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铁路客运网络复杂性释解

 论文栏目:交通运输论文     更新时间:2013-9-3 15:25:57   

1交通运输网络的地理空间特性

交通运输是典型的网络型产业,与生物群落、社交关系和互联网等网络一样,具有复杂网络拓扑结构的共性,也与电力、通信和供水等网络一样,必须通过实体网络系统(或节点系统)才能实现产品和服务的生产与销售。但是,交通运输的网络构成和行业特征与上述各种网络存在很大区别,从而使其网络的复杂性特征展现出独特之处[5]。在复杂网络的理论研究中,交通运输网络对于地理空间的绝对依赖,构成了其结构演化和其上传播机制的研究复杂性基础。

1.1叠加性和延展性较弱

对于较少或几乎不依赖于固定设施的网络系统来说,在一定时间或一定空间上,若干网络的叠加是可能和经济的,如社交网络和电信行业网络,其网络增长受限较小,对网络稍加或几乎不进行改造,就可以实现能力的大幅调整。而从网络的物理特性上来说,交通运输服务则受制于其实体网络,即构筑于特定地理空间下的基础设施,网络结构和能力调整不能灵活变化。相对而言,民航网络按不同的飞行高度划分出若干空域,在一个立体的空间内也可实现不同航路一定程度的“叠加”,而铁路网络要形成多片叠加则几乎不可能。

1.2与地区经济社会的互馈作用较强

与生物群落、社交关系和互联网等网络相比,通信、电力和交通运输等网络的形成,具有明显的外部效应。这种外部效应,即是这类网络与其所在区域经济社会发展的互馈作用的一种体现。网络型基础设施的经营与所在区域的经济社会需求普遍具有互馈效应,但程度和范围上也有所差异,如电网和公路网的建设往往有较强的地域性,这种互馈作用更多地局限在某一特定时段或特定地区。相对而言,铁路网络的建设和运用常常辐射和跨越更大的地区,与更大范围内的地区经济互馈作用更为显著。

1.3要素构成复杂且与地理空间具有全关联性

非实体或一般的网络型产业中,网络关系或传输物常具有无形、均质和稳定的特征,关系的接入较为简单,如电力网与通信网,其联通和运用相对简单,各地区网之间的切换可在瞬间完成,对传输过程的影响很小[5]。而交通运输网络的传输对象所要求的运输条件各异,需配备的装载设备也不同,其网络构成要素更多、更复杂,固定设施与移动设备的配合使用,要求进行统一的运输调度指挥或充分协调,多要素的地理关联性也给网络带来分析的不确定性。相对而言,铁路运输系统内部的技术联系更为密切,保持路网畅通所需要的各种条件更为复杂,多因素与地理空间的全关联性为其网络分析增加了复杂性。

2铁路运输网络要素的高协同性与强相关性

铁路运输网络是依赖于实体网络系统进行活动的典型网络,和其他运输方式的网络一样,与虚拟网络有着显著的区别。根据大量实证研究结果,从度量网络复杂性的基本指标来看,铁路运输网络(含铁路线路网络与列车运行网络)与道路网络、航空网络和地铁网络具有基本拓扑结构及特性相关结论的相似性。但是,铁路运输网络因其独特的构成要素和技术特征,仍然与其他运输方式的网络有较大区别。通过与其他运输方式对比,可以看出,在复杂网络的理论研究中,铁路运输网络关键要素的高协同性和强相关性,构成了其结构演化和其上传播机制的研究复杂性根源。

2.1道路运输网络复杂性

对于道路运输网络方面的研究,目前分为干线路网(含城市群路网)和城市内部路网两大部分,两类网络及其上的交通流各有其特征,但是在与铁路运输网络的比较中,其共性表现一致。道路运输的地理网络体系的突出特点是:网络密度很大,网络增长的灵活性较强,网络的功能层次明显。同时,由于路权专用性不强,其上的运输组织活动倾向于采用自组织(自驾车)或系统组织(公共交通)的方式,与地理网络的关联性不强。对于前者,出行者选择较为灵活,与作为普遍存在的地理网络相比,使用者行为对运输组织网络(或称服务网络)生成和变化的影响要大得多,因此相关研究常转化为出行者(或驾驶员)行为方面的复杂性研究。对于后者,线路走向选择较为灵活,与作为普遍存在的地理网络相比,城市土地利用和用地规划对服务网络生成和变化的影响要大得多,因此相关研究常转化为公共交通服务网络拓扑结构的复杂性研究。

