运输部署案例集/2023/萨斯喀彻温省铁路
萨斯喀彻温省是加拿大西部的一个省份，截至 2020 年，估计人口为 1,205,119 人。历史上，这里的人们主要以农业为生。铁路的出现促进了该地区农业文明的发展，并将该地区在地域上与加拿大和美国其他地区连接起来。在本例中，通过关注铁路交通的生命周期，可以考察制定运输政策和解决这些问题的难题。
在轨道上运输人员和货物的有轮车辆被称为铁路，机车和车厢由轨道引导。大多数现代车轮和轨道由金属制成。由于金属车轮通常比橡胶轮胎的车轮摩擦阻力小，因此铁路运输中通常有多于两套车厢。运行时，蒸汽机或柴油机提供动力。
铁路是现代时代的主导技术，也是现代化发展和保证的代表。
首先，它可以更快、更经济地运输人员和货物。根据 Withuhn（2019 年）的说法，随着 19 世纪铁路网络在北美的扩张，每英里的运输价格下降了十倍，运输速度提高了十倍。在繁荣时期，铁路雇佣了 200 万人。此外，几乎所有工业、采矿和农业活动都依赖铁路系统。在接下来的近 100 年里，它成为重要的国家经济指标指标。
铁路对于个人和职业旅行、商品销售、配送和邮件都必不可少。人们可以及时享受到来自遥远地方的物品，并鼓励人与人之间的交流。即使在跨国界的情况下，区域联系也变得更加密切。除了促进社会联系外，铁路还促进了文化交流。长时间的火车旅程催生了新的文学体裁和广告形式。
作为现代世界的象征，铁路的重要性在于它有效地融合了设备、劳动力、建筑物、资本、运输和决策工具。
股票、复杂的官僚机构和多项程序表明，铁路是政治和社会层面推动运输系统发展的动力。此外，由于其网络化特性，城市化、郊区化、国家建设、殖民地开拓和全球资本主义得以实现。
作为实体，铁路网络对一个国家有着牢牢的掌控。Revill（2013 年）声称，铁路充当了一种空间独裁，企业追逐利润是一种带有剥削和强制特征的封建制度。例如，美国 1867 年的格兰奇运动提供了农民与铁路之间的斗争以及领土垄断的范围和重要性的证据。铁路依靠人民在移民、经济和市场方面提供支持。人们普遍认为，萨斯喀彻温省 1896 年的小麦繁荣依赖于铁路系统的扩张。
在萨斯喀彻温省，在铁路修建之前，小径和水道是主要的交通方式。萨斯喀彻温河及其支流等水道被广泛使用，并通过独木舟和汽船进行运输。
小径为萨斯喀彻温省提供了另一种移动方式，通常包括土著路径、野牛小径和探险家小径。马和牛被用作“发动机”，并与手推车、马车和拖车连接，用于运输。
自然条件：萨斯喀彻温省的天气比较极端（阿尔伯塔铁路地图集，未注明日期）。它位于高纬度地区，靠近大陆中部，远离海洋的潮湿和调节影响。因此，干旱的夏季可能会限制水道上的交通，而寒冷的冬季会导致河流结冰。
承载能力低：由于空间限制，船舶的货物数量有限。马车和手推车的尺寸也受到道路大小和距离的限制。
随着时间推移以及科学技术的进步，铁路机车类型被划分为三类，包括蒸汽机、内燃机和电力机车。
蒸汽机车由三个基本部分组成：锅炉、发动机和车厢（G.D. Dempsey C.E & C.E，2015）。它们的功能分别是产生动力，将动力转化为牵引力，以及分别运输货物和人员。机器由蒸汽驱动，蒸汽在机器内部产生，并经常注入水和燃料。当水变成蒸汽并显着膨胀时，该过程提供了可用的能量。因此，设计的目标是从尽可能小的机器中获得尽可能多的动力。最后一部分 - 车厢，包括车架和车轮 - 为工作和运行提供稳定的条件。
内燃机车以燃料为动力产生旋转动力，并将其传递到车轮。随着生产力和需求的增加，蒸汽机无法产生足够的动力。这导致了内燃机的诞生。内燃机的优点包括
- 高效率：是指燃料能量中转移到方向盘以外执行的劳动力的百分比。内燃机车达到 25% 的效率，而蒸汽机仅达到 8%（Franco & P. Labryn，2013）。
- 成本降低：由于内燃机不需要预热机器，因此在燃料和劳动力方面节省了成本。
- 不消耗水：在水资源有限的国家，购买水可能是一笔额外开销。
- 长途旅行的潜力：蒸汽机产生的动力的局限性使其无法行驶超过 300 公里。
电动机车，由电力驱动，通过导体沿轨道行驶。电动机车得益于高效率，能量浪费更少。由于没有发动机或排气管，电动机车运行时机械噪音更小。它们产生短期峰值功率以实现快速加速，因此适用于短途通勤。此外，可以使用可再生能源或低碳能源进行供电，例如太阳能和风能。
首先，技术进步是铁路发展的前提。自第一次工业革命以来，生产力大幅提高。第一台蒸汽机车是由理查德·特里维西克制造的，经过多次改进后，它在商业用途上变得经济可行。
其次是加强区域连接。尚普兰圣劳伦斯铁路（C&SL）是一条省内铁路，是 1836 年加拿大第一条铁路。当时，连接大陆上的主要经济中心一直是铁路的主要责任之一。
