集中性及空間結(jié)構(gòu)研究

　　劉 輝 1，2，申玉銘※1，孟 丹 1，薛 晉 1

　　(1.首都師范大學(xué) 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，中國 北京 100048;2.中國城市科學(xué)規(guī)劃設(shè)計研究院，中國 北京 100037)

　　摘 要：伴隨高速公路和高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營，城市間“時間距離”縮短，引起城市區(qū)位和城市關(guān)系網(wǎng)絡(luò)發(fā) 生變化。研究將 GIS 網(wǎng)絡(luò)分析和社會網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)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(jīng)濟相互作用的外向和內(nèi)向集中程度 等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①交通可達性對都市圈內(nèi)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(jīng)濟輻射能力和城市間聯(lián)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(nèi)，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(jīng)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(qū)位優(yōu)越于北京，但在可達性和經(jīng)濟影響力綜合作用下，北京外向 集中程度(Out Degree)地位明顯優(yōu)越于天津，而內(nèi)向集中程度(In Degree)天津高于北京。⑤可達性拓展了都市圈內(nèi) 層的空間范圍，并引起空間結(jié)構(gòu)由“多中心”結(jié)構(gòu)向連續(xù)的“帶狀”結(jié)構(gòu)演變。

　　關(guān)鍵詞：交通類論文發(fā)表,城市網(wǎng)絡(luò),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(xué)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(qū)域發(fā)展。E-mail：urban-hui@163.com。

　　※通訊作者：申玉銘(1968—)，男，河南浚縣人，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為產(chǎn)業(yè)地理與區(qū)域發(fā)展。E-mail：shenyuming@263.net。

　　38 經(jīng) 濟 地 理 第 33 卷

　　交通可達性指利用交通系統(tǒng)從某一給定區(qū)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(wǎng) 絡(luò)中各節(jié)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(guān)系。之 后國內(nèi)外學(xué)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(zhì)是交通網(wǎng)絡(luò)自身的特 征[4]、結(jié)構(gòu)[5]、等級[6]、演化及交通網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建矩陣人對成員關(guān)系的認識程度、調(diào) 查對象的閱歷高低、數(shù)據(jù)的代表性大小等影響，對 兩兩關(guān)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(guān)系、產(chǎn)業(yè)鏈條下的業(yè)務(wù)流 量關(guān)系等屬性，卻往往忽略了地理空間距離損耗對 網(wǎng)絡(luò)的影響，特別是對網(wǎng)絡(luò)中心性、凝聚性的影響。 因此社會網(wǎng)絡(luò)分析能較好地考慮網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同結(jié)節(jié) 點之間關(guān)系的前后和左右聯(lián)系性，但對網(wǎng)絡(luò)的空間 屬性反映具有局限性。基于以上分析，研究將社會 網(wǎng) 的 分 析 方 法 與 ArcGIS 技 術(shù) 支 撐 下 的 網(wǎng) 絡(luò) 分 析

　　(Network Analyst)結(jié)合起來進行京津冀城市空間網(wǎng)

　　服務(wù)設(shè)施[9(]

　　消防、醫(yī)院、商場)布局、土地利用[10] 等

　　絡(luò)研究，既可以發(fā)揮社會網(wǎng)分析的優(yōu)勢，又能彌補

　　城市內(nèi)部的生產(chǎn)和生活的影響，反映城市內(nèi)部交通 網(wǎng)絡(luò)的效率以及交通網(wǎng)絡(luò)對城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的

　　影響;③可達性與區(qū)域經(jīng)濟聯(lián)系和發(fā)展[11]，城市間

　　相互作用關(guān)系[12]、空間重構(gòu)等方面的作用和影響，

　　反映城市間交通網(wǎng)絡(luò)是產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟、人口等流動的 載體，交通網(wǎng)絡(luò)與城市網(wǎng)絡(luò)之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用

　　機制[13]。

　　伴隨城市間交通可達性提高，以及產(chǎn)業(yè)分工多 元化、合作密切化、人員流動頻繁化、貿(mào)易公平化、 資源共享化，各種流將區(qū)域內(nèi)的城市緊密聯(lián)系在一

　　起，形成了城市網(wǎng)絡(luò)。M.Castells 在他的著作《網(wǎng)絡(luò)

　　社會的崛起》中指出世界城市應(yīng)該被抽象成網(wǎng)絡(luò)中

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

　　(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(jīng)濟聯(lián)系，計算聯(lián)系網(wǎng)

