基于公路运输成本的长三角轴—辐物流网络的构建

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英文标题:Construction of the Hub-and-spoke Logistics Network Based on Road Transportation Cost in the Yangtze River Delta

内容摘要:对区域物流网络的研究进行了基本的总结和归纳,分析了轴辐侍服网络的内涵及其在区域物流网络构建中的比较优势。针对长三角目前区域物流发展的基本情况,指出了当前该区域存在着网络布局不合理、层次不清晰等问题,设计了物流中心性指数的指标评价体系,确立了网络的一级轴心(hub)和二级轴心(sub-hub);考虑到城市间物流强度数据获取具有一定的难度,作者通过交通成本作为网络构筑的条件,以势能模型(potential)为运算原理,通过区域内物流成本的位势差,即各个节点与轴心间交通成本,实现对网络的构建和优化;以GIS的网络分析方法(栅格算法)为技术支撑,确定了轴心的辐射范围,构建了上海为一级轴心,南京、苏州、无锡、杭州、宁波为二级轴心的三个层次的区域物流网络;并对各个重点物流枢纽的职能定位与发展方向作了相应的分析。

关键词:物流网络,轴—辐系统,长三角,网络层次,logistics network,hub-and-spoke network,Yangtze River Delta,

GB/T 7714-2015 格式引文:[1].基于公路运输成本的长三角轴—辐物流网络的构建.[J]或者报纸[N].地理研究,(4):911-919

正文内容

  1 问题的提出

  现代物流是由传统物流萌发而逐渐形成的一个新概念。一般认为,现代物流是指为了实现顾客满意,连接供给和需求主体,克服空间和时间阻碍的有效、快速的商品、服务流动经济活动过程[1]。作为一个朝阳产业,现代物流业打破传统的地域行业壁垒,将交通、信息、仓储等产业有机结合起来,显著地影响着城市与区域的空间组织和网络形态,被公认为继原材料、劳动力之后的第三个利润源泉和降低成本的最后处女地。如何整合区域物流资源,优化物流网络的组织,提高物流效率,成为学术界日益关注的热点问题。轴—辐网络起源于美国航空领域,并逐步在快递物流、通信网络等方面显示出其相对传统网络组织的优越性[2]。O'Kelly率先提出了轴—辐网络的概念,对网络进行了设置,并提出了phub模型[3,4];Horner等随后提出了轴—辐网络内hub数量设置与hub-hub间的货流强度存在明显的规模效应,这种效应通过网路的优化,可以实现整个区域内总成本的最低化[5]。Matsubayashi等随后对轴—辐网络作了深入的剖析,认为区域在所有节点均实现点对点间全覆盖连接,不考虑环境、拥堵等影响的理想状态下,4~5个hub是实现区域总物流成本最低的最为合理的数量[6];Upchurch等用GIS的方法研究了网络内节点间的拓扑关系,通过网格处理的办法研究了网络中心对各种要素的吸引和集聚情况[7]。国内对轴—辐物流网络的相关研究文献较少。金凤君对航空客流的轴—辐网络及其地域系统进行了研究,认为我国客流网络体系形成了明显的地域分异现象[8],并构建了中国航空领域的轴—辐物流网络[9]。曹小曙等对中国城市的干线通达性进行了研究[10],吴威等分析了长三角公路网络可达性的演化[11],张建松等构建了辽宁省公路轴—辐物流系统。[12]目前学术界对城市影响区主要有,洪银兴等用线型回归以及GDP、城市流强度相关的方法研究城市的引力范围[14];苗长虹等用引力模型分析方法研究了河南省城市的经济联系方向与强度[15];徐建、曹有挥通过时空两具维度对长三角货流的变动进行了分析[16];薛俊菲通过航空网络研究了中国城市的等级层次[17]。

  长三角是我国经济最发达的区域之一,基础设施比较完善,城市布局较为合理,最有可能承接世界经济重心的转移所带来的各种商流、货流、人流、资金流、技术流和信息流,从而成为全国乃至全球物流网络系统中的重要中转枢纽区域。然而近年来,长三角正在兴起一股“物流”热,不少行业或部门都热衷于搞物流中心、交易中心和配送中心。由于缺乏统一的规划指导,这些中心都自成体系、独立运作、部门分割、行业垄断、地方封锁,相互之间很少关联,区内物流建设存在着条块分割严重、功能等级不清的状况。如此进行物流园区的“大跃进”,政府自投或吸引企业投入动辄十数亿,一旦失误,其损失程度将会超过以往任何一次“热”。盲目的进行物流中心的建设不仅浪费本来就十分宝贵的土地资源,而且造成地区间的“截流”,大大降低了该区域物流效率。本文希望通过对物流网络的研究,对目前长三角地区混乱的物流现状加以引导,避免恶性竞争和重复建设。

