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交通部署案例集/2020/康涅狄格有轨电车

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介绍

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有轨电车、电车或无轨电车是交通方式的名称，它涉及由柴油、电力或机械滑轮驱动的车辆在公共城市街道上的指定路径上行驶。它们运行的公共街道网络被称为有轨电车道。在某些情况下，有轨电车在街道的某些路段拥有自己的专用车道。有轨电车的使用始于19世纪初，并经历了各种迭代（包括燃料方法、道路网络和所有权），发展成为今天的现代电力驱动“轻轨”系统。

美国有轨电车系统的历史

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美国有轨电车系统历史可以追溯到19世纪初，当时使用公共汽车拉动马车。这是有轨电车系统的最早迭代，马车沿着道路上的特殊指定路线行驶。这个想法是通过在钢轨上用专门设计的钢轮行驶来减少摩擦，从而减少摩擦，增加乘客数量。最初系统的拥有者根据行驶距离对每位乘客收取费用。自然地，从大众交通中获利的想法导致了全国各州私人银行和高净值个人对该行业的投资增加。1832年，约翰·梅森拥有的第一家有轨电车公司在纽约开始运营。然后，在1873年，安德鲁·哈利迪在旧金山引进了缆车（Kahn，1940）。该系统涉及连接到机械地由路端发电站拉动的车厢的长缆。1882年9月，托马斯·爱迪生的电力分配公司开始运营（Con Edison：Con Edison 简史 - 电力，2020）。这导致了有轨电车系统的电气化，第一个系统于1888年在弗吉尼亚州的里士满安装。紧随其后的是1890年的布鲁克林市。

Figure 2 Timeline of Streetcar systems in US

康涅狄格州有轨电车系统的历史

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康涅狄格州有轨电车系统的主要参与者是康涅狄格公司。1895年，它收购了纽约和新英格兰铁路公司，有效地运营了康涅狄格州 90% 的有轨电车网络（(General Railroad Commissioners，1869）。拥有有轨电车网络和资产的公司的完整列表如表 1 所示。该列表是从 McGraw 电气铁路目录 (1894-1920) 中整理的。

实体
1) 布里奇波特牵引公司
2) 康涅狄格公司
3) 康涅狄格铁路和照明公司
4) 丹伯里和贝塞尔有轨电车
5) 格罗顿和斯通宁顿有轨电车
6) 新伦敦和伊斯特莱姆有轨电车
7) 海岸线有轨电车博物馆
8) 沃特伯里牵引公司

技术优势和劣势

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公共汽车主要由木材制成，由马匹拉动。根据它可以承载的乘客数量（通常为 4-5 人），马匹的数量会增加。这是 18 世纪末的第一种交通方式，并持续到 19 世纪的头十年。框架由木材构成，包括供乘客面对面坐的座椅。轮胎也是由木材制成的。公共汽车在凹凸不平的道路上行驶，进一步降低了效率。随后引入了马拉有轨电车以降低这些低效率。虽然它们是动物驱动的，但有轨电车在改进的铁或钢轮上行驶，并在现有路线上的钢轨上行驶。这降低了车轮和钢轨之间的滚动阻力，使更多的负载和更大的距离能够运行。容量的增加转化为较低的票价，从而增加了全国的客流量。

