運輸部署案例集/2014/日本新幹線：子彈列車

定性分析

介紹

近年來，推出高速客貨列車一直是交通規劃者和決策者關注的焦點。在航空和機動車發展之前，過境鐵路被稱為第一種快速陸地運輸方式。鐵路的關鍵特徵之一是速度，這促使交通規劃者不斷努力實現更高的速度，從而減少旅行時間。因此，在過去幾十年中，世界各地的鐵路系統速度發生了巨大變化。例如，1829年以蒸汽動力執行的史蒂芬森火箭是當時速度最快的列車，時速為46公里。1848年，羚羊號列車以97公里的時速超過了史蒂芬森火箭。它們是當時世界上速度最快的鐵路車輛。然而，近年來，世界見證了令人難以置信的列車速度記錄。2007年4月，法國的LGV Est和LGV Atlantique列車以574.8公里的時速打破了世界速度記錄。

鐵路系統在速度方面的里程碑可能是高速鐵路的誕生。通常，能夠超過200公里/小時速度的鐵路系統被定義為高速鐵路系統。得益於專門的滾動車廂技術和專用軌道，高速鐵路比傳統鐵路執行速度快得多。1964年10月，日本推出了第一個高速鐵路系統，連線東京和大阪，列車以210公里/小時的速度行駛。儘管日本高速鐵路系統（子彈列車）取得成功，但其他國家受到啟發運行了相同的系統，但該系統在世界範圍內的普及速度相對較慢。例如，第二條高速列車於1981年投入使用，連線巴黎和里昂，時速高達270公里/小時。

日本地理

日本佔地約37.8萬平方公里，人口超過1.26億，是世界上人口密度排名第36位的國家。該國位於太平洋，與中國、韓國、朝鮮、俄羅斯和日本海接壤。日本的位置特點使該國被稱為“日出之國”。日本是一個狹長的群島，包含6800多個島嶼，其中四個島嶼，即四國、九州、北海道和本州，佔日本陸地面積的97%左右。日本的實際首都東京位於本州島，擁有超過3000萬居民，是世界上最大的都市區。日本是一個發達國家，不僅是世界上第三大經濟體，而且還是世界上第四大出口國和進口國。日本的人口集中在主要沿海城市，即東京、名古屋和大阪。名古屋位於東京和大阪之間，兩者相距約523公里。日本四分之一的人口也居住在東京。表1概述了日本最大城市的規模和特徵。

表1 日本最大城市的特徵

城市	人口	面積（平方公里）	地區
東京	8,949,447	2,187	本州
橫濱	3,689,603	437	關東
大阪	2,666,371	223	關西
名古屋	2,263,907	326	中部
札幌	1,914,434	1,121	北海道

日本上述特點促使政府在東京和大阪之間開通了第一條高速列車。

模式描述

子彈列車的想法可以追溯到1938年，當時第一條高速鐵路以近201公里/小時的速度執行，連線日本東京和下關。雖然建設始於1938年，但由於第二次世界大戰，網路發展被阻礙。1957年，第一個新幹線委員會成立，以開發連線東京和大阪的子彈列車。日本國鐵公司開始建設這條線路，總長551公里。1964年10月，子彈列車的第一段線路投入運營，也稱為新幹線，與東京夏季奧運會同期，向世界展示了第一項高速鐵路技術。新開通的網路使兩個城市之間的旅行時間從7個小時減少到不到3個小時。新幹線還受益於現代工程特點和設施，包括司機監控系統、乘客引導資訊系統、ATC速度控制系統、灑水融雪系統以及防震系統。新幹線列車通常由16節車廂組成，總長396米，可容納約1300名乘客。

