重載鐵路雙向運(yùn)輸效益的評(píng)估研究

張永恒, 張劍鎧, 秦 進(jìn)

(1.中國(guó)神華能源股份有限公司,北京 100011;2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

重載鐵路運(yùn)輸在大宗貨物運(yùn)輸業(yè)務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用,且服務(wù)的貨運(yùn)需求規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。相較于普通鐵路貨運(yùn),重載鐵路運(yùn)輸具有軸重大、牽引質(zhì)量大、運(yùn)量大的特點(diǎn)[1]。目前中國(guó)重載鐵路線路主要完成西煤東運(yùn)的任務(wù),呈現(xiàn)“重去空回”的運(yùn)輸特征[2],在全球能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下,煤炭需求量縮減,由此將導(dǎo)致重載鐵路煤炭運(yùn)輸業(yè)務(wù)量下降,重載鐵路線路運(yùn)力有所富余。

國(guó)家部署的“公轉(zhuǎn)鐵”戰(zhàn)略中明確提出了鼓勵(lì)港口大宗貨物進(jìn)出港采用鐵路方式運(yùn)輸?shù)拇胧?重載鐵路因一端銜接港口、一端深入內(nèi)陸地區(qū),具備承擔(dān)大宗散貨疏港運(yùn)輸業(yè)務(wù)的能力。正向多重車、反向多空車的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀因此有所改變,朔黃鐵路、大秦鐵路、瓦日鐵路等重載線路已開展反方向的非煤貨物運(yùn)輸業(yè)務(wù),開始探索雙向運(yùn)輸模式。

具體來(lái)看,國(guó)家能源集團(tuán)自營(yíng)鐵路朔黃鐵路是中國(guó)西煤東運(yùn)的大通道之一。近年來(lái),朔黃鐵路在天津港和黃驊港利用返程車皮運(yùn)輸鐵礦石,根據(jù)文獻(xiàn)[3]整理得到2017—2019年朔黃鐵路雙向運(yùn)量水平,如表1所示。正向煤炭運(yùn)輸量均在3億t左右,反向鐵礦石運(yùn)量與正向運(yùn)量之比在1%～3%之間。

大秦鐵路是中國(guó)重要的煤運(yùn)專線鐵路,在1992年正式通車后,隨著運(yùn)輸裝備和管理水平的不斷提高,運(yùn)輸能力得到大幅提升,2018年運(yùn)量已突破4.50億t。2019年,大秦鐵路完成貨物總運(yùn)量為4.31億t,其中反向運(yùn)量為1 095萬(wàn)t,反向與正向運(yùn)量之比約為2.61%[4]。

瓦日鐵路是世界第一條按照30 t重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路。瓦日鐵路通過實(shí)施“港內(nèi)礦石裝車+鐵路發(fā)運(yùn)至園區(qū)+卸車+汽運(yùn)配送+返程煤焦套貨入園+煤焦鐵路集港+裝船”的物流新模式,拓展反向運(yùn)輸業(yè)務(wù)。2018年,瓦日鐵路正向運(yùn)輸煤炭等貨物3 410萬(wàn)t,反向運(yùn)輸鐵礦石等非煤貨物364萬(wàn)t[5],反向與正向運(yùn)量之比為10.67%。

中國(guó)重載鐵路雙向運(yùn)輸?shù)男履Ｊ侥壳罢幱谔剿麟A段,線路的雙向運(yùn)量均衡程度較低,多數(shù)線路反向運(yùn)量占正向運(yùn)量比重不足15%,反向有較大的運(yùn)力余量,并且正向運(yùn)量規(guī)模越大的線路,往往雙向運(yùn)輸不均衡性越明顯。

1 重載鐵路雙向運(yùn)輸既有研究綜述

針對(duì)重載鐵路重空車雙向運(yùn)輸組織優(yōu)化、運(yùn)輸效率提升等領(lǐng)域,目前已有學(xué)者開展相關(guān)研究。JING et al[6]將空車分配計(jì)劃與重車車流組織優(yōu)化相結(jié)合,以空重車流在裝車段停留時(shí)間最小為目標(biāo),建立基于車站和線路能力的綜合優(yōu)化模型;ZHANG et al[7]以車輛空駛時(shí)間最小為目標(biāo),建立了重載鐵路空車調(diào)整優(yōu)化模型;XIANG et al[8]綜合考慮重載列車運(yùn)輸需求、設(shè)備容量等制約因素,建立了重載鐵路車流組織優(yōu)化模型,最大限度地減少貨車循環(huán)時(shí)間,提升運(yùn)輸組織效率;耿放等[9]建立了考慮5 000 t單元列車和1萬(wàn)t組合列車的重載鐵路列車開行方案模型,得到了不同方案的成本函數(shù)。以上研究從重載鐵路運(yùn)輸組織入手,提出了車輛周轉(zhuǎn)時(shí)間最短、運(yùn)輸組織效率最高的運(yùn)輸組織方案,為重載鐵路實(shí)際的運(yùn)輸組織方案制定提供理論支撐。