　　絡(luò)的中心度、集聚系數(shù)、社團等指標，測度城市網(wǎng)絡(luò) 特征。其中武文杰[16]、金鳳君[17]、周一星[18]、王發(fā)輝[19]、 趙渺希[20]、夏輝[21]等分別對中國金融網(wǎng)絡(luò)、航空網(wǎng)絡(luò) 及其作用下中國城市網(wǎng)絡(luò)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(fā)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(qū)和唐山曹妃甸工 業(yè)新區(qū)，面積有 18.84 萬 km2。2010 年末，都市圈生產(chǎn) 總值 39 598.6 億元，總?cè)丝?7 404.9 萬人。

　　1.1 城市間經(jīng)濟聯(lián)系強度

　　城市間相互作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)是城市內(nèi)部不同企 事業(yè)單位和企業(yè)主體之間關(guān)系以及與其它相關(guān)產(chǎn) 業(yè)之間聯(lián)系形成的網(wǎng)絡(luò)，事業(yè)單位和企業(yè)主體是城 市網(wǎng)絡(luò)參與的主體。由不同城市之間企事業(yè)單位業(yè) 務(wù)聯(lián)系、技術(shù)合作、商品流通等關(guān)系，將各個城市有 機連接在一起。其中經(jīng)濟活動集聚的城市作為網(wǎng)絡(luò) 的節(jié)點，城市間通過一定基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)系起來的人 流、物流、資金和信息流作為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的連 線。各城市因經(jīng)濟規(guī)模、基礎(chǔ)設(shè)施、對外服務(wù)輸出等 差異形成不同的能量等級關(guān)系。如何測度城市之間 經(jīng)濟聯(lián)系和影響力關(guān)系，研究利用常用的牛頓力學(xué) 引力模型來分析，即：

　　PkGk Pj Gj

　　據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)城市網(wǎng)絡(luò)研究一方面集中在交通

　　Fkj = 2

　　D

　　kj

　　(1)

　　流、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、主體產(chǎn)業(yè)機構(gòu)之間的研究，而從 整體經(jīng)濟流的研究相對較少，另外以航空網(wǎng)絡(luò)研究 較多，而從不同交通網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的影響較 少。從研究方法上來看多采用復(fù)雜社會網(wǎng)絡(luò)方法從 網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)節(jié)性、凝聚性等方面研究，能 較好反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)節(jié)點(城市)在交通流網(wǎng)絡(luò)中的影 響程度和地位。但是，在網(wǎng)絡(luò)分析構(gòu)建成員關(guān)系矩

　　式中：Fkj 表示 k 市、j 市的經(jīng)濟聯(lián)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(jīng)濟規(guī) 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(wǎng)絡(luò)集中性及空間結(jié)構(gòu)研究 39

　　程度——“時間距離”。基于這些對該模型進行調(diào) 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(jīng)濟影響力 的大小;fsi 為 i 城市經(jīng)濟發(fā)展水平指數(shù);Tij 為 i 城市和

　　j 城市之間可達時間;an 表示城市經(jīng)濟實力的單個指 標(經(jīng)過無量綱化)，這里主要采用中國城市統(tǒng)計年 鑒(2011 年)及河北省、北京和天津三省市 2011 年 相應(yīng)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，統(tǒng)計具體指標為京津冀都市圈 內(nèi)各城市(全市范圍內(nèi)，不單純指城市建成區(qū))的經(jīng) 濟、交通和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等指標：①經(jīng)濟總量指標：非農(nóng) 業(yè)人口數(shù)、GDP、工業(yè)總產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資、限額 以上批發(fā)零售貿(mào)易銷售總額、社會消費品零售總 額、當(dāng)年實際使用外資金額、一般預(yù)算內(nèi)收入、年末 金融機構(gòu)存款余額、年末金融機構(gòu)貸款余額;②基 礎(chǔ)設(shè)施水平指標：客運總量、貨運總量、年末郵政局 數(shù)、郵政業(yè)務(wù)總量、電信業(yè)務(wù)總量、本地電話年末用 戶數(shù)、移動電話年末用戶數(shù)、國際互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)、年 末實有道路面積、年末實有公共車輛數(shù)、全年公共 汽(電)車客運總量、年末實有出租汽車數(shù);③產(chǎn)業(yè) 發(fā)展狀況指標：科學(xué)研究、技術(shù)服務(wù)和地質(zhì)勘查業(yè)， 水利、環(huán)境和公共設(shè)施管理業(yè)，居民服務(wù)和其他服 務(wù)業(yè)，信息傳輸、計算機服務(wù)和軟件業(yè)，批發(fā)和零售業(yè)，住宿、餐飲業(yè)，制造業(yè)。

