第一節 高速鐵路的技術經濟特點

從歷史的角度看，高鐵系統的出現有三個原因。首先，為了克服常規路線輸送能力有限的問題，需要一些新投資和更有效的解決方案。這是日本東海道新干線和法國TGV東南線出現的根本原因。同樣，韓國、中國（包括臺灣）也有同樣的問題。其次，高鐵是為了提高常規線路上特別慢的部分的速度而設計的，由于巨大的成本和較低的軌道交通技術使這些線路無法提高速度，德國的高鐵正是這種情況。最后，高鐵是提高較遠地區可達性的方式，最顯著的例子是貫通大阪和福岡的山陽新干線及第一條西班牙AVE路線：馬德里—塞維利亞。

一 速度的彈性

人們習慣把高鐵看作一種技術概念，從而用最大速度來定義它。高速鐵路一般是指運行速度在200公里/小時以上的鐵路，是由適合高速運行的基礎設施、固定設備、移動設備，完善且科學的安全保障系統和運輸組織方法等有機結合起來的龐大系統工程，是當代高新技術的綜合集成。對于新建線路來說，速度必須達到250公里/小時，對于在傳統線路上改造升級的高鐵線路，速度要達到200公里/小時，在升級線路中，如果受到地勢或城鎮規劃的影響，速度要適應這些影響。理論上講，以速度定義可以涵蓋所有提供高鐵服務的鐵路設施。但實際上，速度并不是最好的指示器，因為商業速度是有限制的。比如，在人口稠密的地區，或者有高架橋和隧道的地方，高鐵的速度就達不到規定的要求。因為在人口稠密區，必須要降低噪聲和事故發生率，而在有高架橋或者隧道的地方，出于安全考慮，速度必須控制在160～180公里/小時。

高鐵和普通鐵路的工程原理是一樣的，即路軌提供一個非常平滑和堅硬的軌面，火車在上面行駛時會產生最小的摩擦和能源消耗，但是傳統鐵路和高鐵在技術上是不同的。從操作系統角度來看，傳統鐵路靠的是外部（電子）信號燈和自動化的信號系統，而高鐵可以通過在駕駛室里操作來完成。如我國新建高鐵使用CBTC（基于無線通信的列車自動控制系統）來控制高鐵運行，CBTC的突出優點是可以實現車－地之間的雙向通信，并且傳輸信息量大，傳輸速度快，很容易實現移動自動閉塞系統，大量減少區間敷設電纜，減少一次性投資及減少日常維護工作，可以大幅度提高區間通過能力，靈活組織雙向運行和單向連續發車，容易適應不同車速、不同運量、不同類型牽引的列車運行控制等。

二 高鐵成本的復雜性

修建高鐵需要一種特別技術，要排除一切限制鐵路速度達到250～300公里/小時的技術障礙。這種技術包括道路平面交叉、高速度下的急停和急轉彎。有時候，還需要新的信號機制和更強大的電力系統。同時，在一些聯合開發的模式中，還需要開發連接和專用軌道，以便不與貨車和慢車一起使用路軌。這些通用的設計特點并不適用于所有的高鐵項目，正相反，由于不同的高鐵項目使用的技術不同，所以高鐵建設成本也是不同的。根據UIC（2005），建設高鐵主要有以下3種成本：①規劃和土地價格，包括可行性研究、技術設計、其他（法律和行政費、許可證、營業證等），約占總投資成本的5% ～10%。②基礎設施建設費，包括與地勢準備和站臺修建相關的成本。一般占總投資的10% ～25%，在一些特殊情況下（比如高架橋、隧道），成本要占到40% ～50%。③上層建筑成本，包括路軌、信號系統、受電弓、電氣化機制、通信和安全設施。約占總成本的5% ～10%。盡管任何項目中都包含這三種成本，但是不同項目中所占的比例是不同的。根據UIC（2006），可以劃分為5種高鐵建設類型：①與其他高鐵線路分離的大走廊，比如馬德里—塞維利亞段AVE; ②網狀的、完整的大走廊，比如巴黎—里爾段的建成使巴黎—里昂段完整融入法國高鐵網；③對已存在的走廊的微小擴展或補充，比如馬德里—托萊多、里昂—瓦朗斯；④大型項目，比如歐洲隧道、the Grand Belt、墨西哥跨海大橋；⑤在傳統鐵路網上建造的小型項目，比如德國或者意大利。

