朱雷鹏, 钱勇生, 曾俊伟, 广晓平

(兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

国家新型城镇化规划中提出，目前我国城镇化快速建设中存在人口城镇化与城市空间、资源、服务水平不匹配的矛盾，因此在城镇化的进程中应重视城镇化的质量。铁路运输作为国家重要的基础设施，已成为城乡间、城市间、城市群间物流、人流频繁快速流动的主要途径，为城镇化的发展提供了强有力的支撑。

关于交通与城镇化关系的研究较多，对于这2个系统协调性分析，很多学者采用动态协调度理论[1]、线性回归模型[2]、DEA[3]等方法。上述研究提供了交通与城镇化协调发展的理论依据与方法，但是当采用这些方法对都处在低发展水平的交通与城镇化系统进行协调分析时，会出现2个系统保持协调发展的异常情况。此外，还有很多学者基于协同演化理论从不同角度建立了城镇化质量的耦合分析模型，从生态[4]，土地[5]，产业、人口[6]等方面探讨城镇化质量的影响因素；也有学者分别从铁路建设、运营的角度出发研究铁路建设[7]和铁路运力[8]对于城镇化的影响。但是，目前关于铁路运输与城镇化质量耦合协调发展研究较少，同时对于二者耦合协调度未来变化趋势的预测更少。

在“一带一路”建设和“新时代西部大开发形成新格局”发展背景下，我国西部地区地区综合交通运输体系逐步完善，与其他交通方式相比，铁路建设规模日益扩大，已初步形成高速、普速、城际铁路“多铁融合”发展的现代化铁路运输体系，成为支撑我国西部地区发展的运输主骨架。根据国家城镇化发展规划，关中、兰西、宁夏沿黄城市群正在加紧规划建设，这三大城市群地理相邻，文化、经济、社会发展存在共性，因此本文以其所在的陕甘宁3省为例展开研究，应用耦合协调度模型分析陕甘宁3省的铁路运输与城镇化质量耦合作用关系，在此基础上运用GM(1，1)预测模型对二者未来年份的发展做出预测，为推动西部铁路运输发展与城镇化建设质量提供一定的参考借鉴。

1 模型指标体系与构建

根据《国家新型城镇化规划》要求，新型城镇化发展之新主要体现在发展理念、目标、模式、推进方式等方面，最终实现经济、社会、人口、资源、环境、保障等全面协调发展。参考其他学者的研究成果[9]，从人口城镇化(A1)、经济城镇化(A2)、空间城镇化(A3)、功能城镇化(A4)等方面来构建城镇化质量的一级指标评价体系，以及各个一级指标对应的二级指标(Aij)，城镇化系统评价指标体系详见表1。

铁路运输在缩短城乡距离，促进地区人口、产业转移，缓解交通压力、带动经济增长的过程中发挥着重要作用。铁路基础设施建设情况、铁路路网区域覆盖强度、铁路运输能力等方面是综合评价铁路发展水平的重要指标，参考其他学者的研究成果[10]，从铁路路网规模(B1)和铁路运力(B2)2方面来构建铁路运输一级指标评价体系，以及各个一级指标对应的二级指标(Bij)。铁路运输系统评价指标体系详见表1。

表1 模型的指标体系Table 1 Model index system

1.1 指标的无量纲化与权重确定

a.指标标准化。

利用功效函数对指标进行标准化处理：

(1)

式中:xij表示i系统第j个指标的初始值。xmin为指标j的最小值，xmax为指标j的最大值。uij表示指标xij对系统i的贡献大小，uij∈(0，1)，uij靠近1时贡献最大，uij靠近0时贡献最小[11]。

b.指标权重确定。

利用熵值法处理：

Step1：求xij在j项指标体系下所占比重Pij:

(2)

Step2：求第j项指标的熵值ej:

(3)

Step3：求第j项指标的差异系数gj:

gj=1-ej

(4)

Step4：求权重λij:

(5)

c.计算综合评价函数Ui。

(6)

