研究；
刘正兵等[19]以中原城市群为研究对象，基于引力模型构建城市间的相互联系，并探讨中原城市群空间网络结构特征；
宋琼等[20]从有向多值关系视角，以中原城市群为研究对象，从静态网络、百度信息网络、综合交通网络三个方面对比研究.纵观现有研究，学者多从市域尺度利用单一的交通数据对河南省区域城市交通网络结构特征分析.不仅忽视了县域单元的交通格局，而且缺乏对多种交通数据的融合.文中基于“流动空间”理论[21-23]，通过加权求和的方法构建综合了高铁、普通列车和公路客运3种交通方式的有向加权网络矩阵，并借助社会网络分析方法从县域尺度对河南省的城市网络结构特征进行分析.从而为河南省交通网络布局的优化完善提出建议，促进河南省城市区域协调发展并更好地融入到全国城市网络体系中.
1.1 研究区概况与数据来源
河南省幅员辽阔，下辖郑州、开封和洛阳等18个地级市，共设158个县区.河南省具有优越的区位优势，位于黄河中下游地区，东连安徽和山东，西接陕西，北界河北及山西，南临湖北.地理位置的优势使得其成为我国重要的交通枢纽，省内综合了航空、铁路、公路、水运等多种交通运输方式.河南省内部铁路网络纵横交错、四通八达，有京广、京九、太焦、焦柳、陇海、侯月、新月、新菏和宁西等9条铁路干线跨境穿过.2019年，河南省旅客运输总量11.15亿人次，其中铁路旅客运输总量1.83亿人次，占比16.41%；
公路旅客运输总量9.13亿人次，占比83.59%.全省旅客运输周转量2 012.66亿人公里，其中公路旅客运输周转量699.03亿人公里，占比34.73%；
铁路旅客运输周转量1 091.34亿人公里，占比54.22%.
文中选取公路客运、普通火车和高铁3类交通方式构建城市综合交通联系矩阵.普通列车和高铁客运数据来自于中国铁路12306官网，查询获取每日列车运行班次；
公路客运数据来源于河南省公路客运联网售票平台，获取客车每日运行班次.在此基础上，分别赋予公路客运、普通列车和高铁三类交通方式的权重分别为0.2、0.4、0.4，并利用加权求和的方法得到城市综合交通联系值.本研究中用到的行政边界矢量数据(包括河南省省域、市域和县区行政区划边界)来源于国家基础地理信息库.此外，本文将各地级市的下辖区合并，整体作为一个研究单元.经过归并整理，研究区共计119个研究,单元研究区域如图1所示.
图1 研究区域范围Fig 1 Scope of study area
1.2 研究方法
1.2.1 GIS网络分析 文中借鉴图论的方法构建有向加权综合交通网络矩阵，利用ArcGIS软件平台的OD网络分析模块对河南省城市综合交通联系进行可视化分析[24]61.由于在城市综合交通网络中，城市A到城市B和城市B到城市A的交通联系量存在差异，将119个研究单元所形成的7 021对城市联系分为强联系和弱联系，并分析城市间的相互联系.
1.2.2 中心度分析借鉴相关文献[25-26]21,1589，文中采用程度中心度、中介中心度和接近中心度3个指标对河南省县域交通网络体系中各城市节点在网络中的地位和相对重要程度进行探究.其计算公式如下：
其中，CoD(i),CiD(i),CB(i)和CC(i)分别为城市节点i的外向程度中心度、内向程度中心度、中介中心度和接近中心度；
n为城市节点的数量；
Xij和Xji分别为两城市节点间的客运交通量；
gjk为节点间最短联系途径的数量；
gjk(i)为节点间最短联系途径经过城市节点i的数量；
dij表示城市节点间的最短路径距离.
