交通部署案例集/2023/墨爾本

有軌電車基礎

概述和技術

有軌電車是一種早期的鐵路交通形式，其基本原理是在街道上鋪設的軌道上運輸人員和貨物。有軌電車通常由一輛或多輛車廂組成。現代的有軌電車使用由架空線路供電的電動機，或地面電源為超級電容充電，但最早的車型由馬匹牽引。蒸汽機也曾在有軌電車上進行過試驗，而纜車在 19 世紀後期曾短暫流行，主要是因為它們能夠克服陡峭的坡度。現代的有軌電車有車輪，沿著嵌入路面並幾乎完全位於城市中的凹槽軌道行駛。

有軌電車是最早的快速公共交通方式之一，能夠以定期頻繁的時間間隔運送大量人群。這使得它們特別適合連線市中心郊區和將通勤者連線到中央商務區。1835 年，托馬斯·達文波特開始了對電力鐵路的實驗，當時蒸汽火車開始起飛。最初的大多數電力機車由於電機效率低下和負載過重而無法正常工作。達文波特的電機包含一個小型電機，帶有定子和轉子繞組，由電化學電池供電。第一輛全尺寸機車由羅伯特·戴維森於 1837 年設計，並使用了一個雙電磁定子和一個三凸極轉子。電池在有軌電車初始開發中是一個問題，它們笨重且不可重複使用。需要新的電動機技術的創新來證明電力有軌電車的可行性，而這種創新以機電直流發電機形式出現。電池被更便宜的能源（如煤炭）所取代，而維爾納·西門子在 1867 年提出的可逆性原理為開發更高效的電動機奠定了基礎。

西門子還對架空雙極線進行了實驗，利用它們為他的無軌汽車（Electromote）供電，該汽車於 1882 年首次亮相，隨後在柏林附近的一條電車線上進行測試。或者，可以在另外兩條軌道之間在地面上放置第三條軌道以提供電力，例如北愛爾蘭的巨人堤道電車。這條電車嘗試使用 290-360V 的高電壓，但在電死一名騎腳踏車的人後，電壓被降低了。需要提高電壓容量以提高有軌電車的效能，但像這樣的事故最終突出了安全政策的必要性，例如維多利亞州現有的《2006 年鐵路安全法》。

19 世紀，電力有軌電車的理想電源尚不清楚。電池曾在巴黎進行測試，原因是出於美觀考慮，在澳大利亞，本迪戈對電池供電的有軌電車進行了試驗，但都證明不成功。1884 年，J.C 亨利開發並測試了一種架空接觸網，使有軌電車能夠在更高的電壓下執行。一年後，範德波勒發明了一種彈簧式集電弓，以確保與架空線路牢固連線以收集電流。帶固定電刷的電機的創新提高了安全性和效率，而弓形集電器的開發則改善了與架空線路的電氣接觸。地面電源系統出現得比較晚，如今在世界各地的許多有軌電車系統中使用，包括悉尼輕軌。

它們比馬車更容易獲得，而且比重軌更便宜，侵入性也更低。而且可以很容易地部署到許多地區。它們產生的排放量也低於公共汽車，並且可以容納更多人。歷史上，它們主要用於城市或山坡。

有軌電車出現之前的墨爾本

在有軌電車出現之前，墨爾本主要的交通方式包括步行、馬車和船隻。該市位於亞拉河畔，毗鄰菲利普港灣，但幾乎沒有運河網路，而且規劃、建設、採購和運營重軌線路的成本和流程都很高，因此需要一種替代馬車的大眾交通方式。這尤其重要，因為與當時許多其他主要城市一樣，墨爾本的工業革命導致人口和工業迅速增長。道路網路和收費站早在 1840 年代就已建立，為菲利普港灣以南的墨爾本港碼頭以及亞拉河沿岸提供服務，但當時汽車交通的興起還很遙遠。

隨著蒸汽火車在英國和美國日益普及，墨爾本決定在 19 世紀中期首次引進這項技術。火車改變了貨物的運輸方式和貿易的開展方式，但正如前面提到的，建設新線路並非廉價或容易的過程。儘管如此，鐵路運輸的優勢仍然得到了充分的認可，人們對尋找實現這些優勢的其他方法產生了興趣，這最終導致了馬車有軌電車的誕生。馬力運輸也有其侷限性。其中包括馬匹需要持續照料，只有在天氣允許的情況下才能行駛，顛簸的乘坐體驗，低速限制以及難以克服陡峭坡度等問題。

