運輸部署案例集/2021/新澤西有軌電車

簡介

“有軌電車”這個詞對現代人來說可能很陌生。有軌電車、無軌電車、電車，它們叫法不同，但實際上是相同的交通方式，即用馬拉、電力和柴油機牽引的客車。在 19 世紀，有軌電車是城市的重要組成部分。它們旨在減少城市內部的旅行時間，並連線各個城市。透過延長鐵路線路連線城市，可以促進城市發展和經濟增長。除了經濟增長外，有軌電車還在交通行業的未來發展中發揮著重要作用。例如，航空業、公路網，甚至在一戰和二戰期間。以下分析將重點關注美國新澤西州有軌電車歷史上的生命週期。

歷史

技術特點

在 20 世紀的大部分時間裡，有軌電車系統在美國大多數州的眾多競爭中都流行起來。有軌電車最初是用木製長方形容器製成的，兩側有輪子，輪子連線在馬匹上，所有輪子都在鐵軌上，以保持方向一致。吉爾伯特·範德沃肯的公共汽車是新澤西州早期運營的馬拉街車的典型例子，這是一項在州內城市之間提供交通服務的運輸服務。隨著人口的增長和新技術的出現，電力被廣泛應用於日常生活。 電動有軌電車成為美國城市現代化的象徵。利用弗蘭克·斯普拉格發明的用於電動有軌電車的架空電線，解決了持續電力供應的主要制約因素。幾年後，斯普拉格繼續透過創新卡爾·範·德波爾的改進設計和佈局來將電力供應到有軌電車行業。

全鎮第一輛電動有軌電車

電動有軌電車是現代世界的一項重要發明，電動有軌電車不斷發展，技術不斷改進，從而提高了效率，促進了城市經濟增長。在架空電線出現之前，馬拉有軌電車於 1807 年首次出現。 馬拉有軌電車存在一些制約因素。速度和行程距離與機械無法相提並論。需要保持馬匹強壯健康，才能拉動如此沉重的有軌電車容器。馬匹的運營成本可能高於機械，因為馬匹需要一個合適的環境居住，健康檢查和飼料的成本可能與機械一樣昂貴。此外，馬匹需要休息一天來緩解壓力和疲勞，還需要額外的馬匹在休息時進行替換。隨著更先進技術的開發，首批機械蒸汽動力有軌電車取代了馬拉有軌電車，蒸汽動力能夠以更高的速度行駛更遠的距離。然而，蒸汽動力火車效率不高，需要額外攜帶重量的煤炭來為系統燒水。蒸汽機產生的蒸汽是蒸汽動力有軌電車逐漸消失的主要原因。隨著安全措施和冷凝器的安裝，避免了造成動力損失的可見蒸汽，蒸汽動力有軌電車最終被電動有軌電車取代。電動有軌電車包含了馬拉和蒸汽有軌電車的所有優點。此外，電動有軌電車解決了所有先前有軌電車的問題。與內燃機和蒸汽機相比，電動有軌電車能夠提供舒適的乘坐體驗，並將噪音降至最低。與透過爆炸產生動力的發動機相比，電機能夠產生平滑的加速度輸出。除了比較不同有軌電車的優點外，有軌電車也比其他巴士具有更高的運輸能力和更好的乘坐體驗。 各種組合和尺寸的有軌電車能夠容納比巴士更多的乘客，電機產生的扭矩能夠一次連線多輛車廂。每輛車廂還能創造不同的環境，以滿足不同客戶的需求。例如，頭等艙和經濟艙等。有軌電車的設計能夠服務於廣泛的客戶群體，設計吸引力能夠提高需求，從而幫助解決交通擁堵問題，減少空氣汙染。這是一種網路外部性效應，有軌電車的積極反饋能夠為其他事件帶來積極結果。

有軌電車的目的是運送乘客，以提高客戶效率，延長旅行距離。有軌電車的發展與有軌電車業務的收入成正比。有軌電車運送的乘客越多，有軌電車公司賺取的利潤就越多。因此，有軌電車運營的最佳和最適合的環境是市區，例如城市內部，而不是農村地區。19 世紀，有軌電車的主要受眾是高收入群體。不同工資群體的住宅位置因素有著不同的看法。高收入群體居住得更遠，因此更願意乘坐有軌電車，而低收入群體更願意步行。高收入群體更願意多花一點錢來換取更舒適和節省時間的通勤交通方式。