2.2民航运输网络复杂性

民航运输网络的空间尺度较大,且地理网络的构造较为特殊,机场(节点)是其网络结构的关键要素,航线(线路)无实物载体,受地理空间限制较小。这种地理网络的特殊构造,将民航网络的复杂性问题转化为机场的网络布局和航线的层次结构复杂性问题。因其内生的安全和技术管理要求,民航地理网络上的运输组织活动采用系统组织方式,但是其地理网络(机场分布网络)与服务网络(航线分布网络)仍然相对独立。同时,因为民航运输的技术经济特征,其成熟的网络结构(含地理网络和服务网络)具有收敛性,呈现出稳定结构。

2.3远洋运输网络复杂性

远洋运输网络的空间尺度最大,与民航运输网络相似,其地理网络的构造也较为特殊,港口(节点)是其网络结构的关键要素,航线(线路)无实物载体,二者均受到地理空间的限制,特别是港口体系,一般分布在大陆边缘、航运通达条件较好的地区。远洋运输地理网络上的运输组织活动采用系统组织方式,其地理网络(港口分布网络)与服务网络(航线分布网络)不仅相对独立,更因受到国际贸易的影响,其分布具有明显的规律性和特定时空上的稳定性。

2.4城市轨道交通网络复杂性

虽与铁路运输网络同属轨道交通大类,城市轨道交通系统因其服务范围、服务对象和服务方式的特殊性,其复杂性特征与铁路运输网络有所区别。从地理网络的构成上看,成网的城市轨道交通系统一般点(车站)多线(站间距)短,网络密度较大,分布范围与城市发展和用地规划密切相关,但受工程和地理条件限制较大。城市轨道交通的轮轨关系较为密切,其系统组织方式在所有运输方式中最为典型和完全,虽然其对网络固定设施与运载工具的协调性要求较高,但是,从服务对象来看,其运量构成简单、客流性质较为单一;从其服务方式和频率来看,其制式单一,运输调整便利,服务网络的构成比较简单,因此二者关联后的复杂程度并不高。与上述典型交通运输网络相比,铁路运输的地理网络一般空间尺度较大,网络密度分布不均,局域高密和长程低密兼而有之,受区域经济的影响明显,对经济的引导作用强。同时,路网专用性强,基础设施和移动设备均存在多样化制式,内部技术联系密切,存在互补资产和互补技术,服务网络的绩效对二者的协调性要求较高,二者作为铁路运输网络关键要素的高协同性和强相关性,更增加了对其进行复杂性分析的难度。

3铁路客运网络结构与增长的叠加复杂性

一般来说,旅客和货物运输条件差异巨大。与铁路货物运输相比,旅客运输通常对乘坐舒适度、运输安全性、换乘便捷性等要求较高。反映在运输网络方面,则体现出铁路客运网络应当保有较高的密度和覆盖性,网络接续条件好、通达能力强,网络的连通可靠性高、抗干扰能力强,其拓扑结构必然表现出一类典型的复杂性特征。同时,铁路客运地理网络(基础设施投资建设)的阶梯性增长规律,与客运需求的持续性原发增长或突变性诱增规律之间,在特定时空条件下会存在较大差异,对服务网络的绩效可能产生较大影响,要尽可能规避这种长期存在的客观不利因素,并在最大程度上发挥铁路服务网络对人口分布、土地利用和城市发展的引导作用,其网络结构必然表现出一类典型的流量变化与网络增长动态均衡的复杂性机制。另外,铁路旅客运输关于安全、快速、便捷的要求在客运网络中的反映,不仅体现在地理网络上直接连通所表现出的拓扑特征,更体现在其服务网络及所含层次和局域结构在各种运输条件下的适应性。特别地,作为与人的行为和活动发生直接关系的基础设施实体网络,网络上拥堵或故障的传播动力学及控制是关键问题,而铁路运输网络要素的高协同性,叠加在其与客运需求的强相关性之上,更增加了网络复杂程度,必然表现出对一类特殊的网络拥堵控制或故障规避的复杂性分析方法需求。

