運輸部署案例集/2020/佐治亞州有軌電車

佐治亞州有軌電車

概述

在19世紀後期和20世紀初期，有軌電車（更廣為人知的是電車），為社會地理的擴張和創造以及新的經濟機會提供了巨大的機會。有軌電車經歷了一系列燃料方法（如馬拉、蒸汽、燃氣和電力），最終發展成為今天所知的現代“輕軌”。在這一時期，傳統的電車路線對郊區發展的安排經常產生重大影響。除了主要的運輸功能外，電車還提供各種服務，例如送貨和貨物運輸。

貫穿城市的有軌電車線路網路被稱為有軌電車系統，在一些城市，它們與行人、馬匹以及後來的汽車共享街道，而在另一些城市或城市特定區域，它們擁有自己的路權。

佐治亞州的有軌電車引入要等到內戰結束後。與擁有眾多商業和工業城市的北部和中西部州不同，佐治亞州主要以農業為主，農業是其經濟的主要驅動力。佐治亞州的第一條有軌電車線路於1868年1月投入運營，包括7英里的騾馬牽引客運線路和1.5英里的蒸汽機車（貨運軌道）。

有軌電車除了運輸之外，還帶來了額外的益處。隨著有軌電車系統的增長，新的道路和重新鋪設以及其他基礎設施改善也隨之而來。有軌電車公司還為當地居民開發了休閒區，以及額外的旅遊景點，作為一種吸引客流和增加其交通業務乘客量的策略。

不幸的是，有軌電車路線的擴張也有一些負面影響。正如線路促進了郊區和經濟的增長一樣，它也帶來了更大的分化。在19世紀，人們被迫與不同種族和收入的人住在一起，然而，隨著郊區的興起，社群在種族和財富方面變得更加分化。

傳統的電車就像它來的時候一樣快地離開了。在佐治亞州的亞特蘭大，最初的有軌電車最終進行了升級。它們被改為電力驅動，並改裝為使用橡膠車輪，以便在沒有軌道的情況下執行。這些有軌電車最終也被公共汽車取代，軌道被鋪平，為流行的汽車讓路。

技術特點

有軌電車，也被稱為電車或無軌電車，是一種在鋪設在街道上的軌道上執行的車輛。用於執行有軌電車的軌道由鑄鐵帶形鋼軌組成，目的是讓在鋼軌上執行的鋼輪減少摩擦。這種摩擦減少的結果是，兩匹馬能夠牽引一輛更大的車輛，其載客量是之前可能的兩倍（高達50人）。 鋼軌還為乘客提供了更加舒適的乘坐體驗，較小的電車車輪使電車地板更靠近道路，便於乘客上下車。

與機車不同，有軌電車通常以單個單元（車廂）執行。早期版本的有軌電車要麼由馬匹或騾子牽引，要麼由蓄電池供電，但這些蓄電池非常昂貴且效率低下。人們經常在牽引電車的馬匹或騾子的馬具上懸掛鈴鐺，作為通知乘客即將到達電車的預警訊號。 發電機的發明促進了電力傳輸的應用，使架空線和帶電電線能夠為有軌電車線路供電。 這一發展帶來了電動有軌電車的問世，電動有軌電車取代了蒸汽動力汽車，後來又被燃氣或汽油發動機有軌電車取代。傳統的電車（在它們變成無軌電車之前）使用鑄鐵車輪，通常有布料填充的內壁和位於車尾的車門。它們通常能容納大約40名乘客。

主要優勢

在19世紀早期，許多美國城市被稱為“步行城市”，大多數居民工作和購物的地方都靠近他們居住的地方。19世紀後期電動有軌電車系統的引入，以及其發展到20世紀早期到中期，促進了城市的發展。新的郊區被創造出來，被稱為“電車郊區”，在白人城市居民中非常受歡迎。新的有軌電車線路也將以前更“農村”的偏遠地區變成了新的、人口更稠密的街區。房地產開發商經常投資有軌電車線路，以促進新的郊區社群。電車系統使長距離旅行變得更加容易，人們可以住在遠離市中心的地區，仍然能夠在城鎮的其他地方工作、購物和社交。這種在城市內和城市之間的新發現的連通性使購物者能夠從區域農場獲得農產品和肉類，以及從全國各地獲得水果和蔬菜。