政策作用

誕生階段

東海道鐵路始建於 1930 年，當時一輛特快列車連線了東京和大阪，平均旅行時間為 8 小時 20 分鐘。鑑於鐵路運輸能力不足，政府決定在 1950 年用電氣化線路取代傳統的線路。二戰後，日本對石油和其他自然資源的進口依賴度極高，電氣化鐵路的想法得到了政府的熱烈歡迎。1958 年，東京和大阪之間建成了一條窄軌制傳統的鐵路線路。這輛傳統的列車以平均 91 公里的時速行駛，從東京到大阪需要大約 7 個小時。日本的人口也達到了 9800 萬，當時新幹線子彈頭列車在 1964 年將東京連線到大阪。

發展階段：私有化

政治壓力導致到 1987 年債務超過 2000 億美元，引發了金融危機。這可能是私有化的導火索。日本國有鐵路公司在 1987 年開始私有化程序，僅僅比日本另外兩個龐大的公共實體日本壟斷公共公司和日本電信電話的私有化早了七年。政治壓力和對高速交通樞紐的需求源於預期的經濟收益。與高速鐵路的開通一樣，日本國有鐵路的私有化也被稱為世界上第一次對國家鐵路進行全面重組。日本國有鐵路的私有化是逐步完成的。1997 年，水谷和中村討論了日本國有鐵路私有化的主要特徵。他們將這些特徵分為六個不同的類別，包括：1) 區域細分，2) 客貨區分，3) 運營和基礎設施一體化，4) 對低密度日本鐵路的統一補貼，5) 中介機構的建立，以及 6) 非鐵路服務的允許。

鑑於一些管理和政治影響問題，決定將日本國有鐵路公司根據地理需求拆分為六個區域客運鐵路公司。此外，為了從卡車運輸行業獲得貨運市場份額，日本鐵路貨運也被從日本客運鐵路中分離出來。然而，日本鐵路貨運從日本客運鐵路借用軌道以降低基礎設施成本，並在初期避免過度的財政負擔。研究表明，日本鐵路公司的整體表現，特別是效率和勞動生產率，在私有化後顯著提高。例如，在 1987 年至 1992 年期間，日本鐵路和私營部門的年平均增長率分別為 11.4% 和 -0.7%。2000 年，住田也指出私有化導致鐵路票價上漲。

日本鐵路從私有化中獲益，不到五年，營業利潤就大幅增長至 71 億美元。這種趨勢持續多年，使日本中央鐵路、日本東部鐵路和日本西部鐵路公司能夠從政府手中收購鐵路線路。雖然此舉給這些公司帶來了一些財務困難，但公司的收入在長期內大幅增加。例如，日本中央鐵路和日本東部鐵路的年營業收入分別在 1998 年達到約 100 億美元和 169 億美元，遠遠超過政府的預測。此外，私有化對鐵路和飛機之間的競爭產生了積極影響，日本鐵路公司不斷推出新型列車，配備了新的設施，包括為想要休息的乘客提供的靜音房間，為會議提供的隔間房間，以及為個人電腦提供的電源插座，以贏得競爭。

新幹線的特點

網路

私有化後，日本國有鐵路公司被完全拆分為六家客運鐵路公司和一家貨運鐵路公司。此外，為了長期處理債務和資產，政府決定成立日本國有鐵路結算公司。日本東部鐵路和日本西部鐵路在 1998 年的乘客數量最多。年營業收入統計資料也表明，這些公司透過將基礎設施所有權與運營相結合獲利。

新幹線高速鐵路包括七條線路，分別是東海道線、山陽線、上越線、東北線、山形線、秋田線和北陸線，總長度為 2167 公里。東海道新幹線長 552 公里，於 1964 年建成，是第一條新幹線高速鐵路，目前由日本中央鐵路公司運營。1975 年，新幹線的第二條線路，即山陽線投入運營，長度為 553 公里，是最大的線路。這條線路由日本西部鐵路公司監控。日本東部鐵路公司運營著另外四條線路，總長度約為 829 公里。東北線和山形線分別於 1991 年和 1992 年開通；而秋田線和北陸線均於 1997 年開通。

