交通部署案例集/雙城街車

對雙城街車生命週期的分析

街車簡介

在1872年到1954年之間，雙城的鐵路採用了三種不同的技術：馬拉車、纜車和電車。動力是這三種技術之間最大的區別；除此之外，它們在技術上比較相似。雙城的鐵路都採用標準軌距（1435mm）。一些郊區線路採用鋪設在私人路權上的道碴軌，但大部分電車都行駛在混合交通中嵌入的軌道上。電力由明尼阿波利斯和聖保羅的幾個蒸汽和水力發電廠發電。幾個小型變電站將電力轉換為用於透過架空線路為電車供電的600 V DC。

對於乘客來說，電車的優點包括旅行速度快、成本低以及可達目的地多。從運營公司的角度來看，電車的優點包括固定軌道上的車輛效率高以及能夠在泥濘的街道和冬季天氣下按計劃執行。

主要的市場是工人階級。富人一直都有交通選擇，從早期的馬匹和馬車到後來的汽車。工人階級負擔不起這些選擇，直到第一次世界大戰後才大量購買汽車。電車在全天提供頻繁的服務，用於工作和購物旅行。雙城快速交通公司（TCRT）積極開發休閒旅行到鄉村度假勝地的市場，並從到市中心夜生活、體育賽事和明尼蘇達州博覽會的特殊活動服務中獲利。

街車出現之前

至少在雙城，在1872年第一條馬拉車線路建成之前，並沒有太多東西。在1870年的統計資料中，明尼阿波利斯（包括聖安東尼市，該市於1872年與明尼阿波利斯合併）的人口為18,079人，聖保羅的人口為20,030人。明尼阿波利斯和聖安東尼市直到1858年才合併，而聖保羅則在1849年合併。密西西比河是當時的主要交通方式，它非常有效地將定居者帶到明尼蘇達州，並將皮毛、木材和麵粉運出。然而，在與明尼蘇達河交匯處以上（離明尼阿波利斯不遠），航行很困難，而且河流不是市內交通的實用解決方案。有些人可能用馬匹和馬車在城裡走動，但大多數人只是步行到任何地方。這限制了這兩個城市的大小，因為工人需要住在離工作地點合理的步行距離內。

第一條鐵路，芝加哥和洛磯山鐵路，於1854年修建到該地區。第一條連線聖保羅和明尼阿波利斯的線路，明尼蘇達和太平洋鐵路，於1862年竣工。此時，可以從明尼阿波利斯乘坐火車到聖保羅，但這條線主要是為了貨運機會而修建的。這種連線鼓勵了這兩個城市互相靠近，並促進了明尼阿波利斯作為磨坊中心的開發。這些發展，以及明尼阿波利斯-聖保羅地區從1850年的幾千名定居者到1870年的約40,000人的快速增長，鼓勵了當地政客和商界領袖為未來的發展做計劃。聖保羅於1866年向一群商人頒發了第一個馬拉車特許經營權，明尼阿波利斯於1867年也這樣做，儘管這兩個城市都沒有立即開始運營。1872年7月15日，聖保羅第一條馬拉車線路開通日，聖保羅先驅報寫道，該市“已經意識到需要街車來縮短其‘壯麗距離’的長度和寬度”。 這段引言反映了這樣一種認識：這兩個城市都需要一種更快的市內交通方式，以便能夠超越它們現在中央商務區的範圍。

街車技術的誕生

街車服務始於1872年的馬拉車。此時，馬拉車已經是一項成熟的技術，始於1831年的紐約。 它們是其他技術的混合體，利用已經擁有的馬匹來拉動驛馬車和公共汽車，但在軌道上執行，而不是在馬車底盤上執行，以獲得更平穩的乘坐體驗。雙城的馬拉車在由固定在木製縱梁上的鐵條製成的軌道上執行，通常採用1067mm的窄軌距。這後來帶來了規模經濟，因為這些軌道正在以大規模生產。這些車本身長3米，司機坐在外面的平臺上。乘客車廂的地板上鋪著稻草，有一個小爐子，但在冬天非常冷。 由於軌道狀況，車輛經常脫軌。此外，使用馬匹也帶來了問題。它們維護成本高，由於疲勞，每4-5小時就必須更換一次，它們在街道上留下糞便，而且它們死於疾病或衰老後必須更換。