　　1.2 城市間“時間距離”計算

　　針對京津冀都市圈內(nèi)兩兩城市之間可達時間， 研究先通過 ArcGIS 將國家高速公路網(wǎng)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(qū)圖中進行 ArcGIS 配準、提取

　　京津冀都市圈范圍內(nèi)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(shù)標準》

　　(JTG B01—2003)的規(guī)定和國家鐵路規(guī)定和建議相 關(guān)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(tǒng)計表。

　　圖 1 京津冀都市圈交通網(wǎng)

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

　　metropolitan region

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的選擇，以京津冀都市圈范圍內(nèi)為基本研 究區(qū)域，北京、天津和石家莊等 10 個城市看作經(jīng)濟

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點;其次，確定 10 個城市之間的社會組織網(wǎng)

　　絡(luò)關(guān)系，利用公式(2)計算的 i 城市在 j 城市經(jīng)濟影

　　響力作為社會組織網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的邊用來代

　　表節(jié)點(城市)間發(fā)生的聯(lián)系。具體包括：城市之間人 流、物流、信息、資本流的聯(lián)系等，其中邊的粗細反 映聯(lián)系程度大小;再次，數(shù)據(jù)處理，通過公式(2)以 及兩兩城市間 O-D Cost Matrix 表，構(gòu)建京津冀都市 圈內(nèi) 10 個主要城市節(jié)點 10×10 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作用力大小、作用網(wǎng)絡(luò)密度等。

　　節(jié)點中心度(Degree Centrality)是測量城市經(jīng) 濟網(wǎng)絡(luò)單個節(jié)點城市在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的指標。其值大 小反映城市在網(wǎng)絡(luò)中地位高低，即影響能力大小。 如果某城市的企事業(yè)和公司等經(jīng)濟體與其他城市 都有經(jīng)濟信息、業(yè)務(wù)和技術(shù)往來，則該節(jié)點與其它

　　所有節(jié)點都直接相連，具有較高的節(jié)點中心度。計 算公式為：

　　n

　　C (n ) = R

　　1.3 城市網(wǎng)絡(luò)測度指標選取

　　D i ∑

　　j = 1

　　ij (4)

　　選用社會網(wǎng)分析方法，首先，確定網(wǎng)絡(luò)范圍和

　　式中：CD (ni) 為節(jié)點中心度;Rij 為節(jié)點間的聯(lián)系強度。

　　① 高速公路和高速鐵路：這里參與空間統(tǒng)計分析和計算的指規(guī)劃期末所有的高速公路和高速鐵路。

　　40 經(jīng) 濟 地 理 第 33 卷

　　網(wǎng)絡(luò)集中度(Network Centralization)是衡量城 市經(jīng)濟整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(mào)易、信息技術(shù)等現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的發(fā)展和

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

　　i = 1

　　2

　　Cmax =(n

　　- 3n + 2)/2

　　ëi = 1

　　û (5)

　　聯(lián)系，提高了城市的外向服務(wù)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(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)集中度(節(jié)點中心勢);Cmax 是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最大點度中心度的值;Ci 是其他節(jié)點 的中心度。

　　網(wǎng)絡(luò)密度(Network Density)指的是城市經(jīng)濟網(wǎng) 絡(luò)中各個經(jīng)濟主體機構(gòu)之間聯(lián)系的緊密程度，是通 過網(wǎng)絡(luò)中實際存在的關(guān)系數(shù)量與理論上可能存在

　　的關(guān)系數(shù)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)密度;k 為城市經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量。 D 值越大，節(jié)點之間的聯(lián)系就越多。當(dāng) D =1，說明 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間都有聯(lián)系;當(dāng) D =0 時，則節(jié)點之間 都沒有聯(lián)系。

　　2 可達性與城市網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　交通技術(shù)變革大大縮短了城市間的時間距離， 引起產(chǎn)業(yè)在區(qū)域和城市之間轉(zhuǎn)移，城市空間結(jié)構(gòu)發(fā) 生重構(gòu)。京津冀都市圈內(nèi)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(guān)系如 何演化?研究首先假設(shè)各城市是均質(zhì)的，即各城市 經(jīng)濟發(fā)展實力和作用均是一樣的，城市間聯(lián)系強弱 僅與空間距離和時間距離有關(guān)。然后再分析各城市 在經(jīng)濟、人口、科技創(chuàng)新作用力下，城市間作用關(guān)系 的變化情況。

　　2.1 城市間可達性的變化

　　通過 GIS 技術(shù)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(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)：①城市間可達性隨著交通技術(shù)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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