高速铁路动车组合理配置数量研究

杨华峰，刘昕宇，陆 瑶

（中国铁路经济规划研究院有限公司 规划研究所，北京 100038)

动车组具有安全、高速、高效、环保、便捷等特点。随着我国高速铁路的快速发展，动车组作为现代化的移动装备，在铁路旅客运输中的作用越来越重要。截至2018年底，我国高速铁路营业里程超过2.9 万km，2018年全年动车组完成旅客发送量20.5 亿人，占全国铁路旅客发送量的61%，动车组已经成为铁路旅客运输的主要移动运输装备。根据《中长期铁路网规划》(2016)，我国将构建以“八纵八横”为主通道的高速铁路网，到2030年，高速铁路营业里程将达到约4.5 万km[1]。高速铁路网的规划建设对动车组配置提出了更高的要求。研究不同条件下高速铁路动车组每100 km的合理配置数量，得出高速铁路线路动车组合理配置数量速算参考表，为高速铁路动车组的采购、配置提供高效可行的参考依据。

1 国内外高速铁路动车组配置现状

1.1 我国高速铁路动车组配置现状

我国高速铁路运用动力分散型动车组为主，主要承担旅客运输任务。近年来，我国以动车组为代表的铁路装备制造水平大幅提高，已初步形成具有独立自主知识产权的动车组装备技术体系，技术水平总体上达到世界领先，为高速铁路的快速发展提供了有力的装备保障。我国动车组配置的具体状况如下。

（1）品种类型。我国铁路运用的动车组有和谐号和复兴号2 个系列。2007年4月18日，我国铁路实施第6 次大提速，和谐号动车组列车正式投入运营，主要包括CRH1，CRH2，CRH3，CRH5，CRH6，CRH380 等 车 型。2017年6月26日， 中国标准动车组复兴号正式下线，并率先在京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)实现350 km/h 商业运营，标志着我国高速铁路动车组进入新时代。复兴号系列动车组除了已经投入运营的CR400AF 和CR400BF 外，还有CR300 和CR200 正在研制中。我国动车组主要车型和技术参数如表1 所示。

（2）数量结构。截至2017年底，我国铁路动车组拥有量为2956 标准组，高速铁路每100 km配置动车组数量为11.7 组。300～350 km/h 动车组1705 组，占57.7%；200 ～ 250 km/h 动车组1238组，占41.9%；160 km/h 城际动车组13 组，占0.4%。CRH380 系列动车组数量最多，占比超过50%；复兴号动车组由于投入运营时间较短，占比较低。

表1 我国动车组主要车型和技术参数Tab.1 Main types and technical parameters of high-speed EMU in China

（3）完成客运量。近年来，动车组完成旅客发送量由2007年的0.6 亿人增长到2018年的20.54亿人。动车组完成旅客周转量由2007年的132.78亿人公里增长到2018年的6872 亿人公里。2018年，动车组完成旅客发送量在全国铁路旅客总发送量中的占比达到60.9%，动车组完成旅客周转量在全国铁路旅客总周转量中的占比达到48.6%[2]。我国铁路动车组完成旅客发送量及占比如图1 所示，我国铁路动车组完成旅客周转量及占比如图2 所示。

1.2 国外高速铁路动车组配置现状

日本、法国和德国在高速铁路线网设施、技术装备、运营管理等方面具有较为丰富的经验。分析这些国家在高速铁路发展，特别是动车组配置方面的特点和经验，对研究我国高速铁路动车组配置问题具有积极的借鉴意义。

（1）日本高速铁路新干线。1964年，世界上第一条高速铁路—东海道新干线(东京—大阪)建成并投入商业运营。截至2018年，新干线总营业里程已达到3041 km，在建里程402 km，覆盖北自北海道，南至九州岛的几乎整个日本列岛。日本新干线均为客运专线铁路，最高运营速度均在250 km/h 以上，主要承担大城市之间的长途客流以及大都市地区的通勤客流，在日本铁路旅客运输中具有重要地位。自新干线面世以来，已陆续有16 个系列的新干线动车组投入运营。截至2018年6月，日本拥有动车组车辆4774 辆，为方便与我国对比，按每标准组8 辆折算为597 组，平均每100 km 配置动车组数量为19.6 组，每组年均完成旅客周转量1.65 亿人公里。

图1 我国铁路动车组完成旅客发送量及占比Fig.1 Passenger carried with high-speed EMU and proportion in China