主要市場

有軌電車在中產階級工人中找到了新的市場，因為他們開始在郊區這種新型別的社群生活和擴充套件。這使人們能夠享受城市郊區更安靜和更田園詩般的環境，同時仍然能夠通勤到市中心工作和購物。這些郊區只有透過新的交通方式，如電車和其他鐵路才成為可能。這種生活方式變得越來越流行，因為許多人渴望離開城市，遠離貧窮的移民和移徙者，而且許多人認為，更安靜、不那麼擁擠的地區是組建家庭的更好地區。由於向乘客收取的費用是根據其行程距離計算的，因此許多運輸公司、投資銀行和高淨值個人都渴望利用大眾運輸的想法。

其他交通方式

以前的交通方式

在有軌電車之前是公共汽車。公共汽車於 19 世紀初引入美國，最初是馬拉的，但到 19 世紀中葉，第一批蒸汽動力公共汽車問世。^[4]繼公共汽車之後是纜車。它由安德魯·哈利迪發明，於 1873 年首次在舊金山投入使用。纜車由看似無休止的纜索牽引，這些纜索執行在車軌之間的槽中，並經過位於發電站的蒸汽驅動軸。^[3]該系統非常適合山坡陡峭的地區，在西雅圖和舊金山得到最廣泛的使用。它們也比早期的電動汽車執行得更平穩，但有一個缺點是隻能以恆定的速度執行。另一個主要缺點是纜索斷裂或卡住會導致所有使用該線路的汽車停駛。到 1900 年，大多數纜車軌道和馬車線路開始被電動汽車取代。1902 年至 1917 年，美國馬車線路的更換速度尤其快。

在電動有軌電車廣泛使用之前，蒸汽虛擬發動機和馬匹或騾子拉的有軌電車是主要使用的交通工具。它們經常因骯髒和危險而受到批評。虛擬發動機通常不允許在城市街道上行駛，因為它們產生的噪音和汙染水平很高。在 19 世紀後期繁忙的美國街道上，因受驚的馬匹或失控的汽車造成的導致毀容和/或行人死亡的事故並不少見。據估計，牽引有軌電車的馬匹和騾子每天平均產生 10.5 磅的糞便，^[1] 進一步加劇了已經髒亂的街道。隨著時間的推移，馬拉的有軌電車被認為過於擁擠和緩慢，其速度通常僅達到每小時平均 5 到 6 英里。由於與食物和馬廄相關的費用，馬拉的有軌電車的資本和運營成本相當高，大型有軌電車線路還需要大量的馬匹或騾子來維持運營。有軌電車不斷地停靠和啟動，尤其是在裝載後，對動物來說相當辛苦，這意味著每隻動物每天只能工作幾個小時。馬匹或騾子的維護成本與其較低的效率相結合，意味著它們不可避免地要被機動化所取代。

限制

許多交通公司認識到使用依賴於動物的技術所存在的缺陷和侷限性，並致力於尋找比馬拉馬車更便宜、更清潔的替代方案。這在 1872 年的“大流行病”期間被證明尤其重要，這是一次規模龐大的馬流感爆發。在疫情期間，一些城市每天有 175 到 200 匹馬死亡。^[1] 這極大地影響了受災地區的交通服務，甚至在某些情況下導致服務完全中斷。這一事件被證明是開發新的有軌電車執行機械系統的強大動力。

在 19 世紀初，來自世界各地的創新者，包括匈牙利、荷蘭以及美國，開始考慮電池動力車輛的概念。然而，直到本世紀後期，法國和英國的發明家才建造了第一批實用的電動汽車。^[4] 這些電池動力車輛雖然不依賴於動物執行，但其續航里程有限，無法行駛很遠就需要充電，這使得它們非常低效。電池的其他侷限性包括大多數城市的電力網不發達，以及缺乏充電站。在一些電池動力有軌電車投入使用後，很快便觀察到收益遞減。許多工程師在 20 世紀初將電池的續航里程和單位重量能量與汽油發動機進行比較，並將此視為一大弱點。^[5]

