交通部署案例集/2021/德克薩斯有軌電車

城際鐵路博物館 2015 年 10 月 15 日（德克薩斯電力鐵路車 360）

德克薩斯有軌電車概述

有軌電車在 19 世紀後期問世，它包括了先進的方法，如馬拉、蒸汽、燃氣和電力驅動的軌道上車輛，給受其影響的社群帶來了許多積極的機會。在被稱為輕軌之前，有軌電車對郊區的開發產生了重大影響，並提供了一系列服務，如人員和貨物運輸。。這些社群和城市內部的新網路被稱為有軌電車，它們與行人、馬匹以及 20 世紀的汽車共享稱為道路的建築物之間的空間。此外，現有的道路和基礎設施的改善以及更多休閒區和這些城市和社群內更快的交通也得到了改善。。德克薩斯州的第一輛有軌電車是在 1870 年代在達拉斯引入的，隨後奧斯汀和德克薩斯州的其他許多城市迅速跟進。 

技術特點

有軌電車系統是一種交通方式，它包括在鋪設好的鑄鐵軌道網路上，由單一車輛在道路上以鋼輪行駛。由於引入了這些軌道，車輛的容量可以從減少的摩擦中增長，從而為乘客帶來更好的乘坐體驗。美國早期的有軌電車包括馬匹或騾子牽引和蒸汽動力，在發電機問世後，架空線和軌道的電力實施開始了，這導致了電力有軌電車的出現，其容量為 40 人。

主要優勢和市場

有軌電車實施後，曾經被稱為“步行城市”的城市，現在對被稱為郊區的新興社群有了更好、更便捷的通道。這是因為很容易進入城市工作，遠離城市的擁擠。這導致了“美國夢”的新理念，即在郊區組建家庭，擁有更多土地和更大的房屋，並可以方便地到達城市。該系統還方便了貨物在城市周圍的運輸，人們無需依賴當地供應商來獲得這些貨物。銀行和富裕個人開始為這一新的交通網路提供經濟支援，從而推動了運輸投資的增長。對城市以外的房地產的推廣創造了更多財富，加速了人口增長。有軌電車的這一新市場主要存在於中產階級工人中，這些工人開始定居在被稱為郊區的城市郊區。與市中心相比，這些郊區更加寬敞，更加安靜。控制這些有軌電車的公司透過根據乘客或貨物運輸距離收取的費用來獲得收入，而高淨值個人則看到了該系統可擴充套件性的潛力。

以前的交通方式

有軌電車之前的交通方式包括美國境內的馬拉車、公共汽車和纜車。公共汽車在 19 世紀早期實施並使用，採用馬匹/騾子牽引的馬車，隨後在 19 世紀中期出現了纜車，這種交通方式涉及由蒸汽動力拖車驅動的，在軌道之間引導車輛的纜索。這種交通方式是由安德魯·哈利迪發明的。存在主要的物流和執行錯誤，例如纜索卡住或斷裂，導致運輸線路中斷。這些問題透過電力有軌電車的引入得到了糾正，電力有軌電車從 20 世紀初開始取代公共汽車和纜車。在電力有軌電車問世之前，有一種短期存在的早期版本的有軌電車，稱為“假引擎”，通常會受到公眾的強烈反對，原因是汙染和噪音水平高，再加上馬匹和騾子牽引的馬車造成的損害，導致需要對現有交通系統進行進一步開發。此外，馬拉車的使用存在重大弊端，如維護成本高，牲畜疾病風險高，大量廢物堆積以及牲畜的使用受到限制。這導致網路效率低下，意味著這些網路需要一種更好的交通方式。這些限制促使人們改進和實施新的馬車動力方式，第一個實用的電池驅動電動汽車是由法國和英國發明家制造的；這種電力系統的理念解決了汙染和噪音水平過高的問題，並且對這些電動車的進一步開發導致了完全通電的連線的車輛。由於續航里程有限，一種正在開發的汽油動力車出現了，對電力線路和電池的依賴迅速減少了。有軌電車的這一新興市場幫助運輸行業發展，但該行業變得過於侷限，政府和企業透過投資和政策推動了發展，促使消費者選擇公共汽車和汽車，從而使有軌電車變得更加過時[6]。到 1937 年，美國約 50% 的公共交通網路為公共汽車，並且從大蕭條時期開始，對公共汽車的這種新依賴，以及對汽車和鐵路網路的使用，變得更加流行，電力有軌電車開始從交通系統中淘汰。

