第一节 高速铁路的技术经济特点

从历史的角度看，高铁系统的出现有三个原因。首先，为了克服常规路线输送能力有限的问题，需要一些新投资和更有效的解决方案。这是日本东海道新干线和法国TGV东南线出现的根本原因。同样，韩国、中国（包括台湾）也有同样的问题。其次，高铁是为了提高常规线路上特别慢的部分的速度而设计的，由于巨大的成本和较低的轨道交通技术使这些线路无法提高速度，德国的高铁正是这种情况。最后，高铁是提高较远地区可达性的方式，最显著的例子是贯通大阪和福冈的山阳新干线及第一条西班牙AVE路线：马德里—塞维利亚。

一 速度的弹性

人们习惯把高铁看作一种技术概念，从而用最大速度来定义它。高速铁路一般是指运行速度在200公里/小时以上的铁路，是由适合高速运行的基础设施、固定设备、移动设备，完善且科学的安全保障系统和运输组织方法等有机结合起来的庞大系统工程，是当代高新技术的综合集成。对于新建线路来说，速度必须达到250公里/小时，对于在传统线路上改造升级的高铁线路，速度要达到200公里/小时，在升级线路中，如果受到地势或城镇规划的影响，速度要适应这些影响。理论上讲，以速度定义可以涵盖所有提供高铁服务的铁路设施。但实际上，速度并不是最好的指示器，因为商业速度是有限制的。比如，在人口稠密的地区，或者有高架桥和隧道的地方，高铁的速度就达不到规定的要求。因为在人口稠密区，必须要降低噪声和事故发生率，而在有高架桥或者隧道的地方，出于安全考虑，速度必须控制在160～180公里/小时。

高铁和普通铁路的工程原理是一样的，即路轨提供一个非常平滑和坚硬的轨面，火车在上面行驶时会产生最小的摩擦和能源消耗，但是传统铁路和高铁在技术上是不同的。从操作系统角度来看，传统铁路靠的是外部（电子）信号灯和自动化的信号系统，而高铁可以通过在驾驶室里操作来完成。如我国新建高铁使用CBTC（基于无线通信的列车自动控制系统）来控制高铁运行，CBTC的突出优点是可以实现车－地之间的双向通信，并且传输信息量大，传输速度快，很容易实现移动自动闭塞系统，大量减少区间敷设电缆，减少一次性投资及减少日常维护工作，可以大幅度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等。

二 高铁成本的复杂性

修建高铁需要一种特别技术，要排除一切限制铁路速度达到250～300公里/小时的技术障碍。这种技术包括道路平面交叉、高速度下的急停和急转弯。有时候，还需要新的信号机制和更强大的电力系统。同时，在一些联合开发的模式中，还需要开发连接和专用轨道，以便不与货车和慢车一起使用路轨。这些通用的设计特点并不适用于所有的高铁项目，正相反，由于不同的高铁项目使用的技术不同，所以高铁建设成本也是不同的。根据UIC（2005），建设高铁主要有以下3种成本：①规划和土地价格，包括可行性研究、技术设计、其他（法律和行政费、许可证、营业证等），约占总投资成本的5% ～10%。②基础设施建设费，包括与地势准备和站台修建相关的成本。一般占总投资的10% ～25%，在一些特殊情况下（比如高架桥、隧道），成本要占到40% ～50%。③上层建筑成本，包括路轨、信号系统、受电弓、电气化机制、通信和安全设施。约占总成本的5% ～10%。尽管任何项目中都包含这三种成本，但是不同项目中所占的比例是不同的。根据UIC（2006），可以划分为5种高铁建设类型：①与其他高铁线路分离的大走廊，比如马德里—塞维利亚段AVE; ②网状的、完整的大走廊，比如巴黎—里尔段的建成使巴黎—里昂段完整融入法国高铁网；③对已存在的走廊的微小扩展或补充，比如马德里—托莱多、里昂—瓦朗斯；④大型项目，比如欧洲隧道、the Grand Belt、墨西哥跨海大桥；⑤在传统铁路网上建造的小型项目，比如德国或者意大利。

