運輸部署案例集/2018/歐盟高速鐵路 (HSR)
高速鐵路 (HSR) 已成為多年來的關注焦點。高速列車的首次試驗發生在 1903 年，在德國佐森和馬林費爾德之間進行了試驗執行，火車速度達到 210 公里/小時。日本是最早意識到高速鐵路潛力的國家，他們在 1964 年開通了新東海道線，直到 1981 年，歐盟 (EU) 的第一條線路才開通，即法國的 TGV（高速列車），從巴黎到里昂[1]。
高速鐵路沒有統一的定義，因為有許多不同的組成部分。然而，高速可以由基礎設施（為高於 250 公里/小時的速度設計的新線路，在某些情況下為高達 200/220 公里/小時速度的現有線路）、車輛、執行條件和裝置來定義[2]。
高速鐵路最初是為城際旅行而建立的。對於法國來說，當 TGV 投入使用時，這意味著能夠在城市之間通勤。但它也使旅客能夠以比飛機更低的價格在城市之間移動。隨著時間的推移，它開始包含旅遊市場。當前的高速鐵路市場之所以出現，是由於時間、頻率、成本和環境方面的以下優勢。
當旅程時間小於 4 小時時，高速鐵路系統比空中交通更強大，這在圖 1 中可以觀察到。這是因為不需要辦理登機手續和安檢，也不需要離開城市到達機場。因此，高速鐵路系統對這些路線產生了重大影響。巴黎-斯特拉斯堡的 TGV 線就是一個例子；當開通時，火車旅行時間從 4 小時縮短到 2 小時 20 分鐘。在 5 個月的時間裡，火車的市場份額從 35% 上升到 60% 以上[3]。
高速鐵路網路可以根據需求輕鬆修改，以便在必要時提供更多頻繁的連線，例如在高峰時段。而航空運輸通常必須提前計劃，無法進行最後一分鐘的調整。這種額外的靈活性對高速鐵路來說非常有效[4]。
當比較高速鐵路和航空運輸在競爭路線上的成本時，高速鐵路通常比航空旅行更便宜。以巴黎到阿姆斯特丹的高速鐵路路線為例，火車的價格最低為 110 美元，而飛機的豪華經濟艙價格為 463.20 美元（這條路線沒有經濟艙）[5]。
高速鐵路使用電力執行，因此在能源供應方面非常靈活。這種供應目前來自化石燃料、非化石燃料和可再生能源的混合，具體取決於高速鐵路的位置。德國就是一個例子，目前該國的電力來自固體燃料 (54%)，這導致了大量的碳排放[4]。然而，與航空運輸不同的是，高速鐵路可以完全轉向可再生能源，並能快速適應其他能源，而航空運輸目前只能使用化石燃料[6]。高速鐵路目前的主要碳排放來自專案的建設階段，但如果使用可再生電力來源，則有可能實現碳中和。
在高速鐵路出現之前，歐盟使用過多種交通方式進行長途旅行。在歐盟範圍內使用的交通方式包括航空、傳統鐵路、公共汽車和汽車。可以看出這些交通方式的侷限性。雖然傳統鐵路、公共汽車和汽車價格低廉，但速度慢且耗時，航空運輸價格昂貴（相對來說），雖然比其他方式耗時更短。當時，市場正在尋求一種既快速又比航空運輸便宜的交通方式。隨著日本高速鐵路新幹線（“子彈列車”）的出現，這種市場需求得到了滿足。
高速鐵路的實施需要專家的合作。在高速鐵路領域，由於多年來對各種方案可行性的測試，以及日本高速鐵路新幹線的經驗，已經積累了大量的專家。但該系統還需要制定國際標準。歐盟委員會已釋出了該系統的指令和標準，特別是在通訊領域。
高速鐵路所需的技術包括對軌道、訊號和列車供電的改進。雖然如上所述，還有一個合作方面是必要的，而這在日本高速鐵路中是不必要的。
為了使高速列車保持高速行駛，需要滿足某些要求，這些要求可以在表 1 中看到。
| 軌道要求 | 解釋 |
|---|---|
| 曲率半徑 | 曲率半徑越大，列車行駛速度越快。在德國，透過對軌道的加強，曲率半徑減小了，但所需的軌距傾斜度更大。 |
| 曲線上的軌距傾斜度 | 為了減輕外軌的側向力，從而減少乘客的不適，外軌被抬高。但這需要進行最佳化，因為軌道上的交通流量不同。 |
| 最大坡度 | 這取決於交通流量。如果只有高速鐵路使用軌道，那麼如果能保持高速，坡度可以更陡。 |
| 垂直曲線，以及坡度底部和頂部的過渡。 | 如果過渡太小，乘客會感到不舒服。 |
為了解決這個問題，需要更強的材料，特別是在德國減少曲率的情況下。曲線的軌距傾斜度需要進行許多新的計算，尤其是在軌道混合使用的情況下。
