陳 明，肖向良，朱全軍

（1.湖南省交通運(yùn)輸廳規(guī)劃與項(xiàng)目辦公室，湖南 長(zhǎng)沙 410116； 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

高速公路作為公路網(wǎng)中的主骨架，是各交通運(yùn)輸方式有效銜接的重要載體［1］，它具有通行能力大、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有重要意義［2-3］。就其空間結(jié)構(gòu)上的功能而言，高速公路網(wǎng)既要發(fā)揮運(yùn)輸大通道的作用，承擔(dān)省際、區(qū)域和城市群之間的快速聯(lián)系，又要發(fā)揮其便捷連通功能，實(shí)現(xiàn)與區(qū)域城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、重要交通樞紐、重要旅游景區(qū)等的有效銜接，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展影響深遠(yuǎn)。因此，分析高速公路的空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，找準(zhǔn)其主要問題并提出解決方案，以提高高速公路有效供給，完善高速公路布局，對(duì)于踐行交通運(yùn)輸高質(zhì)量發(fā)展、落實(shí)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略具有重要意義。

在國(guó)外研究方面，美國(guó)研究發(fā)現(xiàn)工業(yè)布局產(chǎn)業(yè)帶形成的關(guān)鍵取決于重要交通干線和其沿線不斷優(yōu)化的束狀運(yùn)輸設(shè)施。法國(guó)深入研究高速公路網(wǎng)打通地區(qū)間通道，克服區(qū)域之間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡問題。GIANNAKODAKIS［4］等運(yùn)用復(fù)雜系統(tǒng)理論處理交通運(yùn)輸系統(tǒng)問題，促進(jìn)宏觀經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)公平。SCHADE［5］等提出改進(jìn)現(xiàn)有的運(yùn)輸政策評(píng)估方法，適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要。在國(guó)內(nèi)研究方面，賈元華［6］最早提出了高速公路的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性概念，并對(duì)高速公路經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架進(jìn)行了研究。周偉［7］等提出了公路交通與經(jīng)濟(jì)發(fā)展適應(yīng)性分析的基本理論。李曉鋒［8］等提出了采用路網(wǎng)區(qū)位吻合度、路網(wǎng)加權(quán)連通度兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)高速公路網(wǎng)絡(luò)布局的區(qū)域適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上所述，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究注重高速公路布局與經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)之間的適應(yīng)性，缺少在空間結(jié)構(gòu)等具體操作層面的適應(yīng)性研究，在實(shí)際運(yùn)用過程中很難把握高速公路網(wǎng)布局的適應(yīng)性。

本文結(jié)合高速功能定位，充分發(fā)揮GIS在空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、路網(wǎng)可達(dá)性分析等方面的優(yōu)勢(shì)，建立交通模型，分析高速公路網(wǎng)的空間適應(yīng)性，查找存在問題的區(qū)域，為規(guī)劃布局提供參考，最后以湖南省高速公路網(wǎng)為案例進(jìn)行分析。

1 空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)構(gòu)建

1.1 指標(biāo)選取

按照科學(xué)性、獨(dú)立性、可比性、可操作性等原則，結(jié)合高速公路功能定位，基于GIS分析技術(shù)，本文從高速公路空間結(jié)構(gòu)層面的連接質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)覆蓋率、通達(dá)效率等3個(gè)方面建立高速公路空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)。省會(huì)與周邊省會(huì)層面采用連接質(zhì)量分析，省會(huì)與其他地級(jí)市層面采用連接質(zhì)量及通達(dá)效率分析，市與市之間采用連接質(zhì)量分析，市與內(nèi)部縣之間采用通達(dá)效率分析，充分梳理省市縣高速公路在空間結(jié)構(gòu)上的連接關(guān)系，再結(jié)合節(jié)點(diǎn)覆蓋率對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)適應(yīng)程度進(jìn)行分析。見表1。

表1 空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性指標(biāo)分析表Table 1 Analysis of spatial structure adaptability index

1.2 指標(biāo)計(jì)算

1.2.1 連接質(zhì)量

連接質(zhì)量采用城市間以高速公路實(shí)際花費(fèi)時(shí)間與理想出行時(shí)間的比值。比值越大，表明兩城市間的直接連接程度越差，路網(wǎng)有進(jìn)一步改善的需求。

其中：Qij表示城市i與城市j之間的連接質(zhì)量；Lij表示城市i與城市j之間的實(shí)際距離；Vij表示城市i與城市j之間的路段平均速度 （本文取設(shè)計(jì)速度）；Zij表示城市i與城市j之間的直線距離；V0表示城市i與城市j之間高速公路理想出行速度。