高速铁路投入运营之后，还会发生基础设施的运营成本和机车车辆的运营成本。基础设施的运营成本主要是其使用和维护成本；高铁线路维护成本包括5种类型：路轨维护、电力成本、信号成本、通信成本和其他成本。这些成本中有一些是固定的，采用符合技术和安全标准的操作路径。另外一些，比如路轨的维护，成本决定于路轨使用的频率；同样，电子牵引装置和受电弓的成本，取决于经过的列车数量。根据五个欧洲国家（比利时、法国、意大利、荷兰和西班牙）的成本信息，总体来说，基础设施和路轨的维护成本占到总成本的40% ～67%，信号成本在高铁成本中占到10% ～35%，高铁单根路轨的维护成本，为28000～33000欧元/公里。机车车辆的运营成本可以分为4种主要类型：转轨成本列车操作成本（主要是人力成本）、全部车辆的维护成本，以及设备、能源和经营成本。设备、能源和经营成本最终取决于经营者对于交通量的预期；其他三种取决于列车所采用的技术。在欧洲，几乎所有国家都有自己的技术体系，来解决本国的交通问题。比如，法国用TGV Re′seau和Thalys来提供国际服务，但是在1996年引进了TGV duplex，它具有双倍的运力。在意大利用的是ETR－500和ETR－480；西班牙高铁使用的是AVE；德国高铁有5种类型：ICE－1、ICE－2、ICE－3、ICE－3 Polycourant和ICE－T。每种高速列车都有不同的技术特点，比如长度、构造、集成、重量、能量、牵引、倾斜特点等。如果不考虑车型的话，转轨费用取决于总站与分站之间的距离，以及火车停在总站的时间。平均来说，每个座位的成本是53000欧元。对于一条500公里的高铁线路，假设满负荷，每个座位每公里列车的运营和维护成本为41.3（500×0.0776+500×0.005）欧元（法国双层高铁）到93欧元（德国ICE－20）。

不过在对高速铁路建设成本和运营成本等有影响的各种因素中，高速铁路的建设模式也在一定程度上发挥重要作用。一般认为，世界高铁有四种开发模式（颜颖等，2012）。第一种：独占开发模式。高速铁路和传统铁路是完全分离的。例如，日本新干线。日本现存的传统铁路是窄轨，轨距是1.067米，已经达到它的容纳能力，所以要修建适合高铁的新路轨，高铁标准轨距是1.435米。这种模式最主要的好处就是，传统铁路和高铁的市场运营是分离的，当日本国家铁路公司（Japan National Railways, JNR）在1987年破产的时候，完整的高铁服务以及设施就可以实现民营化。当然也存在例外，日本新干线并没有达到最大时速，因为有些地段还保留了原有的窄轨，为的是可以和传统火车共同使用，以减少土地占用成本。另外，在东京、大阪这些地方，高铁也要放慢速度等车、让车。第二种：混合高速模式，高速列车既可以在新建线上行驶，也可以在改造升级的传统线路上行驶。例如，法国高铁TGV。这种模式的优点就是减少了铁路建设成本。第三种：混合传统模式，普通火车在高铁线路上行驶。例如，西班牙AVE，一种可以适应这两种铁路的技术应用到火车上，这种模式的最大特点是节省了车辆的购置成本和维护成本，并且普通火车也可以在某一高铁线路上提供服务。第四种：全混合模式，运行两种以上速度等级的列车，高速列车与普通客车甚至快运货物列车混行。例如，德国ICE、意大利（罗马—佛罗伦萨）高速火车，它们白天使用升级后的传统铁路，晚上普通货车使用。这样就弥补了基础设施的维护成本。

