交通部署案例手冊/2021/西弗吉尼亞州
有軌電車（在歐洲英語中通常被稱為電車）指的是在軌道上行駛的車輛，通常與私人機動車交通共享道路。有軌電車是 19 世紀後期到 20 世紀早期美國一種流行的公共交通方式，隨著新技術的出現逐漸發展。本文旨在研究早期美國有軌電車系統生命週期，重點關注 1890 年至 1940 年西弗吉尼亞州（W VA）的服務。
有軌電車的誕生來自於公共馬車 - 一種由動物（通常是馬或騾子）牽引的馬車。公共馬車發展出了軌道，這大大提高了乘客吞吐量。這種早期的有軌電車版本操作起來很簡單，因為人們從使用公共馬車的經驗中熟悉了動物牽引的車輛。雖然它們很簡單，但馬匹帶來了缺點，例如需要定期餵食和照料，這增加了成本。馬匹每天只能工作有限的時間，並且會產生大量的糞便，運營商需要負責儲存和處理這些糞便。
在動物牽引的有軌電車時代之後，蒸汽機（蒸汽機車）在有軌電車中短暫使用過。由於它們必須安裝在有軌電車的車身內，因此尺寸有限，導致車輛動力不足。蒸汽機還會產生大量的煙霧和噪音，嚴重降低了城市的視覺舒適度和空氣質量。
纜索牽引有軌電車連線到中央供電的架空電纜。雖然這種技術沒有在 W VA 使用，但它們在丘陵城市（例如舊金山，在那裡它們今天仍然被廣泛使用）非常有效，因為它們的非驅動輪在陡坡爬坡時不會出現牽引力問題。它們的缺點包括與所有有軌電車同時移動相關的效率低下、昂貴的基礎設施、高維護成本以及每次穿過另一條電纜線路時需要從電纜上分離（這會增加電纜磨損）。
當創新者利用電力作為動力時，有軌電車開始蓬勃發展。第一批電力有軌電車由連線到有軌電車的笨重、低效的電池供電。當時，有軌電車技術仍處於起步階段，但在它保持低廉且具有成本效益的情況下，經歷了重大的技術轉型。另一個早期的版本是西門子的線路，它透過帶電軌道和返回軌道提供電力，並利用了發電機。西門子的版本電壓（因此也包括功率）有限，而使用返回軌道意味著道路使用者在接觸時會受傷。除了這個問題，如果車輪失去與返回軌道的接觸，這種有軌電車還會造成額外的電擊危害。各種問題，包括脫軌或前一輛有軌電車對軌道的嚴重砂磨，都會導致這種危險。弗蘭克·J·斯普拉格透過設計一個彈簧載入的電車杆進行了創新，該電車杆透過一個輪子保持與電線的接觸。西德尼·豪·肖特設計的第一臺電動機也用於有軌電車技術，提高了效率。肖特的設計透過將電樞直接連線到驅動力的車軸上，消除了對齒輪的需求。電力有軌電車在美國迅速普及，取代了動物牽引的有軌電車。24 小時運營、盈利能力和安全性提高使電力有軌電車成為 20 世紀初最終的交通方式選擇。
有軌電車的主要市場是住在郊區邊緣的客戶，他們想要前往市中心（例如在亨廷頓），以及希望在城市中心之間旅行的客戶，以及希望在城市中心及其周圍旅行的客戶（例如在查爾斯頓）。電力有軌電車變得有利可圖，吸引了資本家和商人的大量投資，從而加速了其增長。
在有軌電車時代之前和整個時代，馬拉公共馬車都很普遍。由於成本高昂，公共馬車不容易獲得。但城市正在發展，人們渴望擁有可靠的交通系統，能夠同時運送大量乘客。公共馬車速度慢，容量有限，無法滿足日益增長的城市人口的交通需求。鋪設道路並不總是可用，公共馬車在未鋪設道路上難以行駛，尤其是在冬季。
