運輸部署案例集/美國輕軌的壽命週期
輕軌是一種鐵路運輸方式，主要擁有專用路權。其設計區別於重軌，主要在於使用架空接觸網供電，而不是第三軌。輕軌也可以使用柴油驅動。大多數輕軌由多節車廂組成，每節車廂都可以在多節車廂編組中或單獨執行。輕軌系統的路權可以與地面齊平，設有平交道口，部分路權可以與街道條件下的普通交通共用。這種方式相對於重軌的優勢在於初始資本投資成本較低，線路規劃更加靈活；由於列車較短，並且能夠與地面齊平執行，而不會出現第三軌等嚴重安全隱患，暴露在公眾面前。與公共汽車服務的優勢相比，輕軌具有運量更大、速度更快、能效更高以及運營工資更低的優勢，因為一名司機可以駕駛多節車廂組成的列車1。輕軌相對於競爭對手的最大優勢之一，也是它很新，還沒有像公共汽車和一些重軌系統那樣被貼上負面標籤2。早在 1975 年就已知“……這些特點吸引了其他地面交通無法吸引的乘客”3，這種優勢多年來一直是輕軌的主要賣點，並影響了至今關於這一問題的政策。
目前，輕軌在美國的 主要市場正在全面開拓，因為已經建成了足以支援重軌運營的路線，而公共汽車服務在運量和形象方面的 問題，導致客流量低於輕軌系統。這導致輕軌成為中等城市交通系統的骨幹，以及更大、更發達城市中重軌系統的輔助系統。
在國際上，輕軌是作為地面鐵路的改進而發展起來的。倫敦在 20 世紀 80 年代將許多地上線路升級為輕軌，並建成了碼頭區線路。其他西歐城市也將其有軌電車升級為類似波士頓輕軌的系統，但並非主要線路，而是整個網路都進行了改造。莫斯科和其他東歐國家城市擁有廣泛的輕軌線路，僅列寧格勒在 20 世紀 80 年代中期就擁有超過 350 英里的線路；大約相當於整個美國的總和！亞洲國家也使用輕軌來補充地鐵系統，這些在其他國家的廣泛應用表明，高質量的輕軌系統可以很好地滿足中等城市的交通需求，併為美國提供更廣泛的系統資料，供其在 20 世紀 80 年代末和之後建設的專案學習參考。
輕軌一詞於 1972 年由美國城市大眾運輸管理局正式引入美國。雖然輕軌的誕生很難確定，因為它不是簡單地發明出來的，而是從有軌電車和城際鐵路系統的發展和改進中演變而來的。公共汽車是主要的當地交通服務，大型城市的快速服務由重軌地鐵提供，有軌電車和城際鐵路線路在少數幾個城市繼續存在並演變為輕軌本身，但輕軌系統主要都是新建的。重軌的侷限性在於，由於用於為系統供電的帶電第三軌存在危險，因此它只能在完全獨立的路權上執行；這使得這些系統極其昂貴，需要非常高的客流量才能證明投資合理性。公共汽車是另一種佔有大量市場份額的交通方式，公共汽車也有一些缺點；主要包括運量和形象問題，以及缺乏專用路權。當輕軌被引入時，私人汽車是最常見的交通工具，而洛杉磯等大多數在 20 世紀發展起來的城市，高度依賴私人汽車來滿足其地區的交通需求。這種對私人汽車的依賴和統治，導致了普遍的交通擁堵和汙染。城市交通擁堵導致了人們需要一種更高效的交通方式，而當時使用的交通方式被認為要麼不足，要麼價格過高。
這項技術與其說是一項發明，不如說是一種思想的應用以及系統和思維的演變。透過將有軌電車與與其他交通分離的跑道相結合，從而創建出更像重軌而不是有軌電車本身的系統。最初的設計只是對現有有軌電車系統的簡單升級，這些有軌電車系統購買了新的輕軌車輛，並在之前的軌道段上執行。隨著新系統的建設，混合路權減少了，規劃人員能夠最大限度地發揮技術的優勢。由此帶來的兩個最常見的變化是低地板車廂設計，以及能夠容納更長列車的車站。最近，輕軌系統也得到了發展，即使用輕軌技術建造地鐵或其他完全獨立的路權鐵路系統。這不是一個新想法，因為美國公共交通協會 1987 年關於輕軌的小冊子就宣稱它可以適應升級到重軌。輕軌系統超出了本文這一部分的範圍，因為它們在北美很少部署，在美國還沒有投入使用。
