重載鐵路雙向運輸效益的評估研究

張永恒, 張劍鎧, 秦 進

(1.中國神華能源股份有限公司,北京 100011;2.中南大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410075)

0 引言

重載鐵路運輸在大宗貨物運輸業務中發揮著不可替代的作用,且服務的貨運需求規模持續擴大。相較于普通鐵路貨運,重載鐵路運輸具有軸重大、牽引質量大、運量大的特點[1]。目前中國重載鐵路線路主要完成西煤東運的任務,呈現“重去空回”的運輸特征[2],在全球能源綠色轉型發展趨勢的推動下,煤炭需求量縮減,由此將導致重載鐵路煤炭運輸業務量下降,重載鐵路線路運力有所富余。

國家部署的“公轉鐵”戰略中明確提出了鼓勵港口大宗貨物進出港采用鐵路方式運輸的措施,重載鐵路因一端銜接港口、一端深入內陸地區,具備承擔大宗散貨疏港運輸業務的能力。正向多重車、反向多空車的運營現狀因此有所改變,朔黃鐵路、大秦鐵路、瓦日鐵路等重載線路已開展反方向的非煤貨物運輸業務,開始探索雙向運輸模式。

具體來看,國家能源集團自營鐵路朔黃鐵路是中國西煤東運的大通道之一。近年來,朔黃鐵路在天津港和黃驊港利用返程車皮運輸鐵礦石,根據文獻[3]整理得到2017—2019年朔黃鐵路雙向運量水平,如表1所示。正向煤炭運輸量均在3億t左右,反向鐵礦石運量與正向運量之比在1%～3%之間。

大秦鐵路是中國重要的煤運專線鐵路,在1992年正式通車后,隨著運輸裝備和管理水平的不斷提高,運輸能力得到大幅提升,2018年運量已突破4.50億t。2019年,大秦鐵路完成貨物總運量為4.31億t,其中反向運量為1 095萬t,反向與正向運量之比約為2.61%[4]。

瓦日鐵路是世界第一條按照30 t重載鐵路標準建設的鐵路。瓦日鐵路通過實施“港內礦石裝車+鐵路發運至園區+卸車+汽運配送+返程煤焦套貨入園+煤焦鐵路集港+裝船”的物流新模式,拓展反向運輸業務。2018年,瓦日鐵路正向運輸煤炭等貨物3 410萬t,反向運輸鐵礦石等非煤貨物364萬t[5],反向與正向運量之比為10.67%。

中國重載鐵路雙向運輸的新模式目前正處于探索階段,線路的雙向運量均衡程度較低,多數線路反向運量占正向運量比重不足15%,反向有較大的運力余量,并且正向運量規模越大的線路,往往雙向運輸不均衡性越明顯。

1 重載鐵路雙向運輸既有研究綜述

針對重載鐵路重空車雙向運輸組織優化、運輸效率提升等領域,目前已有學者開展相關研究。JING et al[6]將空車分配計劃與重車車流組織優化相結合,以空重車流在裝車段停留時間最小為目標,建立基于車站和線路能力的綜合優化模型;ZHANG et al[7]以車輛空駛時間最小為目標,建立了重載鐵路空車調整優化模型;XIANG et al[8]綜合考慮重載列車運輸需求、設備容量等制約因素,建立了重載鐵路車流組織優化模型,最大限度地減少貨車循環時間,提升運輸組織效率;耿放等[9]建立了考慮5 000 t單元列車和1萬t組合列車的重載鐵路列車開行方案模型,得到了不同方案的成本函數。以上研究從重載鐵路運輸組織入手,提出了車輛周轉時間最短、運輸組織效率最高的運輸組織方案,為重載鐵路實際的運輸組織方案制定提供理論支撐。

