高铁发展：全球网络规模与社会影响

工程2（2016）402意见和评论高铁：机遇与威胁米歇尔·勒伯夫UIC城际高速委员会本文的目的是分析社会变化可能对高速铁路（HSR）活动和发展产生的影响。我们现在正处于第二次和第三次工业革命之间的过渡时期，正如里夫金所描述的那样。这场新的革命至少在15年前从表面之下出现，至少还需要15年才能完全成熟。如此漫长的过渡期是由两个主要原因--数字革命和全球气候变暖--引发的因此，我们有强烈的动机去试图理解什么是危险的，并解开目前在公开和隐蔽中活跃的各种趋势和突破。任何活动领域都无法避开即将到来的变革海啸。铁路界自然也参与了这一不可抗拒的行动。高铁会从中受益还是受损？我们应该采取什么样的态度，才能化危为机？不可否认，过去15年见证了高铁发展的热潮。日本的第一条高速铁路线在运营多年之后，终于被欧洲国家（主要是法国、意大利、德国、西班牙、比利时、荷兰和英国）以及其他亚洲国家和地区（韩国和中国台湾）所效仿。到2000年，HS网络长约5000公里。 17年后，它的长度增加了6倍多（34679公里），这主要是因为中国，但不完全是因为中国。新的国家和地区正在实施这种运输模式：摩洛哥，沙特阿拉伯和美国的加利福尼亚州。其他国家也有这样的计划，如印度尼西亚、伊朗和波兰，仅举几例。全球扩张正在进行中。此外，仅考虑目前正在建设的线路，预计到2022年HS网络长度将增加近50%（15，790 km）。图1显示了过去、现在和预计的全球高铁路线长度。在过去的半个世纪（更准确地说，自1964年第一条新干线开始营业以来）。很少有活动领域能够拥有如此持续的增长。我们如何解释这样的商业和技术寿命？这种活力基于六个相当强大的资产：资产#1：移动市场一直在不断增长。资产#2：根据定义，HSR非常快速，并提供定制-具有非常有竞争力的旅行时间和高服务频率。资产#3：许多火车站建于多年前，现在位于它们所服务的城市的核心资产#4：HSR是一种大众运输系统。资产#5：HSR是环保的。资产#6：HSR可靠且安全。在过去的几十年里，末日预言家们一直在敲响警钟，预言流动性的减少。最初，散布恐慌的人认为，电话将使市场流动性枯竭，因为人们不再需要移动才能相互交谈。现实以最好的方式证明了他们的论点是错误的。电话不仅没有以任何方式减少乘客交通量，而且电话本身已经从固定电话发展到移动电话。电话的移动性使人们能够更多地旅行，因为他们不需要呆在一个地方就能得到信息或发出信息和命令。显然，这还不足以让告密者闭嘴。有了视频会议，商务旅行市场预计将大幅萎缩航空运输，最常见的Fig. 1. 全球高速铁路（HSR）路线长度。† 据国际铁路联盟（UIC）客运部统计。‡ 资料来源：UIC。http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.0062095-8099/© 2016 THE COVERORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engM. Leboeuf / Engineering 2（2016）402403使用远程商务旅行的方法，甚至在视频会议已经成为许多公司的标准的同时，也在飙升。这两大飞机制造商从来没有像现在这样有5互联网也被认为是遏制流动性的工具。没有任何地方可以客观地显示连通性的扩大与流动性之间的负相关关系。现在，长话短说，一些生态学家预测或建议，为了减少温室气体排放，应该适度甚至检查流动性。如果这些政治措施得以实施，就像在某些实行交替循环的城市一样，高铁很可能是最后一种受到运量限制的运输方式。相反，人们会被煽动使用铁路模式，而不是公路和航空模式。在一天结束时，这些措施可能有利于铁路，特别是高铁。