交通部署案例集/2020/俄克拉荷马州有轨电车
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“有轨电车”这个词在今天可能不是一个广为人知的交通方式。有些人可能只在提及田纳西·威廉姆斯的话剧《欲望街车》时听说过这个词，该剧背景设定在 1947 年，当时有轨电车在新奥尔良法式区“欲望线”上穿梭。但在 20 世纪初，北美使用的“有轨电车”一词，指欧洲人可能称之为“电车”的东西，曾经是美国数百个城市和城镇的主要交通方式。
有轨电车是一种沿着街道铺设的金属轨道运行的客车，由电力驱动。它通常在城市地区使用，主要用于运送乘客。剑桥词典将有轨电车定义为“一种通常在城市运行的电动车辆，用于运送乘客，沿着道路上的金属轨道行驶”。
这种交通方式的本质技术是使用电力来牵引轨道引导的有轨电车。1870 年发电机和电动机技术的进步导致了电力生产和输送的改进，这是轨道引导的有轨电车的必要组成部分。有轨电车系统的其他重要技术特征包括大约 1880 年由弗兰克·斯普拉格发明的架空电线，以及由查尔斯·范德普尔在 1886 年发明的用于将电力从架空电线输送到有轨电车牵引电机的滑触线。
在有轨电车实施之前，客车在与街道齐平的轨道上行驶，由马匹牵引。蒸汽动力也曾用于驱动这些客车。与这些替代的公共交通方式相比，电动有轨电车的引入具有相当大的优势。使用马拉铁路对马匹来说是繁重的体力劳动，需要它们保持健康，免受疾病的侵害。此外，购买马匹及其运营成本，如饲料，对运营商来说是一笔可观的费用。使用蒸汽在这些相同的轨道上推动客车被社区认为太吵，并产生了不可接受的污染水平。此外，蒸汽驱动的发动机有时不可靠，客车在轨道上抛锚，没有动力。与这两种交通方式相比，有轨电车的优势在于它们产生的噪音和空气污染更少，不依赖动物的健康状况，并且能够服务于更远的距离。
最近，北美一些城市的有轨电车重新流行起来。现代有轨电车比城市公交系统有几个优势。今天的有轨电车由多个客车组成，乘客容量比公交车更大。有轨电车不易受到交通中断的影响，因为它们沿着专用轨道行驶，不像公交车那样行驶在与许多其他车辆共用的车道上。有人认为，由于有轨电车有专门的轨道，以及至少三个门的通道，可以快速下车，因此它们更有可能按时运行。当然，有轨电车也会延误，尤其是在交叉路口，当道路车辆可能阻挡轨道时。有轨电车还可以带来在指定站点周围激励经济发展的优势。由于更多的人能够轻松地到达某个地方，因此该枢纽的经济活动可能会蓬勃发展。最后，有轨电车通常被认为能够提升城市的审美效果。许多游客都喜欢有轨电车，这提高了旅游业以及城市的形象。
在本世纪之交，美国工业化东北部和农业中西部的城市人口激增。经营有轨电车线的企业意识到城市人口的激增，以及电力比马匹牵引更便宜的事实。乘客票价很低，导致乘客人数增加，这使运营商能够扩大他们在城市中的铁路网络。有轨电车的主要市场仍然是服务于城市通勤者，但它们也可以服务于费城等地的旅游市场。
在电动有轨电车系统出现之前，主要的交通工具是马匹。1827 年，第一条“马车巴士”服务在美国纽约市开始运营。这种交通方式实际上是一辆大型封闭的马车，能够容纳约 20 人，由马匹牵引。这大约是法拉第发明第一个基本电动机的时候，远早于电气路灯的引入。街道在晚上使用煤气灯照明，而且通常状况很差。随着 19 世纪中期道路质量的提高，这种交通方式发展壮大，成为美国最常见的交通方式。这种交通方式的局限性包括运营马厩的高成本、马匹到达目的地所需的体力以及马匹容易患病（例如马流感）。从乘客的角度来看，这种交通方式意味着在铺满不规则鹅卵石的道路上很不舒适的旅程。