铁路和农业的增长是相互依存的，正如小麦热潮所表明的那样。铁路的扩展增加了运输产品的可能性，这推动了农业的扩展。
阿萨巴斯卡、长湖和萨斯喀彻温铁路 (QLLS) 于 1882 年开始运营，是萨斯喀彻温省的第一条铁路。联邦政府将这条铁路作为连接加拿大东西部（从里贾纳到王子阿尔伯特，并有一条支线通往卡尔顿堡）的横贯铁路的一部分。由于取得了财务上的成功，加拿大太平洋铁路 (CPR) 最终于 1885 年接管了 QLLS。CPR 延长了这条路线，并将轨距从窄轨改为标准轨，在横贯铁路网络中发挥了重要作用。加拿大北方铁路公司 (CNR) 成立于 1891 年，并开始在加拿大西部，包括萨斯喀彻温省建造铁路。
当时，加拿大议会颁布了《1881 年加拿大太平洋铁路法》。由于需要大量的资金和人力，该法案成为了为 CPR 建造太平洋铁路的法律基础。《1881 年加拿大太平洋铁路法》规定，为了帮助铁路建设，政府将为 CPR 提供一大块土地、经济资助和优惠的税收待遇。此外，政府还提出了其他要求，包括建设和服务的期限。通过这项法案，政府为国家铁路的建设提供了强有力的支持，也促进了加拿大经济和民族团结。
大干线太平洋铁路 (GTP) 的主线于 1910 年完工，开通了第二条横贯萨斯喀彻温省的横贯铁路路线。两年后，萨斯喀彻温谷物种植者协会由政府成立，旨在为农民争取更优惠的铁路运费和服务。萨斯卡通市政铁路是该省第一条城市铁路，于 1913 年开始运营有轨电车系统。CPR 在 1923 年至 1931 年间建造的 2,266 英里铁轨中，超过十分之一位于萨斯喀彻温省的草原上。
虽然议会从未实施任何直接影响收费的立法，但在运输方面，加拿大西部粮食出口的运费至关重要。原因可能是，二战结束后，由于加拿大开发了矿产、林业和渔业资源，对小麦的整体依赖下降。小麦是萨斯喀彻温省的经济支柱，受铁路收费的影响较小。
尽管如此，在公共部门和私营部门之间存在冲突的情况下，CPR、农民和政府之间仍然存在关于铁路费用的分歧和争议。例如，加拿大政府对运往东部的小麦作物出口实施了《克劳斯内斯特费率》。铁路运营成本上升和新的关税意味着 CPR 面临着收入损失（Currie，1967），而农民则必须支付运费。尽管《克劳斯内斯特费率》于 1919 年被取消，但在经济大萧条时期，西部农民要求降低火车票价和改善服务，尤其是在经济大萧条时期。直到 1933 年，联邦政府才成立了加拿大小麦委员会。
在接下来的二三十年里，直到 1950 年代，铁路行业一直在发展。随着汽车和卡车行业的兴起，铁路行业开始衰落。在萨斯喀彻温省，几乎在最后一条线路建成后，铁路支线就开始消失。加拿大国家铁路公司 (CNR) 和加拿大太平洋铁路公司 (CPR) 都声称，运营依赖谷物的几条支线是亏损的项目。联邦政府成立了罗伯逊委员会，允许铁路公司砍掉所有 525 英里（845 公里）昂贵的支线。在接下来的五年中，超过 1,450 英里（2,333 公里）的支线被废弃，其中一半的废弃发生在萨斯喀彻温省。
此外，还存在工会和就业问题。19 世纪 60 年代，铁路兄弟会成立，代表工人们的利益。1883 年 6 月和 12 月的罢工是由流动营地中恶劣的生活和工作条件、低收入以及高强度的工作要求造成的。此外，加拿大历史上最大的罢工发生在 1950 年，当时 130,000 名铁路员工对 CPR 和 CNR 进行了罢工。
1995 年，铁路系统的建设出现了新的变化。为了为萨斯喀彻温省北部农村村庄和资源开发项目提供铁路连接，哈德逊湾铁路开始运营。世界范围内也出现了铁路复兴的迹象。在升级铁路基础设施方面，特别是修建高速铁路方面，已经投入了大量资金。由于航空网络高容量和公路网络拥堵，火车更具竞争力。此外，随着燃料价格上涨和全球变暖，铁路投资成为降低二氧化碳排放的工具。铁路的重塑为拥有成熟城市化的城市提供了机遇。
根据加拿大统计局提供的数据，铁路行业年终运营轨道长度，三参数逻辑函数的估计如下。
三参数S型曲线逻辑函数
S(t) = Smax/[1+exp(-b(t-ti)]
其中，
S(t) = 状态测量值（运营轨道长度，单位公里）
t = 时间（单位年）
t 0 = 拐点时间（获得一半S max的年份）
S max = 饱和水平（运营轨道长度最大值，单位公里）
b = 待估系数。
普通最小二乘回归
Y = bX + c
其中，
Y = LN(length/(K-length)),
X=年份。
.jpg)
首先，从近200年的数据中选择最大值，即1974年的96958公里。在此基础上，我们将S max增加到100000公里，并以每次10000公里的增量进行20次迭代。最后，计算y值。在20次迭代中，选择RSQ值最大且模型拟合度最佳的模型。根据该值计算预测的变化曲线。结果如下所示。
