運輸部署案例集/2020/華盛頓有軌電車

有軌電車或無軌電車（北美英語中歐洲單詞“電車”的對應詞）曾經是數百個北美城市和城鎮的主要公共交通方式。大多數原始的城市有軌電車系統在 20 世紀中期被拆除，或轉換為其他運營模式，例如輕軌。

技術特點

有軌電車在街道上鋪設的軌道上執行，通常以單節車廂執行，通常由電動機驅動。早期的有軌電車要麼是馬拉的，要麼依靠儲能電池供電，而儲能電池價格昂貴且效率低下。發電機（發電機）的發明導致了將傳輸電力應用於有軌電車線路，隨後在英國、歐洲和美國得到普及。 有軌電車沿著公共城市街道的有軌電車軌道執行。一些有軌電車包括專用路權的段落。有軌電車通常比干線和快速公交列車更輕、更短。早期的大多數有軌電車都是透過滑靴或弓形集電器供電。有軌電車由在其路線上方拉線的電力線驅動，電力線傳遞電流。電流透過連線到汽車的延伸部分流動，而金屬車輪與金屬軌道的接觸充當電迴路的“接地”。 電動機通常驅動有軌電車，但也有馬拉、蒸汽和纜索驅動的有軌電車。

優勢和對其他模式的壓縮

世界上第一輛載客有軌電車是在英國製造的，由馬匹牽引。 在 19 世紀，由於大多數街道仍然鋪設著鵝卵石，馬車比公共馬車提供了更舒適的乘坐體驗。 馬匹只能在一天的有限時間內工作，必須日復一日地進行安置、整理、餵養和照顧，這使得運營成本大幅增加。 在弗蘭克·J·斯普拉格改進了有軌電車上的架空滑線系統以從架空電線收集電力後，馬車在很大程度上被電動電車取代。

纜車於 1873 年在舊金山推出。纜車由一根無休止的纜繩牽引，纜繩在軌道之間的槽中執行，並經過發電廠的蒸汽動力軸。該系統非常適合在陡峭的山坡上執行，在舊金山和西雅圖得到最廣泛的應用。纜車的執行比早期的電動汽車更加平穩，但它們只能以恆定的速度執行。纜繩的斷裂或卡住會導致線路上的所有汽車停運。隨著電動機的改進，纜車開始失去優勢。

有軌電車相對於早期的交通形式的一大優勢是金屬車輪在鋼軌上的滾動阻力低，這使得電車能夠在給定努力下牽引更大的載荷。 有軌電車的建設成本低於重型快速公交。早在 19 世紀，由於技術限制，公共汽車並不是一種成本效益高的選擇。

主要市場

有軌電車主要用於乘客，但目前也有貨運電車在執行。歷史上，有軌電車在歐洲、北美、大洋洲得到廣泛應用。

有軌電車發明

第一輛有軌電車由馬匹牽引，沿著放置在街道中間的特殊鋼軌滾動，而不是沿著街道行駛。 馬車比公共馬車提供了更舒適、更實惠、更高效的出行方式。隨著馬車的發明，美國各地廣泛安裝了軌道。馬匹和騾子一次只能工作大約兩個小時，因此公司必須備好 8-10 只動物才能讓一輛汽車持續執行。它們每天吃掉相當於自己體重的食物，產生的糞便遍佈街頭，這對行人來說不僅僅是一點小麻煩。1872 年的馬流感爆發使數千匹馬死亡，並大大減緩了許多交通系統。

安德魯·史密斯·哈利迪開發了舊金山的第一輛纜車。纜車由一根無休止的纜繩牽引，纜繩在軌道之間的槽中執行，並經過發電廠的蒸汽動力軸。 新的纜車系統消除了馬匹在舊金山無休止的山坡上掙扎著拉動馬車所需的必要性。儘管該系統比馬車肯定有了改進，但第一批纜車非常不安全。纜繩容易斷裂，有時在舊金山陡峭的山坡上造成危險事故。大多數有能力的汽車在投入使用後不久就退役了。