马车巴士的现有局限性激发了乘客对更舒适的交通体验的兴趣。1832 年，一种名为“马拉的有轨电车”的新的马车运输发展在纽约市开始运营。这实质上是现有的马车巴士服务，只是马车行驶在铁轨上而不是鹅卵石路上。这使得马匹的力量得到更有效利用，因此可以运输更多的乘客。此外，由于马车车轮行驶在光滑的铁轨上，乘客的乘坐体验也更加舒适。
1870 年蒸汽机的引入，标志着马匹牵引的结束。机车驱动车辆行驶在以前由马拉的有轨电车使用的轨道上。这些在城市里并不受欢迎，因为蒸汽电车噪音大且污染严重。发明电动有轨电车的最后前身是有轨电车。它使用滑轮和绳索拉动马车，由于其速度快且没有空气污染，深受公众欢迎。然而，有轨电车也存在安全隐患，因为移动的电缆和滑轮以及在电缆磨损或断裂时发动机难以停止。
不断变化的市场
[edit | edit source]由于运营商之间缺乏协调，马拉的有轨电车服务给乘客带来了不愉快的体验，导致运输市场不断变化。马拉的有轨电车服务有许多运营商，其中许多运营商只有一条线路。当乘客乘坐多条线路时，他们有时会遇到不便的换乘，并且需要支付双倍车费。考虑到电动有轨电车的投资涉及大量的资金投入，许多运营商决定合并成更大的公司。将小型运营商从市场中剔除确实改善了公众的运输体验。票价实现了统一，时间安排更加合理，协调信息传播更加广泛，乘客发现乘坐不同线路更加顺畅。随着乘客体验的改善，即将推出的电动有轨电车系统的市场需求不断增加。
有轨电车的发明
[edit | edit source]技术专业知识和设计与思维的演变
[edit | edit source]有轨电车的发明借鉴了 1831 年电动机发明后进行的几项实验。正是在这个时候，人们开始研究用于轨道导向车辆的电力牵引。在英国，发明家依靠蒸汽作为动力来源，并在伦敦建造和商业化了几台蒸汽机，但业务却以商业失败告终。蒸汽电车太慢，噪音太大，伦敦公众更喜欢马车巴士服务。蒸汽机技术在世纪后期得到了改进，到 19 世纪 70 年代，蒸汽机在美国开始得到使用，但主要是在农村地区。如前所述，由于蒸汽电车产生的噪音太大，燃烧燃料产生的污染物令人不快，因此在公众和城市当局中不受欢迎。发明家改变了他们的设计，通过引入污染控制系统来减少烟气排放。虽然他们部分解决了污染问题，但这些装置太重，无法安装在最初为马拉的有轨电车铺设的铁轨上。
人们开始转向使用无火蒸汽机。无火蒸汽机依赖于中央工厂产生的高压蒸汽。这意味着机车本身不需要锅炉，从而减轻了重量，消除了烟气污染。然而，这些发动机的最大行驶距离仅为 15 公里，如果发生不可预见的情况（例如交通拥堵或阻塞），它们可能会在路线上某处没汽，这将难以恢复。
在 19 世纪 40 年代和 50 年代，进行了一些实验，使用电池供电的机车，但由于存储电力成本过高，它无法实现商业可行性。大约在同一时间，有轨电车正在伦敦郊区铁路线上使用。滑轮和绳索用于拉动马车。乘客没有体验到污染、噪音或行驶距离有限的问题，有轨电车的速度可以达到 15 公里/小时。到 19 世纪 80 年代，有轨电车在美国许多城市投入使用。在许多方面，有轨电车是缆车和电动机的融合。1893 年，美国大约有 800 公里的有轨电车线路，分布在 16 个城市。事实上，到 1905 年，大多数这些有轨电车线路都被改造成用于有轨电车。这种从电缆驱动技术转向有轨电车电力牵引技术的转变标志着有轨电车的诞生。
有轨电车发明中利用的另一种主要技术专业知识是电动机和通过架空线路进行电力传输方式的显著发展。1883 年，“西门子 & 哈尔斯克”公司建造了第一条电动有轨电车线路，但这条线路通过铁轨本身传输运行有轨电车所需的电力。这存在安全问题，因为对行人构成触电风险。为了解决这个问题，铁轨周围被围上了栅栏，但这并不理想。同一家公司还发明了架空线传输的概念，这项技术促进了有轨电车的演变。
市场发展
[edit | edit source]俄克拉荷马州的早期市场发展
