Διερεύνηση της επίδρασης της σύνθεσης της κυκλοφορίας στην οικονομική αποδοτικότητα ενός σιδηροδρομικού συστήματος: βασικές αρχές και μαθηματική προσομοίωση για την επιλογή σεναρίων εκμετάλλευσης ενός σιδηροδρομικού διαδρόμου

Abstract

In this thesis the influence of traffic composition on the design, construction, operation,maintenance and finally on economic profitability of a railway system are investigated.Furthermore answers to the following questions are explored :“Which is financially more efficient? To having both passenger and freight trains routed on onerailway network/corridor at the same time (mixed operation) or separating passenger fromfreight traffic (dedicated operation) ?”“Which are the effects on design, construction, operation and maintenance of a railway systemwhen trains with different features are routed on the same track? How these effects are evaluatedqualitatively and quantitatively?”“How the different construction and operation parameters of a railway system are influencing itseconomic profitability? Which parameters affect more the economic profitability and how theseparameters differentiate depending on traffic composition?”“Which are the basic criteria and principles which could guide railway authorities to select theoperational framework and the pricing policy for new or for upgrading railway connections?”For this reason three “research tools” have been used : a) Statistical data approach, b) Qualitativeapproach / Quantitative approach (analytical formulas), c) Mathematical simulation.Based on the first research tool a rail network sample from all over the world is selected and theinfluence of traffic composition to their economic profitability is investigated. For this purpose agreat effort of collection and processing of financial and network performance data, from severalrail networks and railway organizations, all over the world, has been taken place. Additional thetrends all over the world for construction of new dedicated corridors have been investigated.Based on the second research tool, using analytical formulas, the influence of the basic featuresof passenger and freight wagons (axle load, speed, train weight, train length, dynamic passengercomfort e.t.c.) on the constituents of a railway system has been investigated.The third research tool is a mathematical model which allows for different operational scenarios,concerning the traffic composition : a) the calculation of the cost of required investments for theimplementation of a railway connection and the calculation of maintenance cost and operationcost, b) the calculation of incomes for the railway company, come from passenger and freighttransportation, depending on the investigated operational scenario, c) the calculation of theeconomic profitability of each operational scenario based on Net Present Value and Internal Rateof Return methods, d) the comparison among the operational scenarios investigated, concerningtheir economic profitability, their cost and income components and basic parameters of therailway system (i.e. construction cost, maintenance cost e.t.c.), e) the investigation of theinfluence of design, construction, maintenance, operational and economic parameters of therailway system to its economic performance, f) the selection, based on the demand for passengerand freight