為了吸引更多乘客，新幹線將平均列車延誤時間縮短至每列車僅 24 秒。此外，該系統提供了多種選擇，如地鐵、單軌鐵路、特快列車和自動導向交通系統，將乘客運送到主要車站或從主要車站接走乘客。例如，在東京站，約有 730 萬乘客乘坐總長 238 公里的地鐵網路，高峰時段的間隔時間僅為兩分鐘。

建設成本

表 2 顯示了新幹線的建設成本。根據表 2，東北線和上越線的建設成本明顯高於其他線路。1992 年，谷口進行了一項研究，調查了新幹線鐵路的建設成本。這項研究表明，在日本，開挖、路堤、橋樑和隧道等基礎設施發展建設高速鐵路的成本最高。例如，山陽線總成本的 58% 用於基礎設施發展，尤其是橋樑和隧道的建設。山陽線（新大阪至岡山之間）每項開支和基礎設施成本的比例由之前的研究估計得出。結果表明，超過 80% 的基礎設施成本用於建造鐵路高架橋和隧道。新幹線系統比法國的高速鐵路、德國的新線和西班牙的西班牙高速鐵路等其他高速鐵路系統更加昂貴。原因可能是日本的地價和獨特的地形，增加了為直線鐵路建設隧道和橋樑的建設成本。

表 2 新幹線建設成本

線路	年份	總成本（億美元）	公里	每公里成本（百萬美元）
東海道	1964	0.92	558	1.6
山陽	1975	2.95	626	4.7
東北	1985	11.02	539	20.4
上越	1985	6.69	336	19.9

優勢和劣勢

本研究部分旨在簡要概述新幹線的影響。子彈列車最常見的影響可以分為四大類：1）流動性，2）環境，3）經濟成本，以及 4）空間和區域。研究表明，運營高速交通系統不僅會吸引新乘客，還會促使其他服務使用者顯著轉向這種交通方式。例如，在法國開通高速列車的頭幾年，鐵路運輸的比例從 40% 飆升至 72%，而航空和機動車輛交通的模態份額分別下降了約 24% 和 8%。人們也進行了廣泛的研究，以調查高速鐵路對環境的影響。總的來說，進行的研究表明，高速列車系統比其競爭對手，即飛機、公路和傳統鐵路服務更加環保。然而，這項技術也因環境損害而不斷受到批評，包括視覺破壞、高耗電量、噪音汙染，以及產生二氧化硫 (SO2) 和氮氧化物 (NOx) 汙染。此外，許多研究已經調查了世界各地高速列車系統的建設成本。最終結果表明，高速鐵路的基礎設施成本與執行的橋樑和隧道數量、土地和勞動力成本以及穿過市中心的成本呈正相關。

市場定位

Nagashima 在他的著作《利基市場營銷：60 個成功案例》中介紹了四種創造需求進而開發新產品的策略。他提到，新幹線成功地迅速獲得了利基市場並吸引了人們的注意。來自世界各國的鐵路工程師紛紛稱讚新幹線為“一項偉大的創新”。而日本鐵路官員則回應道：“不，它不是一項創新，而是許多小改進一項一項累積的結果。”

市場份額與競爭

新幹線僅僅在開通的頭幾年就取得了市場上的成功，並因此影響了城市的社會人口特徵。首先，客運量在不到十年的時間裡翻了四倍。新幹線每年節省了約 4 億個小時的旅行時間。研究發現，高速交通鐵路的發展與人口增長之間存在正相關關係。例如，Hirota 在 1985 年指出，擁有高速交通鐵路的城市和沒有被該服務經過的城市的的人口增長率分別約為 1.6% 和 1%。這項研究還表明，在擁有高速交通車站的城市，批發、零售、工業和建築領域的就業增長率比沒有高速交通車站的城市高出約 16-34%。另一方面，1997 年的一項研究認為，高速交通線路對人口增長沒有顯著影響，先前研究中所選日本城市的人口增長預計與高速交通線路無關。在經濟增長方面，所有先前研究都表明，繼高速交通開通之後，東京和大阪的旅遊業、服務業和就業崗位顯著增加。例如，大阪、神戶和京都的就業崗位在 1955 年至 1970 年間增長了 35%。

