運輸部署案例集/2024/單軌鐵路

簡介

單軌鐵路是一種軌道交通系統，其用於移動車輛的軌道是一條單一的、連續的線路。它們的工作原理與傳統的重型鐵路或電車系統類似，透過預定的軌道運輸車輛，但可以高架於現有基礎設施之上，並且與前兩種選擇相比佔用空間相對較小，因此更適合在人口稠密的地區（如城市）進行運輸。因此，它們作為一種公共交通系統具有一些理想的特性，作為高架交通網路，它們獨立於道路網路，道路網路自然會被汽車和公共汽車佔用，並提供當地區域的高架景觀，這對遊客參觀城市很有益處。

單軌鐵路的歷史很難正確分類，因為該術語已被交替用於各種不同的運輸方式。顧名思義，該術語通常用於描述僅使用一根主樑的鐵路系統，歷史設計可能與在鐵軌上保持平衡的腳踏車有關，而現代設計則涉及一個跨越雙緣金屬梁以獲得支撐的車廂。

兩種最常見的現代設計在車廂相對於引導車輪的軌道的方位上有所不同，要麼是騎在上面，要麼是懸掛在下面。現代設計由電力驅動，電力來自其執行的軌道，儘管較老的設計使用蒸汽、煤炭甚至馬匹作為動力。單軌鐵路用途廣泛，從較小的運營（如在主題公園或機場內移動乘客）到有時跨越較小城市的較大區域。

單軌鐵路之前

在發明單軌鐵路之前，傳統的雙軌火車被用作替代。它們最初的目的是作為一種更便宜的方式，在新建城市之間陸路運輸貨物，將資源從港口運往更內陸的地區，或將礦山的產品運回城市或港口進行貿易。由於單軌鐵路自然只需要一根梁，因此它們通常被認為是一種更便宜的替代方案，儘管可能不太穩定。另一個優勢是，與傳統、笨重的火車車廂相比，它們在山區地形上稍微更容易建造，因為它們更薄，需要的空間更少，這使得它們更適合在原始城市尋求進一步向內陸擴張時，沿著崎嶇的未開發地形進行較短距離的貨物運輸。

早期設計與單軌鐵路的歷史

切申特鐵路通常被認為是首個載客單軌鐵路的例項。車廂的設計基於亨利·羅賓遜·帕爾默 1821 年的專利，他設想了一種在單一高架軌道線上自行平衡的車廂。車廂將懸掛在中心軌道的兩側，使得重心低於軌道。多年來，單軌鐵路的設計都由馬匹提供動力，直到 1876 年萊羅伊·斯通將軍在費城百年博覽會上設計出蒸汽機車，單軌鐵路才開始使用蒸汽機。

在其存在早期歷史上，單軌鐵路通常並非以運送乘客為目標，但一些仍然用於客運。一個著名的例子是利斯托韋爾和巴利班尼恩鐵路，該鐵路從愛爾蘭港口城市巴利班尼恩通往內陸市場城鎮利斯托韋爾。車廂設計類似於帕爾默的設計，其中兩節車廂必須在兩側保持平衡才能使系統移動。儘管存在此缺陷，但它在許多年裡仍然取得成功，因為它是英倫三島上大部分運營時間內（從 1888 年到 1924 年）唯一的載客單軌鐵路服務，直到由於運營成本不斷增加以及道路網路的競爭而停運。

仍在運營的最古老的單軌鐵路建於 1901 年的德國，由歐根·朗根建造，即伍珀塔爾的懸掛式單軌鐵路。作為一種懸掛式鐵路，它與十多年前展示的埃諾斯電力鐵路有些相似，但尚未確認直接聯絡。單軌鐵路的技術進步直到 20 世紀初，單軌鐵路的通用設計並沒有偏離帕爾默的原始設計太遠，該設計實際上是在單軌上保持平衡的腳踏車。然而，在此之後，一些人開始對這一理念進行創新，創造了跨座式單軌鐵路，現代單軌鐵路至今仍在使用。跨座式與帕爾默的原始設計不同，它不是在軌道上行駛的單個車輪，而是多個車輪都沿著 I 形梁移動，有效地“跨過”中心梁，從而與原始設計相比大大提高了安全性和可靠性。

路易斯·布倫南在 1903 年建立並隨後獲得專利的第三種單軌鐵路概念。一種透過使用陀螺儀保持直立的單軌鐵路。雖然該設計被證明是成功的，即使所有乘客都坐在一側，車廂也能保持直立，但由於人們擔心需要一個正常工作的陀螺儀，因此從未超過測試和原型階段。如果它發生故障，那麼整個車廂及其所有乘客都會翻倒，因此布倫南的設計從未超過測試階段，也從未用於實際運輸目的。