電力有軌電車的誕生

此前，由於馬拉的有軌電車被植入到一個不存在的部門，因此很受歡迎。隨後，騾子緊隨其後，因為它們總體上更便宜，而且與馬匹一樣強壯。許多向有軌電車其他驅動形式的轉變，以及用於機車的電動電池的誕生是在 1860 年代，但最初的想法始於 1820 年代。1881 年，恩斯特·維爾納·馮·西門子成功地首次商業化實施了電力鐵路系統，但安全因素影響了社會對其技術設計的看法，因為電力透過軌道傳遞，使人和動物觸電，這導致了查爾斯·J·範德普爾發明的架空線來為這些電動有軌電車供電。在美國，工程師弗蘭克·J·斯普拉格因實施、發展現有系統，尤其是紐約的當前電動有軌電車、彈簧懸掛、雙齒輪驅動電機、獨立框架車廂而受到讚譽。在美國實施電網後，電力生產、傳輸和儲存使電動有軌電車在任何情況下都易於應用。德克薩斯州的第一條成功運營的有軌電車線路位於奧斯汀，這是一條由馬匹/騾子驅動的線路。1891 年，堪薩斯州的一位開發商蒙羅·希普在奧斯汀引入了第一條電車線路，並在隨後的 20 年內，隨著更多投資者在德克薩斯州建設軌道，這條線路迅速擴張。架空式電動有軌電車的這種擴張迅速在各地推廣，而弗蘭克·J·斯普拉格於 1888 年推出了第一個實用方法。這種電動有軌電車系統的普及程度不斷提高，例如，車廂本身被更輕的木製框架、四輪車取代了鋼製車身、八輪車。

市場發展

1897 年，德克薩斯州內的軌道總里程為 192.15 英里，每個城市和城鎮都有多家運輸公司運營，只有一條鐵軌作為他們的股權。此時，電動有軌電車的數量已經是馬匹和騾子有軌電車的五倍。20 年後的 1912 年，馬匹和騾子驅動的有軌電車被淘汰，德克薩斯州內有超過 1100 英里的電動有軌電車軌道在執行，這種轉變是由於電動有軌電車在成本和物流方面的優勢超過了馬匹和騾子有軌電車。電動有軌電車系統有細分的變體，例如城際電力線，稱為城際鐵路，為周邊地區提供服務，由於鐵路網路優先考慮長途旅行的乘客和貨運服務，與短途通勤服務相比，城際鐵路被證明比鐵路網路更賺錢。進入電動有軌電車時代，與之前的有軌電車（如馬匹和騾子等）相比，這種交通方式更經濟、更可靠、更安全、速度更快。

政策

有軌電車系統由私人股權融資，這意味著有軌電車是由政策驅動的，是一種限制性資本主義形式。因此，該行業部門可以產生大量的私人財富，例如，在 19 世紀後期，出於經濟和安全考慮，對動物的依賴開始消失，導致公眾同意化石燃料成為主要能源來源。該政策是有軌電車網路所需標準的驅動因素。當多個有軌電車系統出現時，各城市開始制定政策來指導和確保公平的實踐。包括對消費者和企業的公平政策。由城市地方成員控制的公共政策控制票價，票價大致鎖定在 5 美分左右，安全要求和控制特許經營權，特許經營權被特許給私人投資者。這些政策幫助公共使用有軌電車系統增長，新的和現有的線路分佈到郊區，這些低票價使在城市和郊區周圍出行變得廉價、安全和簡單。