式中:Ui表示i系统的综合评价函数，其中U1、U2分别表示铁路运输系统与城镇化系统的综合评价函数；λij为i系统第j项指标的权重。

1.2 耦合度与耦合协调度模型构建

a.耦合度模型。

铁路运输与城镇化发展存在相互作用的关系，为研究两者之间的互馈程度，构建铁路运输与城镇化发展的耦合度模型，利用耦合度对两者之间的作用状态、程度进行描述与衡量[12]。

(7)

式中:U1、U2分别表示铁路运输系统与城镇化系统的综合评价函数；C表示耦合度，C∈(0，1)，C值越大表明系统间的耦合性越好，两系统作用程度越强。

b.耦合协调度模型。

耦合度只能判断铁路运输与城镇化发展的耦合强度，难以有效刻画二者发展是否具有良性协调的状况。耦合协调度可以科学研判二者之间交互耦合协调发展状况，度量两系统间协调发展水平的高低。因此，引入耦合协调度模型进一步探究两系统间的交互耦合协调状况[13]。

T=au1+bu2

(8)

D=(C·T)θ

(9)

式中:U1、U2分别表示铁路运输系统与城镇化系统的综合评价函数。T反映两系统的综合协调指数，D为耦合协调度。θ，a，b为待定系数，一般取θ=1/2，a=0.5，b=0.5[14]。耦合协调度在耦合度基础上能更全面反映系统状态。判断标准如表2所示[15]。

表2 耦合协调度等级划分标准Table 2 Criteria for evaluating coupling coordination degree

2 耦合协调度分析与预测

本文以西部地区为例，以铁路运输与新型城镇化质量耦合协调的机制为出发点，通过建立铁路运输与新型城镇化质量二者各自的评价体系，对陕西省、甘肃省、宁夏回族自治区铁路运输与城镇化质量之间的耦合协调度进行分析，在此基础上运用GM(1，1)计算未来年的耦合协调度值。

2.1 指标权重计算

数据来源于2015年—2019年《中国统计年鉴》《中国城市统计年鉴》《中国交通年鉴》《中国铁道年鉴》《陕西统计年鉴》《甘肃统计年鉴》《宁夏统计年鉴》等资料。选取各个指标原始数据，根据熵值法计算式(1)～式(6)求得各个指标权重，如表3所示。

表3 模型指标体系及权重Table 3 Model index system and weights

从权重的大小可以看出，铁路路网中运营里程权重最大(0.139 0)；铁路运力中货运量权重最大(0.266 0)。 人口城镇化中第三产业从业人员权重最大(0.092 5)； 经济城镇化中第三产业占GDP权重最大(0.073 7)； 空间城镇化中城市人口密度权重最大(0.115 6)； 功能城镇化中卫生机构床位数权重最大(0.172 9)，权重较大的指标对系统产生的影响也相对较大。

2.2 耦合协调性分析

根据耦合度与耦合协调度计算模型，由式(7)～式(9)分别计算得到陕甘宁2012年—2016年铁路运输系统与城镇化质量系统的综合水平值及其耦合度和耦合协调度，详见表4。

表4 陕甘宁铁路运输与城镇化质量综合评价值与耦合协调度Table 4 Comprehensive evaluation value and coordinating degree of railway transportation and urbanization quality of Shaanxi,Gansu and Ningxia