高速铁路的环境成本也是不可忽视的，其主要取决于技术的选择和运用。高铁的基础设施建设或是服务运营都会产生环境成本，包括土地占用、屏障效应、视觉侵入、噪声、空气污染，以及对全球变暖的影响。考虑到污染，高速火车排放的污染气体数量取决于在给定旅行中的能源消耗，空气污染产生于高速火车中的电力装置。众所周知，高铁是比私家车或是飞机都要环保的交通工具。高铁的初步能源消耗如果换算成汽油消耗，是每百人公里2.5升（汽车和飞机分别是6升和7升）。同样，每百人公里的二氧化碳排放量，飞机是17吨，私家车是14吨，而高速火车是4吨。节能减排一直是日本新干线最重要的运营组织管理内容之一，主要手段是更新节能车辆。以东海道JR为例，该线路所连接的日本三大都市圈的面积占日本全部国土的24%以上，人口占59%左右，GDP占65%左右，绝对是日本的交通大动脉。1964年成立后，从210公里/小时的0系车辆开始，依次更新了220公里/小时的100系、270公里/小时的300系、285公里/小时的700系、300公里/小时的N700系车辆。其中节能车辆是指300系、700系和N700系车辆，称为第二代车辆。它们主要采用了车体轻量化、车体倾斜系统、电力再生等技术手段。东海道JR通过节能车辆的更新，取得了明显的节能减排效果（孙启鹏等，2011）。火车噪声很大程度取决于所采用的技术。大体上，高速铁路产生的噪声就是轮轨噪声，虽然高速火车的声音在80～90分贝，但是在城市地区，这已经算噪声污染了。根据计算，如果速度在280公里/小时，而噪声控制在55分贝（这个值是可以容忍的），那么就得需要150米的隔音走廊。建设这个隔音走廊是要成本的。比如巴黎—里昂线对经过的临近城镇带来了噪声问题，而公众对此普遍埋怨，因此导致需要建设大量隔声屏来降低对周边居民的影响。

三 高铁环境问题的固有性

与普通列车发出的噪声不同，高速列车由于采用了无砟轨道，消除了车轮与轨道摩擦时产生的噪声，但它的噪声反而远远高于过去的普通列车，原因就在于它运行速度快。高速铁路线路一般通过许多大中城市，人口稠密，噪声污染应是高速铁路对城市环境产生影响的最为主要的问题。表3－2统计了不同列车速度下产生的噪声大小，速度越快，产生的噪声越大。

高速铁路沿线地区主要铁路噪声污染源是列车运行噪声和各段、所动车组检修、整备作业以及高噪声固定设备等。其中，高速铁路列车高速运行中的空气动力性的噪声所占的比例较大。鉴于高速铁路噪声的来源和特点，噪声的防止需要从运行的高速列车的声学性能、城镇的规划布局等方面考虑，选择声学性能优良的高速列车，在高速列车通过的地区尽量避免建立居民区、学校、医院等敏感功能区，建立隔离防护屏障等。噪声污染的治理主要包括拆迁转移，设立声屏障、绿化林带、隔声墙等措施，根据高速铁路建设时期在沿线勘测点测量的噪声和振动数据分析可知，医院、学校和敬老院等地区噪声数据超标率为100%，居民住宅区平均为70%，可见高速铁路噪声污染是不可忽视的环境问题。

高速铁路振动会干扰人们的日常生活，如影响居民的睡眠、休息和学习。由于振动与人的生活息息相关，长期处于振动环境中还会导致身体疾病。夜晚不运行的高速铁路，对沿线居民的睡眠情况影响相对较小。除了对人的影响外，振动还会影响精密设备和仪器的正常使用，甚至会对建筑物造成损害。尽管环境振动不会像地震和爆炸冲击荷载造成建筑物的倒塌，但仍然可能会对一些古、旧建筑造成较大的危害，甚至会造成破坏。当振动的频率为20～2000赫兹时，将产生噪声，而使环境状况更加恶化。

