交通部署案例集/2018/中国高速铁路
中国高速铁路 (HSR) 指的是时速不低于 250 公里的列车。[1] 中国铁路高速 (CRH) 是世界上最大的高速铁路网络，总长度为 20000 公里。[2] 这一长度远远超过了地球上所有其他高速铁路网络的总和。它连接了数百个城市，覆盖了总人口超过 7 亿的人口。[2] 目前的 CRH 最高速度可达 350 公里/小时。它甚至可以在自动驾驶模式下运行。[3] CRH 的主要目标是有效连接上海、北京等一线城市和其他二三线城市。“一带一路”倡议下，CRH 已销往全球 100 多个国家和地区。2018 年，中国政府签署了价值 180 亿美元的 CRH 合同，比 2015 年增长了 40%。印尼第一条 CRH 的建设工作于 2018 年开始。[4] CRH 在很大程度上增加了行人和物流的次数和频率。它也显著缩短了从一个城市到另一个城市的交通时间。此外，与空中旅行不同，它的运行不受天气影响。
在中国高速铁路系统诞生之前，日本早在 1964 年就拥有了新干线高速铁路。[5] 此外，法国于 1970 年开通了 TGV 高速铁路。这两个国家都远远领先于中国。在中国，向高速铁路的过渡始于 1999 年的秦沈铁路；然而，当时，它的最高速度只能达到 220 公里/小时。这一最高速度没有达到国际铁路联络线 (AGC) 协议中规定的 250 公里/小时的最低速度。[6] 秦沈铁路的局限性是显而易见的。它的速度不足以满足中国发展的需求，也无法满足同期其他国家高速铁路的速度标准。TGV 和新干线高速铁路已经存在了足够长的时间，成为显而易见的最佳选择。但是，由于高速铁路技术在不同国家都是绝密，持续进口高速铁路设备的费用呈指数级增长。如果中国真的想发展交通运输，它必须开始独立地研究和开发自己的高速铁路，而不是依赖其他国家。这种高速铁路技术相对垄断和国家间的竞争，激发了对投资 CHR 的兴趣。在中国开始全面提高现有列车速度的同时，它也开始了一个与川崎等公司合作的列车制造项目。[7] 通过这种技术交流，为独立生产打下了坚实的基础。
中国高速铁路的建成可以被描述为站在巨人的肩膀上。这是因为列车开发中的许多技术都借鉴了其他国家，如法国和日本。和谐号 (CRH) 和复兴号 (CR) 是目前 CHR 网络中使用的两种高速列车。在初始设计阶段，遇到了许多技术难题，不得不克服，其中最重要的是列车结构。当列车速度超过 300 公里/小时时，列车遇到的阻力几乎完全来自空气。[8] 在先进的 CAD 技术和风洞实验的帮助下，提出了一些理论上最优的形状，最终形成了圆形子弹形状。子弹形车头是流线型的，可以降低空气阻力。[9] 这种空气动力学优化的列车结构强度更高，更光滑，隔音效果更好。和谐号 (CRH) 采用了世界一流的先进技术，如轻量化铝合金车身、高速转向架、高速受电弓和集成光纤网络控制。[9] 更具体地说，列车车身由大块空心铝制成，因此每个车身重量仅为 7 吨。[9] 值得注意的是，列车的轻量化设计已达到先进水平，具有优越的节能环保性能。
为了构建一个真正互联的网络，轨道表面必须绝对平坦。任何不平坦的表面都会无限放大，导致列车出现不可逆转的后果。[9] 因此，轨道的安装必须无缝。两条钢轨连接在一起，用电流加热到 1000 多度。完成后，它们通过专用车床进行加压永久连接。在这个过程的最后，连接处将有一个平坦的表面，精度在十分之一毫米以内，这是世界轨道焊接行业所能达到的最高精度。[9]
最初，中国高速铁路的诞生目标是瞄准中国市场。它旨在加快现有铁路网络的速度，并建设一个新的高速运输网络，以更快的速度推动国民经济发展。近年来，CHR 在海外市场取得了长足进步。凭借具有成本效益的成功运营经验，CRH 如今约占全球市场份额的 30% 。[10] CRH 的速度范围从 200 公里/小时到 300 公里/小时，这使得 CRH 可以服务于各种市场水平。尽管如此，CRH 建设高速铁路的平均成本是许多其他外国公司收费的一半，同时保持了建设标准。这也吸引了许多来自其他国家的项目，例如美国的 XpressWest 和土耳其的安卡拉-伊斯坦布尔高速铁路。[11] 无论是在国内还是国外，CRH 的销量都证明了功能增强（包括更快的列车速度和更好的质量）在市场发展中发挥着至关重要的作用。
