交通部署案例集/2015/美国轻轨发展
自 20 世纪 70 年代初以来，美国的轻轨交通取得了显著进展。这种交通方式是 20 世纪初主宰城市景观的美国有轨电车的继任者。轻轨是在有轨电车模型的基础上发展起来的，它利用现有的基础设施和支持技术。新的轻轨发展效仿过去的有轨电车线路，因为许多这些走廊塑造了现有的美国城市，并且对于放置新的交通系统来说是合理的。自 1980 年以来，美国已开通了 25 条以上轻轨系统。轻轨继续成为交通管理部门最青睐的选择，目前美国有 50 多条轻轨线路正在规划阶段[1]。图 1 所示的生命周期模型预测了这一结果。这种交通方式尚未成熟，预计将持续增长到 2048 年。
从 1890 年代到 1930 年代，有轨电车线路遍布所有主要城市，为此前无法获得的民众提供了经济实惠且可靠的交通方式。最初的有轨电车热潮过后，票价上涨以资助基础设施的更换和维护。这种困境使得公共汽车线路与有轨电车市场越来越具有竞争力，因为公共汽车更便宜且更易于操控。随着有轨电车从轨道转变为无轨电车，这些系统的所有权也发生了变化。最初，有轨电车线路由私人公司所有，这些公司从系统中获利。然而，当该行业在 1930 年代开始崩溃时，地方政府接管了这些系统，以便为其公民提供某种形式的公共交通。公共交通需求下降，部分原因是中位收入的提高，这使得汽车变得负担得起，以及工作周从 6 天变为 5 天[2]。尽管做出了这些努力，随着汽车的普及开始饱和个人交通市场，有轨电车和无轨电车迅速被放弃。
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将轻轨与其前身区分开来的特点在于系统的运行特性和服务的出行类型。与有轨电车不同，轻轨列车的速度快于有轨电车，这使得它们适合于服务长途和短途出行。轻轨线路可以高架或使用隧道行进一段距离，以保护现有走廊。轻轨车厢的内部一直以来都设计为舒适，而不是早期有轨电车系统的极简主义方法。此外，轻轨的制动器和减震器比后来的有轨电车更能抵抗传递的扰动。许多这些乘客舒适度理念源于总统会议委员会的有轨电车设计，该设计试图通过为有轨电车配备类似于汽车的奢华设施来提高客流量[3]。为了区分现代有轨电车系统和轻轨系统，应同时比较几个因素。通常，轻轨系统拥有专用车道、路外轨道、更大的车辆和每列火车有多辆车厢，而有轨电车只有偶尔拥有这些功能。此外，轻轨系统具有较长的线路长度和车站之间较长的距离，而有轨电车则具有较短的线路和较短的车站间距。由于轻轨是在之前运营有轨电车线路的地区采用，因此一些城市的基建设施只进行了部分改造，因此，这些系统之间没有明确的界限。将轻轨与其他交通方式区分开来的关键技术包括使用受电弓（或集电杆）从架空线索获取电力、固定路线和时间表，以及与周围交通物理隔离的路权。轻轨车辆往往在高架车站上下客，或使用低级台阶上下客。一般来说，轻轨系统分为两种类型，即低容量和高容量。低容量系统可能设置在交通之中，停靠频繁，没有乘客使用的站台。低容量轻轨系统有时可能包括与周围交通分离的线路、停靠较少的车站以及专门的上下车区域。相比之下，高容量轻轨系统与地铁系统（例如伦敦地铁）之间存在细微的差别，但是如果火车本身较短且频率较低，则通常被认为是轻轨。希望缓解拥堵并将数量中等或较少的公民运送到繁忙道路的城市是轻轨发展的主要市场。“轻轨”一词意味着车辆的框架比货运和通勤铁路更轻，货运和通勤铁路往往比轻轨列车行驶更远的路程并承受更重的载荷。此外，轻轨列车可以由一辆或多辆串联的车厢组成，这使得轻轨用途更加多样化。
街头有轨电车曾被普遍认为不舒服、危险且难以盈利。汽车解决了这些问题中的许多，因为它允许人们按照自己的意愿出行，并利用免费的公路系统。在接下来的 30 年的大部分时间里，汽车取代了交通运输行业，直到后来几十年再次提高了对公共交通的认识。到 20 世纪 60 年代，城市开始经历汽车增多带来的弊端。当时，交通拥堵达到了新的高度，高速公路的发展正在摧毁社区及其周围的经济。到 20 世纪 60 年代，公共交通的客运量比 20 世纪 20 年代后期下降了 58%，许多人认为公共交通将在未来几年内停滞不前[4]。与这种看法相反，公共交通在 20 世纪 70 年代初经历了复兴，因为交通愿景者和城市规划者开始着眼于欧洲，重建失去的公共交通系统。在这期间，美国公众的政治参与度越来越高，这激发了人们对改变国家科技进步轨迹的乐观情绪。将轻轨引入北美的讨论在 20 世纪 70 年代石油危机成为主要问题后出现。这也是交通机构寻找新技术进步[5] 以改善城市中心拥堵状况和市民通行效率的时期。此外，越南战争结束后，国防承包商一直在寻找投资资金的替代市场，而公共铁路交通被视为一个增长领域。美国主要城市交通拥堵问题变得越来越重要，轻轨被视为解决城市地区拥挤问题的方案，同时提供了一种环保的交通方式。总的来说，快速交通是美国城市所需的服务，以低廉的价格建设快速交通的愿景成为轻轨运动的支柱。
增长
