張江波， 林 敏， 劉志斌

(西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500)

四川秦巴山區(qū)綠色交通網(wǎng)絡(luò)體系耦合分析

張江波， 林 敏， 劉志斌

(西南石油大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都 610500)

四川秦巴山區(qū)綠色交通系統(tǒng)構(gòu)建中的三大要素，農(nóng)副產(chǎn)品資源、旅游資源與區(qū)位資源，與秦巴山區(qū)綠色交通運(yùn)輸方式之間有密切的關(guān)系。通過研究農(nóng)副產(chǎn)品與公路運(yùn)輸之間的耦合關(guān)系，研究旅游資源與公路運(yùn)輸系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，以不同交通體系耦合作用下資源環(huán)境承載力的分析為例，分析了四川秦巴山區(qū)綠色交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與交通運(yùn)輸方式的耦合關(guān)系；探討了四川秦巴山區(qū)東部豐富的農(nóng)副產(chǎn)品資源如何依賴較為發(fā)達(dá)的公路交通網(wǎng)絡(luò)，而西部豐富的旅游資源如何與當(dāng)前廣元—成都等鐵路干線密切關(guān)聯(lián)，區(qū)位資源、交通運(yùn)輸方式如何與資源環(huán)境承載力密切相關(guān)等問題.

綠色交通； 交通網(wǎng)絡(luò)； 耦合分析；秦巴山區(qū)

四川秦巴山區(qū)位于秦巴山區(qū)的西南方，連通秦嶺、巴山兩大山脈，涵蓋綿陽、廣元、南充、達(dá)州和巴中五市，總?cè)丝诩s1 735萬人，涉及25個縣(市、區(qū))、619個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、6 998個建制村，幅員面積61 800 km2,是秦巴山區(qū)北接關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)、東臨中原經(jīng)濟(jì)區(qū)、西毗成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)、南倚長江黃金水道經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分。截至2010年底通車總里程40 069 km，公路網(wǎng)密度86.66 km/km2。其中國省道1 983 km，農(nóng)村公路37 857 km，專用公路229 km。 生態(tài)環(huán)境復(fù)雜脆弱，自然保護(hù)區(qū)眾多。由于秦巴綠色生態(tài)系統(tǒng)的特殊性和脆弱性[1]，以及國家對秦巴山區(qū)扶貧攻堅的重要性，迫切需要構(gòu)建“成本最小化、利益最大化且資源環(huán)境承載力最小化”為核心要求的四川秦巴山區(qū)綠色交通系統(tǒng)，其中農(nóng)副產(chǎn)品、旅游資源和區(qū)位資源作為三大綠色交通要素。而構(gòu)建綠色交通系統(tǒng)要素之后分析要素之間的關(guān)系，以及分析要素與交通運(yùn)輸方式之間的關(guān)系顯得尤為必要。因此，本文著重分析綠色交通要素與交通運(yùn)輸方式之間的耦合關(guān)系，以及不同交通運(yùn)輸方式之間的耦合關(guān)系。

1 系統(tǒng)耦合分析

系統(tǒng)之間的耦合(coupling)指具有相近相通，又相差相異，既有靜態(tài)的相似性，也有動態(tài)的互動性[2]。這與物理系統(tǒng)和生物系統(tǒng)的耦合性相區(qū)別[3]，系統(tǒng)耦合一般刻畫抽象系統(tǒng)之間的相關(guān)關(guān)系。物理上的耦合是指多個系統(tǒng)或運(yùn)動方式之間通過各種相互作用而彼此影響的現(xiàn)象[4]；生物學(xué)上的耦合是多個性質(zhì)相近的生態(tài)系統(tǒng)具有互相親近趨合，當(dāng)條件成熟時它們可以結(jié)合為一個新的高一級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]。