  2 轴—辐网络及轴心城市的确定

  2.1 轴—辐网络

  2.1.1 基本概念 轴辐系统(Hub and Spoke System)最早提出并应用于航空领域,它将区域内的结点根据空间影响力和辐射范围明确划分为若干个等级,处于支配地位的特殊结点称为轴心,而“辐网”是指网络中的非中心结点及与轴心的联系,整个网络由轴心、腹地、连接线路以及各等级层次的节点等要素组成。在轴—辐模式中由于通道数量的减少,在枢纽(轴)和通道上产生客货流的集聚,通过低成本弥补客货由于在枢纽中转逗留而引起的损失,吸引客货流集聚到运输网络中的枢纽和通道上来,增加通道的交通密度,使采用大型交通工具成为可能,并进一步提高交通工具利用效率,实现多种交通工具在枢纽上以最短的时间转乘或转载,实现规模经济,降低客货运输费用。由于它充分利用了轴与轴之间运量的提升所带来的规模经济,以及单位投资额度下网络面积扩大的范围经济效应,实现了对资源利用的最大化和网络整体运输成本的最低化。从区域物流的视角看,运输功能与生产、配送愈来愈紧密地结合在一起,降低时耗和库存成为货物运输发展的重要方向,重要运输节点地区物流(运输)空间组织受到更多的关注,门户(枢纽)城市依靠各交通模式的规模经济效益和交通设施的扩张不断满足节点间日益增长的运输需求,区域货流逐步向门户(枢纽)城市集中。这种分离的另一个结果是导致了区域间货流的变动形成了干线与支线之分,出于规模经济的考虑,干线间的货运交流量更加放大,而大型交通枢纽与各个结点虽然在货运交流量上有所降低,然而货运线路却得到了更大空间范围的扩展,实现了整体货运成本的降低,形成了等级分明的区域物流网络。

  2.1.2 长三角轴—辐物流网络的形成机制

  (1)运输成本的影响。

  随着经济全球化的不断加深,全球范围内的货流地理格局发生了深刻的变化。在全球货运增长不断加快的总体背景下,货物运输柔性化与一体化趋势不断加强;货物运输的低运量、高频率以及长运距等趋势逐步显现;货运模式发生显著变化,出于对运输成本的考虑,物流配送中心成为整个货流系统的核心组件。这极大地加快了大型、超大型物流枢纽的形成,并增强了其对周围地区的辐射。作为我国受全球化影响最早最深的区域之一,长三角显然深受影响。

  (2)可达性的改善。 交通枢纽是交通运输网络中的中心或重要节点,在运输组织上往往起到同种交通方式内部或多种交通方式之间转换衔接的作用,运输服务水平较高,腹地较之一般节点广阔,运输规模较大,在运输业的规模经济和范围经济的共同作用下,运输成本相对较低,对周边地区的货流产生着一定的吸引力。1994和2005年,上海、南京、杭州、宁波4个交通枢纽城市货运量均位于前四位,规模经济和范围经济表现明显[8]。随着长三角地区交通网络的日趋完善,区域交通可达性不断优化,各节点到交通枢纽节点的最短行车时间大幅度降低,运输成本明显下降,这在运输经济性方面为货流向枢纽节点集中提供了便利。

  (3)港口—腹地互动的加强。腹地和港口的喂给关系是一种典型的轴辐模式,腹地的各个节点不断地通过港口来转运货物形成直线,而大型港口之间通过规模效应的作用相互连接形成干线。众多港口也加快了长三角地区“轴—辐”物流网络的形成。

  2.2 轴心节点的甄选

  2.2.1 指标体系的构筑 为了准确地确定各地域单元的物流发展水平,本文选取了10项评价指标(图1),设计了长三角物流网络的指标评价体系。指标体系由三个层次组成,一级指标包括区域发展状况、市场供需状况、交通支撑条件等三个指标集。综合发展状况反映区域物流的生成能力,具体的表征指标为GDP总量、全社会固定资产投资总额;市场供需状况反映区域物流的集聚能力,具体指标为国有及非国有规模以上企业数、工业生产总值、社会零售品销售总额、外贸总额、货运总量等五项指标;交通支撑条件反映区域物流的流通能力,选取了综合交通发展水平、港口发展水平和机场发展水平三项指标。考虑到城市的区位条件与区域可达性在物流网络中至关重要的作用,综合交通发展水平由综合交通可达性来衡量,具体的数学表达式为:

  