因此，很明显，HSR乘上了流动性的浪潮，这可能是最好的和最坚实的点之一（资产#1）HSR应该继续建设。另一个有利的方面来自于对高速铁路和空中交通方式各自市场份额的分析。许多走廊都受到了审查，这两种竞争模式的市场份额与铁路旅行时间密切相关，这已经成为高铁历史上的一个常数图2显示了高铁在铁路+航空市场上的市场份额;对于起点-目的地（OD）对的样本，在所有运营高铁的国家中，基于铁路旅行时间遵循相同的共享模式。曲线下方的点对应于OD对，机场位于特别靠近服务城市或与之连接良好的位置，而位于曲线上方的点对应于机场远离城市或与之连接不良对于长达2小时（120分钟）的旅行时间，铁路极具竞争力，有时占据90%以上的市场。剩余的空中交通主要是由于衔接航班。对于行程时间在2小时和4小时之间的范围内，铁路是主要方式。超过4h，空气占主导地位。超过6小时，铁路在市场上扮演着边缘角色。市场的这种分裂现在是众所周知的，没有人挑战它，因为它在世界范围内得到了证明。然而，我们如何解释这种表现？铁路在2.5- 3.5h的行程时间内占有最大的交通量这种情况是否是由于票价的差异造成的？不，这不是明显的原因;当铁路与传统铁路一起运营时，尽管它比航空便宜，但它并没有占据主要地位。图二. 根据最佳铁路旅行时间计算的铁路市场份额。份额因此，价格不足以解释，特别是因为低成本航空公司有时会提出比高铁运营商更便宜的机票。乘客在此旅行时间范围内选择高铁而拒绝飞机可能有两个原因第一个原因是，在这个铁路旅行时间范围内，空运和铁路的门到门旅行时间一般是相同的。第二个原因是乘火车旅行的时间比乘飞机旅行的时间更容易利用。 图图3描绘了法国巴黎和马赛之间的铁路和航空旅行的门到门旅行时间。像这样700公里的距离，火车比飞机舒适得多。通过分析该图，很容易理解资产#2和#3共同有助于占领市场。同样，当涉及到与公路的竞争时，高铁可以在城市间旅行市场上表现得非常好;例如，在法国，高铁占据了50%以上的市场份额（图2）。 4）.高铁票价如此之高的原因之一是，大多数汽车旅行都是由人们独自驾驶自己的汽车，这比火车旅行更昂贵，更耗时然而，人们的理解是，在这些事情上没有永久撇开支持高铁票价收入的移动性方面，让我们关注投资和运营成本。这就引出了铁路生产函数。在新古典微观经济学中，生产函数表示一个企业可以生产的产出量（Q）作为投入量的函数。通常，考虑两种生产投入，称为生产要素：资本（K）和劳动力（L）。还可以确定其他生产要素，如土地和原材料。土地很少纳入计算，除非土地在生产过程中至关重要（例如，农业）。原材料往往被忽视，因为其成本主要由资本（用于提取和运输的机器）和劳动力组成。然而，当宣传钢轨生产函数时，很难不提及能量（E）作为生产要素，特别是因为其成本在很大程度上与钢轨生产过程无关，并且可能根据外部和不可预测的原因而变化。最后，在推断未来50年的现状时，我们必须考虑一个非物质的生产投入，即数据（D）。Q=f（K，L，E，D）（1）就高速铁路而言，资本主要由线路基础设施（大体上是成本较高的项目）、车站（或与其他铁路服务共用的部分车站）、维修站和专用线、轨道维修工具和机器、计算设备和机车车辆组成。在特定时刻，为了增加产量，有几种选择是可能的：• 提高列车上座率• 增加列车容量（该选项仅适用于连接两个列车组）;• 增加列车组的行程数量（但是，通常运营商已承诺特定的车队规模，因此在机车车辆生产率提高方面没有太大的余地• 以双层列车取代单层列车• 购买额外的列车组（从起草机车车辆交付招标书）;† 对流动性的影响不是直接的，因为车辆占用可能增加。法国国家铁路公司（SNCF）Mobility最初建立了铁路图表，并定期更新来自SNCF和UIC的数据最后一个版本发布于2015年。资料来源：SNCF Mobility。