Evaluation of Urban Rail Transit Construction Fitness Based on Niche Theory

PU Hai-jian; HAN Bao-rui; ZHU Zhen-jun

doi:10.16503/j.cnki.2095-9931.2021.06.007

Transport Research >

2021 , Vol. 7 >Issue 6: 61 - 68

DOI: https://doi.org/10.16503/j.cnki.2095-9931.2021.06.007

Evaluation of Urban Rail Transit Construction Fitness Based on Niche Theory

PU Hai-jian ,
HAN Bao-rui ,
ZHU Zhen-jun

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College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China

Received date: 2021-09-13

Online published: 2022-01-19

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Abstract

In order to ensure urban rail transit construction match urban development, combined with the ecological characteristics in the process of rail transit construction, a fitness evaluation index system of urban rail transit construction was constructed from the two dimensions of survival and development referencing niche theory. According to niche-fitness theory, the fitness evaluation method of urban rail transit construction was proposed based on the Euclidean distance method and the Entropy method. Through the calculation and classification of the fitness of rail transit construction in 27 cities in China, the differences in urban rail transit construction were deeply analyzed.The research results show that: travel demand, economic level and land development are the main factors affecting the fitness of urban rail transit construction; when the survival dimension evaluation score of urban rail transit construction is less than 0.198 5, the development dimension has little impact on the construction fitness; when the survival dimension evaluation score of urban rail transit construction is more than 0.207 6, the development dimension has a great influence on the construction fitness.

Key words： urban rail transit; niche; fitness; Euclidean distance method; Entropy method

Cite this article

PU Hai-jian , HAN Bao-rui , ZHU Zhen-jun . Evaluation of Urban Rail Transit Construction Fitness Based on Niche Theory[J]. Transport Research, 2021 , 7(6) : 61 -68 . DOI: 10.16503/j.cnki.2095-9931.2021.06.007

0 引言

近年来,城市轨道交通因快捷准时、运输效率高等优势在我国得以快速发展。作为大型基础设施项目,城市轨道交通建设影响因素错综复杂,每个城市的建设时机、发展条件各不相同。为避免投资浪费,帮助相关部门科学决策,促使城市轨道交通建设与城市发展水平、交通需求相适应,在规划时合理评估城市轨道交通建设适宜度十分必要。

国内外学者已对城市轨道交通建设适宜度进行了一系列研究。国外学者主要考虑城市轨道交通建设对城市环境及城市居民生活的影响,如Thierry等^[1]以巴黎为例分析了城市轨道交通建设对企业选址、就业和人口增长的积极与消极影响;Clifford等^[2]根据城市轨道交通运营需求和成本,评估其对社会福利的贡献;Eda^[3]通过分析地铁建设前后的广泛经济影响,发现地铁建设会造成空间经济不平等。国内学者主要关注轨道交通建设条件与城市发展的匹配程度,并从不同侧面构建了城市轨道交通建设适宜度评价指标体系,如杨永平等^[4,5]构建了2种指标分析筛选方案：从需求、可能性及建设能力3方面选取指标进行分析或对需求和可能性的复合性指标进行分析,经比选后推荐前一种方案,并在此基础上将指标划分为发展条件指标和项目建设条件指标2大类;焦柳丹等^[6]从供需角度建立了综合评价指标体系;柳林等^[7]基于可持续发展内涵构建了城市轨道交通发展评价体系;沈景炎^[8]认为城市轨道交通建设需满足持久性、可能性和必要性3个基本要求。此外,谢晓忠等^[9]、张云等^[10]具体分析了单类指标（土地利用、城市经济水平等）对城市轨道交通建设的影响;李谈^[11]、张凯等^[12] 针对具体的城市建立了指标体系并进行可行性分析。