有軌電車的生命週期

工業革命促進了有軌電車的增長，導致人員和貨物流動的方式更加便捷和快捷，從而幫助人口增長。許多城市和城鎮採用了有軌電車系統，因為它幫助社群發展和繁榮，新的有軌電車軌道系統正在建設中，而現有的軌道系統正在迅速延伸到周圍的郊區 。在德克薩斯州奧斯汀，市政官員知道這些有軌電車系統的重要性，在國會大道大橋（一座橫跨科羅拉多河的大型基礎設施專案）建成後，迅速添加了有軌電車連線，以擴大整個奧斯汀南部的網路，該地區尚未完全連線[6]。因此，奧斯汀周圍的線路變得統一，並連線起來形成一個大型網路，這導致了升級和雙軌制，從而提高了服務能力和服務質量。

奧斯汀的有軌電車系統增長速度放緩，在 20 世紀中期達到頂峰，擁有 23 英里的軌道，人口為 40,000 人。此外，這種高峰和下降是由於交通方式的競爭，即汽車，一旦乘客開始背離有軌電車系統，票箱收入不足以維持有軌電車系統的運營。許多城市（如奧斯汀）迅速開始縮減網路，只保留當時盈利能力強的網路，而聖安東尼奧成為第一個在 1933 年停止使用電動有軌電車的主要城市，被公共汽車取代。不久之後，奧斯汀市也效仿，1940 年，市長湯姆·米勒乘坐最後一輛電動有軌電車沿國會大道行駛。1942 年，第二次世界大戰期間，金屬儲備不足，地面上留下的軌道大部分被挖掘出來。總的來說，有軌電車系統不僅在奧斯汀，而且在美國大多數州都失敗的原因是運營成本增加、低票價影響收入、汽車使用率增加以及糟糕的政策影響了這種交通模式 。然而，有軌電車在澳大利亞悉尼的復興，重新創造了一個比以前更好的網路，以解決由私人汽車和道路共享汽車造成的擁堵問題

模型分析

這是一份關於德克薩斯州有軌電車系統的生命週期分析，包括電動、汽油/天然氣和馬匹驅動的有軌電車，並應用了邏輯函式來模擬預測的交通方式生命週期。該模型將預測有軌電車的技術進步，並透過 S 曲線分析和預測其出生、增長、成熟、衰退。

模型定義

用於該模型的三引數邏輯函式如以下公式所示：

S(t) = Smax/[1+exp(-b(t-ti)]

其中

• S(t) 是狀態度量（例如，已完成的軌道里程），
• t 是時間（年），
• ti 是拐點時間（達到 1/2 Smax 的年份），
• Smax 是飽和狀態水平
• b 是待估計的係數。 

由於這些資料涉及的時間範圍很短，因此並非所有生命週期階段都將在每個有軌電車系統值中記錄。對於估計，使用了一個單變數線性迴歸系統，即普通最小二乘迴歸，估計值 K 和 b 如以下公式所示。

• Y = bX + c
• Y=LN(Miles/(K-Miles))
• X=Year

在該模型中，存在缺失資料和年份，因此使用了完整的無中斷連續年份，並估計了 1915 年和 1916 年；在 1897 年至 1920 年之間，這種有限的時間範圍導致生命週期分析的某些方面缺失，如前所述。

德克薩斯州資料

德克薩斯州有三種有軌電車系統使用超過一年，分別是馬拉/騾拉有軌電車、電力有軌電車和汽油/燃氣有軌電車。測量資料介於1897年至1920年之間。雖然蒸汽和電池動力已經存在，但它們在這個資料集中沒有連續使用超過兩年的記錄。如果資料沒有包含在時間跨度內，但有一個相同或更晚的後來資料點，例如相隔五年，中間有兩個資料點為零，那麼這個零將用第一個參考資料點填充。總體而言，電力有軌電車在這個資料集中顯示了生命週期的至少兩個階段，包括誕生、增長、成熟和衰退。

 

