交通部署案例集/2019/中國高速鐵路網
以下華夏公益教科書是對中國高速鐵路網（HSRN）在全球市場背景下的高度概括。定性和定量兩個方面的網路被納入分析。最終，透過生成基於中國高速鐵路網每年客運量的邏輯 S 型曲線預測模型，對網路的誕生、增長和成熟階段進行了生命週期分析。本提交內容符合悉尼大學 CIVL5703 HWA3 的作業評分標準和要求。
與其他形式的交通相比，高速鐵路（HSR）及其運營的網路（HSRN）在相同距離上（即覆蓋約 800 公里的國內航空旅行）以及與傳統鐵路旅行相比，產生大量的優勢。正是因為如此，高速鐵路服務才最有利。但是，在調查這種網路的外部影響時，還必須考慮一系列相關的利益。這些好處包括[1]
- 減少對公路基礎設施的依賴，緩解交通擁堵造成的延誤，並減少因擁堵而造成的怠速汙染。
- 城市蔓延程度可能逆轉。隨著通勤時間保持相似，但住處離工作地點更遠，高速鐵路可以改善對以前無法到達或不可行居住地的訪問。這隻有在高速鐵路網能夠提供常規服務的情況下才能實現，其最高運營速度遠超 300 公里/小時。
- 提高生產力。擁有高速鐵路技術的國家已經證明，在通勤中花費的時間與在辦公室實際工作的時間相似（對於那些可以遠端或部分使用筆記型電腦完成的工作而言）。這使得員工能夠在舒適的高速鐵路服務中處理工作相關事務，從而提高生產力。
- 考慮到中國的情況，高速鐵路網的出現將減少中國對外國進口石油和石油的依賴，這些石油和石油用於為公路和航空等傳統交通方式提供動力。同樣，使用這些材料發電來運營高速鐵路網，其效率更高。此外，更多地依賴可再生能源也有助於改善高速鐵路旅行的總體環境狀況。
- 高速鐵路旅行比公路旅行安全得多。2016 年，中國每天約有 700 人死於道路交通事故，雖然中國高速鐵路發生過事故，但整個網路的死亡人數總計仍未達到中國每年道路交通事故死亡人數。
- 顯著的經濟刺激。中國高速鐵路網的建設在全球金融危機後經濟衰退時期開始了。為此，對高速鐵路專案的鉅額投資在隨後的幾年裡幫助中國經濟和社會復甦。
中國國土面積近 960 萬平方公里，人口的大規模遷移一直侷限於歷史上可用的基礎設施，18 世紀到 20 世紀的大部分時間裡，除主要城市外，幾乎沒有發展發生。[2] 因此，在考慮如何為不斷增長的人口（14 億人）提供可行的交通選擇和基礎設施時，廣闊的地域帶來了巨大的複雜性和問題。為此，自 1949 年中華人民共和國成立以來，交通基礎設施建設得到了很大的發展。[3]
此外，中國快速擴張和發展的鐵路網是推動部分重大發展的重要因素，無論是從貨幣價值還是基礎設施改善方面。這些發展使鐵路運輸被公認為中長途旅行的主要選擇，並且在 2018 年仍是中國的主要交通方式。[4] 這最終導致中國鐵路網路在 2016 年擴張到驚人的 120970 公里，成為世界第二長鐵路網。與 1950 年之前的總網路長度（21800 公里）相比，這增加了 550% 以上，在 66 年的時間裡，平均每年向網路增加了 8.4% 的額外鐵路軌道長度。[4]
在 120970 公里的網路中，約 21%，即 25000 公里，由中國的高速鐵路網組成，這也使得該網路成為世界上最長、最繁忙的高速鐵路網。自 1990 年代初開始建設首條高速鐵路服務以來，中國城際高速鐵路網的增長一直保持著穩定而健康的增長，2008 年全球金融危機除外。[4] 這一增長時期與國內航空旅行並行，在同一時期內提供了競爭來源。此外，航空與高速鐵路之間的聯絡是構成中國交通網路的內在因素，以至於世界上最繁忙的磁懸浮列車服務——上海磁懸浮列車——運營於上海浦東國際機場和龍陽路站之間。[4]
從這個意義上說，自 1876 年第一條客運鐵路開始運營以來，鐵路一直是中國中長途旅行的主要方式，是人們出行的主要方式。[5] 除了由高速鐵路網提供的城際鐵路網路外，許多城市內的通勤旅程都是使用全國 34 個地鐵系統中的任何一個完成的。瞭解到中國 12 個最大的城市內地鐵或地鐵網路/系統中有 7 個位於中國城市，便可以看出中國經濟對鐵路交通基礎設施的依賴程度。[4][6]