由表4得，从铁路运输与城镇化质量的综合评价值来看，2015年—2019年陕西省二者的综合评价值都在上升，但是城镇化质量一直都滞后于铁路运输的发展；甘肃省在2015年—2019年二者的综合评价值同样都在上升，在2019年出现城镇化质量的发展超前于铁路运输发展的新趋势；2015年—2019年宁夏的城镇化质量综合水平值都在上升，但是铁路运输综合水平值却呈现出下降趋势。是因为铁路运输指标中，除客运量和旅客周转量相对于2015年上升外，其它指标都有不同程度地下降，其中货运量与货运周转量降幅均在30%以上，主要原因是铁路新开通线路少，铁路营业里程与路网密度发展滞后和大宗货物运量下降。从铁路运输与城镇化质量的耦合度来看，2015年—2019年陕西、甘肃两系统耦合度处于稳步上升趋势，2015年—2018年宁夏耦合度一直在缓慢下降，在2019年出现上升趋势。整体来看，陕西、甘肃、宁夏铁路运输与城镇化质量的耦合度都较高，但与东部、中部地区相比，西部地区的铁路运输与城镇化建设水平都较低[16]，因此陕甘宁地区存在铁路运输与城镇化质量发展耦合度高、发展水平较低的问题。这类问题主要是由于两系统发展水平虽低，但二者综合评价值变化速率趋同造成的。因此耦合度模型难以为陕甘宁地区铁路运输与城镇化进一步发展提供较为准确的参考建议，而耦合协调度模型可以弥补耦合度模型的不足，有效刻画二者发展是否具有良性协调状况，这也验证了耦合度与耦合协调度模型构建正确性。

为了方便数据的对比分析，将耦合协调度值在图中表示，如图1所示。

图1 陕甘宁铁路运输与城镇化质量耦合协调度变化Figure 1 The change of coupling degree of the quality of railway transportation and urbanization of Shanxi, Gansu and Ningxia

从图1可以看出，目前陕甘宁铁路运输与城镇化质量耦合协调度存在明显差异，陕西耦合协调度最好，其次为甘肃，最后为宁夏。结合耦合协调度等级划分标准(见表1)，2010年—2019年，陕西省铁路运输发展与城镇化建设基本处于中级协调阶段；甘肃省铁路运输发展与城镇化建设前处于初级协调阶段，因此甘肃省需大力推进铁路线网建设力度，有效支撑城镇化建设发展；宁夏铁路运输建设与城镇化质量目前处于勉强协调阶段，因此宁夏铁路建设未能充分支撑城镇化发展，还需科学制定路网规划，形成能够充分有效支撑城镇化发展路网体系。

2.3 基于GM(1，1)的耦合协调度预测

2.3.1GM(1，1)预测模型

Step1：构造数据序列。

构造原始数据序列：X(0)=[x(0)(1)，x(0)(2)，…x(0)(n)]。对原始时间数据序列进行累加，记为：X(1)=[x(1)(1)，x(1)(2)，…，x(1)(n)]，

Step2：紧邻均值等权序列。

对X(1)作紧邻均值等权生成序列Z(1)记为：

Z(1)=[z(1)(1)，z(1)(2)，…z(1)(n)]

(10)

其中，

Step3：建立灰色GM(1，1)模型。

(11)

其中，

Step4：求解与还原。

求出白化方程的解即时间响应序列为：

k=1，2，…，n-1

(12)

其中，“a”为发展系数，“b”为灰色作用量。根据模型中的发展系数a，可方便地判别各个事物的发展趋势。a的大小表明该事物发展速度的快慢。

(13)

2.3.2GM(1，1)预测结果分析

a.GM(1，1)模型校验。

根据GM(1，1)预测模型，分别将陕西、甘肃、宁夏2015年—2019年的铁路运输与城镇化质量耦合协调度值作为原始数据，计算得到耦合协调度实际值与预测值的误差对比结果，如表5所示。

表5 陕甘宁铁路运输与城镇化质量耦合协调度(D)实际值与预测值比较Table 5 Comparison of Actual and Predicted Values of Railway Transportation and Urbanization Quality Coupling Degree (D)of Shanxi, Gansu and Ningxia

由表5看出，3个省份的耦合协调度除宁夏2018年预测值误差为5.14%，其余误差范围均在3%以内，因此可以说明GM(1，1)模型误差较小，可以很好地预测耦合协调度的发展变化。

b.2020年—2024年陕甘宁铁路运输与城镇化质量耦合协调发展分析。

在此基础上，预测2020年—2024年的陕西、甘肃、西宁铁路运输与城镇化质量的耦合协调度，测算结果如表6所示。

由表6预测结果可以看出，陕西、甘肃的铁路运输与城镇化质量的耦合协调度在未来年份会稳步上升，其中陕西铁路运输与城镇化质量发展保持良好协调阶段内，甘肃省将由初级协调阶段跃升至高级协同阶段，铁路运输与城镇化发展环境将进一步优化。但宁夏的耦合协调度呈现出缓慢下降的趋势，处于濒临失衡的阶段，铁路运输与城镇化发展很难达到优势互补，因此宁夏后续应注重铁路运输与城镇化质量协调发展，提升二者发展质量。

