高速鐵路動車組合理配置數(shù)量研究

楊華峰，劉昕宇，陸 瑤

（中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 規(guī)劃研究所，北京 100038)

動車組具有安全、高速、高效、環(huán)保、便捷等特點。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，動車組作為現(xiàn)代化的移動裝備，在鐵路旅客運輸中的作用越來越重要。截至2018年底，我國高速鐵路營業(yè)里程超過2.9 萬km，2018年全年動車組完成旅客發(fā)送量20.5 億人，占全國鐵路旅客發(fā)送量的61%，動車組已經(jīng)成為鐵路旅客運輸?shù)闹饕苿舆\輸裝備。根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016)，我國將構(gòu)建以“八縱八橫”為主通道的高速鐵路網(wǎng)，到2030年，高速鐵路營業(yè)里程將達到約4.5 萬km[1]。高速鐵路網(wǎng)的規(guī)劃建設對動車組配置提出了更高的要求。研究不同條件下高速鐵路動車組每100 km的合理配置數(shù)量，得出高速鐵路線路動車組合理配置數(shù)量速算參考表，為高速鐵路動車組的采購、配置提供高效可行的參考依據(jù)。

1 國內(nèi)外高速鐵路動車組配置現(xiàn)狀

1.1 我國高速鐵路動車組配置現(xiàn)狀

我國高速鐵路運用動力分散型動車組為主，主要承擔旅客運輸任務。近年來，我國以動車組為代表的鐵路裝備制造水平大幅提高，已初步形成具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的動車組裝備技術(shù)體系，技術(shù)水平總體上達到世界領(lǐng)先，為高速鐵路的快速發(fā)展提供了有力的裝備保障。我國動車組配置的具體狀況如下。

（1）品種類型。我國鐵路運用的動車組有和諧號和復興號2 個系列。2007年4月18日，我國鐵路實施第6 次大提速，和諧號動車組列車正式投入運營，主要包括CRH1，CRH2，CRH3，CRH5，CRH6，CRH380 等 車 型。2017年6月26日， 中國標準動車組復興號正式下線，并率先在京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)實現(xiàn)350 km/h 商業(yè)運營，標志著我國高速鐵路動車組進入新時代。復興號系列動車組除了已經(jīng)投入運營的CR400AF 和CR400BF 外，還有CR300 和CR200 正在研制中。我國動車組主要車型和技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

（2）數(shù)量結(jié)構(gòu)。截至2017年底，我國鐵路動車組擁有量為2956 標準組，高速鐵路每100 km配置動車組數(shù)量為11.7 組。300～350 km/h 動車組1705 組，占57.7%；200 ～ 250 km/h 動車組1238組，占41.9%；160 km/h 城際動車組13 組，占0.4%。CRH380 系列動車組數(shù)量最多，占比超過50%；復興號動車組由于投入運營時間較短，占比較低。

表1 我國動車組主要車型和技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main types and technical parameters of high-speed EMU in China

（3）完成客運量。近年來，動車組完成旅客發(fā)送量由2007年的0.6 億人增長到2018年的20.54億人。動車組完成旅客周轉(zhuǎn)量由2007年的132.78億人公里增長到2018年的6872 億人公里。2018年，動車組完成旅客發(fā)送量在全國鐵路旅客總發(fā)送量中的占比達到60.9%，動車組完成旅客周轉(zhuǎn)量在全國鐵路旅客總周轉(zhuǎn)量中的占比達到48.6%[2]。我國鐵路動車組完成旅客發(fā)送量及占比如圖1 所示，我國鐵路動車組完成旅客周轉(zhuǎn)量及占比如圖2 所示。

1.2 國外高速鐵路動車組配置現(xiàn)狀

日本、法國和德國在高速鐵路線網(wǎng)設施、技術(shù)裝備、運營管理等方面具有較為豐富的經(jīng)驗。分析這些國家在高速鐵路發(fā)展，特別是動車組配置方面的特點和經(jīng)驗，對研究我國高速鐵路動車組配置問題具有積極的借鑒意義。