以前的交通方式及侷限性

如上所述，第一代有軌電車是由英國發明的馬拉有軌電車，早期的有軌電車模型是在 19 世紀初英國議會透過姆布林斯鐵路法案後開始運營的。25 年後，約翰·史蒂文森將這項技術帶到了美國。 馬拉有軌電車是簡單且節約成本的交通方式。當時的科技水平，機械非常神秘，機械能的利用仍在發展中。雖然按照現代標準，馬拉有軌電車很經濟，但一匹健壯的年輕馬的價格是一筆不小的投資。保持馬匹身體健康和情緒穩定的運營成本很高，而且費時費力。與機器不同，馬匹的能量和行程距離有限，它們需要休息，並且需要合適的居住環境。由於每匹馬的工作時間有限，為了最大限度地減少壓力和不必要的疾病，可能需要額外的馬匹來輪班工作。由於馬匹的侷限性，機器對於改進馬拉有軌電車的侷限性至關重要。第二代有軌電車是源自托馬斯·薩弗裡的一項技術的創新。 蒸汽有軌電車能夠比馬匹行駛更遠的距離，持續時間更長，而且不需要休息。蒸汽有軌電車比以前的車型有了很大的改進，煤炭和水的結合產生了高壓，解決了馬匹的所有侷限性。然而，為了在系統內產生熱量將水煮沸，需要攜帶煤炭進行長途旅行。由於蒸汽機的動力不足以及額外的重量，蒸汽有軌電車無法高速行駛。此外，蒸汽有軌電車最獨特的特點也是蒸汽機走向終結的原因。蒸汽機在隧道中產生的白煙是否應該限制是一個有爭議的問題。發動機頂部隧道中的蒸汽可以作為蒸汽機的代表，但有些人可能認為蒸汽對環境有害。然而，有些人認為蒸汽機產生的煙霧和噪音對周圍環境有害。接下來是第三代，對於來自海外的人來說，這就是有軌電車。電動有軌電車是有軌電車的最後一代，它們被其他交通方式取代。電動有軌電車由弗蘭克·J·斯普拉格發明的，透過架空線連線供電。 儘管電動有軌電車的技術比前兩代更先進，但其乘坐質量和噪音卻降至最低。電動有軌電車能夠減少交通擁堵，緩解公共道路上的延誤。電動有軌電車是交通運輸業的一項偉大發明，它們至今仍在一些國家運營。然而，在 20 世紀中葉的美國，這個國家正走向另一個世紀，石油和私人汽車在那個時候很流行。私人汽車的數量在那個時候急劇增加。 隨著需求的顯著下降，有軌電車最終走向終結。

早期市場發展

澤西城和伯根鐵路公司是 19 世紀 60 年代初新澤西州第一家有軌電車運營商。該公司負責使用馬拉有軌電車為整個哈德遜城提供交通服務。隨著新技術的開發，電動有軌電車開始取代緩慢且不可靠的馬匹。哈德遜和伯根牽引公司是 1893 年第一批使用電動有軌電車的公司之一。 該公司在發展階段將先進技術作為投資。他們的服務遍佈澤西城，連線著渡輪碼頭和城市中心。在 20 世紀初，新澤西州有超過 20 家有軌電車公司在運營。當時，有軌電車公司之間為了獲得更高的利潤而展開了激烈的競爭。

“誕生階段”的政策

有軌電車 150 年的發展經歷了不同的重大變化，不同階段的政策促使有軌電車行業發展壯大。隨著新澤西州居民中上層階級的流動性增加，人們在州內出行的方式主要依靠交通工具。因此，從 19 世紀 40 年代開始，聯邦政府開始促進和鼓勵有軌電車的發展。這項批准導致私人有軌電車企業數量大幅增加。當時，強烈鼓勵城市大眾交通私有化，這導致了有軌電車行業私有化的更加強勁的結果。當時的電車企業競爭非常激烈，企業都努力爭奪州內最好的位置。各個電車公司之間的競爭可以降低成本，提高效率。票價由政府制定，1904 年的票價定為 5 美分，目的是防止價格過高，並保護公眾。 這是一個“鎖定”策略，目的是防止公眾轉向其他交通方式，即它們的競爭對手。經過一段時間的進一步發展，有軌電車行業開始採用私有化戰略。在 19 世紀 80 年代後期，這是有軌電車行業開始流行的時期。幾年後，所有的有軌電車都改用電力驅動，電動有軌電車的速度幾乎是馬拉有軌電車的兩倍。此外，票價降低了近一半，這一行業的策略產生了巨大的需求，推動了行業快速發展。

