交通部署案例集/2018/中國高速鐵路

引言

中國高速鐵路 (HSR) 指的是時速不低於 250 公里的列車。 中國鐵路高速 (CRH) 是世界上最大的高速鐵路網路，總長度為 20000 公里。 這一長度遠遠超過了地球上所有其他高速鐵路網路的總和。它連線了數百個城市，覆蓋了總人口超過 7 億的人口。 目前的 CRH 最高速度可達 350 公里/小時。它甚至可以在自動駕駛模式下執行。 CRH 的主要目標是有效連線上海、北京等一線城市和其他二三線城市。“一帶一路”倡議下，CRH 已銷往全球 100 多個國家和地區。2018 年，中國政府簽署了價值 180 億美元的 CRH 合同，比 2015 年增長了 40%。印尼第一條 CRH 的建設工作於 2018 年開始。 CRH 在很大程度上增加了行人和物流的次數和頻率。它也顯著縮短了從一個城市到另一個城市的交通時間。此外，與空中旅行不同，它的執行不受天氣影響。

CRH 的前身

在中國高速鐵路系統誕生之前，日本早在 1964 年就擁有了新幹線高速鐵路。 此外，法國於 1970 年開通了 TGV 高速鐵路。這兩個國家都遠遠領先於中國。在中國，向高速鐵路的過渡始於 1999 年的秦沈鐵路；然而，當時，它的最高速度只能達到 220 公里/小時。這一最高速度沒有達到國際鐵路聯絡線 (AGC) 協議中規定的 250 公里/小時的最低速度。 秦沈鐵路的侷限性是顯而易見的。它的速度不足以滿足中國發展的需求，也無法滿足同期其他國家高速鐵路的速度標準。TGV 和新幹線高速鐵路已經存在了足夠長的時間，成為顯而易見的最佳選擇。但是，由於高速鐵路技術在不同國家都是絕密，持續進口高速鐵路裝置的費用呈指數級增長。如果中國真的想發展交通運輸，它必須開始獨立地研究和開發自己的高速鐵路，而不是依賴其他國家。這種高速鐵路技術相對壟斷和國家間的競爭，激發了對投資 CHR 的興趣。在中國開始全面提高現有列車速度的同時，它也開始了一個與川崎等公司合作的列車製造專案。 透過這種技術交流，為獨立生產打下了堅實的基礎。

技術

中國高速鐵路的建成可以被描述為站在巨人的肩膀上。這是因為列車開發中的許多技術都借鑑了其他國家，如法國和日本。和諧號 (CRH) 和復興號 (CR) 是目前 CHR 網路中使用的兩種高速列車。在初始設計階段，遇到了許多技術難題，不得不克服，其中最重要的是列車結構。當列車速度超過 300 公里/小時時，列車遇到的阻力幾乎完全來自空氣。 在先進的 CAD 技術和風洞實驗的幫助下，提出了一些理論上最優的形狀，最終形成了圓形子彈形狀。子彈形車頭是流線型的，可以降低空氣阻力。 這種空氣動力學最佳化的列車結構強度更高，更光滑，隔音效果更好。和諧號 (CRH) 採用了世界一流的先進技術，如輕量化鋁合金車身、高速轉向架、高速受電弓和整合光纖網路控制。 更具體地說，列車車身由大塊空心鋁製成，因此每個車身重量僅為 7 噸。 值得注意的是，列車的輕量化設計已達到先進水平，具有優越的節能環保效能。

為了構建一個真正互聯的網路，軌道表面必須絕對平坦。任何不平坦的表面都會無限放大，導致列車出現不可逆轉的後果。 因此，軌道的安裝必須無縫。兩條鋼軌連線在一起，用電流加熱到 1000 多度。完成後，它們透過專用車床進行加壓永久連線。在這個過程的最後，連線處將有一個平坦的表面，精度在十分之一毫米以內，這是世界軌道焊接行業所能達到的最高精度。

市場

最初，中國高速鐵路的誕生目標是瞄準中國市場。它旨在加快現有鐵路網路的速度，並建設一個新的高速運輸網路，以更快的速度推動國民經濟發展。近年來，CHR 在海外市場取得了長足進步。憑藉具有成本效益的成功運營經驗，CRH 如今約佔全球市場份額的 30% 。 CRH 的速度範圍從 200 公里/小時到 300 公里/小時，這使得 CRH 可以服務於各種市場水平。儘管如此，CRH 建設高速鐵路的平均成本是許多其他外國公司收費的一半，同時保持了建設標準。這也吸引了許多來自其他國家的專案，例如美國的 XpressWest 和土耳其的安卡拉-伊斯坦布林高速鐵路。 無論是在國內還是國外，CRH 的銷量都證明了功能增強（包括更快的列車速度和更好的質量）在市場發展中發揮著至關重要的作用。

