运输部署案例集/2020/佐治亚州有轨电车

佐治亚州有轨电车

概述

在19世纪后期和20世纪初期，有轨电车（更广为人知的是电车），为社会地理的扩张和创造以及新的经济机会提供了巨大的机会。有轨电车经历了一系列燃料方法（如马拉、蒸汽、燃气和电力），最终发展成为今天所知的现代“轻轨”。在这一时期，传统的电车路线对郊区发展的安排经常产生重大影响。除了主要的运输功能外，电车还提供各种服务，例如送货和货物运输。

贯穿城市的有轨电车线路网络被称为有轨电车系统，在一些城市，它们与行人、马匹以及后来的汽车共享街道，而在另一些城市或城市特定区域，它们拥有自己的路权。

佐治亚州的有轨电车引入要等到内战结束后。与拥有众多商业和工业城市的北部和中西部州不同，佐治亚州主要以农业为主，农业是其经济的主要驱动力。佐治亚州的第一条有轨电车线路于1868年1月投入运营，包括7英里的骡马牵引客运线路和1.5英里的蒸汽机车（货运轨道）。

有轨电车除了运输之外，还带来了额外的益处。随着有轨电车系统的增长，新的道路和重新铺设以及其他基础设施改善也随之而来。有轨电车公司还为当地居民开发了休闲区，以及额外的旅游景点，作为一种吸引客流和增加其交通业务乘客量的策略。

不幸的是，有轨电车路线的扩张也有一些负面影响。正如线路促进了郊区和经济的增长一样，它也带来了更大的分化。在19世纪，人们被迫与不同种族和收入的人住在一起，然而，随着郊区的兴起，社区在种族和财富方面变得更加分化。

传统的电车就像它来的时候一样快地离开了。在佐治亚州的亚特兰大，最初的有轨电车最终进行了升级。它们被改为电力驱动，并改装为使用橡胶车轮，以便在没有轨道的情况下运行。这些有轨电车最终也被公共汽车取代，轨道被铺平，为流行的汽车让路。

技术特点

有轨电车，也被称为电车或无轨电车，是一种在铺设在街道上的轨道上运行的车辆。用于运行有轨电车的轨道由铸铁带形钢轨组成，目的是让在钢轨上运行的钢轮减少摩擦。这种摩擦减少的结果是，两匹马能够牵引一辆更大的车辆，其载客量是之前可能的两倍（高达50人）。 钢轨还为乘客提供了更加舒适的乘坐体验，较小的电车车轮使电车地板更靠近道路，便于乘客上下车。

与机车不同，有轨电车通常以单个单元（车厢）运行。早期版本的有轨电车要么由马匹或骡子牵引，要么由蓄电池供电，但这些蓄电池非常昂贵且效率低下。人们经常在牵引电车的马匹或骡子的马具上悬挂铃铛，作为通知乘客即将到达电车的预警信号。 发电机的发明促进了电力传输的应用，使架空线和带电电线能够为有轨电车线路供电。 这一发展带来了电动有轨电车的问世，电动有轨电车取代了蒸汽动力汽车，后来又被燃气或汽油发动机有轨电车取代。传统的电车（在它们变成无轨电车之前）使用铸铁车轮，通常有布料填充的内壁和位于车尾的车门。它们通常能容纳大约40名乘客。

主要优势

在19世纪早期，许多美国城市被称为“步行城市”，大多数居民工作和购物的地方都靠近他们居住的地方。19世纪后期电动有轨电车系统的引入，以及其发展到20世纪早期到中期，促进了城市的发展。新的郊区被创造出来，被称为“电车郊区”，在白人城市居民中非常受欢迎。新的有轨电车线路也将以前更“农村”的偏远地区变成了新的、人口更稠密的街区。房地产开发商经常投资有轨电车线路，以促进新的郊区社区。电车系统使长距离旅行变得更加容易，人们可以住在远离市中心的地区，仍然能够在城镇的其他地方工作、购物和社交。这种在城市内和城市之间的新发现的连通性使购物者能够从区域农场获得农产品和肉类，以及从全国各地获得水果和蔬菜。

