牟乃夏 任浩楠，2 張靈先 鄭允豪，3 宋沛林 劉志文 徐幻青

1 山東科技大學(xué)測繪與空間信息學(xué)院，山東 青島，266590 2 河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系，河北 石家莊，050057 3 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京，100871

隨著21世紀(jì)海上絲綢之路（簡稱海上絲路）倡議的不斷推進(jìn)，沿線各國經(jīng)濟(jì)合作更加緊密，海運(yùn)交通聯(lián)系愈加頻繁，使得資源配置加速，交通不均衡性越發(fā)突出［1，2］。交通網(wǎng)絡(luò)的不均衡性反映了各國貿(mào)易的空間關(guān)系［3］，研究這種不均衡性有利于探析海運(yùn)貿(mào)易合作的時空態(tài)勢和交通網(wǎng)絡(luò)的薄弱點(diǎn)，有助于從國家戰(zhàn)略高度協(xié)調(diào)海運(yùn)貿(mào)易關(guān)系，制定宏觀的經(jīng)貿(mào)合作策略，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化［4］提供科學(xué)參考。

現(xiàn)有海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)交通不均衡性的研究大多通過港口績效［5-7］、港口系統(tǒng)集中度［8，9］、樞紐港地位［10-12］等量化指標(biāo)來間接體現(xiàn)交通不均衡性。實(shí)際上，交通不均衡反映各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的相互聯(lián)系與差異，表征著各國在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中扮演的角色及各國間的交通關(guān)系。

海運(yùn)交通不均衡性的研究方法主要分為指標(biāo)法與網(wǎng)絡(luò)流分析法兩類。Notteboom［13］運(yùn)用基尼系數(shù)對1975—2003年間歐洲和北美地區(qū)港口的貨流集中度演變進(jìn)行了比較，得到北美港口的貨物集中度更高的結(jié)論。指標(biāo)法通過比較數(shù)值進(jìn)行度量，解釋性較差，且不能反映網(wǎng)絡(luò)的空間動力學(xué)信息?；诰W(wǎng)絡(luò)流分析方法對海運(yùn)交通不均衡性進(jìn)行研究較為新穎，Wang 等［14］基于圖論探索海運(yùn)交通不均衡性，并以東亞港口為研究案例，分析內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)及空間交互作用，評估交通整合對集裝箱行業(yè)的影響。Xu 等［15］運(yùn)用主導(dǎo)流分析法研究全球航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)各航區(qū)地位的不均衡演變規(guī)律，證實(shí)了交通總量并不能充分反映節(jié)點(diǎn)地位的假設(shè)。網(wǎng)絡(luò)流分析方法將網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)屬性考慮在內(nèi)，能夠更加綜合、細(xì)致地反映交通流模式的形成和運(yùn)行機(jī)制，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身角色和相互之間關(guān)系的判定與維護(hù)有著無可替代的天然優(yōu)勢。

利用船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）傳感器能夠獲取船舶的實(shí)時航行信 息［16，17］，提高 海 運(yùn)網(wǎng)絡(luò)研究的 精 度與準(zhǔn)確度［18］。利用AIS 數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確構(gòu)建實(shí)時海運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)，從而更有效地分析交通不均衡性。 因此，本文基于AIS 船舶軌跡數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)流分析方法對海運(yùn)交通不均衡性進(jìn)行探析，同時采用了不同的可視化表達(dá)形式，以直觀、科學(xué)地展示海上絲路沿線各國的海運(yùn)交通角色和交通關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

絲綢之路是古代中國與亞歐非國家政治、經(jīng)濟(jì)、文化往來通道的統(tǒng)稱，是具有歷史意義的文明傳播之路［19］?，F(xiàn)在，海上絲路的合作對象擴(kuò)大至世界各國，以亞歐非經(jīng)濟(jì)帶一體為目標(biāo)，為中國和海上絲路沿線各合作國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。據(jù)此確定本文研究區(qū)域?yàn)樵诤Ｉ辖z路處于主導(dǎo)地位的位于東北亞、東南亞、西亞和歐洲沿線的39個國家，見圖1。