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1970 年的《城市大众运输援助法案》[6] 为新的快速交通系统提供了资金，从而启动了全美轻轨的复兴。事实上，在 1972 年，“轻轨”一词被用来区分新模式和旧的有轨电车技术。这种区分是必要的，以避免公众对新铁路线路产生负面看法。城市大众运输管理局（UMTA）创建了一种标准轻轨车辆（SLRV），希望降低轻轨系统（LRT）的价格。然而，第一个由波音维托尔领导的生产执行不佳，发送到波士顿的 150 辆车和发送到旧金山的 100 辆车中许多都出现了问题。轻轨运输协会前主席迈克尔·塔普林曾说过，“波音试图重新发明轮子，而不是从其他地方的运输车辆经验中学习”（1998 年）[7]。尽管第一次实施存在问题，但还是提高了人们对美国轻轨系统的认识。美国第一个采用轻轨的城市是圣迭戈，其第一条线路于 1981 年开通。2011 年，交通运输局改变了轻轨的定义，将有轨电车和混合铁路列入其中。这种改变反映了轻轨、有轨电车和混合铁路交通所需的运行条件和基础设施之间的相似性。轻轨网络可能具有更接近通勤铁路（通常称为“轻型地铁”）甚至类似电车的系统特征，当它们与私家车一起运行时。相比之下，轻轨系统往往拥有专用路权，而传统的街头有轨电车系统则在混合交通条件下运行。总的来说，轻轨定义在美国各城市采取了多种形式，但通常“轻轨”一词指的是任何地方客运铁路系统。沿着轻轨走廊的开发增加通常被认为是建设此类系统的优势。截至 2012 年，轻轨运输车辆市场的收入为 84.8 亿美元，预计到 2020 年将达到 115 亿美元[8]。城市轻轨系统与公交快速交通系统（BRT）竞争市场份额，因为它们具有相似的容量（每小时 20,000-25,000 人次），但建设成本仅为轻轨系统的四分之一。
轻轨成熟期
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尽管轻轨尚未完全成熟，但正在进行改进现有设施和在未来建设更完善系统的计划。交通和城市规划者现在能够更好地预测未来的需求，并在此基础上为社会提供更完善的长期规划。希望这种规划能够使交通当局、投资者和交通用户将这种模式的效益最大化，远远超出其预期的成熟日期。为了实现轻轨交通系统的优化，在轻轨走廊周围区域的紧凑型开发政策将促进更短的出行距离，抵消道路上的汽车数量，并改善这些区域居民的空气质量。轻轨系统目前由政府机构和私营部门合作牵头，未来的轻轨线路将更多地纳入社区参与，以便参与系统的维护（即“认养车站”理念）。对轻轨轨道和车辆的投资应与车站和走廊的改善相结合，以便为日常用户和偶尔用户提供无缝的连接点。这将提高客运量，因为用户将体验到使用轻轨系统的便利性。此外，车站将增加传感器、通信设备和警示技术的应用，每项技术都有助于使用该系统并减少与汽车和行人的碰撞。车站周围区域的规划将变得越来越重要，因为多式联运走廊对于连接轻轨乘客与其最终目的地至关重要。可用路权区域的限制是一个问题，如果不能解决，将持续存在甚至加剧，因此与其他设施共享空间将变得越来越普遍（例如，双子城绿线轻轨和华盛顿大道的地铁公交）。任何轻轨设计的目标都是将交通友好型土地利用纳入其中，以确保未来的发展与当前系统捕获的出行相一致。通过鼓励将轻轨路线效益最大化的土地利用，可以轻松地通过为这些区域提供特殊时刻表来缓解特定位置（例如，体育场、大学、购物中心等）附近需求激增的情况。将轻轨列车适应这些情况将改善工作中心分散的地区的客户群。轻轨交通应继续作为“更大规模多式联运交通系统的一部分”（坎皮恩、拉尔温、舒曼和沃尔斯费尔德）。这些线路很容易被视为一个整体，然而，交通规划者和城市规划者应继续以从大型交通模式（通勤铁路、机场等）分配乘客和从郊区公交支线收集乘客的理念来设计轻轨交通。这些做法将使轻轨拥有一个光明的未来。
轻轨生命周期模型
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使用 S 曲线模型分析了轻轨的生命周期，该模型用于描述交通方式的诞生、增长和成熟。数据完全来自美国交通统计局的在线数据库[9]。以 1980 年开始的轻轨每年乘客英里数（表 1-40）作为生命周期分析的指标。由于美国第一条轻轨系统直到 1981 年才开通，因此 1980 年之前的数据被列为不可用，因此不应有信息可用。2011 年，轻轨的定义发生了变化，包括有轨电车和混合动力铁路。为了弥补添加的交通方式，我们收集了 2011 年至 2013 年的有轨电车/混合动力铁路线路列表，原始数据可能因将额外铁路线路纳入轻轨而被夸大。在这两年内，全国共有 10 条有轨电车线路开通，从 2011 年至 2013 年的原始数据中减去了它们对乘客英里数的估计贡献。数据清理后，进行了回归分析以参数化 S 曲线模型。方程 1 用于估计三参数逻辑函数，其中 K 和 b 需要估计。轻轨的饱和水平目前尚未达到，因此通过测试一系列值并执行逻辑回归来估计 K，以确定最佳拟合的 K 值。图 1 直观地展示了通过线性回归测试的众多 K 值。使用这种方法，K 的最佳值为 5400 亿乘客英里/年。在这个值下，轻轨乘客英里数将趋于平缓并保持在成熟阶段。为了找到 K 而进行的回归分析的结果还给出了 b 的值（见表 1），该值被用于三参数逻辑模型中，以预测预期系统增长。拐点年份 t0，即已达到潜在系统增长一半的年份，被确定为 2014 年。使用 K、b 和 t0 的确定值，将三参数逻辑公式应用于给定的年份（1980-2013 年），并用于创建乘客英里的预测。最终的逻辑函数预测了与实际乘客英里数大体一致的 S 曲线。为了检验模型的准确性，对预测值进行了另一个线性回归检验。R 平方值通过了 5% 的显著性水平检验，值为 0.9575（见表 2）。从图 2 可以看出，美国轻轨的诞生始于 1980 年，并在 1985 年至 2014 年间增长。预计到 2048 年，该交通方式将达到成熟，每年的乘客英里数约为 108 亿。