404M. Leboeuf / Engineering 2（2016）402图3.第三章。 典型的马赛和巴黎之间的门到门旅行的铁路和航空。图四、法国中距离旅行市场的市场份额。和• 扩展车站和/或创建新的轨道（这正是HSR所实现的，但一旦线路创建，其容量的扩展非常复杂且相当长）。快速浏览一下这个列表就足以确信，在短期内，很难提高高铁生产的数量级反过来说，也就是说，减少产出，甚至更加复杂，因为时刻表是公布的，预订是提前六个月开放的;取消火车可能是相当禁止的。因此，在很短的时间内，生产作为资本函数的灵活性（生产函数对资本的派生）是相当有限的。从长远来看，这种衍生物更大，但投资步骤（如创建新的轨道或扩展车站）非常高。资本的配置效率可以表现为：δQ/δK（2）其中，• 短期内：相当有限;• 从长远来看：相当强劲，但仍需巨额投资。因此，在给定生产函数的情况下，铁路公司只有有限的操纵资本成本自由度来对抗竞争对手。在欧洲以外，决定将铁路部门分为基础设施管理和列车运营，资本方面的边际成本大致限于机车车辆，也就是火车组的车队。这意味着边际成本对应于额外列车组的运行，因为由于该额外列车而导致的基础设施维护的增加可能相当低。我们如何将这一边际资本成本与航空和公路的相应边际成本进行在欧洲，边际成本高于亚洲，因为它包括基础设施管理者征收的轨道使用费。欧洲法规规定，轨道使用费应等于直接基础设施成本，但允许基础设施管理人员在其上增加加价，以支付超过边际社会成本的费用，边际社会成本已经包括了污染等外部影响的成本。在航空方面，边际成本主要等于增加一次航班的成本，包括机场税。然而，航空系统所需的基础设施远远小于运行火车所需的基础设施。此外，由于飞行时间比任何地面运输系统都短，因此飞机的生产率在覆盖距离方面更好。当考虑到资本的边际成本时，航空业的唯一障碍是飞机的购置成本较高。现在让我们比较一下铁路和航空舰队。作为一个衡量标准，2015年，HSR车队在全球约有3600辆HS列车。 5）。在接下来的20年里，由于网络的扩展，这支车队的规模将增长，应该达到6000列火车。如果有必要更新所有现有的列车组，则必须在未来20年内建造6000列列车组（图10）。 6）。平均生产量将达到每年300辆左右。图7 - 1显示了两大飞机制造商（空中客车公司和波音公司）在过去十年中的飞机订单和交付情况。这些公司现在每年生产约1500架飞机，每年接受约3000架飞机的订单，这意味着未来的生产将增加到这个数量级。与航空工业相比，火车组的生产仍然是10比1。这两个行业看起来不像是在同一个行业联盟中竞争.创新与再创新† 资料来源：UIC客运部统计。‡ 资料来源：L'Usine Nouvelle，2016年3月。M. Leboeuf / Engineering 2（2016）402405就航空和铁路运营公司的资本生产要素的未来生产率而言，不能期望资本成本以相同的比例减少。公路也值得关注，它现在是，将来也将是铁路最强大的竞争对手。今天，人们拥有自己的汽车。到目前为止，拥有汽车一直被视为自由和成功的象征，人们一直以驾驶自己强大而舒适的汽车为荣。然而，汽车工业正在走向一个基于完全不同范式的组织拥有汽车将越来越不成为公路旅行的主要方式。今天，拼车（即，司机与通过网站应用程序收集的乘客分摊费用，例如法国的Blablacar和汽车共享，图五. 2015年高速（HS）机车车辆车队（车组数）图六、 高铁车队规模（列车组数量）在20年内扩大。ing（车主允许其他人使用汽车，通过网络应用程序换取金钱，而不是让汽车闲置）正在迅速发展。汽车资本生产要素将下降，因为平均而言，私人拥有的汽车有90%以上的时间处于闲置状态。在未来20年，我们预计另一个范式的变化：无人驾驶汽车。