运输速度技术对未来客运业发展的影响研究

黄俊生，周 琪，肖中圣，杜 鹏*，冯 佳，陈海波

(1.北京交通大学综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京100044；2.英国利兹大学交通研究所，利兹LS29JT，英国)

0 引 言

交通是人类社会生产和经济发展的基本活动.速度是交通运输系统的重要指标，在数值上等于单位时间上的位移量，它能够反映不同运输方式的时效性.从运输需求层面看，不同运输方式速度的快慢决定了人类的活动范围和质量要求；从运输供给层面看，速度的上限值体现了运输系统的效率和服务质量.

提升出行速度一直是人类不变的追求，而运输速度的提高离不开技术进步的推动[1-2]，运输速度的每一次重大提升都是科技进步的直接成果；同时，速度的每一次提升都极大影响了人们的出行行为，改变了交通结构.在科技进步背景下，研究不同方式运输提升及其与客运市场的关系对做好我国客运业发展战略具有重要意义.

1 运输速度技术的进展评述

公元前3000年左右人类发明了轮子，诞生了较为原始的交通工具；公元前2000年左右，人类驯化了马，使马车成为当时人类最快的交通工具；此后直至19世纪，人力车和畜力车一直是陆上交通运输工具的主要形式；18世纪第一次工业革命的大量发明给交通运输方式带来了重大变化，蒸汽机、内燃机、电动机在交通运输行业的应用推动了不同交通工具速度与方式效率的提升，形成了现代交通运输体系，如图1[3]所示.

图1 第一次工业革命后至20世纪初的交通速度发展里程碑Fig.1 Transport speed milestones from industrial revolution to early 20th century

交通工具速度的不断提高促进了交通设施和相关技术的升级换代.高速公路、城际铁路的出现使陆地运输发展产生了质的飞跃[4]，基于通信的列车自动控制系统(CBTC)与无砟轨道等设备设施也提高了铁路客运的运输速度.计算机控制技术、系统集成技术和通信技术的综合应用，使各类交通系统进一步智能化，提高了交通运输系统的效率.

目前，人类正研究融合人工智能、视觉计算、传感器装置等技术，探索自动驾驶、真空管道、超级高铁(Hyperloop)等技术，未来速度可能达到1 000 km/h 以上.

2 不同客运方式速度的演变

现代客运方式主要为航空运输、铁路运输、道路运输和水路运输.相对其他运输方式而言，水路运输速度较低，速度提升缓慢，实际客运市场空间不大，在竞争中处于劣势.因此，主要以航空运输、铁路运输和道路运输为对象，分析其速度的演变.

2.1 航空运输

航空运输的发展始于莱特兄弟1903年的成功首飞.此后，航空技术使飞机的速度不断提高，促进了现代航空运输的发展[5].

历史上第一条定期民用航线于1914年在美国圣彼得斯堡诞生，作为民航运输的雏形，第一条定期民用航线使用的是由本诺瓦斯特公司生产的14型水上飞机，采用木质结构，其速度仅为112 km/h.第一次世界大战期间终止了民航运输服务，各国航空技术力量集中服务于战争，这期间飞机的运载能力和速度有了很大提高.由战机演化而来的第一种真正意义上的现代客机是1930年投产的波音247，其巡航速度达266 km/h.随之而来的第二次世界大战进一步推动了航空客机的发展，波音377 是波音公司在第二次世界大战后生产的一款以活塞发动机驱动的螺旋桨为动力的远程客机，其巡航速度达到483 km/h.20世纪50年代末期，喷气式飞机开始应用于客运领域，极大地推动了民用航空的发展.当时被广泛使用的喷气式民航客机波音707的巡航速度达到了977 km/h，该速度实际上也是当前世界上大部分航空客运的巡航速度.

尽管喷气式客机的发展已历经五代，也出现过超音速客机，但航空运输的巡航速度始终保持在800～1 000 km/h 的亚音速状态.究其原因：一方面，飞机飞行速度越快所产生的噪音越大，突破音速时带来的“音爆”往往令人难以接受；另一方面，飞行速度的提升也伴随着对机身材料、电子仪器、发动机及飞行员素质要求的提升，这些都会显著增加飞行成本，影响航空市场的份额.

