运输部署案例集/2014/日本新干线：子弹列车

定性分析

介绍

近年来，推出高速客货列车一直是交通规划者和决策者关注的焦点。在航空和机动车发展之前，过境铁路被称为第一种快速陆地运输方式。铁路的关键特征之一是速度，这促使交通规划者不断努力实现更高的速度，从而减少旅行时间。因此，在过去几十年中，世界各地的铁路系统速度发生了巨大变化。例如，1829年以蒸汽动力运行的史蒂芬森火箭是当时速度最快的列车，时速为46公里。1848年，羚羊号列车以97公里的时速超过了史蒂芬森火箭。它们是当时世界上速度最快的铁路车辆。然而，近年来，世界见证了令人难以置信的列车速度记录。2007年4月，法国的LGV Est和LGV Atlantique列车以574.8公里的时速打破了世界速度记录。

铁路系统在速度方面的里程碑可能是高速铁路的诞生。通常，能够超过200公里/小时速度的铁路系统被定义为高速铁路系统。得益于专门的滚动车厢技术和专用轨道，高速铁路比传统铁路运行速度快得多。1964年10月，日本推出了第一个高速铁路系统，连接东京和大阪，列车以210公里/小时的速度行驶。尽管日本高速铁路系统（子弹列车）取得成功，但其他国家受到启发运行了相同的系统，但该系统在世界范围内的普及速度相对较慢。例如，第二条高速列车于1981年投入使用，连接巴黎和里昂，时速高达270公里/小时。

日本地理

日本占地约37.8万平方公里，人口超过1.26亿，是世界上人口密度排名第36位的国家。该国位于太平洋，与中国、韩国、朝鲜、俄罗斯和日本海接壤。日本的位置特点使该国被称为“日出之国”。日本是一个狭长的群岛，包含6800多个岛屿，其中四個岛屿，即四国、九州、北海道和本州，占日本陆地面积的97%左右。日本的实际首都东京位于本州岛，拥有超过3000万居民，是世界上最大的都市区。日本是一个发达国家，不仅是世界上第三大经济体，而且还是世界上第四大出口国和进口国。日本的人口集中在主要沿海城市，即东京、名古屋和大阪。名古屋位于东京和大阪之间，两者相距约523公里。日本四分之一的人口也居住在东京。表1概述了日本最大城市的规模和特征。

表1 日本最大城市的特征

城市	人口	面积（平方公里）	地区
东京	8,949,447	2,187	本州
横滨	3,689,603	437	关东
大阪	2,666,371	223	关西
名古屋	2,263,907	326	中部
札幌	1,914,434	1,121	北海道

日本上述特点促使政府在东京和大阪之间开通了第一条高速列车。

模式描述

子弹列车的想法可以追溯到1938年，当时第一条高速铁路以近201公里/小时的速度运行，连接日本东京和下关。虽然建设始于1938年，但由于第二次世界大战，网络发展被阻碍。1957年，第一个新干线委员会成立，以开发连接东京和大阪的子弹列车。日本国铁公司开始建设这条线路，总长551公里。1964年10月，子弹列车的第一段线路投入运营，也称为新干线，与东京夏季奥运会同期，向世界展示了第一项高速铁路技术。新开通的网络使两个城市之间的旅行时间从7个小时减少到不到3个小时。新干线还受益于现代工程特点和设施，包括司机监控系统、乘客引导信息系统、ATC速度控制系统、洒水融雪系统以及防震系统。新干线列车通常由16节车厢组成，总长396米，可容纳约1300名乘客。

政策作用

诞生阶段

东海道铁路始建于 1930 年，当时一辆特快列车连接了东京和大阪，平均旅行时间为 8 小时 20 分钟。鉴于铁路运输能力不足，政府决定在 1950 年用电气化线路取代传统的线路。二战后，日本对石油和其他自然资源的进口依赖度极高，电气化铁路的想法得到了政府的热烈欢迎。1958 年，东京和大阪之间建成了一条窄轨制传统的铁路线路。这辆传统的列车以平均 91 公里的时速行驶，从东京到大阪需要大约 7 个小时。日本的人口也达到了 9800 万，当时新干线子弹头列车在 1964 年将东京连接到大阪。

