交通部署案例集/2020/俄克拉荷馬州有軌電車
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“有軌電車”這個詞在今天可能不是一個廣為人知的交通方式。有些人可能只在提及田納西·威廉姆斯的話劇《慾望街車》時聽說過這個詞，該劇背景設定在 1947 年，當時有軌電車在新奧爾良法式區“慾望線”上穿梭。但在 20 世紀初，北美使用的“有軌電車”一詞，指歐洲人可能稱之為“電車”的東西，曾經是美國數百個城市和城鎮的主要交通方式。
有軌電車是一種沿著街道鋪設的金屬軌道執行的客車，由電力驅動。它通常在城市地區使用，主要用於運送乘客。劍橋詞典將有軌電車定義為“一種通常在城市執行的電動車輛，用於運送乘客，沿著道路上的金屬軌道行駛”。
這種交通方式的本質技術是使用電力來牽引軌道引導的有軌電車。1870 年發電機和電動機技術的進步導致了電力生產和輸送的改進，這是軌道引導的有軌電車的必要組成部分。有軌電車系統的其他重要技術特徵包括大約 1880 年由弗蘭克·斯普拉格發明的架空電線，以及由查爾斯·範德普爾在 1886 年發明的用於將電力從架空電線輸送到有軌電車牽引電機的滑觸線。
在有軌電車實施之前，客車在與街道齊平的軌道上行駛，由馬匹牽引。蒸汽動力也曾用於驅動這些客車。與這些替代的公共交通方式相比，電動有軌電車的引入具有相當大的優勢。使用馬拉鐵路對馬匹來說是繁重的體力勞動，需要它們保持健康，免受疾病的侵害。此外，購買馬匹及其運營成本，如飼料，對運營商來說是一筆可觀的費用。使用蒸汽在這些相同的軌道上推動客車被社群認為太吵，併產生了不可接受的汙染水平。此外，蒸汽驅動的發動機有時不可靠，客車在軌道上拋錨，沒有動力。與這兩種交通方式相比，有軌電車的優勢在於它們產生的噪音和空氣汙染更少，不依賴動物的健康狀況，並且能夠服務於更遠的距離。
最近，北美一些城市的有軌電車重新流行起來。現代有軌電車比城市公交系統有幾個優勢。今天的有軌電車由多個客車組成，乘客容量比公交車更大。有軌電車不易受到交通中斷的影響，因為它們沿著專用軌道行駛，不像公交車那樣行駛在與許多其他車輛共用的車道上。有人認為，由於有軌電車有專門的軌道，以及至少三個門的通道，可以快速下車，因此它們更有可能按時執行。當然，有軌電車也會延誤，尤其是在交叉路口，當道路車輛可能阻擋軌道時。有軌電車還可以帶來在指定站點周圍激勵經濟發展的優勢。由於更多的人能夠輕鬆地到達某個地方，因此該樞紐的經濟活動可能會蓬勃發展。最後，有軌電車通常被認為能夠提升城市的審美效果。許多遊客都喜歡有軌電車，這提高了旅遊業以及城市的形象。
在本世紀之交，美國工業化東北部和農業中西部的城市人口激增。經營有軌電車線的企業意識到城市人口的激增，以及電力比馬匹牽引更便宜的事實。乘客票價很低，導致乘客人數增加，這使運營商能夠擴大他們在城市中的鐵路網路。有軌電車的主要市場仍然是服務於城市通勤者，但它們也可以服務於費城等地的旅遊市場。
在電動有軌電車系統出現之前，主要的交通工具是馬匹。1827 年，第一條“馬車巴士”服務在美國紐約市開始運營。這種交通方式實際上是一輛大型封閉的馬車，能夠容納約 20 人，由馬匹牽引。這大約是法拉第發明第一個基本電動機的時候，遠早於電氣路燈的引入。街道在晚上使用煤氣燈照明，而且通常狀況很差。隨著 19 世紀中期道路質量的提高，這種交通方式發展壯大，成為美國最常見的交通方式。這種交通方式的侷限性包括運營馬廄的高成本、馬匹到達目的地所需的體力以及馬匹容易患病（例如馬流感）。從乘客的角度來看，這種交通方式意味著在鋪滿不規則鵝卵石的道路上很不舒適的旅程。
