倪繼娜，張 巍，張 棟

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

大秦鐵路(韓家?guī)X—柳村南)起自山西省大同市終到河北省秦皇島市，途經(jīng)山西、河北、北京、天津，全長653 km，是中國“西煤東運”的主要通道之一[1]。大秦鐵路自開通運營以來，承擔著26個省、市、自治區(qū)及全國6大電網(wǎng)、5大發(fā)電公司、380多家主要電廠、10大鋼鐵公司和6 000多家工礦企業(yè)的生產(chǎn)用煤和出口煤炭的運輸任務。目前，煤炭產(chǎn)能逐漸向山西、陜西、內(nèi)蒙古西部(以下簡稱“三西”)集中，山西、陜西、內(nèi)蒙古3省(區(qū))采用鐵路向省外的調(diào)撥量占鐵路煤炭總調(diào)撥量的比例由2010年55%上升到2018年70%，調(diào)出省出現(xiàn)了明顯的集中趨勢。因此，需要加強對大秦鐵路未來發(fā)展趨勢的研究，為大秦鐵路完成貨運增量、發(fā)揮通道能力提供借鑒。

1 大秦鐵路煤炭運輸需求現(xiàn)狀分析

1.1 上游行業(yè)

（1）“三西”地區(qū)煤炭生產(chǎn)區(qū)域分布現(xiàn)狀。在“去產(chǎn)能”政策優(yōu)化存量資源配置、擴大優(yōu)質(zhì)資源供給的要求下，近年來煤炭產(chǎn)業(yè)布局得到了優(yōu)化。煤炭生產(chǎn)重心越來越向山西、陜西、內(nèi)蒙古等資源稟賦好的地區(qū)集中[2]。據(jù)國家能源局公告顯示，截至2018年底，在全國3 373處生產(chǎn)煤礦中，山西、陜西、內(nèi)蒙古3省(區(qū))共有生產(chǎn)煤礦1 204個，生產(chǎn)能力占全國生產(chǎn)能力的64%；在全國1 010處開工建設煤礦中，山西、陜西、內(nèi)蒙古3省(區(qū))共有開工建設煤礦511個，新增產(chǎn)能占全國新增產(chǎn)能的56%。內(nèi)蒙古鄂爾多斯市、山西省大同市、長治市，陜西省榆林市生產(chǎn)能力較強。目前，全國證照齊全的千萬噸級煤礦共有41個，山西、陜西、內(nèi)蒙古3省(區(qū)）有35個，占比85.3%。其中，山西省7個，主要分布在大同、朔州地區(qū)；內(nèi)蒙古17個，主要分布在鄂爾多斯、錫林郭勒盟、通遼、呼倫貝爾地區(qū)；陜西省11個，全部在榆林地區(qū)。全國已核準、開工建設的千萬噸級煤礦共有19個，山西、陜西、內(nèi)蒙古3省(區(qū))有17個，占比89.4%。其中，山西省2個，分布在大同、呂梁地區(qū)；內(nèi)蒙古10個，主要分布在鄂爾多斯、錫林郭勒盟；陜西省5個，全部在榆林地區(qū)。在未來很長一段時間內(nèi)，“三西”地區(qū)仍是煤炭生產(chǎn)、開發(fā)和運輸?shù)闹攸c地區(qū)。

（2）煤炭產(chǎn)量現(xiàn)狀。1998—2013年間，煤炭產(chǎn)量持續(xù)增長，2014年，在經(jīng)濟增長放緩環(huán)境下，煤炭產(chǎn)量出現(xiàn)1998年以來的首次下降，直至2017年，在先進產(chǎn)能釋放、電廠庫存下降、進口煤炭業(yè)務收緊等多重作用下，煤炭產(chǎn)量在連續(xù)3年下降后出現(xiàn)回升。2018年，全國煤炭產(chǎn)量36.8億t，同比增長4.43%。2019年前三季度，全國煤炭產(chǎn)量27.4億t，同比增長4.5%，山西、陜西、內(nèi)蒙古3省(區(qū))煤炭產(chǎn)量占全國的70%。其中，內(nèi)蒙古、山西地區(qū)煤炭產(chǎn)量增速遠超全國增速，分別為10.4%和8.3%，而陜西地區(qū)同比減少1.7%。