在有軌電車出現之前，城市的主要交通方式是步行。城市人口正在增長，地域範圍也在擴大 - 人們需要一種方式從郊區前往市中心工作、社交和購物。有軌電車成為西弗吉尼亞州幾個城市的交通方式。低廉的票價、相對高昂的公共馬車價格以及快速的服務是其增長的原因。此外，房地產開發商建造了有軌電車線路，以提高郊區邊緣新房的價值。正如《交通體驗》中所述，有軌電車就像“神奇的子彈”，郊區人口的增長增加了有軌電車的客流量，從而使進一步的升級變得可行。有軌電車縮短了郊區與市中心之間的旅行時間，以及透過亨廷頓和查爾斯頓的城際線路在城市中心之間的時間。源於有軌電車系統新發現的效率和普及性的功能增強，幫助透過網路外部性建立了市場。其他自我創造的市場發現示例包括亨廷頓和查爾斯頓等地區景點（如鄉村俱樂部和遊樂園）的開放和連線。這些發展的首要目的是在晚上、週末和節假日保持客流量。俄亥俄河以南的亨廷頓住宅區的增長，是土地利用和交通相互作用的一個很好的例子，這種相互作用在今天仍然很普遍。亨廷頓的人口從 1900 年的 11,923 人猛增到 1920 年的 50,177 人，人們普遍認為這主要歸功於龐大的有軌電車系統。這說明了人口（從而也包括客戶）與有軌電車系統之間的正反饋迴圈。隨著有軌電車系統的增長，人口也隨之增長，反之亦然。
西弗吉尼亞州有軌電車系統誕生期間的交通政策與今天大不相同。在 19 世紀後期，有軌電車是主要的交通工具，許多資本家在看到有軌電車在其他地區的有效性後，試圖在多個城市建設系統。資本家和投資者在對可靠、快速交通方式有需求的城市建設有軌電車系統。亨廷頓和惠靈的競爭非常激烈，導致有軌電車運營無利可圖。該州有軌電車系統不受監管的市場存在著各種弊端，包括複雜且不同的票價和時間表系統。競爭公司沒有興趣合作，透過網路效應來提高其有軌電車系統的價值。網路效應或外部性（例如同步時間表以允許更好的換乘視窗，從而使有軌電車線路的價值超出其各個部分的總和）並未得到實施。亨廷頓是一個例外。Z.T. 芬森在帕克斯堡的美國參議員約翰遜·M·卡姆登的幫助下，將兩家競爭公司“亨廷頓電力照明和街車公司”和“亨廷頓環形線”合併為“俄亥俄河谷電力鐵路公司”，並將它們的路線連線起來，為亨廷頓、阿什蘭、凱諾瓦和卡特萊茨堡的居民形成了一條更有用的線路。在有軌電車系統誕生的絕大部分階段，政府讓自由市場自行配置和測試有軌電車業務模式。與當時美國其他州一致，政府沒有真正參與或干預交通管制及其政策制定。不過，政府負責批准擬議的有軌電車交通路線，這使得私營實體能夠建立新線路。有軌電車公司為公共大眾交通服務，但屬私有。然而，它們受到一項重要的政府政策的限制，該政策限制票價成本為 5 美分（五美分票價），無論通貨膨脹如何。
技術轉型
有軌電車系統的誕生與馬車旅行有關，馬車旅行帶來了一系列鎖定效應。從馬車有軌電車轉向電力有軌電車非常容易，因為成本節約顯著，而且軌道相容。在惠靈等一些城市，出於環境原因，蒸汽動力有軌電車被迅速淘汰。建造架空電線以使系統電氣化實質上將電力有軌電車鎖定了幾十年。由於返回軌道帶來的安全隱患，使用了兩根架空電線，有效地將受電弓有軌電車鎖定為西弗吉尼亞州的主流技術。在亨廷頓，肖特的軌道中間槽式電力方法成為主要的電車技術，該方法也使用了兩根架空電線，但電力分配更安全。亨廷頓正處於技術網路發展的早期階段，因此沒有因複雜的架空電線系統帶來的安全風險而造成問題。
城際運動
西弗吉尼亞州的有軌電車市場很大程度上是由城際連線塑造的，而不是城市有軌電車系統。西弗吉尼亞州的城市地區在很大程度上仍然是步行可達的，因此有軌電車滿足了將人們從城市和郊區的外部地區運送到市中心以及城市之間位置的利基市場。
在西弗吉尼亞州的有軌電車發展階段，政策制定側重於實施各種鎖定效應和價值提升措施，這些措施是由有軌電車公司推動並由市政府允許的。有軌電車服務和政策在很大程度上受到城市政治的影響已經很明顯。除了批准投資方提出的業務和運營案例外，州政府對有軌電車的監管採取了很大程度上放任的態度。有軌電車投資和開發可能跨越了一些州界，例如在亨廷頓，但最終監管環境由城市官員管理，因為公司和金融實體主要關注單個城市的業務。有軌電車公司和投資者投資的自由可見於新線路和延伸線的同步建設，以及與房地產開發、公園和休閒開發的同步建設，例如在亨廷頓和查爾斯頓。隨著全國其他城市的有軌電車運營取得成功，越來越多的投資者進入市場，競爭加劇。在查爾斯頓，有軌電車公司的頻繁收購和更名（更名）與線路增加或線路延伸（即軌道里程）相關。