雖然蒸汽動力當時在幹線鐵路中使用，但由於噪音、煙塵以及可能驚嚇馬匹的可能性，它被認為不適合在城市軌道交通中使用。然而，明尼阿波利斯、林德爾和湖卡爾洪鐵路於1879年修建了一條從明尼阿波利斯市中心到湖卡爾洪的蒸汽動力線路，後來延伸到湖明尼通卡。蒸汽機被封閉在一個盒子裡，試圖解決人們的擔憂，但它仍然不受歡迎，蒸汽火車在1890年退役。（這條線路本身在1887年被明尼阿波利斯街車公司接管）。

進入市場的下一項技術是纜車。纜車技術是在加利福尼亞州為金礦開發的，並於1873年首次應用於舊金山的城市軌道交通。 聖保羅市中心位於低窪地區，周圍環繞著山丘。許多山丘對於馬拉車來說太陡峭了，因此第一條纜車線路於1887年修建到塞爾比山。 另一條線路於1889年在東第七街修建。這些線路中的大多數幾年後就被拆除了，但塞爾比山上的線路直到1906年隧道建成後才拆除。纜車由一箇中央發電廠供電，可以爬上陡峭的山坡，但也有一些缺點。纜索在軌道下方的槽中執行，車輛可以抓緊或鬆開不斷執行的纜索來控制速度。雖然擁有一箇中央發電廠有利於提高效率，但一根纜索斷裂或發電廠出現問題會導致整條線路停運。雪和冰進入纜索溝會造成問題，而且纜車速度不快。

電力是下一個進步，在它在雙城實施之前經歷了幾次修改。恩斯特·維爾納·馮·西門子於1879年在柏林展示了一臺第三軌供電的機車。這是一項成功的技術，第三軌供電今天在世界各地的地鐵系統中使用。然而，它不適合街車，因為對馬匹和行人有危險。 19世紀80年代，明尼阿波利斯的查爾斯·範·德普勒和全國各地的其他人測試了帶架空線路的電動車。直到弗蘭克·斯普拉格在1885年解決了電力收集和電動機問題，這些試驗才取得了成功。他的設計從一根架空電線中收集電力，並將電力從電機傳送到車軸，透過齒輪和軸承（而不是皮帶和鏈條，皮帶和鏈條容易斷裂）。 1889年，在明尼阿波利斯南四街修建了一條示範線路。它非常成功，以至於這兩個城市都在1889年到1892年之間將他們的馬拉車線路改為電力驅動，在此過程中改用標準軌距（1435mm）。明尼阿波利斯和聖保羅街車公司也在1891年合併為雙城快速交通公司（TCRT），以幫助為電氣化獲得資金。 電力為600 V DC，由燃煤蒸汽機或水力發電廠提供。隨著系統擴充套件，發電廠改用交流輸電，因為直流電只能傳輸很短的距離。在城市周圍建造了變電站，將發電廠的交流電轉換為街車使用的600 V DC。從那時起（1892年），這項技術基本保持不變。車輛由長13.1米的車輛組成，車輛的一端有控制裝置，另一端有氣剎（1902年後）。TCRT在其歷史上擁有的絕大多數車輛都是在它的斯內林車間製造的。

早期市場發展

在市場發展階段，有軌電車線路覆蓋了明尼阿波利斯和聖保羅的整個城市化地區，並在某些地方延伸到郊區。在這個時期很難確定一個“市場細分”，因為該系統服務於整個城市，理論上可以用於任何始發地和目的地都在同一個城市的出行目的。1890 年，明尼阿波利斯和聖保羅的系統透過一條沿大學大道（University Avenue）的線路連線起來，搶佔了兩個城市之間出行的市場。

功能增強在有軌電車的整個生命週期中都很重要，但在早期尤其重要。正如圖 2 所示，在 1880 年至 1900 年之間，有四年出現了軌道淨減少。雖然 1891 年的減少是馬拉車向電動有軌電車轉變的一部分，但其他年份的減少是由於服務重組造成的。有軌電車是該地區最早的城市公共交通工具，雙城地區基本上是圍繞有軌電車線路發展起來的。大多數有軌電車線路都是從市中心沿特定街道或一組街道放射狀延伸出去的。TCRT（及其前身）通常將兩條放射狀線路配對在一起形成一條路線。這樣做是為了使車輛貫穿執行，而不是在市中心終點站。然後可以線上路的末端進行調頭和停放，這些地方不像市中心那樣繁忙。然而，這些線路配對隨著時間的推移而發生了變化。 地理位置、服務頻率和合理的目的地配對被考慮用於服務配對。隨著服務配對的不斷變化，一些市中心連線不再需要，隨後被廢棄，而其他連線則被新增。