2.2 铁路运输

与航空运输类似，铁路运输速度提高也离不开技术的支撑.从1920—1970年，铁路客运的动力以蒸汽和柴油为主，其最高设计速度在110～130 km/h[6].19世纪出现了电力机车，但1970年以前其总体技术水平与内燃机车差异不大，1965年日本新干线的旅行速度也仅为162 km/h.20世纪90年代中期，第三代TGV(法国高速列车)高速列车将以往采用钢制结构的圆筒型空气弹簧辅助气室改成铝制筒体结构，实现了轻量化，以此推动法国TGV 系统的旅行速度达到了254 km/h.进入21世纪，高速铁路技术不断完善，铁路旅行速度不断提高(图1).我国京沪高铁上运行的“复兴号”电动车组创造了316.7 km/h的平均旅行速度纪录.进一步绘制出近百年来铁路运输最高旅行速度变化，如图3所示；并根据图3速度突变点得到对应的重大技术支撑，如图4所示.

图4 铁路列车速度显著提升对应的技术支持Fig.4 Technical support behind railway speed significant promotion

2.3 公路运输

相比于铁路运输和航空运输，公路客运速度在达到一定水平后提升难度变大.一方面，汽车速度提升对道路要求较高，高速公路产生前，汽车速度主要受路面技术限制；另一方面，速度提升对驾驶员的反应能力要求更高.高速公路出现后，随之而来的交通事故也更多了，全世界每年因道路交通事故死亡人数约达125万人，多数国家对高速公路的行驶速度进行了限制[8].以英国为例，1903年最早颁布的限速仅为20 英里/小时(32 km/h)；到1920年，汽车最大速度已接近200 km/h.1934年，建成区限速为30英里/小时(48 km/h)，1967年将高速公路限速调整为70 英里/小时(112 km/h)，该限速一直保持至今[9].

3 2020—2050年客运市场基本特征

客运速度的提高是伴随科技发展在安全与经济两大领域的突破而取得的.从交通供给角度而言，快速性、便捷性需要有安全保障；从需求角度而言，速度提高代价过大难以获得市场认可.因此，这里讨论的速度是以安全与经济性两个要素为基础的.

3.1 轨道交通的出行时间可靠性在大城市公交中发挥更大作用

城市交通要解决的主要问题是通勤通学出行问题.由于通勤出行在城市空间与全日时间上的高度重叠性，城市范围内有限的道路资源已难以满足要求.在不断机动化背景下，我国大城市交通不断走向拥堵已经成为一个基本规律(图5).如何抑制这种趋势，战略上需要调整交通结构，优化资源配置[10-11].

图5 不同发展阶段道路拥挤水平Fig.5 Road congestion level during different developmental phases

图6描述了北京市2012—2018年市内交通结构变化[12].可以看出，城市轨道交通占比逐年提高，这不仅得益于地铁网络规模的扩大与覆盖率的提高；也得益于城市轨道交通具有的独立路权，较地面出行方式在出行时间上更可靠的优势.

图6 北京市交通结构Fig.6 Traffic structure of Beijing

3.2 高速技术提升城市间客运效率

(1)高速铁路优化中长运输通道交通结构.

图7(a)、(b)根据相关研究[13]调研了2012—2019年武广通道内武汉—长沙段，武汉—广州段高铁分担率.可以看出，武汉—长沙段和武汉—广州段的高铁旅行时间随铁路提速而逐年降低，在武广通道内的市场分担率不断提高.

可预见的是，未来科技发展为竞争性运输市场提供了通过市场机制促进运输资源合理配置的方案.由于高铁、航空和公路作为客运产品在市场空间上具有一定的可替代性，任何方式技术上的革新均可成为运营商出台运输新产品，提高自身产品竞争力的契机.这也可以促进政府优化资源配置，优化调整通道交通结构，推动运输市场的进步和发展.

图7 不同速度等级列车旅行时间及高铁分担率Fig.7 Travel time of different speeds through Wuhan-Guangzhou and Wuhan-Changsha channel and their sharing rates

(2)高速公路、城际铁路改善城市间中短距离出行效率.

高速公路建设使城市机动化的效果得到充分发挥，拓展了未来城市居民的活动空间，加速了人们的流动性.城际铁路的建设也加快了城市群经济的发展，促进城市群发展资源、要素的优势互补，这里一个深思熟虑的顶层设计(发展战略)尤为重要[14].经历了改革开放前期长期出行产品供不应求的困扰之后，我国城市间与城市群内部的交通基础设施实际上已有了较大改善，如何明确这些可提供不同类型出行服务的交通方式的功能定位，利用我国高速发展的信息技术与信息系统，避免国有资产利用的低效能，是一项重要任务.