尽管国内外学者在城市轨道交通建设适宜度研究方面取得了一定的成果,但在评价指标选取上多聚焦于建设条件指标,鲜有涉及发展潜力指标。此外,大多研究基于系统学和统计学理论、方法来测度建设适宜度,在分析城市轨道交通建设对其建设环境变化的适应性及两者关系时缺乏解释性。因此,在评价指标选取、评价模型等方面尚有待进一步完善。近年来,生态学理论被广泛应用于经济、管理等领域,经验证其在分析研究对象的定位、功能及作用时具有较好的适用性和解释性^[13,14,15]。如果将城市视为一个生态系统,城市内的每一种交通方式都是一类物种,而作为城市交通系统的后进者,城市轨道交通具有类似生态系统中外来物种的特征与本质,其与经济、社会和自然环境之间的相互作用可看似一种典型的生态表象,故生态学理论同样适用于城市轨道交通建设适宜度分析。

在生态学中,生态位理论主要用于研究物种之间的竞争性、物种对环境的适应性及生态系统多样性和稳定性等问题,反映物种或生物种群在生态系统中的地位、功能和作用^[16],它不仅考虑物种的生存需求,还考虑其发展趋势或潜力。为此,本文将生态位理论引入城市轨道交通建设适宜度研究,基于生态位态势理论构建城市轨道交通建设适宜度评价指标体系,并根据生态位适宜度理论构建城市轨道交通适宜度评价方法,为城市轨道交通建设适宜度评价提供一个新的视角和理论基础。

1 适宜度评价指标体系构建

1.1 城市轨道交通建设生态位

生态位的概念演变经历了空间生态位、功能生态位、多维超体积生态位3个阶段,一般是指在特定的生态系统中,某一物种与环境及其他物种相互作用过程中所形成的相对地位和作用。生态位包括“态”和“势”两种属性：“态”指物种的状态,是过去生长发育及与环境相互作用积累的结果;“势”指物种对环境的现实影响力或支配力,如能量和物质变换速率^[17]。根据生态位概念,可以将城市轨道交通建设生态位定义为：在特定区域的特定发展阶段,城市轨道交通建设与发展的综合条件水平。它反映出城市轨道交通建设的时机和发展条件,体现城市轨道交通建设的主动作用及建设环境的动态变化,是城市轨道交通与其建设环境互动适应后的客观状态。相比于自然界中物种生态位的形成,城市轨道交通建设生态位的形成很大程度上受人类社会主导作用（如城市发展战略、轨道交通投资、土地开发等）的影响。

1.2 适宜度评价指标体系构建

通过对相关文献^{[4,5,6,7,8,9,10,11,12]}梳理发现,影响城市轨道交通建设的指标虽然多,但具体表现为基础特征的指标并不是很多。通过进一步剖析和筛选,本文将城市轨道交通建设影响因素分为7类：出行需求、经济水平、投资水平、土地开发、经济发展、轨道交通自身发展及环境质量。借鉴已有研究成果^{[4,5,6,7,8,9,10,11,12]},基于生态位态势理论,可以从生存维和发展维2个维度构建城市轨道交通建设适宜度评价指标体系：生存维主要描述城市过去发展累积到现在的结果,反映城市轨道交通建设现状条件和水平,表现为出行需求、经济水平、投资水平;发展维反映轨道交通发展潜力与资源配置能力,多由成长性指标构成,包括土地开发、经济发展、轨道交通自身发展及环境质量。生存维是发展维的基础,发展维进化到一定程度就会转化为生存维,两种维度相互反馈、相互转化,城市轨道交通的建设生态位也随之改变。综合考虑指标的代表性、可行性及相关数据的可获取性等,在2个维度7类影响因素下选取18个指标构建城市轨道交通建设适宜度评价指标体系,如表1所示。