美國建造的第一條輕軌系統是聖地亞哥有軌電車。聖地亞哥需要改善其交通系統，並決定將貨運鐵路的路權用作輕軌的走廊，以合理的價格滿足該地區的需要。聖地亞哥線路和最終系統的成功，使輕軌被視為需要擴大交通網路的城市的合法交通選擇。這種成功促使其他城市效仿聖地亞哥，建立新的輕軌線路。更新的系統在設計中更加突出地考慮了美國殘疾人法案；聖地亞哥的有軌電車最初配備了類似公共汽車的設施，平臺與軌道齊平，每節車廂只有一個輪椅升降機。然而，新的系統具有無障礙踏板，而像聖地亞哥這樣的舊系統則正在翻新車站和車輛，透過抬高站臺和在車輛門上增加坡道來取代使用升降機，從而實現更高的 ADA 合規性，以及為殘疾人提供更快的登車速度。在輕軌作為交通方式的發展過程中，一直保持著使用貨運鐵路或公路路權的共性，這使得軌道主要可以與地面齊平建造。
“傳統”輕軌，主要將 PCC 車廂升級為 LRV。這提高了運量和執行速度。隨著這些系統向輕軌過渡，它們也經歷了又一次轉變，就像早期的輕軌系統一樣，安裝了使殘疾人能夠使用整個系統的功能。這已經並將繼續透過安裝抬高平臺和使用低地板設計列車來實現，以便在整個線路範圍內實現無障礙踏板，從而提高可及性。
最初，輕軌市場的目標是升級舊系統，以提高運量、加快執行速度，並取代 PCC 車廂，而 PCC 車廂是這些地區主要的輕軌交通選擇。聖地亞哥建成了一條新系統後，很明顯這不僅僅是對舊系統的升級，還可以用來解決城市當時面臨的交通問題。這導致了一些幾乎沒有剩餘鐵路交通的城市，建造了新的輕軌來解決交通問題，並增加交通客流量。
增強現有服務的初始市場在輕軌的壽命週期中所起的作用相對較小。擁有“傳統”輕軌系統的交通機構很少，包括波士頓、舊金山、紐瓦克、新奧爾良、匹茲堡、費城和克利夫蘭，而且所有這些系統都進行了升級，至少滿足了某種輕軌分類（新奧爾良有一些專用路權，但使用的是歷史有軌電車和複製品）。輕軌系統的爆發式增長來自在以前沒有鐵路交通的地方新建的線路。為了搶佔以前沒有鐵路交通的市場而建造的線路，現在已佔美國系統的大多數。
很難給輕軌分配一個誕生階段，因為早期系統從有軌電車服務過渡到輕軌服務的時間界限有些模糊。輕軌的概念確實帶來了一些所有系統都需要的永久性理念，一些“鎖定”的特徵。一些並非完全必要的鎖定特徵包括允許從多個車門上下車，以及使用車票作為收費系統。這些設計特徵從我們資料收集開始，以及城市大眾運輸管理局支援的輕軌定義就一直存在。另一個逐漸佔據主導地位的特徵，儘管今天仍然有一些反對者，是使用每側有四個車門的輕軌車廂。聖地亞哥的原始車輛就可以看到每側都有四個車門。這已成為典型輕軌車輛的標準，當然也有一些系統不符合，比如波士頓，但總的來說，輕軌車輛的八個車門是一種從該模式誕生之日起就一直保持不變的設計。
大多數輕軌系統的原始設計是使用高地板車輛設計。這種設計開始被鎖定，直到美國殘疾人法案透過，要求所有輕軌系統都能為無法使用樓梯的人提供無障礙乘車。早期的輕軌車輛採用高地板設計，而且早期的輕軌系統旨在具有成本效益，因此車站通常沒有抬高的站臺，使用升降機來幫助無法使用樓梯的人。然而，為了符合 ADA 的規定，大多數交通運輸機構在訂購新的輕軌車廂時，購買了低地板車廂，因此車站只需要抬高一英尺或更少。這也影響了軌道的設計，早期軌道的設計方式看起來像是有些軌道將會是窄軌的。這主要是因為窄軌車輛可以提供更小的轉彎半徑。這種優勢被鉸接式設計（現在已成為所有輕軌系統的標準）的出現所抵消。推動標準軌道的另一個因素是 ADA 和新的低地板設計，標準軌道的採用使得輪椅可以移動到中心轉向架的輪子之間，而窄軌軌道沒有足夠的空間來做到這一點。
