交通部署案例集/2021/肯塔基有軌電車

有軌電車是指在街道上行駛的車輛。在大多數情況下，有軌電車執行的目的是為了確保城市內的人員短途流通，並最佳化車輛和基礎設施。一般來說，有軌電車路線在共用車道上執行，而一些有軌電車則在隔離的街道上執行。自美國內戰以來，有軌電車的出現為許多城市居民提供了一種快速高效的交通方式，可以從一個地方運輸到另一個地方。北美的人們將有軌電車稱為“無軌電車”，而不是“電車”（歐洲的名稱），這最初來自斯普拉格在里士滿開通的無軌電車鐵路，並迅速擴充套件到整個北美。

技術特點和主要市場

有軌電車的供電系統通常需要架空接觸網和電動機。有必要在地面上鋪設固定軌道，以便有軌電車移動。這種運輸系統通常被歸類為輕軌運輸系統。在 1888 年之後，許多城市主要使用電力來驅動有軌電車。電力主要透過在街道上方安裝一根電線來獲得，電線連線著可以接觸到有軌電車車頂的長杆。電線將連線到電力網，電力網的動力來自蒸汽機驅動的發電機。這反過來將為有軌電車提供電力。

有軌電車的興起與城市化的程序密切相關。生活在城市裡的人們逐漸發現，他們的居住地距離他們的工作地點很遠。這也使得這些地方無法步行到達。因此，有軌電車的出現增加了當時的出行可達性。一些房地產開發商在有軌電車線路附近建造了郊區。有軌電車系統快速發展，使越來越多的人能夠住在城市外，每天上下班通勤。

其他模式的壓縮和演變

直到 19 世紀 30 年代，大多數人的唯一交通方式是步行。大約在那個時期，乘坐馬車不再是富人的特權，越來越多的中產階級開始使用公共汽車。使用這種交通系統上下班的人數增加，導致城市擴張。從 19 世紀 20 年代到 19 世紀 80 年代，北美城市交通中的馬車公共汽車開始在各個城市的街道上運營。速度只有每小時幾英里。

有軌電車是對公共汽車的一項重大改進。雖然馬匹拖曳著最初的有軌電車，但新設計讓有軌電車能夠沿著位於街道中央的固定軌道滾動。這種設計的優勢在於它是在軌道上執行的。鋼輪比在普通道路上行駛的木輪能量損失更少。這使得一匹馬能夠拉一輛更大的有軌電車，並運載更多的乘客。當時，有軌電車的載客量大約是公共汽車的三倍。乘客使用有軌電車的體驗通常比使用公共汽車更舒適。此外，有軌電車較低的運營成本也為乘客帶來了更便宜的交通費用（通常使用有軌電車是 5 美分，而使用公共汽車是 12 美分）。然而，有軌電車仍然存在很多問題。主要原因是任何動物都只能在一定時間內工作。同時，馬匹需要吃大量的飼料，平均工作壽命不到 5 年。

自 1873 年以來，為了找到一種能夠有效替代有軌電車的有軌電車系統，第一輛纜車在舊金山成功進行了測試。從那時起，纜車成為一種交通工具。一根移動的鋼纜拉動纜車，沿著固定軌道行駛。纜車比有軌電車更便宜、更穩定，但它也存在缺陷，因為纜車始終有斷裂的風險，而維修和更換也是一個複雜而昂貴的過程。有軌電車動力的創新並沒有停止。經過多次測試和實驗，弗蘭克·朱利安·斯普拉格在 19 世紀 80 年代成功地將電力作為動力來源，徹底改變了整個有軌電車市場。這是電力第一次成功地大規模用於執行整個城市的無軌電車系統。這主要依靠在遠離實際車輛的“電力”地點提供電力。然而，一些新的纜車線路仍在計劃中。但到 1890 年，建造成本更低、操作更簡單的電力鐵路開始成為常態。據估計，修建一條纜車線路的成本是修建一條無軌電車的兩倍，而運營一條纜車線路的成本是運營一條有軌電車的六倍。