在重載鐵路運輸效益方面,目前缺乏綜合考慮正、反向運輸效益的雙向評估體系?，F有研究成果中,在交通運輸效益評估體系方面,毛保華等[10]以多式聯運服務為對象,提出了考慮各方式運輸效率及碳排放的收益測算方法,明確了聯運涉及的各方式的收益情況。此外,在運輸效益評估方法及應用領域,MATUTE et al[11]以經濟效益與碳排放成本為具體指標,采用成本-效益分析法,評估了加利福尼亞高鐵和城市交通的總效益;SUN et al[12]通過構建耦合協調度模型,評估了城市公共交通系統的經濟效益、社會效益和環境效益的協調發展水平,并得出經濟效益的提高有助于促進社會、環境效益的提高,使3項效益更加協調發展;SICILIANO et al[13]提出了改進的成本效益分析法,從社會成本和效益的角度評估了創新型鐵路貨運服務。既有文獻多從宏觀層面評估鐵路、道路及城市交通系統的綜合運輸效益,關于重載鐵路線路層面的雙向運輸效益評估研究相對不足,使重載鐵路運營部門無法準確衡量雙向均開行重車情況下的經濟、社會效益水平。

中國多條重載線路直接延伸至港口,充分具備由港口借助返程車輛回運金屬礦石等非煤貨物的運輸條件,且為落實國家“公轉鐵”戰略、助推貨運可持續發展[14],考慮探索雙向重車的運輸模式。在此前提下,建立完善的重載鐵路雙向運輸效益評估體系,研究重載鐵路雙向重載運輸模式的發展策略,對運營部門充分利用線路銜接港口的優勢條件和反向的富余運力、提升重載鐵路運營效益具有重要指導意義。

2 重載鐵路雙向運輸效益評估方法

為討論重載鐵路發展反向運輸業務后的雙方向效益情況,研究了重載鐵路雙向運輸效益評估方法。從工作流程來看,重載鐵路的運輸效益涉及多個環節,主要討論運輸環節,不考慮線路的建設及養護維修環節。

重載鐵路雙向運輸效益通過雙向綜合效益S來反饋

S=Sε+Sh

(1)

式中,Sε為經濟效益;Sh為社會效益。

雙向運輸的經濟效益為正向運輸利潤與反向運輸利潤之和

(2)

式中,i為貨物運輸方向,i=1、2分別對應正向、反向;Ii為某一方向上的收入;Xi為某一方向上的成本。

正向運輸收入I1為托運人支付的運費

I1=p1l1q1

(3)

式中,p1為正向運輸單位周轉量運價;l1為正向平均運距;q1為完成的正向貨運總量。

相同地,反向運輸收入I2為該方向上托運人支付的運費

I2=p2.1l2(1-α)q2+p2.2l2αq2

(4)

式中,p2.1、p2.2分別為一般貨物、高附加值貨物在反向運輸中的單位運價率;l2為反向平均運距;q2為完成的反向貨運總量;α為高附加值貨物占反向貨運量的比值。

正向運輸成本X1主要包括貨物裝卸成本、運輸過程中的固定成本以及與能耗有關的運輸環節變動成本

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

(5)

式中,a1、b1分別為正向運輸單位運量的裝、卸成本;c為運輸環節單位運量的固定成本;d1為與能耗有關的單位變動成本。特別地,重載鐵路運輸模式具有往復周期性,固定成本由雙向運輸中運量較大的方向決定。

反向運輸成本X2同樣包括了貨物裝卸成本、固定成本及變動成本,與正向運輸不同的是,除了考慮不同附加值貨物的裝卸成本外,還考慮了部分貨物在中間站卸車的成本

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分別為一般貨物單位運量的裝、卸成本;a2.2、b2.2分別為高附加值貨物單位運量的裝、卸成本;ω為中間站卸載貨運量占反向運輸貨運量的比值;e2.1、e2.2分別為中間站卸載一般、高附加值貨物的單位運量的成本;d2為反向運輸過程中的單位變動成本。

雙方向的社會效益主要考慮了環境效益,具體為重載鐵路大力發展反向運輸后,吸引該方向上部分原本通過公路運輸的貨物,從而降低的二氧化碳排放成本。由于碳排放量與雙向運輸利潤的量綱并不一致,故考慮通過碳稅值γ(元·(g CO2)-1)將碳排放成本轉化為貨幣成本

Sh=γ(Rroad-Rrail)l2q2

(7)

式中,Rroad、Rrail分別為公路、鐵路的貨運碳排放因子。

3 重載鐵路反向運輸環節對雙向運輸效益的影響分析

為使得鐵路運營部門能夠權衡發展重載鐵路反向運輸業務帶來的效益,應用雙向運輸效益評估方法,討論反向運量占正向運量比重、反向吸引的貨物對雙向綜合效益的影響,進而為運營部門提供決策依據。

