交通部署案例集/2021/印第安纳州有轨电车
有轨电车（北美英语指欧洲的电车）指的是在城市街道上的有轨电车轨道上运行的铁路车辆。[1] 有轨电车通常以单一单元运行，通常由电动机驱动。
该运输模式的主要技术特点是使用电力。自1840年代以来，人们一直梦想着用电流传输来移动车辆，但由于缺乏实际技术来产生足够的电力，因此无法实现。[2] 早期有轨电车先驱弗兰克·斯普拉格 (1857-1934) 对有轨电车技术做出了重大贡献，他的系统在 1888 年在弗吉尼亚州里士满的联合客运铁路 12 英里的轨道上进行测试时，展现出卓越的运行可靠性和财务可行性。[2]
在电动有轨电车诞生之前，公共汽车和马拉电车被用作主要的城市交通工具，动物每天只能工作一定的时间，而且每趟旅程只能承载少量乘客。随着有轨电车的迅速发展，这种交通工具已在美国各地推广。与以前的车型相比，电动有轨电车能够容纳更重的乘客负荷，这极大地降低了乘客每英里的运输成本。较低的票价和更舒适的乘坐体验激发了更广泛的社会群体对公共交通工具的使用。[2]
在有轨电车诞生之前，公共汽车和马拉电车被用作主要的城市交通工具。从 1820 年代到 1880 年代，北美城市街道上开始运营马车客运线路。这种交通工具的设计是在两侧配备了两排木制长凳，坐在长凳上的乘客面面相觑，与公共汽车相比，提供了更加舒适的乘坐体验。
然而，马拉电车的局限性显而易见，因为给定的动物每天只能工作一定的时间。马匹需要昼夜不停地进行饲养、梳理、喂食和照顾，并会产生大量的粪便，导致储存和处理的成本高昂，街道也变得肮脏。此外，马匹有时可能会失控，导致可能发生的严重交通事故。因此，人们渴望找到一种经济高效且便捷的替代交通工具。
市场的不断发展是由于乘客对交通工具的需求体验不佳。由于许多公司运营着马拉电车服务，其中许多公司只有一条线路，乘客通常会遇到转车不便和支付多趟票价的困扰。随着新的电力技术的出现，大型公司兼并了小型企业，在城市地区垄断了服务，并采用公司经营模式来筹集电力基础设施投资所需的资金。[2]
由于乘客和公司对马拉电车的体验不佳，人们渴望找到一种新的交通工具设计技术。随后，第一批由蒸汽驱动的机械有轨电车问世，并用于郊区有轨电车线路。这种蒸汽有轨电车的设计是在车厢内配备蒸汽机，在美国被称为“蒸汽哑巴”。然而，人们很快发现，由于其移动速度缓慢、噪音很大，以及燃料燃烧产生的令人不快的污染，这种技术存在局限性。随后，发明家采取了一些措施来防止发动机排放可见烟雾和蒸汽，包括用焦炭代替煤炭，以及使用冷凝器或过热器来避免可见蒸汽排放。虽然这些措施部分解决了污染问题，但这种有轨电车的主要缺点是发动机空间有限，而且这些有轨电车普遍动力不足。
有轨电车的设计随后转向使用缆索，有轨电车将由一根移动的钢缆沿固定轨道拉动。缆索的移动通常由远离车辆的“发电站”提供。[3] 第一个实用的缆车于 1873 年在旧金山进行了测试，其成功部分归功于有效且可靠的缆索抓取装置的发展，该装置能够在不造成损坏的情况下抓取和释放移动的缆索。[4] 这种缆车能够以更高的速度运行，而且没有产生污染和噪音的问题。缆车在美国许多城市安装，到 1890 年代，在美国 16 个城市已铺设了约 800 公里的缆索有轨电车线路。[3] 但是，由于所需的缆索系统、固定发动机、滑轮以及轨道下方的长地下拱顶结构的成本高昂，缆车遭受着高昂的基础设施成本的困扰。缆车还需要具有高度操作技能和警觉操作员的人员，以避免障碍物和其他缆车。由于缆索在断裂和磨损时不可避免地会损坏，因此需要定期更换整根缆索（通常为几米）。[5]
基于电动机技术和架空线路导电方式的专业知识，乌克兰工程师费奥多尔·皮罗茨基于 1875 年首次发明了电动有轨电车线。[6]
一旦解决电力生产和传输的技术问题，电动有轨电车的发明由于其便捷性和经济性而被迅速采用。在可靠的电动有轨电车开发之后，在大多数地方，成本高昂且维护费用高的缆车系统迅速被取代。[5]