不斷發展的市場和未來可能性

雖然 20 世紀初的有軌電車系統幫助滿足了美國的交通需求，但在接下來的幾十年裡，該系統的侷限性以及政府和企業政策以及消費者對公共汽車和汽車的選擇最終導致有軌電車過時。公共汽車在 20 世紀 10 年代就已開始取代有軌電車系統。與有軌電車相比，它們通常被認為更現代化、更舒適。從商業角度來看，它們也更有意義，因為它們更靈活，運營成本更低。到 1937 年，之前擁有公共交通系統的美國城市中，超過 50% 的城市僅由公共汽車系統提供服務。^[6] 汽車也開始佔據主導地位，最初用於富人的休閒旅行，後來逐漸成為工作和購物的常用交通工具。^[5] 儘管有軌電車的使用在經濟大蕭條之後開始緩慢下降，這主要是由於汽車的流行，但其主要理念在現代社會中隨著公共交通越來越流行而變得更加流行，並以輕軌系統的形式出現。

有軌電車發明

專業技術的結合

將電動電池作為機車動力的想法始於 19 世紀 20 年代和 30 年代。然而，直到第一臺發電機取得成功（在 1860 年至 1870 年之間），電動鐵路系統才取得了重大進展。德國發明家恩斯特·維爾納·馮·西門子通常被認為是第一個在 1881 年建造商用電動鐵路原型的人，但該系統存在一個重大設計缺陷，經常會使路人和動物觸電，因為電力透過軌道傳輸。英國發明家萊奧·達夫特還提出了基於拖拉機的有軌電車模型，該模型在 19 世紀 80 年代後期在美國的一些城市使用。隨後，比利時裔發明家查爾斯·J·範德普爾開發了架空電線。然而，工程師弗蘭克·J·斯普拉格通常被認為是現代電動有軌電車在美國和國外發展和擴充套件的功臣。斯普拉格的工作重點是將紐約的交通系統從蒸汽動力轉換為電力。他的實驗得出了彈簧安裝、雙齒輪傳動電機、獨立轉向架的方案。這些“獨輪車式”安裝後來徹底改變了有軌電車行業。^[1]

電動汽車在技術上是可行的想法，但在經濟上卻很不切實際，因為與發電相關的成本以及電力傳輸和儲存成本很高。^[5] 直到愛迪生等人開發了電網，電力才能真正應用於有軌電車。

運營影響

儘管馬拉的有軌電車最初很受歡迎，但人們還是努力改進其低速、乘坐不舒服、成本高昂和骯髒的缺點。許多交通公司開始用騾子代替馬匹來拉有軌電車，因為騾子通常更便宜，餵養成本也更低，而且強度僅略微遜於馬匹。^[1]

蒸汽動力有軌電車投入使用後，其使用也受到了限制，因為一些城市禁止在城市街道上使用蒸汽機。這最終導致了電力有軌電車系統的建立。亞特蘭大商人喬爾·赫特是第一個在佐治亞州做到這一點的人。他決心找到一個解決城市東部邊緣交通不便問題的方案，他對斯普拉格在電力牽引方面的成功非常感興趣。亞特蘭大第一條電力線路於 1889 年 8 月開始運營，有 3 輛有軌電車維持著每 30 分鐘一班的定期往返班次。在赫特取得成功後，佐治亞州各地很快便成立了更多電力有軌電車公司。^[1] 許多公司整合為一家，促進了向更新、更好的技術發展，但也使得系統更加統一，網路更加完善，連線性更強。

有軌電車系統的流行也產生了對更大的車廂運載能力的需求。透過用重型八輪鋼製車身取代當時四輪木製車架的有軌電車來解決這一問題。

市場發展

早期市場發展和細分市場

直到 19 世紀 90 年代，喬治亞許多大中型城市都有多條由不同公交公司建設的軌道線，而較小的城鎮則只有幾匹馬或騾子以及幾輛二手客車。1888 年，斯普拉格的電動有軌電車取得成功，導致了電氣化軌道的爆炸性增長。在他取得成功之前，美國只有 86 英里的軌道實現電氣化。到了世紀之交，超過 22,000 英里的軌道實現了電力驅動。 1895 年至 1915 年間，電動鐵路的快速部署使其在成本上明顯優於之前的系統。有軌電車相對於馬車節約的成本估計約為 20%。 電車的大小和服務頻率也根據其服務市場進行了調整，電車迅速取代了有軌電車市場，除了在丘陵地形中使用有軌電車外。