馬車巴士的現有侷限性激發了乘客對更舒適的交通體驗的興趣。1832 年，一種名為“馬拉的有軌電車”的新的馬車運輸發展在紐約市開始運營。這實質上是現有的馬車巴士服務，只是馬車行駛在鐵軌上而不是鵝卵石路上。這使得馬匹的力量得到更有效利用，因此可以運輸更多的乘客。此外，由於馬車車輪行駛在光滑的鐵軌上，乘客的乘坐體驗也更加舒適。
1870 年蒸汽機的引入，標誌著馬匹牽引的結束。機車驅動車輛行駛在以前由馬拉的有軌電車使用的軌道上。這些在城市裡並不受歡迎，因為蒸汽電車噪音大且汙染嚴重。發明電動有軌電車的最後前身是有軌電車。它使用滑輪和繩索拉動馬車，由於其速度快且沒有空氣汙染，深受公眾歡迎。然而，有軌電車也存在安全隱患，因為移動的電纜和滑輪以及在電纜磨損或斷裂時發動機難以停止。
不斷變化的市場
[edit | edit source]由於運營商之間缺乏協調，馬拉的有軌電車服務給乘客帶來了不愉快的體驗，導致運輸市場不斷變化。馬拉的有軌電車服務有許多運營商，其中許多運營商只有一條線路。當乘客乘坐多條線路時，他們有時會遇到不便的換乘，並且需要支付雙倍車費。考慮到電動有軌電車的投資涉及大量的資金投入，許多運營商決定合併成更大的公司。將小型運營商從市場中剔除確實改善了公眾的運輸體驗。票價實現了統一，時間安排更加合理，協調資訊傳播更加廣泛，乘客發現乘坐不同線路更加順暢。隨著乘客體驗的改善，即將推出的電動有軌電車系統的市場需求不斷增加。
有軌電車的發明
[edit | edit source]技術專業知識和設計與思維的演變
[edit | edit source]有軌電車的發明借鑑了 1831 年電動機發明後進行的幾項實驗。正是在這個時候，人們開始研究用於軌道導向車輛的電力牽引。在英國，發明家依靠蒸汽作為動力來源，並在倫敦建造和商業化了幾臺蒸汽機，但業務卻以商業失敗告終。蒸汽電車太慢，噪音太大，倫敦公眾更喜歡馬車巴士服務。蒸汽機技術在世紀後期得到了改進，到 19 世紀 70 年代，蒸汽機在美國開始得到使用，但主要是在農村地區。如前所述，由於蒸汽電車產生的噪音太大，燃燒燃料產生的汙染物令人不快，因此在公眾和城市當局中不受歡迎。發明家改變了他們的設計，透過引入汙染控制系統來減少煙氣排放。雖然他們部分解決了汙染問題，但這些裝置太重，無法安裝在最初為馬拉的有軌電車鋪設的鐵軌上。
人們開始轉向使用無火蒸汽機。無火蒸汽機依賴於中央工廠產生的高壓蒸汽。這意味著機車本身不需要鍋爐，從而減輕了重量，消除了煙氣汙染。然而，這些發動機的最大行駛距離僅為 15 公里，如果發生不可預見的情況（例如交通擁堵或阻塞），它們可能會在路線上某處沒汽，這將難以恢復。
在 19 世紀 40 年代和 50 年代，進行了一些實驗，使用電池供電的機車，但由於儲存電力成本過高，它無法實現商業可行性。大約在同一時間，有軌電車正在倫敦郊區鐵路線上使用。滑輪和繩索用於拉動馬車。乘客沒有體驗到汙染、噪音或行駛距離有限的問題，有軌電車的速度可以達到 15 公里/小時。到 19 世紀 80 年代，有軌電車在美國許多城市投入使用。在許多方面，有軌電車是纜車和電動機的融合。1893 年，美國大約有 800 公里的有軌電車線路，分佈在 16 個城市。事實上，到 1905 年，大多數這些有軌電車線路都被改造成用於有軌電車。這種從電纜驅動技術轉向有軌電車電力牽引技術的轉變標誌著有軌電車的誕生。
有軌電車發明中利用的另一種主要技術專業知識是電動機和透過架空線路進行電力傳輸方式的顯著發展。1883 年，“西門子 & 哈爾斯克”公司建造了第一條電動有軌電車線路，但這條線路透過鐵軌本身傳輸執行有軌電車所需的電力。這存在安全問題，因為對行人構成觸電風險。為了解決這個問題，鐵軌周圍被圍上了柵欄，但這並不理想。同一家公司還發明瞭架空線傳輸的概念，這項技術促進了有軌電車的演變。
市場發展
[edit | edit source]俄克拉荷馬州的早期市場發展
