運輸部署案例集/2023/薩斯喀徹溫省鐵路
薩斯喀徹溫省是加拿大西部的一個省份，截至 2020 年，估計人口為 1,205,119 人。歷史上，這裡的人們主要以農業為生。鐵路的出現促進了該地區農業文明的發展，並將該地區在地域上與加拿大和美國其他地區連線起來。在本例中，透過關注鐵路交通的生命週期，可以考察制定運輸政策和解決這些問題的難題。
在軌道上運輸人員和貨物的有輪車輛被稱為鐵路，機車和車廂由軌道引導。大多數現代車輪和軌道由金屬製成。由於金屬車輪通常比橡膠輪胎的車輪摩擦阻力小，因此鐵路運輸中通常有多於兩套車廂。執行時，蒸汽機或柴油機提供動力。
鐵路是現代時代的主導技術，也是現代化發展和保證的代表。
首先，它可以更快、更經濟地運輸人員和貨物。根據 Withuhn（2019 年）的說法，隨著 19 世紀鐵路網路在北美的擴張，每英里的運輸價格下降了十倍，運輸速度提高了十倍。在繁榮時期，鐵路僱傭了 200 萬人。此外，幾乎所有工業、採礦和農業活動都依賴鐵路系統。在接下來的近 100 年裡，它成為重要的國家經濟指標指標。
鐵路對於個人和職業旅行、商品銷售、配送和郵件都必不可少。人們可以及時享受到來自遙遠地方的物品，並鼓勵人與人之間的交流。即使在跨國界的情況下，區域聯絡也變得更加密切。除了促進社會聯絡外，鐵路還促進了文化交流。長時間的火車旅程催生了新的文學體裁和廣告形式。
作為現代世界的象徵，鐵路的重要性在於它有效地融合了裝置、勞動力、建築物、資本、運輸和決策工具。
股票、複雜的官僚機構和多項程式表明，鐵路是政治和社會層面推動運輸系統發展的動力。此外，由於其網路化特性，城市化、郊區化、國家建設、殖民地開拓和全球資本主義得以實現。
作為實體，鐵路網路對一個國家有著牢牢的掌控。Revill（2013 年）聲稱，鐵路充當了一種空間獨裁，企業追逐利潤是一種帶有剝削和強制特徵的封建制度。例如，美國 1867 年的格蘭奇運動提供了農民與鐵路之間的鬥爭以及領土壟斷的範圍和重要性的證據。鐵路依靠人民在移民、經濟和市場方面提供支援。人們普遍認為，薩斯喀徹溫省 1896 年的小麥繁榮依賴於鐵路系統的擴張。
在薩斯喀徹溫省，在鐵路修建之前，小徑和水道是主要的交通方式。薩斯喀徹溫河及其支流等水道被廣泛使用，並透過獨木舟和汽船進行運輸。
小徑為薩斯喀徹溫省提供了另一種移動方式，通常包括土著路徑、野牛小徑和探險家小徑。馬和牛被用作“發動機”，並與手推車、馬車和拖車連線，用於運輸。
自然條件：薩斯喀徹溫省的天氣比較極端（阿爾伯塔鐵路地圖集，未註明日期）。它位於高緯度地區，靠近大陸中部，遠離海洋的潮溼和調節影響。因此，乾旱的夏季可能會限制水道上的交通，而寒冷的冬季會導致河流結冰。
承載能力低：由於空間限制，船舶的貨物數量有限。馬車和手推車的尺寸也受到道路大小和距離的限制。
隨著時間推移以及科學技術的進步，鐵路機車型別被劃分為三類，包括蒸汽機、內燃機和電力機車。
蒸汽機車由三個基本部分組成：鍋爐、發動機和車廂（G.D. Dempsey C.E & C.E，2015）。它們的功能分別是產生動力，將動力轉化為牽引力，以及分別運輸貨物和人員。機器由蒸汽驅動，蒸汽在機器內部產生，並經常注入水和燃料。當水變成蒸汽並顯著膨脹時，該過程提供了可用的能量。因此，設計的目標是從儘可能小的機器中獲得儘可能多的動力。最後一部分 - 車廂，包括車架和車輪 - 為工作和執行提供穩定的條件。
內燃機車以燃料為動力產生旋轉動力，並將其傳遞到車輪。隨著生產力和需求的增加，蒸汽機無法產生足夠的動力。這導致了內燃機的誕生。內燃機的優點包括
- 高效率：是指燃料能量中轉移到方向盤以外執行的勞動力的百分比。內燃機車達到 25% 的效率，而蒸汽機僅達到 8%（Franco & P. Labryn，2013）。
- 成本降低：由於內燃機不需要預熱機器，因此在燃料和勞動力方面節省了成本。
- 不消耗水：在水資源有限的國家，購買水可能是一筆額外開銷。
- 長途旅行的潛力：蒸汽機產生的動力的侷限性使其無法行駛超過 300 公里。
電動機車，由電力驅動，透過導體沿軌道行駛。電動機車得益於高效率，能量浪費更少。由於沒有發動機或排氣管，電動機車執行時機械噪音更小。它們產生短期峰值功率以實現快速加速，因此適用於短途通勤。此外，可以使用可再生能源或低碳能源進行供電，例如太陽能和風能。