1.2 下游行業(yè)

從煤炭消費行業(yè)來看，主要包含4大下游行業(yè)，下游行業(yè)主要產(chǎn)品產(chǎn)量變化同樣影響著大秦鐵路煤炭運輸需求的變化。2018年，電力行業(yè)全年耗煤21億t左右，鋼鐵行業(yè)耗煤6.2億t，建材行業(yè)耗煤5億t，化工行業(yè)耗煤2.8億t，其他行業(yè)耗煤減少約6 000萬t。其中，火電是煤炭行業(yè)最主要的下游需求。

（1）電力行業(yè)生產(chǎn)力布局。山東、江蘇、內(nèi)蒙古、廣東發(fā)電量大且主要采用火力發(fā)電，是主要耗煤地。四川、云南、青海、貴州、湖北、湖南、廣西的火力發(fā)電量占各省(區(qū))總發(fā)電量的比例并不高，主要是受到水電、風電的季節(jié)情況對發(fā)電形勢和發(fā)用電市場供需關系的影響。

（2）電力行業(yè)發(fā)電現(xiàn)狀。2012—2018年清潔能源及火電發(fā)電裝機和發(fā)電量占比如圖1所示。清潔能源發(fā)電裝機占比從2012年的28.50%上升到2018年的39.79%，火電裝機占比則從71.50%下降至60.21%。與此同時，清潔能源發(fā)電量比重也逐年提高，從2012年的21.27%上升至2018年的29.69%，火電發(fā)電量占比則從78.73%下降至70.91%。

圖1 2012—2018年清潔能源及火電發(fā)電裝機和發(fā)電量占比Fig.1 Comparison on the proportions and generating capacity between clean energy and thermal power from 2012 to 2018

1.3 煤炭運輸需求

（1）運量情況。大秦鐵路煤炭運量占全國鐵路煤運總量的19%左右。2009年受國際金融危機的持續(xù)影響，上半年國內(nèi)煤炭需求持續(xù)低糜，致使大秦鐵路全年運量稍有下降。2010—2011年，在國內(nèi)經(jīng)濟較快發(fā)展的背景下，我國煤炭產(chǎn)量及需求量均保持快速增長，煤炭產(chǎn)量同比增長均達到8.5%以上，火力發(fā)電量、粗鋼產(chǎn)量增速同比分別達到10%和7%以上，2010年大秦鐵路增開1.5萬噸組合列車，增加了運力保障，從而進一步拉動了大秦鐵路煤炭運量上升。2012年，GDP增速放緩，上下游相關行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增速回落，火電在全社會發(fā)電量占比下滑3.9個百分點，同時，我國煤炭進口量達到2.9億t，同比增長29.8%，進一步抑制了“三西”地區(qū)煤炭需求。2013年，煤炭下游行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增速回暖，火電、粗鋼、生鐵產(chǎn)量增速分別達到9.1%，12.3%，7.2%，進而帶動大秦鐵路運量上升。2014年，煤炭產(chǎn)量小幅下降，主要耗煤行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增速回落，國家環(huán)境治理力度加大，單位GDP能耗持續(xù)下降，抑制了大秦鐵路運量的增長，但鐵路加大投資力度，推進短平快項目建設，進而實現(xiàn)了運量小幅上升。2015—2016年，受我國經(jīng)濟增速繼續(xù)放緩，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革政策實施，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整等多重因素的影響，煤炭產(chǎn)需低糜，疊加準池(外西溝—神池南)、張?zhí)?孔家莊—曹妃甸北)等鐵路對大秦鐵路的分流，大秦鐵路運量快速減少。2017年，國家經(jīng)濟形勢向好，煤炭產(chǎn)量止跌回升，主要耗煤行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量增加，煤運需求提升，且在公路治超、限制汽運煤進港的政策支持下，部分公路煤炭運量回歸鐵路，大秦鐵路運量回升。2018年，在煤炭生產(chǎn)向“三西”地區(qū)集中，電煤需求旺盛以及公轉(zhuǎn)鐵、藍天保衛(wèi)戰(zhàn)政策的驅(qū)動下，大秦鐵路完成運量4.51億t，同比增運1 861.2萬t、增長4.3%，比歷史最高水平的2014年增運100萬t，按照大秦線整體4.5億t的年運力，大秦線全年滿負荷在運轉(zhuǎn)。2019年前三季度，受國家經(jīng)濟下行壓力大、行業(yè)市場不景氣等因素影響，大秦鐵路運量2.87億t，同比下降17.2%。大秦鐵路煤炭運輸需求變化示意圖如圖2所示。