弗蘭克·朱利安·斯普拉格發明了電動有軌電車。弗蘭克於 1880 年發明了彈簧載入滑線杆，該滑線杆使用車輪沿著電線移動。1888 年，弗蘭克發明了一種有軌電車從架空電線收集電力的系統。憑藉現有的電動機技術，斯普拉格在弗吉尼亞州里士滿建造了有軌電車系統。架空電線安裝在城市街道上，為有軌電車提供電力。在執行過程中，有軌電車會用屋頂上的長杆接觸這條電線。發電廠中的大型蒸汽機需要轉動發電機，為有軌電車執行提供電力。由於有軌電車能夠使用馬車和纜車系統中現有的軌道和車廂，因此切換起來非常容易。

早期市場發展

華盛頓最早的有軌電車，由交通運輸創新者弗蘭克·奧斯古德運營，從 1884 年開始在第二大道上執行，由馬匹牽引。由於馬拉公共交通系統並不完全適合像西雅圖這樣丘陵城市，因此 1889 年，一些其他投資者開始運營纜車，就像在同樣丘陵的舊金山一樣。

1888 年後，許多城市轉向電力有軌電車。在一年內，電力有軌電車取代了更多昂貴的馬拉電車。 1889 年，西雅圖擁有第一輛電力有軌電車，取代了馬拉電車。隨著有軌電車相對於馬拉電車的顯著優勢，繁榮開始了。到 1892 年，也就是首次測試電力有軌電車三年後，西雅圖擁有近 50 英里的有軌電車軌道，以及 22 英里的纜車軌道。

'誕生階段'的政策

自 1840 年以來，聯邦政府開始推動鐵路和有軌電車等交通基礎設施建設。因此，大量私人和公共資金投入了交通基礎設施建設，這有助於有軌電車的誕生和繁榮。 從 19 世紀 30 年代到 20 世紀 60 年代，幾乎所有交通運輸系統都是私人所有的。特許經營權的使用對於有軌電車來說至關重要，因為有軌電車必須侵入公共通行權，在街道上鋪設軌道才能運營馬拉電車，後來還運營纜車和電力有軌電車。 透過限制有軌電車的特許經營權，可以防止不必要的競爭，這使得有軌電車系統可以覆蓋更多區域，並保護有軌電車運營公司的收入。交通運輸行業應該得到認可，因為它在一個多世紀以來一直秉持著最佳私人企業傳統的企業家精神。

成熟與衰落

到第一次世界大戰前夕，西雅圖電力公司（最大的有軌電車運營公司）由於規定的五美分車費、多次罷工以及來自汽車和私人巴士的日益激烈的競爭而開始虧損。通勤者也對老化的裝置和不穩定的服務感到厭煩。在 1911 年未能收購西雅圖-倫頓城際鐵路後，西雅圖於 1914 年開通了第一條連線市中心和波拉德的市政有軌電車線路。 由於規定的五美分車費、多次罷工、政府幹預以及來自汽車和私人巴士的日益激烈的競爭，私人投資者對有軌電車的興趣減弱，從而減緩了有軌電車的增長速度。

第一次世界大戰後，當汽車開始出現在城市街道上時，有軌電車開始衰落。規定的五美分車費使得公司越來越難以支付維護費用。特別是在第一次世界大戰之後，五美分的價值暴跌，但有軌電車必須獲得市政委員會的批准才能進行任何票價調整，這些委員會中的任何人都不會批准票價上漲以支付成本，因為這樣做會讓他們惹惱選民。自 20 世紀 20 年代以來，一些有軌電車公司開始破產，儘管它們當時仍然是其所在城市的交通主力。巨大的成本和票價的貶值迫使他們削減服務，逐漸將人們推向越來越實惠的汽車。在經濟大蕭條期間為生存而鬥爭時，許多公司投資了巴士，因為巴士更便宜、更靈活。到 20 世紀 50 年代，幾乎所有有軌電車公司都處於糟糕的境地。通用汽車和其他石油和輪胎公司擁有的國家城市總共收購了 46 個交通運輸網路。國家城市拆除了有軌電車線路，用巴士取代了它們，這有利於通用汽車和其他石油和輪胎公司，因為這從長遠來看，會增加巴士的使用率。儘管國家城市只參與了大約 10% 的案例，但它仍然加速了有軌電車死亡的過程。