生命周期建模结果
[edit | edit source]方程 1：S(t)=K/(1+exp(-b(t-t_0 )]) 样本计算：S(1980)=5400/(1+exp(-0.0847(1980-2014)])=2.86 亿乘客英里 成熟年=2014+(2014-1980)=2048
变量定义
[edit | edit source]S(t)= 乘客英里数 t=时间（年） t0=拐点时间（发生 0.5K 的年份） K=乘客英里数的饱和水平。 b=三参数逻辑函数的系数。
表 1. 轻轨 S 曲线模型方程的关键值。
[edit | edit source]| K= | 5400 |
| b= | 0.0847 |
| t0 | 2014 |
表 2. 预测乘客英里数线性回归的结果。
[edit | edit source]预测乘客英里数的回归 K=5400 回归统计 R 平方 0.9575 标准误差 138.9 观测值 26
| 预测乘客英里数的回归 | |
|---|---|
| 当 K= | 5400 |
| R 平方 | 0.09575 |
| 标准误差 | 138.9 |
| 观测值 | 26 |
图 1. 从测试 K 值生成的 R 平方图-K=5400 亿用绿色标记。
图 2. 实际和预测的美国轻轨乘客英里数（百万）比较
参考文献
[edit | edit source]Freemark, Yonah. "Planned Light Rail Systems." The Transport Politic. N.p., 2015. Web. 11 Nov. 2015. <http://www.thetransportpolitic.com/under-consideration/planned-light-rail-systems/>.
Garrison, William L., and David M. Levinson. The Transportation Experience. New York. Print.
Post, Robert C. Urban Mass Transit: The Life Story of a Technology. Westport, CT: Greenwood, 2007. Print.
Thompson, Gregory L., Florida State University. 2003. Defining an Alternative Future: Birth of the Light Rail Movement in North America. Transportation Research E-Circular (E-C058). [Accessed Nov. 09, 2015]; Portland Oregon.
Garcia, Jeannette, Frost and Sullivan. 2014. North American Light Rail Transit Market in North America Becoming More Competitive. Strategic Analysis of Light Rail Transit in North America (NC3D-13). [Accessed Nov. 03, 2015]; Mountain View, California.
Currier, Reasa D., ed. "Public Transit: Looking Back and Moving Forward."Journal of Advanced Transportation J. Adv. Transp. 44.3 (2010): n. pag. Web. <http://www.fta.dot.gov/documents/transportation_law_journal_Hein.pdf>.
Taplin, Michael. Light Rail Transit Association. 1998. The History of Tramways and Evolution of Light Rail. [Accessed Nov. 07, 2015]; http://www.lrta.org/mrthistory.html
Campion, Douglas R., Larwin, Thomas F., Schumann, John W., Wolsfeld, Richard P. 2000. Committee on Light Rail Transit. Light Rail Transit: Future Opportunities and Changes. [Accessed Nov. 10, 2015]; Washington, DC.
"Table 1-40: U.S. Passenger-Miles (Millions)." Bureau of Transportation Statistics. United States Department of Transportation, 2013. Web. 11 Nov. 2015. < www.rita.dot.gov >.