高速鐵路帶來的間接市場效應難以估計。由於能夠替代多種運輸方式，高速鐵路對航空業的影響更為明顯。 根據最新的半年報，中國三大國有航空公司的經營都受到了 CRH 的影響。 例如，北京到上海的航空旅客數量每年下降 9.9% 。

從另一個角度來看，高速鐵路的存在促進了區域經濟的升級轉型。它極大地增加了人員流動，提高了城際物流的效率和質量。它還促進了區域連線，將一線城市與三四線城市聯絡起來。因此，由於 CRH，更多城市與主流經濟框架相連，整個市場因此進一步擴大。

生命週期分析

誕生階段 (2004-2010)

與其他國家相比，中國的高速鐵路發展相對較晚，這是由於國力的限制。中國的第一條高速鐵路於 2008 年開通。然而，在此之前四年的時間裡，中國就開始規劃高速鐵路網路。2004 年，國務院討論並通過了第一個“中長期鐵路網規劃”，其中包括 12000 多公里的高速鐵路。 在同一時期，廣州和深圳之間有一列火車以 200 公里/小時的速度行駛。在接下來的三年裡，由於中國對高速鐵路缺乏瞭解，它花費了大量的資金和精力從國際上借鑑和學習新的高速鐵路技術。經過一段時間的學習，中國選擇了最適合採納和發展的高速鐵路技術。 在此期間，合資企業發明了 CRH1 和 CRH2 系列的“和諧號”列車，最高時速為 250 公里/小時。2007 年，第一列國產時速 300 公里的“和諧號”動車組列車（CRH2-300）完成。然後，在 2008 年，中國第一條高速鐵路正式投入運營，透過 120 公里長的鐵路連線北京和天津。僅僅一年後，在 2009 年，中國高速鐵路網增加了 900 公里。然而，更令人震驚的是，到 2010 年，CRH 的總長度已達到 8000 公里。 從那時起，中國高速鐵路繼續快速發展。

票價政策

高速鐵路票價仍然與 1997 年鐵道部制定的相關票價政策相掛鉤。

例如

特等座票價 = 0.2805 x (1+10%) x 1.8 x 里程

商務座票價 = 0.2805 x (1+10%) x 3 x 里程

此外，CRH 票據有效期僅限當天。票價折扣的最低限額不得低於公佈票價的 60%。每位成年旅客可以攜帶一名身高不超過 1.2 米的兒童。當兒童超過一人時，應為多餘的兒童購買兒童票。

環境政策

高速鐵路的建設肯定會對環境和周邊居民產生影響。因此，尤其是在一開始，就出現了許多反對的聲音，因為人們還沒有感受到高速鐵路帶來的便利。許多市民的抱怨包括：高速鐵路軌道侵入了他們的社群；軌道佔用私有土地，阻礙了生物多樣性；以及高速鐵路造成其他環境汙染，包括振動、噪音、空氣和視覺。 為了有效解決高速鐵路造成的環境問題，並平息公眾的焦慮，中國政府建立了一套法律體系。“三同時”原則（主體工程和汙染防治設施同步設計、同步建設、同步投入使用）和環評（環境影響評價）是高速鐵路建設的前提。 在實際層面，環境保護措施已納入高速鐵路規劃。環境保護部還發布了，如果六個類別（噪聲、輻射影響、選址不當、環評報告未更新、環評公眾參與缺失以及對熊貓保護區的環境影響）之一發生重大變化，則需要進行二次環評。

增長階段 (2011-2017)

將 2011 年至 2018 年的時間範圍歸類為“增長期”的原因是，京滬高速鐵路於 2011 年正式投入使用。它連線了中國的金融中心和政治中心。它也承載了全國高速鐵路人口的八分之一。因此，在 2011 年之後，中國的高速鐵路開始增長。在此期間，高速鐵路網路從 8894 公里擴充套件到 28500 公里。到 2017 年底，它佔全球高速鐵路網路長度的 66%。 同時，CRH 的大部分業務發生了轉移，70% 的車票和商務交易發生在線上。 此外，2017 年投入使用了被稱為“復興號”的更加現代化的列車。“復興號”列車具有更低的空氣阻力和更高的安全標準，這使其能夠以更快的速度行駛。同時，海外市場也對 CRH 列車開放，越來越多的國家開始進口 CRH 列車。

此外，2011 年發生的溫州動車事故，給蓬勃發展的 CRH 敲響了警鐘。這起事故造成 40 人死亡，200 多人受傷。 經調查，事故原因是設計缺陷和管理疏忽。這起事件的直接後果是，最初打算出口的 CRH 技術被迫停止。此外，政府宣佈了一項新政策，出於安全考慮，CHS 列車的速度將從 350 公里/小時降至 300 公里/小時。