合併總里程

所有系統的總里程顯示出明確的趨勢，表明了生命週期階段的增長和成熟。雖然使用的資料沒有顯示太多誕生和衰退階段，這是由於研究時間過短。第一張圖顯示了合併有軌電車系統的總測量和預測軌道里程，以及表1中的引數。

圖1 合併有軌電車裡程圖

表1 合併有軌電車變數

變數	描述	值
K	估計飽和度	1300
b	係數	0.193
ti	拐點時間	1907

電力總里程

模型記錄了有軌電車生命週期的增長和成熟階段，拐點在1908年，拐點是增長速度開始下降的地方。因此，這個模型中的增長階段大約在1997年至1908年之間，成熟階段被認為是在時間框架之後。總體而言，使用的時間框架清楚地顯示了生命週期的兩個方面，增長和成熟，而誕生和衰退階段則擴充套件到了測量的時限之外。圖2 顯示了電力有軌電車系統的總測量和預測軌道里程，以及表2中的引數。

圖2 電力有軌電車裡程圖

表2 電力有軌電車變數

變數	描述	值
K	估計飽和度	1250
b	係數	0.200
ti	拐點時間	1907

馬拉/騾拉總里程

與其他形式的有軌電車相比，記錄的馬拉/騾拉系統顯示了有軌電車生命週期系統的衰退階段。這是因為其他有軌電車模式正在逐漸取代這種模式。因此，模型表明了有軌電車生命週期系統的衰退階段。圖3 顯示了馬拉/騾拉有軌電車系統的總測量和預測軌道里程，以及表3中的引數。

圖3 馬拉/騾拉有軌電車裡程圖

表3 馬拉/騾拉有軌電車變數

變數	描述	值
K	估計飽和度	95000
b	係數	-0.1607
ti	拐點時間	1847

汽油/燃氣總里程

汽油/燃氣有軌電車系統模型顯示了類似於電力系統的一些S形曲線的特徵。誕生階段出現在1907年，增長階段出現在1910年。因此，汽油/燃氣生命週期的發展發生在所有其他模型之後，模型的準確性將在下面進行分析。圖4 顯示了汽油/燃氣有軌電車系統的總測量和預測軌道里程，以及表4中的引數。

圖4 汽油/燃氣有軌電車裡程圖

表4：汽油/燃氣有軌電車變數

變數	描述	值
K	估計飽和度	50
b	係數	0.4634
ti	拐點時間	1918

模型的準確性

提供的資料表明，至少有一個模型表現出生命週期的一部分，電力有軌電車記錄的實際資料顯示出與其他模型相比更清晰的生命週期擴充套件。就汽油/燃氣模型而言，顯示的是誕生和增長階段，這是由S曲線給出的近似趨勢。馬拉/騾拉模型顯示出最大的不準確性，因為資料範圍很小；因此，資料顯示出明顯的下降階段，但K值設定為95,000，這為估計值與記錄的實際資料提供了最佳擬合線。雖然這個K值適用於提供的資料，但在德克薩斯州，馬拉/騾拉系統的實際總里程幾乎不可能達到95,000英里。由於資料缺失，一些頁面無法使用，以及一些頁面被截斷，導致模型開發過程中記錄資料可能存在誤差，資料來源可能存在一些不準確性。

表5：迴歸結果

系統	R平方	標準誤差	T統計量(b)	P值
電力	0.86632	0.01679	11.94032	6.03796E-11
汽油/燃氣	0.8313728	0.0360032	7.69174204	5.6088E-06
馬拉	0.93517	0.01174	-13.69412	4.22352E-09
合併	0.86237	0.01643	11.74099	6.03796E-11

R平方分析中發現了擬合度的檢驗，值越接近1，模型中記錄的點落在迴歸線上的就越多。此外，t統計量檢驗決定了模型的統計顯著性，以及與合併、電力和汽油/燃氣模型相關的統計顯著性，所有這些模式都具有較高的值，意味著它們在95%置信水平上具有統計顯著性。合併模式和電力模式的P值比其他兩個模型小，這意味著它們的估計係數對於這些檢驗是可靠且準確的。