杭南长客运专线速度目标值选择分析

张鹏飞，雷晓燕，高 亮，吴浩存

(1.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室，北京 100044;2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育工程研究中心，南昌 330013)

近年来，高速铁路在我国得到了快速发展。根据铁路中长期规划(2008年调整)［1］，到2020年我国将建成“四纵四横”客运专线主骨架，高速铁路通车里程达到1.6万km以上。

确定适当合理的速度目标值是进行高速铁路客运专线总体规划和设计的前提条件，速度目标值定得过高，则会造成工程建设的浪费，不仅技术上难以达到要求，在运营中也会适得其反，给国家经济带来不必要的损失;反之，速度目标值定得过低，则与国情和路情不符，无法满足日益增长和发展的国民经济的需要，也会使铁路在交通运输领域市场中处于不利地位，降低铁路的市场竞争力。

因此，选择经济合理、符合我国国情路情的速度目标值是影响我国高速铁路客运专线能否正常、平稳发展运作的重要因素之一［2］。

以杭南长客运专线为例，在遵循高速铁路速度目标值选择原则的基础上，通过分析不同速度目标值对技术标准、工程数量和静态投资、旅行时间、动车组购置费以及投资效益的影响，最终给出了杭南长客运专线速度目标值的推荐意见。

1 高速铁路速度目标值的选择原则

1.1 符合中国国情、路情，重视经济效益

铁路项目投资的大小，与我国国情、路情、地域、沿线地质条件、设备配置标准等因素直接相关［3］。速度目标值对高速铁路投资项目的经济效益具有重要的影响。要研究速度目标值与工程投资和运输成本的关系，要研究速度目标值对旅行时间和票价的影响，寻找最大利润点。

客运专线速度目标值的选择要以中国国情、路情作为根本出发点。随着经济的快速发展，社会的不断进步以及人民生活水平的日益提高，人们对旅行的质量要求进一步提高。提高列车速度已经成为人们旅行的客观需要，但限于国内技术水平和经济发展水平，应考虑高速铁路建设项目的技术和经济的可行性。引进国外设备的数量要考虑国家财力可能，国内研制的设备要考虑我国相关产业的技术和工艺水平，不可生搬硬套国外经验方法。

1.2 应使时间目标值具有竞争力

中长距离内，高速铁路的主要竞争对象是公路和航空。航空的旅行时间为三者中最短，公路则最长，但出行附加时间航空最长，铁路的出行附加时间较航空少很多，因此，就出行总时间来讲，高速铁路客运专线在这三者中占有很大竞争优势。高速铁路与公路、航空的市场竞争份额，在其速度目标值下的优势经济运距以及旅客时间价值等都是铁路运营的重要指标，直接关系到高速铁路在市场中的地位。随着旅客时间价值观念的增强，出行时间的长短成为制约旅客选择交通工具的重要因素之一。因此，合理的速度目标值必须在交通运输领域中具有出行时间上的竞争力。

1.3 应考虑环境因素、能耗问题

根据世界各国发展高速铁路的经验，速度目标值越高，列车运行中形成的噪声越大。目前，高速铁路中的环保问题最突出的就是噪声影响。根据国内外相关机构的研究，目前高速铁路主要噪声源是列车车体与空气相对运动产生的摩擦声，以及轮轨间碰撞产生噪声、受电弓与接触网摩擦产生的静电噪声等［4］。速度越高，噪声越大。根据相关研究，当列车速度达到350 km/h及以上时，即使大量增加降噪措施投资，也很难达到规定的标准。

根据相关研究，普通列车的能耗与速度的平方成正比。高速列车的能耗与速度也呈非线性关系，随着速度的提高，能耗也随之增大。20世纪70年代前后，西欧各国根据本国的具体情况，研究出各自的铁路经济速度，其中，英国为230 km/h，法国为280～300 km/h，国际铁路联盟的研究结果则为300～350 km/h。但我国知名两院院士沈志云认为，提速是交通运输永恒的主题，在稠密大气层中，只要不超过时速400 km，都可能在系统优化中找到适当的经济速度［5］。