transportation by rail, for a specific railway corridor, of the more economic profitableoperational scenario. The operational scenarios which have been investigated are the following : Scenario 1 : Doubletrack – mixed traffic, Scenario 2 : Double track – passenger dedicated, Scenario 3 : Double track:freight dedicated, Scenario 5 : Single track – freight dedicated, Scenario 6 : Single track – mixedtraffic.The results of this research have been shown that the basic criterion for the selection of theoperational framework of a railway corridor are the features of demand for transportation andmainly the kind and the volume of transported goods and secondarily of the topography. Moreextensively:• An increase of demand leads to an increase of the economic profitability of the railwaysystem.• For average values of demand, scenario1 (double track – mixed traffic) displays a greaternet present value.• For high values of demand the dedicated traffic scenarios display the greater net presentvalue for both single track and double track. Furthermore scenario 3 (double track –freight dedicated) displays greater net present value compared with scenario 2 (doubletrack – passenger dedicated).• As topography becomes worse so the net present value of all operational scenariosdecreasing. For difficult topography for all scenarios net present value is negative. In thiscase single track scenarios and freight dedicated scenarios display better economicresults, even for high values of demand (scenarios 5,6).• The length of the railway connection does not influence the rating concerning theeconomic profitability of the operational scenarios which have been investigated, but“magnifies” the economic results.• When the ratio passenger demand / freight demand tends to 1/3 (traffic compositionpercentage proportion 50%-50%) mixed traffic scenarios display better economic results(scenarios 1,6).• The final economic results of the scenarios which have been investigated are influencedmainly by the value of fares and secondarily by the construction cost and the interest therailway company pays to lenders. The construction cost is larger in case of mixed trafficscenarios. The incomes are larger in case of freight dedicated scenarios. In this casedespite of the construction cost all the other cost components are larger compared withthe cost components of the other scenarios.The presence of passenger and freight trains in the same track has causes serious problems in thedesign, the construction, the operation and the maintenance of a railway system.The international trend for the creation of a globalized economy without restrictions andobstacles on passenger and goods transportation boost significant railway networks all over theworld towards the planning and implementation of freight international corridors. The railwayauthorities of the European Community are searching for criteria which would be used for theselection of the operational framework of a railway corridor that could be adopted for upgradingor new railway connections.