这种属于公司的汽车将在真正的出发点接人，并将他们送到最终目的地，然后为第二个客户服务，等等。从这一点上，汽车资本成本的大幅降低必须考虑在内总之，铁路资本生产要素不是很灵活（即，很难在短期内适应季节性或竞争的迅速变化）。从长远来看，这甚至更加困难或昂贵，因为它假设生产函数发生重大变化。考虑到首都的工业方面，预计铁路的生产率提高（相对而言）要比航空和公路低得多，因为工业市场规模并不相同：与飞机和汽车工业相比，铁路列车组制造是一个非常小的工业。正如里夫金[2]和安德森[3]等著名经济学家所预测的那样，由于数字革命和“数据”经济凌驾于“原子”经济之上的盛行，我们正在走向一个边际成本非常低的社会。因此，从为未来市场的经济规则铺平道路的角度来看，前面的分析并不支持高铁然而，铁路的前景并不令人沮丧，因为高铁仍然拥有比其他运输方式更高的资本能力：运输能力。在地面的基础设施表面内，铁路（包括高铁）是能够处理非常高的交通流量的唯一模式。即使是空客380也无法与由两组列车组成并提供1000多个座位的HS列车日本的双层列车可容纳约1200个座位，法国国家铁路公司（SNCF）将订购未来的列车组，一旦耦合，将达到类似的能力。因此，在处理高铁（资产4）的资本生产因素时，利用公共交通系统是最好的策略。尽管如此，铁路运力仍然受到同一轨道上运行的列车数量的强烈影响，图7.第一次会议。空客和波音的飞机订单和交付。† Blablacar是欧洲最大的拼车公司。406M. Leboeuf / Engineering 2（2016）402300 km·h到目前为止，没有哪个项目像HS 2高速铁路这样雄心勃勃，它的设计时速为360 km·h-1，每小时运行18列列车如果这一目标在2026年（预计的基础设施投产日期）实现，这仍然是一个最终的极限，因为铁路是一种低抓地力的运输方式。如果它的低抓地力特性允许以最小的能量消耗牵引非常重的负载，那么它有一个缺点：火车的制动需要比柏油路面上的橡胶轮车辆更长的距离。重新思考铁路安全和信号系统，以超越这一限制，应该是一个可能的领导研究计划。当涉及到劳动生产因素时，由于员工按小时支付工资，船上员工的生产率随着速度而提高，并且一小时内跑的距离越长越好。一旦速度设定在给定值，车载生产率只能通过无人驾驶列车或提供更少的车载服务来提高。第一种选择应该被考虑，因为高铁是一个引导系统，记住，无人驾驶汽车，这是没有引导，现在正在实验中，是可预见的未来的一部分。此外，这种改变可能会对轨道容量产生积极影响，这是一个更重要的目标。为客户提供更少的机上服务是低成本航空公司遵循的策略，现在SNCF在特定市场上推出了Ouigo列车。如果这种策略在竞争激烈的市场上有更好的抵抗力，那么每名乘客的平均收入就会减少。在商业领域，部分甚至完全依靠互联网分销渠道，劳动生产率已经得到了极大的提高不过，其他交通工具现时已采用这种方法。最后，最后一个剩余的劳动生产率领域是系统维护和清洁。必须在需要较高购置成本的低维修系统（有许多冗余）和可能在资本方面较便宜的高维修系统趋势是有利于第一种选择，因为可靠性和可用性是一个高系数的因素。综上所述，没有证据表明高铁未来劳动生产率因素有很强的潜在增长，除非员工管理规则和条例可以变得更加灵活。因此，除非列车驾驶自动化或员工制度发生重大变化，否则边际劳动生产率将维持在较低水平。δQ/δL（3）从短期和长期来看，有些固定。相比之下，汽车生产功能可能会得到改善，因为拼车意味着司机的成本以及汽车维护成本被分担（或至少除以2），从无人驾驶汽车的角度来看，汽车的使用将更加密集，并由许多用户共享。在竞争方面，汽车将是一个比今天的火车更强大的竞争对手。然而，汽车的改进也有一线希望，因为汽车的自动化程度越高，乘客在门到门的旅行中进出车站就越好。