[edit | edit source]有軌電車在美國的早期市場發展主要包括三種情況：（1）電動有軌電車取代現有路線上的馬拉的有軌電車；（2）有軌電車取代有軌電車，並安裝架空線；（3）建造全新的有軌電車線路。
以俄克拉荷馬州為例，在有軌電車引入之前，人們和貨物通常由馬車巴士運輸。與其他州不同，俄克拉荷馬州沒有現有的有軌電車系統。因此，所有新的有軌電車線路都是新建的，沒有利用任何改造的有軌電車線路或馬拉的有軌電車線路。總的來說，從 1903 年到 1947 年，俄克拉荷馬州的 15 個城市都有有軌電車。俄克拉荷馬州的兩大系統是恩尼德城市鐵路和穆斯科吉電力牽引線。據當地報紙《穆斯科吉每日鳳凰報》報道，在第一條有軌電車開通之日，“穆斯科吉已從一個過度膨脹的步行城市轉變為一個擁有快速交通的都市”。雖然這個城鎮確實有馬車巴士服務，但數量有限，等待時間很長。在有軌電車出現之前，許多平民不得不步行前往目的地，因為馬車巴士服務有限且不可靠。有軌電車填補了這一利基市場，因為它提供了一種經濟、便捷的交通方式。
俄克拉荷馬州的利基市場和功能增強
[edit | edit source]除了滿足公眾的運輸需求外，俄克拉荷馬州的另一個利基市場是貨物運輸。到 1909 年，穆斯科吉有一條線路為四節貨車服務。一個主要客戶是 Yahola 沙石公司，它需要將沙石從 Goose Neck Bend 運送到 York 街車站。馬車巴士運輸無法與有軌電車的運貨能力和效率相提並論。馬匹很快就疲勞了，而且無法像有軌電車那樣快速、遠距離地搬運貨物。最重要的是，有軌電車貨運更經濟，因此有軌電車主導了這一利基市場。在有軌電車發展的早期，貨運部門的功能增強至關重要，貨運活動是有軌電車公司收入的重要來源。在俄克拉荷馬州這樣的農業州，尤其是在被譽為小麥之都的恩尼德等城鎮，服務於這一利基貨運市場的有軌電車是一項重要的功能增強。
俄克拉荷馬州的功能發現
[edit | edit source]功能發現也在俄克拉荷馬州的有軌電車市場發展中發揮了作用。該州過去主要依靠馬車作為交通工具。該州沒有鋪設軌道或電纜，公眾也不習慣使用運輸線路服務固定目的地。電動有軌電車的引入是對馬車服務的重大改進。公眾開始享受更舒適的乘坐體驗，更大的運載能力，以及更好的時間安排。電動有軌電車交通的低成本為以前不存在的大量市場打開了公共交通的大門。此外，俄克拉荷馬州更多地區開始使用公共交通，這在以前使用馬車運輸是經濟上不可行的。
有軌電車誕生階段的政策與城市快速發展和公眾對前往城市地區的旅行需求密切相關。運輸運營商於 1882 年成立了美國有軌電車協會，該協會與城市政府就與有軌電車運營相關的政策進行合作。一項從馬車時代延續下來並在有軌電車誕生階段得到創新的政策是線路特許經營權。特許經營權規定了街道服務運營商的權利，並會指示線路、軌道數量和合同期限。特許經營協議存在於馬車運營商中，並在引入電動有軌電車後繼續執行。許多城市在早期向有軌電車運營商授予永久特許經營權，在美國一些城市，幾乎沒有限制阻止有軌電車系統的開發。在許多情況下，運營商忽視了任何社群的擔憂，架空線路等結構與整體街道景觀並不協調。一旦政府意識到有軌電車運營商可以賺錢，各種要求（例如不合理的路面鋪設要求）就沒有從電動有軌電車特許經營協議中刪除。特許經營協議中包括了為鋪設費用做出貢獻的要求，原因是馬蹄對街道造成了損壞。有軌電車運營商會爭辯說，電力不會影響路面鋪設，因此應刪除這一要求。將此要求納入政策是政府對有軌電車運營商的一種間接稅收形式，這種稅收得到了政府的批准，並在全美範圍內成為標準。
馬車使用的車費是價值最小的五美分硬幣，即五美分。政府希望單一車費，並借鑑了這一政策，用於新的有軌電車交通系統。運營商在此誕生階段同意接受標準的五美分車費，以換取永久特許經營權，例如 999 年的特許經營權。這一政策被嵌入特許經營權中，運營商被“鎖定”到這種普遍的五美分固定車費政策中。