日本擁有 120 萬公里鋪裝道路。然而，由於容量不足、收費高速公路以及高油價，私人車輛出行方式在日本人中並不流行，尤其是在跨區域出行時。因此，新幹線輕鬆超越了其競爭對手。另一方面，日本擁有約 175 個機場，包括羽田機場、成田國際機場、關西國際機場和中部國際機場。羽田機場是亞洲最大的國內機場和第二繁忙的機場。名古屋港也是日本最大和最繁忙的港口，約佔日本貿易額的 10% 。因此，大量的研究試圖調查新幹線與航空服務之間的競爭。在能耗方面，新幹線每乘客每公里消耗 30 瓦時電力，是航空服務效率的六倍。研究還表明，高速鐵路在中等距離內比航空或傳統鐵路交通方式更快。然而，高速鐵路在非常短或非常長的行程中並沒有顯著的優勢。航空和傳統鐵路交通方式分別使人們能夠快速完成長距離和短距離的旅程。一項研究試圖找出高速鐵路比飛機和傳統鐵路表現更好的界限距離。結果表明，高速鐵路在不到 150 公里的距離內比傳統鐵路略有優勢；而對於 150 到 400 公里的行程，高速鐵路比航空旅行和傳統鐵路交通方式都表現更好。最後，在 800 公里以上的距離內，航空旅行明顯快於高速交通鐵路。2014 年，一項專門研究分析了新幹線在其他可用交通方式中的市場份額，發現在日本國內市場也獲得了類似的結果。該研究的最終結果表明，對於不到 500 公里的行程，航空和鐵路旅行的份額分別約為 5% 和 53%。另一方面，對於更長的距離，城際客運市場份額與短距離完全不同。對於超過 1000 公里的行程，鐵路交通的份額約為 5%，而航空旅行的客運市場份額接近 93%。

總的來說，結果表明，大多數人選擇新幹線而不是航空服務往返大阪和東京。其原因可能在於更便宜的交通票價、更好的車站可達性、可靠的時刻表以及東海道線安全可靠的運營。

定量分析

介紹

本研究的主要目的是調查日本新幹線子彈列車的生命週期。為此，我們採用單變數線性迴歸模型和 S 曲線分析來識別系統的誕生、增長和成熟階段。本文的其餘部分將簡明扼要地說明研究方法和最終模型的結果。

迴歸模型

迴歸模型的首次應用可以追溯到 1877 年，當時 Galton 研究了父母和子女的身高之間的相關性。然後，這種方法由 Pearson 發展成為統計概念。儘管 Galton 使用迴歸分析來強調回歸平均值，但在近幾十年來，迴歸分析一詞則集中於建模並考察變數之間的關係。

迴歸模型廣泛應用於工程、物理、經濟學、管理學、生命科學、生物學和社會科學領域，用於估計和預測。可以說，迴歸分析是統計技術中最常用的方法之一。等式 1 顯示了多元迴歸模型中內生引數和外生引數之間的相關性。在該等式中，Yi 是觀察值 i 的因變數或響應變數，X 是解釋變數或預測變數，β 是偏回歸係數向量，ui 定義為隨機擾動項。

Yi=β0+ β1X1i+ β2X2i+…+ βkXki + ui (1)

這些模型被稱為線性迴歸模型，因為它們在引數（即β）上是線性的。在這些模型中，β係數是未知的，可以透過不同的方法估計，例如普通最小二乘法和最大似然法。在普通最小二乘法中，最佳擬合模型是使觀測Y與模型估計值之間的差的平方和最小化的模型。最大似然法透過估計未知引數來估計，使觀測到給定Y的機率最大。

