运输部署案例手册/2018/高速铁路系统（日本）
高速铁路是一种火车系统，可以在特定的网络基础设施内提供快速便捷的访问。高速铁路系统比传统铁路系统快得多。第一个投入运行的高速铁路系统，俗称“子弹头列车”，于 1964 年在日本推出。该系统从其前身发展而来，通过达到更高的速度来提供更短的旅行时间。传统高速列车可以达到 400 公里/小时的速度，而新开发的磁悬浮 (磁悬浮) 列车系统可以达到 600 公里/小时的速度。
新干线始于 1964 年。当时，日本主要的交通枢纽东京和大阪之间每小时只有两列火车完全投入运营。目前新干线系统每天容纳约 285 列高速列车的 360,000 名通勤者，以 270 公里/小时的最大允许速度运行，两座城市之间的总行程时间为 2 小时 30 分钟。新干线被认为是日本乃至全世界最安全的交通方式之一，在其 50 年的服务期内，没有发生过直接的死亡事故。这种高速列车的实施消除了对化石燃料的依赖，从而导致整体碳排放量下降。
高速铁路系统利用电力来达到高速。高速列车利用悬挂式电缆的功能来为系统供电。实施并设计了焊接钢轨的标准轨距轨道以及较大的转弯半径，以支持高速轨道的运行。
关于利用高速铁路系统，有许多激励和抑制因素。下表 1 突出显示了影响全球高速铁路系统发展的一些因素。
表 1：高速铁路系统的优点和缺点。
| 优点 | 缺点 |
| 减少机动车交通量。这将减少道路拥堵。 | 在一些对铁路系统需求较低的人群中，高速铁路系统在经济和技术上是不可证明的或不可行的。 |
| 减少交通排放。由于机动车交通量的减少，碳排放率也会下降。 | 设计和实施成本高昂。现有的轨道、网络和信号系统必须升级。由于其复杂性，高速列车制造起来价格昂贵。 |
| 提高就业机会。更短的通勤时间将扩大这些系统的范围，从而在基础设施内提供连接性，使个人能够寻找就业机会。 | 由于高速铁路的成本高昂，乘客车票价格也会上涨。在日本，一张普通火车票（日间往返票）大约需要 2,000 日元（25 澳元），而一张高速铁路票最高可达 14,000 日元（172 澳元）。 |
| 高速铁路系统基础设施本身将创造许多就业机会。 | 同样由于成本高昂，乘客可能会选择其他交通系统，这将违背新建系统的目的。 |
| 与传统火车系统相比，城际和州际旅行速度更快。出行时间大幅减少。 | |
| 增加通勤者的时间价值。这将为社会或基础设施带来经济效益。 | |
| 统计数据表明，与传统铁路系统相比，这是一种更安全的旅行方式。 |
目前，许多国家已经采用高速列车系统的概念来连接城市、州甚至国家。市场重点已经放在欧洲（如奥地利、比利时、德国、意大利、荷兰等）和亚洲部分地区的主要城市。高速铁路最大的市场位于亚洲人群，如中国和日本。欧洲的高速铁路用于在国际边界之间旅行，而中国主要强调其自身基础设施内的本地运输。
在高速铁路实施之前，日本的交通行业包括利用汽车、传统化石燃料火车、公共汽车和水路运输。由于缺乏矿山和矿产，从国外市场进口化石燃料在日本基础设施中很流行。二战后，引入了电力火车系统，以减轻传统机车系统的负担。由于 1960 年代汽车的普及，日本的交通基础设施在乘客出行选择方面发生了重大转变。这导致了交通污染的增加，因为更多的人选择汽车，从而导致拥堵和日本基础设施的重大经济不利因素。高速铁路系统的概念被认为是解决这个问题的方案。与现有的机车/蒸汽对应物相比，高速铁路系统可以以更快的速度行驶，从而显著减少通勤时间，同时为社会带来生态效益。
岛秀雄是子弹头列车系统的发明者。东京和大阪之间的新干线线路包括一条窄轨，用于特快和停车列车服务。这些轨距后来升级为更宽的轨距，可以支持高速列车。这些轨距连续精密地进行平整，以减少颠簸和摆动。为了给乘客提供更多舒适感，除了密封的窗户（用于隔热）外，还实施了空调系统。利用电力机车为火车供电，而不是由单个机车牵引。与机械制动系统相比，利用电力制动系统被认为“更安全”，因为机械制动系统如果在高速下使用会损坏。然而，电力机车、轨距扩展以及其他与高速列车相关的技术进步似乎非常昂贵。但由于其优点（如第 1 节中所述）超过了其不利因素，因此在日本交通基础设施中，这种系统的设计和实施变得更加有利。随着时间的推移，“子弹头列车”在硬件和软件部门都经历了多次设计和规格变更。下表 2 突出显示了新干线系统的当前发展情况。
表 2：新干线高速列车的技术改进和演变。
| 型号 | 服役年份 | 技术变更 |
| 0 系 | 1964 年 10 月 - 1999 年 9 月 | 1964 年启动的子弹列车系列的初始模型。0 系能够达到 220 公里/小时的最高速度。 |
| 100 系 | 1985 年 10 月 - 2003 年 9 月 | 从 0 系发展而来。100 系包括改进的乘客服务，包括头等舱车厢、私人房间和新的便利设施。最高速度保持在 220 公里/小时。 |
| 300 系 | 1992 年 3 月 - 2012 年 3 月 | 300 系从 100 系发展而来，是新干线列车第二代。300 系最高速度为 270 公里/小时，并采用变压变频控制单元和交流异步电动机。车身外部采用铝合金，使列车比其前身更轻。 |
| 300X 系 | 1995 - 2002 | 300X 用于运行测试，以确定最佳高速列车系统。300X 的最高速度达到 443 公里/小时，远高于当时的 300 系。这些技术知识被用于未来开发 700 系和 700A 系。 |
