交通部署案例集/2015/美國輕軌發展
自 20 世紀 70 年代初以來，美國的輕軌交通取得了顯著進展。這種交通方式是 20 世紀初主宰城市景觀的美國有軌電車的繼任者。輕軌是在有軌電車模型的基礎上發展起來的，它利用現有的基礎設施和支援技術。新的輕軌發展效仿過去的有軌電車線路，因為許多這些走廊塑造了現有的美國城市，並且對於放置新的交通系統來說是合理的。自 1980 年以來，美國已開通了 25 條以上輕軌系統。輕軌繼續成為交通管理部門最青睞的選擇，目前美國有 50 多條輕軌線路正在規劃階段[1]。圖 1 所示的生命週期模型預測了這一結果。這種交通方式尚未成熟，預計將持續增長到 2048 年。
從 1890 年代到 1930 年代，有軌電車線路遍佈所有主要城市，為此前無法獲得的民眾提供了經濟實惠且可靠的交通方式。最初的有軌電車熱潮過後，票價上漲以資助基礎設施的更換和維護。這種困境使得公共汽車線路與有軌電車市場越來越具有競爭力，因為公共汽車更便宜且更易於操控。隨著有軌電車從軌道轉變為無軌電車，這些系統的所有權也發生了變化。最初，有軌電車線路由私人公司所有，這些公司從系統中獲利。然而，當該行業在 1930 年代開始崩潰時，地方政府接管了這些系統，以便為其公民提供某種形式的公共交通。公共交通需求下降，部分原因是中位收入的提高，這使得汽車變得負擔得起，以及工作周從 6 天變為 5 天[2]。儘管做出了這些努力，隨著汽車的普及開始飽和個人交通市場，有軌電車和無軌電車迅速被放棄。
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將輕軌與其前身區分開來的特點在於系統的執行特性和服務的出行型別。與有軌電車不同，輕軌列車的速度快於有軌電車，這使得它們適合於服務長途和短途出行。輕軌線路可以高架或使用隧道行進一段距離，以保護現有走廊。輕軌車廂的內部一直以來都設計為舒適，而不是早期有軌電車系統的極簡主義方法。此外，輕軌的制動器和減震器比後來的有軌電車更能抵抗傳遞的擾動。許多這些乘客舒適度理念源於總統會議委員會的有軌電車設計，該設計試圖透過為有軌電車配備類似於汽車的奢華設施來提高客流量[3]。為了區分現代有軌電車系統和輕軌系統，應同時比較幾個因素。通常，輕軌系統擁有專用車道、路外軌道、更大的車輛和每列火車有多輛車廂，而有軌電車只有偶爾擁有這些功能。此外，輕軌系統具有較長的線路長度和車站之間較長的距離，而有軌電車則具有較短的線路和較短的車站間距。由於輕軌是在之前運營有軌電車線路的地區採用，因此一些城市的基建設施只進行了部分改造，因此，這些系統之間沒有明確的界限。將輕軌與其他交通方式區分開來的關鍵技術包括使用受電弓（或集電杆）從架空線索獲取電力、固定路線和時間表，以及與周圍交通物理隔離的路權。輕軌車輛往往在高架車站上下客，或使用低階臺階上下客。一般來說，輕軌系統分為兩種型別，即低容量和高容量。低容量系統可能設定在交通之中，停靠頻繁，沒有乘客使用的站臺。低容量輕軌系統有時可能包括與周圍交通分離的線路、停靠較少的車站以及專門的上下車區域。相比之下，高容量輕軌系統與地鐵系統（例如倫敦地鐵）之間存在細微的差別，但是如果火車本身較短且頻率較低，則通常被認為是輕軌。希望緩解擁堵並將數量中等或較少的公民運送到繁忙道路的城市是輕軌發展的主要市場。“輕軌”一詞意味著車輛的框架比貨運和通勤鐵路更輕，貨運和通勤鐵路往往比輕軌列車行駛更遠的路程並承受更重的載荷。此外，輕軌列車可以由一輛或多輛串聯的車廂組成，這使得輕軌用途更加多樣化。
街頭有軌電車曾被普遍認為不舒服、危險且難以盈利。汽車解決了這些問題中的許多，因為它允許人們按照自己的意願出行，並利用免費的公路系統。在接下來的 30 年的大部分時間裡，汽車取代了交通運輸行業，直到後來幾十年再次提高了對公共交通的認識。到 20 世紀 60 年代，城市開始經歷汽車增多帶來的弊端。當時，交通擁堵達到了新的高度，高速公路的發展正在摧毀社群及其周圍的經濟。到 20 世紀 60 年代，公共交通的客運量比 20 世紀 20 年代後期下降了 58%，許多人認為公共交通將在未來幾年內停滯不前[4]。與這種看法相反，公共交通在 20 世紀 70 年代初經歷了復興，因為交通願景者和城市規劃者開始著眼於歐洲，重建失去的公共交通系統。在這期間，美國公眾的政治參與度越來越高，這激發了人們對改變國家科技進步軌跡的樂觀情緒。將輕軌引入北美的討論在 20 世紀 70 年代石油危機成為主要問題後出現。這也是交通機構尋找新技術進步[5] 以改善城市中心擁堵狀況和市民通行效率的時期。此外，越南戰爭結束後，國防承包商一直在尋找投資資金的替代市場，而公共鐵路交通被視為一個增長領域。美國主要城市交通擁堵問題變得越來越重要，輕軌被視為解決城市地區擁擠問題的方案，同時提供了一種環保的交通方式。總的來說，快速交通是美國城市所需的服務，以低廉的價格建設快速交通的願景成為輕軌運動的支柱。