從一般意義而言，系統(tǒng)耦合是指多個系統(tǒng)在一定條件下，通過能流、物流和信息流的超循環(huán)作用，形成新的耦合系統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)化過程。其中耦合系統(tǒng)中具有耦合子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間的耦合是復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)化的基本現(xiàn)象，也是復(fù)雜系統(tǒng)形成的基本過程[6]。分析系統(tǒng)耦合的目的是采取措施對具有耦合關(guān)系的系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)、強(qiáng)化，促進(jìn)兩者良性的、正向的相互作用，相互影響，激發(fā)兩者內(nèi)在潛能，從而實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)勢互補(bǔ)和共同提升。

交通系統(tǒng)是多功能、多層次的復(fù)雜人工系統(tǒng)，它具有自組織、自適應(yīng)功能。交通系統(tǒng)內(nèi)部各種要素間的耦合以及交通系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要素之間的耦合研究是構(gòu)建符合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的綜合交通系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是綜合交通系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。本文研究的系統(tǒng)耦合指交通運(yùn)輸方式構(gòu)成的子系統(tǒng)與綠色交通要素子系統(tǒng)之間的耦合，即秦巴山區(qū)交通要素系統(tǒng)與交通運(yùn)輸系統(tǒng)這兩個系統(tǒng)間的動態(tài)互動性和相互作用相互影響的關(guān)系。秦巴山區(qū)四川地區(qū)交通線路的耦合關(guān)系研究是打破原有系統(tǒng)界限，將各個子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)要素，根據(jù)自然關(guān)聯(lián)的原則，進(jìn)行重新組合，形成具有自組織結(jié)構(gòu)的、系統(tǒng)內(nèi)各要素具有能動性的綠色交通系統(tǒng)。

2 綠色交通要素與交通運(yùn)輸方式的耦合分析

將重點(diǎn)從農(nóng)副產(chǎn)品要素與公路交通和旅游資源與公路交通出發(fā)，分析農(nóng)副產(chǎn)品構(gòu)建的子系統(tǒng)與公路交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，以及公路交通網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)與旅游資源構(gòu)建的子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系。

2.1 農(nóng)副產(chǎn)品要素與公路交通耦合分析

首先從農(nóng)副產(chǎn)品要素與高速公路的角度分析：公路網(wǎng)是支撐秦巴山區(qū)綠色交通發(fā)展的基礎(chǔ)條件(圖1)，而綠色交通構(gòu)建要素農(nóng)副產(chǎn)品是秦巴山區(qū)綠色交通體系的基本要素之一，因此公路與綠色交通農(nóng)副產(chǎn)品要素的關(guān)系分析具有重要的意義。

從圖2可見，秦巴山區(qū)四川部分高速公路與農(nóng)副產(chǎn)品加工點(diǎn)具有一定的相關(guān)關(guān)系，即加工點(diǎn)往往處于高速公路或者河流邊上?？紤]到農(nóng)產(chǎn)品加工點(diǎn)成品走出秦巴山區(qū)的問題，則要考慮加工點(diǎn)資源流向成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的問題?；谇匕蜕絽^(qū)調(diào)研數(shù)據(jù)[7-11]，分析此復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的貨物流量問題，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲎铌P(guān)鍵的問題是利用合理規(guī)則處理現(xiàn)實(shí)中的交通網(wǎng)絡(luò)，并考慮如下時不變的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸問題。

圖1 四川秦巴山區(qū)高速公路網(wǎng)絡(luò)

利用公路交通原有拓?fù)溥M(jìn)行建模，假設(shè)物流量是固定的(即每個加工點(diǎn)的月單位加工量都是定值，這方面的數(shù)據(jù)往往要基于每年當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)能力，而往往也受到天氣、災(zāi)害環(huán)境發(fā)生、經(jīng)濟(jì)等因素產(chǎn)生較大的波動)，基于節(jié)點(diǎn)度、Hub點(diǎn)和聚類系數(shù)的概念，將這14個農(nóng)產(chǎn)品加工節(jié)點(diǎn)加工量以及成都和重慶市月需求量分別用Ai(i=1，2，…，14)，B1，B2表示，顯然，根據(jù)實(shí)際背景，假設(shè)這是一個供不應(yīng)求的關(guān)系，即需求量遠(yuǎn)大于加工量。用X表示農(nóng)副產(chǎn)品的月平均單位利潤。基于秦巴山區(qū)高速公路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于經(jīng)濟(jì)效益與交通流分析方面，可應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)最大流算法進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖2 四川秦巴山區(qū)高速公路與農(nóng)產(chǎn)品加工節(jié)點(diǎn)