[edit | edit source]有轨电车在美国的早期市场发展主要包括三种情况：（1）电动有轨电车取代现有路线上的马拉的有轨电车；（2）有轨电车取代有轨电车，并安装架空线；（3）建造全新的有轨电车线路。
以俄克拉荷马州为例，在有轨电车引入之前，人们和货物通常由马车巴士运输。与其他州不同，俄克拉荷马州没有现有的有轨电车系统。因此，所有新的有轨电车线路都是新建的，没有利用任何改造的有轨电车线路或马拉的有轨电车线路。总的来说，从 1903 年到 1947 年，俄克拉荷马州的 15 个城市都有有轨电车。俄克拉荷马州的两大系统是恩尼德城市铁路和穆斯科吉电力牵引线。据当地报纸《穆斯科吉每日凤凰报》报道，在第一条有轨电车开通之日，“穆斯科吉已从一个过度膨胀的步行城市转变为一个拥有快速交通的都市”。虽然这个城镇确实有马车巴士服务，但数量有限，等待时间很长。在有轨电车出现之前，许多平民不得不步行前往目的地，因为马车巴士服务有限且不可靠。有轨电车填补了这一利基市场，因为它提供了一种经济、便捷的交通方式。
俄克拉荷马州的利基市场和功能增强
[edit | edit source]除了满足公众的运输需求外，俄克拉荷马州的另一个利基市场是货物运输。到 1909 年，穆斯科吉有一条线路为四节货车服务。一个主要客户是 Yahola 沙石公司，它需要将沙石从 Goose Neck Bend 运送到 York 街车站。马车巴士运输无法与有轨电车的运货能力和效率相提并论。马匹很快就疲劳了，而且无法像有轨电车那样快速、远距离地搬运货物。最重要的是，有轨电车货运更经济，因此有轨电车主导了这一利基市场。在有轨电车发展的早期，货运部门的功能增强至关重要，货运活动是有轨电车公司收入的重要来源。在俄克拉荷马州这样的农业州，尤其是在被誉为小麦之都的恩尼德等城镇，服务于这一利基货运市场的有轨电车是一项重要的功能增强。
俄克拉荷马州的功能发现
[edit | edit source]功能发现也在俄克拉荷马州的有轨电车市场发展中发挥了作用。该州过去主要依靠马车作为交通工具。该州没有铺设轨道或电缆，公众也不习惯使用运输线路服务固定目的地。电动有轨电车的引入是对马车服务的重大改进。公众开始享受更舒适的乘坐体验，更大的运载能力，以及更好的时间安排。电动有轨电车交通的低成本为以前不存在的大量市场打开了公共交通的大门。此外，俄克拉荷马州更多地区开始使用公共交通，这在以前使用马车运输是经济上不可行的。
有轨电车诞生阶段的政策与城市快速发展和公众对前往城市地区的旅行需求密切相关。运输运营商于 1882 年成立了美国有轨电车协会，该协会与城市政府就与有轨电车运营相关的政策进行合作。一项从马车时代延续下来并在有轨电车诞生阶段得到创新的政策是线路特许经营权。特许经营权规定了街道服务运营商的权利，并会指示线路、轨道数量和合同期限。特许经营协议存在于马车运营商中，并在引入电动有轨电车后继续执行。许多城市在早期向有轨电车运营商授予永久特许经营权，在美国一些城市，几乎没有限制阻止有轨电车系统的开发。在许多情况下，运营商忽视了任何社区的担忧，架空线路等结构与整体街道景观并不协调。一旦政府意识到有轨电车运营商可以赚钱，各种要求（例如不合理的路面铺设要求）就没有从电动有轨电车特许经营协议中删除。特许经营协议中包括了为铺设费用做出贡献的要求，原因是马蹄对街道造成了损坏。有轨电车运营商会争辩说，电力不会影响路面铺设，因此应删除这一要求。将此要求纳入政策是政府对有轨电车运营商的一种间接税收形式，这种税收得到了政府的批准，并在全美范围内成为标准。
马车使用的车费是价值最小的五美分硬币，即五美分。政府希望单一车费，并借鉴了这一政策，用于新的有轨电车交通系统。运营商在此诞生阶段同意接受标准的五美分车费，以换取永久特许经营权，例如 999 年的特许经营权。这一政策被嵌入特许经营权中，运营商被“锁定”到这种普遍的五美分固定车费政策中。
