交通部署案例集/2021/德克萨斯有轨电车

城际铁路博物馆 2015 年 10 月 15 日（德克萨斯电力铁路车 360）

德克萨斯有轨电车概述

有轨电车在 19 世纪后期问世，它包括了先进的方法，如马拉、蒸汽、燃气和电力驱动的轨道上车辆，给受其影响的社区带来了许多积极的机会。在被称为轻轨之前，有轨电车对郊区的开发产生了重大影响，并提供了一系列服务，如人员和货物运输。。这些社区和城市内部的新网络被称为有轨电车，它们与行人、马匹以及 20 世纪的汽车共享称为道路的建筑物之间的空间。此外，现有的道路和基础设施的改善以及更多休闲区和这些城市和社区内更快的交通也得到了改善。。德克萨斯州的第一辆有轨电车是在 1870 年代在达拉斯引入的，随后奥斯汀和德克萨斯州的其他许多城市迅速跟进。 

技术特点

有轨电车系统是一种交通方式，它包括在铺设好的铸铁轨道网络上，由单一车辆在道路上以钢轮行驶。由于引入了这些轨道，车辆的容量可以从减少的摩擦中增长，从而为乘客带来更好的乘坐体验。美国早期的有轨电车包括马匹或骡子牵引和蒸汽动力，在发电机问世后，架空线和轨道的电力实施开始了，这导致了电力有轨电车的出现，其容量为 40 人。

主要优势和市场

有轨电车实施后，曾经被称为“步行城市”的城市，现在对被称为郊区的新兴社区有了更好、更便捷的通道。这是因为很容易进入城市工作，远离城市的拥挤。这导致了“美国梦”的新理念，即在郊区组建家庭，拥有更多土地和更大的房屋，并可以方便地到达城市。该系统还方便了货物在城市周围的运输，人们无需依赖当地供应商来获得这些货物。银行和富裕个人开始为这一新的交通网络提供经济支持，从而推动了运输投资的增长。对城市以外的房地产的推广创造了更多财富，加速了人口增长。有轨电车的这一新市场主要存在于中产阶级工人中，这些工人开始定居在被称为郊区的城市郊区。与市中心相比，这些郊区更加宽敞，更加安静。控制这些有轨电车的公司通过根据乘客或货物运输距离收取的费用来获得收入，而高净值个人则看到了该系统可扩展性的潜力。

以前的交通方式

有轨电车之前的交通方式包括美国境内的马拉车、公共汽车和缆车。公共汽车在 19 世纪早期实施并使用，采用马匹/骡子牵引的马车，随后在 19 世纪中期出现了缆车，这种交通方式涉及由蒸汽动力拖车驱动的，在轨道之间引导车辆的缆索。这种交通方式是由安德鲁·哈利迪发明的。存在主要的物流和运行错误，例如缆索卡住或断裂，导致运输线路中断。这些问题通过电力有轨电车的引入得到了纠正，电力有轨电车从 20 世纪初开始取代公共汽车和缆车。在电力有轨电车问世之前，有一种短期存在的早期版本的有轨电车，称为“假引擎”，通常会受到公众的强烈反对，原因是污染和噪音水平高，再加上马匹和骡子牵引的马车造成的损害，导致需要对现有交通系统进行进一步开发。此外，马拉车的使用存在重大弊端，如维护成本高，牲畜疾病风险高，大量废物堆积以及牲畜的使用受到限制。这导致网络效率低下，意味着这些网络需要一种更好的交通方式。这些限制促使人们改进和实施新的马车动力方式，第一个实用的电池驱动电动汽车是由法国和英国发明家制造的；这种电力系统的理念解决了污染和噪音水平过高的問題，并且对这些电动车的进一步开发导致了完全通电的连接的车辆。由于续航里程有限，一种正在开发的汽油动力车出现了，对电力线路和电池的依赖迅速减少了。有轨电车的这一新兴市场帮助运输行业发展，但该行业变得过于局限，政府和企业通过投资和政策推动了发展，促使消费者选择公共汽车和汽车，从而使有轨电车变得更加过时[6]。到 1937 年，美国约 50% 的公共交通网络为公共汽车，并且从大萧条时期开始，对公共汽车的这种新依赖，以及对汽车和铁路网络的使用，变得更加流行，电力有轨电车开始从交通系统中淘汰。