圖2 大秦鐵路煤炭運輸需求變化示意圖Fig.2 Changes of transportation demand for Datong-Qinhuangdao Railway

（2）煤炭運輸結(jié)構(gòu)。從2018年的大秦鐵路煤炭運輸流來看，輸送的煤炭資源主要來自北同蒲線(大同—太原)、云崗支線(大同—新高山)、口泉支線(平旺—口泉)、大準線(大同東—準格爾)等，疏運到秦皇島港等各港口卸車，通過海運繼續(xù)運輸。其中，到港口40 262.1萬t，占比89.3%。到港煤炭大部分由華能國際電力股份有限公司、國電電力發(fā)展股份有限公司、中國大唐集團有限公司、浙江省能源集團有限公司、上海電力股份有限公司和廣東省粵電集團有限公司等沿海6大電廠采購，其采購量占據(jù)其海上煤炭調(diào)入量的70%以上，主要發(fā)往廣東、江浙等地。到沿途車站運量1 966.7萬t，占比4.4%，主要發(fā)往秦皇島東、遵化北、翠屏山等沿線電廠；到段甲嶺、薊縣西、高各莊等分界口運量為2 871.4萬t，占比6.3%，主要發(fā)往東北，以及北京、天津和唐山地區(qū)的電廠和鋼廠。

2 大秦鐵路煤炭運輸需求預測

2.1 影響因素

（1）宏觀經(jīng)濟。從宏觀經(jīng)濟發(fā)展來看，我國經(jīng)濟增速放緩，經(jīng)濟下行壓力加大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，能源作為經(jīng)濟發(fā)展和社會生活必要的物質(zhì)基礎之一，與經(jīng)濟增長相輔相成，“三西”地區(qū)經(jīng)濟增長與鐵路煤炭運輸關聯(lián)度較大，經(jīng)計算，山西、內(nèi)蒙古、陜西3省(區(qū))鐵路煤炭運量與當?shù)谿DP相關系數(shù)分別為0.917，0.517，0.933。其中，山西和陜西鐵路煤炭運量與當?shù)谿DP關聯(lián)度較大，內(nèi)蒙古地區(qū)相關系數(shù)較低，主要由于其區(qū)域范圍廣，畜牧業(yè)等其他行業(yè)也占有一定的比重。大秦鐵路作為“三西”地區(qū)煤炭外運的主要通道，與全國和山西省GDP關聯(lián)系數(shù)分別為0.527和0.695，也存在較強的正相關關系，對于促進經(jīng)濟增長有著重要意義[3]。從相關行業(yè)政策來看，自2013年開始，我國煤炭行業(yè)有關政策頻出，對煤炭市場產(chǎn)生了深遠的影響，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、煤炭去產(chǎn)能、電力促進清潔能源替代等行業(yè)政策對煤炭生產(chǎn)和消費起到了抑制作用，而調(diào)整運輸結(jié)構(gòu)、公路治超、鐵路3年增量等交通行業(yè)政策對大秦鐵路煤炭運輸需求又起到了一定的促進作用[4]。