有軌電車的發明

從 19 世紀 40 年代開始，人們就有了用電流驅動車輛的想法。但當時還沒有實際的方法來產生足夠的電力，而使用電池供電的實驗在可行性方面也失敗了。最終，弗蘭克·朱利安·斯普拉格（1857-1934）成功地將電力系統應用於有軌電車。值得一提的是，他在垂直和水平交通方面都取得了卓越的成就。早在 1881 年 10 月 4 日，斯普拉格就獲得了他的第一個專利，“電動機”，並申請在著名的巴黎電力展覽會上展示，但被拒絕了。在愛迪生工作期間，斯普拉格協助愛迪生安裝和操作三線式電燈系統。由於他對愛迪生專注於電燈開發感到不滿，斯普拉格對電力很感興趣。大約一年後，斯普拉格在第二年從愛迪生公司辭職，並在 1884 年創辦了斯普拉格電力鐵路與電機公司。

然後，他在費城舉行的國際電力展覽會上首次展示了他的發動機。這種發電機可以長時間持續工作，並在不同的負載下執行。到 1886 年，斯普拉格公司有兩項發明為未來大型電力鐵路奠定了基礎。它們是固定恆速無火花電機和再生制動器，用於再生電力或將其返回到電力驅動裝置的主供電系統。這種設計不同於傳統的制動系統。在傳統的制動系統中，由於制動器的摩擦，多餘的動能被轉換為多餘的熱量或廢熱。然而，在制動過程中，牽引電機的連線方式會發生變化。

早期市場發展

1880 年，不到 30% 的美國人居住在城市環境中。然而，當第一次世界大戰爆發時，這一數字躍升至至少 50%，因為工業工作吸引了移民勞動力和該國農村人口進入城市。1890 年，有軌電車線路開始促進各種規模城市的郊區發展。在一些較老的城市中，電力鐵路迅速取代了馬車，使交通線路能夠向外延伸，並大大擴充套件了住宅開發用地。開發首先發生在由有軌電車連線的偏遠村莊，其次發生在沿有軌電車線路的新住宅走廊。

對於萊剋星頓的中產階級

萊剋星頓在 1800 年是一個步行城市。大多數城市人口居住在市中心一英里或兩英里範圍內，這使得住在周邊鄉村的人很難到達城市。萊剋星頓在該鎮進行的第一次公共交通嘗試是在 1874 年完成的，當時兩輛公共汽車緩慢地穿梭於伍德蘭公園和市中心的公墓之間。隨著有軌電車的出現，城市的擴張加速了，尤其是對於中產階級來說，他們開始遷移到城市邊緣。由於普通鐵路不在城市核心區域，有軌電車的建設為市民提供了往返工作場所的便利方式。

對於路易斯維爾南方博覽會

1854 年，阿爾弗雷德·維克多·杜邦和比德曼搬到路易斯維爾，在不斷擴張的美國西部尋找財富。他們投資了各種企業，但在 1866 年購買了一條由騾子拉動的有軌電車線路，從而形成了一個區域有軌電車系統。1883 年 8 月 1 日，南方博覽會由總統切斯特·A·亞瑟組織，於四年後的 1887 年結束。一條電力鐵路將遊客帶到博覽會場和中央公園。此後，路易斯維爾擁有該國最好的有軌電車系統之一，有軌電車的數量至少是同等規模其他城市的兩倍。到 1890 年，大多數有軌電車都是電力驅動的，由路易斯維爾鐵路公司運營。有軌電車穿過城市，與城際線路連線，並延伸到郊區，如傑斐遜鎮、奧科隆納、山谷車站，甚至謝爾比維爾，穿過市中心和附近的社群。

誕生階段政策

由於有軌電車系統對城市發展產生了重大影響，居住的人口不再侷限於市中心；人們可以住在商業中心以外的安靜地方，即所謂的“有軌電車郊區”，，並且需要對原始軌道進行管理改進。但它仍然得到市政府和專家的支援。