电动有轨电车在美国经历了高速增长。一些城市的增长远远早于其他城市。例如，弗吉尼亚州里士满的系统于 1888 年开始运营，当时有 10 辆有轨电车，而俄克拉荷马州的运营开始于 1903 年，要晚得多。从 1890 年代到大约 1910 年，是有轨电车在美国蓬勃发展的时期。据估计，美国城市轨道的长度在 1880 年为 2,050 英里，到 1890 年增加到 5,783 英里。在此期间，许多美国城市经历了高度工业化。农村移民以及涌入的欧洲移民被吸引到城市工作。政府政策鼓励有轨电车网络的发展，以服务于仍然靠近城市的工人阶级，以及居住在城市主城区以外的中上层阶级。该网络从中央商务区向外扩展，延伸到正在形成的郊区。这些郊区沿着主要街道发展，使中产阶级能够购买房屋，同时方便地前往市区的上班地点。
私营部门，尤其是房地产投机商，为有轨电车系统的增长做出了贡献。土地投机者会投资于有轨电车运营，然后建造通往他们土地的新线路。他们的想法是吸引人们到这些土地上进行开发。电力公司等其他私营部门也被吸引到有轨电车运营业务，因为他们看到为从城市辐射出去并由有轨电车服务的土地提供新开发的路灯技术和家用电力的利润丰厚回报。
当时的政策环境确实影响了政策制定。政府一直认为有轨电车系统是私人投资，因此属于不受政府援助的私营企业。虽然 5 美分车费可能足以维持有利可图的有轨电车运营，但在世纪之交，通货膨胀仍在迅速上升，车费收入不足以维持有利可图的运营。
到 1920 年，大多数在美国城市运营的有轨电车是四轴车，而不是在第一次世界大战之前占据市场主导地位的双轴车。有轨电车成熟阶段的进一步设计变化包括用封闭式车厢取代敞开式车厢。在 1930 年代中期，有轨电车进行了进一步改进，以降低噪音，改善悬挂系统、加速和制动性能。这些后期的改进是为了挑战其竞争对手的舒适性，即公共汽车和汽车。
到 1920 年，大多数有轨电车运营商都面临着财务困境，美国总统威尔逊成立了联邦电力铁路委员会，以研究公共交通系统的问题。“锁定”的五美分车费是制约这种交通方式适应性的一个因素。在增长阶段，有轨电车运营商一直无法提高车费以抵消通货膨胀。在 1895 年至 1910 年的 15 年间，工资上涨了 105%，而其他运营成本（如铁路）上涨了 239%。委员会确实建议提高车费，但这为时已晚，而且不足以更换过时的滚动设备或维护那些在战争时期被忽视的轨道。
市政公共政策不授予有轨电车独立的路权，而且缺乏财政支持，使得有轨电车的生存变得非常困难。在 1920 年代和 1930 年代，有轨电车运营商感受到了来自公共汽车和汽车等替代交通竞争对手的压力。
其他竞争力量来自通用汽车、固特异和埃索石油组织的国家城市线路联盟。该联盟的目的是形成一个垄断，使公共汽车和汽车主导交通市场，并有效地从联盟成员那里购买产品。当该联盟收购了多个城市中现有的有轨电车公司，然后逐渐减少车队的维护和升级时，这种情况就实现了。
有轨电车应作为改善公众进入该地区的交通方式。如今，任何有轨电车发展的机会都应牢记这一点。有轨电车的发展充满了关于由土地投机商、公用事业公司和汽车行业影响者资助的交通公司的故事，他们利用投资作为一种巧妙的牟利方式。因此，今天的有轨电车发展如果作为综合交通总体规划的一部分由政府拥有和控制，将得到最好的服务，因此也是公共利益。政府将补贴升级机车车辆和维持运营所涉及的高昂成本。他们需要与公众密切合作，以确定合适的路线和公众接受度。发达城市中有多种交通方式，包括火车、公共汽车和现在的拼车服务。从环境的角度来看，有轨电车很有吸引力，并且可以巧妙地融入城市规划。但是，由于现有的交通选择，预计的公众对有轨电车服务的接受度，土地征用成本和政府长期以来的交通偏好，引入城市可能会存在问题。