发展阶段：私有化

政治压力导致到 1987 年债务超过 2000 亿美元，引发了金融危机。这可能是私有化的导火索。日本国有铁路公司在 1987 年开始私有化进程，仅仅比日本另外两个庞大的公共实体日本垄断公共公司和日本电信电话的私有化早了七年。政治压力和对高速交通枢纽的需求源于预期的经济收益。与高速铁路的开通一样，日本国有铁路的私有化也被称为世界上第一次对国家铁路进行全面重组。日本国有铁路的私有化是逐步完成的。1997 年，水谷和中村讨论了日本国有铁路私有化的主要特征。他们将这些特征分为六个不同的类别，包括：1) 区域细分，2) 客货区分，3) 运营和基础设施一体化，4) 对低密度日本铁路的统一补贴，5) 中介机构的建立，以及 6) 非铁路服务的允许。

鉴于一些管理和政治影响问题，决定将日本国有铁路公司根据地理需求拆分为六个区域客运铁路公司。此外，为了从卡车运输行业获得货运市场份额，日本铁路货运也被从日本客运铁路中分离出来。然而，日本铁路货运从日本客运铁路借用轨道以降低基础设施成本，并在初期避免过度的财政负担。研究表明，日本铁路公司的整体表现，特别是效率和劳动生产率，在私有化后显著提高。例如，在 1987 年至 1992 年期间，日本铁路和私营部门的年平均增长率分别为 11.4% 和 -0.7%。2000 年，住田也指出私有化导致铁路票价上涨。

日本铁路从私有化中获益，不到五年，营业利润就大幅增长至 71 亿美元。这种趋势持续多年，使日本中央铁路、日本东部铁路和日本西部铁路公司能够从政府手中收购铁路线路。虽然此举给这些公司带来了一些财务困难，但公司的收入在长期内大幅增加。例如，日本中央铁路和日本东部铁路的年营业收入分别在 1998 年达到约 100 亿美元和 169 亿美元，远远超过政府的预测。此外，私有化对铁路和飞机之间的竞争产生了积极影响，日本铁路公司不断推出新型列车，配备了新的设施，包括为想要休息的乘客提供的静音房间，为会议提供的隔间房间，以及为个人电脑提供的电源插座，以赢得竞争。

新干线的特点

网络

私有化后，日本国有铁路公司被完全拆分为六家客运铁路公司和一家货运铁路公司。此外，为了长期处理债务和资产，政府决定成立日本国有铁路结算公司。日本东部铁路和日本西部铁路在 1998 年的乘客数量最多。年营业收入统计数据也表明，这些公司通过将基础设施所有权与运营相结合获利。

新干线高速铁路包括七条线路，分别是东海道线、山阳线、上越线、东北线、山形线、秋田线和北陆线，总长度为 2167 公里。东海道新干线长 552 公里，于 1964 年建成，是第一条新干线高速铁路，目前由日本中央铁路公司运营。1975 年，新干线的第二条线路，即山阳线投入运营，长度为 553 公里，是最大的线路。这条线路由日本西部铁路公司监控。日本东部铁路公司运营着另外四条线路，总长度约为 829 公里。东北线和山形线分别于 1991 年和 1992 年开通；而秋田线和北陆线均于 1997 年开通。

为了吸引更多乘客，新干线将平均列车延误时间缩短至每列车仅 24 秒。此外，该系统提供了多种选择，如地铁、单轨铁路、特快列车和自动导向交通系统，将乘客运送到主要车站或从主要车站接走乘客。例如，在东京站，约有 730 万乘客乘坐总长 238 公里的地铁网络，高峰时段的间隔时间仅为两分钟。

建设成本

表 2 显示了新干线的建设成本。根据表 2，东北线和上越线的建设成本明显高于其他线路。1992 年，谷口进行了一项研究，调查了新干线铁路的建设成本。这项研究表明，在日本，开挖、路堤、桥梁和隧道等基础设施发展建设高速铁路的成本最高。例如，山阳线总成本的 58% 用于基础设施发展，尤其是桥梁和隧道的建设。山阳线（新大阪至冈山之间）每项开支和基础设施成本的比例由之前的研究估计得出。结果表明，超过 80% 的基础设施成本用于建造铁路高架桥和隧道。新干线系统比法国的高速铁路、德国的新线和西班牙的西班牙高速铁路等其他高速铁路系统更加昂贵。原因可能是日本的地价和独特的地形，增加了为直线铁路建设隧道和桥梁的建设成本。

表 2 新干线建设成本

线路	年份	总成本（亿美元）	公里	每公里成本（百万美元）
东海道	1964	0.92	558	1.6
山阳	1975	2.95	626	4.7
东北	1985	11.02	539	20.4
上越	1985	6.69	336	19.9