首先，技術進步是鐵路發展的前提。自第一次工業革命以來，生產力大幅提高。第一臺蒸汽機車是由理查德·特里維西剋制造的，經過多次改進後，它在商業用途上變得經濟可行。
其次是加強區域連線。尚普蘭聖勞倫斯鐵路（C&SL）是一條省內鐵路，是 1836 年加拿大第一條鐵路。當時，連線大陸上的主要經濟中心一直是鐵路的主要責任之一。
鐵路和農業的增長是相互依存的，正如小麥熱潮所表明的那樣。鐵路的擴充套件增加了運輸產品的可能性，這推動了農業的擴充套件。
阿薩巴斯卡、長湖和薩斯喀徹溫鐵路 (QLLS) 於 1882 年開始運營，是薩斯喀徹溫省的第一條鐵路。聯邦政府將這條鐵路作為連線加拿大東西部（從里賈納到王子阿爾伯特，並有一條支線通往卡爾頓堡）的橫貫鐵路的一部分。由於取得了財務上的成功，加拿大太平洋鐵路 (CPR) 最終於 1885 年接管了 QLLS。CPR 延長了這條路線，並將軌距從窄軌改為標準軌，在橫貫鐵路網路中發揮了重要作用。加拿大北方鐵路公司 (CNR) 成立於 1891 年，並開始在加拿大西部，包括薩斯喀徹溫省建造鐵路。
當時，加拿大議會頒佈了《1881 年加拿大太平洋鐵路法》。由於需要大量的資金和人力，該法案成為了為 CPR 建造太平洋鐵路的法律基礎。《1881 年加拿大太平洋鐵路法》規定，為了幫助鐵路建設，政府將為 CPR 提供一大塊土地、經濟資助和優惠的稅收待遇。此外，政府還提出了其他要求，包括建設和服務的期限。透過這項法案，政府為國家鐵路的建設提供了強有力的支援，也促進了加拿大經濟和民族團結。
大幹線太平洋鐵路 (GTP) 的主線於 1910 年完工，開通了第二條橫貫薩斯喀徹溫省的橫貫鐵路路線。兩年後，薩斯喀徹溫穀物種植者協會由政府成立，旨在為農民爭取更優惠的鐵路運費和服務。薩斯卡通市政鐵路是該省第一條城市鐵路，於 1913 年開始運營有軌電車系統。CPR 在 1923 年至 1931 年間建造的 2,266 英里鐵軌中，超過十分之一位於薩斯喀徹溫省的草原上。
雖然議會從未實施任何直接影響收費的立法，但在運輸方面，加拿大西部糧食出口的運費至關重要。原因可能是，二戰結束後，由於加拿大開發了礦產、林業和漁業資源，對小麥的整體依賴下降。小麥是薩斯喀徹溫省的經濟支柱，受鐵路收費的影響較小。
儘管如此，在公共部門和私營部門之間存在衝突的情況下，CPR、農民和政府之間仍然存在關於鐵路費用的分歧和爭議。例如，加拿大政府對運往東部的小麥作物出口實施了《克勞斯內斯特費率》。鐵路運營成本上升和新的關稅意味著 CPR 面臨著收入損失（Currie，1967），而農民則必須支付運費。儘管《克勞斯內斯特費率》於 1919 年被取消，但在經濟大蕭條時期，西部農民要求降低火車票價和改善服務，尤其是在經濟大蕭條時期。直到 1933 年，聯邦政府才成立了加拿大小麥委員會。
在接下來的二三十年裡，直到 1950 年代，鐵路行業一直在發展。隨著汽車和卡車行業的興起，鐵路行業開始衰落。在薩斯喀徹溫省，幾乎在最後一條線路建成後，鐵路支線就開始消失。加拿大國家鐵路公司 (CNR) 和加拿大太平洋鐵路公司 (CPR) 都聲稱，運營依賴穀物的幾條支線是虧損的專案。聯邦政府成立了羅伯遜委員會，允許鐵路公司砍掉所有 525 英里（845 公里）昂貴的支線。在接下來的五年中，超過 1,450 英里（2,333 公里）的支線被廢棄，其中一半的廢棄發生在薩斯喀徹溫省。
此外，還存在工會和就業問題。19 世紀 60 年代，鐵路兄弟會成立，代表工人們的利益。1883 年 6 月和 12 月的罷工是由流動營地中惡劣的生活和工作條件、低收入以及高強度的工作要求造成的。此外，加拿大歷史上最大的罷工發生在 1950 年，當時 130,000 名鐵路員工對 CPR 和 CNR 進行了罷工。
1995 年，鐵路系統的建設出現了新的變化。為了為薩斯喀徹溫省北部農村村莊和資源開發專案提供鐵路連線，哈德遜灣鐵路開始運營。世界範圍內也出現了鐵路復興的跡象。在升級鐵路基礎設施方面，特別是修建高速鐵路方面，已經投入了大量資金。由於航空網路高容量和公路網路擁堵，火車更具競爭力。此外，隨著燃料價格上漲和全球變暖，鐵路投資成為降低二氧化碳排放的工具。鐵路的重塑為擁有成熟城市化的城市提供了機遇。