在重載鐵路運(yùn)輸效益方面,目前缺乏綜合考慮正、反向運(yùn)輸效益的雙向評(píng)估體系。現(xiàn)有研究成果中,在交通運(yùn)輸效益評(píng)估體系方面,毛保華等[10]以多式聯(lián)運(yùn)服務(wù)為對(duì)象,提出了考慮各方式運(yùn)輸效率及碳排放的收益測(cè)算方法,明確了聯(lián)運(yùn)涉及的各方式的收益情況。此外,在運(yùn)輸效益評(píng)估方法及應(yīng)用領(lǐng)域,MATUTE et al[11]以經(jīng)濟(jì)效益與碳排放成本為具體指標(biāo),采用成本-效益分析法,評(píng)估了加利福尼亞高鐵和城市交通的總效益;SUN et al[12]通過構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型,評(píng)估了城市公共交通系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的協(xié)調(diào)發(fā)展水平,并得出經(jīng)濟(jì)效益的提高有助于促進(jìn)社會(huì)、環(huán)境效益的提高,使3項(xiàng)效益更加協(xié)調(diào)發(fā)展;SICILIANO et al[13]提出了改進(jìn)的成本效益分析法,從社會(huì)成本和效益的角度評(píng)估了創(chuàng)新型鐵路貨運(yùn)服務(wù)。既有文獻(xiàn)多從宏觀層面評(píng)估鐵路、道路及城市交通系統(tǒng)的綜合運(yùn)輸效益,關(guān)于重載鐵路線路層面的雙向運(yùn)輸效益評(píng)估研究相對(duì)不足,使重載鐵路運(yùn)營(yíng)部門無(wú)法準(zhǔn)確衡量雙向均開行重車情況下的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益水平。

中國(guó)多條重載線路直接延伸至港口,充分具備由港口借助返程車輛回運(yùn)金屬礦石等非煤貨物的運(yùn)輸條件,且為落實(shí)國(guó)家“公轉(zhuǎn)鐵”戰(zhàn)略、助推貨運(yùn)可持續(xù)發(fā)展[14],考慮探索雙向重車的運(yùn)輸模式。在此前提下,建立完善的重載鐵路雙向運(yùn)輸效益評(píng)估體系,研究重載鐵路雙向重載運(yùn)輸模式的發(fā)展策略,對(duì)運(yùn)營(yíng)部門充分利用線路銜接港口的優(yōu)勢(shì)條件和反向的富余運(yùn)力、提升重載鐵路運(yùn)營(yíng)效益具有重要指導(dǎo)意義。

2 重載鐵路雙向運(yùn)輸效益評(píng)估方法

為討論重載鐵路發(fā)展反向運(yùn)輸業(yè)務(wù)后的雙方向效益情況,研究了重載鐵路雙向運(yùn)輸效益評(píng)估方法。從工作流程來(lái)看,重載鐵路的運(yùn)輸效益涉及多個(gè)環(huán)節(jié),主要討論運(yùn)輸環(huán)節(jié),不考慮線路的建設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修環(huán)節(jié)。

重載鐵路雙向運(yùn)輸效益通過雙向綜合效益S來(lái)反饋

S=Sε+Sh

(1)

式中,Sε為經(jīng)濟(jì)效益;Sh為社會(huì)效益。

雙向運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益為正向運(yùn)輸利潤(rùn)與反向運(yùn)輸利潤(rùn)之和

(2)

式中,i為貨物運(yùn)輸方向,i=1、2分別對(duì)應(yīng)正向、反向;Ii為某一方向上的收入;Xi為某一方向上的成本。

正向運(yùn)輸收入I1為托運(yùn)人支付的運(yùn)費(fèi)

I1=p1l1q1

(3)

式中,p1為正向運(yùn)輸單位周轉(zhuǎn)量運(yùn)價(jià);l1為正向平均運(yùn)距;q1為完成的正向貨運(yùn)總量。

相同地,反向運(yùn)輸收入I2為該方向上托運(yùn)人支付的運(yùn)費(fèi)

I2=p2.1l2(1-α)q2+p2.2l2αq2

(4)