單軌鐵路的侷限性

儘管單軌鐵路在降低成本方面具有優勢，但在其早期歷史上並沒有得到廣泛應用，即使在現在，與重型鐵路或電車相比，它們也相對不受歡迎。由於相對不可靠，工人們經常在較長距離上恢復使用經典的雙軌系統，事實上，現代單軌鐵路系統的長度不超過 100 公里，因為在這一點上，傳統鐵路系統將更可取，因為它們由於其穩定性而往往能夠更快地行駛。

在現代，三個主要問題影響了單軌鐵路作為主要交通方式的廣泛採用。主要問題是成本，因為單軌鐵路需要高架網路才能執行，在道路網路上方建造長距離連線的成本很高，與維護現有道路或在地面上建造電車軌道相比，成本大幅增加。由於單軌鐵路的連線方式，它通常需要獨立於現有系統的專用軌道工程，這大大增加了成本。

第二個問題是軌道交叉問題，現代城市中使用的跨座式單軌鐵路不允許輕鬆地改變線路，因為車輛必須始終與軌道保持接觸。為單軌鐵路改變線路的專用區域是可能的，但這是一個緩慢的過程，並且建造和維護的成本可能很高。

最後，現代西方城市的總體城市規劃抑制了單軌鐵路的有效性。單軌鐵路通常用於短途旅行，在道路網路的交通上方行駛，但在西方城市中，它們通常計劃向郊區擴充套件，在那裡，道路網路或汽車將效率更高。

目前，單軌鐵路仍在跨城市交通中使用的主要區域是亞洲的特大城市，如中國的重慶、印度的孟買和日本的東京。這些城市使用單軌鐵路的原因是，它們比西方城市密度大得多，因此，為了容納更大的人口和更小的面積，它們通常垂直建造，這與單軌鐵路對高架結構的需求非常契合。因此，人口稠密的特大城市是世界上為數不多的單軌鐵路仍在定期使用的地方，較大的城市每天的乘客數量達到數十萬。

單軌鐵路客流量視覺化

由於單軌鐵路作為一種可行方案的應用並不廣泛，因此關於其歷史客流量和預測客流量的資料很少。以下資料使用吉隆坡單軌鐵路 2004 年至 2023 年的年度客流量統計資料來視覺化該服務的增長。

比較吉隆坡單軌鐵路 2004 年至 2023 年的預測和實際年度客流量

比較吉隆坡單軌鐵路的預測與實際年度乘客數量

年份	預測年度客流量	實際年度客流量
2004	13,291,724	10,956,675
2005	14,739,540	14,482,676
2006	16,192,226	17,380,337
2007	17,622,749	20,142,772
2008	19,005,696	21,765,233
2009	20,319,008	21,021,390
2010	21,545,229	22,108,308
2011	22,672,146	24,200,299
2012	23,692,830	24,435,931
2013	24,605,174	25,437,621
2014	25,411,107	24,303,465
2015	26,115,648	25,067,866
2016	26,725,956	24,200,299
2017	27,250,469	16,841,630
2018	27,698,190	12,594,377
2019	28,078,148	12,573,738
2020	28,399,012	7,143,534
2021	28,668,846	4,226,329
2022	28,894,970	11,496,524
2023	29,083,911	18,107,573

方法論

一項技術的近似生命週期可以用以下公式粗略表示

S(t) = S_max/[1 + e^{(-b*(t - ti))}]

在本場景中

S(t) = 在給定時間 t 時的預期年度乘客數量

t = 時間（年）

S_max = 估計的最大乘客數量

b = 估計係數

t_i = 拐點時間，達到 Smax 的一半的近似時間。

上圖是使用以下估算值得到的

S_max = 30,000,000

b = 0.194031

t_i = 2005.179

如上圖和表所示，在跟蹤資料的前幾年，預測趨勢與實際客流量相對接近，但在2017年左右，客流量急劇下降，然後在2019年隨著全球COVID-19大流行進一步暴跌。

2017年客流量下降的原因尚無法確認，但當地記者稱這是由於當時公共交通票價大幅上漲，許多市民改用汽車和私人交通工具。^[6] 隨著疫情在2022年底和2023年逐漸消退，客流量再次回升至正常水平，並逐漸接近估計趨勢。由於年度客流量大幅下降，該圖尚未達到成熟點和不可避免的下降點，儘管如果未來沒有發生重大客流量損失，這種情況將會發生。