隨著專用運輸基礎設施的發展，中國的公路基礎設施也經歷了類似於高鐵及其相關產業的繁榮。這種擴張包括規劃、開發和建設許多快速公交服務、輕軌和公路基礎設施。政府開發的倡議旨在透過建設“國家幹線公路系統”的公路來促進城市的發展和連線。[6] 這一倡議與中國高鐵網路在 1990 年代的同步發展，使得高速公路網路在 2016 年達到約 97,000 公里的總長度，而上述高鐵網路的長度為 25,000 公里。由此產生的網路突出了其相應的巨大規模，因為它們分別是世界上最長的高速公路和高鐵運輸網路。此外，城市間和城市內公路網容量和連通性的提高，導致人口中產階級和上層階級私人車輛的使用量增加；然而，高鐵運輸和航空旅行仍然是中長途旅行的主要交通方式。[4][6]
技術發展
[edit | edit source]中國高鐵網路及其相關的技術進步經歷了兩個階段的發展，最明顯的是透過網路的形成階段發展和相關技術的初期發展，從 1990 年代中期到 2008 年的全球金融危機，以及自 2014 年至今的高鐵投資和發展的二次繁榮/增長時期。
透過依賴發展
[edit | edit source]中國最初對高鐵技術的試驗/考慮集中於開發設施和能力以生產所需的技術，以及在國內進行相關的研究和開發。儘管在目標速度方面實現了測試目標，但有關可靠性和可維護性的問題否定了在商業運營中選擇國產高速列車的選擇。[6] 長期商業可維護性難以實現，以及資源（即時間和金錢）的消耗增加，證明了德國、法國和日本提供的技術背景下可用技術與中國最初生產的國產技術之間的差距太大而無法彌合。為此，中國高鐵網路的初始或第一階段增長是在國外機車車輛和軌道技術和製造的基礎上實現的。然而，當時的鐵道部明確指示，並承擔了合同義務，中國高鐵網路的後續投資和擴充套件不僅是為了讓那些投資中國高鐵網路的外國經濟體和/或公司受益。[6]
2004 年 6 月，鐵道部發布招標，要求製造 200 列時速 200 公里的高速列車組。[7]
- 法國阿爾斯通
- 德國西門子
- 總部位於德國的龐巴迪交通
- 由川崎牽頭的日本財團都提交了投標。[7]
除了西門子拒絕降低每列車組的成本和技術轉讓成本外，其他三家公司都獲得了部分合同。[7]
向自力更生過渡
[edit | edit source]中國鐵路的目標是發展能夠自我維持中國國內高鐵產業的技術和製造工藝。中國高鐵產業和相關網路的第二階段的特點是，從依賴外國公司的製造能力和技術服務，轉變為成為高鐵技術和工藝的市場領導者。[8] 這在國產第二代高速列車組和軌道擴充套件中得到了最明顯的體現。在那些外國公司做出重大貢獻並隨後進行技術轉讓之後，國內製造商在很短時間內發生了重大轉變。中國高鐵網路的生命週期已經進入國內研究和開發的持續發展階段，並設計、製造和開發了他們自己的高速列車，其運營速度超過 350 公里/小時，最大測試速度超過 450 公里/小時。同樣，這種從依賴到自力更生的重大轉變也反映在作為中國鐵路主要運營商的中國鐵路制定的基本政策目標中，作為中國高鐵網路基礎設施建設和發展大幅增加的主要推動力（在製造和技術服務 - 補充服務和行業方面）。[8]
然而，從國際進口技術和服務到以國內產業為主體的轉變，並沒有以明顯的區別為特徵。相反，外國鐵路投資與獲得的高鐵相關資訊並行共享之間的共生關係，仍然是許多那些初始階段合資企業的持續合作關係。這種關係不僅幫助彌合了中國高鐵產業最初的技術和製造能力差距，而且可以說是過去二十年來，尤其是自 2014 年以來該行業第二次復甦以來，中國高鐵網路持續增長的催化劑。然而，必須指出，與大多數國有公司或企業組成的外國合資企業關係會導致圍繞非合同技術盜竊的爭議。為此，川崎以技術和專利盜竊為由對他們的合資夥伴提出了質疑；這一挑戰後來被撤銷。不久之後，這種關係就結束了，川崎退出了中國高鐵市場。[7]
從依賴到自力更生的轉變，雖然沒有明確定義，但可以透過使用京滬鐵路作為衡量標準來確定里程碑。2007 年，京滬鐵路單程行程不到 10 小時，最高運營速度為 200 公里/小時。[9] 然而，在 12 個月內，即 2008 年 4 月 18 日，在現有的傳統京滬鐵路旁邊開始了建設工作，用於世界上第一條設計運營最高速度為 380 公里/小時的高鐵服務。施工於 2011 年 6 月 30 日完工並開始商業運營。同樣，2010 年 10 月 26 日，CRH380A/AL 在滬杭高鐵服務線上開始運營，標誌著國產高速列車（屬於 CRH 系列）首次成為高鐵線路的主要機車車輛。CRH380A/AL 後來在同年晚些時候被用於京滬線路。[10]