有軌電車作為一種交通方式在成熟階段的發展是漸進的。在誕生階段確立的五美分票價政策仍然有效，這年復一年地壓縮了有軌電車的盈利能力。1890 年的 1 美元相當於 1940 年的 1.54 美元，因此有軌電車公司的收入按實際美元計算下降了 40%。勞動力成本的增長進一步降低了它們的盈利能力。有軌電車公司希望從兩名操作員轉向一名操作員運營的有軌電車，以節省成本。強大的交通工會的有效遊說阻止了這項轉型政策的實施。為了維持盈利能力，有軌電車公司被迫削減服務和維護方面的成本，這使得有軌電車對客戶的吸引力下降。
城市的總人口顯著增長，其交通需求也變得更加複雜。在增長階段，有軌電車滿足了將人們運送到市中心的利基市場，城市中形成了多個城市地區，這使用有軌電車難以解決。大約在 1930 年代出現的汽車被證明是有軌電車的有力競爭對手。汽車由於其優越的動力而迅速取代了馬車公共汽車作為私人交通工具，並且可以輕鬆快速地啟動和執行，而無需面對馬匹帶來的困難。隨著越來越多的汽車在城市中使用，交通擁堵的情況變得更加普遍。有軌電車與汽車共享道路，因此被困在交通擁堵中。公共汽車在安全性、速度和舒適性方面也有所提高，西弗吉尼亞州的許多有軌電車運營商將公共汽車視為更先進的技術，並開始將許多有軌電車線路逐步轉換為公共汽車線路。1915 年後，公共汽車的運營成本也低於有軌電車，因為美國經濟在戰爭結束後變得更加註重材料。戰爭結束後產生的石油和材料盈餘使購買和擁有汽車的成本顯著降低。隨著私人汽車與公共交通相比變得更有吸引力，美國社會已經經歷了一場轉型變革。更確切地說，有軌電車是當時為滿足市場需求的更先進技術，但後來被公共汽車取代。公共汽車不需要像有軌電車那樣在開始運營前就需要複雜的電力系統和軌道。公共汽車的本質是，可以透過靈活地選擇替代路線來有效地應對城市中發生的交通擁堵情況，而有軌電車則被限制在軌道上。
誕生 1890 年
增長 1900 年-1915 年
成熟 1915 年-1930 年
| 年份 | 市場規模 | 預測市場規模 |
| 1894 | 45.5 | 34.10381 |
| 1897 | 55.5 | 60.03586 |
| 1902 | 124.87 | 141.0631 |
| 1903 | 194.8 | 164.0476 |
| 1904 | 227.39 | 189.1632 |
| 1905 | 218.08 | 216.126 |
| 1906 | 225.58 | 244.5275 |
| 1907 | 286.25 | 273.8524 |
| 1908 | 313.77 | 303.5123 |
| 1909 | 332.79 | 332.8916 |
| 1910 | 343.79 | 361.3976 |
| 1911 | 366.04 | 388.5067 |
| 1912 | 351.31 | 413.8001 |
| 1913 | 365.575 | 436.9825 |
| 1914 | 425.14 | 457.8855 |
| 1917 | 508.41 | 506.8601 |
| 1918 | 496.5 | 518.9763 |
| 1919 | 559.95 | 529.2861 |
| 1920 | 550.9 | 537.9951 |
| S_max | 580 |