從 19 世紀末到第一次世界大戰之間的一段短暫時期，農村和城際電動鐵路服務開始出現。這些服務通常被稱為城際鐵路，它們是更重、更快的電動線路。它們通常作為城市公共交通服務延伸至郊區。它們服務於遠離市中心的人口不斷增長的利基市場。該系統為乘客提供了一種比大型鐵路公司更便宜的替代方案。這是因為大型鐵路公司正轉向更有利可圖的長途客貨運輸服務，而不是通勤服務。

功能增強

在喬爾·赫特在亞特蘭大建立第一條電氣化有軌電車線路後不久，他就開始著手將該城市許多大型的交通系統整合到他的控制之下。這些公司大多是老牌公司，無力（或不願）投資於電力牽引所需的鉅額基礎設施。透過這樣做，赫特開始服務於亞特蘭大已經存在的對有軌電車的需求，但他將所有線路轉換為電氣化的舉措旨在更好地為他們服務，使旅行更快、更安全、更可靠。

政策

實施

與 19 世紀和 20 世紀初的大多數公用事業企業一樣，例如燃氣照明和運河，有軌電車系統完全由私人公司融資。

在 19 世紀後期，人們強烈希望擺脫對馬匹和其他動物的依賴，無論是個人交通還是公共交通，原因多種多樣。其中一個主要動機是與持續的飼料和馬廄成本以及馬匹的短工作壽命和工作時間（尤其是對於有軌電車）相關的鉅額成本。與動物密切接觸導致疾病的高風險也是一個強勁的驅動力。因此，從動物及其飼料到化石燃料作為能源的轉變變得更加合理，並得到廣泛接受。

鐵路式服務和有軌電車的興起將其他服務擠到了邊緣。然後，公共政策確保有軌電車系統獲得特許經營權，並由城市特許經營，以指導安全、服務和票價。市政府對大多數有軌電車系統實施了統一票價政策，票價通常為五美分。儘管這種票價限制在早期沒有問題，公眾也利用了這種越來越低的成本，但在第一次世界大戰後，由於物價大幅上漲，市政府禁止任何票價上漲。當交通工人聯盟開始要求改善工作條件和提高工資時，這個問題變得更加嚴重。 這些勞資糾紛導致多年來全國各地發生大量罷工，1954 年匹茲堡的一場罷工持續了 56 天。

有軌電車生命週期

誕生和增長

北美各地城市有軌電車系統的增長和發展與 19 世紀工業革命帶來的廣泛技術和社會經濟變化密切相關。 在鐵路和運河的幫助下，蓬勃發展的工業化產生了巨大的城市人口增長。這也導致了大量人口流離失所，人們從農村地區湧入擁擠的城鎮尋找工作。

擁有有軌電車線路對不斷發展的城鎮至關重要，並且往往導致新城鎮的建立。較大的系統最終也將其自身系統擴充套件到郊區。 在佐治亞州亞特蘭大（1902 年），該市允許將所有有軌電車、電燈和蒸汽動力公用事業合併到一家公司——喬治亞鐵路和電力公司的控制之下。這是美國各地城市的一種常見現象，它推動了有軌電車系統的發展，通常會導致冗餘的線路被廢棄，而更有利可圖的線路則被升級並進行雙線改造，以提高服務效率。

成熟和衰退

由於工資和材料成本上漲，許多有軌電車企業在第一次世界大戰期間和之後陷入財務困境，導致系統增長放緩，並出現了一些成熟現象。他們還受到許多政府實施的“鎖定”政策的困擾，這些政策迫使他們遵守市政特許經營權規定的固定票價，並阻止他們適應不斷變化的市場和競爭環境。這種特許經營協議還意味著，儘管州政府通常補貼了高昂的建設成本，但任何線路的延伸對擁有公司來說在財務上都是不可行的。這意味著有軌電車公司往往被鎖定在使用昂貴且經常失敗的線路中。同樣的特許經營協議也對鐵路運輸部門徵收了沉重的稅收負擔，而公交公司則沒有這種負擔。當允許票價上漲時，汽車的使用已經開始普及，同時還有更多的公交系統。