成熟和衰落

在 20 世紀初，這是有軌電車行業處於頂峰的時期。不幸的是，幾年後，該行業開始走下坡路。由於有軌電車行業在當時對高收入群體和交通運輸業來說都是一個重要組成部分，聯邦政府成立了聯邦電力鐵路委員會，以調查電動有軌電車存在的問題。 有許多專業人士和行業專家對該問題進行了分析，並將分析結果報告給了委員會。德洛斯·F·威爾科克斯博士對這個問題進行了分析，提出了失敗的原因，並提出了一些解決問題的建議。威爾科克斯博士發現，該行業的財務失敗、政策失敗和競爭是造成有軌電車行業衰落的主要原因。對有軌電車票價的過度監管以及財務管理是失敗的主要因素。他還提出了一些緩解該行業問題的建議，這些解決方案需要政府的幫助。取消對電動有軌電車的額外稅收，提高票價以支付維護成本和勞動力成本增加，並提出解決方案來消除競爭。 威爾科克斯博士提到的競爭不僅僅是他們自身的競爭對手。還有汽車和公共汽車等，它們與有軌電車共享相同的客戶。有軌電車行業不再是交通運輸市場的壟斷者，大多數乘客更喜歡其他交通方式，因為其他交通方式更加靈活，並且能夠以更高的速度行駛。

為今天和明天“重新發明”這種交通方式的機會

吸取了過去 200 年有軌電車發展的所有投資和經驗教訓，有軌電車仍然以類似的形式為我們現代社會服務。如今的有軌電車在世界各地不同的城市執行，它們提供了與其他現代交通方式不同的體驗。與現有的交通方式相比，它們能夠提供更加平靜的點對點服務。有軌電車有幾個潛在的機會可以“重新發明”自己，以更好地滿足現代世界和未來的需求。

為了減少空氣汙染排放，降低道路交通產生的二氧化碳排放量，一些發達國家正在參與一項關於到 2050 年實現 100% 電動汽車的《巴黎協定》。 在公共道路上行駛的汽車將不再使用內燃機或任何產生排放的機械動力。該協議將導致私人汽車數量減少。因此，電動有軌電車可以成為短途旅行的交通方式選擇，因為有軌電車比公共汽車更具成本效益和可達性，並且運載能力更大。

由於有軌電車是一種鐵路系統，因此它們被設計為在固定的鐵路上執行。該系統安全可靠，不可能發生擁堵。有軌電車通常比公共汽車具有更高的安全等級，駕駛員人為錯誤的可能性比汽車司機低。^[13] 此外，即使所有公共道路上的車輛都強制改為電動，擁堵問題仍然存在。然而，有軌電車不受任何道路狀況的影響，因為它們是鐵路道路上唯一的使用者。當公共道路發生擁堵時，它們仍然能夠正常執行。

新澤西有軌電車網路的定量分析

生命週期模型

正如我們上面所討論的，在有軌電車大約 150 年的發展過程中，有三個主要週期。生命週期模型能夠展示隨時間的增長和演變。如上所示，這些週期被分為三個階段，即誕生階段、成長階段和成熟階段。每個階段都有不同的技術和有軌電車運營挑戰。

為了識別有軌電車發展過程中每個階段，S 曲線是一種有用的工具，可以數學地預測運輸方式的生命週期。可以透過以下公式識別這些階段。

S(t) = K/(1+e)^(-b(t-t0))

-      S(t) 是技術規模（軌道里程）

-      K 是飽和狀態水平

-      t 是時間（以年為單位）

-      b 是係數

-      t0 是拐點時間（下降點）

因此，透過知道 K、b 和 t0，我們可以透過 S 曲線方程估計任何給定年份 (t)。

引數	值
K	1620
b	0.135293
t0	1900.193
R2	0.9543466

圖表顯示了 1894 年至 1911 年新澤西州預測的軌道距離與實際軌道里程的對比

新澤西有軌電車網路分析

透過對美國所有有軌電車公司進行全面記錄，並按照麥格勞電力鐵路手冊中的年度記錄進行排序，我們能夠進行下表分析新澤西州有軌電車軌道里程的年度資料。該手冊包含 1894 年至 1911 年期間所有有軌電車企業的一系列詳細資訊。

結果與我們的預期一致，從 1897 年開始軌道里程略有增長，這是該行業誕生階段，新澤西州的每一項有軌電車業務都在發展。成長階段的發展超出了預期，表明有軌電車行業在那個時代獲得了戲劇性的發展。該行業在 1908 年達到頂峰，新澤西州的有軌電車開始經歷我們上面討論過的困難，該行業開始衰退，從而降低了增長速度。該圖表可以顯示該行業在 1919 年之後在衰退階段的表現。但是，由於限制和資源有限，我們無法分析新澤西州有軌電車軌道里程。