图 3 马拉马车的外在成本


动物动力运输的明显缺点是，马匹只能做那么多的工作。马匹需要定期喂食，产生的粪便给街道清洁带来了压力。粪便还会危及日益增长的人口的健康和城市的环境。纽约的一份报告提到，马匹每天产生 22 磅的粪便，每年总计超过 10 万磅（Kohlstedt，2017）。这些影响在冬天尤其严重，因为雪和雨会导致无法忍受的污染。尽管马拉马车提供的运输在日常生活中极大地造福了公众，但外在成本显着增加了社会的社会成本。换句话说，公众为马车提供的运输付费，但不会支付足够的费用让马车公司为城市提供充足的清洁服务。这可以使用图 3 中显示的边际外部成本理论来建模。最初，用户以 Ppri 的均衡价格支付 Qpri 的数量，这是马拉马车供求关系中的均衡价格。但污染的外在成本和对农业的压力以满足马匹的饲料导致了 MSC 的边际社会成本。如果用户支付 Psoc 的价格，考虑到对社会的总体成本，这种交通方式原本是可持续的。因此，社会承担了 MEC 的外在成本。为了阐述这种影响，可以举个例子。假设约翰必须去杂货店购物，必须乘坐马拉马车行驶 20 分钟。他将为这次旅程支付 $X 美元的票价给车长。但这笔钱并不能完全用于路线的清洁。如果亚当想走这条路，他必须忍受恶臭，并可能踩到粪便，而这与他无关。

公共交通中使用的下一项技术是机械拉动的缆车。这是第一个取代马拉马车的创新，由安德鲁·哈利迪于 1873 年在旧金山推出。哈利迪最初在一家矿山工作，在那里他使用他父亲的绳索设计来替换行业中现有的易碎绳索。他于 1857 年离开该行业，搬到旧金山，开办了一家绳索制造公司，并成为悬索桥建造者。尽管他的合伙人不信任和没有资金，但他仍然在 1873 年 8 月建立了第一个系统。使用通过地下电线连接的大型滑轮系统，缆车根据所需的速度进行抓握和释放。在路线的末端，使用转盘旋转有轨电车。图 4 和 5 分别显示了滑轮和转盘的示例。

该系统的最初限制是资金和建造复杂的滑轮系统、地下缆线和转盘。滑轮系统持续运行在蒸汽动力（后期为电力）上。必须挖掘地下沟槽以使缆线通过。封闭的滑轮系统还意味着有轨电车在固定的直线上行驶，并且以恒定的（通常非常低）速度行驶。路线的扩展意味着需要在新的地点进行更多地下挖掘和发电站建设，这需要地方政府和社区的大量投资和支持。

因此，引入有轨电车系统是为了摆脱安装地下缆线和机械滑轮的高额投资。有轨电车从架空线获取电力，架空线又从路线末端的发电机获取电力。从某种程度上说，该系统与缆车相同，但动力来源被电力取代。有轨电车车厢上配有一个电动机，该电动机从屋顶上的杆子连接的架空线获取电力。第一个此类系统由弗兰克·斯普拉格于 1888 年在弗吉尼亚州的里士满安装。继该线路取得成功后，大多数现有的缆车系统过渡到电力有轨电车。路线建设和供电的便捷性导致了全国各地路线的增加。从 1920 年的康涅狄格公司路线图中可以看出电力有轨电车系统的萌芽。


图 6 旧金山的转盘

下表总结了上述模式的技术优势和劣势。

系统 马拉 机械 - 滑轮 电力
优点 • 容量 • 改进的车厢和钢轨设计 • 不需要动物动力 • 服务更可靠 • 污染更少 • 与机械相比，投资较低 • 不需要地下电缆 • 电力由蒸汽机产生
缺点 • 污染 • 需要资源来喂养马匹 • 初始投资 • 与其他交通方式的互动（行人，马车） • 受固定轨道限制 • 占城市总电力的大部分 • 与交通的互动 • 停电导致服务不可靠

康涅狄格州的故事

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图 7 1920 年康涅狄格公司系统及其连接地图

康涅狄格州有轨电车系统的发展史可以通过观察特定时期有轨电车的轨道长度来解释。McGraw 铁路目录是半年度出版物，记录了美国、墨西哥和加拿大的有轨电车公司的财务状况、资产和详细信息。为了进行这项分析，记录了 1894 年至 1920 年间康涅狄格州不同公司拥有的轨道长度（1895 年、1896 年和 1915 年、1916 年的记录缺失）。将每家公司在当年拥有的电力轨道长度加起来，得出该州的总长度。表 2 显示了康涅狄格州拥有有轨电车轨道长度的累积值。交通生命周期，就像任何其他技术（和产品）一样，被广泛认为遵循逻辑 S 形函数。该函数产生一个特征的 S 形曲线。S 形曲线可用于识别生命周期的不同阶段，即出生、成长、成熟和衰退。获得的数据用于估计三参数逻辑函数。