1.2.2 通達(dá)效率

通達(dá)效率采用重要城市可達(dá)性所覆蓋的城市節(jié)點(diǎn)數(shù)量與評(píng)估城市數(shù)量比值表示，用以反映重要城市與其他城市之間聯(lián)系的時(shí)效情況。在時(shí)間越小的情況下，通達(dá)效率指標(biāo)越高，表示該城市與評(píng)估類別城市之間的通達(dá)效率越高。

其中，k＝1、2、3…m，表示不同類型 （如30、60 min等）的高速公路可達(dá)性等時(shí)圈；表示城市i在一定時(shí)間內(nèi)與j類城市聯(lián)系的通達(dá)效率；表示城市i與j類城市在一定時(shí)間內(nèi)可以聯(lián)系的數(shù)量；Sij表示城市i與j類城市聯(lián)系的總數(shù)量。

1.2.3 節(jié)點(diǎn)覆蓋率

節(jié)點(diǎn)覆蓋率采用路網(wǎng)可達(dá)性所覆蓋的某類節(jié)點(diǎn)數(shù)量與該類節(jié)點(diǎn)總數(shù)量的比值表示，用以反映路網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)布局合理性。在時(shí)間越小的可達(dá)性等時(shí)圈下，節(jié)點(diǎn)覆蓋率指標(biāo)越高，表示該類節(jié)點(diǎn)的便捷程度越高，在空間布局層面對(duì)該類節(jié)點(diǎn)的空間可達(dá)狀態(tài)越好。

其中，i＝1、2、3…n，表示不同類型 （如縣級(jí)城市、重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)、A級(jí)以上景區(qū)等）的節(jié)點(diǎn)；k＝1、2、3…m，表示不同類型 （如30、60 min等）的高速公路可達(dá)性等時(shí)圈；表示i類節(jié)點(diǎn)在k等時(shí)圈的節(jié)點(diǎn)覆蓋率；表示i類節(jié)點(diǎn)在k等時(shí)圈的節(jié)點(diǎn)覆蓋數(shù)量；Mi表示i類節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量。

2 適應(yīng)性分析流程

GIS具有采集、處理、管理、分析、顯示、輸出地理空間數(shù)據(jù)功能的優(yōu)勢(shì)，廣泛運(yùn)用應(yīng)用于交通規(guī)劃、管理和工程建設(shè)等交通領(lǐng)域［9］。本文根據(jù)連接質(zhì)量、通達(dá)效率、節(jié)點(diǎn)覆蓋率等空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)，利用GIS平臺(tái)，建立分析模型進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，具體流程如下。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

需要輸入GIS平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、重要交通源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、自然地理等。

a.道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)：包括高速公路、普通國(guó)省道、各級(jí)城市道路等路網(wǎng)數(shù)據(jù)，以及樞紐互通、收費(fèi)站等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，屬性包含等級(jí)、長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)速度等信息。

b.重要交通源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)：包括機(jī)場(chǎng)、港口、高鐵站等交通樞紐，城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、景區(qū)等經(jīng)濟(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，屬性包含名稱、位置、經(jīng)緯度等信息。

c.自然地理數(shù)據(jù)：包括地面高程數(shù)據(jù)，山體、水系等地理數(shù)據(jù)。

2.2 模型構(gòu)建

在GIS平臺(tái)中，利用拓?fù)浞治龉ぞ?，充分梳理各類型各層?jí)路網(wǎng)之間的空間位置關(guān)系，形成交通空間網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，填寫交通運(yùn)行的虛擬屬性 （主要包括交通行駛的成本，交通規(guī)則的制定等），并將地形、水系數(shù)據(jù)等嵌入，加載重要交通源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建高速公路空間適應(yīng)性分析基礎(chǔ)模型。

2.3 模型計(jì)算

a.連接質(zhì)量：利用分析模型，采用GIS空間分析功能，計(jì)算各城市之間的直線距離，高速公路平均時(shí)速等參數(shù)，代入公式 （1）中，得到計(jì)算結(jié)果。

b.通達(dá)效率：利用GIS網(wǎng)絡(luò)分析模型，計(jì)算目標(biāo)城市的等時(shí)圈覆蓋范圍，計(jì)算代入公式 （2）中，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

c.節(jié)點(diǎn)覆蓋率：利用GIS網(wǎng)絡(luò)分析模型，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的等時(shí)圈可達(dá)性覆蓋情況，計(jì)算代入公式（3）中，得到計(jì)算結(jié)果。