从图表中可以清楚地看到，20世纪前二十年铁路快速增长。随后，它经历了半个多世纪的成熟期，并逐渐下降，直到2020年。这与预期曲线略有不同。
加拿大定量分析由于缺乏萨斯喀彻温省的数据，无法展示铁路的生命周期。然而，附录中也说明了现有数据。
- 艾伯塔铁路地图集。 （无日期）。 *艾伯塔铁路地图集 - 加拿大太平洋铁路*。 Railways.library.ualberta.ca。https://railways.library.ualberta.ca/Chapters-7-1/
- Bruinsma, F., Pels, E., Priemus, H., Rietveld, P., Bert Van Wee 和 Springerlink（在线服务）。（2008）。 *铁路发展：对城市动力学的影响*。 Physica-Verlag Hd。
- 加拿大。 统计局。 铁路运输。 渥太华。
- Currie, A. W. (1967)。 *加拿大运输经济学*。 多伦多大学出版社。
- 萨斯喀彻温百科全书。 (2020)。 *萨斯喀彻温百科全书 | 首页*。 Uregina.ca。https://esask.uregina.ca/home.jsp
- Floca, B. (2013)。 *机车*。 Atheneum儿童读物。
- Franco, I. 和 P. Labryn。 (2013)。 *内燃机车和机动车*。 斯普林格。
- G.D. Dempsey C.E. 和 C.E., C. (2015)。 *维多利亚时代蒸汽机车* (pp. 1–54)。 Wharncliffe。
- 加拿大政府，统计局。 (2022 年 2 月 9 日)。 *个人资料表，人口普查个人资料，2021 年人口普查 - 萨斯喀彻温省 [省]*。 Www12.Statcan.gc.ca。https://www12.statcan.gc.ca/census-recensement/2021/dp-pd/prof/details/page.cfm?DGUIDlist=2021A000247&GENDERlist=1&HEADERlist=0&Lang=E&STATISTIClist=1&SearchText=Saskatchewan
- Revill, G. (2013)。 *铁路* (pp. 8–114)。 Reaktion Books。
- 加拿大统计局。 (2023)。 *加拿大历史统计：T 部分：运输和通信*。 Www150.Statcan.gc.ca。https://www150.statcan.gc.ca/n1/pub/11-516-x/sectiont/4147444-eng.htm#1
- 加拿大交通部。 (2021)。 *2020 年加拿大交通 - 概述报告*。
- Withuhn, W. L. (2019)。 *美国蒸汽机车*。 印第安纳大学出版社。
加拿大年底运营的铁路行业轨道长度。(1835-2020)
| 加拿大 | 日期 - 自变量 | 结果计算 |
| 运营轨道长度 | S(t) = S_{max}/[1+exp(-b(t-t_i)] | |
| 年份 | 公里 | 公里 |
| 1836 | 26 | 1042 |
| 1837 | 26 | 1088 |
| 1838 | 26 | 1135 |
| 1839 | 26 | 1185 |
| 1840 | 26 | 1236 |
| 1841 | 26 | 1290 |
| 1842 | 26 | 1346 |
| 1843 | 26 | 1405 |
| 1844 | 26 | 1466 |
| 1845 | 26 | 1530 |
| 1846 | 26 | 1596 |
| 1847 | 87 | 1666 |
| 1848 | 87 | 1738 |
| 1849 | 87 | 1813 |
| 1850 | 106 | 1892 |
| 1851 | 256 | 1974 |
| 1852 | 330 | 2059 |
| 1853 | 814 | 2148 |
| 1854 | 1230 | 2241 |
| 1855 | 1411 | 2338 |
| 1856 | 2276 | 2439 |
| 1857 | 2324 | 2544 |
| 1858 | 3006 | 2653 |
| 1859 | 3209 | 2767 |
| 1860 | 3323 | 2886 |
| 1861 | 3454 | 3010 |