优势和劣势

本研究部分旨在简要概述新干线的影响。子弹列车最常见的影响可以分为四大类：1）流动性，2）环境，3）经济成本，以及 4）空间和区域。研究表明，运营高速交通系统不仅会吸引新乘客，还会促使其他服务使用者显著转向这种交通方式。例如，在法国开通高速列车的头几年，铁路运输的比例从 40% 飙升至 72%，而航空和机动车辆交通的模态份额分别下降了约 24% 和 8%。人们也进行了广泛的研究，以调查高速铁路对环境的影响。总的来说，进行的研究表明，高速列车系统比其竞争对手，即飞机、公路和传统铁路服务更加环保。然而，这项技术也因环境损害而不断受到批评，包括视觉破坏、高耗电量、噪音污染，以及产生二氧化硫 (SO2) 和氮氧化物 (NOx) 污染。此外，许多研究已经调查了世界各地高速列车系统的建设成本。最终结果表明，高速铁路的基础设施成本与运行的桥梁和隧道数量、土地和劳动力成本以及穿过市中心的成本呈正相关。

市场定位

Nagashima 在他的著作《利基市场营销：60 个成功案例》中介绍了四种创造需求进而开发新产品的策略。他提到，新干线成功地迅速获得了利基市场并吸引了人们的注意。来自世界各国的铁路工程师纷纷称赞新干线为“一项伟大的创新”。而日本铁路官员则回应道：“不，它不是一项创新，而是许多小改进一项一项累积的结果。”

市场份额与竞争

新干线仅仅在开通的头几年就取得了市场上的成功，并因此影响了城市的社会人口特征。首先，客运量在不到十年的时间里翻了四倍。新干线每年节省了约 4 亿个小时的旅行时间。研究发现，高速交通铁路的发展与人口增长之间存在正相关关系。例如，Hirota 在 1985 年指出，拥有高速交通铁路的城市和没有被该服务经过的城市的的人口增长率分别约为 1.6% 和 1%。这项研究还表明，在拥有高速交通车站的城市，批发、零售、工业和建筑领域的就业增长率比没有高速交通车站的城市高出约 16-34%。另一方面，1997 年的一项研究认为，高速交通线路对人口增长没有显著影响，先前研究中所选日本城市的人口增长预计与高速交通线路无关。在经济增长方面，所有先前研究都表明，继高速交通开通之后，东京和大阪的旅游业、服务业和就业岗位显著增加。例如，大阪、神户和京都的就业岗位在 1955 年至 1970 年间增长了 35%。

日本拥有 120 万公里铺装道路。然而，由于容量不足、收费高速公路以及高油价，私人车辆出行方式在日本人中并不流行，尤其是在跨区域出行时。因此，新干线轻松超越了其竞争对手。另一方面，日本拥有约 175 个机场，包括羽田机场、成田国际机场、关西国际机场和中部国际机场。羽田机场是亚洲最大的国内机场和第二繁忙的机场。名古屋港也是日本最大和最繁忙的港口，约占日本贸易额的 10% 。因此，大量的研究试图调查新干线与航空服务之间的竞争。在能耗方面，新干线每乘客每公里消耗 30 瓦时电力，是航空服务效率的六倍。研究还表明，高速铁路在中等距离内比航空或传统铁路交通方式更快。然而，高速铁路在非常短或非常长的行程中并没有显著的优势。航空和传统铁路交通方式分别使人们能够快速完成长距离和短距离的旅程。一项研究试图找出高速铁路比飞机和传统铁路表现更好的界限距离。结果表明，高速铁路在不到 150 公里的距离内比传统铁路略有优势；而对于 150 到 400 公里的行程，高速铁路比航空旅行和传统铁路交通方式都表现更好。最后，在 800 公里以上的距离内，航空旅行明显快于高速交通铁路。2014 年，一项专门研究分析了新干线在其他可用交通方式中的市场份额，发现在日本国内市场也获得了类似的结果。该研究的最终结果表明，对于不到 500 公里的行程，航空和铁路旅行的份额分别约为 5% 和 53%。另一方面，对于更长的距离，城际客运市场份额与短距离完全不同。对于超过 1000 公里的行程，铁路交通的份额约为 5%，而航空旅行的客运市场份额接近 93%。