因此，虽然不应对铁路劳动生产要素的生产率寄予太多期望，但可以在汽车突破的基础上，为铁路乘客的第一和最后一英里提供从更广泛的角度考虑，劳动即将改变其性质。到目前为止，大多数就业人员都在工厂或办公楼的公司工资单上然而，现在有一种趋势是自营职业，人们希望掌握他们有自己的议程，而不是在严格的规则下工作。人们也可能为几家公司而不是一家公司工作，并可能在短时间内改变他们的活动。这些新型工作是工资收入的替代品，比传统的工作条件和合同更灵活到目前为止，铁路公司还没有表现出很大的能力来适应劳动力的这种变化;例如，上市公司在采用远程工作方面进展缓慢。 从长远来看，劳动力市场的这种惯性可能会改变铁路的竞争力[4]。它对环境的影响小一直是铁路（包括高铁）的突出品质，尽管更高的速度需要更多的能源消耗。图8†说明了欧洲各种运输方式的外部成本，并清楚地表明铁路是最环保的运输方式。铁路的环境可持续性的原因例如，即使在核电较少的非欧洲国家，运输方式的排名也应保持不变。然而，在这方面，竞争也在朝着更好的能源效率迈出大步，因此铁路不应该满足于现有的成就。当然，主要的变化将是汽车的动力来源。毫无疑问，以汽油为动力的汽车将逐步被以氢为动力的汽车所取代[5，6]。氢是宇宙中最常见的原子，是取之不尽的能源，因为它存在于水中，可以通过电解用电从氧气中这一过程所需的电力可以在任何可能的情况下生产（用太阳能电池板、风车或核电站），因为氢是储存它的方法然后，使用燃料电池，氢与氧结合形成水，不再留下任何污染。换句话说，未来的汽车，也许在2030年的地平线，将是一个氢，无污染的汽车，因为它的燃料（氢）将主要利用太阳能生产。一些公司[7]已经向市场提供了一种简化的低投资分配系统，该系统基于可插入车辆插座中的氢盒。到目前为止，很难想象高铁由燃料电池供电高铁需要大量的能源和电力，只能通过全国高压电网输送在未来的10-图8.第八条。欧洲各种运输方式每1，000通行公里的外部成本（欧元）。† 资料来源：UIC环境部。资料来源：SNCF ADEME，1997年。M. Leboeuf / Engineering 2（2016）402407见图9。基于欧洲平均值的各种运输模式的能源效率。每单位能量（千当量石油，kep）运载的交通量单位（乘客数×公里）。注意，1 kWh = 0.086 kep。因此，如果资产#5要保持铁路的强大质量，它将不再是相对于汽车的竞争优势为此，必须继续提高铁路效率，并抓住任何新的机会，通过在铁路设施覆盖的广阔领域内生产电力来获得更好的能源自主权例如，许多平方米的火车站（特别是覆盖平台的大帐篷）可以覆盖太阳能电池板，以便为未来的智能电网提供燃料（图10）。 10）。剩下的就是最后一个生产要素：数据。尽管人们可能会尝试估计收集和组织数据所需的劳动力和资本，但这不会导致对其价值的正确估计，因为数据获取成本和数据战略价值之间没有直接的相关性。至少有两种方法可以获得数据价值的愿景，HSR部门应该积极考虑这两种方法。第一种方法是考虑电力数据给一些演员，谁的目的是发挥作用之间的最终客户端和铁路运营商。这个角色被称为因此，想要预订铁路旅行的客户将更喜欢使用外部（铁路部门）应用程序而不是铁路网站本身，因为他或她已经习惯于用于其他目的的这种应用程序，或者因为该应用程序更容易访问和计算。在这种情况下，应用运营商可能会尝试给其客户提供商一个角色，以便获得销售的百分比GAFA（谷歌、苹果、Facebook和亚马逊）等倾向于以这种方式工作，同时为客户提供免费的信息服务。当然，铁路运营商面临风险，因为他们失去了与客户的直接联系。因此，收集数据的价值非常重要，远远超出了捕获客户详细信息的成本，许多运营商都是这样做的。如果旅行者经常与公司一起旅行，这也是使客户加入忠诚度计划并获得奖励的唯一方法第二种方式是考虑数据的安全性。