（2）市場供需。運輸業(yè)作為第三方服務業(yè)，一直以市場需求為目的來展開各項活動，因此，其上下游行業(yè)也是影響大秦鐵路煤炭運輸需求的重要因素之一。從煤炭生產(chǎn)行業(yè)來看，煤炭產(chǎn)量是影響大秦鐵路煤炭運輸需求的最主要因素。大秦鐵路與“三西”地區(qū)煤炭生產(chǎn)產(chǎn)運系數(shù)如圖3所示。近年來，大秦鐵路與“三西”地區(qū)煤炭生產(chǎn)產(chǎn)運系數(shù)維持在0.19左右，相對穩(wěn)定。從煤炭消費行業(yè)來看，煤炭主要包含4大下游行業(yè)，下游行業(yè)主要產(chǎn)品產(chǎn)量變化同樣影響著鐵路煤炭運量的變化。在能源清潔利用的大趨勢下，清潔能源發(fā)電增速將會繼續(xù)保持高速增長，在發(fā)電結(jié)構(gòu)中的占比將繼續(xù)提升，而火電發(fā)電在發(fā)電結(jié)構(gòu)中的占比雖會逐漸下降，但隨著經(jīng)濟增長對電力需求的拉動，以及火電價格相對低廉、調(diào)峰性能好等優(yōu)點，未來火電發(fā)電絕對量仍將繼續(xù)上升。

（3）競爭環(huán)境。一是公路競爭。公路運輸主要發(fā)揮3個方面的作用：為煤礦、鐵路站臺提供接取送達服務；為地區(qū)自產(chǎn)自銷提供服務；直接參與跨省煤炭調(diào)運。未來如果煤炭需求上升，伴隨著“公轉(zhuǎn)鐵”和公路治超政策的實施，以及鐵路延伸服務的發(fā)展，公路運輸市場份額將被逐漸擠壓。如果煤炭需求下降，首先受影響的將是公路運輸?？傮w來說，公路對大秦鐵路煤炭運輸?shù)挠绊懯钟邢蕖６翘馗邏狠旊姼偁?。根?jù)國家能源局發(fā)布的《關于加快推進大氣污染防治行動計劃12條重點輸電通道建設的通知》，其中9條特高壓線路是將內(nèi)蒙古、山西、陜西等西部地區(qū)的電力輸送到京津冀、長三角和珠三角地區(qū)，將“西煤東運”和“北煤南運”轉(zhuǎn)為“西電東送”和“北電南送”。目前我國已建成投運21條特高壓線路，其中有8條特高壓線路以“三西”地區(qū)為起點，主要輸送到江浙滬和山東地區(qū)。同時，隨著“三西”等煤炭主產(chǎn)區(qū)的坑口煤電基地大力建設，煤炭消費重心將由沿海向內(nèi)陸西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，遠期來看，電煤運輸需求將繼續(xù)減少，制約了大秦鐵路煤炭運輸需求的增長。

圖3 大秦鐵路與“三西”地區(qū)煤炭生產(chǎn)產(chǎn)運系數(shù)Fig.3 Production and transportation coefficient of coal production by Datong-Qinhuangdao Railway and the “Sanxi” area

（4）鐵路內(nèi)部。對于鐵路內(nèi)部來說，一是平行線路及新開通線路貨源競爭。大秦鐵路與唐呼鐵路(唐山—呼和浩特)、朔黃鐵路(神池南—黃驊港)和新開通的浩吉鐵路(浩勒報吉南—吉安)貨源吸引范圍重疊，且大秦鐵路能力趨于飽和，唐呼鐵路能力釋放，朔黃鐵路運價靈活，浩吉鐵路直達運輸，鐵路煤炭運輸需求分布正在發(fā)生改變[5]。二是運價。大秦鐵路為煤運通道，對于煤炭等大宗貨物來說，客戶總是將價格放在第一位，經(jīng)運價對比測算，到曹妃甸西經(jīng)大秦線比經(jīng)唐呼線全程運費要高40元左右，大秦鐵路煤炭運輸需求受到一定影響。三是專用線建設。專用線的建設可以很好地解決“前后一公里”問題，促進更多貨源回歸鐵路，對公轉(zhuǎn)鐵需求量有較大影響。

