張開(kāi)廣 ， 石 玉 ， 巴明廷 ， 孟紅玲,2 ， 孫艷敏

(1.鄭州師范學(xué)院 3S研究所,鄭州 450044； 2.華東師范大學(xué) 課程與教學(xué)研究所,上海 200062)

0 引言

河南省地處中原腹地，是全國(guó)重要的交通樞紐之一。國(guó)家干線高速大廣(G45)、二廣(G55)、京港澳(G4)、連霍(G30)、寧洛(G36)、滬陜(G40)、濟(jì)廣(G35)和兩條連接線新晉(G5512)、日蘭(G1511)等形成了“四縱三橫”覆蓋全省主要經(jīng)濟(jì)區(qū)的主干網(wǎng)絡(luò)。為了把中原經(jīng)濟(jì)區(qū)獨(dú)特的區(qū)域優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中原崛起，河南省抓住國(guó)家加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的戰(zhàn)略機(jī)遇，對(duì)國(guó)家干線高速區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密，共修建19條省級(jí)高速公路，形成了河南省高速運(yùn)輸網(wǎng)路。到2013年底全省高速通車?yán)锍? 858 km，位居全國(guó)第一[1-2]。

高速公路的建設(shè)極大地改變了人們的生活方式，縮短了時(shí)空的距離，成為城際間客運(yùn)和貨運(yùn)的重要載體之一，極大地帶動(dòng)了地域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。如何合理繼續(xù)加密高速公路網(wǎng)，使其能覆蓋全省所有的經(jīng)濟(jì)區(qū)域，帶動(dòng)全省整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已越來(lái)越受到人們的重視[3-7]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)以及現(xiàn)代通訊技術(shù)的快速發(fā)展，以交通監(jiān)管信息中心為核心 ,對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)度,使道路、使用者(出行者)與交通系統(tǒng)之間緊密、實(shí)時(shí)和穩(wěn)定的相互信息傳遞與處理成為可能,同時(shí)，為高速公路空間分布分析提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[8-10]。

河南省高速公路服務(wù)區(qū)域空間分布研究，以高速交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及道路交通經(jīng)驗(yàn)信息為基礎(chǔ)，基于路徑時(shí)間消耗測(cè)度，利用非歐氏空間中最佳路徑算法完成最佳路徑的選擇，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)高速公路出入口的覆蓋范圍，尋找高速公路服務(wù)區(qū)域盲點(diǎn)，為河南省加密高速公路和帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)。

由于路徑時(shí)間消耗測(cè)度空間是一個(gè)非歐距離空間，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的最佳路徑與從B點(diǎn)到A點(diǎn)的最佳路徑是不同的路段集合，因此，單位時(shí)間內(nèi)高速公路出口與入口的覆蓋范圍是不同的地理區(qū)域，本研究主要研究高速公路入口覆蓋范圍的空間分布特征。

1 高速交通系統(tǒng)及路徑算法

1.1 高速交通系統(tǒng)的構(gòu)成

高速交通系統(tǒng)分為高速公路交通系統(tǒng)和普通公路交通系統(tǒng)兩部分。高速公路交通系統(tǒng)由國(guó)家干線高速公路、省(市)加密高速公路構(gòu)成；普通公路交通系統(tǒng)由國(guó)家干線公路(國(guó)道)、省級(jí)公路(省道)和縣鄉(xiāng)公路構(gòu)成；它們通過(guò)高速公路出入口相連接，形成完善的公路運(yùn)輸網(wǎng)路[11]。

1.2 高速交通系統(tǒng)的測(cè)度

高速交通系統(tǒng)中最佳路徑選擇的測(cè)度是指人們出行所考慮的成本，可分為距離、時(shí)間和出行費(fèi)用3類[12]，與基于兩點(diǎn)間旅行路徑中各路段長(zhǎng)度之和為距離測(cè)度不同的是，基于兩點(diǎn)間旅行時(shí)間長(zhǎng)短和費(fèi)用消耗為測(cè)度的測(cè)度空間是非歐距離空間，本研究采用的測(cè)度是基于兩點(diǎn)間旅行時(shí)間長(zhǎng)短的時(shí)間測(cè)度，它是路徑中時(shí)間消耗的總和，包括路徑中路段時(shí)間消耗和各路口時(shí)間消耗[12-13]。