墨爾本的有軌電車

誕生

1884 年，最初的馬車有軌電車迅速發展成為一個 75 公里的纜車網路，當時是世界上最大的纜車網路之一。這之所以成為可能，是因為在獲得鋪設電車軌道通行權方面缺乏政策。與重軌不同，道路所有者可以在他們想要的任何地方鋪設軌道，因為無需購買土地或建設運輸走廊。公司仍然需要政府批准才能建設電車線，例如 1883 年透過的《墨爾本電車與公共汽車公司法》，該法案允許墨爾本電車與公共汽車公司運營纜車系統。由於某些線路原本設計為馬車牽引，因此這些線路位於系統的邊緣，而中央系統由纜車運營。然而，電力有軌電車的日益普及導致從 1924 年開始將纜車網路改造成架空線路供電的有軌電車。纜車是一個利基市場，因為世界其他大部分地區正迅速轉向架空線路或地面電源供電的有軌電車。

墨爾本的第一條電車線路於 1889 年開通，連線 Box Hill 和 Doncaster。新任州長 Thomas Bent 意識到這條線路的潛力，並協助獲得了相關立法。這條 3.6 公里的線路最初取得了成功，但由於聯合電力公司合同的到期，導致了技術、法律和財務方面的困難，最終在 1896 年關閉了這條電車線路，但這並沒有阻礙其經濟潛力的實現。^[5]

墨爾本第二次嘗試建立電車線路始於 1906 年 St Kilda 至 Brighton 電車線路的開通，該線路由維多利亞鐵路公司運營。^[6]隨後，北墨爾本電車照明公司在 Flemington Bridge 至 Essendon 和 Saltwater River 之間開通了兩條線路。公眾對這一發展表示了強烈的支援。1919 年，VR 從 Sandringham 開通了第二條線路，通往 Black Rock。^[4]

增長

這些電車線路啟動了墨爾本的電車行業，導致眾多獨立的電車信託公司成立，這些公司負責在其各自的地區擴充套件、管理和運營墨爾本快速發展的電車網路。早期信託公司包括 Prahran & Malvern Tramway Trust、Hawthorn Tramway Trust、Melbourne Brunswick and Coburg Tramway Trust 以及 Fitzroy Northcote and Preston Tramways Trust。這些信託公司獲得了授權，使其能夠在其管轄範圍內建造電車線路。^[4]

墨爾本都會電車委員會 (MMTB) 於 1919 年接管了纜車網路。^[7]在此期間，公共汽車開始成為其他城市的一種流行交通方式。然而，墨爾本的共識是，由架空線供電的電車是最佳的解決方案，因此保留了電車系統。其他有助於墨爾本電車網路發展的因素包括：與公共汽車和汽車相比，電車排放量更低；城市郊區的寬闊街道佈局；拆除電車網路的高財務風險；以及對電動交通投資的潛在回報。^[1][3]

最後一輛纜車於 1940 年執行。^[7]電車網路在二戰期間盈利增長，1945 年達到頂峰，年客流量達到 2.941 億人次。^[8]委員會多次升級車隊類別，例如 W 類車，以解決運營和維護問題。^[4]

衰退

二戰後，許多電車被公共汽車取代。在悉尼，曾經規模比墨爾本更大的電車網路被完全拆除，為這種很有前景的新技術讓路。墨爾本的電車年乘客量在此期間穩步下降，到 1980 年降至 9890 萬人次，^[8]20 年內沒有電車線路的延伸。另一個影響這一下降的因素是私家車的增多。然而，公共汽車的普及率從未提高，電車網路依然完好無損，因為工會反對拆除電車網路，這為電車網路的重新發展提供了可能。^[3]

成熟

新的管理機構 MTA 於 1990 年代初成立，^[9]旨在振興墨爾本的公共交通網路。鐵路、公共汽車和電車實現了整合，新技術提高了通訊和可靠性。最終，根據 1989 年《交通法》，所有鐵路都被置於一個機構之下，即公共交通公司 (PTC)，^[9][10]但它們仍然面臨著財務和政治方面的困難，直到 1999 年私有化後，電車網路才開始成熟。^[11]