1.4 兼顾近期市场需求和长远发展

速度目标值的选择要兼顾近远期工程的结合和适应长远技术发展的需要。即基础设施速度目标值和移动设备速度目标值的确定，需要考虑不同的寿命周期成本，兼顾长远和近期利益，谋求最佳经济效益。基础设施速度目标值应该考虑我国铁路的长远发展，而初期移动设备的设计速度可适当降低，以后可根据技术发展情况再逐步提高。

1.5 考虑地区差别

我国疆域辽阔，各地区自然条件和经济发展水平差异很大。不同的自然条件下，速度目标值对工程投资和运营费用的影响不同;不同的经济发展水平下，旅客对交通工具的服务质量要求和对票价的支付意愿不同。因此，速度目标值的选择应考虑区域差别［6］。

2 杭南长客运专线客流特征及时间目标值确定

2.1 杭南长客运专线客流特征

杭南长客运专线是沪昆客运专线的重要组成部分，是华东地区与中南、西南地区联系的客运主通道，客流平均运距达1 200 km。其中7.2%的客流运距小于200 km;50.1%的客流运距介于200～1 200 km;42.7%的客流运距超过1 200 km。本线承担的主要运输任务是中长途旅客的运输任务［7］，不同运距客流比如图1所示。

图1 杭南长客运专线客流运距

从与相邻线网的关系来看，本线与相邻客运专线关系密切，跨线车占总列车数的80%左右，其中绝大多数是与相邻宁杭、沪杭、杭甬、京福、京广和长昆客运专线的交流。

杭南长客运专线的客流构成主要可以分成3个部分，第一部分为杭南长三地之间的直达客流，以杭南长客运专线和航空为主;第二部分为沿线地区对相邻路网的旅客交流;第三部分为沿线各城市间的客流。

2.2 杭南长客运专线时间目标值的选择

对于时间目标值的选择，主要通过对不同运输方式和不同客流特征进行比较而确定。目前杭南长客运专线通道内交通方式已经形成公路、铁路、航空三者互为补充的交通运输格局。三种运输方式根据各自特点，均有特定的竞争优势范围，航空在长途旅行时间上占据优势，公路具有短途便利性优势，铁路以经济性和速度占据中长途客运市场，且随着近年来高速铁路技术的发展，竞争优势范围扩展至200～1 200 km。

杭南长通道沿线上分布有杭州萧山国际机场、义乌机场、衢州机场、南昌昌北国际机场和长沙黄花国际机场，民航比较发达。客机的平均旅行速度(经济巡航速度)取 700 km/h［8］。

杭南长通道沿线主要公路为沪昆高速公路，公路主要的交通工具形式为小汽车和大巴车，小汽车和大巴车的平均旅行速度取90 km/h［9］。

本文航空出行附加时间取3 h，小汽车和大巴出行附加时间取0.75 h;高速铁路附加时间取1 h［10］。研究区域内主要城市之间航空与高速公路出行时间见表1。

表1 主要城市间航空与高速公路出行时间

由表1可以看出，杭州至长沙、南昌运距较长，主要面临航空竞争，航空出行总时间为4.26、3.80 h，杭州至长沙、南昌的铁路出行总时间应不大于或与其接近，才具有竞争力，即时间目标值应控制在3.26、2.8 h以内;南昌至长沙为运距较短，主要面临公路竞争，高速公路出行总时间为4.37 h，南昌至长沙铁路的出行总时间不应大于4.37 h才与公路具有竞争力，时间目标值应不大于3.37 h。

因此，为满足杭南长客运专线主要城市间的时间目标值要求，旅客列车的旅行速度应达到250 km/h以上。速度目标值合理范围选为250～350 km/h，本文主要比较250、300、350 km/h三个速度目标值方案。