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果分層次進(jìn)行分析，選取城市之間連接質(zhì)量明顯低于平均值的點(diǎn)對(duì)，找出目標(biāo)時(shí)間內(nèi)通達(dá)效率低的城市，篩選顯著低于平均值的節(jié)點(diǎn)類別及目標(biāo)等時(shí)圈下未覆蓋節(jié)點(diǎn)情況，并結(jié)合區(qū)域戰(zhàn)略、地形條件進(jìn)行綜合分析，提出高速公路網(wǎng)布局優(yōu)化建議。

3 案例分析

本文以湖南省高速公路網(wǎng)為例，基于GIS進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析。湖南地處我國(guó)中部，一肩擔(dān)東西，南北系兩江，具有東部沿海地區(qū)和中西部地區(qū)過渡帶、長(zhǎng)江開放經(jīng)濟(jì)帶和沿海開放經(jīng)濟(jì)帶結(jié)合部的區(qū)位優(yōu)勢(shì)［10］。湖南高速公路歷經(jīng)20余a的快速發(fā)展，逐步躋身 “高速大省”行列［11-12］。截至2019年底，湖南省高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到6 802 km、車道里程達(dá)到28 059 km，基本形成“六縱六橫”高速公路網(wǎng)絡(luò)，基本實(shí)現(xiàn)縣 （市、區(qū)）可在30 min內(nèi)便捷上高速公路，成為湖南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的 “快車道”［12］。但經(jīng)歷高速公路快速發(fā)展的過程后，目前湖南省高速公路網(wǎng)存在布局不均衡、網(wǎng)絡(luò)不完善等空間結(jié)構(gòu)的問題，與交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)要求和交通運(yùn)輸走高質(zhì)量發(fā)展要求還有一定差距，因此有必要對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)性分析，優(yōu)化路網(wǎng)布局，以促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.1 分析基礎(chǔ)

研究收集了湖南省相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)，包括山體、水系等自然地理數(shù)據(jù)，高速公路、國(guó)省道、城市道路等路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，城鎮(zhèn)、產(chǎn)業(yè)、景區(qū)、交通樞紐等主要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，基于GIS平臺(tái)，建立了高速公路空間結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)模型。

3.2 連接質(zhì)量分析

a.省會(huì)之間的連接質(zhì)量。

受地形條件等因素的影響，南北向連接質(zhì)量要好于東西向連接質(zhì)量，南北向連接質(zhì)量普通在1.2以內(nèi)，東西向連接質(zhì)量要大于1.2，其中連接質(zhì)量最差的為長(zhǎng)沙至重慶通道，達(dá)到1.39，顯著高于東西向受地形條件影響的平均值。見表2和圖1（a）。

b.省會(huì)與地級(jí)市之間的連接質(zhì)量。

經(jīng)分析計(jì)算，省會(huì)長(zhǎng)沙與其他地級(jí)市的連接質(zhì)量平均值為1.25，其中，長(zhǎng)沙與張家界、湘西州、永州之間的連接質(zhì)量大于1.3，顯著高于平均值，連接質(zhì)量較差。見表3，圖1（b）。

表2 省會(huì)之間連接質(zhì)量表Table 2 Connection quality of Inter-provincial capitals

表3 省會(huì)與地級(jí)市連接質(zhì)量表Table 3 Connection quality between provincial capital and city

c.鄰近地級(jí)市之間的連接質(zhì)量。

經(jīng)分析計(jì)算，鄰近地級(jí)市的連接質(zhì)量平均值為1.34，其中，張家界至懷化、婁底，懷化至永州，湘西州至婁底，益陽(yáng)至岳陽(yáng)等6個(gè)鄰近市之間的連接質(zhì)量大于1.5，顯著高于平均值，連接質(zhì)量較差。見表4和圖1（c）。

表4 鄰近市連接質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of connection quality of neighboring cities

3.3 通達(dá)效率分析

a.省會(huì)通達(dá)效率 ［見表5和圖2（a）］。

省會(huì)長(zhǎng)沙至湘潭、株洲已實(shí)現(xiàn) “1 h”通達(dá)，在空間結(jié)構(gòu)上相對(duì)較好。省會(huì)至其他市州 “2 h”可通達(dá)岳陽(yáng)、益陽(yáng)、婁底，占比27%； “4 h”可通達(dá)常德、衡陽(yáng)、邵陽(yáng)、郴州、永州，占比73%。長(zhǎng)沙與張家界需4.5 h通達(dá)，與吉首、懷化需5.5 h通達(dá)，通達(dá)時(shí)效較差。