  2.2.2 算法实现 运用SPSS软件对2004年上述数据进行因子分析得到3个主因子,累计方差贡献率达到78.2%,基本可以反映区域总体的物流发展水平。正交旋转后[13],得到人均GDP,加权平均旅行时间,进出口贸易额三个主因子,根据各因子方差所占比重,利用SPSS软件进行分析并排序得到各研究单元综合实力评价指数。(表1)

  

  2.2.3 计算结果分析

  从结果可以看到,长三角区域总体物流的发展水平按照得分可以分为四个层次。参照O'Kelly[4]和Matsubyash[6]等人的研究成果,并考虑长三角地区的国土面积与实际发展情况,确立长三角地区的轴心为两个层次:(1)一级物流轴心城市(hub)。上海的物流中心性指数得分为2.49,远远领先于其他城市,区内任何一个城市均不具备挑战上海在长三角地区的物流轴心城市地位的能力。综合国家层次的发展规划和实际发展水平来看,上海的定位为全区物流发展的龙头、一级物流轴心城市,辐射范围为整个长三角;(2)苏州、无锡、宁波、杭州、南京尽管得分也比较高,但是与上海相比有一定差距,但与区域内其他城市比较具备一定的比较优势,定位上述城市为二级物流轴心城市(sub-hub);(3)长三角其他地级城市和县级城市为边缘物流城市(spoke)。

  3 二级轴心城市辐射范围划分

  3.1 模型确立

  由于城市间资金、货运、信息等反映物流强度的数据获取的难度性与应用的复杂性,只能从定性与大尺度的概念划分上大体分析城市与区域辐射范围和地域。因此,本研究主要采取势能模型(potential)的方法来划分城市辐射范围[10~12]。势能模型认为区域间存在的一切人流、货流、信息流等都来源于区域间的位势差,而成本在位势差中起到决定性的作用,通过各个节点与轴心间交通成本的最小化来实现对网络的构建和优化。从算法的实现上,目前有基于矢量的voronoi图生成法和基于栅格的最短路径划分法。长三角地区交通网络发达,网络密度远远大于全国均值,2005年公路密度已达到71.74km/百,是全国平均密度的3.68倍。而加权voronoi图法对交通因子等因素并不关注,只是简单地进行图形的分析。因此,本文的研究采用基于栅格的城市辐射范围划分方法,通过求解细小栅格到各中心城市的最短时间,即交通时间成本来反映中心城市在区域内的辐射范围。研究具体采用胡佛概率模型对势能模型进行去量纲化的修正,具体模型为:

  

  3.2 算法实现

  基本原理是将单元内整个区域切割为若干个细微的网格(本文选取的网格为5km×5km),考虑到长三角总体面积有10.9×,因此单个网格内部的可达性可以忽略不计,确保每个网格受到各个城市的吸引相对均匀。提取每个网格的几何中心点坐标,通过确定每个网格的中心点到区内五个二级轴心的运行时间成本的大小,来确定区域内二级轴心的引力范围,对长三角物流网络进行构建。考虑到单位时间内同种运输工具的运输成本是相同的,因此公路运输成本即为公路运输时间成本。由于长三角公路完成货运量占综合运输的比重达到65.5%,客运量占运输比重则高达93.6%(2003年交通部门统计数据),且轴—辐之间的物流交换多为短途运输,在距离小于500km的情况下,公路的运输具有明显的比较经济优势,绝大部分的短距离物流交换都是通过公路来完成,因此本文的研究只考虑了公路路网,通过确定各个结点到轴心的公路时间成本,也就是公路运输成本来确定轴心的辐射范围。

  