4 不同客运方式在市场分区中的功能定位分析

为加快综合运输体系建设，首先可通过比选，获得各运输方式在不同客运市场的速度优势区间；其次，未来通过技术提升将带动各运输方式提速，在该趋势背景下，结合各运输方式的速度优势区间，可进一步明确各运输方式的功能定位.

4.1 城市内不同客运方式功能定位分析

城市内居民公共出行将聚焦于地铁和公交，未来轨道交通吸引力将进一步提高.中心城市居民通勤方式选择主要参考出行票价和出行时间.基于此，首先，选择居民出行平均票价作为经济性指标；其次，运用居民平均通勤距离和旅行速度表征公共交通出行效率.综上，构建城市内不同出行方式下居民出行效用函数[15]为

进一步，采用演化博弈理论构建复制动态方程，测算中心城市内居民出行方式选择，即

式中：θn1为地铁效用系数；θn2为公交效用系数；为乘客平均出行运距；为地铁和公交出行的平均效用；UR为地铁出行效用；UB为公交出行效用；U为总效用；xR为地铁出行比例；xB为公交出行比例；CR为地铁平均票价；CB为公交平均票价；vB为公交平均旅行速度；vR为地铁平均旅行速度.参考相关资料[12]，取值如下：CR取4.5 元/人次，CB取3元/人次，vB取10 km/h，vR取20 km/h.

鉴于公交速度受地面因素影响较大，本文只考虑地铁提速对城市交通客运市场的影响，以此确定其功能定位.首先，结合测算数值发现，在现有地铁运营速度条件下，中心城市未来居民出行方式仍以城市轨道交通为主，稳定状态下地铁出行比例超过60%，如图8所示.

从图8可以看出：地铁速度提高使居民出行时间成本减少，地铁市场份额随地铁速度的提高而逐渐增加.有鉴于此，提高地铁速度尽管增加了运营成本，但市场变化表明该趋势符合未来城市内居民出行意愿.

4.2 城际间不同客运方式功能定位分析

未来城际出行将主要聚焦于城际铁路和城际大巴.分析城际出行方式选择，首先需要界定城际出行全过程.未来城际出行方式均属于公共交通，其具备非门到门、不连续的特点，因此，城际出行全过程不连续，需要换乘接续市内其他交通工具，具体如图9所示.

图8 地铁平均旅行速度对市场占比分担影响Fig.8 Impact of metro speed on market sharing ratio

图9 城际出行全过程Fig.9 Overall process of intercity transport

不同交通方式在出行时间和出行费用存在差异，旅客在方式选择上亦有所差别.首先，是出行时间，一个完整的以公共交通方式为主要出行方式的出行时间，包含公共交通车外时间和公共交通车内时间，车外时间主要体现在图9阶段1和阶段3换乘接续时间，车内时间主要是交通工具的运行时间，城际铁路运行时间受外界影响较小，而城际大巴需要考虑高速公路流量对出行时间延误的影响，本文运用BPR(美国联邦公路局函数)函数刻画该部分影响.其次，是经济性，本文选用票价率刻画.最后，是舒适性，考虑到城际出行距离较短，本文限定交通工具舒适性与其选择的费用呈正相关关系.综上，构建不同城际出行方式下旅客出行广义成本函数为

式中：dC为城际铁路方式出行距离；ΔvC为城际铁路速度变化率；θc1为票价系数；θc2为出行时间系数；dCB为城际大巴方式出行距离；ΔvCB为城际大巴速度变化率，a和b为BPR函数参数；εC为城际铁路出行方式随机项；εCB为城际大巴出行方式随机项；UC为城际铁路广义出行成本；UCB为城际大巴广义出行成本；p(C)为城际平均票价率；vC为城际铁路速度；为旅客出行时间成本；t(C)1为乘坐城际在城市市内消耗时间；为城际等候时间；αCB为城际大巴每公里费用；vCB为城际大巴速度；为乘坐城际大巴在出发城市市内消耗时间；为乘坐城际大巴在终点城市市内消耗时间；γ为高速公路饱和度；为舒适性系数.参考相关资料[16]取值如下：p(C)取0.5 元/km，vC取150 km/h，取48 元/h，取0.8 h，取0.15h，αCB取0.5 元/km，vCB取120 km/h，取0.3 h，取0.3 h，γ取0.9，取0.1，a取0.15，b取4.

