运输部署案例集/2018/欧盟高速铁路 (HSR)
高速铁路 (HSR) 已成为多年来的关注焦点。高速列车的首次试验发生在 1903 年，在德国佐森和马林费尔德之间进行了试验运行，火车速度达到 210 公里/小时。日本是最早意识到高速铁路潜力的国家，他们在 1964 年开通了新东海道线，直到 1981 年，欧盟 (EU) 的第一条线路才开通，即法国的 TGV（高速列车），从巴黎到里昂[1]。
高速铁路没有统一的定义，因为有许多不同的组成部分。然而，高速可以由基础设施（为高于 250 公里/小时的速度设计的新线路，在某些情况下为高达 200/220 公里/小时速度的现有线路）、车辆、运行条件和设备来定义[2]。
高速铁路最初是为城际旅行而创建的。对于法国来说，当 TGV 投入使用时，这意味着能够在城市之间通勤。但它也使旅客能够以比飞机更低的价格在城市之间移动。随着时间的推移，它开始包含旅游市场。当前的高速铁路市场之所以出现，是由于时间、频率、成本和环境方面的以下优势。
当旅程时间小于 4 小时时，高速铁路系统比空中交通更强大，这在图 1 中可以观察到。这是因为不需要办理登机手续和安检，也不需要离开城市到达机场。因此，高速铁路系统对这些路线产生了重大影响。巴黎-斯特拉斯堡的 TGV 线就是一个例子；当开通时，火车旅行时间从 4 小时缩短到 2 小时 20 分钟。在 5 个月的时间里，火车的市场份额从 35% 上升到 60% 以上[3]。
高速铁路网络可以根据需求轻松修改，以便在必要时提供更多频繁的连接，例如在高峰时段。而航空运输通常必须提前计划，无法进行最后一分钟的调整。这种额外的灵活性对高速铁路来说非常有效[4]。
当比较高速铁路和航空运输在竞争路线上的成本时，高速铁路通常比航空旅行更便宜。以巴黎到阿姆斯特丹的高速铁路路线为例，火车的价格最低为 110 美元，而飞机的豪华经济舱价格为 463.20 美元（这条路线没有经济舱）[5]。
高速铁路使用电力运行，因此在能源供应方面非常灵活。这种供应目前来自化石燃料、非化石燃料和可再生能源的混合，具体取决于高速铁路的位置。德国就是一个例子，目前该国的电力来自固体燃料 (54%)，这导致了大量的碳排放[4]。然而，与航空运输不同的是，高速铁路可以完全转向可再生能源，并能快速适应其他能源，而航空运输目前只能使用化石燃料[6]。高速铁路目前的主要碳排放来自项目的建设阶段，但如果使用可再生电力来源，则有可能实现碳中和。
在高速铁路出现之前，欧盟使用过多种交通方式进行长途旅行。在欧盟范围内使用的交通方式包括航空、传统铁路、公共汽车和汽车。可以看出这些交通方式的局限性。虽然传统铁路、公共汽车和汽车价格低廉，但速度慢且耗时，航空运输价格昂贵（相对来说），虽然比其他方式耗时更短。当时，市场正在寻求一种既快速又比航空运输便宜的交通方式。随着日本高速铁路新干线（“子弹列车”）的出现，这种市场需求得到了满足。
高速铁路的实施需要专家的合作。在高速铁路领域，由于多年来对各种方案可行性的测试，以及日本高速铁路新干线的经验，已经积累了大量的专家。但该系统还需要制定国际标准。欧盟委员会已发布了该系统的指令和标准，特别是在通信领域。
高速铁路所需的技术包括对轨道、信号和列车供电的改进。虽然如上所述，还有一个合作方面是必要的，而这在日本高速铁路中是不必要的。
为了使高速列车保持高速行驶，需要满足某些要求，这些要求可以在表 1 中看到。
| 轨道要求 | 解释 |
|---|---|
| 曲率半径 | 曲率半径越大，列车行驶速度越快。在德国，通过对轨道的加强，曲率半径减小了，但所需的轨距倾斜度更大。 |
| 曲线上的轨距倾斜度 | 为了减轻外轨的侧向力，从而减少乘客的不适，外轨被抬高。但这需要进行优化，因为轨道上的交通流量不同。 |
| 最大坡度 | 这取决于交通流量。如果只有高速铁路使用轨道，那么如果能保持高速，坡度可以更陡。 |
| 垂直曲线，以及坡度底部和顶部的过渡。 | 如果过渡太小，乘客会感到不舒服。 |
为了解决这个问题，需要更强的材料，特别是在德国减少曲率的情况下。曲线的轨距倾斜度需要进行许多新的计算，尤其是在轨道混合使用的情况下。
早在 20 世纪 30 年代，人们就对高速行驶时的信号可见性表示担忧[7]。然而，当涉及到欧洲网络时，多个列车控制系统的存在造成了很多问题，跨境铁路货运的平均速度为 16 公里/小时[8]。为了解决这个问题，需要对这些系统进行改造，使其相互协调。这是通过欧洲铁路运输管理系统 (ERTMS) 完成的。ERTMS 具有两个基本组成部分：欧洲列车控制系统 (ETCS) 和 GSM-R 无线电系统。ETCS 是一个自动列车防护 (ATP) 系统。ETCS 显示信号，而驾驶员实际上不必观察列车外部的信号。ETCS 是安全系统发展的最新阶段，从最初的时间表制系统发展到“闭塞系统”，再到国家 ATP 系统[8]。ERTMS 系统有三个运行级别，这些级别的描述可以在表 2 中找到。
| 级别 | 描述 |
|---|---|
| 1 | - 连续监督列车运行 - 轨道和轨道边的非连续通信 - 需要线路信号 - 列车检测由轨道边设备执行 |