  图2 基于交通成本的轴心辐射范围确定流程图

  Fig.2 Flow chart of hub effect regions based on traffic cost

  具体的计算步骤如(图2):(1)首先确定区域内的交通网络。选用人民交通出版社2005年出版的《中国交通营运里程图集》作为底图进行矢量化处理,确定区域内的高速公路、国道、省道、县乡级公路的交通网络层次。(2)用5km×5km的栅格对地图进行栅格化处理,将整个区域切分为细小的网格,通过Mapinfo工具求出每个网格的中心点坐标。(3)对不同等级公路经过的栅格赋予不同权重的速度值。根据《中华人民共和国公路工程技术标准(JTGB01-2003)》规定的公路设计速度,考虑实际的车速度行驶情况,设定各类公路平均行车速度,有高速公路通过的栅格速度为100km/h,国家级和省级为70 km/h,县乡级公路为30km/h,没有等级公路通过的栅格设定速度为15km/h。主要过江通道设置为长江大桥、二桥、江阴长江大桥以及润扬长江大桥,舟山市与大陆路网的连接至2005年仍为汽渡,考虑到实际的情况,设置汽渡平均过海时间为1.2h。这样,每个栅格值基本反映了该栅格的通达能力。(4)建立拓扑关系并对高速公路进行封闭化处理。在Arcgis平台下构建路网的拓扑关系,考虑到其他等级的公路并不是可以随时与高速公路相连接,对高速公路进行封闭设置,只保留国道、省道、高速公路出入口与高速公路的联系,确保研究的精确性。(5)进行基于Arcview平台的二次开发,设定脚本程序,实现区域内网格的通达可行性,计算出通过每一段路线的时间,并保证在有多种等级的道路通过时,优先选择等级较高的公路。(6)进行Arcview平台的二次开发,设定脚本程序,计算出每一栅格到5个二级轴心点的运行时间,即交通成本,运用修正的势能模型,判断每一个网格的引力方向,即从属于哪个轴心,构建每个二级轴心的辐射范围,具体计算结果见图3和图4。

  

  图3 长三角各轴心区内交通成本影响图

  Fig.3 Traffic cost from hub to spoke in Yangtze River Delta

  

  图4 轴心辐射范围示意图

  Fig.4 Chart of hub effect regions

  3.3 辐射范围与发展定位分析

  (1)从二级轴心的影响范围来看,江苏版块与浙江版块的范围基本与行政界限相吻合,跨界的影响与辐射很少,这反映了区域内交通基础设施已经相当完善,各个细小单元的可达性差距很小,区域内结点与轴心之间的连接不需要经过长距离的运行。(2)南翼以宁波、杭州为物流核心的双核结构已经成型,且二者分工明确,宁波以港口物流为主,杭州则是长三角南翼的综合物流中心。从未来的发展态势看,杭州湾跨海大桥的建成通车将大大加强宁波与上海之间的通达能力,降低二者之间的交通运输成本,这会大大增强宁波的物流竞争力,在一定程度上也会引起长三角南翼物流腹地向宁波一侧的偏移。(3)北翼物流轴心的发展与物流腹地的范围变动尚不明朗。南京作为宁镇扬都市圈的首位城市,长三角西侧物流枢纽的地位已经确立,未来的发展应考虑溯江而上,辐射整个皖江地区,并依托交通基础设施和区位优势辐射其他中部区域,成为中部区域承接沿海发达地区物流辐射的中转站。苏州与无锡之间地理位置接近,物流腹地相互交错,竞争激烈。本文认为,二者之间可以进行职能的协调与分工。苏州外向型经济发达,2005年外贸进出口总额占江苏省的45.2%,具备外向型物流的发展条件;而无锡作为民族资本主义的发祥地,制造业与国内贸易发达。因此,苏州功能定位应该为区域性以国际物流为主的物流枢纽城市,而无锡功能定位应为区域性以国内物流为主的物流枢纽城市。

  4 结论与讨论

  长三角地区是中国目前也是未来经济发展格局中最具活力和潜力的核心地区,如何抓住世界物流业加快向亚太区域转移的机遇,整合区域内物流资源,提高区域竞争力已是刻不容缓的问题。本文对这一问题作出初步的探讨和研究,通过主成分分析的方法确定了长三角地区物流的发展轴心,运用修订的势能方法确立了各个发展轴心的辐射范围,构造了上海为主轴,苏州、南京、无锡、宁波、杭州为二级轴,其他地区为支撑的轴—辐物流网络,期待对目前混乱的物流中心予以指导和优化。

  势能模型改变了以往从简单定量来分析区域辐射范围的方法,通过GlS的方法和大量的计算划分了各个中心点的辐射范围,无疑增加了研究的科学性。从未来的发展看,可达性的变动会对区域物流网络产生一定的影响。苏通大桥及舟山大陆连岛工程的建成会大大提高南通及舟山的可达性,杭州湾跨海大桥的建成对区域南部城市的可达性将会产生积极的影响,而可达性的变化带来的必将是城市集聚能力的增强与辐射范围的扩大。从区域整体来看,虽然短期内物流中心城市间相互腹地的袭夺与被袭夺的态势必将长期存在,且一些城市如苏州由于经济实力、城市可达性等要素的竞争优势,能够在激烈的腹地竞争中取得相对的优势。但总体而言,长三角地区物流等级体系的总体结构不会有大的改变,物流中心也将进入稳定阶段。

  物流系统是一个包含众多流体的巨系统,受现实的各种水平的制约,本文仅仅探讨了物流网络的构建,而对于区域轴—辐系统的成因、内在机制及变动特征等问题还有待于进一步的研究。

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