高速鐵路投入運營之后，還會發生基礎設施的運營成本和機車車輛的運營成本。基礎設施的運營成本主要是其使用和維護成本；高鐵線路維護成本包括5種類型：路軌維護、電力成本、信號成本、通信成本和其他成本。這些成本中有一些是固定的，采用符合技術和安全標準的操作路徑。另外一些，比如路軌的維護，成本決定于路軌使用的頻率；同樣，電子牽引裝置和受電弓的成本，取決于經過的列車數量。根據五個歐洲國家（比利時、法國、意大利、荷蘭和西班牙）的成本信息，總體來說，基礎設施和路軌的維護成本占到總成本的40% ～67%，信號成本在高鐵成本中占到10% ～35%，高鐵單根路軌的維護成本，為28000～33000歐元/公里。機車車輛的運營成本可以分為4種主要類型：轉軌成本列車操作成本（主要是人力成本）、全部車輛的維護成本，以及設備、能源和經營成本。設備、能源和經營成本最終取決于經營者對于交通量的預期；其他三種取決于列車所采用的技術。在歐洲，幾乎所有國家都有自己的技術體系，來解決本國的交通問題。比如，法國用TGV Re′seau和Thalys來提供國際服務，但是在1996年引進了TGV duplex，它具有雙倍的運力。在意大利用的是ETR－500和ETR－480；西班牙高鐵使用的是AVE；德國高鐵有5種類型：ICE－1、ICE－2、ICE－3、ICE－3 Polycourant和ICE－T。每種高速列車都有不同的技術特點，比如長度、構造、集成、重量、能量、牽引、傾斜特點等。如果不考慮車型的話，轉軌費用取決于總站與分站之間的距離，以及火車停在總站的時間。平均來說，每個座位的成本是53000歐元。對于一條500公里的高鐵線路，假設滿負荷，每個座位每公里列車的運營和維護成本為41.3（500×0.0776+500×0.005）歐元（法國雙層高鐵）到93歐元（德國ICE－20）。

不過在對高速鐵路建設成本和運營成本等有影響的各種因素中，高速鐵路的建設模式也在一定程度上發揮重要作用。一般認為，世界高鐵有四種開發模式（顏穎等，2012）。第一種：獨占開發模式。高速鐵路和傳統鐵路是完全分離的。例如，日本新干線。日本現存的傳統鐵路是窄軌，軌距是1.067米，已經達到它的容納能力，所以要修建適合高鐵的新路軌，高鐵標準軌距是1.435米。這種模式最主要的好處就是，傳統鐵路和高鐵的市場運營是分離的，當日本國家鐵路公司（Japan National Railways, JNR）在1987年破產的時候，完整的高鐵服務以及設施就可以實現民營化。當然也存在例外，日本新干線并沒有達到最大時速，因為有些地段還保留了原有的窄軌，為的是可以和傳統火車共同使用，以減少土地占用成本。另外，在東京、大阪這些地方，高鐵也要放慢速度等車、讓車。第二種：混合高速模式，高速列車既可以在新建線上行駛，也可以在改造升級的傳統線路上行駛。例如，法國高鐵TGV。這種模式的優點就是減少了鐵路建設成本。第三種：混合傳統模式，普通火車在高鐵線路上行駛。例如，西班牙AVE，一種可以適應這兩種鐵路的技術應用到火車上，這種模式的最大特點是節省了車輛的購置成本和維護成本，并且普通火車也可以在某一高鐵線路上提供服務。第四種：全混合模式，運行兩種以上速度等級的列車，高速列車與普通客車甚至快運貨物列車混行。例如，德國ICE、意大利（羅馬—佛羅倫薩）高速火車，它們白天使用升級后的傳統鐵路，晚上普通貨車使用。這樣就彌補了基礎設施的維護成本。

