交通部署案例集/艾伦的任务
铁路机车已经成为当今社会不可分割的一部分，它是人们在不同地点之间移动大量人群的一种手段。在当今社会，大多数铁路机车使用电力运行，以达到估计的平均速度 60-70 公里/小时。火车与其他交通方式的不同之处在于它是一种在其他火车网络中设置的路线中行驶的车辆。这些指定路线同时运行，并由外部系统监控以确保安全和流动性。因此，它比公路网具有显著优势，因为排除了诸如人为决策、高峰时段等外部因素，因此交通拥堵很少发生，而是拥堵的形式为火车内的密度，这会导致轻微的不适，因为车厢将非常拥挤。此外，与汽油（汽车）或飞机（牺牲时间）相比，它是一种廉价有效的交通方式。从统计学角度来看，火车在事故和故障方面被证明是有益的，因为铁路是运输中最安全的模式。铁路机车的主要市场针对社会所有阶层。
在铁路出现之前，人们使用非常基本的交通方式，这通过驯养动物或步行来实现。一个重要的设计是马车和马，它们以非常缓慢的速度将重物运送到很远的地方。此外，人们也乘坐马车和四轮马车出行。局限性很明显，因为马是动物，因此它们需要不断维护，并且由于可能会疲劳而提供有限的可靠性。此外，由于其木质基础，马车的使用可能存在故障。一个重要的限制是速度和舒适度，尽管在当时这是一种常见且有效的交通方式，但与它的潜力和我们今天拥有的相比，它仍然受到限制。尽管如此，随着技术的进步，交通市场不断发展，因此铁路采用了这些技术进步，提供了高效且经济的运输方式，并导致了铁路机车的诞生。
铁路运输的基础始于 1515 年，当时引入了木轨，同时使用由人或动物拉动的马车。在那个时代，这是一种有效的人员和重物运输方式，但由于技术不发达，它的局限性显而易见。后来，金属匠利用金属制造了铁轨的基础，这是一个重大的改进，因为它提供了耐用性，并且不需要不断维护。这种优势在现代社会中可见一斑，因为我们仍然使用金属轨道来运行我们的铁路系统。然而，局限性仍然存在，因为它们仍然由动物拉动，因此速度很慢。显然，随着技术的进步，最初的设计发生了转变。
1769 年，詹姆斯·瓦特发明了一种改进的蒸汽机，这项发明涉及利用从沸水中产生的蒸汽膨胀能量来运行发动机。这种蒸汽机随后与运输结合在一起，为火车提供动力，使速度仅通过机械手段达到 6-8 英里/小时。18 世纪初，商业客运铁路开始发展，乔治·史蒂芬森建造的LOCOMOTION No. 1 能够以 15 英里/小时的速度拉动 90 吨煤。他进一步通过开发“火箭”火车来注册了铁路机车，这是当时速度最快的火车，速度为 30 英里/小时，能够搭载 30 名乘客。铁路运输的洲际扩张是通过发展铁路桥梁而实现的，密西西比河上的桥梁使火车能够前往西部，从而促进了贸易。铁路机车在融入电力后看到了显著的改进，这在 1888 年在美国开始，与之前的车型相比具有优势，能够达到更高的速度，并且距离/能量使用率更高。电力机车是一种相当简单直接的技术，因为它们从电网获取电力，并且只需要一个变压器。此外，装置重量轻，不会产生热量或噪音，因此更多的能量用于前进运动。电力机车的使用也具有环境影响，因为它不会燃烧大量的化石燃料。在此之后，1914 年见证了使用柴电机车控制系统的重大突破。
最初，铁路的开发是为了在不使用过多人工的情况下将重物运输到很远的地方。此外，铁轨主要用于采矿，以便快速将煤炭运输到不同的地点。因此，最初的市场细分目标是当地贸易、大型企业和采矿公司的进口商和出口商。然而，人们很快发现，大型货物运输（功能增强）可以应用于人类，因此市场细分发展为满足个人需求。最初，铁路客运服务针对的是上层阶级人士，但这导致其他人无法获得服务。因此，随着技术的进步，它允许更便宜的生产和维护以及整体服务，因此许多阶层都负担得起。因此，当它接近 21 世纪时，市场细分发生了变化，因为通过实施“经济舱”，铁路机车对社会所有阶层都变得可行。
