交通部署案例集/2021/肯塔基有轨电车

有轨电车是指在街道上行驶的车辆。在大多数情况下，有轨电车运行的目的是为了确保城市内的人员短途流通，并优化车辆和基础设施。一般来说，有轨电车路线在共用车道上运行，而一些有轨电车则在隔离的街道上运行。自美国内战以来，有轨电车的出现为许多城市居民提供了一种快速高效的交通方式，可以从一个地方运输到另一个地方。北美的人们将有轨电车称为“无轨电车”，而不是“电车”（欧洲的名称），这最初来自斯普拉格在里士满开通的无轨电车铁路，并迅速扩展到整个北美。

技术特点和主要市场

有轨电车的供电系统通常需要架空接触网和电动机。有必要在地面上铺设固定轨道，以便有轨电车移动。这种运输系统通常被归类为轻轨运输系统。在 1888 年之后，许多城市主要使用电力来驱动有轨电车。电力主要通过在街道上方安装一根电线来获得，电线连接着可以接触到有轨电车车顶的长杆。电线将连接到电力网，电力网的动力来自蒸汽机驱动的发电机。这反过来将为有轨电车提供电力。

有轨电车的兴起与城市化的进程密切相关。生活在城市里的人们逐渐发现，他们的居住地距离他们的工作地点很远。这也使得这些地方无法步行到达。因此，有轨电车的出现增加了当时的出行可达性。一些房地产开发商在有轨电车线路附近建造了郊区。有轨电车系统快速发展，使越来越多的人能够住在城市外，每天上下班通勤。

其他模式的压缩和演变

直到 19 世纪 30 年代，大多数人的唯一交通方式是步行。大约在那个时期，乘坐马车不再是富人的特权，越来越多的中产阶级开始使用公共汽车。使用这种交通系统上下班的人数增加，导致城市扩张。从 19 世纪 20 年代到 19 世纪 80 年代，北美城市交通中的马车公共汽车开始在各个城市的街道上运营。速度只有每小时几英里。

有轨电车是对公共汽车的一项重大改进。虽然马匹拖曳着最初的有轨电车，但新设计让有轨电车能够沿着位于街道中央的固定轨道滚动。这种设计的优势在于它是在轨道上运行的。钢轮比在普通道路上行驶的木轮能量损失更少。这使得一匹马能够拉一辆更大的有轨电车，并运载更多的乘客。当时，有轨电车的载客量大约是公共汽车的三倍。乘客使用有轨电车的体验通常比使用公共汽车更舒适。此外，有轨电车较低的运营成本也为乘客带来了更便宜的交通费用（通常使用有轨电车是 5 美分，而使用公共汽车是 12 美分）。然而，有轨电车仍然存在很多问题。主要原因是任何动物都只能在一定时间内工作。同时，马匹需要吃大量的饲料，平均工作寿命不到 5 年。

自 1873 年以来，为了找到一种能够有效替代有轨电车的有轨电车系统，第一辆缆车在旧金山成功进行了测试。从那时起，缆车成为一种交通工具。一根移动的钢缆拉动缆车，沿着固定轨道行驶。缆车比有轨电车更便宜、更稳定，但它也存在缺陷，因为缆车始终有断裂的风险，而维修和更换也是一个复杂而昂贵的过程。有轨电车动力的创新并没有停止。经过多次测试和实验，弗兰克·朱利安·斯普拉格在 19 世纪 80 年代成功地将电力作为动力来源，彻底改变了整个有轨电车市场。这是电力第一次成功地大规模用于运行整个城市的无轨电车系统。这主要依靠在远离实际车辆的“电力”地点提供电力。然而，一些新的缆车线路仍在计划中。但到 1890 年，建造成本更低、操作更简单的电力铁路开始成为常态。据估计，修建一条缆车线路的成本是修建一条无轨电车的两倍，而运营一条缆车线路的成本是运营一条有轨电车的六倍。

有轨电车的发明

从 19 世纪 40 年代开始，人们就有了用电流驱动车辆的想法。但当时还没有实际的方法来产生足够的电力，而使用电池供电的实验在可行性方面也失败了。最终，弗兰克·朱利安·斯普拉格（1857-1934）成功地将电力系统应用于有轨电车。值得一提的是，他在垂直和水平交通方面都取得了卓越的成就。早在 1881 年 10 月 4 日，斯普拉格就获得了他的第一个专利，“电动机”，并申请在著名的巴黎电力展览会上展示，但被拒绝了。在爱迪生工作期间，斯普拉格协助爱迪生安装和操作三线式电灯系统。由于他对爱迪生专注于电灯开发感到不满，斯普拉格对电力很感兴趣。大约一年后，斯普拉格在第二年从爱迪生公司辞职，并在 1884 年创办了斯普拉格电力铁路与电机公司。

然后，他在费城举行的国际电力展览会上首次展示了他的发动机。这种发电机可以长时间持续工作，并在不同的负载下运行。到 1886 年，斯普拉格公司有两项发明为未来大型电力铁路奠定了基础。它们是固定恒速无火花电机和再生制动器，用于再生电力或将其返回到电力驱动设备的主供电系统。这种设计不同于传统的制动系统。在传统的制动系统中，由于制动器的摩擦，多余的动能被转换为多余的热量或废热。然而，在制动过程中，牵引电机的连接方式会发生变化。

