交通部署案例集/2023/墨尔本

有轨电车基础

概述和技术

有轨电车是一种早期的铁路交通形式，其基本原理是在街道上铺设的轨道上运输人员和货物。有轨电车通常由一辆或多辆车厢组成。现代的有轨电车使用由架空线路供电的电动机，或地面电源为超级电容充电，但最早的车型由马匹牵引。蒸汽机也曾在有轨电车上进行过试验，而缆车在 19 世纪后期曾短暂流行，主要是因为它们能够克服陡峭的坡度。现代的有轨电车有车轮，沿着嵌入路面并几乎完全位于城市中的凹槽轨道行驶。

有轨电车是最早的快速公共交通方式之一，能够以定期频繁的时间间隔运送大量人群。这使得它们特别适合连接市中心郊区和将通勤者连接到中央商务区。1835 年，托马斯·达文波特开始了对电力铁路的实验，当时蒸汽火车开始起飞。最初的大多数电力机车由于电机效率低下和负载过重而无法正常工作。达文波特的电机包含一个小型电机，带有定子和转子绕组，由电化学电池供电。第一辆全尺寸机车由罗伯特·戴维森于 1837 年设计，并使用了一个双电磁定子和一个三凸极转子。电池在有轨电车初始开发中是一个问题，它们笨重且不可重复使用。需要新的电动机技术的创新来证明电力有轨电车的可行性，而这种创新以机电直流发电机形式出现。电池被更便宜的能源（如煤炭）所取代，而维尔纳·西门子在 1867 年提出的可逆性原理为开发更高效的电动机奠定了基础。

西门子还对架空双极线进行了实验，利用它们为他的无轨汽车（Electromote）供电，该汽车于 1882 年首次亮相，随后在柏林附近的一条电车线上进行测试。或者，可以在另外两条轨道之间在地面上放置第三条轨道以提供电力，例如北爱尔兰的巨人堤道电车。这条电车尝试使用 290-360V 的高电压，但在电死一名骑自行车的人后，电压被降低了。需要提高电压容量以提高有轨电车的性能，但像这样的事故最终突出了安全政策的必要性，例如维多利亚州现有的《2006 年铁路安全法》。

19 世纪，电力有轨电车的理想电源尚不清楚。电池曾在巴黎进行测试，原因是出于美观考虑，在澳大利亚，本迪戈对电池供电的有轨电车进行了试验，但都证明不成功。1884 年，J.C 亨利开发并测试了一种架空接触网，使有轨电车能够在更高的电压下运行。一年后，范德波勒发明了一种弹簧式集电弓，以确保与架空线路牢固连接以收集电流。带固定电刷的电机的创新提高了安全性和效率，而弓形集电器的开发则改善了与架空线路的电气接触。地面电源系统出现得比较晚，如今在世界各地的许多有轨电车系统中使用，包括悉尼轻轨。

它们比马车更容易获得，而且比重轨更便宜，侵入性也更低。而且可以很容易地部署到许多地区。它们产生的排放量也低于公共汽车，并且可以容纳更多人。历史上，它们主要用于城市或山坡。

有轨电车出现之前的墨尔本

在有轨电车出现之前，墨尔本主要的交通方式包括步行、马车和船只。该市位于亚拉河畔，毗邻菲利普港湾，但几乎没有运河网络，而且规划、建设、采购和运营重轨线路的成本和流程都很高，因此需要一种替代马车的大众交通方式。这尤其重要，因为与当时许多其他主要城市一样，墨尔本的工业革命导致人口和工业迅速增长。道路网络和收费站早在 1840 年代就已建立，为菲利普港湾以南的墨尔本港码头以及亚拉河沿岸提供服务，但当时汽车交通的兴起还很遥远。

随着蒸汽火车在英国和美国日益普及，墨尔本决定在 19 世纪中期首次引进这项技术。火车改变了货物的运输方式和贸易的开展方式，但正如前面提到的，建设新线路并非廉价或容易的过程。尽管如此，铁路运输的优势仍然得到了充分的认可，人们对寻找实现这些优势的其他方法产生了兴趣，这最终导致了马车有轨电车的诞生。马力运输也有其局限性。其中包括马匹需要持续照料，只有在天气允许的情况下才能行驶，颠簸的乘坐体验，低速限制以及难以克服陡峭坡度等问题。