主要市场

有轨电车在中产阶级工人中找到了新的市场，因为他们开始在郊区这种新类型的社区生活和扩展。这使人们能够享受城市郊区更安静和更田园诗般的环境，同时仍然能够通勤到市中心工作和购物。这些郊区只有通过新的交通方式，如电车和其他铁路才成为可能。这种生活方式变得越来越流行，因为许多人渴望离开城市，远离贫穷的移民和移徙者，而且许多人认为，更安静、不那么拥挤的地区是组建家庭的更好地区。由于向乘客收取的费用是根据其行程距离计算的，因此许多运输公司、投资银行和高净值个人都渴望利用大众运输的想法。

其他交通方式

以前的交通方式

在有轨电车之前是公共汽车。公共汽车于 19 世纪初引入美国，最初是马拉的，但到 19 世纪中叶，第一批蒸汽动力公共汽车问世。^[4]继公共汽车之后是缆车。它由安德鲁·哈利迪发明，于 1873 年首次在旧金山投入使用。缆车由看似无休止的缆索牵引，这些缆索运行在车轨之间的槽中，并经过位于发电站的蒸汽驱动轴。^[3]该系统非常适合山坡陡峭的地区，在西雅图和旧金山得到最广泛的使用。它们也比早期的电动汽车运行得更平稳，但有一个缺点是只能以恒定的速度运行。另一个主要缺点是缆索断裂或卡住会导致所有使用该线路的汽车停驶。到 1900 年，大多数缆车轨道和马车线路开始被电动汽车取代。1902 年至 1917 年，美国马车线路的更换速度尤其快。

在电动有轨电车广泛使用之前，蒸汽虚拟发动机和马匹或骡子拉的有轨电车是主要使用的交通工具。它们经常因肮脏和危险而受到批评。虚拟发动机通常不允许在城市街道上行驶，因为它们产生的噪音和污染水平很高。在 19 世纪后期繁忙的美国街道上，因受惊的马匹或失控的汽车造成的导致毁容和/或行人死亡的事故并不少见。据估计，牵引有轨电车的马匹和骡子每天平均产生 10.5 磅的粪便，^[1] 进一步加剧了已经脏乱的街道。随着时间的推移，马拉的有轨电车被认为过于拥挤和缓慢，其速度通常仅达到每小时平均 5 到 6 英里。由于与食物和马厩相关的费用，马拉的有轨电车的资本和运营成本相当高，大型有轨电车线路还需要大量的马匹或骡子来维持运营。有轨电车不断地停靠和启动，尤其是在装载后，对动物来说相当辛苦，这意味着每只动物每天只能工作几个小时。马匹或骡子的维护成本与其较低的效率相结合，意味着它们不可避免地要被机动化所取代。

限制

许多交通公司认识到使用依赖于动物的技术所存在的缺陷和局限性，并致力于寻找比马拉马车更便宜、更清洁的替代方案。这在 1872 年的“大流行病”期间被证明尤其重要，这是一次规模庞大的马流感爆发。在疫情期间，一些城市每天有 175 到 200 匹马死亡。^[1] 这极大地影响了受灾地区的交通服务，甚至在某些情况下导致服务完全中断。这一事件被证明是开发新的有轨电车运行机械系统的强大动力。

在 19 世纪初，来自世界各地的创新者，包括匈牙利、荷兰以及美国，开始考虑电池动力车辆的概念。然而，直到本世纪后期，法国和英国的发明家才建造了第一批实用的电动汽车。^[4] 这些电池动力车辆虽然不依赖于动物运行，但其续航里程有限，无法行驶很远就需要充电，这使得它们非常低效。电池的其他局限性包括大多数城市的电力网不发达，以及缺乏充电站。在一些电池动力有轨电车投入使用后，很快便观察到收益递减。许多工程师在 20 世纪初将电池的续航里程和单位重量能量与汽油发动机进行比较，并将此视为一大弱点。^[5]