（1）日本高速鐵路新干線。1964年，世界上第一條高速鐵路—東海道新干線(東京—大阪)建成并投入商業(yè)運營。截至2018年，新干線總營業(yè)里程已達到3041 km，在建里程402 km，覆蓋北自北海道，南至九州島的幾乎整個日本列島。日本新干線均為客運專線鐵路，最高運營速度均在250 km/h 以上，主要承擔大城市之間的長途客流以及大都市地區(qū)的通勤客流，在日本鐵路旅客運輸中具有重要地位。自新干線面世以來，已陸續(xù)有16 個系列的新干線動車組投入運營。截至2018年6月，日本擁有動車組車輛4774 輛，為方便與我國對比，按每標準組8 輛折算為597 組，平均每100 km 配置動車組數(shù)量為19.6 組，每組年均完成旅客周轉(zhuǎn)量1.65 億人公里。

圖1 我國鐵路動車組完成旅客發(fā)送量及占比Fig.1 Passenger carried with high-speed EMU and proportion in China

圖2 我國鐵路動車組完成旅客周轉(zhuǎn)量及占比Fig.2 Passenger turnover by high-speed EMU and proportion in China

（2）法國高速鐵路TGV。1983年，法國第一條高速鐵路TGV 東南線(巴黎—里昂)建成通車。在此之后，法國陸續(xù)修建了大西洋TGV 線(巴黎—圖爾/勒芒)、北方TGV 線(巴黎—加來)、地中海TGV 線(瓦朗斯—馬賽)和歐洲東部TGV線(巴黎—斯特拉斯堡)。截至2018年，法國已投入運營的TGV 高速鐵路里程為2814 km。除屬于法國國家郵政局(La Poste)的4 組貨運TGV La Poste 動車組外，其余所有TGV 動車組全部歸屬法國國家鐵路公司(SNCF)所有。截至2018年6月，法國共擁有高速動車組車輛4700 輛，按每標準組8 輛折算為588 組，平均每100 km 配屬動車組數(shù)量為20.9 組，每組年均完成旅客周轉(zhuǎn)量0.84 億人公里。

（3）德國高速鐵路城際特快列車(Inter City Express，ICE)。1991年，250 km/h 高速城際列車試運營。截至2018年，德國新建和改建的高速鐵路總里程達到1620 km，在建里程147 km，連接德國多數(shù)大城市及周邊國家主要城市。目前，德國高速鐵路運營速度為300 km/h。德國聯(lián)邦鐵路公司(DB)負責建設運營德國高速鐵路，同時也負責德國動車組列車的采購、運用和維護。截至2018年6月，德國擁有高速動車組車輛2307 輛，按每標準組8 輛折算為288 組，平均每100 km 配屬動車組數(shù)量為17.7 組，每組年均完成旅客周轉(zhuǎn)量0.94億人公里。

1.3 國內(nèi)外動車組配置強度比較分析

我國與日本、法國、德國高速鐵路動車組配置主要指標比較如表2 所示。日本、法國、德國高速鐵路每100 km 配置動車組數(shù)量分別為19.6 組、20.9 組、17.7 組，均顯著高于我國同期的11.2 組。此外，考慮高速鐵路平均客流密度情況，在每組動車組運用效率相同的條件下，高速鐵路平均客流密度越高，每100 km 動車組配置數(shù)量越大。2016年，我國高速鐵路平均客流密度為1010 萬人公里/km，法國、德國高速鐵路平均客流密度分別為1126 萬人公里/km 和950 萬人公里/km，與我國比較接近。考慮到法國、德國的每100 km 配置動車組數(shù)量顯著高于我國，因而法國、德國的高速鐵路動車組配置強度明顯高于我國。日本高速鐵路平均客流密度為1621 萬人公里/km，如果按我國高速鐵路平均客流密度等比例折算，其每100 km 動車組配置數(shù)量參考值為12.2組，仍高于我國水平。由此可知，我國高速鐵路動車組配置強度相比上述國家存在一定差距。

2 高速鐵路動車組合理配置數(shù)量計算

2.1 主要影響因素

（1）線網(wǎng)里程。動車組配置數(shù)量應與高速鐵路線網(wǎng)里程相適應[5]，二者呈正相關(guān)。動車組配置數(shù)量不足將制約線網(wǎng)輸送能力，無法充分發(fā)揮線網(wǎng)的效率和效益；動車組配置數(shù)量過多，可能超過線網(wǎng)承載能力，造成裝備投資浪費。因此，全國動車組配置數(shù)量的測算主要考慮全國高速鐵路網(wǎng)規(guī)模；對于具體高速鐵路項目動車組配置數(shù)量的測算，則主要考慮項目建設里程。