墨尔本的有轨电车

诞生

1884 年，最初的马车有轨电车迅速发展成为一个 75 公里的缆车网络，当时是世界上最大的缆车网络之一。这之所以成为可能，是因为在获得铺设电车轨道通行权方面缺乏政策。与重轨不同，道路所有者可以在他们想要的任何地方铺设轨道，因为无需购买土地或建设运输走廊。公司仍然需要政府批准才能建设电车线，例如 1883 年通过的《墨尔本电车与公共汽车公司法》，该法案允许墨尔本电车与公共汽车公司运营缆车系统。由于某些线路原本设计为马车牵引，因此这些线路位于系统的边缘，而中央系统由缆车运营。然而，电力有轨电车的日益普及导致从 1924 年开始将缆车网络改造成架空线路供电的有轨电车。缆车是一个利基市场，因为世界其他大部分地区正迅速转向架空线路或地面电源供电的有轨电车。

墨尔本的第一条电车线路于 1889 年开通，连接 Box Hill 和 Doncaster。新任州长 Thomas Bent 意识到这条线路的潜力，并协助获得了相关立法。这条 3.6 公里的线路最初取得了成功，但由于联合电力公司合同的到期，导致了技术、法律和财务方面的困难，最终在 1896 年关闭了这条电车线路，但这并没有阻碍其经济潜力的实现。^[5]

墨尔本第二次尝试建立电车线路始于 1906 年 St Kilda 至 Brighton 电车线路的开通，该线路由维多利亚铁路公司运营。^[6]随后，北墨尔本电车照明公司在 Flemington Bridge 至 Essendon 和 Saltwater River 之间开通了两条线路。公众对这一发展表示了强烈的支持。1919 年，VR 从 Sandringham 开通了第二条线路，通往 Black Rock。^[4]

增长

这些电车线路启动了墨尔本的电车行业，导致众多独立的电车信托公司成立，这些公司负责在其各自的地区扩展、管理和运营墨尔本快速发展的电车网络。早期信托公司包括 Prahran & Malvern Tramway Trust、Hawthorn Tramway Trust、Melbourne Brunswick and Coburg Tramway Trust 以及 Fitzroy Northcote and Preston Tramways Trust。这些信托公司获得了授权，使其能够在其管辖范围内建造电车线路。^[4]

墨尔本都会电车委员会 (MMTB) 于 1919 年接管了缆车网络。^[7]在此期间，公共汽车开始成为其他城市的一种流行交通方式。然而，墨尔本的共识是，由架空线供电的电车是最佳的解决方案，因此保留了电车系统。其他有助于墨尔本电车网络发展的因素包括：与公共汽车和汽车相比，电车排放量更低；城市郊区的宽阔街道布局；拆除电车网络的高财务风险；以及对电动交通投资的潜在回报。^[1][3]

最后一辆缆车于 1940 年运行。^[7]电车网络在二战期间盈利增长，1945 年达到顶峰，年客流量达到 2.941 亿人次。^[8]委员会多次升级车队类别，例如 W 类车，以解决运营和维护问题。^[4]

衰退

二战后，许多电车被公共汽车取代。在悉尼，曾经规模比墨尔本更大的电车网络被完全拆除，为这种很有前景的新技术让路。墨尔本的电车年乘客量在此期间稳步下降，到 1980 年降至 9890 万人次，^[8]20 年内没有电车线路的延伸。另一个影响这一下降的因素是私家车的增多。然而，公共汽车的普及率从未提高，电车网络依然完好无损，因为工会反对拆除电车网络，这为电车网络的重新发展提供了可能。^[3]

成熟

新的管理机构 MTA 于 1990 年代初成立，^[9]旨在振兴墨尔本的公共交通网络。铁路、公共汽车和电车实现了整合，新技术提高了通信和可靠性。最终，根据 1989 年《交通法》，所有铁路都被置于一个机构之下，即公共交通公司 (PTC)，^[9][10]但它们仍然面临着财务和政治方面的困难，直到 1999 年私有化后，电车网络才开始成熟。^[11]