功能發展是該地區發展和有軌電車系統成功的關鍵。托馬斯·勞裡（Thomas Lowry）是將明尼阿波利斯和聖保羅有軌電車公司合併為 TCRT 的商人，他也擁有房地產利益。因此，有軌電車的延伸是以土地開發為目的進行的，並且經常發生在周圍土地開發之前。換句話說，有軌電車發展引領了土地開發，並且有軌電車線路也被證明是住宅密度的一個重要預測指標。 除了“有軌電車郊區”的開發，TCRT 還試圖透過開發通往埃克塞爾西奧（Excelsior）、白熊湖（White Bear Lake）和斯蒂爾沃特（Stillwater）的線路來搶佔休閒市場。該公司在明尼通卡湖（Lake Minnetonka）的大島（Big Island）和白熊湖（White Bear Lake）的野林（Wildwood）建造了遊樂園。它還在明尼通卡湖（Lake Minnetonka）運營渡船和觀光遊覽。TCRT 線路服務於明尼蘇達州博覽會場（Minnesota State Fairgrounds）以及明尼阿波利斯米勒（Minneapolis Millers）和聖保羅聖徒（Saint Paul Saints）的棒球場。該公司組織了特別的活動旅行來為這些活動提供服務，並且承載了相當一部分參加活動的人。

政策的作用

由於聖保羅和明尼阿波利斯的第一家馬拉車公司成立於第一家馬拉車公司成立大約 40 年之後，因此它們有機會從已建立的系統中學習。由於馬拉車作為混合模式的地位，第一批系統很可能借鑑了驛站馬車線路以及鐵路的運營政策。到轉換為電力的時候，TCRT 擁有與鐵路相同的許多資產（機車車輛、軌道、車間），其管理層也參與了鐵路。勞裡擔任蘇線鐵路（Soo Line Railroad）總裁的同時，TCRT 也在轉換為電動有軌電車。 由於這些組織的相似性和勞裡和其他管理層對鐵路的熟悉程度，TCRT 發展了同類型的等級結構。

明尼阿波利斯和聖保羅的公司最初是獨立的實體，但遵循類似的流程。明尼阿波利斯有軌電車公司（Minneapolis Street Railway Company）於 1873 年成立，並開始修建軌道。它在 1875 年獲得了明尼阿波利斯市的特許經營權，並在 1879 年得到了明尼蘇達州立議會的確認。 與該市的特許經營協議指定了其將要修建的線路的位置、服務型別以及設定了截止日期。該協議給了該公司壟斷權，但設定了票價，並要求該公司維護軌道周圍的城市街道。這些協議可以根據條件進行重新談判，並且也確實進行了重新談判。然而，TCRT 從未設法擺脫固定票價和街道維護條款，儘管它希望這樣做。

有軌電車的增長

有軌電車的增長主要依靠私人投資。在馬拉車時期，明尼阿波利斯有軌電車公司選擇不支付股利，而是選擇將其所有利潤再投資於系統擴充套件。該系統在此期間發展迅速，並定期擴充套件到未開發地區，以試圖刺激開發。因此，與該市的特許經營協議主要充當最低服務水平。這些公司有興趣擴充套件到合同要求的範圍之外，但必須維持其原始線路的服務。總的來說，這些城市支援系統擴充套件，因為它們允許人口分散。因此，雙城地區以房屋和小型公寓樓為特徵，而不是像紐約等東部城市典型的巨大公寓樓。

然而，當開始轉換為電力時，兩個城市都要求其有軌電車公司在短時間內將所有線路電氣化。兩家公司都承擔了債務來做到這一點，並在 1891 年合併為 TCRT，以此從東部資本家那裡獲得融資。 轉換為電力最終肯定會發生，但如果沒有合同要求，它可能需要更長時間。這無疑是一項好的投資，因為全國各地從馬拉車轉換為電力的公司都觀察到總收入增加了 30% 到 300%。 可以將其比作鐵路從蒸汽動力轉換為柴油或電力。最重要的線路早期就切換了，但不太重要的線路在第一次轉換後的幾年裡仍然保留了舊的動力源。TCRT 不可能在很長一段時間內繼續使用馬匹，因為它們的運營成本很高，但該公司可能試圖避免在沒有政府幹預的情況下承擔如此多的債務。