进一步，运用Logit 分担率模型得到旅客在不同出行距离下的分担率为

式中：PC为城际铁路分担率；PCB为城际大巴分担率.

鉴于国家对高速公路限速要求，本文只考虑未来城际铁路提速对城际客运市场的影响.首先，根据测算结果发现，城际大巴在短途城际出行(小于100 km)具有绝对的市场优势，该结果得益于城际大巴的灵活性、方便性；其次，由图10可知，随着城际铁路速度的提高，在不同出行距离上，旅客虽然需要花费更多的出行经济成本，但收获的时间节省能够满足旅客高效出行的目的，进而促使城际铁路的市场分担率逐步提高，城际通道交通结构以此改变.该结果表明，城际铁路提速满足了旅客出行意愿，符合未来城际发展方向.

图10 城际铁路速度对市场占比分担影响Fig.10 Intercity railway speed impact on market sharing ratio

4.3 中长距离不同客运方式功能定位分析

在未来中长距离客运市场，考虑旅客出行方式将以高速铁路和民航为主.旅客通过比较出行时间及出行费用，以此作为中长距离出行方式选择的主要依据.首先是经济性，为简化计算，采用平均票价率刻画高铁和民航出行经济成本；其次是舒适性，鉴于中长距离出行需要消耗较长时间，舒适性可以用乘客因旅途疲劳需要的身体恢复时间来表示，身体恢复越快对应的出行方式舒适性越高[16]；再者是时间成本，指旅客在其所选择的交通工具上消耗的时间；最后是出行便捷性，指市内交通工具与民航或高铁相互衔接所产生的额外时间消耗.在此基础上分别构建中长距离民航和高铁的广义出行成本函数为

式中：θz1为票价系数；θz2为舒适性系数；θz3为出行时间系数；UH为高铁广义出行成本；UA为民航广义出行成本；ΔvH为高铁速度变化率；dH为高铁方式出行距离；εH为高铁出行方式随机项；dA为民航方式出行距离；ΔvA为民航速度变化率；εA为民航出行方式随机项；p(H)为高铁平均票价率；vH为高铁速度；为乘坐高铁在城市市内消耗时间；为高铁等候时间；p(A)为航空平均票价率；vA为航空速度；cA为航空票价固定费用；为乘坐飞机在城市市内消耗时间；为飞机等候时间；J为极限疲劳恢复时间；β为舒适度，σ为疲劳恢复系数.参考相关资料[16]取值如下：p(H)取0.6 元/km，vH取250 km/h，取0.8 h，取0.15 h，p(A)取0.75元/km，vA取750 km/h，cA取50元，取1.85 h，取0.5 h，J取16，β取59，σ取0.28.

进一步，运用Logit 分担率模型得到旅客在不同出行距离下的分担率为

式中：PH为高铁分担率；PA为航空分担率.

考虑到航空运输在长距离出行方面的绝对优势，本文只考虑未来高速铁路提速对中长距离客运市场的影响.首先，结合测算结果，高速铁路在既有速度等级条件下，500 km 范围内具有绝对的市场优势；其次，由图11可知，当高速铁路速度由260 km/h提速到300 km/h，虽然旅客需要承担更高的出行票价，但缩短的在途旅行时间改变了乘客出行选择偏好，具体表现为，高铁在500～700 km运营里程区间的市场占比提升明显；第三，可预见的是，在保障安全的条件下，随着速度的不断提升，高铁在更长出行距离上将获得更大的市场份额，该趋势将进一步加剧与民航运输的竞争.