1900 年，喬治亞只有 80 輛註冊機動車，但到 1905 年，這一數字已增至 780 輛，到 1910 年，這一數字激增至 4,490 輛。 這也帶來了意想不到的挑戰，即無證出租車運營商，被稱為“吉普尼”，他們佔據了城市街道，與有軌電車爭奪乘客票價。

早在 1920 年，喬治亞全州各地的城鎮，如蓋恩斯維爾和奧爾巴尼，都已完全停止了無利可圖的線路，到 1930 年代，大多數城鎮和城市都引入了公交服務。

運營成本增加、票價收入下降、汽車的普及以及糟糕的交通政策導致了有軌電車系統的消亡。交通政策通常是更大政策的一部分，例如公共服務、經濟復甦和城市規劃，也許會引發政策問題，而解決方案（例如取消票價限制）來得太晚。公共部門和私人部門之間的分隔，加上大量公司分別運營，可能導致了一個缺乏統一性且規劃不善的系統。

儘管公交車和汽車取代了對有軌電車系統的需求，但大多數現代社會正在迴歸這一概念，因為隨著輕軌系統的普及，道路擁堵和前往市中心的通勤人數不斷增加。然而，與圍繞有軌電車系統建設郊區不同，現在的需求更多的是為已存在的郊區和城鎮提供更好的交通系統和鐵路線路。

模型分析

模型概述

運輸方式，與大多數科技進步一樣，遵循著一個誕生、增長、成熟，有時還會衰退的趨勢。這個生命週期允許對技術如何隨時間推移而變化或進步進行建模和預測。位於佐治亞州的有軌電車系統從 1894 年到 1920 年被跟蹤和記錄，並用邏輯函式來模擬這種運輸方式預測的生命週期。

定義模型

使用以下公式的三引數邏輯函式來計算模型；

$S(t)=\left({\frac {K}{[1+e^{(-b(t-t_{0})}]}}\right)$

其中

• $S(t)$ 是狀態度量（例如軌道里程）
• $t$ 是時間（年）
• $t_{0}$ 是拐點時間（達到 ${\frac {1}{2}}K$ 的年份）
• $K$ 是飽和狀態水平
• $b$ 是一個係數

由於所用資料的可用時間範圍有限，這意味著並非所有生命週期的方面都對每個系統（例如蒸汽、燃氣、電力等）進行了測量/預測，因此 $K$ 和 $b$ 的值必須使用普通最小二乘迴歸過程來估計。使用以下公式的單變數線性迴歸系統用於估計相關係數；

$Y=bX+c$

其中

• $Y=LN\left({\frac {Miles}{K-Miles}}\right)$
• $X=$ 年份

模型分析

在 1894 年至 1920 年間，佐治亞州發現使用了四種不同的有軌電車系統，分別是馬匹或騾子牽引、蒸汽動力、電力和燃氣/汽油發動機動力的有軌電車。儘管電池動力是某些系統中使用的另一種方法，但在這一時間範圍內該地區沒有發現這種方法。總體分析在這些系統之間進行了細分，但是，只有電力系統（以及總體）顯示出明顯的誕生、增長和成熟趨勢。圖 1 和表 1 顯示了所有有軌電車系統總的測量和預測軌道里程圖，以及估計的引數。

圖 1

變數	描述	價值
$K$	估計飽和度	550
$b$	係數	0.1388
$t_{o}$	拐點時間	1901

表 1：整體系統引數

所有系統的總里程顯示出明顯的趨勢，說明了生命週期的增長和成熟階段。但是，研究時間段沒有足夠早或足夠晚，無法顯示明顯的誕生或衰退階段。

電力系統 顯示實際（測量）里程和預測里程的圖表，以及分別用於模型的引數，見下圖 2 和表 2。

圖 2

變數	描述	價值
$K$	估計飽和度	550
$b$	係數	0.1424
$t_{o}$	拐點時間	1902

表 2：電力系統引數

模型顯示，該系統的誕生階段處於時間段的第一階段，可能在分析日期之前開始。然後，顯示增長階段約為 1894 年至 1902 年，此時增長率正在增加，而成熟階段被認為是在拐點（1902 年）之後，此時增長率開始下降。電力系統顯示出明顯的 S 形曲線，並展現出系統的清晰增長和成熟，但是可能沒有足夠延展，無法看到明顯的下降趨勢。