圖1 連接質(zhì)量分析圖Figure 1 Analysis of connection quality

表5 省會(huì)與市通達(dá)效率表Table 5 Access efficiency between provincial capital and city

b.市縣通達(dá)效率 ［見表6，圖2（b）］。

各地級(jí)市到下轄縣區(qū)的 “1 h”通達(dá)平均值為69%，“2 h”通達(dá)平均值為91.4%，現(xiàn)狀2 h到下轄其他區(qū)縣仍有6個(gè)市的10個(gè)縣未實(shí)現(xiàn)全覆蓋，其中永州、邵陽(yáng)的覆蓋情況相對(duì)較差，各有3個(gè)縣未實(shí)現(xiàn)2 h覆蓋。

3.4 節(jié)點(diǎn)覆蓋率分析

從節(jié)點(diǎn)可達(dá)性分析，全省主要節(jié)點(diǎn)30 min平均覆蓋率達(dá)到78.14%，60 min平均覆蓋率達(dá)到91.20%。其中，A級(jí)以上景區(qū)的覆蓋率偏低，顯著低于平均水平，可達(dá)性較差；縣 （市、區(qū)）城區(qū)、省級(jí)以上產(chǎn)業(yè)園區(qū)、機(jī)場(chǎng)可達(dá)性指標(biāo)相對(duì)較高。見表7和圖3。

表6 市與縣通達(dá)效率表Table 6 Access efficiency between city and county

圖2 通達(dá)效率分析圖Figure 2 Analysis of access efficiency

表7 主要節(jié)點(diǎn)覆蓋率表Table 7 Coverage of main nodes

3.5 相關(guān)建議

a.省會(huì)城市聯(lián)系層面。

考慮到成渝城市群是我國(guó)西部的重要城市群，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要節(jié)點(diǎn)，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，是我省融入 “一帶一路”，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的鄰近城市群。目前，長(zhǎng)沙與重慶之間的高速公路聯(lián)系要顯著弱于長(zhǎng)沙與其他相鄰省市之間聯(lián)系，繞行距離長(zhǎng)，通行效率低，在空間結(jié)構(gòu)層面宜考慮增加長(zhǎng)沙與重慶之間的快捷聯(lián)系通道。

b.市州城市聯(lián)系層面。

長(zhǎng)沙至湘西州、張家界等繞行距離相對(duì)較長(zhǎng)，通達(dá)時(shí)間在4 h及以上，空間結(jié)構(gòu)布局上需加強(qiáng)長(zhǎng)沙與西部地區(qū)之間的快速聯(lián)系。張家界與鄰近的懷化、湘西州、婁底等，懷化與鄰近的邵陽(yáng)、永州等地區(qū)連接質(zhì)量較差，在空間結(jié)構(gòu)布局上宜結(jié)合地形條件考慮湘西、湘南地區(qū)新增市際高速公路通道。

c.局部路網(wǎng)。

圖3 主要節(jié)點(diǎn)覆蓋率分析圖Figure 3 Coverage analysis of main nodes

在遠(yuǎn)期，考慮到高質(zhì)量發(fā)展要求和人民生活水平的不斷提高，對(duì)旅游交通的需求不斷增強(qiáng)。高速公路在空間結(jié)構(gòu)布局上宜重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)重要旅游景區(qū)的覆蓋，結(jié)合全域旅游發(fā)展要求，加快完善湘南、湘西等旅游資源豐富區(qū)域的高速公路網(wǎng)絡(luò)，考慮省際、市際通道的構(gòu)建，增強(qiáng)市縣之間的聯(lián)系，在服務(wù)全域旅游的同時(shí)連接與高鐵站、重點(diǎn)鎮(zhèn)等主要節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)高速公路對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的輻射帶動(dòng)作用。

4 結(jié)語

本文針對(duì)高速公路在空間結(jié)構(gòu)方面的適應(yīng)性展開研究，結(jié)合高速公路功能定位，基于GIS平臺(tái)融合道路網(wǎng)絡(luò)、重要交通源節(jié)點(diǎn)、自然地理等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了交通分析模型，從連接質(zhì)量、通達(dá)效率、節(jié)點(diǎn)覆蓋率等方面提出空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析的指標(biāo)及計(jì)算方法。文章以湖南省為例，分析現(xiàn)狀高速公路網(wǎng)空間結(jié)構(gòu)適應(yīng)性情況，研究結(jié)果較好地反映了湖南省高速公路網(wǎng)在空間結(jié)構(gòu)方面存在的問題，并提出了相關(guān)建議，可以為下階段高速公路的優(yōu)化布局提供支撐。文章提出的分析方法和相關(guān)指標(biāo)可以為分析高速公路的空間適應(yīng)性具有借鑒意義，也可以為高速公路網(wǎng)規(guī)劃提供參考。