運輸部署案例手冊/2018/高速鐵路系統（日本）
高速鐵路是一種火車系統，可以在特定的網路基礎設施內提供快速便捷的訪問。高速鐵路系統比傳統鐵路系統快得多。第一個投入執行的高速鐵路系統，俗稱“子彈頭列車”，於 1964 年在日本推出。該系統從其前身發展而來，透過達到更高的速度來提供更短的旅行時間。傳統高速列車可以達到 400 公里/小時的速度，而新開發的磁懸浮 (磁懸浮) 列車系統可以達到 600 公里/小時的速度。
新幹線始於 1964 年。當時，日本主要的交通樞紐東京和大阪之間每小時只有兩列火車完全投入運營。目前新幹線系統每天容納約 285 列高速列車的 360,000 名通勤者，以 270 公里/小時的最大允許速度執行，兩座城市之間的總行程時間為 2 小時 30 分鐘。新幹線被認為是日本乃至全世界最安全的交通方式之一，在其 50 年的服務期內，沒有發生過直接的死亡事故。這種高速列車的實施消除了對化石燃料的依賴，從而導致整體碳排放量下降。
高速鐵路系統利用電力來達到高速。高速列車利用懸掛式電纜的功能來為系統供電。實施並設計了焊接鋼軌的標準軌距軌道以及較大的轉彎半徑，以支援高速軌道的執行。
關於利用高速鐵路系統，有許多激勵和抑制因素。下表 1 突出顯示了影響全球高速鐵路系統發展的一些因素。
表 1：高速鐵路系統的優點和缺點。
| 優點 | 缺點 |
| 減少機動車交通量。這將減少道路擁堵。 | 在一些對鐵路系統需求較低的人群中，高速鐵路系統在經濟和技術上是不可證明的或不可行的。 |
| 減少交通排放。由於機動車交通量的減少，碳排放率也會下降。 | 設計和實施成本高昂。現有的軌道、網路和訊號系統必須升級。由於其複雜性，高速列車製造起來價格昂貴。 |
| 提高就業機會。更短的通勤時間將擴大這些系統的範圍，從而在基礎設施內提供連線性，使個人能夠尋找就業機會。 | 由於高速鐵路的成本高昂，乘客車票價格也會上漲。在日本，一張普通火車票（日間往返票）大約需要 2,000 日元（25 澳元），而一張高速鐵路票最高可達 14,000 日元（172 澳元）。 |
| 高速鐵路系統基礎設施本身將創造許多就業機會。 | 同樣由於成本高昂，乘客可能會選擇其他交通系統，這將違背新建系統的目的。 |
| 與傳統火車系統相比，城際和州際旅行速度更快。出行時間大幅減少。 | |
| 增加通勤者的時間價值。這將為社會或基礎設施帶來經濟效益。 | |
| 統計資料表明，與傳統鐵路系統相比，這是一種更安全的旅行方式。 |
目前，許多國家已經採用高速列車系統的概念來連線城市、州甚至國家。市場重點已經放在歐洲（如奧地利、比利時、德國、義大利、荷蘭等）和亞洲部分地區的主要城市。高速鐵路最大的市場位於亞洲人群，如中國和日本。歐洲的高速鐵路用於在國際邊界之間旅行，而中國主要強調其自身基礎設施內的本地運輸。
在高速鐵路實施之前，日本的交通行業包括利用汽車、傳統化石燃料火車、公共汽車和水路運輸。由於缺乏礦山和礦產，從國外市場進口化石燃料在日本基礎設施中很流行。二戰後，引入了電力火車系統，以減輕傳統機車系統的負擔。由於 1960 年代汽車的普及，日本的交通基礎設施在乘客出行選擇方面發生了重大轉變。這導致了交通汙染的增加，因為更多的人選擇汽車，從而導致擁堵和日本基礎設施的重大經濟不利因素。高速鐵路系統的概念被認為是解決這個問題的方案。與現有的機車/蒸汽對應物相比，高速鐵路系統可以以更快的速度行駛，從而顯著減少通勤時間，同時為社會帶來生態效益。
島秀雄是子彈頭列車系統的發明者。東京和大阪之間的新幹線線路包括一條窄軌，用於特快和停車列車服務。這些軌距後來升級為更寬的軌距，可以支援高速列車。這些軌距連續精密地進行平整，以減少顛簸和擺動。為了給乘客提供更多舒適感，除了密封的窗戶（用於隔熱）外，還實施了空調系統。利用電力機車為火車供電，而不是由單個機車牽引。與機械制動系統相比，利用電力制動系統被認為“更安全”，因為機械制動系統如果在高速下使用會損壞。然而，電力機車、軌距擴充套件以及其他與高速列車相關的技術進步似乎非常昂貴。但由於其優點（如第 1 節中所述）超過了其不利因素，因此在日本交通基礎設施中，這種系統的設計和實施變得更加有利。隨著時間的推移，“子彈頭列車”在硬體和軟體部門都經歷了多次設計和規格變更。下表 2 突出顯示了新幹線系統的當前發展情況。
表 2：新幹線高速列車的技術改進和演變。
| 型號 | 服役年份 | 技術變更 |
| 0 系 | 1964 年 10 月 - 1999 年 9 月 | 1964 年啟動的子彈列車系列的初始模型。0 系能夠達到 220 公里/小時的最高速度。 |
| 100 系 | 1985 年 10 月 - 2003 年 9 月 | 從 0 系發展而來。100 系包括改進的乘客服務，包括頭等艙車廂、私人房間和新的便利設施。最高速度保持在 220 公里/小時。 |
| 300 系 | 1992 年 3 月 - 2012 年 3 月 | 300 系從 100 系發展而來，是新幹線列車第二代。300 系最高速度為 270 公里/小時，並採用變壓變頻控制單元和交流非同步電動機。車身外部採用鋁合金，使列車比其前身更輕。 |
| 300X 系 | 1995 - 2002 | 300X 用於執行測試，以確定最佳高速列車系統。300X 的最高速度達到 443 公里/小時，遠高於當時的 300 系。這些技術知識被用於未來開發 700 系和 700A 系。 |