早在 20 世紀 30 年代，人們就對高速行駛時的訊號可見性表示擔憂[7]。然而，當涉及到歐洲網路時，多個列車控制系統的存在造成了很多問題，跨境鐵路貨運的平均速度為 16 公里/小時[8]。為了解決這個問題，需要對這些系統進行改造，使其相互協調。這是透過歐洲鐵路運輸管理系統 (ERTMS) 完成的。ERTMS 具有兩個基本組成部分：歐洲列車控制系統 (ETCS) 和 GSM-R 無線電系統。ETCS 是一個自動列車防護 (ATP) 系統。ETCS 顯示訊號，而駕駛員實際上不必觀察列車外部的訊號。ETCS 是安全系統發展的最新階段，從最初的時間表制系統發展到“閉塞系統”，再到國家 ATP 系統[8]。ERTMS 系統有三個執行級別，這些級別的描述可以在表 2 中找到。
| 級別 | 描述 |
|---|---|
| 1 | - 連續監督列車執行 - 軌道和軌道邊的非連續通訊 - 需要線路訊號 - 列車檢測由軌道邊裝置執行 |
| 2 | - 連續監督列車執行 - 連續通訊（由 GSM-R 提供）在軌道和軌道邊之間 - 線路訊號可選 - 列車檢測由軌道邊裝置執行 |
| 3 | - 連續監督列車執行 - 軌道和軌道邊的連續通訊 - 線路訊號不需要 |
高速列車的訊號系統，可以更新現有的鐵路基礎設施，如 ERTMS 的第一級。這可能會造成問題，因為這些訊號是為速度較慢的車輛設計的，因此不允許為了滿足高速列車所需的更長的停車距離而進行更改。因此，高速鐵路需要開發能夠解決這個問題的制動器。制動系統的最初設計包括真空制動器，後來改為氣壓制動器，最後改為盤式制動器。一旦採用盤式制動器，制動應用方式就有了不同的設計。然而，在 TGV 的情況下，一個盤式制動器是不夠的，需要五個制動器來確保快速減速[7]。
在運輸和其他領域，存在一個生命週期，在本例中是一個運輸方式。生命週期的四個階段是：誕生階段、增長階段、成熟階段和衰退階段。這個生命週期遵循 S 曲線。高速鐵路目前處於增長階段，尚未達到成熟階段。這可以在定量部分看到，也可以在下面的增長部分看到，它顯示了歐盟目前正在建設的高速鐵路軌道。
當高速鐵路被引入歐洲時，需要制定政策來確保高速鐵路安全有效地執行。許多政策都是從傳統列車的前身模式中借鑑而來。這些政策在這一階段的系統中佔了大部分，特別是在鐵路管理和運營方面。還需要對傳統鐵路的一些政策進行更新，以滿足高速鐵路的需求。這些政策變化包括更新那些關於設計和建設的政策。這些政策主要是由政府制定的。
高速鐵路的增長導致了歐盟委員會的參與，因為互動從內部（基於國家政府）轉向外部，因為網路開始與其他國家連線。隨著網路開始連線，出現了諸如軌距差異和訊號系統差異等問題。這就是 ERTMS 被引入的地方，這個系統在技術進步部分有描述。
此外，在這個階段出現的另一個問題是專案的資金問題。隨著專案規模越來越大，政府不一定能負擔整個專案。因此，PPP（公私合作）開始作為解決方案出現，儘管這仍然處於發展階段。這些 PPP 將為私人和公共組織提供知識、訣竅和財務優勢的共享[6]。
歐盟高速鐵路網路的增長仍在繼續，這可以在下面的表 3 中看到，許多專案將在未來幾年內完工。正如歐洲議會 2015 年的簡報中所述，歐盟承諾到 2030 年將現有高速鐵路網路的長度增加三倍[10]。
| 國家 | 線路 | 長度 (km) | 運營開始時間 |
|---|---|---|---|
| 丹麥 | 哥本哈根-林雪斯 | 56 | 2018* |
| 德國 | 奧芬堡-裡格爾（巴塞爾） | 39 | 2029 |
| 斯圖加特-溫德林根 | 57 | 2021 | |
| 布吉根-卡岑堡隧道（巴塞爾） | 12 | 2021 | |
| 溫德林根-烏爾姆 | 60 | 2021 | |
| 拉施塔特隧道 | 17 | 2022 | |
| 西班牙 | 蒙福特德爾西德-穆爾西亞 | 62 | 2018 |
| 維多利亞-畢爾巴鄂-聖塞瓦斯蒂安 | 175 | 2022 | |
| 萊昂-阿斯圖里亞斯帕哈雷斯變體 | 50 | 2019 | |