圖1 21世紀(jì)海上絲綢之路沿線國家Fig.1 Countries Along Maritime Silk Road in the 21st Century

1.2 研究數(shù)據(jù)

基于AIS 軌跡數(shù)據(jù)與全球港口索引文件提取船舶抵、離港信息，將每艘船舶一次抵港與離港的經(jīng)緯度、港口號及時間戳等信息作為一條起訖點(diǎn)（origin destination，OD）數(shù)據(jù)。涉及海上絲路沿線39個國家，最終得到交通流OD 數(shù)據(jù)257 715 條，本文研究單元是國家，因此，結(jié)合全球港口索引文件以及國家基本信息將港口進(jìn)行國家歸屬劃分，將某一國家的抵、離港數(shù)據(jù)相加，形成以國家為節(jié)點(diǎn)的海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 研究方法

采用多重流分析方法探測交通不均衡性引致的國家海運(yùn)交通角色與關(guān)系的不同，采用Gephi 和ECharts 來可視化海運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)及進(jìn)行交通不均衡性的表達(dá)。

1.3.1 多重流分析方法

多重流分析方法將高于一定閾值的流均考慮在內(nèi)，關(guān)注的是海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中所有較顯著的連接。基本計算過程是將國家間的海運(yùn)交通流按照交通流量大小由大（W1）到?。╓n）排列，其期望值計算公式如下：

式中，Wi為第i流的流量，i∈n，n為兩個海運(yùn)區(qū)域之間所有海運(yùn)交通流的集合；W?i為交通流量的期望值。

通過可決系數(shù)r2來衡量期望值與真實(shí)值的擬合程度。若第j步的可決系數(shù)r2最大，則兩國之間海運(yùn)交通流為顯著流，顯著流量為j條［1］。r2計算公式如下：

式中，Wˉ表示交通流量的均值。

1）交通流流向與表征的關(guān)系。根據(jù)多重流的特點(diǎn)，交通流分布與節(jié)點(diǎn)的關(guān)系存在著不同的分散模式，表現(xiàn)出不同的依賴、互補(bǔ)關(guān)系，進(jìn)而可以識別出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的競爭協(xié)同關(guān)系等。若對于節(jié)點(diǎn)A、B，存在A→B，即A的顯著流指向B，那么表現(xiàn)為A對B的高度依賴；若A?B，則同時表現(xiàn)出A和B的互補(bǔ)性和依賴性。

2）競爭與協(xié)同模型。運(yùn)用多重流分析方法得出的顯著流不僅能反映節(jié)點(diǎn)的重要性，還能反映節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系［20］。若A→(B1，B2，…，Bn)，則表明節(jié)點(diǎn)B之間存在競爭關(guān)系；若(A1，A2，…，An)→B，則表明B在整個網(wǎng)絡(luò)中具有較重要的地位；若某一節(jié)點(diǎn)指向的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與另一節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)存在交集，則兩個源節(jié)點(diǎn)形成協(xié)同關(guān)系。節(jié)點(diǎn)間的競爭-協(xié)同關(guān)系網(wǎng)絡(luò)為無向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，權(quán)值表征關(guān)系強(qiáng)度。競爭強(qiáng)度為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)競爭相同源節(jié)點(diǎn)流入的個數(shù)，若兩個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)多個相同源節(jié)點(diǎn)的流，則這兩個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)競爭強(qiáng)度較大。協(xié)同強(qiáng)度為兩個源節(jié)點(diǎn)流入目標(biāo)國的交集，交集越大，源節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同強(qiáng)度越大。對關(guān)系強(qiáng)度進(jìn)行分類：將強(qiáng)度為1 的關(guān)系定義為“非顯著關(guān)系”，關(guān)系不明顯；強(qiáng)度大于1 的關(guān)系定義為“顯著關(guān)系”。在“顯著關(guān)系”中，將強(qiáng)度為2 的關(guān)系定義為“弱關(guān)系”，強(qiáng)度大于2 的關(guān)系定義為“強(qiáng)關(guān)系”，以此來探究節(jié)點(diǎn)間的主要關(guān)系。