| 2 | - 连续监督列车运行 - 连续通信（由 GSM-R 提供）在轨道和轨道边之间 - 线路信号可选 - 列车检测由轨道边设备执行 |
| 3 | - 连续监督列车运行 - 轨道和轨道边的连续通信 - 线路信号不需要 |
高速列车的信号系统，可以更新现有的铁路基础设施，如 ERTMS 的第一级。这可能会造成问题，因为这些信号是为速度较慢的车辆设计的，因此不允许为了满足高速列车所需的更长的停车距离而进行更改。因此，高速铁路需要开发能够解决这个问题的制动器。制动系统的最初设计包括真空制动器，后来改为气压制动器，最后改为盘式制动器。一旦采用盘式制动器，制动应用方式就有了不同的设计。然而，在 TGV 的情况下，一个盘式制动器是不够的，需要五个制动器来确保快速减速[7]。
在运输和其他领域，存在一个生命周期，在本例中是一个运输方式。生命周期的四个阶段是：诞生阶段、增长阶段、成熟阶段和衰退阶段。这个生命周期遵循 S 曲线。高速铁路目前处于增长阶段，尚未达到成熟阶段。这可以在定量部分看到，也可以在下面的增长部分看到，它显示了欧盟目前正在建设的高速铁路轨道。
当高速铁路被引入欧洲时，需要制定政策来确保高速铁路安全有效地运行。许多政策都是从传统列车的前身模式中借鉴而来。这些政策在这一阶段的系统中占了大部分，特别是在铁路管理和运营方面。还需要对传统铁路的一些政策进行更新，以满足高速铁路的需求。这些政策变化包括更新那些关于设计和建设的政策。这些政策主要是由政府制定的。
高速铁路的增长导致了欧盟委员会的参与，因为互动从内部（基于国家政府）转向外部，因为网络开始与其他国家连接。随着网络开始连接，出现了诸如轨距差异和信号系统差异等问题。这就是 ERTMS 被引入的地方，这个系统在技术进步部分有描述。
此外，在这个阶段出现的另一个问题是项目的资金问题。随着项目规模越来越大，政府不一定能负担整个项目。因此，PPP（公私合作）开始作为解决方案出现，尽管这仍然处于发展阶段。这些 PPP 将为私人和公共组织提供知识、诀窍和财务优势的共享[6]。
欧盟高速铁路网络的增长仍在继续，这可以在下面的表 3 中看到，许多项目将在未来几年内完工。正如欧洲议会 2015 年的简报中所述，欧盟承诺到 2030 年将现有高速铁路网络的长度增加三倍[10]。
| 国家 | 线路 | 长度 (km) | 运营开始时间 |
|---|---|---|---|
| 丹麦 | 哥本哈根-林雪斯 | 56 | 2018* |
| 德国 | 奥芬堡-里格尔（巴塞尔） | 39 | 2029 |
| 斯图加特-温德林根 | 57 | 2021 | |
| 布吉根-卡岑堡隧道（巴塞尔） | 12 | 2021 | |
| 温德林根-乌尔姆 | 60 | 2021 | |
| 拉施塔特隧道 | 17 | 2022 | |
| 西班牙 | 蒙福特德尔西德-穆尔西亚 | 62 | 2018 |
| 维多利亚-毕尔巴鄂-圣塞瓦斯蒂安 | 175 | 2022 | |
| 莱昂-阿斯图里亚斯帕哈雷斯变体 | 50 | 2019 | |
| 博巴迪利亚-格拉纳达 | 109 | 2018 | |
| 萨莫拉-奥伦塞 | 224 | 2019 | |
| 意大利 | 热那亚-米兰（托尔托纳） | 67 | 2020 |
| 奥地利 | 伊布斯-阿姆施泰滕 | 17 | |
| 格洛格尼茨-穆尔茨舒拉赫 | 27 | 2024 | |
| 格拉茨-克拉根福特 | 110 | 2024 | |
| 布伦纳轴线 | 64 |
*欧洲统计手册中所述的完工日期为 2017 年，已修订为 2018 年[12]
如上所述，技术遵循 S 曲线形状的生命周期。这可以用来确定技术目前处于哪个阶段。这是通过关于高速铁路轨道长度的数据对欧洲高速铁路进行的，这些数据可以在表 5 中看到。这些数据是从欧盟委员会的 2017 年统计摘要中收集的，其中包含到 2016 年的数据。然后对 2017 年开放的线路进行了研究。
为了获得轨道长度的预测，使用了以下公式。
常数的计算值和变量的描述可以在表 4 中看到。
| 变量 | 描述 | 值 |
|---|---|---|
| S | 轨道长度 | |
| t | 时间 | |
| t0 | 拐点 | 2008.49 |
| K | 轨道饱和水平 | 11,700 |
| b | 系数 | 0.120 |
然后，利用这些数据生成了表 5 中的预测轨道长度数据，并在图 2 中绘制成图表。统计分析结果表明，R 平方值为 0.989，表明拟合度很高，t 统计量值超过 2。但是，这种分析方法存在一个问题。正如前面讨论的，欧盟高速铁路网尚未达到成熟阶段，如增长阶段部分所述。这条曲线旨在代表生命周期的所有阶段，因此它会寻找成熟阶段，无论是否存在。这在图 2 中看到的曲线平台化中可以看出来。因此，结果会发生偏差，因此 K 和 t0 的值将是错误的。
| 年份 | 轨道长度 (公里) |
预测轨道长度 (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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