根據加拿大統計局提供的資料，鐵路行業年終運營軌道長度，三引數邏輯函式的估計如下。
三引數S型曲線邏輯函式
S(t) = Smax/[1+exp(-b(t-ti)]
其中，
S(t) = 狀態測量值（運營軌道長度，單位公里）
t = 時間（單位年）
t 0 = 拐點時間（獲得一半S max的年份）
S max = 飽和水平（運營軌道長度最大值，單位公里）
b = 待估係數。
普通最小二乘迴歸
Y = bX + c
其中，
Y = LN(length/(K-length)),
X=年份。
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首先，從近200年的資料中選擇最大值，即1974年的96958公里。在此基礎上，我們將S max增加到100000公里，並以每次10000公里的增量進行20次迭代。最後，計算y值。在20次迭代中，選擇RSQ值最大且模型擬合度最佳的模型。根據該值計算預測的變化曲線。結果如下所示。
從圖表中可以清楚地看到，20世紀前二十年鐵路快速增長。隨後，它經歷了半個多世紀的成熟期，並逐漸下降，直到2020年。這與預期曲線略有不同。
加拿大定量分析由於缺乏薩斯喀徹溫省的資料，無法展示鐵路的生命週期。然而，附錄中也說明了現有資料。
- 艾伯塔鐵路地圖集。 （無日期）。 *艾伯塔鐵路地圖集 - 加拿大太平洋鐵路*。 Railways.library.ualberta.ca。https://railways.library.ualberta.ca/Chapters-7-1/
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加拿大年底運營的鐵路行業軌道長度。(1835-2020)
| 加拿大 | 日期 - 自變數 | 結果計算 |
| 運營軌道長度 | S(t) = S_{max}/[1+exp(-b(t-t_i)] | |
| 年份 | 公里 | 公里 |
| 1836 | 26 | 1042 |
| 1837 | 26 | 1088 |
| 1838 | 26 | 1135 |
| 1839 | 26 | 1185 |
| 1840 | 26 | 1236 |
| 1841 | 26 | 1290 |
| 1842 | 26 | 1346 |
| 1843 | 26 | 1405 |
| 1844 | 26 | 1466 |
| 1845 | 26 | 1530 |
| 1846 | 26 | 1596 |
| 1847 | 87 | 1666 |
| 1848 | 87 | 1738 |
| 1849 | 87 | 1813 |
| 1850 | 106 | 1892 |
| 1851 | 256 | 1974 |
| 1852 | 330 | 2059 |
| 1853 | 814 | 2148 |
| 1854 | 1230 | 2241 |
| 1855 | 1411 | 2338 |
| 1856 | 2276 | 2439 |
| 1857 | 2324 | 2544 |
| 1858 | 3006 | 2653 |
| 1859 | 3209 | 2767 |
| 1860 | 3323 | 2886 |
| 1861 | 3454 | 3010 |
| 1862 | 3523 | 3139 |
| 1863 | 3523 | 3273 |
| 1864 | 3523 | 3413 |
| 1865 | 3605 | 3559 |
| 1866 | 3666 | 3710 |
| 1867 | 3666 | 3868 |
| 1868 | 3666 | 4032 |
| 1869 | 4062 | 4203 |
| 1870 | 4212 | 4381 |
| 1871 | 4337 | 4567 |
| 1872 | 4665 | 4759 |
| 1873 | 6167 | 4960 |
| 1874 | 6970 | 5168 |
| 1875 | 7731 | 5385 |
| 1876 | 8398 | 5610 |
| 1877 | 9305 | 5844 |