其方法為：分別記普通公路，省級高速公路和國家級高速公路的最大流量為c1，c2和c3，c1

圖3 四川秦巴山區(qū)高速公路與農(nóng)產(chǎn)品加工節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中度的概念，可以發(fā)現(xiàn)巴中地區(qū)平昌到達(dá)州的公路交通較為脆弱(節(jié)點(diǎn)A11至A14)，即若發(fā)生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，巴中地區(qū)通向廣元與其他地區(qū)的交通容易中斷，并對巴中地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)造成巨大影響。

從四川省內(nèi)秦巴山區(qū)農(nóng)副產(chǎn)品與成渝經(jīng)濟(jì)圈關(guān)聯(lián)的角度來看，對于農(nóng)產(chǎn)品要素應(yīng)該加強(qiáng)巴中平昌段到達(dá)州段的交通建設(shè)，抑或加大力度建設(shè)從巴中到儀隴段的交通路線。類似地，我們可以從四川省外關(guān)中經(jīng)濟(jì)區(qū)、華中經(jīng)濟(jì)區(qū)、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)、甘肅蘭州經(jīng)濟(jì)帶的地理位置角度來分析四川秦巴山區(qū)高速公路建設(shè)與農(nóng)產(chǎn)品加工節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。以漢中、安康、隴南為外部需求節(jié)點(diǎn)，可以繪制最優(yōu)運(yùn)輸路線如圖4所示。

利用類似的方法，可以發(fā)現(xiàn)，通江段至萬源市的公路處于秦巴山區(qū)地段，交通脆弱；而南江縣至陜西漢中經(jīng)過光霧山國家森林公園，環(huán)保壓力較大。因此，從省外因素考慮，也要加強(qiáng)廣元與萬源之間的橫向交通路線建設(shè)，增強(qiáng)巴中地區(qū)的農(nóng)副產(chǎn)品走出去的能力；而適當(dāng)減弱旅游路線以及山區(qū)交通脆弱地段的農(nóng)副產(chǎn)品資源流，減少機(jī)會損失成本。

2.2 旅游資源與公路交通耦合分析

利用類似的方法，可以分析旅游與公路交通之間的相互關(guān)系以及交通脆弱性。核心問題是，秦巴山區(qū)四川部分的周邊主要城市、如漢中、安康、成都、重慶、隴南到達(dá)各個旅游節(jié)點(diǎn)的總時間在怎樣的公路等級設(shè)計并考慮環(huán)保、道路安全等條件下以各個城市到達(dá)任意旅游節(jié)點(diǎn)的總時間最短為目標(biāo)。這是一個網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化問題，通過類似的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析得出，以圖5為要點(diǎn)，其中藍(lán)色旅游資源點(diǎn)代表附近存在多于10個旅游目的地，平武縣的公路等級可以適當(dāng)加強(qiáng)以適合當(dāng)?shù)芈糜钨Y源發(fā)展，南江地區(qū)的旅游公路等級也可以加強(qiáng)以適應(yīng)當(dāng)?shù)芈糜钨Y源的發(fā)展。