根据振动水平评价标准，铁路干线两侧即每日车流量不少于20列的铁道外轨30米外两侧的住宅区，其振动水平应该小于80dB。当列车运行速度超过160公里/小时时，其在15米的观测点测到的振动水平已经超过80dB，随着列车速度的增大，振动水平逐步扩大。高速铁路运行的速度远远大于160公里/小时，在距线路外轨30米以外的地区，其振动水平在70～90dB，根据环境监测的数据显示，其超标率室内为30.6%、室外为57.9%。

可见，高速铁路的环境问题主要有振动噪声和电磁波干扰等，其中振动和噪声问题越来越受到公众的关注。高速列车噪声给沿线两侧居民聚居区的生活、学习、工作带来极大的干扰和危害，使许多功能区的噪声超过了标准值，政府对于噪声和振动问题需要多加关注。值得期待的是，高速磁浮交通技术的进一步成熟将为高速度下噪声的处理带来希望。图3－1是距离25米各种列车的声级。

机场周围的噪声污染更为严重。在航空港地区，飞机噪声级高于75 dB（A）地带的面积约50平方公里，还不包括飞机场建筑物和噪声级大于90 dB（A）地带所占用的面积。在噪声污染方面高速铁路相对其他运输方式产生的噪声较小。如法国，距离TGV高速铁路线25米的地带，测得的噪声级是65dB（A），一条每天通过30000辆车的高速公路产生的平均噪声级是75dB（A），即比高速铁路高出10dB（A）。而机场附近的噪声更高，距离飞机跑道300米的地带噪声级则达到100dB（A）。另一方面，由于在运行特性和动态设计方面的提高，新一代高速列车正在降低噪声危害，例如TGV第三代列车比第一代列车减少了8dB（A）的噪声。

四 高铁市场需求的派生性与跨界性

关于高速铁路的需求。自20世纪70年代早期的铁路工程开始进行商业化运营以来，满足需求以及实现营收的高铁被视作成功典型，在许多国家更被看作铁路客运复兴的关键因素之一。由于来自公路运输及空运的激烈竞争，铁路客运曾丢失大量市场份额。比如法国和西班牙，高铁是铁路公司中唯一可以弥补运营成本的业务部分。关于对高铁需求的估计存在很大争议，直到2005年，日本新干线累计实现旅客运输1500亿人次客流量。在韩国，2004年开通的高铁线路仅仅在2年之内便严重打击了国内航空运输部门，年均运输4000万人次旅客。至于欧洲，2005年达到创纪录的170亿人公里。在1994年到2004年期间，交通部门年均增长15.6%，近年来有所下降。除了价格、质量以及收入等需求驱动因素外，这种增长严重依赖高铁的建设。1994～2004年，欧洲高铁发展中份额最大的是法国巴黎—里昂线路，初期为70%，之后下降为55%。法国高铁在巴黎枢纽地带得到了更快发展，其他线路尤其是较老线路，增长不明显。

因此，高速铁路并不能单纯依赖其技术特性自动获取好的市场需求，其交通运输需求的派生性依然存在。而且，鉴于比既有铁路的高成本，高的票价水平是高铁运营部门在政府政策许可条件下的强偏好。如果竞争充分，则高速铁路的竞争优势需要其在票价之外寻求其他提高优质服务的综合手段实现。甚至，通过引领综合交通运输体系、优化结构、提升综合服务质量获取。再者需要关注的是，从铁路土地综合开发的视角，事实上高速铁路发展的时机特别是中国高铁的发展，是与城市化进程紧密联系在一起的，因此，即使高铁项目并没有开工建设，从其进入国家承认的规划或者其他文件开始，其对于周边土地的开发影响已经存在。所以，高铁需求不仅来自运输需求方，更来自有赖于交通设施改善带来巨大外部效益的非运输需求方，此即高铁需求的跨界性。