電動有軌電車在美國經歷了高速增長。一些城市的增長遠遠早於其他城市。例如，弗吉尼亞州里士滿的系統於 1888 年開始運營，當時有 10 輛有軌電車，而俄克拉荷馬州的運營開始於 1903 年，要晚得多。從 1890 年代到大約 1910 年，是有軌電車在美國蓬勃發展的時期。據估計，美國城市軌道的長度在 1880 年為 2,050 英里，到 1890 年增加到 5,783 英里。在此期間，許多美國城市經歷了高度工業化。農村移民以及湧入的歐洲移民被吸引到城市工作。政府政策鼓勵有軌電車網路的發展，以服務於仍然靠近城市的工人階級，以及居住在城市主城區以外的中上層階級。該網路從中央商務區向外擴充套件，延伸到正在形成的郊區。這些郊區沿著主要街道發展，使中產階級能夠購買房屋，同時方便地前往市區的上班地點。
私營部門，尤其是房地產投機商，為有軌電車系統的增長做出了貢獻。土地投機者會投資於有軌電車運營，然後建造通往他們土地的新線路。他們的想法是吸引人們到這些土地上進行開發。電力公司等其他私營部門也被吸引到有軌電車運營業務，因為他們看到為從城市輻射出去並由有軌電車服務的土地提供新開發的路燈技術和家用電力的利潤豐厚回報。
當時的政策環境確實影響了政策制定。政府一直認為有軌電車系統是私人投資，因此屬於不受政府援助的私營企業。雖然 5 美分車費可能足以維持有利可圖的有軌電車運營，但在世紀之交，通貨膨脹仍在迅速上升，車費收入不足以維持有利可圖的運營。
到 1920 年，大多數在美國城市運營的有軌電車是四軸車，而不是在第一次世界大戰之前佔據市場主導地位的雙軸車。有軌電車成熟階段的進一步設計變化包括用封閉式車廂取代敞開式車廂。在 1930 年代中期，有軌電車進行了進一步改進，以降低噪音，改善懸掛系統、加速和制動效能。這些後期的改進是為了挑戰其競爭對手的舒適性，即公共汽車和汽車。
到 1920 年，大多數有軌電車運營商都面臨著財務困境，美國總統威爾遜成立了聯邦電力鐵路委員會，以研究公共交通系統的問題。“鎖定”的五美分車費是制約這種交通方式適應性的一個因素。在增長階段，有軌電車運營商一直無法提高車費以抵消通貨膨脹。在 1895 年至 1910 年的 15 年間，工資上漲了 105%，而其他運營成本（如鐵路）上漲了 239%。委員會確實建議提高車費，但這為時已晚，而且不足以更換過時的滾動裝置或維護那些在戰爭時期被忽視的軌道。
市政公共政策不授予有軌電車獨立的路權，而且缺乏財政支援，使得有軌電車的生存變得非常困難。在 1920 年代和 1930 年代，有軌電車運營商感受到了來自公共汽車和汽車等替代交通競爭對手的壓力。
其他競爭力量來自通用汽車、固特異和埃索石油組織的國家城市線路聯盟。該聯盟的目的是形成一個壟斷，使公共汽車和汽車主導交通市場，並有效地從聯盟成員那裡購買產品。當該聯盟收購了多個城市中現有的有軌電車公司，然後逐漸減少車隊的維護和升級時，這種情況就實現了。
有軌電車應作為改善公眾進入該地區的交通方式。如今，任何有軌電車發展的機會都應牢記這一點。有軌電車的發展充滿了關於由土地投機商、公用事業公司和汽車行業影響者資助的交通公司的故事，他們利用投資作為一種巧妙的牟利方式。因此，今天的有軌電車發展如果作為綜合交通總體規劃的一部分由政府擁有和控制，將得到最好的服務，因此也是公共利益。政府將補貼升級機車車輛和維持運營所涉及的高昂成本。他們需要與公眾密切合作，以確定合適的路線和公眾接受度。發達城市中有多種交通方式，包括火車、公共汽車和現在的拼車服務。從環境的角度來看，有軌電車很有吸引力，並且可以巧妙地融入城市規劃。但是，由於現有的交通選擇，預計的公眾對有軌電車服務的接受度，土地徵用成本和政府長期以來的交通偏好，引入城市可能會存在問題。