（2）運輸需求。旅客運輸需求是決定動車組配置數(shù)量的基礎，二者呈正相關(guān)。動車組配置數(shù)量既應充分滿足高速鐵路客運需求，保障高速鐵路服務品質(zhì)，又應保障裝備運用的效率和效益。對于全國動車組配置數(shù)量的測算，主要考慮全國高速鐵路旅客周轉(zhuǎn)量；對于具體項目動車組配置數(shù)量的測算，則主要考慮項目對應線路的平均客流密度。

（3）線路速度標準。速度目標值是高速鐵路線路的重要技術(shù)指標。我國高速鐵路速度目標值主要包括200 ～ 250 km/h 和300 ～ 350 km/h 等級。線路速度目標值影響配置動車組的型號選擇，也影響動車組的配置數(shù)量。在其他因素相同的條件下，線路速度目標值越高，列車周轉(zhuǎn)時間越短，需要的動車組配置數(shù)量越少。

（4）平均定員。平均定員是指平均每組動車組的席位數(shù)。近年來，我國動車組平均定員基本維持在560 人/組左右。例如，CR400 復興號動車組每組定員為576 人，16 輛長編組的CR400 復興號動車組為1193 人，CR300 復興號動車組為613 人。隨著復興號動車組比例逐漸提高，預計將來我國動車組平均定員將小幅增長。

表2 我國與日本、法國、德國高速鐵路動車組配置主要指標比較Tab.2 Comparisons of main indexes of high-speed EMU configuration in China with Japan, Germany and France

（5）客座利用率。動車組客座利用率是指運用動車組實際完成的旅客周轉(zhuǎn)量人公里與定員公里的比值，能夠直接反映運輸服務的供需關(guān)系和動車組的運用效率。近年來，我國動車組客座利用率經(jīng)歷了快速增長到逐步穩(wěn)定的過程。

（6）檢備率。動車組檢備率是檢修和備用動車組組日(全年每日檢備動車組組數(shù)之和)與全部擁有動車組組日(全年每日擁有動車組組數(shù)之和)的比值，它反映了動車組擁有量中由于檢修、備用等原因不能上線投入運用的數(shù)量比例。近年來，隨著我國動車組運用經(jīng)驗的積累和動車組修程、修制改革的推進，我國動車組檢備率持續(xù)降低。

（7）運輸組織模式。目前我國高速鐵路主要采用3 種運輸組織模式，即2 種速度混跑跨線模式、2 種速度混跑不跨線模式和單一速度跨線模式[6]。不同的運輸組織模式對動車組配置具有一定的影響。例如，2 種速度混跑模式中，高速列車比例越高，需要的動車組配置數(shù)量越少。

2.2 計算方法

（1）平均運量法。平均運量法是在分析歷史年度平均每組動車組完成旅客發(fā)送量或周轉(zhuǎn)量的基礎上，根據(jù)規(guī)劃年度客運量目標，測算動車組配置數(shù)量的方法[7]，測算公式為

或

式中：N為動車組配置數(shù)量；m發(fā)為規(guī)劃年度動車組完成旅客發(fā)送量；m周為規(guī)劃年度動車組完成旅客周轉(zhuǎn)量；α發(fā)為通過歷史年度數(shù)據(jù)分析擬合得到的動車組完成旅客發(fā)送量與其運用組數(shù)的比值；α周為通過歷史年度數(shù)據(jù)分析擬合得到的動車組完成旅客周轉(zhuǎn)量與其運用組數(shù)的比值；q為動車組檢備率。

（2）路網(wǎng)匹配法。路網(wǎng)匹配法是在分析歷史年度動車組擁有量與高速鐵路規(guī)模里程比值關(guān)系的基礎上，根據(jù)規(guī)劃年度高速鐵路規(guī)模里程發(fā)展目標，測算動車組配置數(shù)量的方法，測算公式為