重生

2001 年，俄勒岡州波特蘭成為北美 50 多年來第一個開通新的有軌電車系統的城市。 由於容量更大、速度更快、擁有專用車道，有軌電車的現代版本通常被稱為輕軌。 憑藉現代技術，輕軌提供了比巴士更舒適的乘坐體驗。輕軌可以提供比巴士更高的客運量。輕軌在運營期間沒有燃氣排放，這對於高架區域非常有利。輕軌可以有效地支援高密度開發。行人更容易穿越輕軌，而不是穿越交通。 憑藉這些優勢，現代輕軌在全球範圍內越來越受歡迎。由於輕軌必須在軌道上執行，一旦軌道出現中斷，輕軌就必須停止運營。鋪設輕軌軌道可能需要數年時間，並對當地經濟造成重大幹擾，例如悉尼輕軌。初始投資明顯高於巴士。一項名為“無軌電車”的新技術可以克服現代輕軌的這些缺點。無軌電車既不是電車也不是巴士，儘管它們有橡膠輪胎，可以在街道上執行。無軌電車更適合騎腳踏車的人，因為不需要軌道，這消除了騎腳踏車的人在穿越軌道時跌倒的可能性。無軌電車的容量和乘坐質量與輕軌相似，但不需要建造軌道。 無軌電車的車載系統可以與智慧訊號通訊功能互動，使車輛能夠像現代輕軌一樣在交通燈處優先透過。由於建設和維護成本低，無軌電車預計在不久的將來會越來越受歡迎。

定量分析

為了分析華盛頓從 1894 年到 1920 年的有軌電車生命週期，使用了“麥格勞電力鐵路手冊——美國有軌電車投資紅皮書”。預計總軌道長度將形成一個 S 曲線，S 曲線模型使用以下三引數方程

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

其中

• $S(t)$ 是狀態度量（例如軌道里程）
• $t$ 表示時間（年）
• $t_{i}$ 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

由於歷史資料的質量，進行了調整。本研究僅分析了電氣有軌電車。這些城市按都市區分組，每個都市區被視為一個系統。該研究針對州總和每個都市區進行。

州總

州總有軌電車軌道長度

州總模型結果

變數	描述	值
$K$	飽和狀態水平	1700
$b$	係數	0.19628
$r^{2}$	R 平方	0.93887
$t_{i}$	拐點時間	1908

西雅圖都市區

西雅圖都市區有軌電車軌道長度

西雅圖都市區模型結果

變數	描述	值
$K$	飽和狀態水平	1400
$b$	係數	0.14038
$r^{2}$	R 平方	0.94588
$t_{i}$	拐點時間	1913

波特蘭-溫哥華都市區

波特蘭-溫哥華都市區有軌電車軌道長度

波特蘭-溫哥華都市區模型結果

變數	描述	值
$K$	飽和狀態水平	23
$b$	係數	0.18287
$r^{2}$	R 平方	0.74190
$t_{i}$	拐點時間	1912

貝靈漢都市區

貝靈漢都市區有軌電車軌道長度

貝靈漢都市區模型結果

變數	描述	值
$K$	飽和狀態水平	67
$b$	係數	0.06539
$r^{2}$	R 平方	0.29178
$t_{i}$	拐點時間	1914

斯波坎都市區

斯波坎都市區有軌電車軌道長度

斯波坎都市區模型結果

變數	描述	值
$K$	飽和狀態水平	407
$b$	係數	0.34182
$r^{2}$	R 平方	0.86133
$t_{i}$	拐點時間	1906

瓦拉瓦拉都市區

瓦拉都市區有軌電車軌道長度

瓦拉瓦拉都市區模型結果

變數	描述	值
$K$	飽和狀態水平	29.5
$b$	係數	0.26417
$r^{2}$	R 平方	0.88413
$t_{i}$	拐點時間	1906.275