1.3 NEDS算法

NEDS算法是基于非歐氏空間的最佳路徑選擇算法，和歐氏空間中最佳路徑選擇算法不同的是，它以兩點(diǎn)間的時(shí)間消耗為距離測(cè)度，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)的道路數(shù)量，定義虛擬臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算路徑的起點(diǎn)到臨時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間消耗，完成最佳路徑的計(jì)算[12]。

NEDS算法的計(jì)算步驟是：① 以高速交通系統(tǒng)路網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)造交通聯(lián)絡(luò)圖。② 基于交通網(wǎng)路圖，以路段和節(jié)點(diǎn)處時(shí)間消耗為測(cè)度，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)虛擬連通聯(lián)絡(luò)圖。③ 定義路徑的起點(diǎn)A和終點(diǎn)H。④ 定義中間狀態(tài)集合Xk={xk1,xk2,xk3,…,xkr}和行進(jìn)方向各中間狀態(tài)上臨時(shí)狀態(tài)集合Xkj={xkj(α)|α是離開(kāi)xkj的方位角}，當(dāng)α=0時(shí)節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)狀態(tài)就是該節(jié)點(diǎn)。⑤計(jì)算A到各臨時(shí)狀態(tài)的時(shí)間消耗：

Tkα(k)(A,x2,x3,…,xk)=Tk-1α(k-1)(xk-1)+

tk-1,k(xk-1,xk)+rk-1,kα(k)(xk-1,xkj(α(k))) 。

式中：Tk-1α(k-1)(xk-1)是A到上一節(jié)點(diǎn)xk-1的累計(jì)時(shí)間消耗；tk-1,k(xk-1,xk)是上一節(jié)點(diǎn)xk-1到該節(jié)點(diǎn)xk路段時(shí)間消耗；rk-1,kα(k)(xk-1xkj(α(k))) 是上一節(jié)點(diǎn)xk-1到臨時(shí)節(jié)點(diǎn)xkj(α(k)) 的轉(zhuǎn)向時(shí)間消耗。當(dāng)xk=H時(shí)，T(A,x2,x3,…,H)=Tk-1α(k-1)(xk-1)+tk-1,k(xk-1,xk)就是起點(diǎn)A和終點(diǎn)H的最短時(shí)間消耗，R={A→x2→x3,…,→xk} ={A→x2→x3,…,→H}就是A→H的最佳路徑。

2 高速公路服務(wù)區(qū)域的計(jì)算

河南省高速公路服務(wù)區(qū)域,以河南省高速交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以2013年1月至2013年9月周一第8時(shí)段道路及路口通行時(shí)間經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)*道路及路口通行時(shí)間經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自2013年1月至2013年9月國(guó)家統(tǒng)計(jì)局河南調(diào)查總隊(duì)與河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院聯(lián)合進(jìn)行的河南省普通公路交通流量調(diào)查研究報(bào)告。[14]為測(cè)度，利用NEDS算法計(jì)算基于最佳路徑的單個(gè)高速入口單位時(shí)間T內(nèi)服務(wù)覆蓋范圍，然后合成所有入口覆蓋區(qū)域得到。計(jì)算步驟如下。

(1)以高速入口和普通公路路段及道路節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)造交通聯(lián)絡(luò)圖。

以2013年9月河南省交通運(yùn)輸廳公布的河南省普通公路分布圖、河南省高速出入口分布圖[15]為基礎(chǔ)，繪制出河南省交通聯(lián)絡(luò)圖(圖1)。

圖1 河南省區(qū)域交通聯(lián)絡(luò)圖

(2)設(shè)入口P在交通聯(lián)絡(luò)圖有n條T時(shí)間內(nèi)可達(dá)路徑R={R1,R2,R3,…,Rn},利用NEDS算法，基于道路交通時(shí)間消耗經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各路徑中到達(dá)P(x0,y0)時(shí)間消耗為T的臨界點(diǎn){A1(x1,y1),A2(x2,y2),A3(x3,y3),…,An(xn,yn),}和最佳路徑{R1,R2,R3,…,Rn}，以相鄰三點(diǎn)構(gòu)造二次差值方程，共n-1個(gè)二次方程，構(gòu)成方程組：

