重载铁路双向运输效益的评估研究

张永恒, 张剑铠, 秦 进

(1.中国神华能源股份有限公司,北京 100011;2.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075)

0 引言

重载铁路运输在大宗货物运输业务中发挥着不可替代的作用,且服务的货运需求规模持续扩大。相较于普通铁路货运,重载铁路运输具有轴重大、牵引质量大、运量大的特点[1]。目前中国重载铁路线路主要完成西煤东运的任务,呈现“重去空回”的运输特征[2],在全球能源绿色转型发展趋势的推动下,煤炭需求量缩减,由此将导致重载铁路煤炭运输业务量下降,重载铁路线路运力有所富余。

国家部署的“公转铁”战略中明确提出了鼓励港口大宗货物进出港采用铁路方式运输的措施,重载铁路因一端衔接港口、一端深入内陆地区,具备承担大宗散货疏港运输业务的能力。正向多重车、反向多空车的运营现状因此有所改变,朔黄铁路、大秦铁路、瓦日铁路等重载线路已开展反方向的非煤货物运输业务,开始探索双向运输模式。

具体来看,国家能源集团自营铁路朔黄铁路是中国西煤东运的大通道之一。近年来,朔黄铁路在天津港和黄骅港利用返程车皮运输铁矿石,根据文献[3]整理得到2017—2019年朔黄铁路双向运量水平,如表1所示。正向煤炭运输量均在3亿t左右,反向铁矿石运量与正向运量之比在1%～3%之间。

大秦铁路是中国重要的煤运专线铁路,在1992年正式通车后,随着运输装备和管理水平的不断提高,运输能力得到大幅提升,2018年运量已突破4.50亿t。2019年,大秦铁路完成货物总运量为4.31亿t,其中反向运量为1 095万t,反向与正向运量之比约为2.61%[4]。

瓦日铁路是世界第一条按照30 t重载铁路标准建设的铁路。瓦日铁路通过实施“港内矿石装车+铁路发运至园区+卸车+汽运配送+返程煤焦套货入园+煤焦铁路集港+装船”的物流新模式,拓展反向运输业务。2018年,瓦日铁路正向运输煤炭等货物3 410万t,反向运输铁矿石等非煤货物364万t[5],反向与正向运量之比为10.67%。

中国重载铁路双向运输的新模式目前正处于探索阶段,线路的双向运量均衡程度较低,多数线路反向运量占正向运量比重不足15%,反向有较大的运力余量,并且正向运量规模越大的线路,往往双向运输不均衡性越明显。

1 重载铁路双向运输既有研究综述

针对重载铁路重空车双向运输组织优化、运输效率提升等领域,目前已有学者开展相关研究。JING et al[6]将空车分配计划与重车车流组织优化相结合,以空重车流在装车段停留时间最小为目标,建立基于车站和线路能力的综合优化模型;ZHANG et al[7]以车辆空驶时间最小为目标,建立了重载铁路空车调整优化模型;XIANG et al[8]综合考虑重载列车运输需求、设备容量等制约因素,建立了重载铁路车流组织优化模型,最大限度地减少货车循环时间,提升运输组织效率;耿放等[9]建立了考虑5 000 t单元列车和1万t组合列车的重载铁路列车开行方案模型,得到了不同方案的成本函数。以上研究从重载铁路运输组织入手,提出了车辆周转时间最短、运输组织效率最高的运输组织方案,为重载铁路实际的运输组织方案制定提供理论支撑。