俄克拉荷马州有轨电车系统的实际长度（以英里为单位）记录自 1894 年至 1920 年的麦格劳电力铁路手册。重要的是要注意，俄克拉荷马州在引入电力有轨电车之前没有铺设任何轨道。记录表明，有轨电车系统于 1903 年在俄克拉荷马州开始运营。
在记录了该州每个系统的轨道长度后，对它们进行汇总以获得俄克拉荷马州在特定年份的总轨道长度。此数据可以在表 1 中看到，并在下面的图 1 中绘制。
| 年份 | 轨道长度（英里） |
|---|---|
| 1903 | 7.250 |
| 1904 | 10.790 |
| 1905 | 21.500 |
| 1906 | 118.000 |
| 1907 | 134.230 |
| 1908 | 197.900 |
| 1909 | 208.300 |
| 1910 | 176.500 |
| 1911 | 213.050 |
| 1912 | 226.210 |
| 1913 | 236.424 |
| 1914 | 258.588 |
| 1915 | 270.070 |
| 1916 | 312.434 |
| 1917 | 325.094 |
| 1918 | 329.094 |
| 1919 | 386.820 |
| 1920 | 392.820 |
表 1：俄克拉荷马州的轨道长度（英里）
然后使用数据来估计一个三参数逻辑函数，以获得最适合数据的曲线。有轨电车系统的这种生命周期模型可以使用以下三参数逻辑方程来表征
S(t) = Smax/[1+exp(-b(t-ti)]
其中
- S(t) 是状态度量（铺设的轨道）
- t 是时间
- ti 是拐点时间
- Smax 是饱和状态水平
- b 是一个系数
使用数据并在执行一系列回归后，计算出 ti、Smax 和 b 的参数。这些参数如表 2 所示
| 变量 | 值 |
|---|---|
| ti | 1911.462 |
| Smax | 405.0 |
| b | 0.346364 |
表 2：S 曲线参数
使用表 2 中的参数，应用逻辑函数方程以生成最佳拟合曲线。这可以通过图 1 中的 S 曲线看到。该模型帮助我们了解事物的可能发展方式，但并非完全可靠的现实表示。该模型可以针对不同的饱和状态水平进行拟合，其中一个饱和状态水平将最适合数据，但这是此预测模型的局限性。需要注意的是，某些年份的数据缺失，需要进行插值。这可能会对模型的准确性产生轻微影响。
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对 1903 年至 1920 年俄克拉荷马州电力有轨电车系统实际长度的绘制表明，在 1905 年至 1909 年期间出现了增长，然后在接下来的一年（1910 年）出现了急剧下降。从大约第一次世界大战前时期到 1920 年，实际结果仍然显示增长，但增长速度正在减缓。
S 曲线突出表明，有一个非常短暂的孕育阶段。这可能是因为有轨电车在 1903 年才出现在俄克拉荷马州。它自 1890 年代以来就在美国许多其他大城市中投入商业运营。S 曲线显示，俄克拉荷马州有轨电车系统在该州推出后不久便出现了指数级增长，直到拐点年份（即 1911 年）。拐点年份是有轨电车系统发展速度最快的年份，也是S曲线凹凸变化的年份。S 曲线表明，大约从 1904 年到 1911 年是一个增长时期。
从 1911 年开始，S 曲线表明，随着它进入成熟阶段，经历了指数级下降，一直持续到 1920 年。
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