俄克拉荷馬州有軌電車系統的實際長度（以英里為單位）記錄自 1894 年至 1920 年的麥格勞電力鐵路手冊。重要的是要注意，俄克拉荷馬州在引入電力有軌電車之前沒有鋪設任何軌道。記錄表明，有軌電車系統於 1903 年在俄克拉荷馬州開始運營。
在記錄了該州每個系統的軌道長度後，對它們進行彙總以獲得俄克拉荷馬州在特定年份的總軌道長度。此資料可以在表 1 中看到，並在下面的圖 1 中繪製。
| 年份 | 軌道長度（英里） |
|---|---|
| 1903 | 7.250 |
| 1904 | 10.790 |
| 1905 | 21.500 |
| 1906 | 118.000 |
| 1907 | 134.230 |
| 1908 | 197.900 |
| 1909 | 208.300 |
| 1910 | 176.500 |
| 1911 | 213.050 |
| 1912 | 226.210 |
| 1913 | 236.424 |
| 1914 | 258.588 |
| 1915 | 270.070 |
| 1916 | 312.434 |
| 1917 | 325.094 |
| 1918 | 329.094 |
| 1919 | 386.820 |
| 1920 | 392.820 |
表 1：俄克拉荷馬州的軌道長度（英里）
然後使用資料來估計一個三引數邏輯函式，以獲得最適合資料的曲線。有軌電車系統的這種生命週期模型可以使用以下三引數邏輯方程來表徵
S(t) = Smax/[1+exp(-b(t-ti)]
其中
- S(t) 是狀態度量（鋪設的軌道）
- t 是時間
- ti 是拐點時間
- Smax 是飽和狀態水平
- b 是一個係數
使用資料並在執行一系列迴歸後，計算出 ti、Smax 和 b 的引數。這些引數如表 2 所示
| 變數 | 值 |
|---|---|
| ti | 1911.462 |
| Smax | 405.0 |
| b | 0.346364 |
表 2：S 曲線引數
使用表 2 中的引數，應用邏輯函式方程以生成最佳擬合曲線。這可以透過圖 1 中的 S 曲線看到。該模型幫助我們瞭解事物的可能發展方式，但並非完全可靠的現實表示。該模型可以針對不同的飽和狀態水平進行擬合，其中一個飽和狀態水平將最適合資料，但這是此預測模型的侷限性。需要注意的是，某些年份的資料缺失，需要進行插值。這可能會對模型的準確性產生輕微影響。
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對 1903 年至 1920 年俄克拉荷馬州電力有軌電車系統實際長度的繪製表明，在 1905 年至 1909 年期間出現了增長，然後在接下來的一年（1910 年）出現了急劇下降。從大約第一次世界大戰前時期到 1920 年，實際結果仍然顯示增長，但增長速度正在減緩。
S 曲線突出表明，有一個非常短暫的孕育階段。這可能是因為有軌電車在 1903 年才出現在俄克拉荷馬州。它自 1890 年代以來就在美國許多其他大城市中投入商業運營。S 曲線顯示，俄克拉荷馬州有軌電車系統在該州推出後不久便出現了指數級增長，直到拐點年份（即 1911 年）。拐點年份是有軌電車系統發展速度最快的年份，也是S曲線凹凸變化的年份。S 曲線表明，大約從 1904 年到 1911 年是一個增長時期。
從 1911 年開始，S 曲線表明，隨著它進入成熟階段，經歷了指數級下降，一直持續到 1920 年。
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