不断发展的市场和未来可能性

虽然 20 世纪初的有轨电车系统帮助满足了美国的交通需求，但在接下来的几十年里，该系统的局限性以及政府和企业政策以及消费者对公共汽车和汽车的选择最终导致有轨电车过时。公共汽车在 20 世纪 10 年代就已开始取代有轨电车系统。与有轨电车相比，它们通常被认为更现代化、更舒适。从商业角度来看，它们也更有意义，因为它们更灵活，运营成本更低。到 1937 年，之前拥有公共交通系统的美国城市中，超过 50% 的城市仅由公共汽车系统提供服务。^[6] 汽车也开始占据主导地位，最初用于富人的休闲旅行，后来逐渐成为工作和购物的常用交通工具。^[5] 尽管有轨电车的使用在经济大萧条之后开始缓慢下降，这主要是由于汽车的流行，但其主要理念在现代社会中随着公共交通越来越流行而变得更加流行，并以轻轨系统的形式出现。

有轨电车发明

专业技术的结合

将电动电池作为机车动力的想法始于 19 世纪 20 年代和 30 年代。然而，直到第一台发电机取得成功（在 1860 年至 1870 年之间），电动铁路系统才取得了重大进展。德国发明家恩斯特·维尔纳·冯·西门子通常被认为是第一个在 1881 年建造商用电动铁路原型的人，但该系统存在一个重大设计缺陷，经常会使路人和动物触电，因为电力通过轨道传输。英国发明家莱奥·达夫特还提出了基于拖拉机的有轨电车模型，该模型在 19 世纪 80 年代后期在美国的一些城市使用。随后，比利时裔发明家查尔斯·J·范德普尔开发了架空电线。然而，工程师弗兰克·J·斯普拉格通常被认为是现代电动有轨电车在美国和国外发展和扩展的功臣。斯普拉格的工作重点是将纽约的交通系统从蒸汽动力转换为电力。他的实验得出了弹簧安装、双齿轮传动电机、独立转向架的方案。这些“独轮车式”安装后来彻底改变了有轨电车行业。^[1]

电动汽车在技术上是可行的想法，但在经济上却很不切实际，因为与发电相关的成本以及电力传输和存储成本很高。^[5] 直到爱迪生等人开发了电网，电力才能真正应用于有轨电车。

运营影响

尽管马拉的有轨电车最初很受欢迎，但人们还是努力改进其低速、乘坐不舒服、成本高昂和肮脏的缺点。许多交通公司开始用骡子代替马匹来拉有轨电车，因为骡子通常更便宜，喂养成本也更低，而且强度仅略微逊于马匹。^[1]

蒸汽动力有轨电车投入使用后，其使用也受到了限制，因为一些城市禁止在城市街道上使用蒸汽机。这最终导致了电力有轨电车系统的建立。亚特兰大商人乔尔·赫特是第一个在佐治亚州做到这一点的人。他决心找到一个解决城市东部边缘交通不便问题的方案，他对斯普拉格在电力牵引方面的成功非常感兴趣。亚特兰大第一条电力线路于 1889 年 8 月开始运营，有 3 辆有轨电车维持着每 30 分钟一班的定期往返班次。在赫特取得成功后，佐治亚州各地很快便成立了更多电力有轨电车公司。^[1] 许多公司整合为一家，促进了向更新、更好的技术发展，但也使得系统更加统一，网络更加完善，连接性更强。

有轨电车系统的流行也产生了对更大的车厢运载能力的需求。通过用重型八轮钢制车身取代当时四轮木制车架的有轨电车来解决这一问题。

市场发展

早期市场发展和细分市场

直到 19 世纪 90 年代，格鲁吉亚许多大中型城市都有多条由不同公交公司建设的轨道线，而较小的城镇则只有几匹马或骡子以及几辆二手客车。1888 年，斯普拉格的电动有轨电车取得成功，导致了电气化轨道的爆炸性增长。在他取得成功之前，美国只有 86 英里的轨道实现电气化。到了世纪之交，超过 22,000 英里的轨道实现了电力驱动。 1895 年至 1915 年间，电动铁路的快速部署使其在成本上明显优于之前的系统。有轨电车相对于马车节约的成本估计约为 20%。 电车的大小和服务频率也根据其服务市场进行了调整，电车迅速取代了有轨电车市场，除了在丘陵地形中使用有轨电车外。