电力有轨电车的诞生

此前，由于马拉的有轨电车被植入到一个不存在的部门，因此很受欢迎。随后，骡子紧随其后，因为它们总体上更便宜，而且与马匹一样强壮。许多向有轨电车其他驱动形式的转变，以及用于机车的电动电池的诞生是在 1860 年代，但最初的想法始于 1820 年代。1881 年，恩斯特·维尔纳·冯·西门子成功地首次商业化实施了电力铁路系统，但安全因素影响了社会对其技术设计的看法，因为电力通过轨道传递，使人和动物触电，这导致了查尔斯·J·范德普尔发明的架空线来为这些电动有轨电车供电。在美国，工程师弗兰克·J·斯普拉格因实施、发展现有系统，尤其是纽约的当前电动有轨电车、弹簧悬挂、双齿轮驱动电机、独立框架车厢而受到赞誉。在美国实施电网后，电力生产、传输和储存使电动有轨电车在任何情况下都易于应用。德克萨斯州的第一条成功运营的有轨电车线路位于奥斯汀，这是一条由马匹/骡子驱动的线路。1891 年，堪萨斯州的一位开发商蒙罗·希普在奥斯汀引入了第一条电车线路，并在随后的 20 年内，随着更多投资者在德克萨斯州建设轨道，这条线路迅速扩张。架空式电动有轨电车的这种扩张迅速在各地推广，而弗兰克·J·斯普拉格于 1888 年推出了第一个实用方法。这种电动有轨电车系统的普及程度不断提高，例如，车厢本身被更轻的木制框架、四轮车取代了钢制车身、八轮车。

市场发展

1897 年，德克萨斯州内的轨道总里程为 192.15 英里，每个城市和城镇都有多家运输公司运营，只有一条铁轨作为他们的股权。此时，电动有轨电车的数量已经是马匹和骡子有轨电车的五倍。20 年后的 1912 年，马匹和骡子驱动的有轨电车被淘汰，德克萨斯州内有超过 1100 英里的电动有轨电车轨道在运行，这种转变是由于电动有轨电车在成本和物流方面的优势超过了马匹和骡子有轨电车。电动有轨电车系统有细分的变体，例如城际电力线，称为城际铁路，为周边地区提供服务，由于铁路网络优先考虑长途旅行的乘客和货运服务，与短途通勤服务相比，城际铁路被证明比铁路网络更赚钱。进入电动有轨电车时代，与之前的有轨电车（如马匹和骡子等）相比，这种交通方式更经济、更可靠、更安全、速度更快。

政策

有轨电车系统由私人股权融资，这意味着有轨电车是由政策驱动的，是一种限制性资本主义形式。因此，该行业部门可以产生大量的私人财富，例如，在 19 世纪后期，出于经济和安全考虑，对动物的依赖开始消失，导致公众同意化石燃料成为主要能源来源。该政策是有轨电车网络所需标准的驱动因素。当多个有轨电车系统出现时，各城市开始制定政策来指导和确保公平的实践。包括对消费者和企业的公平政策。由城市地方成员控制的公共政策控制票价，票价大致锁定在 5 美分左右，安全要求和控制特许经营权，特许经营权被特许给私人投资者。这些政策帮助公共使用有轨电车系统增长，新的和现有的线路分布到郊区，这些低票价使在城市和郊区周围出行变得廉价、安全和简单。