1.2.3 网络密度 社会网络分析中的网络密度衡量了城市网络结构的合理性，取值为0～1，其值越大，城市网络密度越高，城市节点间联系越紧密[27]1640.网络密度的计算公式为
其中，D为区域城市体系的网络密度；
di(di,dj)为城市之间的联系，当i城市与j城市之间有联系的时候，其取值为1,否则，取值为0；
n为城市网络体系中城市节点的数量.
1.2.4 凝聚子群 凝聚子群分析法能够聚类分析出城市体系中具有紧密联系的城市团体，可以探究城市体系中联系更为紧密、交往更为频繁的区域[28]25.往往联系紧密的城市节点能在城市网络结构中形成城市小团体，并且其在城市体系的发展过程中具有相互独立的发展模式，在未来的发展过程中能够形成区域共同体.
2.1 城市综合交通联系强度分析
通过加权求和测得河南省7 021对县域间综合交通联系强度，并根据交通联系对中的强、弱联系绘制交通联结图，如图2所示.结果表明：① 河南省交通网络呈“十”字结构分布，并伴有强度差异和方向性差异.以省会郑州为核心，南北贯穿安阳、新乡、漯河、信阳等市，东西横跨商丘、开封、洛阳、三门峡等市，构成了河南省交通体系的基本骨架.县域间的交通联系强度差距较大，位居前十位的主要为郑州市区与其周边县域构成的交通联系对.各县域的交通联系强度总量差距也较大，居于首位的主要是郑州、南阳、开封、洛阳、信阳、漯河等地级市的市辖区.此外，县域间的交通联系强度存在方向性差异，但差异不是特别明显.② 各地级市内部的城市交通联系差异大，交通格局分布不均匀.内部交通联系紧密的地市有郑州、开封、洛阳、平顶山等，主要为郑州周边地区.内部交通联系程度不高的地区主要为河南省周边若干地市，包括南阳、信阳、济源等.总的来说，郑州作为河南省的交通枢纽，对带动河南省区域发展并融入到全国城市交通体系中具有重要的战略地位.各地级市尤其是南阳、信阳等区域的市辖区成为了局部区域的交通枢纽，对周围县域的交通起到调节作用.但是，其对周边县域的交通联结强度明显弱于郑州周边地市.
图2 河南省县域交通联系强度Fig 2 Traffic connection intensity at county levelin Henan Province
2.2 城市综合交通联系网络结构分析
2.2.1 中心性分析 通过测度中介中心度、接近中心度及内外向程度中心度，对河南省县域交通网络节点的中心性进行分析，结果如下：① 中介中心性分析.地级市辖区构成了交通网络体系的基本骨架，各网络节点具有层级性，并以郑州为中心形成了市辖区—县域圈层市分布结构.郑州市辖区的中介中心度最高，对交通网络结构起核心控制作用；
市辖区层，以郑州市辖区为中心，节点(地级市辖区)离其距离越近，中介中心度越高；
县域层，以各地市辖区为核心，节点(县域)离其距离越近，中介中心度越高.需要注意的是，由于南阳市所属县区主要通过市辖区参与到交通网络中，所以南阳市辖区的中介中心度明显高于其它地区.② 接近中心性分析.由表可知，河南省城市交通网络结构中，各城市节点的接近中心度空间差异较大，各城市对外交通联系能力差别明显.对外联系能力较强的节点仍是郑州周边地市的辖区；
对外联系能力较弱的节点主要分布在河南省的东部和北部地区，包括周口市、新乡市及濮阳市的所属县区.③ 程度中心性分析.县域和市域的对外辐射能力和吸引能力均有较大差异.辐射能力强于吸引能力的有郑州、漯河和济源；
辐射能力弱于吸引能力的有安阳、鹤壁、新乡、焦作、许昌、周口和驻马店；
地市辐射能力和吸引能力的强弱在空间分布上相似，较强的地区有郑州、漯河、开封、南阳、信阳等市.郑州、洛阳、开封、南阳等地市辖区的程度中心度较高，对周围节点有很强的辐射和带动作用.