美国被称为步行城市，因为步行是上班的主要交通方式。联邦政府从 1840 年代初开始促进交通基础设施建设。由于印第安纳州在其他城市之前就经历了更高的增长水平，并且在美国铁路行业中一直是全国领导者，因此世界上第一个联合车站于 1853 年 9 月 20 日在印第安纳波利斯印第安纳州的批发区开业。此外，印第安纳州第一条电力有轨电车铁路于 1888 年 8 月 30 日在南本德开通，即拉斐特街铁路。直到 19 世纪 90 年代，印第安纳州许多较大且规模不一的城市都由不同的交通公司修建了多条线路，印第安纳波利斯、里士满、科科莫等地都有有轨电车系统运营。
电动有轨电车的这项新技术带来了大型公司的并购，吞并了较小的企业，垄断了城市地区的交通服务，并采用公司商业形式来筹集投资电力基础设施所需的资金。
联邦政府从 1840 年代初开始促进交通基础设施建设。[7] 这种政策与有轨电车孕育阶段交通需求的快速增长密切相关。特许经营政策是从马车时期开始的，后来发展到电动有轨电车的孕育阶段，特许经营赋予特定公司在特定街道上运营的垄断权。[8] 特许经营的持续使用对于有轨电车来说至关重要，因为公司必须侵占公共道路权以在街道上铺设轨道来运营马车，后来又运营缆车和电动有轨电车。[8] 在 19 世纪 80 年代和 90 年代，交通行业认识到进行重组的必要性，以筹集必要的资金，并为城市公众提供最好的服务，当时，在城市或城市地区，一家垄断的交通公司成为美国交通的标准做法。[8]
5 美分的票价政策是从马车时期借鉴到电动有轨电车系统的。为了换取永久特许经营权（999 年特许经营权），公司在孕育阶段同意了 5 美分的票价政策。通常，一家私营公司根据市政当局颁发的特许经营权经营线路，特许经营权规定了公司可以在哪些公共道路上修建轨道和运营路线，以及其他规定。[8] 然后将该政策嵌入特许经营权中，公司和运营商被“锁定”在 5 美分的政策中。
印第安纳州第一条电力有轨电车铁路于 1888 年 8 月 30 日在南本德开通，即拉斐特街铁路。印第安纳州的电动有轨电车在其他城市之前就经历了更高的增长水平，印第安纳州在美国铁路行业一直是全国领导者。从 1902 年到 1910 年代后期，电动有轨电车取代了美国马拉车的时期，是发展极为迅速的时期。有轨电车客运量在 1920 年代达到顶峰，从海岸到海岸的城市有 11,000 到 17,000 英里的有轨电车轨道。[9]
第一次世界大战后，由于汽车的发明，有轨电车系统开始稳步下降。[10] 在第一次世界大战期间，有轨电车企业由于工资和材料成本上涨而遇到了财务困难。[11] 公司受到几乎所有市政特许经营权设定的固定票价的挤压。政府实施的“锁定”政策也导致了这种模式的衰落，公司被迫遵守市政特许经营权设定的固定票价。这些政策导致公司在经济上无法进行任何线路扩展，导致采用成本高昂且经常失败的线路。后来，即使政府采取了允许提高票价的行动，但到那时，汽车的使用已经普及，许多城市转向了公共交通的公共汽车系统。[11]
由于汽车的广泛使用，许多城市转向了公共交通的公共汽车系统，有轨电车运营商开始感受到压力。公共汽车的直接运营费用略高于有轨电车；但是，维护和轨道建设的巨额费用最终使有轨电车变得不经济。[11] 1930 年代，美国有轨电车开始被汽车和公共汽车稳步取代，这种趋势在 1940 年代和 1950 年代加速。
有轨电车系统的重新发明可以侧重于特定区域的交通运输。凭借现代技术，有轨电车可以提供更大的容量、更高的速度和更舒适的体验。由于轻轨的运营不涉及温室气体的排放，并且提供更好的乘坐体验，因此现在的有轨电车或轻轨通常比公共汽车更受欢迎。
使用三参数逻辑函数来生成和分析模型
S(t)=(K/([1+e^(-b(t-t_0 ) )]))
其中
- S(t) 是状态指标（例如，轨道里程）
- t 是时间（年）
- t_0 是拐点时间（达到 1/2 K 的年份）
- K 是饱和状态水平
- b 是系数
由于里程数是已知的，年份也是已知的，在本例中 K 是未知的。通过对 K 进行多次试验，对 c 和 b 等系数进行了简单估计，从而进行了一系列回归，模型形式如下：
Y=bX+c
其中
- Y=Ln(Miles/(K-Miles))
- X=年份