从 19 世纪末到第一次世界大战之间的一段短暂时期，农村和城际电动铁路服务开始出现。这些服务通常被称为城际铁路，它们是更重、更快的电动线路。它们通常作为城市公共交通服务延伸至郊区。它们服务于远离市中心的人口不断增长的利基市场。该系统为乘客提供了一种比大型铁路公司更便宜的替代方案。这是因为大型铁路公司正转向更有利可图的长途客货运输服务，而不是通勤服务。

功能增强

在乔尔·赫特在亚特兰大建立第一条电气化有轨电车线路后不久，他就开始着手将该城市许多大型的交通系统整合到他的控制之下。这些公司大多是老牌公司，无力（或不愿）投资于电力牵引所需的巨额基础设施。通过这样做，赫特开始服务于亚特兰大已经存在的对有轨电车的需求，但他将所有线路转换为电气化的举措旨在更好地为他们服务，使旅行更快、更安全、更可靠。

政策

实施

与 19 世纪和 20 世纪初的大多数公用事业企业一样，例如燃气照明和运河，有轨电车系统完全由私人公司融资。

在 19 世纪后期，人们强烈希望摆脱对马匹和其他动物的依赖，无论是个人交通还是公共交通，原因多种多样。其中一个主要动机是与持续的饲料和马厩成本以及马匹的短工作寿命和工作时间（尤其是对于有轨电车）相关的巨额成本。与动物密切接触导致疾病的高风险也是一个强劲的驱动力。因此，从动物及其饲料到化石燃料作为能源的转变变得更加合理，并得到广泛接受。

铁路式服务和有轨电车的兴起将其他服务挤到了边缘。然后，公共政策确保有轨电车系统获得特许经营权，并由城市特许经营，以指导安全、服务和票价。市政府对大多数有轨电车系统实施了统一票价政策，票价通常为五美分。尽管这种票价限制在早期没有问题，公众也利用了这种越来越低的成本，但在第一次世界大战后，由于物价大幅上涨，市政府禁止任何票价上涨。当交通工人联盟开始要求改善工作条件和提高工资时，这个问题变得更加严重。 这些劳资纠纷导致多年来全国各地发生大量罢工，1954 年匹兹堡的一场罢工持续了 56 天。

有轨电车生命周期

诞生和增长

北美各地城市有轨电车系统的增长和发展与 19 世纪工业革命带来的广泛技术和社会经济变化密切相关。 在铁路和运河的帮助下，蓬勃发展的工业化产生了巨大的城市人口增长。这也导致了大量人口流离失所，人们从农村地区涌入拥挤的城镇寻找工作。

拥有有轨电车线路对不断发展的城镇至关重要，并且往往导致新城镇的建立。较大的系统最终也将其自身系统扩展到郊区。 在佐治亚州亚特兰大（1902 年），该市允许将所有有轨电车、电灯和蒸汽动力公用事业合并到一家公司——格鲁吉亚铁路和电力公司的控制之下。这是美国各地城市的一种常见现象，它推动了有轨电车系统的发展，通常会导致冗余的线路被废弃，而更有利可图的线路则被升级并进行双线改造，以提高服务效率。

成熟和衰退

由于工资和材料成本上涨，许多有轨电车企业在第一次世界大战期间和之后陷入财务困境，导致系统增长放缓，并出现了一些成熟现象。他们还受到许多政府实施的“锁定”政策的困扰，这些政策迫使他们遵守市政特许经营权规定的固定票价，并阻止他们适应不断变化的市场和竞争环境。这种特许经营协议还意味着，尽管州政府通常补贴了高昂的建设成本，但任何线路的延伸对拥有公司来说在财务上都是不可行的。这意味着有轨电车公司往往被锁定在使用昂贵且经常失败的线路中。同样的特许经营协议也对铁路运输部门征收了沉重的税收负担，而公交公司则没有这种负担。当允许票价上涨时，汽车的使用已经开始普及，同时还有更多的公交系统。