该网络被拆分为两部分，并出售给私人公司，这些公司最初也遇到了财务困难，并且没有达到预计的客流量增长。^[11]政府提供了激励措施和额外补贴来留住这些公司，但最终有一家公司退出了。这导致一家公司 Yarra Trams 在 2000 年代初接管了整个系统。^[12]州政府与私人运营商之间的合同意味着系统得到了扩展和现代化。增加了更多站点和机车车辆，乘客量开始缓慢但稳步增长。^[8]大约在这个时候，电子售票系统也开始使用，符合《交通法规》的政策，^[13]MyKi 售票系统至今仍在使用。

维多利亚公共交通局 (PTV) 是目前的法律机构。《残疾歧视法》等交通立法^[14]导致人们关注提高电车的无障碍性，计划引入更多低地板电车和无障碍站台。这是因为研究表明，70% 的残疾人口仅能使用 22% 的无障碍电车。^[14]

如今，墨尔本的电车网络是世界上规模最大的电车网络，拥有超过 250 公里的轨道，24 条线路，每年有 2 亿乘客（不包括受新冠肺炎影响的年份）。^[15]它是墨尔本第二大交通方式，在旅游业中发挥着重要作用。诸如城市中的免费电车区域等激励措施吸引了游客，并鼓励人们使用电车，该网络还在澳大利亚网球公开赛、澳大利亚大奖赛以及墨尔本公园综合体育场举办的体育赛事等重大国内和国际活动中发挥着重要的交通作用。研究表明，电车实际上有助于减少墨尔本的整体交通拥堵（尽管对交通流量会有一些负面影响），这进一步增加了电车网络的优势，随着人们对可持续发展的关注度越来越高，墨尔本的交通网络未来对电车需求量肯定会增加。^[16]

墨尔本有轨电车的生命周期

定量分析

所有交通系统都有一个生命周期。它从诞生阶段开始，然后经历成长、成熟，最终走向衰落。在本量化分析中，将使用观察到的年度客流量数据来确定墨尔本有轨电车网络的生命周期阶段。观察到的数据来自基础设施和交通研究经济局（1900-2013 年）和 2013 年至 2022 年的维多利亚州政府年度报告。

表 1：观察到的客流量数据 - 每年乘客数（百万）

年份	乘客数（百万/年）
1900	46.2	1910	72.5	1920	201.7	1930	206.4	1940	173.8	1950	210.1	1960	177.9	1970	110.7	1980	98.9	1990	95.6	1990	95.6	2000	129.8	2010	175.6	2020	141.8
1901		1911		1921		1931		1941		1951		1961		1971		1981	100.1	1991	107.6	1991	107.6	2001	133.9	2011	182.7	2021	60.2
1902		1912		1922		1932		1942		1952		1962		1972		1982	102.4	1992	112	1992	112	2002	137.2	2012	191.6	2022	82.9
1903		1913		1923		1933		1943		1953		1963		1973		1983	101.3	1993	100.9	1993	100.9	2003	140.6	2013	182.7
1904		1914		1924		1934		1944		1954		1964		1974		1984	102.1	1994	104	1994	104	2004	142.5	2014	176.9
1905		1915		1925		1935		1945	294.1	1955		1965		1975		1985	109.4	1995	108.6	1995	108.6	2005	145.3	2015	182.1
1906		1916		1926		1936		1946		1956		1966		1976		1986	112.4	1996	114.1	1996	114.1	2006	151.1	2016	203.8
1907		1917		1927		1937		1947		1957		1967		1977		1987	113.3	1997	115.4	1997	115.4	2007	154.9	2017	204
1908		1918		1928		1938		1948		1958		1968		1978		1988	115.6	1998	117.2	1998	117.2	2008	158.3	2018	206.3
1909		1919		1929		1939		1949		1959		1969		1979		1989	118.9	1999	121.6	1999	121.6	2009	178.1	2019	205.4

S 曲线回归模型

观察到的数据被用来估计一个三参数逻辑函数。该函数模拟乘客数量，可以与观察到的数据一起绘制以确定其准确性。

逻辑函数为

$S(t)={Smax \over [1+\exp -b(t-t_{i})]}$

其中

• S(t) 是状态度量，（例如，行驶的乘客公里数）
• 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，（选择你在数据中记录的有轨电车系统最大长度）。
• b 是一个待估计的系数。