有轨电车的生命周期

工业革命促进了有轨电车的增长，导致人员和货物流动的方式更加便捷和快捷，从而帮助人口增长。许多城市和城镇采用了有轨电车系统，因为它帮助社区发展和繁荣，新的有轨电车轨道系统正在建设中，而现有的轨道系统正在迅速延伸到周围的郊区 。在德克萨斯州奥斯汀，市政官员知道这些有轨电车系统的重要性，在国会大道大桥（一座横跨科罗拉多河的大型基础设施项目）建成后，迅速添加了有轨电车连接，以扩大整个奥斯汀南部的网络，该地区尚未完全连接[6]。因此，奥斯汀周围的线路变得统一，并连接起来形成一个大型网络，这导致了升级和双轨制，从而提高了服务能力和服务质量。

奥斯汀的有轨电车系统增长速度放缓，在 20 世纪中期达到顶峰，拥有 23 英里的轨道，人口为 40,000 人。此外，这种高峰和下降是由于交通方式的竞争，即汽车，一旦乘客开始背离有轨电车系统，票箱收入不足以维持有轨电车系统的运营。许多城市（如奥斯汀）迅速开始缩减网络，只保留当时盈利能力强的网络，而圣安东尼奥成为第一个在 1933 年停止使用电动有轨电车的主要城市，被公共汽车取代。不久之后，奥斯汀市也效仿，1940 年，市长汤姆·米勒乘坐最后一辆电动有轨电车沿国会大道行驶。1942 年，第二次世界大战期间，金属储备不足，地面上留下的轨道大部分被挖掘出来。总的来说，有轨电车系统不仅在奥斯汀，而且在美国大多数州都失败的原因是运营成本增加、低票价影响收入、汽车使用率增加以及糟糕的政策影响了这种交通模式 。然而，有轨电车在澳大利亚悉尼的复兴，重新创造了一个比以前更好的网络，以解决由私人汽车和道路共享汽车造成的拥堵问题

模型分析

这是一份关于德克萨斯州有轨电车系统的生命周期分析，包括电动、汽油/天然气和马匹驱动的有轨电车，并应用了逻辑函数来模拟预测的交通方式生命周期。该模型将预测有轨电车的技术进步，并通过 S 曲线分析和预测其出生、增长、成熟、衰退。

模型定义

用于该模型的三参数逻辑函数如以下公式所示：

S(t) = Smax/[1+exp(-b(t-ti)]

其中

• S(t) 是状态度量（例如，已完成的轨道里程），
• t 是时间（年），
• ti 是拐点时间（达到 1/2 Smax 的年份），
• Smax 是饱和状态水平
• b 是待估计的系数。 

由于这些数据涉及的时间范围很短，因此并非所有生命周期阶段都将在每个有轨电车系统值中记录。对于估计，使用了一个单变量线性回归系统，即普通最小二乘回归，估计值 K 和 b 如以下公式所示。

• Y = bX + c
• Y=LN(Miles/(K-Miles))
• X=Year

在该模型中，存在缺失数据和年份，因此使用了完整的无中断连续年份，并估计了 1915 年和 1916 年；在 1897 年至 1920 年之间，这种有限的时间范围导致生命周期分析的某些方面缺失，如前所述。

德克萨斯州数据

德克萨斯州有三种有轨电车系统使用超过一年，分别是马拉/骡拉有轨电车、电力有轨电车和汽油/燃气有轨电车。测量数据介于1897年至1920年之间。虽然蒸汽和电池动力已经存在，但它们在这个数据集中没有连续使用超过两年的记录。如果数据没有包含在时间跨度内，但有一个相同或更晚的后来数据点，例如相隔五年，中间有两个数据点为零，那么这个零将用第一个参考数据点填充。总体而言，电力有轨电车在这个数据集中显示了生命周期的至少两个阶段，包括诞生、增长、成熟和衰退。

 