1.3.2 可視化方法

根據(jù)可視化表達(dá)的需求，采用Gephi 軟件和ECharts 開源庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。Gephi軟件是一款開源免費(fèi)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析軟件，多用于各種網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜系統(tǒng)的交互可視化，是當(dāng)前科學(xué)數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的一款重要軟件，它不但能處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集并生成漂亮的可視化圖形，還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和分類，并且提供了10 余種不同的布局算法，可以根據(jù)不同需要生成優(yōu)美的展示效果。當(dāng)前大多數(shù)針對互聯(lián)網(wǎng)、生物網(wǎng)絡(luò)、連接分析、社交圖譜等的探索性數(shù)據(jù)分析基本上都是基于該軟件進(jìn)行的。ECharts 是一個基于JavaScript 的開源可視化圖表庫，其圖表類型豐富，渲染引擎多樣，支持?jǐn)?shù)據(jù)過濾、聚類、回歸等分析，可以實(shí)現(xiàn)同一份數(shù)據(jù)的多維度分析，還具有開源交互等功能，因此成為當(dāng)前諸多領(lǐng)域進(jìn)行可視化分析的首選開源庫。

2 交通不均衡性的可視化分析

2.1 海運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)表達(dá)

在Gephi 軟件中采用Geo Layout 布局算法對各國及其交通流聯(lián)系進(jìn)行可視化。Geo Layout 算法使用經(jīng)緯度坐標(biāo)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)位置，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地理布局，即能根據(jù)地理編碼屬性（緯度和經(jīng)度）和標(biāo)準(zhǔn)投影顯示圖形。

采用Geo Layout 布局算法進(jìn)行海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)可視化的基本步驟如下：①在Gephi 軟件中導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)文件，包括ID、Label、Latitude 和Longitude 字段，邊文件包括Source、Target 節(jié) 點(diǎn) 以及Weight 字 段，使 用Geo Layout 算法進(jìn)行布局，使其結(jié)構(gòu)形狀依據(jù)節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度位置變化；②在外觀設(shè)置中渲染節(jié)點(diǎn)和邊，指定顏色、尺寸、標(biāo)簽等；③通過預(yù)覽界面調(diào)節(jié)參數(shù)，美化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可視化效果，并使用Inkscape 軟件將Geo Layout 算法的可視化效果圖與ArcMap 制作的地理底圖（亞洲、歐洲、非洲、大洋洲）疊加，生成各國交通流聯(lián)系的可視化圖像，見圖2。

圖2 疊加地理底圖的各國交通流聯(lián)系Fig.2 Traffic Flow Links of Countries Superimposed with Geographic Base

2.2 國家海運(yùn)交通角色分析

通過顯著流分析，構(gòu)建海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的主干結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步分析各國的海運(yùn)角色。為形象直觀地刻畫不同國家的海運(yùn)角色，本文將各國所承擔(dān)的海運(yùn)交通流量等級劃分為3 類：大于10 000、大于3 000、大于100。采用Gephi 軟件繪制關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，并以區(qū)域?yàn)閱卧獙⑵鋭澐譃?個版塊，繪制國家海運(yùn)交通角色評估圖，如圖3 所示。

圖3 海上絲綢之路海運(yùn)交通角色評估Fig.3 Assessment of Maritime Traffic Roles in Maritime Silk Road