| 700 系 | 1999 年 3 月 - 至今 | 700 系从 300 系发展而来，并利用了 300X 系测试运行中获得的技术知识。700 系通过升级的空调和便利设施为通勤者提供更多舒适感。截至 2015 年 3 月，最高允许速度为 285 公里/小时，比 300 系提高了 15 公里/小时。 |
| N700 系 & N700A 系 | 2017 年 7 月 - 至今 | 从 700 系发展而来。提高舒适性和效率，通过比其 700 系对应产品低 16% 的能耗来最大限度地提高环境效益，产生的 CO2 排放量约为飞机的 1/12。截至 2015 年 3 月，700A 系的最高允许速度从 270 公里/小时提高到 285 公里/小时。700A 系的部分版本（由山阳制造）达到 300 公里/小时。 |
在 1910 年到 1950 年之间，有轨电车是东京主要的交通方式。随着需求的逐渐增加，人们选择实施火车系统和铁路。东京被选为建设和扩展铁路的主要枢纽。这使得东京及其周边城市拥有充足的铁路网络，而日本其他地区则落后。二战后，人口增长，导致需求增加，现有的铁路系统无法满足这种客运量。因此，通过四倍轨道、高架桥和地铁线路进行了功能性改进。到 1960 年代初，由于汽车技术的进步，火车和地铁的需求下降了。功能性发现促使人们投资于新技术，如高速列车，以减少汽车拥堵。这产生了巨大的影响，因为高速铁路系统由于其效率和经济性而需求量增加，见下图 1，这从长远来看也促进了日本经济的发展。
日本铁路建设、运输、技术机构 (JRTT) 实施了政策，以确保环境的可持续性和保护。在高速铁路系统孕育阶段实施的其他政策包括：有害物质控制、私人铁路建设、噪音污染。
日本的铁路运输网络在基础设施方面取得了显著发展。在日本第一条铁路线路于 1872 年开通后，日本政府缺乏必要的资金。与此同时，私营部门渴望投资于新技术和先进技术的开发和实施。由于这种情况，日本政府改变了其政策（因为最初的政策只允许公共部门运营铁路系统），也允许私人机构建设和运营铁路。到 1900 年代初，私人铁路扩展到 4674 公里，大约是政府铁路线路的 3.5 倍。
虽然日本国内的高速铁路市场仍在增长，但计划进一步发展现有的火车技术。目前，日本的子弹列车由电力驱动。由于磁悬浮技术的进步，已经实施了许多测试模型。磁悬浮系统利用磁悬浮技术推动列车，使其与地面没有任何接触。由于这种方式，没有摩擦，列车可以获得更高的速度。因此，这降低了总体维护成本。磁悬浮列车的制造目前成本很高，市场规模很小。磁悬浮列车因其高效率和复杂性而被认为是高速铁路系统的未来。
对新干线高速铁路系统进行定量分析，以确定高速列车的当前生命周期状态。
使用统计方法构建高速列车客运量（在日本）模型，以观察其孕育、增长和成熟阶段的趋势。使用逻辑函数预测高速铁路市场的一般趋势。获得的结果表明，高速铁路系统的市场仍在增长，并以线性速度增长。如上图 1 所示，1987 年之前的數據无法获得。
S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]
其中，
S(t)；每年乘客数量。
T= 时间（年）
T0;拐点期，达到 0.5K。
K；乘客数量饱和度
b；是一个常数
线性回归模型源自上述逻辑函数，用于估计模型中所示的系数“c”和“b”。
Y = bX + c
通过对逻辑函数进行操作，得出了线性模型的以下参数。
Y= ln[乘客数量/K – 乘客数量]
b= 梯度/系数
X= T，时间（年）
c= 常数，b*t0
图 1：日本高速铁路系统的生命周期模型。
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:High-Speed_Rail_Life_Cycle_Model_-_Japan_1987_-_2016.png
[由于技术原因，无法导入图表，而是创建了上面的超链接。请单击上面的链接以查看生命周期模型]。
对逻辑模型进行操作以得出线性表达式，以确定系统饱和度和系数“b”。
鉴于，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 代表线性回归模型的梯度。
借助 Excel 中的“求解器”功能，对必要的统计和数学操作和计算进行了处理，以估计以下变量的值。
表 3：逻辑参数值。
| 参数 | 值 |
| K（系统饱和度） | 293.8（百万乘客/年） |
| b（系数） | 0.017 |
同时，对于使用的 29 个数据集（每年乘客数量），获得了大约 0.73 的 R2 值。上述数据分析了新干线 0 系（初始模型）从 1987 年起至今的生命周期。由于 1971 年至 1985 年间进行轨道作业，无法获得 1970 年代早期的乘客数据。因此，无法对其孕育阶段进行准确可靠的数据分析。新干线系统生命周期分析从 1987 年至 2016 年进行，因为期间没有数据丢失或缺失。将 1965 年至 1970 年的初始孕育数据纳入模型，但其相应的 R 平方值明显较低（约为 0.53），因此被认为是不可靠的分析。
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