在合併為中國鐵路之前，鐵道部宣佈了高鐵技術研究和開發的下一階段；其目標是將下一階段國產高速列車的最高運營速度提高到 500 公里/小時以上。
中國高鐵網路的誕生階段
[edit | edit source]正如廣泛報道的那樣，如今高鐵旅行的精神家園和誕生地始於日本。同樣，法國、西班牙和德國等歐洲主要國家在高鐵技術上的投資，早於中國首條商業運營線路開始運營近二十年。為此，在高鐵領域/行業中，許多現有的技術都遠遠落後於
初始規劃和開發
隨著中國在 1990 年代繼續蓬勃發展並融入全球經濟，中國政府也開始規劃建設高鐵網路。1990 年 12 月，當時的鐵道部（MOR）提出了建設京滬之間專用高速鐵路的建議。[11] 長達 1305 公里的京滬鐵路走廊的背景狀況是，運營超過了原設計能力，單程行程時間接近 10 小時。[12] 四年後的 1994 年 12 月，連線北京和上海的高鐵服務的可行性研究獲得了批准。正是這項可行性研究通常被認為是中國隨後在高鐵技術和製造方面的突飛猛進以及中國大陸高鐵網路相應擴張的催化劑。
“提速”運動
除了對高鐵運輸進行可行性研究之外，鐵道部還制定了一個框架，以提高鐵路技術的客運量，為新的高鐵網路做好準備。這項倡議被稱為“提速”運動，其目標是現有網路中的關鍵點，並在七年的時間裡分五輪實施。在運動的五輪系列（1997 年 4 月、1998 年 10 月、2000 年 10 月、2001 年 11 月和 2004 年 4 月）中，以時速 160 公里為特點的準高速服務在 7,700 公里的現有客運線路中提供。[13]
鐵道部將重點放在一些技術進步和變化上，以促進運營速度的提高，這些變化在“提速”運動的五輪中都有體現。每一輪運動的重點都是突出為現代化現有線路服務而做出的努力，從而提高現有線路的整體服務速度和運力。[13] 這些努力包括
- 雙線建設
- 軌道電氣化
- 改進軌道坡度
- 減少曲線半徑
- 安裝無縫線路
隨著中國高速鐵路網（HSRN）從最初的發展階段過渡到持續增長和成熟階段，從 2007 年 4 月開始，新一輪的“提速”計劃已在鐵路第六次大提速中啟動並實施。[13][14]
- 軌道和排程改進
- 部署更快的 CRH 系列列車。
- 52 列 CRH 列車（CRH1、CRH2 和 CRH5）投入運營。
如定量和定性分析所強調的那樣，中國高速鐵路網目前正處於從網路的初始發展階段向預測中的重大增長階段的過渡時期。中國高速鐵路網可能實現顯著增長的最顯著特徵是國家高速鐵路網格。這將透過建設專用高速鐵路路線和服務，將全國上下和東西網路連線配對組合起來，其中許多路線要麼取代現有的鐵路基礎設施，要麼與現有的鐵路基礎設施平行執行。[15]
與名稱暗示的不同，4x4 網格實際上由八條高速鐵路走廊組成，其中四條沿著該國南北走廊執行，四條沿著東西走廊執行，總軌道長度為 12,000 公里。4x4 網格的大部分由新建的線路組成，這些線路專門用於客運。同樣，鑑於許多新線路緊鄰現有主幹線，許多貨運服務已轉移到使用這些現有線路。國家電網系統的規劃便於將東南沿海走廊的許多二三線城市納入和連線，透過建設高速鐵路連線線。鑑於此類連線以前尚未建立，新建的鐵路連線線將用於運營客運和貨運服務。[15] 專門用於軌道路線的設計使得最大運營速度能夠模仿 CRH 製造的滾動庫存的容量，大約為 300-350 公里/小時。新建的混合用途高速鐵路線路，客運列車服務可以達到 200-250 公里/小時的峰值速度。這個雄心勃勃的國家電網專案計劃在 2020 年之前建成，但政府的刺激措施大大縮短了許多線路的交付時間。[15][16]
在 中國政府提供的重大刺激下，4x4 國家高速鐵路網格在 2015 年底基本建成，現已成為中國高速鐵路網的骨幹。然而，2016 年 7 月，國家層面開始籌備，對最近建成的國家高速鐵路網進行重新組織和後續開發，包括那些在最初的 4x4 國家電網系統下運營、在建和最近建成的高速鐵路線路。該系統的再開發旨在將容量提高一倍，達到 8x8 網格，即八條垂直和八條水平高速鐵路“通道”，旨在使網路容量翻倍。[17][18]