2.2 預測模型構(gòu)建

大秦鐵路煤炭運輸需求變化呈非線性模式且影響因素眾多，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型能夠逼近復雜的非線性系統(tǒng)，尋找運輸需求與其影響因素數(shù)據(jù)間的關聯(lián)變化，其通過學習訓練數(shù)據(jù)，將樣本輸入至神經(jīng)網(wǎng)絡，并將訓練數(shù)據(jù)與需要輸出的變量以最好的方式關聯(lián)起來，計算得到實際輸出，進而準確預測大秦鐵路煤炭運輸需求非線性變化，預測結(jié)果精度較高，故而適用于大秦鐵路煤炭運輸需求預測[6-7]。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。輸入層用向量x表示，輸入向量x= (x1，x2，…，xn)，n表示輸入神經(jīng)元的個數(shù)，隱藏層神經(jīng)元用z表示，z=(z1，z2，…，zq)，q表示隱藏神經(jīng)元個數(shù)，輸出神經(jīng)元用y表示，輸出向量y= (y1，y2，…，ym)，m表示輸出神經(jīng)元個數(shù)。

圖4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Artificial neural network structure

3層網(wǎng)絡中，輸入和輸出神經(jīng)元依據(jù)輸入向量和研究目標而定，隱藏層神經(jīng)元與輸入層全連接，隱藏層的輸入表示為

式中：Z(1)為隱藏層中輸入值線性組合；ω(1)為輸入層到隱藏層的權(quán)重；b(1)為輸入層到隱藏層的偏置。

利用激活函數(shù)f為隱藏層定義輸出，通常采用sigmoid函數(shù)，公式為

同理，輸出層的輸入表示為

式中：Z(2)為隱藏層中輸出值的線性組合；ω(2)為隱藏層到輸出層的權(quán)重；b(2)為隱藏層到輸出層的偏置。

輸出層輸出的公式為

最終得到人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型為

在構(gòu)建基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的大秦鐵路煤炭運輸需求預測模型中，共選擇19個元素作為輸入神經(jīng)元。主要輸入神經(jīng)元元素如圖5所示。隱藏層的神經(jīng)元與輸入層和輸出層的神經(jīng)元全連接，輸出神經(jīng)元即大秦鐵路煤炭運輸需求量。

2.3 結(jié)果分析

2009—2016 年，國家經(jīng)濟、煤炭上下游產(chǎn)品產(chǎn)量以及鐵路固定資產(chǎn)投資變化波動幅度較大，大秦鐵路煤炭運輸需求在各影響因素疊加作用下，也出現(xiàn)了較大幅度的變化[8]。依據(jù)大秦鐵路歷史運量數(shù)據(jù)及其相關影響因素數(shù)據(jù)，運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，通過SPSS軟件進行分析預測，模型充分考慮各影響因素對大秦鐵路煤炭運輸需求的影響，擬合后得出平均相對誤差1.23%，預測結(jié)果與實際情況擬合程度較好。預計到2020年，大秦鐵路煤炭運輸需求為4.35億t，到2025年運輸需求為4.56億t。大秦鐵路煤炭運輸需求預測曲線如圖6所示。

圖5 主要輸入神經(jīng)元元素Fig.5 Major input neuron elements

圖6 大秦鐵路煤炭運輸需求預測曲線Fig.6 Transportation demand forecast curve for Datong-Qinhuangdao Railway

3 結(jié)束語

大秦鐵路煤炭運輸對于促進區(qū)間貨物交流、提高運輸能力、實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)營、提升運輸效率、承接公轉(zhuǎn)鐵運量具有重要意義。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型對大秦鐵路需求進行預測的結(jié)果可知，在國家經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、相關行業(yè)產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化、特高壓輸電競爭壓力加大的背景下，大秦鐵路未來運輸需求增長乏力，鐵路應在穩(wěn)定現(xiàn)有貨源的基礎上，抓住國家調(diào)整運輸結(jié)構(gòu)的機會，加大貨源組織力度，充分發(fā)掘潛在需求，持續(xù)深度挖掘“公轉(zhuǎn)鐵”貨源，進而實現(xiàn)大秦鐵路煤炭運輸增量。