該網路被拆分為兩部分，並出售給私人公司，這些公司最初也遇到了財務困難，並且沒有達到預計的客流量增長。^[11]政府提供了激勵措施和額外補貼來留住這些公司，但最終有一家公司退出了。這導致一家公司 Yarra Trams 在 2000 年代初接管了整個系統。^[12]州政府與私人運營商之間的合同意味著系統得到了擴充套件和現代化。增加了更多站點和機車車輛，乘客量開始緩慢但穩步增長。^[8]大約在這個時候，電子售票系統也開始使用，符合《交通法規》的政策，^[13]MyKi 售票系統至今仍在使用。

維多利亞公共交通局 (PTV) 是目前的法律機構。《殘疾歧視法》等交通立法^[14]導致人們關注提高電車的無障礙性，計劃引入更多低地板電車和無障礙站臺。這是因為研究表明，70% 的殘疾人口僅能使用 22% 的無障礙電車。^[14]

如今，墨爾本的電車網路是世界上規模最大的電車網路，擁有超過 250 公里的軌道，24 條線路，每年有 2 億乘客（不包括受新冠肺炎影響的年份）。^[15]它是墨爾本第二大交通方式，在旅遊業中發揮著重要作用。諸如城市中的免費電車區域等激勵措施吸引了遊客，並鼓勵人們使用電車，該網路還在澳大利亞網球公開賽、澳大利亞大獎賽以及墨爾本公園綜合體育場舉辦的體育賽事等重大國內和國際活動中發揮著重要的交通作用。研究表明，電車實際上有助於減少墨爾本的整體交通擁堵（儘管對交通流量會有一些負面影響），這進一步增加了電車網路的優勢，隨著人們對可持續發展的關注度越來越高，墨爾本的交通網路未來對電車需求量肯定會增加。^[16]

墨爾本有軌電車的生命週期

定量分析

所有交通系統都有一個生命週期。它從誕生階段開始，然後經歷成長、成熟，最終走向衰落。在本量化分析中，將使用觀察到的年度客流量資料來確定墨爾本有軌電車網路的生命週期階段。觀察到的資料來自基礎設施和交通研究經濟局（1900-2013 年）和 2013 年至 2022 年的維多利亞州政府年度報告。

表 1：觀察到的客流量資料 - 每年乘客數（百萬）

年份	乘客數（百萬/年）
1900	46.2	1910	72.5	1920	201.7	1930	206.4	1940	173.8	1950	210.1	1960	177.9	1970	110.7	1980	98.9	1990	95.6	1990	95.6	2000	129.8	2010	175.6	2020	141.8
1901		1911		1921		1931		1941		1951		1961		1971		1981	100.1	1991	107.6	1991	107.6	2001	133.9	2011	182.7	2021	60.2
1902		1912		1922		1932		1942		1952		1962		1972		1982	102.4	1992	112	1992	112	2002	137.2	2012	191.6	2022	82.9
1903		1913		1923		1933		1943		1953		1963		1973		1983	101.3	1993	100.9	1993	100.9	2003	140.6	2013	182.7
1904		1914		1924		1934		1944		1954		1964		1974		1984	102.1	1994	104	1994	104	2004	142.5	2014	176.9
1905		1915		1925		1935		1945	294.1	1955		1965		1975		1985	109.4	1995	108.6	1995	108.6	2005	145.3	2015	182.1
1906		1916		1926		1936		1946		1956		1966		1976		1986	112.4	1996	114.1	1996	114.1	2006	151.1	2016	203.8
1907		1917		1927		1937		1947		1957		1967		1977		1987	113.3	1997	115.4	1997	115.4	2007	154.9	2017	204
1908		1918		1928		1938		1948		1958		1968		1978		1988	115.6	1998	117.2	1998	117.2	2008	158.3	2018	206.3
1909		1919		1929		1939		1949		1959		1969		1979		1989	118.9	1999	121.6	1999	121.6	2009	178.1	2019	205.4

S 曲線迴歸模型

觀察到的資料被用來估計一個三引數邏輯函式。該函式模擬乘客數量，可以與觀察到的資料一起繪製以確定其準確性。

邏輯函式為

$S(t)={Smax \over [1+\exp -b(t-t_{i})]}$

其中

• S(t) 是狀態度量，（例如，行駛的乘客公里數）
• 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，（選擇你在資料中記錄的有軌電車系統最大長度）。
• b 是一個待估計的係數。