鑑於中國高速鐵路網的年輕化，該網路的成熟可能需要很多代人才能實現，尤其是在考慮到該國鐵路網路的平均增長率的情況下。
在過去二十年裡，自第一條高速鐵路服務（某種服務）建成以來，中國高速鐵路網的建設速度一直在保持每年 4.29% 的平均增長率，每年新建 4,815 公里的鐵路軌道。[19]
因此，與歐洲大陸和日本等其他國家的高速鐵路網不同，這些國家的網路已經成熟，擴充套件速度（透過客運量（客公里）、新建軌道和服務形成反映）與中國高速鐵路網所展示的增長速度相比，以及與每個網路各自的擴張和增長時期相比，已經大幅放緩。這在下面的定量分析中得到了反映/證實。[18]
鑑於中國高速鐵路網的年輕化，許多相關的政策也處於起步階段。然而，那些已經實施的政策的根本前提是明確界定的，並旨在為未來十年（到 2030 年）的網路發展和進步奠定基礎並提供動力。
同樣，鑑於中國鐵路網路的集中所有權，透過國有獨資企業中國鐵路，政策制定過程在很大程度上受內部力量的支配，而受外部因素的支配較少。中國鐵路高速（CRH）是中國鐵路的子公司，負責中國的高速鐵路服務。
在 中國高速鐵路網的建立和初始建設過程中，國內和國際的批評人士都質疑這樣一個網路的必要性，因為該國大部分地區仍被認為是欠發達或發展中國家。圍繞基礎設施和相關政策制定的評論大多突出了人們對大部分貧困人口與高速鐵路旅行的高昂成本之間差距的擔憂。
因此，中國鐵路在回應上述批評時，提出的許多解釋都是為了突出實施的圍繞新興高速鐵路網發展的政策的預期結果和目標。
政府透過推廣一系列政策目標，為這項昂貴的專案提供了理由。具體來說，以下目標最常被認為是投資高速鐵路基礎設施專案的積極影響。
- 透過提高公司透明度和相關的競爭力，提高財政生產力。這將透過擴大鐵路運力來實現，包括滾動庫存和客公里，從而緩解現有鐵路線路的壓力，並允許這些線路過渡以適應以貨運為導向的服務，這比提供補貼票價的客運服務更有利可圖。[20]
- 高速鐵路建設專案在首要情況下會立即創造就業機會，以及諸如混凝土和鋼鐵等二級市場會立即產生勞動力市場增長，預計僅北京-上海高速鐵路就會創造 110,000 個就業機會。[21][22]
- 北京是中國經濟的商業樞紐，中國的大多數跨國公司都在中國首都設立了區域或全球總部。然而，國內高速鐵路網的蓬勃發展促進了二級城市的推廣和發展，使這些城市成為國內外企業的具有吸引力和可行的前景。[23] 這反映在由於連線和接入高速鐵路網，這些二級城市的市場潛力增長了 59%。據估計，支流城市市場潛力增長 10% 等於該城市相應平均房地產價值增長約 4.5%。正是這種隨後的增長被吹捧為高速鐵路網在主要城市以外地區持續發展的首要目標。[24][23]
- 中國政府推行建設高速鐵路網，旨在體現其在環境責任、節約用電和提高能源效率方面的努力。該政策強調，與傳統公路基礎設施相比，鐵路技術在運輸相同數量的乘客或貨物的情況下，在相同距離上的耗電量更少。此外，由於能夠利用可再生資源發電，而不是依賴進口石油，能源生產也得到了支援。[25]
- 中國高速鐵路網快速而持續增長的主要驅動力之一是渴望建立和發展本土高速鐵路裝置和製造業。[4]
大多數技術發明和進步都遵循一個代表初始（誕生）、增長和成熟階段的邏輯函式，並以此識別技術或概念。大量的交通方式也遵循類似的生命週期，可以對其進行跟蹤、建模並隨後預測。使用年度乘客公里作為自變數，為中國的高速鐵路網開發了一個邏輯曲線。該模型旨在預測中國年度乘客公里增長的總體模式或路徑，可能在未來幾十年內出現。
表 1 中的資料用於估計一個三引數邏輯函式，如下所示。該函式用於預測資料的趨勢。
![{\displaystyle S(t)=\left({\frac {K}{[1+e^{(-b(t-t_{0})}]}}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3aceccf3a2fc627bce48cee8930976d85d71c1c6)
其中
- 是狀態度量（例如，乘客公里數）
- 是時間（通常以年為單位）
- 是拐點時間（達到 1/2 K 的年份）
- 是飽和狀態水平