同年，高速鐵路集團也出現了腐敗問題。高速鐵路預算中近 3000 萬美元被挪用。 這是對已經飽受醜聞困擾的 CRH 的又一次重大打擊。從 2011 年到 2017 年，CRH 經歷了各種艱辛和政策變化，但隨著時間的推移，它們逐漸穩定下來。

成熟階段 (2018 - 未來)

中國從來沒有過市場經濟。包括高速鐵路在內的公共服務設施一直由政府壟斷。因此，高速鐵路行業內部沒有明顯的行業競爭，因此市場穩定。正在同時發明新型列車，以便 CRH 集團能夠與其他國家保持同步。

2018 年，CRH 的速度恢復到 350 公里/小時。雖然高速鐵路在中國僅存在 10 年，但其擴張速度超過了其他任何國家在同等時間段內的擴張速度。到 2020 年，CRH 網路將覆蓋中國 80% 的城市，里程將達到 3 萬公里。到 2025 年，CRH 的里程將達到 3.8 萬公里，到 2030 年，將達到 4.5 萬公里。它已經是世界上最大的高速鐵路網路，但很顯然，中國還有更大的雄心壯志。

定量

以下顯示了原始資料以及每個對應年份的預測市場規模。由於中國的高鐵自 2008 年以來只存在了 10 年，因此資料的時域相對較短。

年份	市場規模 里程（公里）	預測市場規模 里程（公里）
2008	120	10188
2009	1189	10935
2010	7531	11703
2011	8849	12488
2012	9356	13286
2013	11028	14091
2014	16318	14899
2015	19000	15705
2016	22000	16504
2017	25000	17291
2018	28500	18062

表 1：收集的原始資料和市場規模

定義方程

表 1 中的上述資料用於估計一個三引數邏輯函式，如下所示。它用於預測資料的趨勢。

$S(t)=\left({\frac {K}{1+exp(-b(t-t0))}}\right)$ (1)

其中

·     S(t) 是狀態度量（每年裡程）

·     t 是年份

·     t₀ 是拐點時間（達到 ½ k 的年份）

·     K 是飽和狀態水平

·     b 是係數

K 和 b 將透過迴歸分析進行估計

此外，方程 1 被推匯出線性形式，以估計 K、b 和 t₀ 的值。方程式如下所示。

y = bX + c (2)

$y=LN\left({\frac {Passenger}{K-Passengers}}\right)$

查詢 K 和 b 的值

在開始時，K 的值是隨機分配的。但必須確保 K 大於原始資料中的最大值。在本例中，28500 公里是最大的資料，因此初始 K 設定為 28600。總共列出了 20 個 K 值，以誘匯出具有最大 R 平方的 k 值。

圖 1：迴歸計算 - 因變數

透過使用 RSQ 函式，發現 k 等於 29200 將導致最大的 R 平方。（圖 2）此外，透過迴歸分析找到了 b 和 t0 的值，其中 t0 = 截距 / (-b)。表 2 顯示了每個變數的獲得值的摘要。

圖 2：迴歸計算 - 因變數

變數	價值
K	29200
b	0.6925
R 平方	0.8842
t0	2013.5

表 2：相應變數的值

S 曲線

圖 1：里程與年份

0.88 的 R 平方值表明對曲線的擬合一般。然而，從生成的 S 曲線來看，預測的 CHR 里程與實際里程趨勢並不十分吻合。造成這種特定結果的原因有很多。

1)   缺乏足夠的資料。CHR 僅運營了 10 年，因此時域太小，無法反映里程的正確趨勢。此外，樣本量太小，任何異常值都會對最終結果產生重大影響。例如，2008 年的 120 公里里程。它與其他年份的資料相比太小，這會對資料趨勢產生很大影響

2)   資料不準確。所有原始資料均來自權威媒體，但並非官方資料。尤其是在資料量較小的情況下，不準確性會被放大。因此，會導致實際里程與預測里程之間的不匹配。

3)   在實踐層面，CHS 的增長率非常不尋常。它以指數方式增長。例如，2009 年和 2010 年，里程分別比上一年增長了 890% 和 533%。直到 2011 年，里程增長率才變得相對穩定。這種不尋常的模式使預測趨勢與實際趨勢不同。

此外，當排除 2008 年和 2009 年的里程資料時，執行了迴歸分析（圖 2）。發現 R 值為 0.933，預測里程圖與實際里程圖非常吻合。

圖 2：里程與年份（2010-2018）

出生區域定義為圖形的第一個 15% 百分位數，成熟區域定義為 85% 百分位數。因此，出生狀態定義為 2008 年至 2010 年，成熟狀態定義為 2017 年之後。

階段	年份
出生	2010
成熟	2017

表 3：出生年份和成熟年份