3 不同速度目标值对技术标准的影响分析

杭南长客运专线沿线地形以丘陵为主，主要特殊岩土为软土、松软土和膨胀土，不良地质为采空区及岩溶，总体地质条件较好，有利于铺设无砟轨道，各方案均推荐全线铺设无砟轨道。根据《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》和《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》［11］，不同速度目标值所选用的技术标准如表2所示。

表2 不同方案所选用的技术标准

由表2可以看出，速度目标值越高，线间距、最小曲线半径、路基宽度和隧道断面积的取值越大，这是影响工程投资的主要因素;不同速度目标值路基和桥梁工后沉降标准相同。

4 不同速度目标值对工程数量和工程投资的影响分析

从基础设施建设的不同标准来看，不同的速度目标值，对工程投资有很大影响，其主要体现在设计标准的不同而导致工程数量、单价指标、车站设备选择上的差异。本线的工程数量和静态投资见表3，表中数据由勘探设计单位提供。

表3 工程数量和静态投资对照

从表3可以看出，杭南长客运专线速度目标值350 km/h方案较250 km/h方案征地面积增加了423.5亩，拆迁建筑物面积和路基土石方基本持平，桥隧总长增加了3.867 km，静态投资增加67.40亿元，投资增幅6.7%;350 km/h方案较300 km/h方案征地面积增加了198.2亩，拆迁建筑物面积和路基土石方基本持平，桥隧总长增加了2.007 km，投资增加11.92亿元，静态投资增幅1.2%。

上述数据显示，虽然350 km/h方案的工程数量和工程静态投资较另外2个方案都有所增加，但增幅较小，静态投资的增幅远低于京沪高速铁路的研究结果(8% ～11%)。而对于桥、隧、路基等基础设施来说，一旦建成将很难改建，因此建议按照350 km/h方案设计与施工，一步到位。这样不仅可以满足初期近期跨线和本线高中速动车组混跑要求，还为远期进一步提高动车组运行速度打下了基础，并且降低了远期提速的巨额土建投资。

5 不同速度目标值对旅行时间的影响分析

旅行时间是指列车在区段内运行，计入中间车站停车的起停附加时分和中间车站停车时分计算出的区段耗时。计算旅行时间时，按平均200 km间距停车一次考虑，每次停站2 min一次起停车附加4 min［10］。由此计算出杭南长客运专线主要城市间的旅行时间如表4所示。

表4 杭南长客运专线主要城市间旅行时间

杭州与长沙之间属于中长距离，时间目标值控制在3.26 h以内才能与航空运输之间形成竞争，由表4可以看出，杭州到长沙的3种方案中，只有350 km/h方案的旅行时间可以满足时间目标值的要求。与300 km/h和250 km/h两个方案比较，分别节省旅行时间0.6 h和1 h;杭州与南昌、南昌与长沙之间，3种方案旅行时间之间的差值在0.6 h以内，且都满足时间目标值的要求。

6 不同速度目标值对动车组购置费的影响分析

影响动车组购置费用的因素很多，比如动车组运行特性、制造材料、车内装饰、编组数量、运行速度等。本文讨论杭州—长沙区段内开行直达列车时的动车组购置费用。

6.1 开行1对列车需要的动车组底数

开行每对列车所需要的车底数d与旅行速度、始发站停留时间、终到站停留作业时间有关［12］，计算公式如下

式中 T——每天用于行车的实际时间，取T=18 h;

Vl——列车的旅行速度;

ts，tz——列车分别在始发站和终到站的停留时间，根据我国已建成高速铁路客运专线的运营经验，由于客专实施统一调度、运输任务较大，行车密度高，应尽量减少停车作业的时间，ts，tz的取值一般为20～40 min。参考京沪、京广、沪杭客运专线的实际取值，取ts=tz=20 min;

Si——列车在区段上的走行距离;

Lq—— 线路的总长度，Lq=。

以杭州到长沙区段为例，考虑的运输模式为大站直达模式，因此取Si=Lq=883 km，则式(1)可以化简为

由表4可知，杭州到长沙之间3种速度目标值方案对应的旅行速度分别为 Vl=220、260 km/h和294 km/h。将已知数值代入到(2)式中，得到3种不同速度目标值情况下，开行1对列车所需要的动车组车底数目，见表5。