1900 年，格鲁吉亚只有 80 辆注册机动车，但到 1905 年，这一数字已增至 780 辆，到 1910 年，这一数字激增至 4,490 辆。 这也带来了意想不到的挑战，即无证出租车运营商，被称为“吉普尼”，他们占据了城市街道，与有轨电车争夺乘客票价。

早在 1920 年，格鲁吉亚全州各地的城镇，如盖恩斯维尔和奥尔巴尼，都已完全停止了无利可图的线路，到 1930 年代，大多数城镇和城市都引入了公交服务。

运营成本增加、票价收入下降、汽车的普及以及糟糕的交通政策导致了有轨电车系统的消亡。交通政策通常是更大政策的一部分，例如公共服务、经济复苏和城市规划，也许会引发政策问题，而解决方案（例如取消票价限制）来得太晚。公共部门和私人部门之间的分隔，加上大量公司分别运营，可能导致了一个缺乏统一性且规划不善的系统。

尽管公交车和汽车取代了对有轨电车系统的需求，但大多数现代社会正在回归这一概念，因为随着轻轨系统的普及，道路拥堵和前往市中心的通勤人数不断增加。然而，与围绕有轨电车系统建设郊区不同，现在的需求更多的是为已存在的郊区和城镇提供更好的交通系统和铁路线路。

模型分析

模型概述

运输方式，与大多数科技进步一样，遵循着一个诞生、增长、成熟，有时还会衰退的趋势。这个生命周期允许对技术如何随时间推移而变化或进步进行建模和预测。位于佐治亚州的有轨电车系统从 1894 年到 1920 年被跟踪和记录，并用逻辑函数来模拟这种运输方式预测的生命周期。

定义模型

使用以下公式的三参数逻辑函数来计算模型；

$S(t)=\left({\frac {K}{[1+e^{(-b(t-t_{0})}]}}\right)$

其中

• $S(t)$ 是状态度量（例如轨道里程）
• $t$ 是时间（年）
• $t_{0}$ 是拐点时间（达到 ${\frac {1}{2}}K$ 的年份）
• $K$ 是饱和状态水平
• $b$ 是一个系数

由于所用数据的可用时间范围有限，这意味着并非所有生命周期的方面都对每个系统（例如蒸汽、燃气、电力等）进行了测量/预测，因此 $K$ 和 $b$ 的值必须使用普通最小二乘回归过程来估计。使用以下公式的单变量线性回归系统用于估计相关系数；

$Y=bX+c$

其中

• $Y=LN\left({\frac {Miles}{K-Miles}}\right)$
• $X=$ 年份

模型分析

在 1894 年至 1920 年间，佐治亚州发现使用了四种不同的有轨电车系统，分别是马匹或骡子牵引、蒸汽动力、电力和燃气/汽油发动机动力的有轨电车。尽管电池动力是某些系统中使用的另一种方法，但在这一时间范围内该地区没有发现这种方法。总体分析在这些系统之间进行了细分，但是，只有电力系统（以及总体）显示出明显的诞生、增长和成熟趋势。图 1 和表 1 显示了所有有轨电车系统总的测量和预测轨道里程图，以及估计的参数。

图 1

变量	描述	价值
$K$	估计饱和度	550
$b$	系数	0.1388
$t_{o}$	拐点时间	1901

表 1：整体系统参数

所有系统的总里程显示出明显的趋势，说明了生命周期的增长和成熟阶段。但是，研究时间段没有足够早或足够晚，无法显示明显的诞生或衰退阶段。

电力系统 显示实际（测量）里程和预测里程的图表，以及分别用于模型的参数，见下图 2 和表 2。

图 2

变量	描述	价值
$K$	估计饱和度	550
$b$	系数	0.1424
$t_{o}$	拐点时间	1902

表 2：电力系统参数

模型显示，该系统的诞生阶段处于时间段的第一阶段，可能在分析日期之前开始。然后，显示增长阶段约为 1894 年至 1902 年，此时增长率正在增加，而成熟阶段被认为是在拐点（1902 年）之后，此时增长率开始下降。电力系统显示出明显的 S 形曲线，并展现出系统的清晰增长和成熟，但是可能没有足够延展，无法看到明显的下降趋势。