擬合點(diǎn)集{A1,A2,A3,…,An}，則該方程組圖像交集構(gòu)成的凸多邊形內(nèi)的區(qū)域SP1即為入口P的服務(wù)覆蓋范圍。

設(shè)點(diǎn)P為S81淮陽(yáng)入口，交通聯(lián)絡(luò)圖見(jiàn)圖2。根據(jù)周一第8時(shí)段道路交通經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，國(guó)道、省道、縣鄉(xiāng)公路平均通行速度分別為60，40，30 km/h，各路口通過(guò)時(shí)間見(jiàn)表1。點(diǎn)P由12條T=30 min時(shí)間內(nèi)可達(dá)路徑，利用NEDS算法計(jì)算各最佳路徑中到達(dá)P點(diǎn)、時(shí)間消耗為T的臨界點(diǎn){A1(x1,y1),A2(x2,y2),A3(x3,y3),…,A12(x12,y12)}及路徑{R1,R2,R3,…,R12}，如表2所示。

圖2 S81淮陽(yáng)入口交通聯(lián)絡(luò)圖

表1周一第8時(shí)段路口通行時(shí)間消耗經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)s

Tab.1Thestatisticaloftimeconsumptiononroadintersectionsat8thperiodonMonday(part)

通過(guò)狀態(tài)國(guó)道?國(guó)道省道→國(guó)道縣鄉(xiāng)公路→國(guó)道縣鄉(xiāng)公路→省道縣鄉(xiāng)公路?縣鄉(xiāng)公路直行4038302720右轉(zhuǎn)3025232015左轉(zhuǎn)6050484030

利用臨界點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)造二次差值方程，擬合點(diǎn)集{A1,A2,A3,…,A12}得到入口P的初始服務(wù)覆蓋范圍SP1(圖3)。合并所有單個(gè)入口的初始服務(wù)覆蓋范圍，得到地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)域 (圖4)。

表2 入口P的臨界點(diǎn)分布及最佳路徑

圖3 S81淮陽(yáng)高速入口服務(wù)覆蓋范圍

圖4 河南高速公路初始服務(wù)覆蓋范圍

3 高速公路服務(wù)區(qū)域分布分析

3.1 高速公路服務(wù)區(qū)域空間分布分析

河南省高速公路30 min服務(wù)區(qū)域總面積為10 070 km2，占全省總面積的60.74%；隨著國(guó)家《退耕還林條例》(國(guó)務(wù)院令2002年第367號(hào))的實(shí)施，河南省對(duì)地理坡度大于5°山區(qū)實(shí)施林業(yè)用地封閉保護(hù),到2013年底居住人口和非林經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)已經(jīng)基本完成從這些山區(qū)遷出。因此,為了準(zhǔn)確地分析高速公路對(duì)河南省人們出行的服務(wù)區(qū)域,這些無(wú)人居住的地區(qū)必須扣除。對(duì)河南省1∶1萬(wàn)的DEM(2013年1月河南省基礎(chǔ)地理信息中心研制)進(jìn)行坡度分析，得到坡度大于5°的地理分布(圖5)。對(duì)圖5和圖4的集合運(yùn)算，結(jié)果見(jiàn)圖6。河南省高速公路30 min服務(wù)區(qū)域覆蓋范圍,總面積為89 209 km2，占全省相應(yīng)面積的66.15%。河南省各地市高速公路30 min服務(wù)區(qū)域覆蓋率如表3所示，與國(guó)內(nèi)其他省(市)相比，高速公路服務(wù)區(qū)域占全省非林總面積的比例較高,全省高速交通網(wǎng)絡(luò)分布基本完善。