表1 城市轨道交通建设适宜度评价指标体系

评价维度	影响因素	指标	指标符号
生存维	出行需求	市区常住人口/万人	C₁
		市区人口密度/（人•km^-2）	C₂
		市区面积 /km²	C₃
		万人公交车拥有率/（辆•万人^-1）	C₄
		轨道交通客运强度/（万人•km^-1·d^-1）	C₅
	经济水平	地区生产总值/亿元	C₆
		一般公共财政预算收入/亿元	C₇
		人均可支配收入/元	C₈
	投资水平	轨道交通投资/亿元	C₉
	投资水平	轨道交通投资占基础设施投资比例（%）	C₁₀
发展维	土地开发	城市建成区增长率（%）	C₁₁
	土地开发	房地产开发投资增长率（%）	C₁₂
	轨道交通自身发展	轨道客运强度增长率（%）	C₁₃
	轨道交通自身发展	轨道交通投资增长率（%）	C₁₄
	经济发展	地区生产总值增长率（%）	C₁₅
	经济发展	一般公共财政预算收入增长率（%）	C₁₆
	环境质量	颗粒物（PM2.5）年平均浓度/（μg•m^-3）	C₁₇
	环境质量	昼间道路交通噪声平均等效声级/dB	C₁₈

2 城市轨道交通建设适宜度评价方法

2.1 问题描述

在城市轨道交通适宜度评价问题中,设城市样本集S为：

（1）

S = {s 1, s 2, s 3, ⋯, s n}

指标集C为：

（2）

C = {c 1, c 2, c 3, ⋯, c m}

指标权重集W为：

（3）

W = (w 1, w 2, w 3, ⋯, w m) T

式（1）~式（3）中：

s i

为第i个城市,

i = 1, 2, 3, ⋯, n

;n为城市数量;

c j

为第j个指标,

j = 1, 2, 3, ⋯, m

;m为指标数量;

w j

为第j个指标的权重。

指标评价矩阵A可以表示为：

（4）

A = x ij n × m = x 11 ⋯ x 1 m ⋰ ⋰ x n 1 ⋯ x nm

式（4）中：

x ij

为第

i

个城市的第

j

个指标值。

城市

s i

的轨道交通建设生态位

f X i

为：

（5）

f (X i) = f (x i 1, x i 2, ⋯, x im)

式（5）中：

X i

为城市

s i

的评价指标值集合;其他变量意义同前。

生态位有理想生态位和现实生态位之分,其中理想生态位指物种所需求的环境条件都是最佳的;现实生态位指物种能够从生态环境中实际获得的资源、条件等。现实生态位与理想生态位之间的匹配程度可反映生态环境对物种的适宜性。因此,城市轨道交通建设适宜度即为城市轨道交通建设现实生态位各项指标实际值与理想生态位各项指标理想值之间的贴近程度

F (s i)

,其数学模型为：

（6）

F (s i) = Φ (X i, X 0)

式（6）中：X₀ 为每个评价指标的最优值集合;X_i为每个评价指标的实际值;其他变量意义同前。

2.2 基于熵权法的指标权重计算

为了避免人为主观因素对评价结果的影响,采用熵权法确定各指标权重。熵权法是一种通过计算各指标的信息熵来进行赋权的客观赋权方法,指标的信息熵越小,其变异程度越大,提供的信息就越多,在评价中起到的作用就越大,被赋予的权重越大。

指标权重的具体计算步骤如下：

（1）归一化处理

利用最大-最小值标准化法对评价指标进行归一化处理,得到标准矩阵

A'

：

（7）

A' = (x ij') n × m = x 11' ⋯ x 1 m' ⋰ ⋰ x n 1' ⋯ x nm'

式（7）中：

x ij'

为

x ij

的归一化值;其他变量意义同前。

（2）计算信息熵

指标

c j

的信息熵

e j

的计算方法为：

（8）

p (i, j) = x ij' ∑ i=1 n x ij'

（9）

e j = - ln n - 1 ∑ i=1 n p (i, j) · ln (p (i, j))

式（8）~式（9）中：

p (i, j)

为指标

c j

第

i

个样本在该指标总样本中的占比;其他变量意义同前。

（3）确定各项指标权重

根据信息熵的特性,各项指标权重

w j

可按下式计算：

（10）

w j = 1 - e j m - ∑ j=1 m e j

式（10）中：各变量意义同前。

2.3 基于欧式距离法的适宜度计算

Hutchinson用数学抽象空间来描述生态位,将生态位定义为多维空间中的一点,这为现代生态位理论奠定了基础^[16]。因此,现实生态位与理想生态位的贴近程度可以用多维空间中两个点之间的距离表示。欧式距离法是一种常用距离定义方法,用于衡量多维空间中两点间的绝对距离,其主要缺点是将研究对象不同属性之间的差别等同看待,而与熵权法的结合则可消除这一缺点。因此,本文选用熵权-欧式距离法计算适宜度,具体步骤如下。