| 700 系 | 1999 年 3 月 - 至今 | 700 系從 300 系發展而來，並利用了 300X 系測試執行中獲得的技術知識。700 系透過升級的空調和便利設施為通勤者提供更多舒適感。截至 2015 年 3 月，最高允許速度為 285 公里/小時，比 300 系提高了 15 公里/小時。 |
| N700 系 & N700A 系 | 2017 年 7 月 - 至今 | 從 700 系發展而來。提高舒適性和效率，透過比其 700 系對應產品低 16% 的能耗來最大限度地提高環境效益，產生的 CO2 排放量約為飛機的 1/12。截至 2015 年 3 月，700A 系的最高允許速度從 270 公里/小時提高到 285 公里/小時。700A 系的部分版本（由山陽製造）達到 300 公里/小時。 |
在 1910 年到 1950 年之間，有軌電車是東京主要的交通方式。隨著需求的逐漸增加，人們選擇實施火車系統和鐵路。東京被選為建設和擴充套件鐵路的主要樞紐。這使得東京及其周邊城市擁有充足的鐵路網路，而日本其他地區則落後。二戰後，人口增長，導致需求增加，現有的鐵路系統無法滿足這種客運量。因此，透過四倍軌道、高架橋和地鐵線路進行了功能性改進。到 1960 年代初，由於汽車技術的進步，火車和地鐵的需求下降了。功能性發現促使人們投資於新技術，如高速列車，以減少汽車擁堵。這產生了巨大的影響，因為高速鐵路系統由於其效率和經濟性而需求量增加，見下圖 1，這從長遠來看也促進了日本經濟的發展。
日本鐵路建設、運輸、技術機構 (JRTT) 實施了政策，以確保環境的可持續性和保護。在高速鐵路系統孕育階段實施的其他政策包括：有害物質控制、私人鐵路建設、噪音汙染。
日本的鐵路運輸網路在基礎設施方面取得了顯著發展。在日本第一條鐵路線路於 1872 年開通後，日本政府缺乏必要的資金。與此同時，私營部門渴望投資於新技術和先進技術的開發和實施。由於這種情況，日本政府改變了其政策（因為最初的政策只允許公共部門運營鐵路系統），也允許私人機構建設和運營鐵路。到 1900 年代初，私人鐵路擴充套件到 4674 公里，大約是政府鐵路線路的 3.5 倍。
雖然日本國內的高速鐵路市場仍在增長，但計劃進一步發展現有的火車技術。目前，日本的子彈列車由電力驅動。由於磁懸浮技術的進步，已經實施了許多測試模型。磁懸浮系統利用磁懸浮技術推動列車，使其與地面沒有任何接觸。由於這種方式，沒有摩擦，列車可以獲得更高的速度。因此，這降低了總體維護成本。磁懸浮列車的製造目前成本很高，市場規模很小。磁懸浮列車因其高效率和複雜性而被認為是高速鐵路系統的未來。
對新幹線高速鐵路系統進行定量分析，以確定高速列車的當前生命週期狀態。
使用統計方法構建高速列車客運量（在日本）模型，以觀察其孕育、增長和成熟階段的趨勢。使用邏輯函式預測高速鐵路市場的一般趨勢。獲得的結果表明，高速鐵路系統的市場仍在增長，並以線性速度增長。如上圖 1 所示，1987 年之前的資料無法獲得。
S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]
其中，
S(t)；每年乘客數量。
T= 時間（年）
T0;拐點期，達到 0.5K。
K；乘客數量飽和度
b；是一個常數
線性迴歸模型源自上述邏輯函式，用於估計模型中所示的係數“c”和“b”。
Y = bX + c
透過對邏輯函式進行操作，得出了線性模型的以下引數。
Y= ln[乘客數量/K – 乘客數量]
b= 梯度/係數
X= T，時間（年）
c= 常數，b*t0
圖 1：日本高速鐵路系統的生命週期模型。
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:High-Speed_Rail_Life_Cycle_Model_-_Japan_1987_-_2016.png
[由於技術原因，無法匯入圖表，而是建立了上面的超連結。請單擊上面的連結以檢視生命週期模型]。
對邏輯模型進行操作以得出線性表示式，以確定系統飽和度和係數“b”。
鑑於，S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]
b(t - t0) = ln[s(t)/K – s(t)]
其中，y= ln[s(t)/K – s(t)]，X= t，c= bt0，b 代表線性迴歸模型的梯度。
藉助 Excel 中的“求解器”功能，對必要的統計和數學操作和計算進行了處理，以估計以下變數的值。
表 3：邏輯引數值。
| 引數 | 值 |
| K（系統飽和度） | 293.8（百萬乘客/年） |
| b（係數） | 0.017 |
同時，對於使用的 29 個數據集（每年乘客數量），獲得了大約 0.73 的 R2 值。上述資料分析了新幹線 0 系（初始模型）從 1987 年起至今的生命週期。由於 1971 年至 1985 年間進行軌道作業，無法獲得 1970 年代早期的乘客資料。因此，無法對其孕育階段進行準確可靠的資料分析。新幹線系統生命週期分析從 1987 年至 2016 年進行，因為期間沒有資料丟失或缺失。將 1965 年至 1970 年的初始孕育資料納入模型，但其相應的 R 平方值明顯較低（約為 0.53），因此被認為是不可靠的分析。
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