圖5 秦巴山區(qū)四川旅游資源與相關(guān)公路路線

關(guān)于區(qū)位因素與公路交通的關(guān)系，可以通過分析公路交通網(wǎng)絡(luò)的度數(shù)，并基于前兩點(diǎn)分析未來需求量較大的節(jié)點(diǎn)，總結(jié)如下：①秦巴山區(qū)四川部分從農(nóng)副產(chǎn)品要素角度考慮，未來巴中通江可以比較便利地連接秦巴山區(qū)四川部分以北經(jīng)濟(jì)帶和成渝經(jīng)濟(jì)帶，是一個比較好的農(nóng)副產(chǎn)品資源公路交通Hub點(diǎn)；②從秦巴山區(qū)旅游要素角度考慮，既已形成的公路Hub點(diǎn)主要是西段的廣元市，這是一個既定的但比較合理的旅游資源公路交通Hub點(diǎn)。

3 不同交通運(yùn)輸方式之間的耦合研究

從典型的公路交通與鐵路交通的耦合角度考慮，因?yàn)樗拇ㄇ匕蜕絽^(qū)物產(chǎn)運(yùn)輸方式從公路交通轉(zhuǎn)變到鐵路交通較為固定，以及四川秦巴山區(qū)東段鐵路交通的稀疏性，分析了旅游要素與鐵路、公路交通運(yùn)輸方式的耦合。并由經(jīng)濟(jì)成本問題約束條件較為固定，分析了環(huán)境影響的機(jī)會成本問題。

基于綠色交通的要求，分析交通運(yùn)輸方式不同的組合對于秦巴山區(qū)綠色生態(tài)環(huán)境的影響程度，這里假定公路的環(huán)境破壞能力大于鐵路的環(huán)境破壞能力(單位時間單位旅客的維護(hù)環(huán)境的成本)。用K表示公路對綠色生態(tài)的影響程度(單位時間單位旅客單位路長上的維護(hù)費(fèi)用)，L表示鐵路對綠色生態(tài)的影響程度，M表示水運(yùn)對綠色生態(tài)的影響程度。其中航空的影響程度忽略不計?；诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的分析，可以構(gòu)建如下以最小生態(tài)破壞程度的最優(yōu)化模型：

(1)

上述模型，一方面能夠幫助刻畫不同交通運(yùn)輸方式下資源環(huán)境承載力度，另外也可以幫助分析在資源環(huán)境承載力度一定的情況下，如何安排公路、鐵路和水運(yùn)這3類交通運(yùn)輸方式；另外如果要考慮這3種交通運(yùn)輸方式的成本，可以在將上述模型推廣到以最小資源環(huán)境承載力為主要目標(biāo)以及最小成本為次要目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，也可以將資源環(huán)境承載力放置在限制條件中并以最小成本為目標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化模型。因此這類優(yōu)化模型可以推廣到考慮資源環(huán)境承載力，不同交通運(yùn)輸方式的成本甚至不同線路(i到j(luò))上交通運(yùn)輸方式成本的多目標(biāo)優(yōu)化模型，具有相當(dāng)廣泛的理論意義和實(shí)際價值。當(dāng)然，基于數(shù)據(jù)上的多方位要求，實(shí)際這部分后續(xù)工作需要任重而道遠(yuǎn)[13]。

從上述模型中，基于此網(wǎng)絡(luò)上不同運(yùn)輸方式下成本最小化模型，可以適當(dāng)優(yōu)化四川秦巴山區(qū)五地區(qū)客流量的交通運(yùn)輸渠道，以此實(shí)現(xiàn)對四川秦巴山區(qū)綠色環(huán)保以及綠色交通的最優(yōu)化。上述的要素研究與交通運(yùn)輸方式的關(guān)系強(qiáng)度可以綜合如圖6所示，其中的細(xì)線表示基于當(dāng)前的交通系統(tǒng)分析得出的關(guān)系較為疏遠(yuǎn)的部分。