（1）构造加权评价矩阵

根据前文由熵权法求出的权重,确定加权评价矩阵：

（11）

x ij * = x ij' w j

（12）

T = x ij * n × m = x 11 * ⋯ x 1 m * ⋰ ⋰ x n 1 * ⋯ x nm *

式（11）~式（12）中：

x ij *

为

x ij'

的加权值;T为加权评价矩阵;其他变量意义同前。

（2）确定现实生态位与理想生态位

现实生态位为：

（13）

f X i * = f x i 1 *, x i 2 *, ⋯, x im *

理想生态位为：

（14）

f X 0 * = f t 1, t 2, ⋯, t m

式（13）~式（14）中：

f X i *

为现实生态位;

f X 0 *

为理想生态位;

t j

为第

j

个指标总样本中的最大值;其他变量意义同前。

（3）计算贴近程度

计算各评价对象的现实生态位与理想生态位的贴近程度：

（15）

F (s i) = Φ (X i, X 0) = ∑ j=1 m (x ij * - t j) 2

式（15）中：

F (s i)

为第i个城市的现实生态位与理想生态位的贴近程度,

F (s i)

值越小,表明贴近程度越高,说明城市越适宜建设轨道交通;其他变量意义同前。

3 实证分析

3.1 研究对象及数据来源

截至2019年底,我国（不含港澳台）有40个城市开通轨道交通,其中温州、济南、常州、徐州和呼和浩特5个城市属于2019年新增轨道交通城市,而佛山、石家庄等8个城市部分数据缺失或异常,在实证分析中暂不考虑,最终选取上海、北京、天津、沈阳等27个城市进行城市轨道交通建设适宜度评价。指标数据来源于《2019年城市建设统计年鉴：2020》^[18]以及各城市《2019年国民经济和社会发展统计公报》《2020统计年鉴》《2019年环境状况公报》。

3.2 适宜度评价指标权重分析

根据选取的27个城市相关指标数据,利用熵权法求出18个指标的权重,如表2、表3所示（其中影响因素指标后的数据为该影响因素的权重）。

表2 城市轨道交通建设适宜度评价生存维指标权重

影响因素	出行需求（0.370）					经济水平（0.251）			投资水平（0.092）
指标	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	C₆	C₇	C₈	C₉	C₁₀
指标权重	0.122	0.060	0.102	0.057	0.029	0.070	0.124	0.057	0.064	0.028

表3 城市轨道交通建设适宜度评价发展维指标权重

影响因素	土地开发（0.122）		轨道自身发展（0.081）		经济发展（0.033）		环境质量（0.051）
指标	C₁₁	C₁₂	C₁₃	C₁₄	C₁₅	C₁₆	C₁₇	C₁₈
指标权重	0.105	0.017	0.038	0.043	0.018	0.015	0.042	0.009

从表2、表3中可以发现,发挥主导作用的是出行需求、经济水平和土地开发3类指标。权重最大的指标是市区一般公共财政预算收入,其权重为0.124;权重最小的指标是昼间道路交通噪声平均等效声级,其权重为0.009。生存维所占权重达到0.714,这表明在判断城市轨道交通建设适宜度时,应优先考虑建设条件;发展维所占权重仅为0.286,但城市建成区域的扩张（对应权重为0.105）有利于加强城市轨道交通的聚集效应,因此这个指标的影响不容忽视。