4我国铁路客运网络的复杂性

我国铁路客运网络的拓扑结构特征及部分网络静态特征指标,与国外典型国家或区域的铁路客运网络相比,具有相似性,究其原因,是由铁路客运内在的技术经济属性决定的。但由于铁路客运供需之间的紧密互馈关系,国内外国情、路情的巨大差异,反映在我国铁路客运供给上,则必使其体现出与国外典型国家或地区客运路网不同的结构和演化特征。

4.1需求数量变化的驱动

从我国客运需求规模和结构来看,我国地域广阔,人口基数大,作为旅客基数的人口数量总量大,加之近30年经济发展迅速,消费水平和消费结构发生了很大变化,不仅公务商务出行稳定增长,而且消费性旅行需求增长迅速,导致客运需求的数量规模大、增速快。受社会文化风俗、工农业和服务业生产规律以及生活方式变化的影响,人员流动在时间上趋于特定时期集中大量流动、一般时期正常波动的动态平衡状态。如春节前后在全国范围内的人员大量往返探亲和务工,在夏秋季节去往主要农业生产基地采收,节假日往返旅游度假地等。在这种经济、社会和文化背景条件下,客运需求表现出突变性和常规性波动的叠加。

4.2需求结构调整的驱动

我国国土地理形势多样,且受地缘关系影响的经济区域发展水平和方式不同,人口分布在地域上趋于局部集中、广域分散的动态平衡状态,在客运需求的空间结构上存在多样化、非均衡的特点以及点、线、面运输需求的相互转化问题。由于我国正处在居民出行结构转型的关键时期,客运需求呈现出类型多样、特征交叉、持续分化等现象。客运需求类型极大丰富,规律性渐趋明显,需求结构开始逐渐趋于动态稳定,对长程运输能力强、中短距离运输服务水平高、安全性好、价格适中、便捷性强的运输方式需求仍将长期稳定存在。

4.3我国铁路客运网络构建的关键问题

从我国铁路客运供给的现状与发展来看,我国铁路网正处在加速成长期,还远未达到成熟期,不仅存在路网布局有待完善、网络覆盖程度仍需提高等情况,还存在线路衔接不甚合理、系统协调程度不高等问题。受长期建设滞后和能力制约的影响,运输需求的层次性在铁路客运供给的地理网络和服务网络中的体现并不十分显著。随着客运需求的进一步分化,铁路客运网络进一步完善的问题就演变成如何在扩大硬件服务能力的同时,又能合理利用既有各类设施、设备和运输组织资源,既研究客运需求对网络演变的指导意义,又探讨网络结构变化对流的有效组织的关键影响的复杂网络结构演化问题。由于我国地理区域广大,地形地质条件复杂,加之东、中、西部地区经济发展水平不一,社会文化习俗有差异,人口分布形式多样,旅客出行规律时空特征不同,铁路客运供给在交通运输体系宏观定位下的地区特征也很明显。因此,随着我国铁路客运服务逐渐进入能力扩张与质量提高并进的新阶段,对铁路客运网络的深入研究,也必须重点考虑路网成长规模、线路建设时机、运营技术标准匹配、服务组织与能力分布等时序与空间耦合问题,即网络的局域演化及动力学特征对整体网络构建的影响,以及路网承载能力变迁机制和规律的复杂网络结构演化问题。另外,作为承担国家安全功能的常规基础设施网络之一,为保障领土和经济安全,铁路运输具有无可替代的国防意义。处在国际政治经济形势瞬息万变的环境下,铁路客运网络除承担常规旅客输送任务外,还肩负着在系统面临巨大威胁或破坏时仍能保障一定通达要求的重要责任。在这一特殊前提下,铁路客运网络的通达性问题,又上升成为在遭受完整性威胁的情况下仍能保证特定的服务水平,即系统可靠性问题。

5结束语

在我国居民出行结构转型及铁路建设运营体制创新的关键时期,面对我国铁路客运的新形势,应当客观认识铁路客运地理网络和服务网络的时空复杂性,理解其形成及演化的内在机理和运行规律,把传统的铁路运输活动与新兴的复杂网络理论结合起来,更好地刻画铁路客运服务特性,为解决网络规划和调整以及运营管理问题提供新的视角和决策依据,从而充分利用现有交通资源,切实提高整个路网承载能力,优化完善服务方式与运营水平。

作者:王琳 于洋 单位:西南交通大学交通运输与物流学院 西南交通大学建筑学院城市规划研究所

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