增長
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1970 年的《城市大眾運輸援助法案》[6] 為新的快速交通系統提供了資金，從而啟動了全美輕軌的復興。事實上，在 1972 年，“輕軌”一詞被用來區分新模式和舊的有軌電車技術。這種區分是必要的，以避免公眾對新鐵路線路產生負面看法。城市大眾運輸管理局（UMTA）建立了一種標準輕軌車輛（SLRV），希望降低輕軌系統（LRT）的價格。然而，第一個由波音維托爾領導的生產執行不佳，傳送到波士頓的 150 輛車和傳送到舊金山的 100 輛車中許多都出現了問題。輕軌運輸協會前主席邁克爾·塔普林曾說過，“波音試圖重新發明輪子，而不是從其他地方的運輸車輛經驗中學習”（1998 年）[7]。儘管第一次實施存在問題，但還是提高了人們對美國輕軌系統的認識。美國第一個採用輕軌的城市是聖迭戈，其第一條線路於 1981 年開通。2011 年，交通運輸局改變了輕軌的定義，將有軌電車和混合鐵路列入其中。這種改變反映了輕軌、有軌電車和混合鐵路交通所需的執行條件和基礎設施之間的相似性。輕軌網路可能具有更接近通勤鐵路（通常稱為“輕型地鐵”）甚至類似電車的系統特徵，當它們與私家車一起執行時。相比之下，輕軌系統往往擁有專用路權，而傳統的街頭有軌電車系統則在混合交通條件下執行。總的來說，輕軌定義在美國各城市採取了多種形式，但通常“輕軌”一詞指的是任何地方客運鐵路系統。沿著輕軌走廊的開發增加通常被認為是建設此類系統的優勢。截至 2012 年，輕軌運輸車輛市場的收入為 84.8 億美元，預計到 2020 年將達到 115 億美元[8]。城市輕軌系統與公交快速交通系統（BRT）競爭市場份額，因為它們具有相似的容量（每小時 20,000-25,000 人次），但建設成本僅為輕軌系統的四分之一。
輕軌成熟期
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儘管輕軌尚未完全成熟，但正在進行改進現有設施和在未來建設更完善系統的計劃。交通和城市規劃者現在能夠更好地預測未來的需求，並在此基礎上為社會提供更完善的長期規劃。希望這種規劃能夠使交通當局、投資者和交通使用者將這種模式的效益最大化，遠遠超出其預期的成熟日期。為了實現輕軌交通系統的最佳化，在輕軌走廊周圍區域的緊湊型開發政策將促進更短的出行距離，抵消道路上的汽車數量，並改善這些區域居民的空氣質量。輕軌系統目前由政府機構和私營部門合作牽頭，未來的輕軌線路將更多地納入社群參與，以便參與系統的維護（即“認養車站”理念）。對輕軌軌道和車輛的投資應與車站和走廊的改善相結合，以便為日常使用者和偶爾使用者提供無縫的連線點。這將提高客運量，因為使用者將體驗到使用輕軌系統的便利性。此外，車站將增加感測器、通訊裝置和警示技術的應用，每項技術都有助於使用該系統並減少與汽車和行人的碰撞。車站周圍區域的規劃將變得越來越重要，因為多式聯運走廊對於連線輕軌乘客與其最終目的地至關重要。可用路權區域的限制是一個問題，如果不能解決，將持續存在甚至加劇，因此與其他設施共享空間將變得越來越普遍（例如，雙子城綠線輕軌和華盛頓大道的地鐵公交）。任何輕軌設計的目標都是將交通友好型土地利用納入其中，以確保未來的發展與當前系統捕獲的出行相一致。透過鼓勵將輕軌路線效益最大化的土地利用，可以輕鬆地透過為這些區域提供特殊時刻表來緩解特定位置（例如，體育場、大學、購物中心等）附近需求激增的情況。將輕軌列車適應這些情況將改善工作中心分散的地區的客戶群。輕軌交通應繼續作為“更大規模多式聯運交通系統的一部分”（坎皮恩、拉爾溫、舒曼和沃爾斯費爾德）。這些線路很容易被視為一個整體，然而，交通規劃者和城市規劃者應繼續以從大型交通模式（通勤鐵路、機場等）分配乘客和從郊區公交支線收集乘客的理念來設計輕軌交通。這些做法將使輕軌擁有一個光明的未來。
輕軌生命週期模型
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使用 S 曲線模型分析了輕軌的生命週期，該模型用於描述交通方式的誕生、增長和成熟。資料完全來自美國交通統計局的線上資料庫[9]。以 1980 年開始的輕軌每年乘客英里數（表 1-40）作為生命週期分析的指標。由於美國第一條輕軌系統直到 1981 年才開通，因此 1980 年之前的資料被列為不可用，因此不應有資訊可用。2011 年，輕軌的定義發生了變化，包括有軌電車和混合動力鐵路。為了彌補新增的交通方式，我們收集了 2011 年至 2013 年的有軌電車/混合動力鐵路線路列表，原始資料可能因將額外鐵路線路納入輕軌而被誇大。