式中,p2.1、p2.2分別為一般貨物、高附加值貨物在反向運(yùn)輸中的單位運(yùn)價(jià)率;l2為反向平均運(yùn)距;q2為完成的反向貨運(yùn)總量;α為高附加值貨物占反向貨運(yùn)量的比值。

正向運(yùn)輸成本X1主要包括貨物裝卸成本、運(yùn)輸過程中的固定成本以及與能耗有關(guān)的運(yùn)輸環(huán)節(jié)變動(dòng)成本

X1=a1q1+b1q1+cmax{q1,q2}+d1q1l1

(5)

式中,a1、b1分別為正向運(yùn)輸單位運(yùn)量的裝、卸成本;c為運(yùn)輸環(huán)節(jié)單位運(yùn)量的固定成本;d1為與能耗有關(guān)的單位變動(dòng)成本。特別地,重載鐵路運(yùn)輸模式具有往復(fù)周期性,固定成本由雙向運(yùn)輸中運(yùn)量較大的方向決定。

反向運(yùn)輸成本X2同樣包括了貨物裝卸成本、固定成本及變動(dòng)成本,與正向運(yùn)輸不同的是,除了考慮不同附加值貨物的裝卸成本外,還考慮了部分貨物在中間站卸車的成本

X2=[a2.1(1-α)+a2.2α]q2+[b2.1(1-α)+b2.2α)](1-ω)q2+
[e2.1(1-α)+e2.2α]ωq2+cmax{q1,q2}+d2q2l2

(6)

式中,a2.1、b2.1分別為一般貨物單位運(yùn)量的裝、卸成本;a2.2、b2.2分別為高附加值貨物單位運(yùn)量的裝、卸成本;ω為中間站卸載貨運(yùn)量占反向運(yùn)輸貨運(yùn)量的比值;e2.1、e2.2分別為中間站卸載一般、高附加值貨物的單位運(yùn)量的成本;d2為反向運(yùn)輸過程中的單位變動(dòng)成本。

雙方向的社會(huì)效益主要考慮了環(huán)境效益,具體為重載鐵路大力發(fā)展反向運(yùn)輸后,吸引該方向上部分原本通過公路運(yùn)輸?shù)呢浳?從而降低的二氧化碳排放成本。由于碳排放量與雙向運(yùn)輸利潤(rùn)的量綱并不一致,故考慮通過碳稅值γ(元·(g CO2)-1)將碳排放成本轉(zhuǎn)化為貨幣成本

Sh=γ(Rroad-Rrail)l2q2

(7)

式中,Rroad、Rrail分別為公路、鐵路的貨運(yùn)碳排放因子。

3 重載鐵路反向運(yùn)輸環(huán)節(jié)對(duì)雙向運(yùn)輸效益的影響分析

為使得鐵路運(yùn)營(yíng)部門能夠權(quán)衡發(fā)展重載鐵路反向運(yùn)輸業(yè)務(wù)帶來(lái)的效益,應(yīng)用雙向運(yùn)輸效益評(píng)估方法,討論反向運(yùn)量占正向運(yùn)量比重、反向吸引的貨物對(duì)雙向綜合效益的影響,進(jìn)而為運(yùn)營(yíng)部門提供決策依據(jù)。

3.1 參數(shù)選取

在重載鐵路線路雙向運(yùn)輸效益評(píng)估方法的基礎(chǔ)上,設(shè)置雙向單位運(yùn)價(jià)率、雙向各環(huán)節(jié)單位成本值不變的條件。表2參考相關(guān)文獻(xiàn)給出了評(píng)估方法中所涉及部分參數(shù)的取值。

表2 部分參數(shù)取值

圖1 反向運(yùn)量占比與雙向運(yùn)輸效益的關(guān)系

3.2 反向運(yùn)量占比對(duì)雙向運(yùn)輸效益的影響

中國(guó)多條重載鐵路線路雙向運(yùn)量情況各異,2017—2019年朔黃鐵路反向占正向運(yùn)量比重不足5%,2018年瓦日鐵路反向占正向運(yùn)量比重略高于10%。隨著反向運(yùn)量與正向運(yùn)量比值的提升,雙向運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及綜合效益的變化情況如圖1所示。