燃气系统 显示实际（测量）里程和预测里程的图表以及模型使用的参数分别可以在下面的图 3 和表 3 中看到。

图 3

变量	描述	价值
$K$	估计饱和度	1000
$b$	系数	0.3289
$t_{o}$	拐点时间	1915

表 3：燃气系统参数

燃气系统的模型没有反映出与电力系统相同的 S 形曲线形状。可以看出，实际诞生阶段始于 1911 年左右，增长始于 1915 年。该系统开发的时间晚于佐治亚州的其他系统，在研究的时间范围内，似乎没有成熟阶段。下文分析了该模型的准确性。

蒸汽系统 显示实际（测量）里程和预测里程的图表以及模型使用的参数分别可以在下面的图 4 和表 4 中看到。

图 4

变量	描述	价值
$K$	估计饱和度	70
$b$	系数	-0.0596
$t_{o}$	拐点时间	1865.6

表 4：蒸汽系统参数

蒸汽系统的模型也没有反映出与电力系统相同的 S 形曲线形状，也没有反映出燃气系统的增长。该系统显示的趋势是在整个研究期间都在下降。尽管有轨电车的总里程数在增加，但蒸汽系统正在慢慢被更现代的系统所取代，这解释了这种下降现象。下文还分析了该模型的准确性。

马拉系统 显示实际（测量）里程和预测里程的图表以及模型使用的参数分别可以在下面的图 5 和表 5 中看到。

图 5

变量	描述	价值
$K$	估计饱和度	100,000
$b$	系数	-0.0888
$t_{o}$	拐点时间	1798

表 5：马拉系统参数

马拉系统的模型反映出与蒸汽系统相同的下降趋势，与燃气系统或电力系统不同。尽管有轨电车的总里程数在增加，但与蒸汽系统一样，马拉系统正在慢慢被更现代的系统所取代，这解释了这种下降现象。下文还分析了该模型的准确性。

模型准确性

每个系统的实际数据以及预测模型似乎都对每个系统的趋势提供了一个较为准确的了解。最准确的可能是电力系统，因为它涵盖了该系统合适的时限，显示了该系统的诞生、增长和成熟。燃气/汽油系统的模型也清楚地显示了诞生和增长趋势，但是没有显示生命周期的任何其他阶段，因为它只在研究期结束时被引入。最不准确的模型是马拉系统和蒸汽动力系统的模型。很难为这些系统建模，因为它们是在研究期之前引入的，并且正在以不同的速度慢慢被其他系统取代。马拉系统模型的不准确性尤其可以通过 K 值或 100,000 看出。尽管该参数的值通过反复试验和回归分析得出了最适合数据的模型，但佐治亚州的有轨电车马拉轨道里程数接近 100,000 英里是极不可能的，甚至是不可能的。

模型不准确性的其他可能原因包括数据源。有些年份的数据缺失，需要插值，虽然数据收集自可靠的来源，但各公司多年来的数据似乎也存在一些差异，这可能会影响模型的准确性。系统模型的回归结果见表 6。

系统	R 平方	标准误差	t 统计量（b）	P 值（b）
组合	0.91338	0.3336	15.9083	2.998E-14
电力	0.8763	0.4111	13.0384	2.2E-12
燃气	0.6545	0.7190	3.6411	0.0083
蒸汽	0.5652	0.2720	-4.8372	0.000132
马拉	0.7689	0.2090	-7.0653	3.839E-06

表 6：回归结果

R 平方值决定了模型的拟合度，较高的值表明较高比例的点落在回归线上，理想值为 1。组合数据、电力系统和燃气系统的模型都具有相当高的 t 统计量值（超过 2），表明该变量在 95% 的置信水平下具有更大的统计意义。电力系统（以及总系统）的 P 值也远小于其他系统，表明估计系数更加准确可靠。