| b | 0.204733976 |
| t_i | 1907.544502 |
| 迴歸統計 | ||||||||
| 多重 R | 0.972094 | |||||||
| R 平方 | 0.944967 | |||||||
| 調整後的 R 平方 | 0.941729 | |||||||
| 標準誤差 | 0.365395 | |||||||
| 觀察次數 | 19 | |||||||
| ANOVA | ||||||||
| df | SS | MS | F | F 的顯著性 | ||||
| 迴歸 | 1 | 38.97306 | 38.97306 | 291.9034 | 3.86E-12 | |||
| 殘差 | 17 | 2.26973 | 0.133514 | |||||
| 總計 | 18 | 41.24279 | ||||||
| 係數 | 標準誤差 | t 統計量 | P 值 | 95% 下限 | 95% 上限 | 95.0% 下限 | 95.0% 上限 | |
| 截距 | -390.539 | 22.87469 | -17.073 | 3.91E-12 | -438.801 | -342.278 | -438.801 | -342.278 |
| X 變數 1 | 0.204734 | 0.011983 | 17.08518 | 3.86E-12 | 0.179452 | 0.230016 | 0.179452 | 0.230016 |
西弗吉尼亞州 1894 年至 1920 年期間的有軌電車軌道實際里程來自麥格勞電力鐵路清單和美國鐵路投資雜誌，這些雜誌詳細記錄了各家公司和城市運營的軌道里程。資料來源旨在為投資者提供有關有軌電車運營的全面概述，以便他們能夠做出明智的投資決策。該來源已有百年曆史，是 Google 數字化全球書籍專案中已掃描成數字副本的眾多歷史書籍之一。某些資料丟失或不正確。例如，由於掃描錯誤或書籍隨時間推移而自然老化，一些頁面無法辨認。大部分資料收集是利用從光學字元識別建立的代表書籍的 txt 檔案完成的。txt 檔案中沒有正確展示幾個資料點，這些資料點已透過相鄰年份資料點填充或透過線性插值確定。儘管如此，有軌電車軌道實際里程資料已經過清理和修改，以達到最高且最現實的精度。
透過曲線擬合過程，發現西弗吉尼亞州的軌道里程最大值為 580 英里，該值最能代表資料，產生最高的 R 平方值，並使曲線截距和斜率的 t 統計量最大化。雖然資料顯示峰值為 560 英里，但很難確定這是區域性峰值還是標誌著西弗吉尼亞州有軌電車時代的結束。人們普遍認為，西弗吉尼亞州最後一輛有軌電車於 1937 年運營，因此假設有軌電車生命週期的峰值出現在 20 世紀 20 年代中期，正如曲線所示。
正如 S 形曲線所示，有軌電車在 1890 年誕生，1900 年至 1915 年期間快速增長，1915 年後進入成熟期。
21 世紀，世界各地許多城市都在經歷著有軌電車（更常被稱為電車或輕軌）的復興，這是對日益嚴重的交通擁堵的回應。雖然有明顯的區別使該系統比早期的系統更有效。與早期時代的政策相比，現代交通政策由專門的交通政府部門管理。圍繞電車運營的新政策包括專用路權安排和道路上的優先待遇。電力是新的石油 - 電車一直使用電力。無軌電車概念已在一些城市被提出並進行了測試。鋰離子電池技術的進步使電池供電的無軌電車運營成為可能。這種模式具有成本優勢，因為它們沒有與架空線路和軌道鋪設相關的初始資本支出要求。這是將技術創新整合到改進舊系統有效性和價值的另一個例子。
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