在正常情況下，有軌電車公司可以從市政府獲得特許權，在道路的道路權範圍內運營該系統。該市的特許權結構有所不同，但取決於該市目前的收入百分比或固定金額，對該鎮的大部分付款可能是單次付款或年度付款。這些特許權通常包含有軌電車公司必須遵循的獲得合同的要求，包括軌道和街道維護或固定票價（例如 5 美分）。

增長階段

內戰結束後，整個美國的的有軌電車服務迅速發展。內戰前，南方許多地區的民眾數量不足以維持有軌電車系統的運營，因此開始更大程度地工業化。這種工業化導致南方城市社群人口增長，緊隨其後的是有軌電車的開發。

城際線路的興起

20 世紀初，路易斯維爾地區有近 100 個有軌電車站。同時，在該市建造了一個高約 60 英尺的高架車站。這個有軌電車系統被稱為“天空車站”。有軌電車在這條高架線路行駛。隨後出現了城際線路的興起。該系統主要在城市之間透過有軌電車運營，並將乘客帶到城市周圍的農村地區。在一些地區，城際線路與主要鐵路的定期客運服務競爭，或與蒸汽動力鐵路互通。這種系統比蒸汽鐵路便宜，頻率更高。同時，萊剋星頓的有軌電車系統將萊剋星頓與肯塔基州中部的藍草地區連線起來，並與路易斯維爾、俄亥俄州、印第安納州和整個中西部地區連線起來。建立城際線路的願望是為了促進人們和貨物的便利運輸。還有一個原因是：城際線路“增加了農業用地的價值，主要原因是，與蒸汽鐵路不同，城際線路可以停靠在鄉村的任何地方。

私營部門的作用

與此同時，有軌電車的廣泛使用也受到房地產開發的影響。這增加了城市和郊區房地產的價值。因此，萊剋星頓當年的城市化程序和有軌電車密切相關，萊剋星頓的有軌電車建設受到房地產開發的啟發。最典型的例子是，環城土地公司的城市周邊房地產開發促使環城鐵路公司於 1889 年 4 月成立。“環城鐵路”圍繞城市，是該公司透過首先將各種鐵路連線到萊剋星頓來開發城市外圍地區的計劃的核心部分。

政策問題：固定票價挑戰

在萊剋星頓，有軌電車公司官員很少提高票價，而是依靠增加乘客數量來獲利。有軌電車的票價以每張 5 美分的價格出售給客戶。這個價格一直保持到 1917 年。主要原因是房地產投機商知道有軌電車服務可以提高土地價值。有軌電車公司在城市邊緣地區擁有房地產權利，即使路線本身不盈利，它們也透過有軌電車連線起來，以刺激發展。

在有軌電車服務的前 30 年裡，低票價主要依靠乘客流量的快速增長來確保可觀的利潤。然而，1917 年以後票價的逐漸上漲，突顯了公司高管對成本上升的擔憂，而裝置本身的成本也很高。票價問題也出現在 1918 年。由於戰時通貨膨脹，KT&T 和弗蘭克福特市議會之間發生了票價糾紛，KT&T 試圖將票價提高到 0.06 美元。最後，市議會只批准了一美分的漲價，因為 KT&T 威脅要停止服務。

成熟階段和衰退階段

然而，隨著 20 世紀的到來，這座城市見證了有軌電車的過度飽和。到 1917 年，該國的電力有軌電車軌道在全國範圍內達到約 26,000 英里的峰值。然而，隨著亨利·福特開發了移動裝配線，越來越多的美國人能夠負擔得起購買汽車。由於汽車和有軌電車爭奪市場，城市街道變得越來越擁擠。這種困境在大蕭條時期變得更加嚴重。有軌電車系統過度擴張，汽車競爭以及其他城鎮鐵路的負擔，以及原始特許經營條款造成的財務問題，都導致了電力鐵路系統的崩潰。有軌電車公司被要求繳稅並支付額外費用以維護和鋪設街道，這使得原本困難的財務問題更加嚴重。雖然公司管理人員正在考慮解決財務問題，但他們也被迫處理日益嚴重的勞動力短缺。1913 年 7 月，當地 K T&T 司機舉行罷工，隨後發生暴動。