圖6 秦巴山區(qū)要素與交通運(yùn)輸方式關(guān)系強(qiáng)度

4 結(jié)語

由于四川秦巴山區(qū)綠色交通構(gòu)建的需求，本文基于四川秦巴山區(qū)綠色交通系統(tǒng)中綠色交通要素農(nóng)副產(chǎn)品、旅游資源和區(qū)位資源的構(gòu)建基礎(chǔ)，在充分掌握四川秦巴山區(qū)交通現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析并闡述了交通要素與交通運(yùn)輸方式兩個子系統(tǒng)之間的關(guān)系：(1)分析了秦巴山區(qū)農(nóng)副產(chǎn)品要素與公路交通運(yùn)輸方式之間的耦合關(guān)系，構(gòu)造了相關(guān)公路交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)并分析農(nóng)副產(chǎn)品資源節(jié)點(diǎn)在此網(wǎng)絡(luò)上的互動的耦合關(guān)系；(2)分析了秦巴山區(qū)綠色交通要素旅游資源與交通運(yùn)輸方式公路交通之間的耦合關(guān)系，類似地分析了旅游資源節(jié)點(diǎn)與公路交通網(wǎng)絡(luò)之間互動的耦合關(guān)系；(3)構(gòu)建了幾種交通運(yùn)輸方式網(wǎng)絡(luò)下資源環(huán)境承載力的最小化數(shù)學(xué)模型，分析了模型的特征以及相關(guān)不同運(yùn)輸方式之間的耦合關(guān)系。上述幾類分析方法可以推廣到旅游資源與鐵路要素，區(qū)位資源與鐵路公路水運(yùn)3種交通運(yùn)輸方式之間的耦合關(guān)系等等。本文交通網(wǎng)絡(luò)上資源流分析表明了不同運(yùn)輸方式對于資源環(huán)境不同承載力條件下綠色交通合理安排運(yùn)輸方式的重要作用，并通過交通運(yùn)輸方式的分析說明現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)與綠色要素之間的強(qiáng)弱關(guān)系。

不同于傳統(tǒng)交通內(nèi)部因素的耦合分析[6]，本文基于“成本最小化、利益最大化且資源環(huán)境承載力最小化”的綠色交通核心要求，深入分析了綠色交通體系要素與主要交通運(yùn)輸方式的耦合關(guān)系，尤其是農(nóng)副產(chǎn)品資源與公路交通體系，旅游資源與公路交通體系，交通運(yùn)輸方式與資源環(huán)境承載力之間的關(guān)系。這些模型的建模思想具有借鑒性和推廣性。此類優(yōu)化模型的構(gòu)建思想和相關(guān)分析方法是綠色交通網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建的重要方法之一，可為日后秦巴山區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供一定的參考依據(jù)，并推動四川秦巴山區(qū)綠色資源和綠色經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

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Coupling Analysis on Green Transport System in Sichuan Qinba Mountain Areas

ZHANGJiang-bo，LINMin，LIUZhi-bin

(College of Science,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

Three elements of Green Transport in Sichuan Qinba Mountain Areas,including subsidiary agricultural products,tourist resources and location resources,are connected with the modes of green transportation in this region.By studying the relations between agricultural products and motor transportation mode,tourist resources and motor transportation mode,and carrying capacity of resources and environment under different transportation mode,the paper analyses the coupling relations between green traffic network system and transportation modes,and discusses the following problems,including how the rich agricultural products in the east of Sichuan Qinba Mountain Areas depend on the motor transportation network,how the tourist resources in the western Sichuan Qinba Mountain Areas correlates with the railway networks such as Guangyuan-Chengdu railway,etc.and how the carrying capacity of resources and environment relates with locations and different transportation modes.

green transportation;traffic network system;coupling analysis；Qinba Mountain Areas

10.3969/j.issn.1009-4210.2016.02.018

2016-03-10

中國工程院重大咨詢項目 (2015-ZD-05-09-05)；四川省發(fā)改委重點(diǎn)課題項目(ZH2015038)

張江波(1985—)，男，博士，從事多智能體系統(tǒng)研究和輿論動力學(xué)研究。E-mail:eridalin@163.com

U491(271)

A

1009-4210-(2016)02-102-07