高速鐵路的環境成本也是不可忽視的，其主要取決于技術的選擇和運用。高鐵的基礎設施建設或是服務運營都會產生環境成本，包括土地占用、屏障效應、視覺侵入、噪聲、空氣污染，以及對全球變暖的影響。考慮到污染，高速火車排放的污染氣體數量取決于在給定旅行中的能源消耗，空氣污染產生于高速火車中的電力裝置。眾所周知，高鐵是比私家車或是飛機都要環保的交通工具。高鐵的初步能源消耗如果換算成汽油消耗，是每百人公里2.5升（汽車和飛機分別是6升和7升）。同樣，每百人公里的二氧化碳排放量，飛機是17噸，私家車是14噸，而高速火車是4噸。節能減排一直是日本新干線最重要的運營組織管理內容之一，主要手段是更新節能車輛。以東海道JR為例，該線路所連接的日本三大都市圈的面積占日本全部國土的24%以上，人口占59%左右，GDP占65%左右，絕對是日本的交通大動脈。1964年成立后，從210公里/小時的0系車輛開始，依次更新了220公里/小時的100系、270公里/小時的300系、285公里/小時的700系、300公里/小時的N700系車輛。其中節能車輛是指300系、700系和N700系車輛，稱為第二代車輛。它們主要采用了車體輕量化、車體傾斜系統、電力再生等技術手段。東海道JR通過節能車輛的更新，取得了明顯的節能減排效果（孫啟鵬等，2011）。火車噪聲很大程度取決于所采用的技術。大體上，高速鐵路產生的噪聲就是輪軌噪聲，雖然高速火車的聲音在80～90分貝，但是在城市地區，這已經算噪聲污染了。根據計算，如果速度在280公里/小時，而噪聲控制在55分貝（這個值是可以容忍的），那么就得需要150米的隔音走廊。建設這個隔音走廊是要成本的。比如巴黎—里昂線對經過的臨近城鎮帶來了噪聲問題，而公眾對此普遍埋怨，因此導致需要建設大量隔聲屏來降低對周邊居民的影響。

三 高鐵環境問題的固有性

與普通列車發出的噪聲不同，高速列車由于采用了無砟軌道，消除了車輪與軌道摩擦時產生的噪聲，但它的噪聲反而遠遠高于過去的普通列車，原因就在于它運行速度快。高速鐵路線路一般通過許多大中城市，人口稠密，噪聲污染應是高速鐵路對城市環境產生影響的最為主要的問題。表3－2統計了不同列車速度下產生的噪聲大小，速度越快，產生的噪聲越大。

高速鐵路沿線地區主要鐵路噪聲污染源是列車運行噪聲和各段、所動車組檢修、整備作業以及高噪聲固定設備等。其中，高速鐵路列車高速運行中的空氣動力性的噪聲所占的比例較大。鑒于高速鐵路噪聲的來源和特點，噪聲的防止需要從運行的高速列車的聲學性能、城鎮的規劃布局等方面考慮，選擇聲學性能優良的高速列車，在高速列車通過的地區盡量避免建立居民區、學校、醫院等敏感功能區，建立隔離防護屏障等。噪聲污染的治理主要包括拆遷轉移，設立聲屏障、綠化林帶、隔聲墻等措施，根據高速鐵路建設時期在沿線勘測點測量的噪聲和振動數據分析可知，醫院、學校和敬老院等地區噪聲數據超標率為100%，居民住宅區平均為70%，可見高速鐵路噪聲污染是不可忽視的環境問題。

高速鐵路振動會干擾人們的日常生活，如影響居民的睡眠、休息和學習。由于振動與人的生活息息相關，長期處于振動環境中還會導致身體疾病。夜晚不運行的高速鐵路，對沿線居民的睡眠情況影響相對較小。除了對人的影響外，振動還會影響精密設備和儀器的正常使用，甚至會對建筑物造成損害。盡管環境振動不會像地震和爆炸沖擊荷載造成建筑物的倒塌，但仍然可能會對一些古、舊建筑造成較大的危害，甚至會造成破壞。當振動的頻率為20～2000赫茲時，將產生噪聲，而使環境狀況更加惡化。