| 1878 | 10020 | 6088 |
| 1879 | 11037 | 6341 |
| 1880 | 11578 | 6604 |
| 1881 | 11798 | 6877 |
| 1882 | 13996 | 7160 |
| 1883 | 15413 | 7454 |
| 1884 | 16533 | 7760 |
| 1885 | 17337 | 8077 |
| 1886 | 18979 | 8406 |
| 1887 | 19608 | 8747 |
| 1888 | 20254 | 9101 |
| 1889 | 20254 | 9468 |
| 1890 | 21164 | 9848 |
| 1891 | 22270 | 10242 |
| 1892 | 23438 | 10650 |
| 1893 | 25758 | 11072 |
| 1894 | 25149 | 11509 |
| 1895 | 25712 | 11961 |
| 1896 | 26184 | 12429 |
| 1897 | 26635 | 12913 |
| 1898 | 27150 | 13413 |
| 1899 | 27761 | 13929 |
| 1900 | 28416 | 14463 |
| 1901 | 30117 | 15014 |
| 1902 | 30117 | 15582 |
| 1903 | 30558 | 16168 |
| 1904 | 31271 | 16772 |
| 1905 | 32971 | 17395 |
| 1906 | 34364 | 18036 |
| 1907 | 36133 | 18696 |
| 1908 | 36960 | 19375 |
| 1909 | 38792 | 20074 |
| 1910 | 39801 | 20792 |
| 1911 | 40877 | 21529 |
| 1912 | 43013 | 22286 |
| 1913 | 47160 | 23063 |
| 1914 | 49560 | 23859 |
| 1915 | 57257 | 24675 |
| 1916 | 60244 | 25511 |
| 1917 | 62127 | 26366 |
| 1918 | 81497 | 27241 |
| 1919 | 81457 | 28135 |
| 1920 | 83013 | 29048 |
| 1921 | 83935 | 29980 |
| 1922 | 83461 | 30930 |
| 1923 | 83583 | 31898 |
| 1924 | 84800 | 32884 |
| 1925 | 87066 | 33888 |
| 1926 | 87354 | 34908 |
| 1927 | 88058 | 35944 |
| 1928 | 89246 | 36996 |
| 1929 | 89911 | 38063 |
| 1930 | 91156 | 39144 |
| 1931 | 91585 | 40239 |
| 1932 | 91831 | 41346 |
| 1933 | 91216 | 42465 |
| 1934 | 90959 | 43596 |
| 1935 | 92008 | 44736 |
| 1936 | 91237 | 45886 |
| 1937 | 91467 | 47044 |
| 1938 | 91346 | 48210 |
| 1939 | 91090 | 49381 |
| 1940 | 91016 | 50558 |
| 1941 | 91251 | 51739 |
| 1942 | 91063 | 52922 |
| 1943 | 91451 | 54108 |
| 1944 | 91554 | 55295 |
| 1945 | 90223 | 56481 |
| 1946 | 91741 | 57666 |
| 1947 | 91815 | 58848 |
| 1948 | 91741 | 60027 |
| 1949 | 93075 | 61201 |