燃氣系統 顯示實際（測量）里程和預測里程的圖表以及模型使用的引數分別可以在下面的圖 3 和表 3 中看到。

圖 3

變數	描述	價值
$K$	估計飽和度	1000
$b$	係數	0.3289
$t_{o}$	拐點時間	1915

表 3：燃氣系統引數

燃氣系統的模型沒有反映出與電力系統相同的 S 形曲線形狀。可以看出，實際誕生階段始於 1911 年左右，增長始於 1915 年。該系統開發的時間晚於佐治亞州的其他系統，在研究的時間範圍內，似乎沒有成熟階段。下文分析了該模型的準確性。

蒸汽系統 顯示實際（測量）里程和預測里程的圖表以及模型使用的引數分別可以在下面的圖 4 和表 4 中看到。

圖 4

變數	描述	價值
$K$	估計飽和度	70
$b$	係數	-0.0596
$t_{o}$	拐點時間	1865.6

表 4：蒸汽系統引數

蒸汽系統的模型也沒有反映出與電力系統相同的 S 形曲線形狀，也沒有反映出燃氣系統的增長。該系統顯示的趨勢是在整個研究期間都在下降。儘管有軌電車的總里程數在增加，但蒸汽系統正在慢慢被更現代的系統所取代，這解釋了這種下降現象。下文還分析了該模型的準確性。

馬拉系統 顯示實際（測量）里程和預測里程的圖表以及模型使用的引數分別可以在下面的圖 5 和表 5 中看到。

圖 5

變數	描述	價值
$K$	估計飽和度	100,000
$b$	係數	-0.0888
$t_{o}$	拐點時間	1798

表 5：馬拉系統引數

馬拉系統的模型反映出與蒸汽系統相同的下降趨勢，與燃氣系統或電力系統不同。儘管有軌電車的總里程數在增加，但與蒸汽系統一樣，馬拉系統正在慢慢被更現代的系統所取代，這解釋了這種下降現象。下文還分析了該模型的準確性。

模型準確性

每個系統的實際資料以及預測模型似乎都對每個系統的趨勢提供了一個較為準確的瞭解。最準確的可能是電力系統，因為它涵蓋了該系統合適的時限，顯示了該系統的誕生、增長和成熟。燃氣/汽油系統的模型也清楚地顯示了誕生和增長趨勢，但是沒有顯示生命週期的任何其他階段，因為它只在研究期結束時被引入。最不準確的模型是馬拉系統和蒸汽動力系統的模型。很難為這些系統建模，因為它們是在研究期之前引入的，並且正在以不同的速度慢慢被其他系統取代。馬拉系統模型的不準確性尤其可以透過 K 值或 100,000 看出。儘管該引數的值透過反覆試驗和迴歸分析得出了最適合資料的模型，但佐治亞州的有軌電車馬拉軌道里程數接近 100,000 英里是極不可能的，甚至是不可能的。

模型不準確性的其他可能原因包括資料來源。有些年份的資料缺失，需要插值，雖然資料收集自可靠的來源，但各公司多年來的資料似乎也存在一些差異，這可能會影響模型的準確性。系統模型的迴歸結果見表 6。

系統	R 平方	標準誤差	t 統計量（b）	P 值（b）
組合	0.91338	0.3336	15.9083	2.998E-14
電力	0.8763	0.4111	13.0384	2.2E-12
燃氣	0.6545	0.7190	3.6411	0.0083
蒸汽	0.5652	0.2720	-4.8372	0.000132
馬拉	0.7689	0.2090	-7.0653	3.839E-06

表 6：迴歸結果

R 平方值決定了模型的擬合度，較高的值表明較高比例的點落在迴歸線上，理想值為 1。組合資料、電力系統和燃氣系統的模型都具有相當高的 t 統計量值（超過 2），表明該變數在 95% 的置信水平下具有更大的統計意義。電力系統（以及總系統）的 P 值也遠小於其他系統，表明估計係數更加準確可靠。