3.1 參數選取

在重載鐵路線路雙向運輸效益評估方法的基礎上,設置雙向單位運價率、雙向各環節單位成本值不變的條件。表2參考相關文獻給出了評估方法中所涉及部分參數的取值。

表2 部分參數取值

圖1 反向運量占比與雙向運輸效益的關系

3.2 反向運量占比對雙向運輸效益的影響

中國多條重載鐵路線路雙向運量情況各異,2017—2019年朔黃鐵路反向占正向運量比重不足5%,2018年瓦日鐵路反向占正向運量比重略高于10%。隨著反向運量與正向運量比值的提升,雙向運輸經濟、環境及綜合效益的變化情況如圖1所示。

由圖1可以看出,各效益值均與反向運量呈顯著的正相關,反向運量占正向運量比重從2%變化至20%,雙向運輸經濟效益從17.21億元增長至17.69億元,雙向運輸環境效益從0.05億元增長至0.48億元,故雙向運輸綜合效益從17.26億元增長至18.17億元。結合圖1,雙向綜合效益漲幅為5.25%,高于經濟效益的漲幅2.77%,主要原因為,重載鐵路開始承擔通道反向上的貨運任務后,鐵路運輸方式的環保優勢得以體現,大大改善了公路分擔率過高導致的環境污染問題。因此,重載鐵路線路可考慮發展雙向運輸模式,通過下浮運價等策略提升對反方向上有運輸需求的貨物的吸引力,挖掘適運的貨物品類,以促進重載鐵路運輸的綜合效益。

3.3 反向運輸貨物價值對雙向運輸效益的影響

圖2 反向運輸中高附加值貨物占比及反向占正向運量比重與雙向運輸綜合效益的關系

重載鐵路正向運輸的貨物品類主要為煤炭、焦炭等,反方向上主要吸引從港口上水的進口金屬礦石等品類,反向運輸貨物品類對應的價值與反向運量將影響雙向運輸效益,雙向運輸綜合效益變化情況具體如圖2所示。

根據圖2,反向運量增加、反向運輸中高附加值貨物占比的增加,都利于雙向運輸綜合效益的提升。若反向運輸中高附加值貨物占比從5%提升至30%,在反向占正向運量比重為2%時,雙向運輸綜合效益漲幅為0.43%;反向占比擴大為20%時,雙向運輸綜合效益漲幅為4.18%。故在推進重載鐵路雙向運輸模式發展時,若能吸引高于鐵礦石等大宗貨物價值的品類,可進一步促進雙向運輸綜合效益提升。

4 結論與對策

綜上所述,可以得到如下研究結論:

(1) 當前中國重載鐵路雙向運輸模式處于發展初期,由于有關重載鐵路雙向運輸綜合效益評估的研究較少,因此運營部門未能準確衡量開展反向運輸帶來的效益。本文著重分析了反向運輸環節中運量變化對雙向運輸綜合效益的影響。在設置的算例中,當反向運量占正向運量比重從2%變化至20%,雙向運輸綜合效益提升5.25%。反向運輸業務的開展,除了利于經濟效益穩步增長,還彰顯了鐵路運輸方式低碳排放的優勢,緩解了原先通道上公路分擔率過高導致的環境污染問題。

(2) 進一步研究了反向運輸的貨物品類對雙向運輸綜合效益的影響。結合算例結果看出,反向占正向運量比重為20%,反向運輸中高附加值貨物占比從5%提升至30%,雙向運輸綜合效益增長4.18%。高附加值貨物占比提高可改善雙向運輸效益,且反向運量規模越大,改善效果越顯著。

綜合來看,一端銜接內陸地區、一端銜接港口的重載鐵路線路可考慮發展雙向重載運輸模式,鐵路運營部門可考慮拓展雙向重載運輸業務覆蓋范圍,挖掘潛力貨物品類,與沿線地區相關企業建立長期合作關系,保證穩定的反向貨源,以提升雙向綜合效益,利于雙向均衡運輸,推進運輸通道上多產業互利共贏。