图11 高铁速度对高铁市场占比分担影响Fig.11 Highspeed railway impact on market sharing ratio

4.4 全距离不同客运方式功能定位分析

全距离客运市场包含短距离、中距离和长距离3个场景，鉴于全距离客运市场包含出行方式种类更为齐全，这里选定乘客出行方式包含普速公路rrp、高速公路rrg、普速铁路hhp、250 km/h 高速铁路hhg1、350 km/h 高速铁路hhg2和民航A.类似的，乘客出行方式选择应重点关注出行方式票价、舒适性和出行时间，进一步构建不同出行方式的广义出行成本函数为

式中：Ur为公路出行广义出行成本函数；Uh为铁路出行广义出行成本函数；p(h)为铁路出行票价率；dh为铁路出行距离；vh为铁路旅行速度；为铁路出行在城市市内消耗时间；为铁路出行等候时间；εr为铁路出行方式随机项；p(r)为公路出行票价率；dr为公路出行距离；vr为公路旅行速度；为公路出行在出发城市市内消耗时间；为公路出行在终点城市市内消耗时间；εr为公路出行方式随机项；θq1为票价系数；θq2为舒适性系数；θq3为出行时间系数；Prrp为普速公路分担率；Prrg为高速公路分担率；Phhp为普速铁路分担率；Phhg1为250 km/h 高速铁路分担率；Phhg2为350 km/h 高速铁路分担率；PA为航空分担率.相关参数取值与上相同.

结合上述参数数值，运用Logit 分担率模型得到不同运输方式在不同出行距离下的分担率，如图12所示，以普速公路为例，其市场分担率为

图12 全程出行时间下客运方式市场占比分担Fig.12 Market sharing change of different modes with door to door situation

由图12可知：短距离客运市场，以普速公路和高速公路为主，由于两端时间占比大，该距离段速度提升对市场分担率影响较小.中距离段客运市场各方式竞争态势比较复杂，由于端点效果影响的下降，中转效率成为重要因素，速度提升对该区间各方式分担率影响比较显著；具体表现为，普速公路和高速公路市场份额下滑，时速250 km 和350 km 的高速铁路先后占据客运市场主要份额.进入长距离客运市场，民航速度比较优势不断加强，在1 200 km以上区间占据主要市场份额，但承受高铁的巨大冲击.

5 结 论

技术进步是运输速度提升的内在动力，市场结构反映了人们对速度的认可度.本文分析了速度对我国未来客运业的影响，通过演化博弈理论和离散行为选择模型，研究了不同方式在不同场景的比较优势，并得到了如下研究结论.

(1)技术层面的速度具有重要科技含量，但影响旅客出行选择(市场)的主要是出行全过程的“门到门”速度.作为全过程速度要素的组成部分，端点时间对100 km 以内的短距离影响巨大，而中转效率是影响中距离出行市场份额与服务水平的关键因素.研究表明，设计速度250 km/h的高速铁路与民航竞争的临界距离不到800 km，但设计时速提高到350 km/h时临界点可望推至1 200 km.从整个客运行业发展看，利用信息技术提升乘客对客运产品的提前感知，及时决策变更与效果预见性对加强未来客运业竞争力，改善服务水平具有重要战略意义.

(2)科技发展对速度提高的可行性及其市场效果不仅取决于技术速度本身所具有的安全性与可靠性，还取决于技术速度实现的经济性与市场购买力.我国地域广阔，不同地区经济发展水平有一定差异.作为交通系统的重要建设目标，设计速度的选择既要考虑具有引领地区经济发展的超前性，又要考虑当地市场的消费水平，不可建成旅客消费不起或长期需要政府运营补贴的项目.此外，对于超高速技术的研发及应用来说，未来可能需要更多关注技术落地的综合成本.

(3)在研究城市交通技术时，由于城市交通服务难点是通勤通学客流，这些客流对出行服务的可靠性具有更高要求.在复杂多变的城市交通出行体系中，出行服务时间的可靠性对出行选择者来说具有比由速度决定的出行时间本身更大的影响.有鉴于此，围绕独立路权的城市轨道交通服务，着力解决城市轨道交通出行端点的接续效率，是为城市居民提供高质量出行服务的重要举措.

(4)对既有交通系统来说，研发速度提升产品不仅本身涉及一系列复杂的技术，还涉及大量工程技术与设备设施改造问题.作为出行产品的重要属性，研究与速度(出行效率)相关的差异化产品价格也是推动运营企业提供高速、高效出行产品的关键.

(5)过去20年我国已建立了较好的基础设施体系，包括高速铁路、高速公路、民航机场网络，以及包括城市轨道交通在内的城市基础设施网络.改善这些设施间的中转换乘方案、关注全过程出行时间的压缩(即全程速度的提升)方法与依靠技术因素压缩在车时间措施具有类似甚至更经济的效果.

致谢：感谢王庆云、石定寰、张国伍三位教授在本文研究与写作过程中提供的指导.