表6 陕甘宁铁路运输与城镇化质量2020年—2024年耦合协调度预测值Table 6 Predicted values of railway transportation and urbani-zation quality coupling degree of Shaanxi, Gansu and Ningxia,2020—2024

3 铁路运输与城镇化质量耦合协调发展建议

通过前述实证结果，为提高陕甘宁铁路运输与城镇化发展水平，政策建议如下：

a.以耦合协调为依据，提升铁路运输水平。

由表4与表6得出，陕甘宁铁路运输与城镇化耦合协调度都需要向良好乃至优质协调发展。与陕西、甘肃相比，宁夏铁路运输与城镇化耦合协调较差，处于勉强协调阶段，因此宁夏应亟需强化铁路运输与周边城市群的联系，实现中心城市银川与兰州、西安的高速铁路相连，推动城镇化高质量建设。甘肃省处于初级协调阶段，且在2019年甘肃省内出现了铁路运输落后于城镇化质量建设的趋势，所以甘肃应该完善丝绸之路铁路通道作用，依托丝绸之路经济带提升铁路运量，服务关中、兰西和宁夏沿黄三大城市群的建设，促进铁路运输与城镇化建设协调发展。陕西省处于中级协调阶段，并向良好协调逐步过渡，因此陕西省应科学制定铁路运输与城镇化的发展规划，促进区域协调发展。

b.以城市群建设为契机，推动城镇化发展。

由表4铁路运输与城镇化的综合评价值得出，目前陕西城镇化落后于铁路运输发展。陕西应抓住关中城市群建设机遇，发展功能完备的城镇化体系。根据表3指标权重结果，陕西应加强空间、功能城镇化建设，充分发挥西安的辐射作用，带动中小城市的共同发展。与陕西相比，甘肃、宁夏铁路运输与城镇化质量的综合评价值较低，因此甘肃、宁夏后续发展应以城市群建设为契机，通过关中平原城市群，借力陕西发展优势，补足自身短板。在此基础上，加强关中平原、兰西、宁夏沿黄城市群协同互动，从而促使陕甘宁城镇化质量的综合水平的持续上升。

c.以协同发展为导向，促进耦合协调发展。

由表6铁路运输与城镇化质量耦合协调度预测结果可得，陕西、甘肃、宁夏3省之间铁路运输与城镇化质量的协调发展仍存在一定差距，且宁夏与陕西、甘肃的差距甚至会继续扩大。因此需要推动3省铁路运输与城镇化质量协调同步发展，陕西省应发挥其铁路运输优势，带动甘肃、宁夏地区铁路对外联通。同时各城市群明确城市功能定位，优势互补以促进城镇化质量共同提高，助力实现关中平原、兰西与宁夏沿黄城市群之间的协调发展。

4 结束语

为促进陕甘宁3省铁路与城镇化协调发展，本文通过组合运用耦合协调度模型与GM(1，1)预测模型，对陕甘宁2015年—2019年的铁路运输与城镇化质量耦合协调进行分析，并对其未来发展趋势做出预测，结果表明GM(1，1)可以很好地预测耦合协调度发展趋势。在此基础上提出相应发展建议，本文的方法应用可以为西部地区铁路运输与城镇化建设提供参考与借鉴。然而，城镇化发展质量与铁路、公路、航空、水运，以及区域经济、产业、对外政策等方面息息相关，是一个复杂的巨系统，本文仅对西部地区城镇化发展起主要支撑化作用的铁路运输进行了研究，未考虑其他影响因素，为使所得结论更加全面，这些问题有待进一步的研究。