輕軌的母體邏輯來自大多數其他鐵路運營，從技術上講，輕軌與重軌和有軌電車非常相似。預付費、多車門上下車、專用路權、列車編組和車站基礎設施都是直接從重軌系統借鑑的，而混合路權和車輛設計則更接近有軌電車。車票的概念也是從以前的鐵路模式借鑑的。這種母體邏輯的起源尚不清楚，可能是通勤鐵路、長途鐵路或有軌電車。所有這些模式都曾經使用某種車票機制來收取車費。
“輕軌很酷，很性感”——達科他縣董事會主席凱瑟琳·蓋洛德。
人們喜歡火車。火車與其他交通方式，尤其是輕軌列車，有著不同的看法。蓋洛德女士說這些話的時候，指的是在一條走廊上建造的一條公交快速交通線路，代替了輕軌。在解釋這條走廊上的輕軌將非常昂貴，而且乘客數量不足的情況下，蓋洛德女士表達了可能許多年來公眾和規劃者對輕軌和公交快速交通線路最誠實的觀點。私營企業開發商在輕軌周圍建造了大型交通導向型開發專案。以明尼阿波利斯-聖保羅為例，在綠線/中央走廊沿線已經進行了超過 17 億美元的建設，這比該線路投入運營提前了半年多。雖然開發可以由其他中高運量交通專案推動，例如優質公交快速交通或重軌，但在大多數輕軌系統建設時，重軌過於昂貴，而公交快速交通只是新興技術。發展和增長几乎總是政客和其他決策者喜歡談論和推崇的話題，而輕軌讓地方政客能夠說，他們的社群、城市甚至大都市區正在獲得原本無法獲得的開發機會。這些私營企業的行動影響了地方政府推動更多鐵路交通，並加大力度。這種對鐵路交通的政治投資確實取得了成果，是鞏固輕軌成為中等城市主要走廊首選交通方式的一個驅動因素。
輕軌仍處於增長階段，但目前正在出現的一個新挑戰是公交快速交通的興起。中運量交通曾經是輕軌佔據的利基市場，現在這個利基市場出現了競爭，輕軌的市場份額可能會減少。與公交快速交通的競爭將迫使輕軌證明其優越性和成本效益，它將不得不將市場份額讓渡給公交快速交通。如果公交快速交通系統在中運量交通領域獲得顯著的市場份額，它將迫使輕軌進入更小的利基市場。隨著輕軌的改進，我們將看到它是否會被淘汰，或者它以及相應的公交快速交通改進是否會創造一個更有效的交通系統。這一點很重要，因為如果輕軌被淘汰，記錄其增長的 S 形曲線的後半部分將會受到抑制，而如果提高效率導致輕軌生存下來，增長可能會放緩，但它將完成其 S 形曲線，在很長一段時間內緩慢地趨於平穩。
輕軌發展尚未達到成熟，正如附圖所示。輕軌可能的拐點始於 2006 年，但目前沒有足夠的資料來確定任何年份是輕軌發展的拐點。當輕軌以其目前的形式達到成熟時，一種目前在北美尚未開發的可能的擴充套件和應用是輕型地鐵。輕型地鐵使用輕軌技術，但列車幾乎完全在專用路權上執行，本質上相當於輕軌只是規模更小的地鐵。這種應用的優勢是速度和容量比普通輕軌更高，因為不需要考慮交叉交通；然而，它比普通輕軌昂貴得多，目前與重軌相比，唯一的顯著成本節約來自更便宜、更短的車站。這種可能的應用之前被詳細說明為 APTA 支援建設輕軌的原因。輕型地鐵並非聞所未聞，輕型地鐵的概念是東歐國家普遍實施輕軌的方式，他們擁有廣泛的系統和高客流量，這表明輕軌技術這種應用可以在美國產生類似的效果，成為城市集中的交通方式。
另一方面，許多系統目前在整個路線上都只使用自己的路權。在難以獲得專用路權的地方，更多地使用混合路權也可能是這種模式的一種可能的適應方式。舊金山公交系統將有軌電車與輕軌混合使用，其中部分路段仍然是最初的有軌電車線路，但在繁忙的路段有隔離的和完全獨立的路權。這種地面執行適用於更多地方性服務，以及在擁擠地區以最少的徵地或移除車道投資進行服務擴充套件。這種模式的應用似乎不太可能，因為人們對輕軌的認知已經定型，即擁有自己的路權。這種鎖定是有效的，因為有大量混合路權的路段，與在相同道路上行駛的公交車相比，不會有更好的時間或可靠性。這種輕軌的使用可能會以建設短小的次要路段以及繼續現有服務的方式實施，但輕軌不太可能出現任何規模可觀的第二增長階段。