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνήθηκε η επίδραση που έχει η σύνθεσητης κυκλοφορίας στο σχεδιασμό, στην κατασκευή, στη λειτουργία, στη συντήρηση καιγενικότερα στην οικονομική αποδοτικότητα ενός σιδηροδρομικού συστήματος. Συγκεκριμέναεπιχειρήθηκε να δοθεί απάντηση στα παρακάτω ερωτήματα :«Τι είναι οικονομικά αποδοτικότερο; Η δρομολόγηση σε ένα σιδηροδρομικό δίκτυο, ταυτόχροναεπιβατικών και εμπορικών συρμών (μικτή εκμετάλλευση), ή η διαφοροποίηση της επιβατικήςαπό την εμπορευματική κυκλοφορία (αμιγής εκμετάλλευση) ;»«Ποιές είναι οι επιπτώσεις στο σχεδιασμό, στην κατασκευή, στη λειτουργία και στη συντήρησημιας σιδηροδρομικής γραμμής στην περίπτωση που κυκλοφορούν σ’ αυτή συρμοί μεδιαφορετικά κατασκευαστικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά; – Πώς εκτιμώνται οι επιπτώσειςαυτές ποιοτικά και ποσοτικά ; »«Πώς επηρεάζουν οι διάφορες κατασκευαστικές και λειτουργικές παράμετροι ενόςσιδηροδρομικού συστήματος την οικονομική αποδοτικότητα του συστήματος ; Ποιές είναι οιβασικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν το οικονομικό αποτέλεσμα και πώς αυτέςδιαφοροποιούνται ανάλογα με τη σύνθεση της κυκλοφορίας ;»«Ποιά είναι τα κριτήρια εκείνα και οι βασικές αρχές που θα οδηγήσουν τους σιδηροδρομικούςφορείς στο να επιλέξουν το πλαίσιο εκμετάλλευσης και την πολιτική τιμολόγησης που θαεφαρμόσουν στις υφιστάμενες σιδηροδρομικές συνδέσεις που αναβαθμίζουν και κυρίως στιςνέες γραμμές που σχεδιάζουν ;»Προς τούτο χρησιμοποιήθηκαν τρία «ερευνητικά εργαλεία»: α) Προσέγγιση με τη βοήθειαστατιστικών δεδομένων, β) Ποιοτική προσέγγιση και ποσοτική προσέγγιση με τη βοήθειααναλυτικών σχέσεων, γ) Μαθηματική προσομοίωση.Με το πρώτο ερευνητικό εργαλείο και με βάση συγκεκριμένη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε,συσχετίσθηκε η σύνθεση της κυκλοφορίας ενός δείγματος σιδηροδρομικών δικτύων με τηνοικονομική αποδοτικότητά τους ενώ παράλληλα εξετάσθηκαν οι τάσεις που επικρατούν διεθνώςγια τη δημιουργία διαδρόμων αμιγούς κυκλοφορίας συρμών.Με το δεύτερο ερευνητικό εργαλείο εξετάσθηκε με τη βοήθεια αναλυτικών μαθηματικώνσχέσεων και μετά από κατάλληλη επεξεργασία τους, η επίδραση βασικών χαρακτηριστικών τωνεπιβατικών και εμπορικών συρμών (βάρος κατ’ άξονα, ταχύτητα, βάρος συρμού, μήκος συρμού,δυναμική άνεση επιβατών κ.λ.π.) στα επιμέρους στοιχεία ενός σιδηροδρομικού συστήματος.Το τρίτο ερευνητικό εργαλείο αποτελεί ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο επιτρέπει, γιαδιαφορετικά σενάρια εκμετάλλευσης όσον αφορά τη σύνθεση της κυκλοφορίας: α) τονυπολογισμό του κόστους της απαιτούμενης επένδυσης για την υλοποίηση της σιδηροδρομικήςσύνδεσης ως επίσης και των κοστών συντήρησης και λειτουργίας, β) τον υπολογισμό τωνεσόδων που προκύπτουν για την επιχείρηση από τη μεταφορά επιβατών ή/και εμπορευμάτωνανάλογα με το σενάριο που εξετάζεται ,γ) τον υπολογισμό της οικονομικής αποδοτικότητας τουκάθε σεναρίου εκμετάλλευσης με βάση τη μέθοδο της καθαρής παρούσας αξίας και του ρυθμούεσωτερικής απόδοσης της επένδυσης, στη διάρκεια της οικονομικής ζωής της επένδυσης, δ) τησύγκριση των σεναρίων εκμετάλλευσης μεταξύ τους όσον αφορά την οικονομική τουςαποδοτικότητα γενικά αλλά και ειδικότερα όσον αφορά επί μέρους στοιχεία κόστους και άλλεςπαραμέτρους του σιδηροδρομικού συστήματος (π.χ. κόστος υποδομής, κόστος συντήρησηςκ.λ.