| 1862 | 3523 | 3139 |
| 1863 | 3523 | 3273 |
| 1864 | 3523 | 3413 |
| 1865 | 3605 | 3559 |
| 1866 | 3666 | 3710 |
| 1867 | 3666 | 3868 |
| 1868 | 3666 | 4032 |
| 1869 | 4062 | 4203 |
| 1870 | 4212 | 4381 |
| 1871 | 4337 | 4567 |
| 1872 | 4665 | 4759 |
| 1873 | 6167 | 4960 |
| 1874 | 6970 | 5168 |
| 1875 | 7731 | 5385 |
| 1876 | 8398 | 5610 |
| 1877 | 9305 | 5844 |
| 1878 | 10020 | 6088 |
| 1879 | 11037 | 6341 |
| 1880 | 11578 | 6604 |
| 1881 | 11798 | 6877 |
| 1882 | 13996 | 7160 |
| 1883 | 15413 | 7454 |
| 1884 | 16533 | 7760 |
| 1885 | 17337 | 8077 |
| 1886 | 18979 | 8406 |
| 1887 | 19608 | 8747 |
| 1888 | 20254 | 9101 |
| 1889 | 20254 | 9468 |
| 1890 | 21164 | 9848 |
| 1891 | 22270 | 10242 |
| 1892 | 23438 | 10650 |
| 1893 | 25758 | 11072 |
| 1894 | 25149 | 11509 |
| 1895 | 25712 | 11961 |
| 1896 | 26184 | 12429 |
| 1897 | 26635 | 12913 |
| 1898 | 27150 | 13413 |
| 1899 | 27761 | 13929 |
| 1900 | 28416 | 14463 |
| 1901 | 30117 | 15014 |
| 1902 | 30117 | 15582 |
| 1903 | 30558 | 16168 |
| 1904 | 31271 | 16772 |
| 1905 | 32971 | 17395 |
| 1906 | 34364 | 18036 |
| 1907 | 36133 | 18696 |
| 1908 | 36960 | 19375 |
| 1909 | 38792 | 20074 |
| 1910 | 39801 | 20792 |
| 1911 | 40877 | 21529 |
| 1912 | 43013 | 22286 |
| 1913 | 47160 | 23063 |
| 1914 | 49560 | 23859 |
| 1915 | 57257 | 24675 |
| 1916 | 60244 | 25511 |
| 1917 | 62127 | 26366 |
| 1918 | 81497 | 27241 |
| 1919 | 81457 | 28135 |
| 1920 | 83013 | 29048 |
| 1921 | 83935 | 29980 |
| 1922 | 83461 | 30930 |
| 1923 | 83583 | 31898 |
| 1924 | 84800 | 32884 |
| 1925 | 87066 | 33888 |
| 1926 | 87354 | 34908 |
| 1927 | 88058 | 35944 |
| 1928 | 89246 | 36996 |
| 1929 | 89911 | 38063 |
| 1930 | 91156 | 39144 |
| 1931 | 91585 | 40239 |
| 1932 | 91831 | 41346 |
| 1933 | 91216 | 42465 |
| 1934 | 90959 | 43596 |
| 1935 | 92008 | 44736 |
| 1936 | 91237 | 45886 |
| 1937 | 91467 | 47044 |
| 1938 | 91346 | 48210 |
| 1939 | 91090 | 49381 |
| 1940 | 91016 | 50558 |
| 1941 | 91251 | 51739 |
| 1942 | 91063 | 52922 |