圖5 河南省坡度大(小)于5度分布狀況

圖6 河南高速公路服務(wù)覆蓋區(qū)分布

由表3可知，有11個(gè)地市覆蓋率大于全省平均值(70.25%)，整體標(biāo)準(zhǔn)差為17.11，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，最大值與最小值之差為54.81%，表明全省高速公路發(fā)展極不平衡，路網(wǎng)分布稀疏度差別比較明顯。前三位的地市分別是焦作、鄭州和許昌，服務(wù)覆蓋大于90%，分布在省會(huì)鄭州周邊地區(qū)，同時(shí)，也是河南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的城市[16-17]；后三位的地市分別為濟(jì)源、濮陽(yáng)和信陽(yáng)，服務(wù)覆蓋小于50%，分布在河南周邊與相鄰省交界地區(qū)，這些地區(qū)單位面積GDP相對(duì)較低[16-17]。為了實(shí)現(xiàn)中原經(jīng)濟(jì)區(qū)經(jīng)濟(jì)的平衡發(fā)展，需要對(duì)這些地區(qū)的高速交通系統(tǒng)進(jìn)行完善。

表3 河南省各地市高速公路30 min服務(wù)區(qū)域覆蓋率 %

3.2 高速公路服務(wù)區(qū)域地理分布分析

從地理分布來(lái)看,服務(wù)區(qū)未能覆蓋面積較大的連續(xù)區(qū)域共27塊(圖6)。其中，有10塊分布在豫西和豫南山區(qū),地形較為復(fù)雜；有17塊位于豫東和豫北平原，主要分布在市縣交界處。臺(tái)前縣、滑縣、杞縣、睢縣、社旗縣、上蔡縣、正陽(yáng)縣、淮濱縣、固始縣和鄲城縣10個(gè)縣城不在服務(wù)區(qū)內(nèi)，臺(tái)前縣、杞縣、睢縣、社旗縣、上蔡縣、正陽(yáng)縣、淮濱縣、固始縣和鄲城縣9個(gè)縣服務(wù)區(qū)覆蓋面積不足10%。

4 結(jié)論與建議

(1)河南省作為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展的重要引擎，高速公路覆蓋率對(duì)未來(lái)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展進(jìn)程具有重要影響。隨著區(qū)域間競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，河南省各個(gè)地市之間必須相互協(xié)調(diào)，建設(shè)快速城際交通網(wǎng)絡(luò)，提升高速公路覆蓋水平，構(gòu)造完善的高速公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。

(2)河南省區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)地理分布較好，高速公路網(wǎng)絡(luò)基本形成，與國(guó)內(nèi)其他省市相比，高速公路服務(wù)覆蓋范圍相對(duì)比較完善，但地市間高速公路發(fā)展極不平衡。

(3)河南省區(qū)域高速公路服務(wù)區(qū)域覆蓋率具有核心和外圍的特點(diǎn)，位于河南省中部的鄭州、焦作、許昌和洛陽(yáng)盆地地區(qū)覆蓋率較高，處于外圍的南陽(yáng)、信陽(yáng)和周口覆蓋率較低。

(4)河南省區(qū)域高速公路網(wǎng)絡(luò)分布還需要進(jìn)一步完善，橫向和縱向都需要加強(qiáng)，特別需要加強(qiáng)和周邊省市的省屬高速的連接線建設(shè)。如G45，S83，G30，S81和S32 構(gòu)成的5 704 km2的多邊形區(qū)域內(nèi)，包含杞縣、睢縣和太康3個(gè)縣，但沒(méi)有相應(yīng)的高速公路；S49，G36，G45和S38構(gòu)成的南北長(zhǎng)度約88 km、東西寬度約128 km、面積約9 637 km2的區(qū)域內(nèi)，涉及9個(gè)縣，中間只有一條南北向的G4；G4，G40和S38構(gòu)成的南北長(zhǎng)度約82 km、東西寬度約167 km、面積約12 784 km2的區(qū)域內(nèi)，涉及7個(gè)縣，中間只有一條南北向的G45，正陽(yáng)、淮濱和固始縣城距離最近的高速入口分別達(dá)30，60,30 km；豫東鄲城縣是全省唯一不在30 min高速服務(wù)覆蓋范圍的縣，涉及1 471 km2和131萬(wàn)人，縣城距離最近的高速入口約50 km。

(5)高速公路建設(shè)需要較大的資金投入，同時(shí)，也占用了大量的耕地，在現(xiàn)有高速公路網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)高效的高速引線，改建國(guó)道和省道及普通公路，也是提高高速公路服務(wù)覆蓋率較好的途徑。

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