式中：l為規(guī)劃年度高速鐵路規(guī)模里程；β為通過歷史年度數(shù)據(jù)分析擬合得到的動車組擁有量與高速鐵路規(guī)模里程的比值。

（3）日組走行公里法。日組走行公里法是通過動車組日組走行公里指標，測算完成一定旅客周轉(zhuǎn)量條件下動車組的配置數(shù)量，其中日組走行公里是指運用動車組的日均走行距離，測算公式為

（4）日均周轉(zhuǎn)時間法。日均周轉(zhuǎn)時間法是通過動車組日均周轉(zhuǎn)時間指標，測算完成一定旅客周轉(zhuǎn)量條件下動車組的需求量，測算公式為

其中

式中：s為區(qū)段里程為日均周轉(zhuǎn)時間(動車組平均每天的運行時間)為日均停站等待時間(為動車組平均每天因為始發(fā)終到等候而產(chǎn)生的等待時間)[8]；v為旅行速度。

平均運量法和路網(wǎng)規(guī)模匹配法計算簡單高效，但考慮的因素指標相對單一，測算結(jié)果的精確度和可靠性相對較差，通常適用于宏觀層面全國動車組配置數(shù)量的估算。日組走行公里法和日均周轉(zhuǎn)時間法反映了動車組各類運用效率指標與完成旅客周轉(zhuǎn)量的關(guān)系，考慮的因素較為全面，易于對其中特定參數(shù)指標取值進行單獨分析，因而測算精確度較高，可靠性更強，通常適用于具體線路的動車組需求量測算。考慮到主要研究具體高速鐵路線路動車組配置數(shù)量問題，因而選取日均周轉(zhuǎn)時間法進行測算。

3 不同條件高速鐵路線路動車組合理配置數(shù)量分析

3.1 分析方法

不同高速鐵路線路的動車組配置數(shù)量有較大差異，選取客流密度、線路速度目標值、高中速列車比例等因素，作為影響高速鐵路動車組配置數(shù)量的條件因素，對每種條件因素進行情況劃分，分析確定其他相關(guān)參數(shù)的取值；利用日均周轉(zhuǎn)時間法對各種條件因素的所有組合情況進行測算，得到不同條件組合情況下高速鐵路動車組每100 km 的合理配置數(shù)量。

在日均周轉(zhuǎn)時間測算中，將公式⑸等號兩邊分別除以線路里程后，左邊變?yōu)閱挝焕锍虅榆嚱M配置數(shù)量，右邊分子部分變?yōu)榫€路平均客流密度，消去分母中的2 個區(qū)段里程，得到以下公式。

式中：n為單位里程動車組配置數(shù)量；d為單向平均客流密度。

目前，我國動車組均配屬于各鐵路局集團公司動車段所，并非配屬到高速鐵路線路或高速鐵路公司，而動車組列車跨線開行的情況十分普遍，動車組的開行范圍不局限在某一個區(qū)段或某一條線路。因此，測算的高速鐵路線路動車組合理配置數(shù)量并非該線路區(qū)段實際開行的動車組數(shù)量，而是在不考慮開行跨線列車的情況下，完成該線路區(qū)段范圍內(nèi)客流所需要配置動車組的最少數(shù)量。

3.2 條件因素選取

（1）線路平均客流密度。線路平均客流密度是決定動車組配置數(shù)量的最重要因素，線路客流密度越大，需要配置的動車組越多。不同高速鐵路線路根據(jù)其在路網(wǎng)中的地位和作用、所在地區(qū)以及開通時間長短等因素的不同，客流密度也存在較大差異。將年均單向客流密度劃分為500 萬人、1000 萬人、1500 萬人、2000 萬人、2500 萬人、3000 萬人、3500 萬人、4000 萬人共8 個參考等級。

（2）線路速度目標值。我國高速鐵路速度目標值主要有350 km/h 和250 km/h，其中，350 km/h線路除少量列車達到設計速度外，大多數(shù)列車實際最高運營速度約為300 km/h。按旅行速度為最高運營速度的80%折算，這2 種線路列車的旅行速度分別為240 km/h 和200 km/h。