成熟階段

隨著系統的成熟，它開始感受到來自汽車以及其市政合同中的兩項條款的壓力：固定票價和街道維護。亨利·福特（Henry Ford）在 1896 年開發了他的第一輛汽車，其他人很快也緊隨其後。汽車最初是富人的玩具，但隨著它的批次生產，它變成了越來越多人能夠負擔得起的商品。汽車與有軌電車直接爭奪乘客，但汽車數量的增加也使得有軌電車的運營更加困難，因為道路上的交通量增加。

固定票價政策剝奪了 TCRT 設定自己價格的靈活性。這些型別的價格管制當時很常見，也適用於鐵路。在一段時間內，票價定為 5 美分。這意味著，即使某條線路上的乘客人數保持不變，隨著通貨膨脹導致運營成本增加，這條線路的盈利能力也越來越低。票價上漲必須與鐵路和倉庫委員會協商，而委員會經常拒絕。 當票價上漲被拒絕時，TCRT 必須透過嘗試增加乘客數量，或者減少服務並推遲維護來應對。

最後，街道維護在後期成為了一種負擔。在 1870 年代或 1880 年代，當合同首次制定時，大多數街道都是沒有鋪設的，因此街道維護條款意味著 TCRT 負責維護自己的軌道以及在冬季風暴後清理街道（延伸部分被用來清理右側車道，因為有軌電車通常行駛在左側車道）。然而，這些條款的寫法意味著，如果城市決定鋪設街道，TCRT 必須自行承擔費用拆除軌道並進行更換。 當明尼阿波利斯和聖保羅開始鋪設所有街道時，這將是一筆巨大的開支。隨著汽車交通量的增加，這變得更加昂貴，因為街道需要更頻繁地重新鋪設。至少有一次，在將北 6 街（6th Avenue N）改造成奧爾森紀念公路（Olson Memorial Highway）的過程中，TCRT 拒絕更換軌道，而是將線路改為公交車。

1952 年提交給明尼阿波利斯市長的報告總結了有軌電車系統面臨的問題。汽車搶走了乘客，並加劇了交通擁堵。有軌電車裝置已經過時，需要重新投資。特許經營協議是在很早以前制定的，現在嚴重限制了 TCRT 可以採取的改善盈利能力的行動。最後，交通模式的變化速度快於公司重組其網路的速度。 二戰後郊區的快速發展是造成這種情況的主要原因。這份報告以及隨後的報告建議對監管框架進行修改，並建議其他修改，例如基於距離的票價。 他們建議對大都市進行監管，而不是對城市進行監管，這後來以大都會委員會（Metropolitan Council）的形式實施。

有軌電車網路已經不存在了，因此係統無法重新配置以滿足 2011 年及以後的交通需求。但是，有軌電車運營中的一些經驗教訓適用於其繼任者——公共汽車，其他的經驗教訓可以應用於在雙子城重建鐵路交通網路的努力。首先，政府政策應該定期重新評估，以檢視它們是否仍然適用於當前市場。在有軌電車壟斷城市交通的時代制定的政策，損害了它們在壟斷消失時競爭的能力。如今，交通系統是公有的，這使得關於政府政策的談判更容易。其次，基礎設施成本應該以公平的方式進行評估。在 TCRT 的最後幾年，它實際上透過每次道路重鋪時支付軌道鋪設費用，以及在冬季繼續除雪的方式，補貼了汽車出行。當它是道路的主要使用者時，TCRT 為維護和除雪付費是有道理的。隨著汽車成為主導使用者，成本應該轉移到汽車擁有者身上，但事實並非如此。如今，雙子城地區的公交出行比例非常小。如果有效的交通系統是一個優先事項，那麼透過提高與汽車相關的稅收或實施道路定價，應該減少對汽車出行的補貼。政府補貼汽車出行，同時試圖說服人們使用其他交通方式，這是毫無道理的。

資料和曲線擬合

圖 1：雙子城有軌電車軌道里程：1872-1954 年

圖 2：軌道里程的年度變化

表 1：曲線擬合結果

變數	增長階段	下降階段
K	602.162	602.162
b	0.161	-0.0586
t0	1899	1974
r2	0.928	0.928
t（截距）	-27.0	16.28
t（b）	27.1	-16.02