關於輕軌的資料獲取並不容易，儘管來源很多，但資料的質量幾乎總是存在嚴重問題。本文使用國家交通資料庫和交通運輸統計局的資料來分析輕軌系統的方向路線里程。這些統計資料僅追溯到 1985 年，自身也存在一些不一致性，但與其他來源的資料相比，這些資料更有利於分析，更容易進行一致性處理。由於資料僅追溯到 1985 年，所以資料不完整，這意味著像聖地亞哥和布法羅這樣新系統與對現有有軌電車系統進行的升級和輕軌技術的應用被視為同等重要的。當試圖反溯技術發展至 1970 年代時，由於網路的擴充套件和改造，資料要麼缺失，要麼不一致。如果本專案早些開始進行，可能會找到一種方法來解決這些問題，但由於專案時間緊迫，以及作者的計劃和時間安排問題，這些方法不可行。1985 年至 1990 年的資料在現有的資料集中不可用。這個資料缺口是透過線性外推法來解決的，經過更多研究，可以改進這些資料以更好地反映系統的實際建設情況，但可能仍然需要對這兩個數字之間進行外推，只是不再像之前那樣依賴它。最後一個數據不一致問題是國家交通資料庫在 2011 年的報告中包含了混合型鐵路和有軌電車，而之前並沒有考慮它們。混合型鐵路的路線里程被加到了輕軌的里程中，因為資料庫的術語表宣告：“這種服務通常使用輕軌型別的車輛，如柴油動車組（DMU）。” 這也保證了資料與上面的定性結果部分一致，該部分指出輕軌通常採用電力牽引，但不一定是唯一的牽引方式。
資料顯示，到目前為止，美國輕軌系統還沒有出現拐點，但路線里程一直在以越來越快的速度增長。這意味著 Excel 迴歸表沒有用，所以沒有顯示出來。第一張圖使用的是 5000 公里的方向路線里程，大約是現有系統的兩倍。在資料中可以看到 2000 年代中期左右出現了可能的拐點，因為增長開始接近線性化，有可能僅僅是資料集的大小阻礙了對資料的拐點觀察，而實際資料中存在一個拐點。第二張圖也附在後面，該圖顯示了使用不同年份作為拐點的系統預測增長情況。由於與其他交通方式的競爭，特別是公交快速公交的競爭，輕軌路線里程的拐點年份不太可能超出此圖上最新資料集的範圍，因此它仍然是有用的。
第二張圖上的四條曲線是根據它們的拐點選擇的。最低的一條曲線假設 2000 年代中期發生的拐點是真實的，第二高的曲線假設 2011 年是拐點，最後兩條曲線分別是 2015 年和 2020 年。選擇這些點是因為它們的最終值通常是當前總方向路線里程的兩到三倍，並且它們在輕軌增長放緩的年份中分佈相對均勻。
這張圖是使用 2011 年作為資料拐點生成的，這也為我們提供了這張圖表。標準誤差和 t 統計量不應該被過分重視，因為我對它們的價值並不十分自信。
| 2011 | |
|---|---|
| 迴歸統計 | |
| 多重 R | 0.986 |
| R 平方 | 0.973 |
| 標準誤差 | 17.778 |
| 觀測值 | 27 |
| 係數 | 標準誤差 | t 統計量 | |
|---|---|---|---|
| 截距 | -160.445 | 770.148 | -0.208 |
| b | 0.07977 | 0.38290 | 0.208 |
對每個年份和拐點的預測值，以及每個年份的圖表如下；
從這些資料中，我們無法確定輕軌何時會達到拐點，或者何時會停止增長。然而，很明顯的是，只要該技術保持其 S 型曲線，未來二十年左右將會建設新的系統和線路擴充套件。