高速铁路带来的间接市场效应难以估计。由于能够替代多种运输方式，高速铁路对航空业的影响更为明显。[12] 根据最新的半年报，中国三大国有航空公司的经营都受到了 CRH 的影响。[13] 例如，北京到上海的航空旅客数量每年下降 9.9% 。[10]
从另一个角度来看，高速铁路的存在促进了区域经济的升级转型。它极大地增加了人员流动，提高了城际物流的效率和质量。它还促进了区域连接，将一线城市与三四线城市联系起来。因此，由于 CRH，更多城市与主流经济框架相连，整个市场因此进一步扩大。
与其他国家相比，中国的高速铁路发展相对较晚，这是由于国力的限制。中国的第一条高速铁路于 2008 年开通。然而，在此之前四年的时间里，中国就开始规划高速铁路网络。2004 年，国务院讨论并通过了第一个“中长期铁路网规划”，其中包括 12000 多公里的高速铁路。 [14] 在同一时期，广州和深圳之间有一列火车以 200 公里/小时的速度行驶。在接下来的三年里，由于中国对高速铁路缺乏了解，它花费了大量的资金和精力从国际上借鉴和学习新的高速铁路技术。经过一段时间的学习，中国选择了最适合采纳和发展的高速铁路技术。 [15] 在此期间，合资企业发明了 CRH1 和 CRH2 系列的“和谐号”列车，最高时速为 250 公里/小时。2007 年，第一列国产时速 300 公里的“和谐号”动车组列车（CRH2-300）完成。然后，在 2008 年，中国第一条高速铁路正式投入运营，通过 120 公里长的铁路连接北京和天津。仅仅一年后，在 2009 年，中国高速铁路网增加了 900 公里。然而，更令人震惊的是，到 2010 年，CRH 的总长度已达到 8000 公里。 [15] 从那时起，中国高速铁路继续快速发展。
高速铁路票价仍然与 1997 年铁道部制定的相关票价政策相挂钩。 [17]
例如
特等座票价 = 0.2805 x (1+10%) x 1.8 x 里程
商务座票价 = 0.2805 x (1+10%) x 3 x 里程
此外，CRH 票据有效期仅限当天。票价折扣的最低限额不得低于公布票价的 60%。每位成年旅客可以携带一名身高不超过 1.2 米的儿童。当儿童超过一人时，应为多余的儿童购买儿童票。
高速铁路的建设肯定会对环境和周边居民产生影响。因此，尤其是在一开始，就出现了许多反对的声音，因为人们还没有感受到高速铁路带来的便利。许多市民的抱怨包括：高速铁路轨道侵入了他们的社区；轨道占用私有土地，阻碍了生物多样性；以及高速铁路造成其他环境污染，包括振动、噪音、空气和视觉。 [18] 为了有效解决高速铁路造成的环境问题，并平息公众的焦虑，中国政府建立了一套法律体系。“三同时”原则（主体工程和污染防治设施同步设计、同步建设、同步投入使用）和环评（环境影响评价）是高速铁路建设的前提。 [18] 在实际层面，环境保护措施已纳入高速铁路规划。环境保护部还发布了，如果六个类别（噪声、辐射影响、选址不当、环评报告未更新、环评公众参与缺失以及对熊猫保护区的环境影响）之一发生重大变化，则需要进行二次环评。 [18]
将 2011 年至 2018 年的时间范围归类为“增长期”的原因是，京沪高速铁路于 2011 年正式投入使用。它连接了中国的金融中心和政治中心。它也承载了全国高速铁路人口的八分之一。因此，在 2011 年之后，中国的高速铁路开始增长。在此期间，高速铁路网络从 8894 公里扩展到 28500 公里。到 2017 年底，它占全球高速铁路网络长度的 66%。 [19] 同时，CRH 的大部分业务发生了转移，70% 的车票和商务交易发生在线上。 [18] 此外，2017 年投入使用了被称为“复兴号”的更加现代化的列车。“复兴号”列车具有更低的空气阻力和更高的安全标准，这使其能够以更快的速度行驶。同时，海外市场也对 CRH 列车开放，越来越多的国家开始进口 CRH 列车。
此外，2011 年发生的温州动车事故，给蓬勃发展的 CRH 敲响了警钟。这起事故造成 40 人死亡，200 多人受伤。 [20] 经调查，事故原因是设计缺陷和管理疏忽。这起事件的直接后果是，最初打算出口的 CRH 技术被迫停止。此外，政府宣布了一项新政策，出于安全考虑，CHS 列车的速度将从 350 公里/小时降至 300 公里/小时。