| 1943 | 91451 | 54108 |
| 1944 | 91554 | 55295 |
| 1945 | 90223 | 56481 |
| 1946 | 91741 | 57666 |
| 1947 | 91815 | 58848 |
| 1948 | 91741 | 60027 |
| 1949 | 93075 | 61201 |
| 1950 | 93337 | 62370 |
| 1951 | 93583 | 63532 |
| 1952 | 93810 | 64686 |
| 1953 | 94460 | 65831 |
| 1954 | 94565 | 66967 |
| 1955 | 95458 | 68092 |
| 1956 | 96287 | 69205 |
| 1957 | 95107 | 70307 |
| 1958 | 95465 | 71395 |
| 1959 | 95585 | 72469 |
| 1960 | 95262 | 73528 |
| 1961 | 94600 | 74572 |
| 1962 | 94563 | 75601 |
| 1963 | 94164 | 76613 |
| 1964 | 94055 | 77607 |
| 1965 | 93989 | 78585 |
| 1966 | 93825 | 79544 |
| 1967 | 94195 | 80485 |
| 1968 | 94401 | 81408 |
| 1969 | 95135 | 82311 |
| 1970 | 95964 | 83196 |
| 1971 | 96094 | 84061 |
| 1972 | 96620 | 84907 |
| 1973 | 96957 | 85732 |
| 1974 | 96958 | 86539 |
| 1975 | 96633 | 87325 |
| 1976 | 96521 | 88092 |
| 1977 | 96052 | 88840 |
| 1978 | 95382 | 89567 |
| 1979 | 94263 | 90275 |
| 1980 | 93723 | 90964 |
| 1981 | 92356 | 91634 |
| 1982 | 91218 | 92285 |
| 1983 | 90347 | 92917 |
| 1984 | 87514 | 93530 |
| 1985 | 86429 | 94125 |
| 1986 | 86090 | 94703 |
| 1987 | 85830 | 95262 |
| 1988 | 85853 | 95804 |
| 1989 | 82712 | 96329 |
| 1990 | 82737 | 96837 |
| 1991 | 81638 | 97329 |
| 1992 | 80589 | 97805 |
| 1993 | 78547 | 98265 |
| 1994 | 78453 | 98710 |
| 1995 | 77422 | 99140 |
| 1996 | 77390 | 99555 |
| 1997 | 76063 | 99956 |
| 1998 | 74530 | 100343 |
| 1999 | 74052 | 100716 |
| 2000 | 74412 | 101076 |
| 2001 | 73821 | 101424 |
| 2002 | 73186 | 101759 |
| 2003 | 71920 | 102082 |
| 2004 | 72048 | 102393 |
| 2005 | 72367 | 102693 |
| 2006 | 71878 | 102982 |
| 2007 | 71754 | 103260 |
| 2008 | 70230 | 103528 |
| 2009 | 67537 | 103786 |
| 2010 | 66312 | 104034 |
| 2011 | 64218 | 104273 |
| 2012 | 63106 | 104503 |
| 2013 | 62341 | 104724 |
| 2014 | 62307 | 104936 |
| 2015 | 63567 | 105141 |
| 2016 | 61856 | 105337 |
| 2017 | 61859 | 105526 |
| 2018 | 63050 | 105708 |
| 2019 | 64878 | 105882 |
| 2020 | 67114 | 106050 |