在重载铁路运输效益方面,目前缺乏综合考虑正、反向运输效益的双向评估体系。现有研究成果中,在交通运输效益评估体系方面,毛保华等[10]以多式联运服务为对象,提出了考虑各方式运输效率及碳排放的收益测算方法,明确了联运涉及的各方式的收益情况。此外,在运输效益评估方法及应用领域,MATUTE et al[11]以经济效益与碳排放成本为具体指标,采用成本-效益分析法,评估了加利福尼亚高铁和城市交通的总效益;SUN et al[12]通过构建耦合协调度模型,评估了城市公共交通系统的经济效益、社会效益和环境效益的协调发展水平,并得出经济效益的提高有助于促进社会、环境效益的提高,使3项效益更加协调发展;SICILIANO et al[13]提出了改进的成本效益分析法,从社会成本和效益的角度评估了创新型铁路货运服务。既有文献多从宏观层面评估铁路、道路及城市交通系统的综合运输效益,关于重载铁路线路层面的双向运输效益评估研究相对不足,使重载铁路运营部门无法准确衡量双向均开行重车情况下的经济、社会效益水平。

中国多条重载线路直接延伸至港口,充分具备由港口借助返程车辆回运金属矿石等非煤货物的运输条件,且为落实国家“公转铁”战略、助推货运可持续发展[14],考虑探索双向重车的运输模式。在此前提下,建立完善的重载铁路双向运输效益评估体系,研究重载铁路双向重载运输模式的发展策略,对运营部门充分利用线路衔接港口的优势条件和反向的富余运力、提升重载铁路运营效益具有重要指导意义。

2 重载铁路双向运输效益评估方法

为讨论重载铁路发展反向运输业务后的双方向效益情况,研究了重载铁路双向运输效益评估方法。从工作流程来看,重载铁路的运输效益涉及多个环节,主要讨论运输环节,不考虑线路的建设及养护维修环节。

重载铁路双向运输效益通过双向综合效益S来反馈

S=Sε+Sh

(1)

式中,Sε为经济效益;Sh为社会效益。

双向运输的经济效益为正向运输利润与反向运输利润之和

(2)

式中,i为货物运输方向,i=1、2分别对应正向、反向;Ii为某一方向上的收入;Xi为某一方向上的成本。

正向运输收入I1为托运人支付的运费

I1=p1l1q1

(3)

式中,p1为正向运输单位周转量运价;l1为正向平均运距;q1为完成的正向货运总量。

相同地,反向运输收入I2为该方向上托运人支付的运费

I2=p2.1l2(1-α)q2+p2.2l2αq2

(4)

式中,p2.1、p2.2分别为一般货物、高附加值货物在反向运输中的单位运价率;l2为反向平均运距;q2为完成的反向货运总量;α为高附加值货物占反向货运量的比值。

正向运输成本X1主要包括货物装卸成本、运输过程中的固定成本以及与能耗有关的运输环节变动成本

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

(5)

式中,a1、b1分别为正向运输单位运量的装、卸成本;c为运输环节单位运量的固定成本;d1为与能耗有关的单位变动成本。特别地,重载铁路运输模式具有往复周期性,固定成本由双向运输中运量较大的方向决定。

反向运输成本X2同样包括了货物装卸成本、固定成本及变动成本,与正向运输不同的是,除了考虑不同附加值货物的装卸成本外,还考虑了部分货物在中间站卸车的成本

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分别为一般货物单位运量的装、卸成本;a2.2、b2.2分别为高附加值货物单位运量的装、卸成本;ω为中间站卸载货运量占反向运输货运量的比值;e2.1、e2.2分别为中间站卸载一般、高附加值货物的单位运量的成本;d2为反向运输过程中的单位变动成本。

双方向的社会效益主要考虑了环境效益,具体为重载铁路大力发展反向运输后,吸引该方向上部分原本通过公路运输的货物,从而降低的二氧化碳排放成本。由于碳排放量与双向运输利润的量纲并不一致,故考虑通过碳税值γ(元·(g CO2)-1)将碳排放成本转化为货币成本

Sh=γ(Rroad-Rrail)l2q2

(7)