图2 我国铁路动车组完成旅客周转量及占比Fig.2 Passenger turnover by high-speed EMU and proportion in China

（2）法国高速铁路TGV。1983年，法国第一条高速铁路TGV 东南线(巴黎—里昂)建成通车。在此之后，法国陆续修建了大西洋TGV 线(巴黎—图尔/勒芒)、北方TGV 线(巴黎—加来)、地中海TGV 线(瓦朗斯—马赛)和欧洲东部TGV线(巴黎—斯特拉斯堡)。截至2018年，法国已投入运营的TGV 高速铁路里程为2814 km。除属于法国国家邮政局(La Poste)的4 组货运TGV La Poste 动车组外，其余所有TGV 动车组全部归属法国国家铁路公司(SNCF)所有。截至2018年6月，法国共拥有高速动车组车辆4700 辆，按每标准组8 辆折算为588 组，平均每100 km 配属动车组数量为20.9 组，每组年均完成旅客周转量0.84 亿人公里。

（3）德国高速铁路城际特快列车(Inter City Express，ICE)。1991年，250 km/h 高速城际列车试运营。截至2018年，德国新建和改建的高速铁路总里程达到1620 km，在建里程147 km，连接德国多数大城市及周边国家主要城市。目前，德国高速铁路运营速度为300 km/h。德国联邦铁路公司(DB)负责建设运营德国高速铁路，同时也负责德国动车组列车的采购、运用和维护。截至2018年6月，德国拥有高速动车组车辆2307 辆，按每标准组8 辆折算为288 组，平均每100 km 配属动车组数量为17.7 组，每组年均完成旅客周转量0.94亿人公里。

1.3 国内外动车组配置强度比较分析

我国与日本、法国、德国高速铁路动车组配置主要指标比较如表2 所示。日本、法国、德国高速铁路每100 km 配置动车组数量分别为19.6 组、20.9 组、17.7 组，均显著高于我国同期的11.2 组。此外，考虑高速铁路平均客流密度情况，在每组动车组运用效率相同的条件下，高速铁路平均客流密度越高，每100 km 动车组配置数量越大。2016年，我国高速铁路平均客流密度为1010 万人公里/km，法国、德国高速铁路平均客流密度分别为1126 万人公里/km 和950 万人公里/km，与我国比较接近。考虑到法国、德国的每100 km 配置动车组数量显著高于我国，因而法国、德国的高速铁路动车组配置强度明显高于我国。日本高速铁路平均客流密度为1621 万人公里/km，如果按我国高速铁路平均客流密度等比例折算，其每100 km 动车组配置数量参考值为12.2组，仍高于我国水平。由此可知，我国高速铁路动车组配置强度相比上述国家存在一定差距。

2 高速铁路动车组合理配置数量计算

2.1 主要影响因素

（1）线网里程。动车组配置数量应与高速铁路线网里程相适应[5]，二者呈正相关。动车组配置数量不足将制约线网输送能力，无法充分发挥线网的效率和效益；动车组配置数量过多，可能超过线网承载能力，造成装备投资浪费。因此，全国动车组配置数量的测算主要考虑全国高速铁路网规模；对于具体高速铁路项目动车组配置数量的测算，则主要考虑项目建设里程。

（2）运输需求。旅客运输需求是决定动车组配置数量的基础，二者呈正相关。动车组配置数量既应充分满足高速铁路客运需求，保障高速铁路服务品质，又应保障装备运用的效率和效益。对于全国动车组配置数量的测算，主要考虑全国高速铁路旅客周转量；对于具体项目动车组配置数量的测算，则主要考虑项目对应线路的平均客流密度。

（3）线路速度标准。速度目标值是高速铁路线路的重要技术指标。我国高速铁路速度目标值主要包括200 ～ 250 km/h 和300 ～ 350 km/h 等级。线路速度目标值影响配置动车组的型号选择，也影响动车组的配置数量。在其他因素相同的条件下，线路速度目标值越高，列车周转时间越短，需要的动车组配置数量越少。

（4）平均定员。平均定员是指平均每组动车组的席位数。近年来，我国动车组平均定员基本维持在560 人/组左右。例如，CR400 复兴号动车组每组定员为576 人，16 辆长编组的CR400 复兴号动车组为1193 人，CR300 复兴号动车组为613 人。随着复兴号动车组比例逐渐提高，预计将来我国动车组平均定员将小幅增长。