S(t)= K/(1+exp⁡(-b(t-t_0)) 其中 S(t) = 状态量（轨道长度）

          K     = saturation status level
          b      = coefficient to be estimated (explained later)
          t       = time (in Years)
          t0      = inflection time (year in which half Smax is reached)

该模型可以转换为以下线性关系。

ln⁡(S(t)/((K-S(t)) ))= -bt+bt_0

进一步简化为类似形式 y = mx + c 在这种情况下，bto 是 y 轴截距，-b 是曲线的斜率。使用 K = 2600（最大记录长度）作为初始假设，进行了一系列具有递增 K 值的回归。模型拐点（曲线从上升变为下降的点）发生在 K = 2820 时。这通过 0.993 的相关系数 (R) 值得到证实。然后使用得到的 y 轴截距和斜率来计算 t0。然后使用 t0 和 K 值来计算预测时间范围内的轨道长度。然后绘制模型的实际数据和预测数据，如图 8 所示。

图 8 康涅狄格州实际轨道长度与预测轨道长度（1894-1920 年）
年份 长度（英里）
1894 231.21
1897 348.33
1898 397.48
1899 377.85
1900 469.71
1901 532.83
1902 449.68
1903 572.78
1904 655.04
1905 941.831
1906 778.447
1907 983.474
1908 1078.18
1909 1237.32
1910 1287.43
1911 1178.808
1912 1264.716
1913 1295.58
1914 1310.668
1917 2500.674
1918 2587.649
1919 2478.041
1920 2235.155
统计参数摘要
参数 值
K 2820
R 0.992919
to 1910

从图中可以观察到，1910 年后，虽然康涅狄格州有轨电车的实际轨道长度有所增加，但增长速度正在下降。根据上述模型，并通过分析 McGraw 铁路目录中的数据，可以在图 9 中识别有轨电车系统生命周期的各个阶段。

图 9 康涅狄格州有轨电车系统的各个阶段

有轨电车的诞生阶段涉及对现有的机械和马车进行电气化改造。在某些情况下，对铁轨进行了改造，以适应电力车厢的不同底盘。还建立了架空线路为车厢供电。这导致大多数城市出现电缆混乱，这是电力有轨电车系统的外在成本。铁路在长途运输方面的成功，促成了电力车厢系统的出现。城际和市内交通系统使得城市能够在远离中心位置的地方进一步发展。此外，随着城市生活必需品（如水和污水、电力和工业钢材）的改善，诞生阶段恰逢美国人口繁荣的时期。在康涅狄格州，人口普查数据显示 1830 年至 1930 年间人口增长了五倍。

电力有轨电车系统的立法政策是从前身的马车和公共汽车系统中借鉴来的。由于该系统需要大量的资本投资，大多数地方政府将街道特许经营权授予个体经营者。这主要是为了将公共资金用于其他事业。当然，这导致了不同经营者之间激烈的竞争。这导致了由康涅狄格公司、哈特福德有轨电车公司和海岸线电力公司主导的寡头垄断市场。反竞争市场和糟糕的服务，导致公众和政府官员对有轨电车公司产生了负面印象。政府随后介入，对票价进行监管。尽管运营商希望随着成本上升而提高票价，但这一愿望被监管所阻止（国家研究委员会等，2001 年）。另一方面，汽车在美国开始流行。福特在 1908 年推出了第一辆量产且价格实惠的汽车，即 Model-T。这与有轨电车生命周期的成熟阶段相吻合。从 1908 年开始到 1927 年结束（1926 年福特 Model T 跑车，n.d.），这辆汽车共售出了惊人的 1500 万辆。这导致了美国汽车协会的壮大，该协会是联邦政府在道路方面采取行动的最强支持者之一（Weingroff，2017 年）。此外，1914 年第一次世界大战的爆发，导致政府推动发展高速公路系统，以便更容易地运输军用车辆和物资。这导致了美国政府通过了第一项公路法案，即 1916 年的联邦援助公路法案。