式中,Rroad、Rrail分别为公路、铁路的货运碳排放因子。

3 重载铁路反向运输环节对双向运输效益的影响分析

为使得铁路运营部门能够权衡发展重载铁路反向运输业务带来的效益,应用双向运输效益评估方法,讨论反向运量占正向运量比重、反向吸引的货物对双向综合效益的影响,进而为运营部门提供决策依据。

3.1 参数选取

在重载铁路线路双向运输效益评估方法的基础上,设置双向单位运价率、双向各环节单位成本值不变的条件。表2参考相关文献给出了评估方法中所涉及部分参数的取值。

表2 部分参数取值

图1 反向运量占比与双向运输效益的关系

3.2 反向运量占比对双向运输效益的影响

中国多条重载铁路线路双向运量情况各异,2017—2019年朔黄铁路反向占正向运量比重不足5%,2018年瓦日铁路反向占正向运量比重略高于10%。随着反向运量与正向运量比值的提升,双向运输经济、环境及综合效益的变化情况如图1所示。

由图1可以看出,各效益值均与反向运量呈显著的正相关,反向运量占正向运量比重从2%变化至20%,双向运输经济效益从17.21亿元增长至17.69亿元,双向运输环境效益从0.05亿元增长至0.48亿元,故双向运输综合效益从17.26亿元增长至18.17亿元。结合图1,双向综合效益涨幅为5.25%,高于经济效益的涨幅2.77%,主要原因为,重载铁路开始承担通道反向上的货运任务后,铁路运输方式的环保优势得以体现,大大改善了公路分担率过高导致的环境污染问题。因此,重载铁路线路可考虑发展双向运输模式,通过下浮运价等策略提升对反方向上有运输需求的货物的吸引力,挖掘适运的货物品类,以促进重载铁路运输的综合效益。

3.3 反向运输货物价值对双向运输效益的影响

图2 反向运输中高附加值货物占比及反向占正向运量比重与双向运输综合效益的关系

重载铁路正向运输的货物品类主要为煤炭、焦炭等,反方向上主要吸引从港口上水的进口金属矿石等品类,反向运输货物品类对应的价值与反向运量将影响双向运输效益,双向运输综合效益变化情况具体如图2所示。

根据图2,反向运量增加、反向运输中高附加值货物占比的增加,都利于双向运输综合效益的提升。若反向运输中高附加值货物占比从5%提升至30%,在反向占正向运量比重为2%时,双向运输综合效益涨幅为0.43%;反向占比扩大为20%时,双向运输综合效益涨幅为4.18%。故在推进重载铁路双向运输模式发展时,若能吸引高于铁矿石等大宗货物价值的品类,可进一步促进双向运输综合效益提升。

4 结论与对策

综上所述,可以得到如下研究结论:

(1) 当前中国重载铁路双向运输模式处于发展初期,由于有关重载铁路双向运输综合效益评估的研究较少,因此运营部门未能准确衡量开展反向运输带来的效益。本文着重分析了反向运输环节中运量变化对双向运输综合效益的影响。在设置的算例中,当反向运量占正向运量比重从2%变化至20%,双向运输综合效益提升5.25%。反向运输业务的开展,除了利于经济效益稳步增长,还彰显了铁路运输方式低碳排放的优势,缓解了原先通道上公路分担率过高导致的环境污染问题。

(2) 进一步研究了反向运输的货物品类对双向运输综合效益的影响。结合算例结果看出,反向占正向运量比重为20%,反向运输中高附加值货物占比从5%提升至30%,双向运输综合效益增长4.18%。高附加值货物占比提高可改善双向运输效益,且反向运量规模越大,改善效果越显著。

综合来看,一端衔接内陆地区、一端衔接港口的重载铁路线路可考虑发展双向重载运输模式,铁路运营部门可考虑拓展双向重载运输业务覆盖范围,挖掘潜力货物品类,与沿线地区相关企业建立长期合作关系,保证稳定的反向货源,以提升双向综合效益,利于双向均衡运输,推进运输通道上多产业互利共赢。