| 1950 | 93337 | 62370 |
| 1951 | 93583 | 63532 |
| 1952 | 93810 | 64686 |
| 1953 | 94460 | 65831 |
| 1954 | 94565 | 66967 |
| 1955 | 95458 | 68092 |
| 1956 | 96287 | 69205 |
| 1957 | 95107 | 70307 |
| 1958 | 95465 | 71395 |
| 1959 | 95585 | 72469 |
| 1960 | 95262 | 73528 |
| 1961 | 94600 | 74572 |
| 1962 | 94563 | 75601 |
| 1963 | 94164 | 76613 |
| 1964 | 94055 | 77607 |
| 1965 | 93989 | 78585 |
| 1966 | 93825 | 79544 |
| 1967 | 94195 | 80485 |
| 1968 | 94401 | 81408 |
| 1969 | 95135 | 82311 |
| 1970 | 95964 | 83196 |
| 1971 | 96094 | 84061 |
| 1972 | 96620 | 84907 |
| 1973 | 96957 | 85732 |
| 1974 | 96958 | 86539 |
| 1975 | 96633 | 87325 |
| 1976 | 96521 | 88092 |
| 1977 | 96052 | 88840 |
| 1978 | 95382 | 89567 |
| 1979 | 94263 | 90275 |
| 1980 | 93723 | 90964 |
| 1981 | 92356 | 91634 |
| 1982 | 91218 | 92285 |
| 1983 | 90347 | 92917 |
| 1984 | 87514 | 93530 |
| 1985 | 86429 | 94125 |
| 1986 | 86090 | 94703 |
| 1987 | 85830 | 95262 |
| 1988 | 85853 | 95804 |
| 1989 | 82712 | 96329 |
| 1990 | 82737 | 96837 |
| 1991 | 81638 | 97329 |
| 1992 | 80589 | 97805 |
| 1993 | 78547 | 98265 |
| 1994 | 78453 | 98710 |
| 1995 | 77422 | 99140 |
| 1996 | 77390 | 99555 |
| 1997 | 76063 | 99956 |
| 1998 | 74530 | 100343 |
| 1999 | 74052 | 100716 |
| 2000 | 74412 | 101076 |
| 2001 | 73821 | 101424 |
| 2002 | 73186 | 101759 |
| 2003 | 71920 | 102082 |
| 2004 | 72048 | 102393 |
| 2005 | 72367 | 102693 |
| 2006 | 71878 | 102982 |
| 2007 | 71754 | 103260 |
| 2008 | 70230 | 103528 |
| 2009 | 67537 | 103786 |
| 2010 | 66312 | 104034 |
| 2011 | 64218 | 104273 |
| 2012 | 63106 | 104503 |
| 2013 | 62341 | 104724 |
| 2014 | 62307 | 104936 |
| 2015 | 63567 | 105141 |
| 2016 | 61856 | 105337 |
| 2017 | 61859 | 105526 |
| 2018 | 63050 | 105708 |
| 2019 | 64878 | 105882 |
| 2020 | 67114 | 106050 |