表2 我国与日本、法国、德国高速铁路动车组配置主要指标比较Tab.2 Comparisons of main indexes of high-speed EMU configuration in China with Japan, Germany and France

（5）客座利用率。动车组客座利用率是指运用动车组实际完成的旅客周转量人公里与定员公里的比值，能够直接反映运输服务的供需关系和动车组的运用效率。近年来，我国动车组客座利用率经历了快速增长到逐步稳定的过程。

（6）检备率。动车组检备率是检修和备用动车组组日(全年每日检备动车组组数之和)与全部拥有动车组组日(全年每日拥有动车组组数之和)的比值，它反映了动车组拥有量中由于检修、备用等原因不能上线投入运用的数量比例。近年来，随着我国动车组运用经验的积累和动车组修程、修制改革的推进，我国动车组检备率持续降低。

（7）运输组织模式。目前我国高速铁路主要采用3 种运输组织模式，即2 种速度混跑跨线模式、2 种速度混跑不跨线模式和单一速度跨线模式[6]。不同的运输组织模式对动车组配置具有一定的影响。例如，2 种速度混跑模式中，高速列车比例越高，需要的动车组配置数量越少。

2.2 计算方法

（1）平均运量法。平均运量法是在分析历史年度平均每组动车组完成旅客发送量或周转量的基础上，根据规划年度客运量目标，测算动车组配置数量的方法[7]，测算公式为

或

式中：N为动车组配置数量；m发为规划年度动车组完成旅客发送量；m周为规划年度动车组完成旅客周转量；α发为通过历史年度数据分析拟合得到的动车组完成旅客发送量与其运用组数的比值；α周为通过历史年度数据分析拟合得到的动车组完成旅客周转量与其运用组数的比值；q为动车组检备率。

（2）路网匹配法。路网匹配法是在分析历史年度动车组拥有量与高速铁路规模里程比值关系的基础上，根据规划年度高速铁路规模里程发展目标，测算动车组配置数量的方法，测算公式为

式中：l为规划年度高速铁路规模里程；β为通过历史年度数据分析拟合得到的动车组拥有量与高速铁路规模里程的比值。

（3）日组走行公里法。日组走行公里法是通过动车组日组走行公里指标，测算完成一定旅客周转量条件下动车组的配置数量，其中日组走行公里是指运用动车组的日均走行距离，测算公式为

（4）日均周转时间法。日均周转时间法是通过动车组日均周转时间指标，测算完成一定旅客周转量条件下动车组的需求量，测算公式为

其中

式中：s为区段里程为日均周转时间(动车组平均每天的运行时间)为日均停站等待时间(为动车组平均每天因为始发终到等候而产生的等待时间)[8]；v为旅行速度。

平均运量法和路网规模匹配法计算简单高效，但考虑的因素指标相对单一，测算结果的精确度和可靠性相对较差，通常适用于宏观层面全国动车组配置数量的估算。日组走行公里法和日均周转时间法反映了动车组各类运用效率指标与完成旅客周转量的关系，考虑的因素较为全面，易于对其中特定参数指标取值进行单独分析，因而测算精确度较高，可靠性更强，通常适用于具体线路的动车组需求量测算。考虑到主要研究具体高速铁路线路动车组配置数量问题，因而选取日均周转时间法进行测算。

3 不同条件高速铁路线路动车组合理配置数量分析

3.1 分析方法

不同高速铁路线路的动车组配置数量有较大差异，选取客流密度、线路速度目标值、高中速列车比例等因素，作为影响高速铁路动车组配置数量的条件因素，对每种条件因素进行情况划分，分析确定其他相关参数的取值；利用日均周转时间法对各种条件因素的所有组合情况进行测算，得到不同条件组合情况下高速铁路动车组每100 km 的合理配置数量。

在日均周转时间测算中，将公式⑸等号两边分别除以线路里程后，左边变为单位里程动车组配置数量，右边分子部分变为线路平均客流密度，消去分母中的2 个区段里程，得到以下公式。

式中：n为单位里程动车组配置数量；d为单向平均客流密度。

目前，我国动车组均配属于各铁路局集团公司动车段所，并非配属到高速铁路线路或高速铁路公司，而动车组列车跨线开行的情况十分普遍，动车组的开行范围不局限在某一个区段或某一条线路。因此，测算的高速铁路线路动车组合理配置数量并非该线路区段实际开行的动车组数量，而是在不考虑开行跨线列车的情况下，完成该线路区段范围内客流所需要配置动车组的最少数量。