表5 开行1对列车所需动车组车底数

6.2 动车组需要数量

动车组的需要量可以按式(3)(动车组数量不足1列时，按1列计)

式中 M——动车组的需要量;

Ni——第i个区段每天需要开行的列车对数，根据客流预测，杭州与长沙区段内近期N=30对/d，远期N=56对/d;

d——开行每对列车需要的车底数;

a——通过能力储备系数，双线区段一般取 0.16;

将计算得到的d值带入式(3)中，得到不同速度目标值下近、远期的高速动车组需要数量，列于表6。

表6 不同速度目标值下动车组需要量

从表6中不难得出结论，随着速度目标值的提高，动车组的需要量随之下降。原因是，列车的运行速度加快，运行时间也相应减少，当发车间隔时间和始发终到车站作业时间相同的情况下，满足周转的动车组数也就越少。

6.3 动车组购置费

文献［13］根据不同国家的动车组每座单价和速度之间的关系，用数学回归方法拟合出了动车组每座价格与运行速度的公式

式中 P——最高速度为Vmax时的列车每座单价;

Vmax——列车最高运行速度;

P300——最高速度为300 km/h时的列车每座单价。根据推算，P300=14.54万元/座。

我国现在主型动车组型号参数见表7，为了便于比较，动车组均按8辆编组，3种速度目标值的动车组类型分别选择CRH1A、CRH2C和CRH280A。则不同速度目标值对应的动车组购置费如表8所示。

表7 动车组参数

由表8可以看出，250 km/h方案的动车购置费最低，300 km/h方案为最高，350 km/h方案次之，后2种方案的动车购置费相差不大。

表8 不同方案的动车组购置费比较

7 投资效益分析

经济效益的最大化，可以从铁路企业财务和国民经济两个层面进行比较。通过对不同速度目标值方案运营成本、旅行时间节约价值、转移旅客运输费用等经济要素的定量分析，以250 km/h速度目标值方案为基准，对各方案净现金流量差额进行折现，计算累计净现值，选择综合效益最优的方案。计算期采用30年，财务折现率取3%，社会折现率取8%。财务净现值和经济净现值与速度目标值关系见图2。

图2 财务、经济净现值与速度目标值关系

由图2可以看出，财务净现值和经济净现值随着速度目标值的升高而增加，350 km/h速度目标值方案财务净现值和经济净现值均为最大，投资效益最好，300 km/h方案次之。

8 不同速度目标值路网协调性分析

杭南长客运专线是我国“四纵四横”客运网主骨架之一，承担的主要为长途跨线客流，其速度目标值需与相邻客运专线协调一致。相邻的京沪高速铁路、武广、郑西、京石、石武等客运专线速度目标值均为350 km/h及以上，为满足大量的跨线列车运输需求，提高动车组运用效率，提高运输服务运输质量，综合考虑本线宜采用350 km/h及以上速度目标值。另外，京津城际［14］、京沪高速铁路的成功经验表明，我国已经具备了开行350 km/h动车组的各项条件。

9 结语

通过对250 km/h、300 km/h和350 km/h三种速度目标值方案进行对比，得出以下结论。

(1)速度目标值越高，线路所选择的技术标准越高，工程数量和静态投资也随之增大，但增幅不大。

(2)杭州—长沙区段内，随着速度目标值的提高，满足旅客周转的动车组数量减少;250 km/h方案的动车购置费最低，300 km/h和350 km/h两种方案的动车购置费相差不大。

(3)350 km/h方案在节约旅行时间和投资效益2个方面占有明显优势。

杭南长客运专线是我国客运专线网中的主干线，为了吸引客流，提高与高速公路、航空的竞争优势，获得最佳的投资效益，并考虑基础设施的难以改建性，建议杭南长客运专线的速度目标值采用350 km/h。

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