表1 河南省综合交通网络程度中心度Tab 1 The degree center degree of comprehensivetransportation network in Henan Province
2.2.2 密度分析 由于网络密度需要统计区域内具有相互联系的节点，为了便于分析，文中根据数据特征并参照前人的研究成果选取交通联系强度中值对河南省县域交通网络矩阵进行二值化处理，从而得到有向邻近矩阵.通过公式(5)和(6)并借助UCINET中的Netdraw插件测算河南省整体及各地级市的网络密度，结果如表2所示.河南省整体城市交通网络密集程度不高，除周口和鹤壁之外，其他地级市的交通网络集聚程度均高于河南省整体；
交通网络密度由强到弱依次为开封、郑州、信阳、平顶山、南阳、三门峡、漯河、驻马店、洛阳、焦作、商丘、许昌、新乡、安阳、濮阳、周口和鹤壁；
中心市辖区交通网络密集，边缘县域节点网络稀疏.
表2 河南省(市)综合交通网络密度Tab 2 The density of comprehensive transportation networkin Henan Province or its prefecture-level cities
2.2.3 聚类分析 运用UCINET软件中的CONCER聚类方法对河南省交通网络体系进行凝聚子群分析，结果如图3所示，分为4个二级子群和7个三级子群.三级聚类分析中，第1子群主要为郑州、开封、商丘、洛阳、三门峡等地市的下辖县区，以郑州市为核心呈条带状辐射分布；
第2子群主要为河南省北部地市的部分县区；
第3子群主要为许昌、漯河、驻马店、信阳及平顶山的所属县区，呈组团式分布；
第4子群为周口市下辖县区，分布于河南省东部边缘；
第5子群包括濮阳、焦作和周口等市的部分县区，分布于河南省的东部和北部地区；
第6子群为南阳市的部分县区，分布于河南省西南地区；
第7子群主要为信阳市的部分县区，分布于河南省东南地区.将三级子群进行二级聚类可得，第1子群和第2子群组成沿黄城市小团体，主要为郑州、开封、商丘、洛阳、三门峡、济源、焦作、新乡、安阳和濮阳等地市的所属县区，分布于黄河干流两侧；
第3子群和第4子群组成豫中城市小团体，主要为漯河、驻马店、平顶山、周口、许昌、信阳等地市的部分县区，分布于河南省中部地区；
第5子群组成豫北、豫东城市小团体，主要为商丘、濮阳、鹤壁、周口等地市的部分县区，分布于河南省东北地区；
第6子群和第7子群组成豫南城市小团体，主要为信阳和南阳两地市的所属县区，分布于河南省的东南和西南地区.
图3 河南省城市综合交通网络凝聚子群Fig 3 Agglomerated subgroup of urban integratedtransportation network in Henan Province
基于119个研究单元之间的公路、普通火车及高速铁路3种交通方式的客运数据，利用加权求和的方法构建县域综合交通网络矩阵，并利用社会网络分析方法从县域尺度对河南省城市综合交通网络结构进行分析，可得到如下结论：
1)作为我国中部的交通枢纽地区，河南省的交通布局不断完善，形成了以郑州市为核心的具有层级的圈层式交通网络结构.然而，由于自然环境、社会经济发展、政府行政干预等因素的存在，使得地区间(包括市域间和县域间)的交通分布格局差异较大，即使同一市域内的县域节点的交通联系强度也存在明显分化.未来城市发展过程中，应继续增强区域特别是与中心城市距离较远的边缘市县的交通路网密度，从而提高河南省整体的交通联结度.同时，要依据县域节点的人口分布及相互间的流动情况，优化交通站点布局并调整客运通勤班次，以此改善交通网络结构中存在的节点间交通联系强度不对称等问题.
