运输部署案例集/2024/单轨铁路

简介

单轨铁路是一种轨道交通系统，其用于移动车辆的轨道是一条单一的、连续的线路。它们的工作原理与传统的重型铁路或电车系统类似，通过预定的轨道运输车辆，但可以高架于现有基础设施之上，并且与前两种选择相比占用空间相对较小，因此更适合在人口稠密的地区（如城市）进行运输。因此，它们作为一种公共交通系统具有一些理想的特性，作为高架交通网络，它们独立于道路网络，道路网络自然会被汽车和公共汽车占用，并提供当地区域的高架景观，这对游客参观城市很有益处。

单轨铁路的历史很难正确分类，因为该术语已被交替用于各种不同的运输方式。顾名思义，该术语通常用于描述仅使用一根主梁的铁路系统，历史设计可能与在铁轨上保持平衡的自行车有关，而现代设计则涉及一个跨越双缘金属梁以获得支撑的车厢。

两种最常见的现代设计在车厢相对于引导车轮的轨道的方位上有所不同，要么是骑在上面，要么是悬挂在下面。现代设计由电力驱动，电力来自其运行的轨道，尽管较老的设计使用蒸汽、煤炭甚至马匹作为动力。单轨铁路用途广泛，从较小的运营（如在主题公园或机场内移动乘客）到有时跨越较小城市的较大区域。

单轨铁路之前

在发明单轨铁路之前，传统的双轨火车被用作替代。它们最初的目的是作为一种更便宜的方式，在新建城市之间陆路运输货物，将资源从港口运往更内陆的地区，或将矿山的产品运回城市或港口进行贸易。由于单轨铁路自然只需要一根梁，因此它们通常被认为是一种更便宜的替代方案，尽管可能不太稳定。另一个优势是，与传统、笨重的火车车厢相比，它们在山区地形上稍微更容易建造，因为它们更薄，需要的空间更少，这使得它们更适合在原始城市寻求进一步向内陆扩张时，沿着崎岖的未开发地形进行较短距离的货物运输。

早期设计与单轨铁路的历史

切申特铁路通常被认为是首个载客单轨铁路的实例。车厢的设计基于亨利·罗宾逊·帕尔默 1821 年的专利，他设想了一种在单一高架轨道线上自行平衡的车厢。车厢将悬挂在中心轨道的两侧，使得重心低于轨道。多年来，单轨铁路的设计都由马匹提供动力，直到 1876 年莱罗伊·斯通将军在费城百年博览会上设计出蒸汽机车，单轨铁路才开始使用蒸汽机。

在其存在早期历史上，单轨铁路通常并非以运送乘客为目标，但一些仍然用于客运。一个著名的例子是利斯托韦尔和巴利班尼恩铁路，该铁路从爱尔兰港口城市巴利班尼恩通往内陆市场城镇利斯托韦尔。车厢设计类似于帕尔默的设计，其中两节车厢必须在两侧保持平衡才能使系统移动。尽管存在此缺陷，但它在许多年里仍然取得成功，因为它是英伦三岛上大部分运营时间内（从 1888 年到 1924 年）唯一的载客单轨铁路服务，直到由于运营成本不断增加以及道路网络的竞争而停运。

仍在运营的最古老的单轨铁路建于 1901 年的德国，由欧根·朗根建造，即伍珀塔尔的悬挂式单轨铁路。作为一种悬挂式铁路，它与十多年前展示的埃诺斯电力铁路有些相似，但尚未确认直接联系。单轨铁路的技术进步直到 20 世纪初，单轨铁路的通用设计并没有偏离帕尔默的原始设计太远，该设计实际上是在单轨上保持平衡的自行车。然而，在此之后，一些人开始对这一理念进行创新，创造了跨座式单轨铁路，现代单轨铁路至今仍在使用。跨座式与帕尔默的原始设计不同，它不是在轨道上行驶的单个车轮，而是多个车轮都沿着 I 形梁移动，有效地“跨过”中心梁，从而与原始设计相比大大提高了安全性和可靠性。

路易斯·布伦南在 1903 年创建并随后获得专利的第三种单轨铁路概念。一种通过使用陀螺仪保持直立的单轨铁路。虽然该设计被证明是成功的，即使所有乘客都坐在一侧，车厢也能保持直立，但由于人们担心需要一个正常工作的陀螺仪，因此从未超过测试和原型阶段。如果它发生故障，那么整个车厢及其所有乘客都会翻倒，因此布伦南的设计从未超过测试阶段，也从未用于实际运输目的。