3.3 轨道交通建设适宜度评价分析

采取熵权-欧式距离法分别计算各个城市轨道交通建设的适宜度,如表4所示。

表4 城市轨道交通建设适宜度评价结果

城市	生存维	发展维	适宜度	排名	城市	生存维	发展维	适宜度	排名
北京	0.103 6	0.117 0	0.156 3	1	广州	0.167 9	0.109 6	0.200 5	8
上海	0.112 8	0.115 6	0.161 5	2	成都	0.179 2	0.106 0	0.208 2	9
武汉	0.164 2	0.059 3	0.174 6	3	西安	0.198 5	0.095 2	0.220 1	10
重庆	0.137 6	0.109 7	0.175 9	4	南京	0.194 5	0.111 0	0.223 9	11
深圳	0.143 0	0.102 6	0.176 0	5	青岛	0.207 6	0.085 7	0.224 6	12
天津	0.160 5	0.075 5	0.177 3	6	郑州	0.209 1	0.083 6	0.225 2	13
杭州	0.176 7	0.082 7	0.195 1	7	苏州	0.196 9	0.111 9	0.226 5	14
城市	生存维	发展维	适宜度	排名	城市	生存维	发展维	适宜度	排名
东莞	0.226 8	0.050 1	0.232 3	15	沈阳	0.216 3	0.116 4	0.245 6	22
宁波	0.212 9	0.101 3	0.235 8	16	昆明	0.218 7	0.113 2	0.246 3	23
大连	0.224 7	0.074 6	0.236 7	17	无锡	0.223 0	0.106 5	0.247 1	24
乌鲁木齐	0.223 4	0.083 6	0.238 5	18	福州	0.224 4	0.106 9	0.248 6	25
南昌	0.224 6	0.088 2	0.241 3	19	南宁	0.221 2	0.115 1	0.249 3	26
哈尔滨	0.212 9	0.115 7	0.242 3	20	长春	0.229 2	0.115 8	0.256 8	27
合肥	0.223 7	0.098 2	0.244 3	21

为更好地区分各城市轨道交通建设适宜度水平的差异,分别在生存维、发展维以及综合评价结果3个维度上,采用自然间断点分级法将27个城市分为5类进行比较分析。3.3.1 生存维水平分析城市轨道交通建设适宜度生存维水平分类如表5所示。

表5 城市轨道交通建设适宜度生存维水平分类

分类	生存维评分	城市
第1类	0.1036~0.1430	北京、上海、重庆、深圳
第2类	0.1605~0.1792	天津、武汉、广州、杭州、成都
第3类	0.1945~0.1985	南京、苏州、西安
第4类	0.2076~0.2163	青岛、郑州、哈尔滨、宁波、沈阳
第5类	0.2187~0.2292	昆明、南宁、无锡、乌鲁木齐、合肥、福州、南昌、大连、东莞、长春

由表5可知,北京在城市轨道交通建设适宜度生存维水平排名中位居第一,上海、重庆、深圳紧随其后,这4个城市各项指标遥遥领先于其他城市,具有明显的优势;天津、武汉、广州、杭州、成都位于第2类,生存维评分在27个城市平均值（0.193 8）之下,其建设条件较为适宜;南京、苏州、西安位于第3类,这些城市建设条件相对适中且均衡;青岛、郑州等5个城市位于第4类,主要原因是城市发展不平衡,尚存在一定的不足,比如青岛的城市轨道交通投资额度在27个城市中排名第9,但市区人口密度较低;昆明、南宁、无锡等10个城市位于第5类,各项指标都处于较低水准,建设条件相对较差。

3.3.2 发展维水平分析

城市轨道交通建设适宜度发展维水平分类结果如表6所示。

表6 城市轨道交通建设适宜度发展维水平分类

分类	发展维评分	城市
第1类	0.0501~0.0593	东莞、武汉
第2类	0.0747~0.0882	大连、天津、杭州、郑州、乌鲁木齐、青岛、南昌
第3类	0.0952~0.1026	西安、合肥、宁波、深圳
第4类	0.1060~0.1119	成都、无锡、福州、广州、重庆、南京、苏州
第5类	0.1132~0.1170	昆明、南宁、上海、哈尔滨、长春、沈阳、北京