從區(qū)際角度來看，在歐洲地中海地區(qū)，希臘承擔(dān)的區(qū)際間顯著流最多，西亞以及東南亞國家對希臘存在交通流依賴。在西亞，土耳其承擔(dān)的區(qū)際顯著流最多，來自歐洲地中海的西班牙、馬耳他、意大利和希臘以及俄羅斯。在歐洲地中海-西亞地區(qū)，希臘-土耳其-塞浦路斯-黎巴嫩-以色列形成了跨域海上交通流集中圈。東北亞地區(qū)承擔(dān)區(qū)際顯著流最多、范圍最廣的國家是中國，除對東南亞存在交通流依賴外，中國還與西亞的阿聯(lián)酋和沙特阿拉伯存在重要的交通關(guān)系。在東南亞，馬來西亞承擔(dān)的區(qū)際顯著流較多。

從各區(qū)域內(nèi)部來看，在歐洲，意大利對海上交通流具有強(qiáng)勁的控制能力，承擔(dān)歐洲地中海沿線所有國家的顯著交通流，成為歐洲地中海地區(qū)首屈一指的船舶“集散中心”。在西亞地區(qū)，阿聯(lián)酋對區(qū)域內(nèi)海上交通流的控制能力強(qiáng)于其他國家，承擔(dān)了阿曼、巴林、卡塔爾、科威特、沙特阿拉伯、伊拉克和伊朗7個國家的顯著交通流。在東北亞，中國承擔(dān)區(qū)域內(nèi)所有國家的顯著交通流，且承擔(dān)的顯著交通流數(shù)量在區(qū)域內(nèi)遙遙領(lǐng)先。作為世界上最大的制造業(yè)國家，有“世界工廠”之稱的中國成為東北亞地區(qū)乃至世界海運(yùn)交通的“集散中心”。在東南亞，新加坡對海上交通流的控制力較該區(qū)域其他國家更強(qiáng)。

綜上來看，意大利、新加坡和中國在海上絲路海上交通網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著支柱作用，而作為局部樞紐的希臘、土耳其以及以色列等構(gòu)建起了地中海東部海域的主要交通流結(jié)構(gòu)，對地中海區(qū)域的海運(yùn)貿(mào)易起到了積極的推動作用。沙特阿拉伯是海上絲路國家中與各地區(qū)海運(yùn)交通聯(lián)系最均衡的國家，為歐洲和亞洲構(gòu)建起了海運(yùn)貿(mào)易的橋梁。

2.3 各國海運(yùn)關(guān)系分析

如圖4 所示，從關(guān)系的數(shù)量和強(qiáng)度兩個層面對國家海運(yùn)關(guān)系進(jìn)行定量分析，基于競爭-協(xié)同模型，采用ECharts 統(tǒng)計和可視化方法展示各區(qū)域內(nèi)各個國家承擔(dān)的競爭和協(xié)同關(guān)系度值分布和占比以及各區(qū)域的交通關(guān)系強(qiáng)度?？梢钥闯?，競爭與協(xié)同關(guān)系趨勢線走向相似。定義度值大于30 的國家為高層次國家，度值在（20，30］內(nèi)的國家為中層次國家，度值在（10，20］內(nèi)的國家為低層次國家?？梢钥吹剑鱽喓蜌W洲地中海地區(qū)的國家兩極分化明顯，相比之下，東亞各國的交通關(guān)系則更均衡。由圖4（b）可知，從關(guān)系的空間分布與強(qiáng)度上看，區(qū)際交通關(guān)系遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于區(qū)域內(nèi)部交通關(guān)系，關(guān)系強(qiáng)度與總體平均強(qiáng)度值相近。在各區(qū)域內(nèi)部，西亞的交通關(guān)系最多，但強(qiáng)度遠(yuǎn)未達(dá)到總體平均強(qiáng)度；歐洲競爭、協(xié)同關(guān)系比西亞少，但關(guān)系強(qiáng)度更大；東南亞交通關(guān)系極強(qiáng)；東北亞交通關(guān)系強(qiáng)度僅次于東南亞。因此，各國跨區(qū)遠(yuǎn)洋交通目前仍有較大發(fā)展空間，各國應(yīng)積極主動加強(qiáng)跨區(qū)海運(yùn)貿(mào)易合作。