早期市场发展

1880 年，不到 30% 的美国人居住在城市环境中。然而，当第一次世界大战爆发时，这一数字跃升至至少 50%，因为工业工作吸引了移民劳动力和该国农村人口进入城市。1890 年，有轨电车线路开始促进各种规模城市的郊区发展。在一些较老的城市中，电力铁路迅速取代了马车，使交通线路能够向外延伸，并大大扩展了住宅开发用地。开发首先发生在由有轨电车连接的偏远村庄，其次发生在沿有轨电车线路的新住宅走廊。

对于莱克星顿的中产阶级

莱克星顿在 1800 年是一个步行城市。大多数城市人口居住在市中心一英里或两英里范围内，这使得住在周边乡村的人很难到达城市。莱克星顿在该镇进行的第一次公共交通尝试是在 1874 年完成的，当时两辆公共汽车缓慢地穿梭于伍德兰公园和市中心的公墓之间。随着有轨电车的出现，城市的扩张加速了，尤其是对于中产阶级来说，他们开始迁移到城市边缘。由于普通铁路不在城市核心区域，有轨电车的建设为市民提供了往返工作场所的便利方式。

对于路易斯维尔南方博览会

1854 年，阿尔弗雷德·维克多·杜邦和比德曼搬到路易斯维尔，在不断扩张的美国西部寻找财富。他们投资了各种企业，但在 1866 年购买了一条由骡子拉动的有轨电车线路，从而形成了一个区域有轨电车系统。1883 年 8 月 1 日，南方博览会由总统切斯特·A·亚瑟组织，于四年后的 1887 年结束。一条电力铁路将游客带到博览会场和中央公园。此后，路易斯维尔拥有该国最好的有轨电车系统之一，有轨电车的数量至少是同等规模其他城市的兩倍。到 1890 年，大多数有轨电车都是电力驱动的，由路易斯维尔铁路公司运营。有轨电车穿过城市，与城际线路连接，并延伸到郊区，如杰斐逊镇、奥科隆纳、山谷车站，甚至谢尔比维尔，穿过市中心和附近的社区。

诞生阶段政策

由于有轨电车系统对城市发展产生了重大影响，居住的人口不再局限于市中心；人们可以住在商业中心以外的安静地方，即所谓的“有轨电车郊区”，，并且需要对原始轨道进行管理改进。但它仍然得到市政府和专家的支持。

在正常情况下，有轨电车公司可以从市政府获得特许权，在道路的道路权范围内运营该系统。该市的特许权结构有所不同，但取决于该市目前的收入百分比或固定金额，对该镇的大部分付款可能是单次付款或年度付款。这些特许权通常包含有轨电车公司必须遵循的获得合同的要求，包括轨道和街道维护或固定票价（例如 5 美分）。

增长阶段

内战结束后，整个美国的的有轨电车服务迅速发展。内战前，南方许多地区的民众数量不足以维持有轨电车系统的运营，因此开始更大程度地工业化。这种工业化导致南方城市社区人口增长，紧随其后的是有轨电车的开发。

城际线路的兴起

20 世纪初，路易斯维尔地区有近 100 个有轨电车站。同时，在该市建造了一个高约 60 英尺的高架车站。这个有轨电车系统被称为“天空车站”。有轨电车在这条高架线路行驶。随后出现了城际线路的兴起。该系统主要在城市之间通过有轨电车运营，并将乘客带到城市周围的农村地区。在一些地区，城际线路与主要铁路的定期客运服务竞争，或与蒸汽动力铁路互通。这种系统比蒸汽铁路便宜，频率更高。同时，莱克星顿的有轨电车系统将莱克星顿与肯塔基州中部的蓝草地区连接起来，并与路易斯维尔、俄亥俄州、印第安纳州和整个中西部地区连接起来。建立城际线路的愿望是为了促进人们和货物的便利运输。还有一个原因是：城际线路“增加了农业用地的价值，主要原因是，与蒸汽铁路不同，城际线路可以停靠在乡村的任何地方。

私营部门的作用

与此同时，有轨电车的广泛使用也受到房地产开发的影响。这增加了城市和郊区房地产的价值。因此，莱克星顿当年的城市化进程和有轨电车密切相关，莱克星顿的有轨电车建设受到房地产开发的启发。最典型的例子是，环城土地公司的城市周边房地产开发促使环城铁路公司于 1889 年 4 月成立。“环城铁路”围绕城市，是该公司通过首先将各种铁路连接到莱克星顿来开发城市外围地区的计划的核心部分。

政策问题：固定票价挑战

在莱克星顿，有轨电车公司官员很少提高票价，而是依靠增加乘客数量来获利。有轨电车的票价以每张 5 美分的价格出售给客户。这个价格一直保持到 1917 年。主要原因是房地产投机商知道有轨电车服务可以提高土地价值。有轨电车公司在城市边缘地区拥有房地产权利，即使路线本身不盈利，它们也通过有轨电车连接起来，以刺激发展。