总的来说，结果表明，大多数人选择新干线而不是航空服务往返大阪和东京。其原因可能在于更便宜的交通票价、更好的车站可达性、可靠的时刻表以及东海道线安全可靠的运营。

定量分析

介绍

本研究的主要目的是调查日本新干线子弹列车的生命周期。为此，我们采用单变量线性回归模型和 S 曲线分析来识别系统的诞生、增长和成熟阶段。本文的其余部分将简明扼要地说明研究方法和最终模型的结果。

回归模型

回归模型的首次应用可以追溯到 1877 年，当时 Galton 研究了父母和子女的身高之间的相关性。然后，这种方法由 Pearson 发展成为统计概念。尽管 Galton 使用回归分析来强调回归平均值，但在近几十年来，回归分析一词则集中于建模并考察变量之间的关系。

回归模型广泛应用于工程、物理、经济学、管理学、生命科学、生物学和社会科学领域，用于估计和预测。可以说，回归分析是统计技术中最常用的方法之一。等式 1 显示了多元回归模型中内生参数和外生参数之间的相关性。在该等式中，Yi 是观察值 i 的因变量或响应变量，X 是解释变量或预测变量，β 是偏回归系数向量，ui 定义为随机扰动项。

Yi=β0+ β1X1i+ β2X2i+…+ βkXki + ui (1)

这些模型被称为线性回归模型，因为它们在参数（即β）上是线性的。在这些模型中，β系数是未知的，可以通过不同的方法估计，例如普通最小二乘法和最大似然法。在普通最小二乘法中，最佳拟合模型是使观测Y与模型估计值之间的差的平方和最小化的模型。最大似然法通过估计未知参数来估计，使观测到给定Y的概率最大。

数据

本研究试图在旅客公里数和年份变量之间找到一个简单的相关性和最佳拟合。因此，本研究采用了单变量线性回归分析，主要是因为其扎实的理论基础。从三个主要来源收集了汇总信息（表 3），以解释半对数回归模型中旅客公里数的份额。鉴于新干线运输自私有化以来一直由三家主要公司运营，统计数据是分两步收集的。为了获得私有化前的旅客公里数数据，第一步使用了日本国有铁路的年度报告。在第二阶段，从东日本铁路、中央日本铁路和西日本铁路公司的概况资料中获取了所需数据，这些公司是在私有化后成立的。

表 3 模型中使用的解释变量

年份	旅客公里数（百万）	年份	旅客公里数（百万）	年份	旅客公里数（百万）	年份	旅客公里数（百万）	年份	旅客公里数（百万）
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

模型和结果

旅客公里数的函数由公式 2 给出。在这个公式中，t 是观测年份，t0 是拐点时间，K 是饱和状态水平，b 是系数。为了估计K 和b 参数，采用单变量线性回归，如公式 3 所示。在这个公式中，X 是观测年份，Y 由公式 4 给出。

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

Y = bX + c (3)

Y = LN(旅客公里数/(K-旅客公里数)) (4)

为了找到模型的最佳拟合，应用了许多回归模型，并对K 进行了多次试验。统计 t 检验用于拒绝特定变量不影响旅客公里数份额的零假设。还使用调整后的 R 平方统计量来评估每个模型的总体拟合优度。调整后的 R 平方值在 0 和 1 之间波动，值越大，模型的解释力就越大。最终模型（表 4）是在将年份作为唯一自变量进行估计的，并且根据饱和状态水平等于 88,400 百万。本研究中实施的经典正态线性回归建模方法也基于一些关键假设。只有在模型正确指定、残差服从正态分布、残差具有同方差且残差不存在自相关的情况下，结果才有效。采用半对数公式是为了在一定程度上避免规范偏差。此外，在 Kolmogorov-Smirnov 检验中，残差服从正态分布的零假设没有被拒绝。根据最终结果，新干线列车的生命周期变量见表 5。

表 4 最终回归模型

变量	系数	标准误差	t 检验
年份	0.0865	0.004	19.81
常数	-171.429	8.689	-19.73
调整后的 R 平方	0.88	-	-
观测次数	50	-	-

表 5 新干线特性的生命周期

参数	值	单位
诞生年份	1964	年份
饱和状态水平	88,400	百万
拐点时间	1980-1982	年份
成熟年份	2016	年份

图 1 显示了 S 曲线分析，以更好地了解新干线的生命周期。

S 曲线分析：成熟生命周期

图 1 S 曲线分析