在這兩年內，全國共有 10 條有軌電車線路開通，從 2011 年至 2013 年的原始資料中減去了它們對乘客英里數的估計貢獻。資料清理後，進行了迴歸分析以引數化 S 曲線模型。方程 1 用於估計三引數邏輯函式，其中 K 和 b 需要估計。輕軌的飽和水平目前尚未達到，因此透過測試一系列值並執行邏輯迴歸來估計 K，以確定最佳擬合的 K 值。圖 1 直觀地展示了透過線性迴歸測試的眾多 K 值。使用這種方法，K 的最佳值為 5400 億乘客英里/年。在這個值下，輕軌乘客英里數將趨於平緩並保持在成熟階段。為了找到 K 而進行的迴歸分析的結果還給出了 b 的值（見表 1），該值被用於三引數邏輯模型中，以預測預期系統增長。拐點年份 t0，即已達到潛在系統增長一半的年份，被確定為 2014 年。使用 K、b 和 t0 的確定值，將三引數邏輯公式應用於給定的年份（1980-2013 年），並用於建立乘客英里的預測。最終的邏輯函式預測了與實際乘客英里數大體一致的 S 曲線。為了檢驗模型的準確性，對預測值進行了另一個線性迴歸檢驗。R 平方值通過了 5% 的顯著性水平檢驗，值為 0.9575（見表 2）。從圖 2 可以看出，美國輕軌的誕生始於 1980 年，並在 1985 年至 2014 年間增長。預計到 2048 年，該交通方式將達到成熟，每年的乘客英里數約為 108 億。
生命週期建模結果
[edit | edit source]方程 1：S(t)=K/(1+exp(-b(t-t_0 )]) 樣本計算：S(1980)=5400/(1+exp(-0.0847(1980-2014)])=2.86 億乘客英里 成熟年=2014+(2014-1980)=2048
變數定義
[edit | edit source]S(t)= 乘客英里數 t=時間（年） t0=拐點時間（發生 0.5K 的年份） K=乘客英里數的飽和水平。 b=三引數邏輯函式的係數。
表 1. 輕軌 S 曲線模型方程的關鍵值。
[edit | edit source]| K= | 5400 |
| b= | 0.0847 |
| t0 | 2014 |
表 2. 預測乘客英里數線性迴歸的結果。
[edit | edit source]預測乘客英里數的迴歸 K=5400 迴歸統計 R 平方 0.9575 標準誤差 138.9 觀測值 26
| 預測乘客英里數的迴歸 | |
|---|---|
| 當 K= | 5400 |
| R 平方 | 0.09575 |
| 標準誤差 | 138.9 |
| 觀測值 | 26 |
圖 1. 從測試 K 值生成的 R 平方圖-K=5400 億用綠色標記。
圖 2. 實際和預測的美國輕軌乘客英里數（百萬）比較
參考文獻
[edit | edit source]Freemark, Yonah. "Planned Light Rail Systems." The Transport Politic. N.p., 2015. Web. 11 Nov. 2015. <http://www.thetransportpolitic.com/under-consideration/planned-light-rail-systems/>.
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Currier, Reasa D., ed. "Public Transit: Looking Back and Moving Forward."Journal of Advanced Transportation J. Adv. Transp. 44.3 (2010): n. pag. Web. <http://www.fta.dot.gov/documents/transportation_law_journal_Hein.pdf>.
Taplin, Michael. Light Rail Transit Association. 1998. The History of Tramways and Evolution of Light Rail. [Accessed Nov. 07, 2015]; http://www.lrta.org/mrthistory.html
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"Table 1-40: U.S. Passenger-Miles (Millions)." Bureau of Transportation Statistics. United States Department of Transportation, 2013. Web. 11 Nov. 2015. < www.rita.dot.gov >.