图 10 来源（Macrotrends 和美国人口普查）

对马车交通的初始需求导致了电力系统得到创新。从上述时间表可以看出，后续系统紧随其后。有轨电车，特别是电力有轨电车，取得了成功，导致该系统在康涅狄格州快速发展。与以前系统相比，财务收益和缺乏缺点，鼓励更多投资者涌入市场。在一个简单的经济模型中，这意味着有轨电车系统的供应量会增加。供应量增加会因竞争而导致价格下降，并导致供应商的收入减少。如图 7 所示。随着供应曲线因有轨电车公司增加而增加并向 S-2 方向移动，均衡价格下降。价格下降与其他因素（稍后讨论）相结合，将阻碍市场增长。换句话说，在某个时间点，市场达到饱和，增长速度减缓。有轨电车公司确实试图在不断增长的竞争和政府监管中保持竞争力。大多数这些公司不得不生产自己的公用事业服务来为车辆供电。它们也属于拥有多个公用事业工厂的企业的一部分。这为它们提供了替代收入来源。为了最大限度地利用资源，大型公司拥有游乐园（例如，康涅狄格公司拥有米德尔敦的湖景公园）并在周末提供打折服务。

图 11 20 世纪初有轨电车系统的供求关系

有轨电车系统衰落的普遍接受的原因是大型公司的影响，这些公司分别是通用汽车、固特异轮胎、加州标准石油公司、菲利普斯石油公司和麦卡车。这被称为通用汽车有轨电车阴谋。虽然该案件的复杂程度超出了本文的范围，但本质上，上述大型公司接管了许多城市的轨道交通系统，要么关闭它们，要么将其转换为公交路线。当然，这对他们的汽车和燃料销售有利。1948 年，通用汽车和其他公司因试图垄断该行业而被定罪并被罚款 5000 美元（Marshall，2016 年）。从某种意义上说，这是美国有轨电车交通系统的最后一根稻草。康涅狄格州最后一个有轨电车系统于 1948 年在新港拆除。

图 12 有轨电车生命周期及其重要事件

有轨电车系统在 21 世纪初出现了复兴。这主要是由于 1900 年代相同的原因。城市正在发展，需要将人们从郊区运送到市区，并减少城市道路的拥堵。此外，公众对温室气体和气候变化的日益关注，已使通勤者减少使用汽车。有轨电车系统的另一个混合版本是轻轨。轻轨在自己的专用路权上运行，提供更有效率和快捷的服务。波特兰等城市的有轨电车成功，以及欧洲广泛使用轻轨，表明了重新创造这种交通方式的机会。随着城市设计侧重于更高的可达性，例如 30 分钟城市概念，对共享大众交通系统的需求不断增长。可以通过以大幅降低初始资本成本和建设成本的方式重新开发有轨电车系统来满足这些需求。例如，最近的技术进步导致了无轨电车或 ART 的出现，它使用橡胶轮子运行，拥有类似火车的车厢，最高速度可达 70 公里/小时。第一个 ART 于 2017 年在中国湖南省推出，并被认为取得了成功。由于它们是电池供电的，因此与公共汽车相比，它们产生的噪音和污染更少。无轨电车的潜力引起了澳大利亚许多城市的兴趣，目前正在进行可行性研究（Ketchell，2018 年）。因此，城市规划者正在全球范围内考虑以 21 世纪的方式重新创造有轨电车系统。对车辆使用可再生能源的偏好以及增强现实和机器学习等技术的可用性，将使有轨电车成为不断增长的城市人口的现代交通系统。

图 13 在 2018 年地铁交通展上的中车自主轨道快速交通列车（20180613150358）

参考文献

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