3.2 条件因素选取

（1）线路平均客流密度。线路平均客流密度是决定动车组配置数量的最重要因素，线路客流密度越大，需要配置的动车组越多。不同高速铁路线路根据其在路网中的地位和作用、所在地区以及开通时间长短等因素的不同，客流密度也存在较大差异。将年均单向客流密度划分为500 万人、1000 万人、1500 万人、2000 万人、2500 万人、3000 万人、3500 万人、4000 万人共8 个参考等级。

（2）线路速度目标值。我国高速铁路速度目标值主要有350 km/h 和250 km/h，其中，350 km/h线路除少量列车达到设计速度外，大多数列车实际最高运营速度约为300 km/h。按旅行速度为最高运营速度的80%折算，这2 种线路列车的旅行速度分别为240 km/h 和200 km/h。

（3）高速列车和低速列车承担客流的比例。大量350 km/h 的高速铁路线路同时存在高速列车(350 km/h)和低速列车(250 km/h)。高速列车和低速列车承担客流的比例影响动车组配置数量。考虑4 种不同速度等级列车承担客流比例，分别为①全为高速列车，没有低速列车；②高速列车80%，低速列车20%；③高速列车60%，低速列车40%；④高速列车和低速列车各占50%。

3.3 其他参数取值

（1）平均定员和检备率。根据对近年来统计数据的分析，按平均定员567 人/组，检备率20%测算。

（2）客座利用率。对于投产时间较短、客流密度较低的线路，应适当下调客座利用率目标，保持相对富余的列车服务频次，吸引和培育客流；而对于客流密度较高、能力趋紧的繁忙线路，应适当上调客座利用率目标，充分发挥线路能力，最大限度满足客流需求。因此，客座利用率的选取60% ～ 80%。不同客流密度水平对应的客座利用率取值如表3 所示。

（3）日均周转时间。目前，我国大多数高速铁路的运营时段是7 : 00—23 : 00 (共16 h)。由于实际运行图的铺画在早、晚两端形成天窗“三角区”，因而动车组实际运行交路时间长度通常小于16 h。根据目前动车组日均周转时间的大致水平，按11 h计算。

（4）日均始发终到等候时间。日均始发终到等候时间是指1 d 内担当多个车次的动车组在相邻2 个车次间的等候总时间。在合理安排动车组交路的前提下，日均始发终到等候时间通常取决于区段交路长度，区段交路越长，始发终到的作业次数越少，日均始发终到等候时间也就越短。例如，北京西至昆明南的交路较长，几乎没有因为动车组折返导致的时间浪费；而京津城际铁路(北京南—天津)的交路较短，动车组折返产生的在站停留时间占全天总运营时间的近50%。日均始发终到等候时间的取值可以根据动车组1 d 内担当车次数量进行估算，如担当2 个车次需要等候0.5 h，担当3 个车次需要等候1 h，此处按1 h 计算。

3.4 测算结果

通过对条件因素进行选取和划分，确定其他相关参数的取值，不同条件下高速铁路动车组合理配置数量可以利用日均周转时间法进行测算。例如，单向客流密度为1000 万人公里/ km，在350 km/h 线路上，由高速车担当80%客流，低速车担当20%客流，高速铁路线路每100 km 配置动车组数量为8.1 组/100 km。每100 km 配置动车组数量的可以使用以下公式计算

根据此方法，测算不同条件因素组合情况下高速铁路线路动车组合理配置数量，得到不同条件下高速铁路线路动车组合理配置数量速算参考表如表4 所示。

表4 不同条件下高速铁路线路动车组合理配置数量速算参考表Tab.4 Quick calculation reference table of reasonable quantity allocation of high-speed EMU under different conditions

4 结束语

随着我国高速铁路网不断发展完善，合理配置动车组数量可以加强高速铁路固定设备与活动设备的运能适配，使高速铁路运输能力得到充分的发挥。研究给出了单位运营里程的动车组合理配置数量，用于指导铁路运营企业优化动车组的采购决策，提升动车组的配置与运用效率效益，对铁路运力资源的集约配置和有效利用具有积极的意义。但是，采用日均周转时间法考虑的因素相对比较简单，测算结果的准确性取决于日均周转时间、日均停站等待时间等参数取值。为此，高速铁路动车组合理配置的研究，还需要在实践中不断深化和完善，改进测算方法，修正参数取值，加强在新建高速铁路项目前期工作中的推广应用，提高动车组配置投资估算的合理性和科学性。