由表6可知,北京、上海、广州等城市轨道交通运营规模较大的城市发展维水平都处于中下游,主要因为这些城市建设较为完善,城市轨道交通已逐步形成线网规模,故发展潜力下降;与之相反的是武汉,其与东莞在2019年大幅度拓宽城市建成区,增加了对城市轨道交通的需求,进而发展潜力大增,位于第1类;第2类城市得分小于平均值（0.098 2）,具有较适宜的发展潜力;西安、合肥得分也小于平均值,但这2个城市轨道交通客运强度处于负增长状态,发展潜力下降,与宁波一样位于第3类;剩余的城市得分相对较低,差距不大,主要是因为这些城市绝大多数指标值较低,尽管有一些指标值突出,但整体影响不大,发展潜力较低,比如南宁城市房地产开发投资增长率排名第一,但其他指标水平较低,其中轨道交通客运强度和投资甚至处于负增长状态。

3.3.3 适宜度水平综合分析

结合以上两个维度的分析,得出城市轨道交通建设适宜度水平分类,如表7所示。

表7 城市轨道交通建设适宜度水平分类

分类	综合水平得分	城市
第1类	0.1563~0.1773	北京、上海、武汉、重庆、深圳、天津
第2类	0.1951~0.2082	杭州、广州、成都
第3类	0.2201~0.2265	西安、南京、青岛、郑州、苏州
第4类	0.2323~0.2423	东莞、宁波、大连、乌鲁木齐、南昌、哈尔滨
第5类	0.2443~0.2568	合肥、沈阳、昆明、无锡、福州、南宁、长春

从表7可知,北京、上海、武汉等9个城市轨道交通建设条件远胜于其他城市,以明显的优势位于第1类、第2类,其中北京、上海城市轨道交通建设处于相对成熟的阶段,发展潜力较低,未来重心应以城市轨道交通系统优化为主,而其他城市应以扩大城市轨道交通线网规模为主;第3类城市显现出维度之间的互馈作用,比如郑州的建设条件偏低但发展潜力较高,发展维对生存维产生正反馈作用,提高了其建设适宜度,这些城市可以积极筹划、大力开展城市轨道交通建设;东莞、宁波等6个城市位于第4类,这些城市建设条件低于第3类城市,发展维正反馈作用有限,因此城市轨道交通建设适宜度偏低,可以逐步推进轨道交通建设;合肥、沈阳等城市虽然在不同程度上建设了轨道交通,但与其他城市相比,建设条件、发展潜力都处于相对较低的水平,在进行城市轨道交通建设筹划时,需要结合自身发展水平,不可盲目追求建设速度。整体上,27个城市的轨道交通建设适宜度分类与城市轨道交通筹建实际情况较为吻合,表明本文所建评价指标体系具有一定的合理性和可行性。

4 结论

本文从生态学角度出发,针对城市轨道交通的生态学特征,基于生态位态势理论构建了城市轨道交通建设评价指标体系,并根据生态位适宜度理论,基于熵权-欧式距离法提出了城市轨道交通建设适宜度评价方法,最后以我国27个城市为例进行了实证分析,并得出如下结论：

（1）在城市轨道交通建设适宜度评价研究中,发挥主导作用的是出行需求、经济水平和土地开发3类指标;通过对我国27个城市的实证分析,验证了基于生态位态势理论构建的评价指标体系的合理性和可行性。

（2）生存维涵盖了绝大多数权重较大的指标,这表明在判断城市轨道交通建设适宜度时,应优先考虑建设条件,但也不能忽视发展维的作用。当生存维评价得分小于0.198 5时,可以考虑开工新建或续建城市轨道交通,发展维在一定程度上可以视为新建、续建规模的参考指标;当生存维评价得分大于0.207 6时,发展维对城市轨道交通建设适宜度影响显著,一些城市甚至上升一个“级别”,比如乌鲁木齐生存维归属于第5类,但发展维归属于第2类,因此城市轨道交通建设适宜度归属第4类。

本文主要基于可比性、定量化、简洁化等原则选取客观评价指标,构建了一套具有一定普适性的城市轨道交通建设适宜度评价体系,以便为相关部门决策提供参考。不过研究中未考虑社会满意度、特殊地形、各省市规划（比如都市圈）等偏向主观化、定性化、特殊性因素,而这些内容也是影响城市轨道交通建设适宜度的重要因素,未来有必要展开进一步研究。

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