資料

本研究試圖在旅客公里數和年份變數之間找到一個簡單的相關性和最佳擬合。因此，本研究採用了單變數線性迴歸分析，主要是因為其紮實的理論基礎。從三個主要來源收集了彙總資訊（表 3），以解釋半對數迴歸模型中旅客公里數的份額。鑑於新幹線運輸自私有化以來一直由三家主要公司運營，統計資料是分兩步收集的。為了獲得私有化前的旅客公里數資料，第一步使用了日本國有鐵路的年度報告。在第二階段，從東日本鐵路、中央日本鐵路和西日本鐵路公司的概況資料中獲取了所需資料，這些公司是在私有化後成立的。

表 3 模型中使用的解釋變數

年份	旅客公里數（百萬）	年份	旅客公里數（百萬）	年份	旅客公里數（百萬）	年份	旅客公里數（百萬）	年份	旅客公里數（百萬）
1964	3906.1	1974	40665.96	1984	50823.60	1994	68251.08	2004	74480.80
1965	10660.9	1975	53307.57	1985	55422.00	1995	70834.98	2005	77935.55
1966	14493.42	1976	48158.60	1986	55943.10	1996	72954.31	2006	79442.45
1967	17928.26	1977	42186.36	1987	57399.40	1997	72827.26	2007	82822.41
1968	21028.69	1978	41080.77	1988	64347.00	1998	71032.72	2008	81899.00
1969	22826.08	1979	40982.00	1989	65954.05	1999	69222.89	2009	77874.00
1970	27884.16	1980	41794.20	1990	72166.50	2000	71152.38	2010	76711.00
1971	26807.06	1981	41718.60	1991	74222.08	2001	72312.76	2011	77499.00
1972	33849.20	1982	46103.20	1992	73066.76	2002	71551.64	2012	82232.00
1973	38993.64	1983	50457.40	1993	72574.38	2003	73008.3	2013	86162.00

模型和結果

旅客公里數的函式由公式 2 給出。在這個公式中，t 是觀測年份，t0 是拐點時間，K 是飽和狀態水平，b 是係數。為了估計K 和b 引數，採用單變數線性迴歸，如公式 3 所示。在這個公式中，X 是觀測年份，Y 由公式 4 給出。

$S(t)={\frac {K}{1+e^{-b(t-to)}}}$ (2)

Y = bX + c (3)

Y = LN(旅客公里數/(K-旅客公里數)) (4)

為了找到模型的最佳擬合，應用了許多回歸模型，並對K 進行了多次試驗。統計 t 檢驗用於拒絕特定變數不影響旅客公里數份額的零假設。還使用調整後的 R 平方統計量來評估每個模型的總體擬合優度。調整後的 R 平方值在 0 和 1 之間波動，值越大，模型的解釋力就越大。最終模型（表 4）是在將年份作為唯一自變數進行估計的，並且根據飽和狀態水平等於 88,400 百萬。本研究中實施的經典正態線性迴歸建模方法也基於一些關鍵假設。只有在模型正確指定、殘差服從正態分佈、殘差具有同方差且殘差不存在自相關的情況下，結果才有效。採用半對數公式是為了在一定程度上避免規範偏差。此外，在 Kolmogorov-Smirnov 檢驗中，殘差服從正態分佈的零假設沒有被拒絕。根據最終結果，新幹線列車的生命週期變數見表 5。

表 4 最終迴歸模型

變數	係數	標準誤差	t 檢驗
年份	0.0865	0.004	19.81
常數	-171.429	8.689	-19.73
調整後的 R 平方	0.88	-	-
觀測次數	50	-	-

表 5 新幹線特性的生命週期

引數	值	單位
誕生年份	1964	年份
飽和狀態水平	88,400	百萬
拐點時間	1980-1982	年份
成熟年份	2016	年份

圖 1 顯示了 S 曲線分析，以更好地瞭解新幹線的生命週期。

S 曲線分析：成熟生命週期

圖 1 S 曲線分析