在有轨电车服务的前 30 年里，低票价主要依靠乘客流量的快速增长来确保可观的利润。然而，1917 年以后票价的逐渐上涨，突显了公司高管对成本上升的担忧，而设备本身的成本也很高。票价问题也出现在 1918 年。由于战时通货膨胀，KT&T 和弗兰克福特市议会之间发生了票价纠纷，KT&T 试图将票价提高到 0.06 美元。最后，市议会只批准了一美分的涨价，因为 KT&T 威胁要停止服务。

成熟阶段和衰退阶段

然而，随着 20 世纪的到来，这座城市见证了有轨电车的过度饱和。到 1917 年，该国的电力有轨电车轨道在全国范围内达到约 26,000 英里的峰值。然而，随着亨利·福特开发了移动装配线，越来越多的美国人能够负担得起购买汽车。由于汽车和有轨电车争夺市场，城市街道变得越来越拥挤。这种困境在大萧条时期变得更加严重。有轨电车系统过度扩张，汽车竞争以及其他城镇铁路的负担，以及原始特许经营条款造成的财务问题，都导致了电力铁路系统的崩溃。有轨电车公司被要求缴税并支付额外费用以维护和铺设街道，这使得原本困难的财务问题更加严重。虽然公司管理人员正在考虑解决财务问题，但他们也被迫处理日益严重的劳动力短缺。1913 年 7 月，当地 K T&T 司机举行罢工，随后发生暴动。

另一个问题来自吉普尼，它们是私人运营的车辆，寻找潜在的乘客。特别是，它可以自由地让乘客在更靠近目的地的地点下车，而且成本远低于有轨电车。尽管它只存在了一段时间，并且被法院叫停，因为它没有运营权，但它仍然对整个市场产生了影响。技术上的新奇之处也发挥了作用。由于技术创新，路易斯维尔铁路公司开始使用更灵活的公共汽车。这主要是因为公交系统不需要维护昂贵的轨道，并且可以自由地改变路线和处理障碍，随后在该市建立了电动无轨电车和支线公交路线。与此同时，随着美国越来越痴迷于汽车，有轨电车也被淘汰了。

重生

尽管许多城市已成功规划了轻轨，并在沿线建设了商业和住宅区，但这种类型的交通导向型发展需要足够的人口密度才能驱动。即使是肯塔基州最大的城市路易斯维尔，也很难满足这一要求，因为大多数地区的普查人口不到 10 人。在人口密度低的情况下很难建设新的轻轨，因此发展投资成本更低的现代有轨电车系统将是一个非常有效的解决方案。这将再次成为刺激经济发展、释放经济发展信号和促进步行社区的一种方式。同时，它将有助于周围商业区的开发，因为商店知道有轨电车线路不会像公交线路那样改变路线。同时，与公交车相比，现代有轨电车可以解决城市商业区的拥堵问题，改善空气质量。这主要是因为有轨电车容量大，而且没有柴油。高成本仍然是有轨电车发展模式的致命障碍，但从政治家的角度来看，这种模式首先应该被视为城市商业的驱动力，其次是交通连接，它通过城市的发展产生可观的税收。这是该模式的驱动力之一。

定量分析

根据“麦格劳电力铁路手册——美国有轨电车投资红皮书”，记录了整个肯塔基州有轨电车线路的总长度。在预测有轨电车的总里程时，有必要找到合适的模型。这里主要使用 S 曲线来预测整个系统。首先，通过找到合适的饱和状态来满足 S 曲线公式。这主要使用 excel 表格进行反复试验，执行线性回归以满足 K 值，并使用预期的 R 平方值满足公式的建立。估计值如下表所示。决定系数的值介于 0 和 1 之间。虽然值越大，拟合程度越高。但是，由于有轨电车的总里程在一段时间内呈下降趋势，因此这里只使用增长期的数据进行模拟。K 值略大于最大轨道里程。模型所需的公式在以下公式中记录。

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

肯塔基州有轨电车 1894-1920 年

全州参数表

参数	值
Smax	600 英里
b	0.174928
ti	1904.074
R2	0.908898

其中

• S(t) 是状态度量（例如，乘客公里数）
• t 是时间（通常以年为单位）
• ti 是拐点时间（达到 1/2 Smax 的年份）
• Smax 是饱和状态水平
• b 是要估计的系数

从数据可以看出，整个肯塔基州的有轨电车从 1895 年到 1915 年稳步增长。这主要归因于城际线的兴起以及整个肯塔基州城市化进程的加速。然而，随着 1915 年的临近，有轨电车市场达到了饱和状态，这主要是由于高昂的运营成本，以及，有轨电车逐渐开始从全州市场退出。R 平方的值为 0.9，表明该模型可以很好地拟合。从 S 曲线可以看出，诞生阶段是在 1900 年之前，增长阶段是从 1900 年到 1910 年。这段时期也与城际线的建设时间相符。随着战时通货膨胀和运营成本不断上升，有轨电车市场在 1910 年后进入成熟阶段，最终有轨电车市场在 1915 年达到饱和，并开始下降。