本分析中使用的資料集是都市委員會製作的雙子城歷史交通路線的 shapefile。 該檔案包含從 1872 年到 1954 年區域交通網路中每個連線的單獨記錄，顯示了連線開通的年份和關閉的年份。包括馬車、纜車、有軌電車、渡船和 1948 年的公共汽車路線。由於公共汽車路線是一種替代技術，因此在本分析中被刪除，但渡船由於數量相對較少，並且它們與有軌電車一起發展和運營，因此被保留下來。使用 shapefile，計算出每個路段的長度，並將檔案按開始年份、然後按結束年份進行合併，以獲取每年系統中新增或減去的軌道長度。系統中的軌道里程如圖 1 所示，每年的變化如圖 2 所示。這些值代表中心線里程，因此同一街道上的兩條軌道不會被重複計算。這個指標可能更準確地描述為系統範圍，而不是軌道公里數。

曲線引數如表 1 所示。由於有軌電車已經經歷了誕生、增長、成熟和衰退，因此 K（承載能力）已知為 602.162 公里。採用如下形式的三引數邏輯函式$S(t)={\frac {K}{1+e^{-b(t-t_{0})}}}$ 對資料進行擬合。這分兩個階段進行：一個代表系統增長到最大程度（1931 年之前），第二個代表系統衰退（1931 年之後）。使用最小二乘迴歸確定 b 的最佳值，並利用關係$t_{0}={\frac {intercept}{-b}}$ 找到拐點。對於增長階段，b 為 0.161，拐點在 1899 年。對於下降階段，b 為 -0.0586，拐點在 1974 年。

增長期的 S 形曲線似乎非常吻合。該$r^{2}$ 值為 0.928，截距的 t 統計量為 -27.0，b 的 t 統計量為 27.1。已知最大$r^{2}$ 為 1.0，t 統計量的顯著性水平大於 2，因此曲線擬合得相當好，估計的變數在統計上是顯著的。從定性上看，曲線在誕生和成熟階段非常符合資料，但在增長階段則不那麼符合。該系統在 1880 年代的快速增長似乎比曲線預測的早了 5-10 年。一半的里程，即 300 公里，是在 1890 年達到，而不是迴歸分析預測的 1899 年的拐點。到了 1900 年代和 1910 年代，網路增長略微落後於曲線的預測。然而，我們也可以看到，TCRT 在這段時期內大約每十年進行一次重大資本投資：1905 年、1906 年、1913 年和 1914 年開通了大量的新軌道。考慮到新線路往往以相當大的路段開通，我們不期望資料完全符合曲線。如果樣本量足夠大，就像美國的所有有軌鐵路一樣，資料應該更平滑，並可能更好地擬合曲線。另一方面，一些異常是由於外部因素造成的，例如金融市場。1890 年代早期的放緩，令人奇怪的是，發生在邏輯曲線預測網路擴張速度最快的地方，可以用 1893 年的恐慌來解釋，這場恐慌使得大型資本支出的融資幾乎不可能找到。

在紙面上，下降期的曲線也相當吻合。 $r^{2}$ 值為 0.928，截距的 t 統計量為 16.28，b 的 t 統計量為 -16.02。 $r^{2}$ 值完全相同，而 t 統計量較低，但遠高於統計顯著性閾值。 質量上來說，曲線並不那麼吻合，因為它離起點和終點都很遠。 然而，由於只有兩個點，最小二乘法傾向於選擇最匹配其餘資料的曲線。 看看實際發生的事情，負指數函式可能更好地代表下降趨勢。 無論如何，迴歸產生的曲線反映了該系統在 1930 年代和 1940 年代的緩慢下降。 該曲線的拐點在 1974 年，而且它永遠不會降到零，這表明 TCRT 的有軌電車網路過早被廢棄。 這一觀點得到了幾位分析人士的認同，並得到了以下事實的支援：幾位負責監督向公共汽車轉換的經理（包括弗雷德·奧薩納和巴尼·拉里克）後來因欺詐罪被判處入獄。 運河和鐵路是成熟的運輸系統的其他例子，它們下降到其最大範圍的一半左右，並一直運營至今。 TCRT 可能有機會削減一些服務，繼續運營最賺錢的線路，但 1950 年代的公眾輿論並不支援交通運輸，尤其是電車。