2)市域层面，京广铁路和陇海铁路作为我国南北向和东西向重要的交通运输通道，也对河南省的交通网络结构产生重要影响.两条铁路干线跨境而过，构建形成了河南省交通体系的基本骨架—以郑州为核心，南北贯穿安阳等8个地级市，东西跨越商丘等5个地级市，并呈“十”字结构分布.河南省未来交通布局应以市域为主体构架，以郑州都市圈为核心，形成覆盖郑州、焦作、新乡、开封、许昌等地市的现代化综合交通体系.具体的，一方面，要在现有的基础上积极发展“东南—西北”和“东北—西南”两个方向的交通运输，发挥郑州航空枢纽和铁路枢纽的核心驱动作用，努力打造形成“米”字形交通网络格局，进而有效对接京津冀、长三角、粤港澳等城市群.另一方面，要加快轻轨、城际铁路、干线铁路等快速交通的建设，积极推动郑州都市圈轨道交通的“四网融合”，形成以郑州市为核心的“1小时”、“2小时”和“3小时”城市交通圈.同时，积极打造交通副中心.郑州作为河南省的交通枢纽，地理位置偏北，对南部地区的交通辐射强度低，未来应将地理位置偏南的漯河或驻马店作为发展的新方向，打造形成交通新枢纽.
3)县域层面，各交通节点以所在地级市辖区为核心呈层级分布是河南省交通网络格局的主要特点，与市区尤其是郑州市距离较近的县域节点对外交通联系能力越强，边缘县区的交通联系能力较弱并且网络密度低.所有的县域节点可以分为4个城市小团体，各团体内的节点符合地理邻近性原则，并以“沿轴带扩展”和“组团分布”的空间组织模式为主.总的来说，由于人口等资源要素不断向中心城市特别是省会城市集聚，县域和小城镇未能充足发展，导致交通网络格局分布不均的局面迟迟得不到改善.一方面，我们要遵循产业和人口向优势区域集中的客观经济规律，保证中心城市和大城市的发展质量，充分发挥其交通中心的功能作用.另一方面，应围绕公共服务设施、环境卫生设施、市政公用设施、产业培育设施等方面，积极实施城市更新行动，提升县城和小城镇的人居环境质量和人民生活质量，从而吸引人口向县城集聚，进而提升县域节点的中介功能和对外交通联系强度.
文中基于综合交通数据对河南省城市网络体系进行探讨，对其空间区域发展及融入到全国交通网络格局具有重要的参考价值和实践意义.城市网络体系的形成和发展是政治、经济、社会、人口等多要素共同作用的结果，对城市网络体系的研究需要从多方面展开.文中仅从“交通流”视角进行分析略显不足，需结合其他诸如县域人口、资金等要素流动数据开展研究.此外，城市网络体系的形成和发展是动态的过程，文中采用截面数据进行分析，仅能反映河南省交通网络体系的现状.在未来的研究中，需采用面板数据对其交通网络结构的动态变迁做进一步探讨.
猜你喜欢网络体系交通网络子群有向图上高维时间序列模型及其在交通网络中的应用数学杂志(2022年4期)2022-09-27智慧高速边缘计算系统架构和网络体系探究中国交通信息化(2022年6期)2022-08-30超聚焦子群是16阶初等交换群的块数学年刊A辑(中文版)(2022年1期)2022-08-20子群的核平凡或正规闭包极大的有限p群数学年刊A辑(中文版)(2021年4期)2021-02-12医联体模式下全科住院医师规范化培训网络体系的构建研究中国毕业后医学教育(2020年4期)2020-12-06国防交通网络关键节点识别模型研究军事运筹与系统工程(2019年1期)2019-11-16基于人工智能方法的交通网络规划发展汽车文摘(2017年1期)2017-12-05πSCAP-子群和有限群的结构中央民族大学学报（自然科学版）(2016年2期)2016-06-27恰有11个极大子群的有限幂零群哈尔滨师范大学自然科学学报(2015年1期)2015-04-19基于小世界网络体系算法的图像水印实现电视技术(2014年9期)2014-03-11