圖4 交通關(guān)系量化Fig.4 Quantification of Traffic Relationships

繼續(xù)從區(qū)際和區(qū)域兩個視角探究交通關(guān)系。使用ECharts 可視化庫構(gòu)建弦圖，以形象刻畫交通關(guān)系，根據(jù)不同國家權(quán)重大小構(gòu)造不同半徑的節(jié)點(diǎn)，按照起始節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)、弱關(guān)系以及權(quán)重確定線數(shù)據(jù)，得到跨區(qū)國家間顯著交通關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的強(qiáng)關(guān)系占比70% 以上，故顯著交通關(guān)系網(wǎng)絡(luò)以強(qiáng)關(guān)系為主。將競爭與協(xié)同關(guān)系強(qiáng)度從大到小排列，圖5（b）和圖5（c）展示了前15 名的關(guān)系分布，可以看到，競爭網(wǎng)絡(luò)中的部分核心國家在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中也處于核心地位，兩者高度重合。因此，大多數(shù)國家間既有競爭交通關(guān)系又有協(xié)同交通關(guān)系，形成競爭-協(xié)同型交通關(guān)系。其中，中國、新加坡、馬來西亞承擔(dān)的區(qū)際交通關(guān)系最多，進(jìn)一步對這3個國家的海運(yùn)交通關(guān)系進(jìn)行研究。可以發(fā)現(xiàn)，中國、新加坡和馬來西亞相互之間海運(yùn)交通聯(lián)系作用很強(qiáng)，此外，馬來西亞與歐洲的希臘、法國、意大利，西亞的阿聯(lián)酋、沙特阿拉伯和東北亞的韓國競爭-協(xié)同型交通關(guān)系較強(qiáng)。新加坡與歐洲的西班牙、希臘、意大利，西亞的阿聯(lián)酋和東北亞的韓國、日本存在較強(qiáng)的競爭-協(xié)同型交通關(guān)系。因此，地理鄰近的海運(yùn)大國間更易形成區(qū)域內(nèi)較強(qiáng)的競爭-協(xié)同型交通關(guān)系。

圖5 國家間顯著交通關(guān)系網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Significant Traffic Relationship Networks Among Countries

3 結(jié)束語

海上絲路海運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)的不均衡性體現(xiàn)在沿線國家在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的不同角色及其之間的不同交通關(guān)系，本文通過Gephi 軟件利用AIS 軌跡數(shù)據(jù)構(gòu)建海運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)，采用網(wǎng)絡(luò)流分析方法，通過ECharts 可視化庫對國家的交通角色和國家間的交通關(guān)系進(jìn)行了可視化分析，得出了以下結(jié)論：

1）從海上絲路海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)空間分布不均使得沿線國家海運(yùn)地位及聯(lián)系特征差異明顯，意大利、新加坡和中國在海上絲路海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)了極為重要的角色，希臘-土耳其-塞浦路斯-黎巴嫩-以色列形成了歐洲地中海-西亞地區(qū)的海運(yùn)交通圈，沙特阿拉伯是亞歐貿(mào)易的橋梁；從交通關(guān)系數(shù)量上看，歐洲地中海與西亞國家兩極分化明顯，東亞國家表現(xiàn)較均衡；從交通關(guān)系強(qiáng)度上看，東南亞國家間關(guān)系強(qiáng)度最強(qiáng)，西亞的關(guān)系強(qiáng)度最弱；從交通關(guān)系類型上看，大多數(shù)國家間已形成了競爭-協(xié)同型交通關(guān)系。

2）從可視化的手段來看，Gephi 軟件和ECharts可視化庫能夠優(yōu)美地展示海運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征，深度刻畫交通不均衡性引致的國家角色及交通關(guān)系的差異，將復(fù)雜的地理問題形象化，使分析結(jié)果更具可讀性和可解釋性。