系数 b 是使用单变量线性回归在以下形式的模型中确定的

Y = bX + c

其中

Y=ln(乘客数/(Smax-乘客数))

X=年份

表 2：线性回归结果

1900-1945 年的生命周期		1980-2022 年的生命周期		1980-2019 年的生命周期		完整生命周期		1945-1980 年的生命周期
Smax（百万）	294.1	Smax（百万）	207	Smax（百万）	207	Smax（百万）	294.1	Smax（百万）	294.1
Smax/2（百万）	147.05	Smax/2（百万）	103.5	Smax/2（百万）	103.5	Smax/2（百万）	147.05	Smax/2（百万）	147.05
ti	1916.26	ti	1987.32	ti	1989.17	ti	1995.06	ti	1969.54
b	0.15148342	b	0.07088084	b	0.10210473	b	-0.0043159	b	-0.1902661
R 平方	0.7554077	R 平方	0.38173925	R 平方	0.68202153	R 平方	0.68262497	R 平方	0.56727543

完整生命周期

图 1

如图 1 中的两个峰值所示，墨尔本有轨电车系统在其生命周期中经历了两个增长和成熟阶段，一直持续到 2022 年。第一个峰值由 1945 年 2.941 亿乘客的橙色点表示，标志着第一个成熟阶段的结束、二战的开始以及该系统衰落的开始。第二个峰值出现在 2019 年，即新冠疫情爆发的前一年，客流量再次下降。由于这两个下降期都由重大的世界危机引发，因此可以说该系统从未突破增长阶段。然而，战后公共汽车的引入导致 20 世纪中期有轨电车的使用率下降，而 20 世纪后期和 21 世纪初的复兴表现出比 20 世纪初第一个增长阶段慢得多的增长速度，在 2019 年左右趋于平稳，并显示出成熟的迹象。

鉴于两个不同的增长期，数据在 1980 年被分割，并对该日期之前和之后的年份分别建模。

1900-1945

图 2

这一时期标志着有轨电车在墨尔本的快速崛起。该系统诞生于 1900 年代，最快的增长期出现在 1916 年。该系统在 30 年代开始成熟，并在 1945 年达到顶峰，如图 2 所示。

建模曲线是一个很好的拟合，代表了实际的生命周期趋势，除了 1940 年的异常点。数据输入点的数量少是建模数据图和实际数据图之间差异的主要原因。RSQ 值为 0.75，可以更好，但由于 294.1 是该系统达到的最大乘客数量，因此足够接近 1，这也使其成为所有创建的曲线中最准确的曲线。

1900-1980

图 3

图 3 显示了从诞生到衰落的每年乘客数量。建模曲线是一个比较好的拟合。尽管没有匹配 1940 年代后期有轨电车乘客的快速下降，但橙色的向下曲线总体上与实际数据的走向一致。

从这个图表可以清楚地看出，1945 年到 1980 年之间有轨电车乘客有所下降。

图 4

1980-2022

图 5

1980 年到 2022 年的这段时期见证了有轨电车网络的复兴。虽然没有图 2 中的初始增长期那么快，但乘客数量呈逐渐上升趋势，1987 年的增长速度最快。该系统在 2010 年后似乎开始成熟，然后由于新冠疫情而迅速下降。为了使曲线更好地拟合，删除了新冠疫情期间记录的三个数据条目，并再次进行回归。结果如下面的图 5 所示。

1980-2019

该曲线比图 4 中的曲线拟合得稍微好一些，RSQ 值更接近 1。随着 Smax 值的增加，RSQ 值确实会变高，但是 Smax 值为 207 提供了最佳曲线拟合。它还将最快的增长期转移到 1989 年，曲线更快地变平，在 2010 年之前就达到了成熟阶段。

结论

表 3 显示了交通网络生命周期的各个阶段以及每个阶段的时间段。请注意，2019 年后受新冠疫情影响的数据未包含在内。

表 3

阶段	时间段
诞生	1900-1910
增长	1910-1930
成熟	1930-1945
衰退	1945-1980
重新增长	1980-2008
成熟	2008-2019