π.), ε)τη μελέτη της επιρροής των διαφόρων σχεδιαστικών, κατασκευαστικών, λειτουργικώνκαι οικονομικών παραμέτρων του σιδηροδρομικού συστήματος στην οικονομική αποδοτικότητατου συστήματος, στ) την επιλογή, με βάση τη ζήτηση του επιβατικού ή/και εμπορευματικούέργου που θα διακινηθεί σιδηροδρομικά σε μια σύνδεση, του σεναρίου εκμετάλλευσης πουπαρουσιάζει τη μεγαλύτερη οικονομική αποδοτικότητα. Τα σενάρια που εξετάσθηκαν ήταν τα εξής : Σ1: Διπλή γραμμή – μικτής κυκλοφορίας συρμών,Σ2 : Διπλή γραμμή – αμιγώς επιβατικής κυκλοφορίας συρμών, Σ3: Διπλή γραμμή – αμιγώςεμπορευματικής κυκλοφορίας συρμών, Σ5: Μονή γραμμή – αμιγώς εμπορευματική διπλής,κατεύθυνσης κυκλοφορίας, Σ6: Μονή γραμμή – μικτής κυκλοφορίας συρμών διπλής,κατεύθυνσης.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το βασικό κριτήριο για την επιλογή του πλαισίου εκμετάλλευσηςενός σιδηροδρομικού διαδρόμου είναι τα χαρακτηριστικά της ζήτησης μεταφορικού έργου καικυρίως το είδος των μεταφερόμενων αγαθών σε συνδυασμό με τον όγκο που μεταφέρεται καιδευτερευόντως το τοπογραφικό ανάγλυφο.Αναλυτικότερα :• Η αύξηση της ζήτησης συνοδεύεται από αύξηση της οικονομικής αποδοτικότητας τουσυστήματος.• Για μέτριες τιμές ζήτησης το σενάριο Σ1 (διπλή γραμμή – μικτή εκμετάλλευση)εμφανίζει τη μεγαλύτερη καθαρή παρούσα αξία.• Για υψηλές τιμές ζήτησης τα σενάρια αμιγούς κυκλοφορίας εμφανίζουν τη μεγαλύτερηκαθαρή παρούσα αξία τόσο στην περίπτωση μονής όσο και στην περίπτωση διπλήςγραμμής. Επιπλέον το σενάριο αμιγούς εμπορευματικής κυκλοφορίας Σ3 παρουσιάζειμεγαλύτερη καθαρή παρούσα αξία σε σχέση με το σενάριο αμιγούς επιβατικήςκυκλοφορίας Σ2• Η οικονομική αποδοτικότητα όλων των σεναρίων εκμετάλλευσης μειώνεται σημαντικάόσο δυσμενέστερο γίνεται το τοπογραφικό ανάγλυφο. Για ορεινό τοπογραφικόανάγλυφο μάλιστα είναι σε όλες τις περιπτώσεις αρνητική. Για ορεινό τοπογραφικόανάγλυφο “ευνοούνται” τα σενάρια μονής γραμμής και εμπορευματικής κυκλοφορίας(Σ5 και Σ6). Σημειώνεται ότι στην περίπτωση αυτή το σενάριο Σ5 παρουσιάζει τημεγαλύτερη καθαρή παρούσα αξία ακόμη και για υψηλές τιμές ζήτησης μεταφορικούέργου .• Το μήκος της σιδηροδρομικής σύνδεσης δεν επηρεάζει την κατάταξη των εξεταζόμενωνσεναρίων εκμετάλλευσης με βάση την οικονομική τους αποδοτικότητα αλλά«μεγενθύνει» το οικονομικό αποτέλεσμα είτε αυτό είναι θετικό είτε αρνητικό.• Όταν ο λόγος της ζήτησης επιβατών/τόνους εμπορευμάτων τείνει στο 1/3 (ποσοστόσύνθεσης κυκλοφορίας 50%-50%) “ευνοούνται” τα σενάρια μικτής κυκλοφορίας(σενάρια Σ1 και Σ6).• Το τελικό οικονομικό αποτέλεσμα επηρεάζεται κατά κύριο λόγο από τα έσοδα από τακόμιστρα και κατά δεύτερο λόγο από το κόστος κατασκευής της υποδομής και από τουςτόκους που πληρώνει η επιχείρηση στους δανειστές της (χρηματοοικονομικό κόστοςμείον έσοδα από δάνεια). Το κόστος κατασκευής της υποδομής είναι μεγαλύτερο στηνπερίπτωση γραμμών μικτής κυκλοφορίας. Τα έσοδα είναι πολύ μεγαλύτερα στηνπερίπτωση αμιγώς εμπορευματικής κυκλοφορίας. Αντίθετα, στην περίπτωση αυτή, εκτόςαπό το κόστος υποδομής, όλα τα υπόλοιπα στοιχεία κόστους είναι μεγαλύτερασυγκρινόμενα με αυτά των άλλων δύο σεναρίων.Η παρουσία επιβατικών και εμπορικών συρμών στην ίδια γραμμή, έχει σημαντικές επιπτώσειςστο σχεδιασμό, στην κατασκευή στη λειτουργία και στη συντήρηση ενός σιδηροδρομικούσυστήματος.Οι τάσεις για τη δημιουργία μιας παγκοσμιοποιημένης οικονομίας χωρίς περιορισμούς στηδιακίνηση εμπορευμάτων, ωθεί σημαντικά δίκτυα παγκοσμίως να σχεδιάσουν και ναυλοποιήσουν αμιγώς εμπορευματικούς διεθνείς σιδηροδρομικούς διαδρόμους. Οι αρμόδιεςΔιευθύνσεις της Ευρωπαϊκής Ένωσης αναζητούν κριτήρια με τα οποία θα γίνουν επιλογέςσχετικά με το πλαίσιο εκμετάλλευσης που θα υιοθετηθεί σε γραμμές που αναβαθμίζονται και σενέες γραμμές που σχεδιάζονται.