社会-ty越来越多地受到网络攻击的威胁，这危及业务;不仅是网络攻击，而且还有恶意行动，甚至恐怖主义。在欧洲发生了几起大规模的恐怖行动。他们不仅破坏了铁路形象，造成收入损失（例如，2015年8月21日发生在Thalys上的恐怖袭击造成了乘客量的损失（注2），但他们也对铁路施加了新的限制。例如，Thalys已被要求在相应站台的入口处安装安全门顾客必须提前到达，并被围起来，直到他们被允许见图10。东京中央车站站台上的太阳能电池板。图十一岁Thalys站台入口处设有安全入口的安全检查站。† 在Thalys恐怖袭击后的几个月里，20%408M. Leboeuf / Engineering 2（2016）402穿过这些门（图11）。无论这些设备及其运营的成本如何，这种限制都会影响模式选择，因为在车站花费的时间更长;因此，铁路失去了与航空相比的部分门到门优势。当然，这方面对集体运输模式的威胁要比对私人运输模式的威胁大得多[9]。再一次，资产（资产#6）被减少，因为安全优势可能被由于集体运输模式易受恐怖主义攻击而导致的安全损失所抵消。总之，帮助高铁发展的资产仍然有助于这种运输模式的商业成功。然而，高铁并非不可战胜或无懈可击，其资产不能被视为永久性的，特别是在相对条件下，因为竞争模式正在取得进展，有时可能会超越高铁。这一点在铁路的环境质量和受到汽车挑战的集体运输模式的安全脆弱性方面尤其如此。此外，铁路生产功能不是很灵活，因此在竞争格局中可能反应不够，而航空和汽车部门由于其工业市场的规模，证明是非常创新的当然，在中距离市场之旅中保持领先地位的最佳方法是内部优化生产力，以及采取通过模式互补，汽车和航空模式的变化带来了优势特别是，新的汽车业务模式可以大大改善进出车站的情况最后，一个高铁资产，不应该受到挑战的是它的能力。到目前为止，在中短距离运送大量人流方面，还没有任何模式可以超过铁路引用[1]里 夫 金： 第 三 次 工业 革 命 ： 横向 力 量 如 何改 变 能 源、 经 济 和 世界 伦 敦 ：Palgrave Macmillan; 2011。[2]《 零 边 际 成 本 社 会 ： 物 联 网 、 协 作 共 享 和 资 本 主 义 的 衰 落 》 （ The ZeroMarginal Cost Society ： The Internet of Things ， the Collabo- rativeCommons，and the Eclipse of Capitalism）。纽约：圣马丁出版社; 2014年。[3]安德森角免费，未来的一个激进的价格。伦敦：Hachette Books; 2009年。[4]Daniel JM ， Monlouis-Félicité F ， editors. Sociétal 2016 ： #numérique etemploi：lost in transition？巴黎：Eyrolles; 2016. 法语[5]里夫金·J氢经济。纽约：企鹅集团（美国）公司;2002年。[6][10] Clark WW，Rifkin J，O'Connor T，Swisher J，Lipman T，Rambach G.氢能源站：路边的氢经济. Util Pol 2005;13（1）：41−50.[7]Aaqius.com [Internet].日内瓦：Aaqius Aaqius SA [2016年6月1日]。可从以下网址获得：http://www.aaqius.com/[8]帕切湾分 销渠道中的中介 ：是否有新的 突破？Revue Management Avenir2012;1（51）：116-21. 法语[9]Pape RA。自杀式恐怖主义的战略逻辑。美国政治科学评论2003;97（3）：343-61。