合并总里程

所有系统的总里程显示出明确的趋势，表明了生命周期阶段的增长和成熟。虽然使用的数据没有显示太多诞生和衰退阶段，这是由于研究时间过短。第一张图显示了合并有轨电车系统的总测量和预测轨道里程，以及表1中的参数。

图1 合并有轨电车里程图

表1 合并有轨电车变量

变量	描述	值
K	估计饱和度	1300
b	系数	0.193
ti	拐点时间	1907

电力总里程

模型记录了有轨电车生命周期的增长和成熟阶段，拐点在1908年，拐点是增长速度开始下降的地方。因此，这个模型中的增长阶段大约在1997年至1908年之间，成熟阶段被认为是在时间框架之后。总体而言，使用的时间框架清楚地显示了生命周期的两个方面，增长和成熟，而诞生和衰退阶段则扩展到了测量的时限之外。图2 显示了电力有轨电车系统的总测量和预测轨道里程，以及表2中的参数。

图2 电力有轨电车里程图

表2 电力有轨电车变量

变量	描述	值
K	估计饱和度	1250
b	系数	0.200
ti	拐点时间	1907

马拉/骡拉总里程

与其他形式的有轨电车相比，记录的马拉/骡拉系统显示了有轨电车生命周期系统的衰退阶段。这是因为其他有轨电车模式正在逐渐取代这种模式。因此，模型表明了有轨电车生命周期系统的衰退阶段。图3 显示了马拉/骡拉有轨电车系统的总测量和预测轨道里程，以及表3中的参数。

图3 马拉/骡拉有轨电车里程图

表3 马拉/骡拉有轨电车变量

变量	描述	值
K	估计饱和度	95000
b	系数	-0.1607
ti	拐点时间	1847

汽油/燃气总里程

汽油/燃气有轨电车系统模型显示了类似于电力系统的一些S形曲线的特征。诞生阶段出现在1907年，增长阶段出现在1910年。因此，汽油/燃气生命周期的发展发生在所有其他模型之后，模型的准确性将在下面进行分析。图4 显示了汽油/燃气有轨电车系统的总测量和预测轨道里程，以及表4中的参数。

图4 汽油/燃气有轨电车里程图

表4：汽油/燃气有轨电车变量

变量	描述	值
K	估计饱和度	50
b	系数	0.4634
ti	拐点时间	1918

模型的准确性

提供的数据表明，至少有一个模型表现出生命周期的一部分，电力有轨电车记录的实际数据显示出与其他模型相比更清晰的生命周期扩展。就汽油/燃气模型而言，显示的是诞生和增长阶段，这是由S曲线给出的近似趋势。马拉/骡拉模型显示出最大的不准确性，因为数据范围很小；因此，数据显示出明显的下降阶段，但K值设定为95,000，这为估计值与记录的实际数据提供了最佳拟合线。虽然这个K值适用于提供的数据，但在德克萨斯州，马拉/骡拉系统的实际总里程几乎不可能达到95,000英里。由于数据缺失，一些页面无法使用，以及一些页面被截断，导致模型开发过程中记录数据可能存在误差，数据来源可能存在一些不准确性。

表5：回归结果

系统	R平方	标准误差	T统计量(b)	P值
电力	0.86632	0.01679	11.94032	6.03796E-11
汽油/燃气	0.8313728	0.0360032	7.69174204	5.6088E-06
马拉	0.93517	0.01174	-13.69412	4.22352E-09
合并	0.86237	0.01643	11.74099	6.03796E-11

R平方分析中发现了拟合度的检验，值越接近1，模型中记录的点落在回归线上的就越多。此外，t统计量检验决定了模型的统计显著性，以及与合并、电力和汽油/燃气模型相关的统计显著性，所有这些模式都具有较高的值，意味着它们在95%置信水平上具有统计显著性。合并模式和电力模式的P值比其他两个模型小，这意味着它们的估计系数对于这些检验是可靠且准确的。