单轨铁路的局限性

尽管单轨铁路在降低成本方面具有优势，但在其早期历史上并没有得到广泛应用，即使在现在，与重型铁路或电车相比，它们也相对不受欢迎。由于相对不可靠，工人们经常在较长距离上恢复使用经典的双轨系统，事实上，现代单轨铁路系统的长度不超过 100 公里，因为在这一点上，传统铁路系统将更可取，因为它们由于其稳定性而往往能够更快地行驶。

在现代，三个主要问题影响了单轨铁路作为主要交通方式的广泛采用。主要问题是成本，因为单轨铁路需要高架网络才能运行，在道路网络上方建造长距离连接的成本很高，与维护现有道路或在地面上建造电车轨道相比，成本大幅增加。由于单轨铁路的连接方式，它通常需要独立于现有系统的专用轨道工程，这大大增加了成本。

第二个问题是轨道交叉问题，现代城市中使用的跨座式单轨铁路不允许轻松地改变线路，因为车辆必须始终与轨道保持接触。为单轨铁路改变线路的专用区域是可能的，但这是一个缓慢的过程，并且建造和维护的成本可能很高。

最后，现代西方城市的总体城市规划抑制了单轨铁路的有效性。单轨铁路通常用于短途旅行，在道路网络的交通上方行驶，但在西方城市中，它们通常计划向郊区扩展，在那里，道路网络或汽车将效率更高。

目前，单轨铁路仍在跨城市交通中使用的主要区域是亚洲的特大城市，如中国的重庆、印度的孟买和日本的东京。这些城市使用单轨铁路的原因是，它们比西方城市密度大得多，因此，为了容纳更大的人口和更小的面积，它们通常垂直建造，这与单轨铁路对高架结构的需求非常契合。因此，人口稠密的特大城市是世界上为数不多的单轨铁路仍在定期使用的地方，较大的城市每天的乘客数量达到数十万。

单轨铁路客流量可视化

由于单轨铁路作为一种可行方案的应用并不广泛，因此关于其历史客流量和预测客流量的数据很少。以下数据使用吉隆坡单轨铁路 2004 年至 2023 年的年度客流量统计数据来可视化该服务的增长。

比较吉隆坡单轨铁路 2004 年至 2023 年的预测和实际年度客流量

比较吉隆坡单轨铁路的预测与实际年度乘客数量

年份	预测年度客流量	实际年度客流量
2004	13,291,724	10,956,675
2005	14,739,540	14,482,676
2006	16,192,226	17,380,337
2007	17,622,749	20,142,772
2008	19,005,696	21,765,233
2009	20,319,008	21,021,390
2010	21,545,229	22,108,308
2011	22,672,146	24,200,299
2012	23,692,830	24,435,931
2013	24,605,174	25,437,621
2014	25,411,107	24,303,465
2015	26,115,648	25,067,866
2016	26,725,956	24,200,299
2017	27,250,469	16,841,630
2018	27,698,190	12,594,377
2019	28,078,148	12,573,738
2020	28,399,012	7,143,534
2021	28,668,846	4,226,329
2022	28,894,970	11,496,524
2023	29,083,911	18,107,573

方法论

一项技术的近似生命周期可以用以下公式粗略表示

S(t) = S_max/[1 + e^{(-b*(t - ti))}]

在本场景中

S(t) = 在给定时间 t 时的预期年度乘客数量

t = 时间（年）

S_max = 估计的最大乘客数量

b = 估计系数

t_i = 拐点时间，达到 Smax 的一半的近似时间。

上图是使用以下估算值得到的

S_max = 30,000,000

b = 0.194031

t_i = 2005.179

如上图和表所示，在跟踪数据的前几年，预测趋势与实际客流量相对接近，但在2017年左右，客流量急剧下降，然后在2019年随着全球COVID-19大流行进一步暴跌。

2017年客流量下降的原因尚无法确认，但当地记者称这是由于当时公共交通票价大幅上涨，许多市民改用汽车和私人交通工具。^[6] 随着疫情在2022年底和2023年逐渐消退，客流量再次回升至正常水平，并逐渐接近估计趋势。由于年度客流量大幅下降，该图尚未达到成熟点和不可避免的下降点，尽管如果未来没有发生重大客流量损失，这种情况将会发生。