係數 b 是使用單變數線性迴歸在以下形式的模型中確定的

Y = bX + c

其中

Y=ln(乘客數/(Smax-乘客數))

X=年份

表 2：線性迴歸結果

1900-1945 年的生命週期		1980-2022 年的生命週期		1980-2019 年的生命週期		完整生命週期		1945-1980 年的生命週期
Smax（百萬）	294.1	Smax（百萬）	207	Smax（百萬）	207	Smax（百萬）	294.1	Smax（百萬）	294.1
Smax/2（百萬）	147.05	Smax/2（百萬）	103.5	Smax/2（百萬）	103.5	Smax/2（百萬）	147.05	Smax/2（百萬）	147.05
ti	1916.26	ti	1987.32	ti	1989.17	ti	1995.06	ti	1969.54
b	0.15148342	b	0.07088084	b	0.10210473	b	-0.0043159	b	-0.1902661
R 平方	0.7554077	R 平方	0.38173925	R 平方	0.68202153	R 平方	0.68262497	R 平方	0.56727543

完整生命週期

圖 1

如圖 1 中的兩個峰值所示，墨爾本有軌電車系統在其生命週期中經歷了兩個增長和成熟階段，一直持續到 2022 年。第一個峰值由 1945 年 2.941 億乘客的橙色點表示，標誌著第一個成熟階段的結束、二戰的開始以及該系統衰落的開始。第二個峰值出現在 2019 年，即新冠疫情爆發的前一年，客流量再次下降。由於這兩個下降期都由重大的世界危機引發，因此可以說該系統從未突破增長階段。然而，戰後公共汽車的引入導致 20 世紀中期有軌電車的使用率下降，而 20 世紀後期和 21 世紀初的復興表現出比 20 世紀初第一個增長階段慢得多的增長速度，在 2019 年左右趨於平穩，並顯示出成熟的跡象。

鑑於兩個不同的增長期，資料在 1980 年被分割，並對該日期之前和之後的年份分別建模。

1900-1945

圖 2

這一時期標誌著有軌電車在墨爾本的快速崛起。該系統誕生於 1900 年代，最快的增長期出現在 1916 年。該系統在 30 年代開始成熟，並在 1945 年達到頂峰，如圖 2 所示。

建模曲線是一個很好的擬合，代表了實際的生命週期趨勢，除了 1940 年的異常點。資料輸入點的數量少是建模資料圖和實際資料圖之間差異的主要原因。RSQ 值為 0.75，可以更好，但由於 294.1 是該系統達到的最大乘客數量，因此足夠接近 1，這也使其成為所有建立的曲線中最準確的曲線。

1900-1980

圖 3

圖 3 顯示了從誕生到衰落的每年乘客數量。建模曲線是一個比較好的擬合。儘管沒有匹配 1940 年代後期有軌電車乘客的快速下降，但橙色的向下曲線總體上與實際資料的走向一致。

從這個圖表可以清楚地看出，1945 年到 1980 年之間有軌電車乘客有所下降。

圖 4

1980-2022

圖 5

1980 年到 2022 年的這段時期見證了有軌電車網路的復興。雖然沒有圖 2 中的初始增長期那麼快，但乘客數量呈逐漸上升趨勢，1987 年的增長速度最快。該系統在 2010 年後似乎開始成熟，然後由於新冠疫情而迅速下降。為了使曲線更好地擬合，刪除了新冠疫情期間記錄的三個資料條目，並再次進行迴歸。結果如下面的圖 5 所示。

1980-2019

該曲線比圖 4 中的曲線擬合得稍微好一些，RSQ 值更接近 1。隨著 Smax 值的增加，RSQ 值確實會變高，但是 Smax 值為 207 提供了最佳曲線擬合。它還將最快的增長期轉移到 1989 年，曲線更快地變平，在 2010 年之前就達到了成熟階段。

結論

表 3 顯示了交通網路生命週期的各個階段以及每個階段的時間段。請注意，2019 年後受新冠疫情影響的資料未包含在內。

表 3

階段	時間段
誕生	1900-1910
增長	1910-1930
成熟	1930-1945
衰退	1945-1980
重新增長	1980-2008
成熟	2008-2019