（3）高速列車和低速列車承擔客流的比例。大量350 km/h 的高速鐵路線路同時存在高速列車(350 km/h)和低速列車(250 km/h)。高速列車和低速列車承擔客流的比例影響動車組配置數(shù)量?？紤]4 種不同速度等級列車承擔客流比例，分別為①全為高速列車，沒有低速列車；②高速列車80%，低速列車20%；③高速列車60%，低速列車40%；④高速列車和低速列車各占50%。

3.3 其他參數(shù)取值

（1）平均定員和檢備率。根據(jù)對近年來統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，按平均定員567 人/組，檢備率20%測算。

（2）客座利用率。對于投產(chǎn)時間較短、客流密度較低的線路，應適當下調(diào)客座利用率目標，保持相對富余的列車服務頻次，吸引和培育客流；而對于客流密度較高、能力趨緊的繁忙線路，應適當上調(diào)客座利用率目標，充分發(fā)揮線路能力，最大限度滿足客流需求。因此，客座利用率的選取60% ～ 80%。不同客流密度水平對應的客座利用率取值如表3 所示。

（3）日均周轉(zhuǎn)時間。目前，我國大多數(shù)高速鐵路的運營時段是7 : 00—23 : 00 (共16 h)。由于實際運行圖的鋪畫在早、晚兩端形成天窗“三角區(qū)”，因而動車組實際運行交路時間長度通常小于16 h。根據(jù)目前動車組日均周轉(zhuǎn)時間的大致水平，按11 h計算。

（4）日均始發(fā)終到等候時間。日均始發(fā)終到等候時間是指1 d 內(nèi)擔當多個車次的動車組在相鄰2 個車次間的等候總時間。在合理安排動車組交路的前提下，日均始發(fā)終到等候時間通常取決于區(qū)段交路長度，區(qū)段交路越長，始發(fā)終到的作業(yè)次數(shù)越少，日均始發(fā)終到等候時間也就越短。例如，北京西至昆明南的交路較長，幾乎沒有因為動車組折返導致的時間浪費；而京津城際鐵路(北京南—天津)的交路較短，動車組折返產(chǎn)生的在站停留時間占全天總運營時間的近50%。日均始發(fā)終到等候時間的取值可以根據(jù)動車組1 d 內(nèi)擔當車次數(shù)量進行估算，如擔當2 個車次需要等候0.5 h，擔當3 個車次需要等候1 h，此處按1 h 計算。

3.4 測算結(jié)果

通過對條件因素進行選取和劃分，確定其他相關(guān)參數(shù)的取值，不同條件下高速鐵路動車組合理配置數(shù)量可以利用日均周轉(zhuǎn)時間法進行測算。例如，單向客流密度為1000 萬人公里/ km，在350 km/h 線路上，由高速車擔當80%客流，低速車擔當20%客流，高速鐵路線路每100 km 配置動車組數(shù)量為8.1 組/100 km。每100 km 配置動車組數(shù)量的可以使用以下公式計算

根據(jù)此方法，測算不同條件因素組合情況下高速鐵路線路動車組合理配置數(shù)量，得到不同條件下高速鐵路線路動車組合理配置數(shù)量速算參考表如表4 所示。

表4 不同條件下高速鐵路線路動車組合理配置數(shù)量速算參考表Tab.4 Quick calculation reference table of reasonable quantity allocation of high-speed EMU under different conditions

4 結(jié)束語

隨著我國高速鐵路網(wǎng)不斷發(fā)展完善，合理配置動車組數(shù)量可以加強高速鐵路固定設備與活動設備的運能適配，使高速鐵路運輸能力得到充分的發(fā)揮。研究給出了單位運營里程的動車組合理配置數(shù)量，用于指導鐵路運營企業(yè)優(yōu)化動車組的采購決策，提升動車組的配置與運用效率效益，對鐵路運力資源的集約配置和有效利用具有積極的意義。但是，采用日均周轉(zhuǎn)時間法考慮的因素相對比較簡單，測算結(jié)果的準確性取決于日均周轉(zhuǎn)時間、日均停站等待時間等參數(shù)取值。為此，高速鐵路動車組合理配置的研究，還需要在實踐中不斷深化和完善，改進測算方法，修正參數(shù)取值，加強在新建高速鐵路項目前期工作中的推廣應用，提高動車組配置投資估算的合理性和科學性。