- 是係數。
和 是透過試錯法估計的，因為可用資料量很少。
將來，下面的方程將用於將可用資料轉化為線性關係，從中可以推匯出更精確的 K、b 和 t0 值。
方程如下所示
常數的計算和估計值以及變數的描述可以在下面的表 1 中看到。
| 變數 | 描述 | 值 |
|---|---|---|
| S | 乘客公里數 | 百萬 |
| t | 時間 | 年 |
| t0 | 拐點 | 2023 |
| K | 軌道飽和水平 | 2500 |
| b | 係數 | -0.23 |
提供的結果，充其量只是一個估計的預測模型，但確實可以探索獲得的結果以及可以從中得出的見解。雖然實際曲線和預測曲線之間的初始相關性相似，但在分析獲得的結果時必須考慮以下幾點
- 資料收集只能透過一個來源進行驗證，這使得模型容易受到使用不準確資料的負面影響。雖然可用資料來自信譽良好的來源，但無法透過官方途徑進行驗證，因此導致資料集不完整。同樣，鑑於獲得的實際資料樣本量很小，資料不準確的風險會顯著放大。
- 如上所述，由於資料收集量有限，可用資料量少，這阻礙了預測模型的有效性和潛在的準確性，以及任何可以推斷出的相關宣告或假設。由於該系統僅商業運營了 10 年，可用資料以及相關的內部和外部影響過於波動，無法生成年客運公里數的統計顯著趨勢。此外，由於樣本量很小，對輸入資料的要求大於刪除異常值的必要性，導致收集資料的顯著變化對最終結果和預測產生重大影響。
- 對於當前假設的中國高速鐵路網的過渡期，很難對未來二十年網路進行準確或有效的預測，然而，可以公平地說，網路的擴張遠未完成，預計的增長階段可能會實現建議的 500 公里/小時的障礙。
| 年 | 實際 乘客公里數 (百萬) |
預測 乘客公里數 (百萬) |
|---|---|---|
| 2010 | 46.3 | 119.59 |
| 2011 | 105.8 | 148.68 |
| 2012 | 144.6 | 184.31 |
| 2013 | 214.1 | 227.65 |
| 2014 | 282.5 | 279.95 |
| 2015 | 386.3 | 342.45 |
| 2016 | 464.1 | 416.29 |
| 2017 | 577.6 | 502.34 |
| 2018 | NA | 601.05 |
| 2019 | NA | 712.24 |
| 2020 | NA | 834.96 |
| 2021 | NA | 967.37 |
| 2022 | NA | 1106.8 |
| 2023 | NA | 1250 |
| 2024 | NA | 1393.16 |
| 2025 | NA | 1532.62 |
| 2026 | NA | 1665.03 |
| 2027 | NA | 1787.75 |
| 2028 | NA | 1898.94 |
| 2029 | NA | 1997.65 |
| 2030 | NA | 2083.70 |
| 2031 | NA | 2157.54 |
| 2032 | NA | 2220.04 |
| 2033 | NA | 2272.34 |
| 2034 | NA | 2315.68 |
| 2035 | NA | 2351.31 |
| 2036 | NA | 2380.40 |
| 2037 | NA | 2404.04 |
| 2038 | NA | 2423.15 |
| 2039 | NA | 2438.56 |
| 2040 | NA | 2450.94 |
| 2041 | NA | 2460.86 |
| 2042 | NA | 2468.80 |
| 2043 | NA | 2475.15 |
| 2044 | NA | 2480.22 |
| 2045 | NA | 2484.26 |
| 2046 | NA | 2487.47 |
| 2047 | NA | 2490.04 |
| 2048 | NA | 2492.08 |
| 2049 | NA | 2493.70 |
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