| 博巴迪利亞-格拉納達 | 109 | 2018 | |
| 薩莫拉-奧倫塞 | 224 | 2019 | |
| 義大利 | 熱那亞-米蘭（托爾託納） | 67 | 2020 |
| 奧地利 | 伊布斯-阿姆施泰滕 | 17 | |
| 格洛格尼茨-穆爾茨舒拉赫 | 27 | 2024 | |
| 格拉茨-克拉根福特 | 110 | 2024 | |
| 布倫納軸線 | 64 |
*歐洲統計手冊中所述的完工日期為 2017 年，已修訂為 2018 年[12]
如上所述，技術遵循 S 曲線形狀的生命週期。這可以用來確定技術目前處於哪個階段。這是透過關於高速鐵路軌道長度的資料對歐洲高速鐵路進行的，這些資料可以在表 5 中看到。這些資料是從歐盟委員會的 2017 年統計摘要中收集的，其中包含到 2016 年的資料。然後對 2017 年開放的線路進行了研究。
為了獲得軌道長度的預測，使用了以下公式。
常數的計算值和變數的描述可以在表 4 中看到。
| 變數 | 描述 | 值 |
|---|---|---|
| S | 軌道長度 | |
| t | 時間 | |
| t0 | 拐點 | 2008.49 |
| K | 軌道飽和水平 | 11,700 |
| b | 係數 | 0.120 |
然後，利用這些資料生成了表 5 中的預測軌道長度資料，並在圖 2 中繪製成圖表。統計分析結果表明，R 平方值為 0.989，表明擬合度很高，t 統計量值超過 2。但是，這種分析方法存在一個問題。正如前面討論的，歐盟高速鐵路網尚未達到成熟階段，如增長階段部分所述。這條曲線旨在代表生命週期的所有階段，因此它會尋找成熟階段，無論是否存在。這在圖 2 中看到的曲線平臺化中可以看出來。因此，結果會發生偏差，因此 K 和 t0 的值將是錯誤的。
| 年份 | 軌道長度 (公里) |
預測軌道長度 (公里) |
|---|---|---|
| 1981 | 451 | 413 |
| 1982 | 451 | 464 |
| 1983 | 567 | 521 |
| 1984 | 641 | 584 |
| 1985 | 643 | 654 |
| 1986 | 643 | 733 |
| 1987 | 643 | 820 |
| 1988 | 733 | 916 |
| 1989 | 1,024 | 1023 |
| 1990 | 1,024 | 1141 |
| 1991 | 1,133 | 1271 |
| 1992 | 1,628 | 1414 |
| 1993 | 1,749 | 1571 |
| 1994 | 2,343 | 1742 |
| 1995 | 2,447 | 1928 |
| 1996 | 2,447 | 2129 |
| 1997 | 2,447 | 2347 |
| 1998 | 2,708 | 2581 |
| 1999 | 2,708 | 2831 |
| 2000 | 2,708 | 3097 |
| 2001 | 2,967 | 3378 |
| 2002 | 3,229 | 3675 |
| 2003 | 3,943 | 3984 |
| 2004 | 4,264 | 4306 |
| 2005 | 4,285 | 4638 |
| 2006 | 5,184 | 4979 |
| 2007 | 5,480 | 5326 |
| 2008 | 5,750 | 5676 |
| 2009 | 6,126 | 6028 |
| 2010 | 6,602 | 6379 |
| 2011 | 6,830 | 6725 |
| 2012 | 6,879 | 7066 |
| 2013 | 7,298 | 7398 |
| 2014 | 7,316 | 7720 |
| 2015 | 8,019 | 8029 |
| 2016 | 8,250 | 8325 |
| 2017 | 8,987 | 8607 |
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