另一個問題來自吉普尼，它們是私人運營的車輛，尋找潛在的乘客。特別是，它可以自由地讓乘客在更靠近目的地的地點下車，而且成本遠低於有軌電車。儘管它只存在了一段時間，並且被法院叫停，因為它沒有運營權，但它仍然對整個市場產生了影響。技術上的新奇之處也發揮了作用。由於技術創新，路易斯維爾鐵路公司開始使用更靈活的公共汽車。這主要是因為公交系統不需要維護昂貴的軌道，並且可以自由地改變路線和處理障礙，隨後在該市建立了電動無軌電車和支線公交路線。與此同時，隨著美國越來越痴迷於汽車，有軌電車也被淘汰了。

重生

儘管許多城市已成功規劃了輕軌，並在沿線建設了商業和住宅區，但這種型別的交通導向型發展需要足夠的人口密度才能驅動。即使是肯塔基州最大的城市路易斯維爾，也很難滿足這一要求，因為大多數地區的普查人口不到 10 人。在人口密度低的情況下很難建設新的輕軌，因此發展投資成本更低的現代有軌電車系統將是一個非常有效的解決方案。這將再次成為刺激經濟發展、釋放經濟發展訊號和促進步行社群的一種方式。同時，它將有助於周圍商業區的開發，因為商店知道有軌電車線路不會像公交線路那樣改變路線。同時，與公交車相比，現代有軌電車可以解決城市商業區的擁堵問題，改善空氣質量。這主要是因為有軌電車容量大，而且沒有柴油。高成本仍然是有軌電車發展模式的致命障礙，但從政治家的角度來看，這種模式首先應該被視為城市商業的驅動力，其次是交通連線，它透過城市的發展產生可觀的稅收。這是該模式的驅動力之一。

定量分析

根據“麥格勞電力鐵路手冊——美國有軌電車投資紅皮書”，記錄了整個肯塔基州有軌電車線路的總長度。在預測有軌電車的總里程時，有必要找到合適的模型。這裡主要使用 S 曲線來預測整個系統。首先，透過找到合適的飽和狀態來滿足 S 曲線公式。這主要使用 excel 表格進行反覆試驗，執行線性迴歸以滿足 K 值，並使用預期的 R 平方值滿足公式的建立。估計值如下表所示。決定係數的值介於 0 和 1 之間。雖然值越大，擬合程度越高。但是，由於有軌電車的總里程在一段時間內呈下降趨勢，因此這裡只使用增長期的資料進行模擬。K 值略大於最大軌道里程。模型所需的公式在以下公式中記錄。

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

肯塔基州有軌電車 1894-1920 年

全州引數表

引數	值
Smax	600 英里
b	0.174928
ti	1904.074
R2	0.908898

其中

• S(t) 是狀態度量（例如，乘客公里數）
• t 是時間（通常以年為單位）
• ti 是拐點時間（達到 1/2 Smax 的年份）
• Smax 是飽和狀態水平
• b 是要估計的係數

從資料可以看出，整個肯塔基州的有軌電車從 1895 年到 1915 年穩步增長。這主要歸因於城際線的興起以及整個肯塔基州城市化程序的加速。然而，隨著 1915 年的臨近，有軌電車市場達到了飽和狀態，這主要是由於高昂的運營成本，以及，有軌電車逐漸開始從全州市場退出。R 平方的值為 0.9，表明該模型可以很好地擬合。從 S 曲線可以看出，誕生階段是在 1900 年之前，增長階段是從 1900 年到 1910 年。這段時期也與城際線的建設時間相符。隨著戰時通貨膨脹和運營成本不斷上升，有軌電車市場在 1910 年後進入成熟階段，最終有軌電車市場在 1915 年達到飽和，並開始下降。