根據振動水平評價標準，鐵路干線兩側即每日車流量不少于20列的鐵道外軌30米外兩側的住宅區，其振動水平應該小于80dB。當列車運行速度超過160公里/小時時，其在15米的觀測點測到的振動水平已經超過80dB，隨著列車速度的增大，振動水平逐步擴大。高速鐵路運行的速度遠遠大于160公里/小時，在距線路外軌30米以外的地區，其振動水平在70～90dB，根據環境監測的數據顯示，其超標率室內為30.6%、室外為57.9%。

可見，高速鐵路的環境問題主要有振動噪聲和電磁波干擾等，其中振動和噪聲問題越來越受到公眾的關注。高速列車噪聲給沿線兩側居民聚居區的生活、學習、工作帶來極大的干擾和危害，使許多功能區的噪聲超過了標準值，政府對于噪聲和振動問題需要多加關注。值得期待的是，高速磁浮交通技術的進一步成熟將為高速度下噪聲的處理帶來希望。圖3－1是距離25米各種列車的聲級。

機場周圍的噪聲污染更為嚴重。在航空港地區，飛機噪聲級高于75 dB（A）地帶的面積約50平方公里，還不包括飛機場建筑物和噪聲級大于90 dB（A）地帶所占用的面積。在噪聲污染方面高速鐵路相對其他運輸方式產生的噪聲較小。如法國，距離TGV高速鐵路線25米的地帶，測得的噪聲級是65dB（A），一條每天通過30000輛車的高速公路產生的平均噪聲級是75dB（A），即比高速鐵路高出10dB（A）。而機場附近的噪聲更高，距離飛機跑道300米的地帶噪聲級則達到100dB（A）。另一方面，由于在運行特性和動態設計方面的提高，新一代高速列車正在降低噪聲危害，例如TGV第三代列車比第一代列車減少了8dB（A）的噪聲。

四 高鐵市場需求的派生性與跨界性

關于高速鐵路的需求。自20世紀70年代早期的鐵路工程開始進行商業化運營以來，滿足需求以及實現營收的高鐵被視作成功典型，在許多國家更被看作鐵路客運復興的關鍵因素之一。由于來自公路運輸及空運的激烈競爭，鐵路客運曾丟失大量市場份額。比如法國和西班牙，高鐵是鐵路公司中唯一可以彌補運營成本的業務部分。關于對高鐵需求的估計存在很大爭議，直到2005年，日本新干線累計實現旅客運輸1500億人次客流量。在韓國，2004年開通的高鐵線路僅僅在2年之內便嚴重打擊了國內航空運輸部門，年均運輸4000萬人次旅客。至于歐洲，2005年達到創紀錄的170億人公里。在1994年到2004年期間，交通部門年均增長15.6%，近年來有所下降。除了價格、質量以及收入等需求驅動因素外，這種增長嚴重依賴高鐵的建設。1994～2004年，歐洲高鐵發展中份額最大的是法國巴黎—里昂線路，初期為70%，之后下降為55%。法國高鐵在巴黎樞紐地帶得到了更快發展，其他線路尤其是較老線路，增長不明顯。

因此，高速鐵路并不能單純依賴其技術特性自動獲取好的市場需求，其交通運輸需求的派生性依然存在。而且，鑒于比既有鐵路的高成本，高的票價水平是高鐵運營部門在政府政策許可條件下的強偏好。如果競爭充分，則高速鐵路的競爭優勢需要其在票價之外尋求其他提高優質服務的綜合手段實現。甚至，通過引領綜合交通運輸體系、優化結構、提升綜合服務質量獲取。再者需要關注的是，從鐵路土地綜合開發的視角，事實上高速鐵路發展的時機特別是中國高鐵的發展，是與城市化進程緊密聯系在一起的，因此，即使高鐵項目并沒有開工建設，從其進入國家承認的規劃或者其他文件開始，其對于周邊土地的開發影響已經存在。所以，高鐵需求不僅來自運輸需求方，更來自有賴于交通設施改善帶來巨大外部效益的非運輸需求方，此即高鐵需求的跨界性。