由圖1可以看出,各效益值均與反向運(yùn)量呈顯著的正相關(guān),反向運(yùn)量占正向運(yùn)量比重從2%變化至20%,雙向運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益從17.21億元增長(zhǎng)至17.69億元,雙向運(yùn)輸環(huán)境效益從0.05億元增長(zhǎng)至0.48億元,故雙向運(yùn)輸綜合效益從17.26億元增長(zhǎng)至18.17億元。結(jié)合圖1,雙向綜合效益漲幅為5.25%,高于經(jīng)濟(jì)效益的漲幅2.77%,主要原因?yàn)?重載鐵路開始承擔(dān)通道反向上的貨運(yùn)任務(wù)后,鐵路運(yùn)輸方式的環(huán)保優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn),大大改善了公路分擔(dān)率過高導(dǎo)致的環(huán)境污染問題。因此,重載鐵路線路可考慮發(fā)展雙向運(yùn)輸模式,通過下浮運(yùn)價(jià)等策略提升對(duì)反方向上有運(yùn)輸需求的貨物的吸引力,挖掘適運(yùn)的貨物品類,以促進(jìn)重載鐵路運(yùn)輸?shù)木C合效益。

3.3 反向運(yùn)輸貨物價(jià)值對(duì)雙向運(yùn)輸效益的影響

圖2 反向運(yùn)輸中高附加值貨物占比及反向占正向運(yùn)量比重與雙向運(yùn)輸綜合效益的關(guān)系

重載鐵路正向運(yùn)輸?shù)呢浳锲奉愔饕獮槊禾?、焦炭?反方向上主要吸引從港口上水的進(jìn)口金屬礦石等品類,反向運(yùn)輸貨物品類對(duì)應(yīng)的價(jià)值與反向運(yùn)量將影響雙向運(yùn)輸效益,雙向運(yùn)輸綜合效益變化情況具體如圖2所示。

根據(jù)圖2,反向運(yùn)量增加、反向運(yùn)輸中高附加值貨物占比的增加,都利于雙向運(yùn)輸綜合效益的提升。若反向運(yùn)輸中高附加值貨物占比從5%提升至30%,在反向占正向運(yùn)量比重為2%時(shí),雙向運(yùn)輸綜合效益漲幅為0.43%;反向占比擴(kuò)大為20%時(shí),雙向運(yùn)輸綜合效益漲幅為4.18%。故在推進(jìn)重載鐵路雙向運(yùn)輸模式發(fā)展時(shí),若能吸引高于鐵礦石等大宗貨物價(jià)值的品類,可進(jìn)一步促進(jìn)雙向運(yùn)輸綜合效益提升。

4 結(jié)論與對(duì)策

綜上所述,可以得到如下研究結(jié)論:

(1) 當(dāng)前中國(guó)重載鐵路雙向運(yùn)輸模式處于發(fā)展初期,由于有關(guān)重載鐵路雙向運(yùn)輸綜合效益評(píng)估的研究較少,因此運(yùn)營(yíng)部門未能準(zhǔn)確衡量開展反向運(yùn)輸帶來(lái)的效益。本文著重分析了反向運(yùn)輸環(huán)節(jié)中運(yùn)量變化對(duì)雙向運(yùn)輸綜合效益的影響。在設(shè)置的算例中,當(dāng)反向運(yùn)量占正向運(yùn)量比重從2%變化至20%,雙向運(yùn)輸綜合效益提升5.25%。反向運(yùn)輸業(yè)務(wù)的開展,除了利于經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)步增長(zhǎng),還彰顯了鐵路運(yùn)輸方式低碳排放的優(yōu)勢(shì),緩解了原先通道上公路分擔(dān)率過高導(dǎo)致的環(huán)境污染問題。

(2) 進(jìn)一步研究了反向運(yùn)輸?shù)呢浳锲奉悓?duì)雙向運(yùn)輸綜合效益的影響。結(jié)合算例結(jié)果看出,反向占正向運(yùn)量比重為20%,反向運(yùn)輸中高附加值貨物占比從5%提升至30%,雙向運(yùn)輸綜合效益增長(zhǎng)4.18%。高附加值貨物占比提高可改善雙向運(yùn)輸效益,且反向運(yùn)量規(guī)模越大,改善效果越顯著。

綜合來(lái)看,一端銜接內(nèi)陸地區(qū)、一端銜接港口的重載鐵路線路可考慮發(fā)展雙向重載運(yùn)輸模式,鐵路運(yùn)營(yíng)部門可考慮拓展雙向重載運(yùn)輸業(yè)務(wù)覆蓋范圍,挖掘潛力貨物品類,與沿線地區(qū)相關(guān)企業(yè)建立長(zhǎng)期合作關(guān)系,保證穩(wěn)定的反向貨源,以提升雙向綜合效益,利于雙向均衡運(yùn)輸,推進(jìn)運(yùn)輸通道上多產(chǎn)業(yè)互利共贏。