通过识别来自 McGraw 电气铁路手册的数据，可以获得轨道里程数和关联的年份，并在下表中列出。
| 年份 | 轨道长度（英里） |
|---|---|
| 1903 | 424.5 |
| 1904 | 568.94 |
| 1905 | 690.08 |
| 1906 | 759.28 |
| 1907 | 818.38 |
| 1908 | 915.66 |
| 1909 | 919.97 |
| 1910 | 972.03 |
| 1911 | 1056.82 |
| 1912 | 1009.17 |
| 1913 | 1000.88 |
| 1914 | 1063.54 |
| 1917 | 1060.03 |
| 1918 | 1173.6 |
| 1919 | 1137.5 |
| 1920 | 1177.95 |
使用模型估计方程和进行的一系列回归，估计了 t_i、S_max 和 b 的值，如下所示：
| S_max | 2000 |
| b | 0.077307875 |
| t_i | 1913.223255 |
根据上图，电动有轨电车系统在 1903 年至 1911 年期间持续增长。在 1911 年末观察到一个突然的轻微下降，增长率在放缓，但轨道总里程仍在增长。
增长阶段大约在 1903 年之前，因为印第安纳州在其他城市之前很久就经历了更高的增长水平，并且在美国铁路行业一直扮演着全国领导者的角色。S 形曲线在 1914 年之前大体上接近线性增长，并在 1920 年之前呈下降趋势增长。这可能是由于第一次世界大战期间通货膨胀和有轨电车衰退造成的。
- ↑ “有轨电车定义”。免费词典。2018 年 2 月 19 日检索
- ↑ a b c d 杨，杰。“基础设施：19 世纪和 20 世纪城市美国的公共交通。”牛津美国历史研究百科全书。2015 年 3 月 2 日。牛津大学出版社。访问日期 2021 年 3 月 28 日，<https://oxfordre.com/americanhistory/view/10.1093/acrefore/9780199329175.001.0001/acrefore-9780199329175-e-28>
- ↑ a b 希尔顿，乔治 W. 美国的缆车。加利福尼亚州伯克利：豪厄尔诺斯书籍。（1971 年）。
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- ↑ Pyrgidis.C.N，铁路运输系统：设计、建造和运营。CRC 出版社，2016 年。第 156 页
- ↑ 本杰明，索瓦库尔。“美国早期的交通方式：现代能源政策制定者的教训。”泰勒与弗朗西斯在线，2017 年 3 月 3 日，https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1016/j.polsoc.2009.01.006
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- ↑ 贝尔，隆达。“城市如何再次拥抱有轨电车。”地铁，2017 年 3 月 22 日，https://www.metro-magazine.com/10002970/how-cities-are-embracing-streetcars-once-again
- ↑ 格拉斯，詹姆斯。“印第安纳波利斯交通史上的一个教训：‘我们已经走了一个轮回。’”印第安纳波利斯之星，2019 年 2 月 3 日，https://www.indystar.com/story/opinion/2019/02/03/james-glass-lesson-indys-transportation-history-we-have-come-full-circle/2748776002/
- ↑ a b c 大英百科全书编辑。“有轨电车”。大英百科全书，2018 年 10 月 29 日，https://www.britannica.com/technology/streetcar。2021 年 3 月 28 日访问。