同年，高速铁路集团也出现了腐败问题。高速铁路预算中近 3000 万美元被挪用。 [20] 这是对已经饱受丑闻困扰的 CRH 的又一次重大打击。从 2011 年到 2017 年，CRH 经历了各种艰辛和政策变化，但随着时间的推移，它们逐渐稳定下来。
中国从来没有过市场经济。包括高速铁路在内的公共服务设施一直由政府垄断。因此，高速铁路行业内部没有明显的行业竞争，因此市场稳定。正在同时发明新型列车，以便 CRH 集团能够与其他国家保持同步。
2018 年，CRH 的速度恢复到 350 公里/小时。虽然高速铁路在中国仅存在 10 年，但其扩张速度超过了其他任何国家在同等时间段内的扩张速度。到 2020 年，CRH 网络将覆盖中国 80% 的城市，里程将达到 3 万公里。到 2025 年，CRH 的里程将达到 3.8 万公里，到 2030 年，将达到 4.5 万公里。它已经是世界上最大的高速铁路网络，但很显然，中国还有更大的雄心壮志。 [20]
以下显示了原始数据以及每个对应年份的预测市场规模。由于中国的高铁自 2008 年以来只存在了 10 年，因此数据的时域相对较短。
| 年份 | 市场规模 里程（公里） |
预测市场规模 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：收集的原始数据和市场规模
表 1 中的上述数据用于估计一个三参数逻辑函数，如下所示。它用于预测数据的趋势。
(1)
其中
· S(t) 是状态度量（每年里程）
· t 是年份
· t0 是拐点时间（达到 ½ k 的年份）
· K 是饱和状态水平
· b 是系数
K 和 b 将通过回归分析进行估计
此外，方程 1 被推导出线性形式，以估计 K、b 和 t0 的值。方程式如下所示。
y = bX + c (2)
在开始时，K 的值是随机分配的。但必须确保 K 大于原始数据中的最大值。在本例中，28500 公里是最大的数据，因此初始 K 设置为 28600。总共列出了 20 个 K 值，以诱导出具有最大 R 平方的 k 值。
通过使用 RSQ 函数，发现 k 等于 29200 将导致最大的 R 平方。（图 2）此外，通过回归分析找到了 b 和 t0 的值，其中 t0 = 截距 / (-b)。表 2 显示了每个变量的获得值的摘要。
| 变量 | 价值 |
| K | 29200 |
| b | 0.6925 |
| R 平方 | 0.8842 |
| t0 | 2013.5 |
表 2：相应变量的值
0.88 的 R 平方值表明对曲线的拟合一般。然而，从生成的 S 曲线来看，预测的 CHR 里程与实际里程趋势并不十分吻合。造成这种特定结果的原因有很多。
1) 缺乏足够的数据。CHR 仅运营了 10 年，因此时域太小，无法反映里程的正确趋势。此外，样本量太小，任何异常值都会对最终结果产生重大影响。例如，2008 年的 120 公里里程。它与其他年份的数据相比太小，这会对数据趋势产生很大影响
2) 数据不准确。所有原始数据均来自权威媒体，但并非官方数据。尤其是在数据量较小的情况下，不准确性会被放大。因此，会导致实际里程与预测里程之间的不匹配。
3) 在实践层面，CHS 的增长率非常不寻常。它以指数方式增长。例如，2009 年和 2010 年，里程分别比上一年增长了 890% 和 533%。直到 2011 年，里程增长率才变得相对稳定。这种不寻常的模式使预测趋势与实际趋势不同。
此外，当排除 2008 年和 2009 年的里程数据时，执行了回归分析（图 2）。发现 R 值为 0.933，预测里程图与实际里程图非常吻合。
出生区域定义为图形的第一个 15% 百分位数，成熟区域定义为 85% 百分位数。因此，出生状态定义为 2008 年至 2010 年，成熟状态定义为 2017 年之后。
| 阶段 | 年份 |
| 出生 | 2010 |
| 成熟 | 2017 |
表 3：出生年份和成熟年份
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