铁路发展也基于先驱模式，即运河的使用，它允许采用预先设计的路线、业务和运营方面。一位议员约翰·兰伯顿要求对伦敦转运的煤炭关税进行限制，因此皮斯制定了伦敦煤炭的每单位距离费率。因此，成本降低到不可行的水平，并且采用了通用承运人格式。1844 年的法律影响了火车的设计，公众要求有权旅行，因此规定了以议会火车的形式提供最低的服务可用性，这些火车每周在每个方向提供服务，并在每个车站停车，规定了最高票价，运行速度不得低于 20 公里/小时。显然，这项政策被植入，因为它是当今社会所实施的政策。政策变化也反映在头等、二等和三等服务的差异化标准中，1912 年低价服务增长非常迅速。此外，收费公路模式与政府所有制相关联，建议新铁路在 21 年后成为政府财产，并支付补偿金。
如前所述，该模式的增长归因于政策、技术和公众价值观的同步发展。联邦政府为铁路公司提供了大量土地，以便铺设轨道。美国铁路发展的最初阶段非常突出
· 1871 年之前铺设了 45,000 英里的轨道
· 在接下来的 20 年中又增加了 170,000 英里
这种增长归因于横贯大陆铁路的修建，该铁路是由 1862 年的太平洋铁路法案授权的。国会授权修建横贯大陆铁路，从而加速了洲际旅行和贸易，以及铁路系统的整体发展。到 1900 年，四条横贯大陆铁路将东部各州与太平洋沿岸连接起来。私营部门之间出现了冲突，因为较小的铁路公司必须购买土地才能在私人土地上铺设轨道，而这很困难，因为土地所有者反对铁路，并拒绝以少量补偿价格授予通行权。结果，这给增长带来了负面影响，因为需要大量的资金才能进行高效的轨道铺设，最终减缓了进程。1920 年的运输法最终将铁路归还私人所有。
不断变化的铁路机车市场适应着不断增长的市场需求，个人希望更快的通勤，同时考虑到舒适度/成本等因素。这一理念体现在日本 1964 年研发的“新干线”子弹头列车上，进一步的改进包括使用计算机化的乘务员培训系统、双层车厢、再生制动器以节约能源、更轻更坚固的基础设施、电子机械系统维护、倾斜列车和气动列车设计考虑因素。显然，这些改进增强了舒适度、容量、能源效率、速度和铁路机车的整体服务水平。此外，当今引入了磁悬浮列车，标志着重大的技术进步，它利用超导技术使列车悬浮和推进，从而消除摩擦力。磁悬浮列车具有加速和减速速度远快于传统列车的优势，尽管建造成本高昂，但简单的结构使其制造和维护成本更低。此外，目前悉尼的列车在高峰时段（下午 4 点至 6 点）拥挤不堪，因此人们提出了新的列车设计方案，这些方案提供有限的座位，并模仿传统的美国地铁，大多数乘客站立，并在侧面提供可伸缩座椅。
这些数据提供了一条关于美国铁路线路（总路线公里数）的曲线，2014 年报告为 228218 公里。参考图 1，它清楚地表明了诞生、增长和成熟阶段。第一个特许和建造的铁路系统是马萨诸塞州的花岗岩铁路，1826 年运行距离为 3 英里，但这是用马拉车在轨道上行驶，用于运输货物。直到 1830 年，南卡罗来纳州运河和铁路公司建立了第一个机械客运列车，才标志着铁路的诞生，也就是图 1 中曲线开始的地方。这激发了人们对其他铁路的需求，因此由于人们认识到密集铁路网络的潜力，建立了指数增长模式。这种增长可以归因于 1850 年十多条小型铁路合并形成纽约中央铁路公司，以及政府授予铺设轨道的土地。我们在 1870 年左右看到显着增长，当时发生了内战，尽管产量下降，但铁路的使用量大幅增加，因为它们被用来快速穿越美国进行作战。例如，铁路车厢被用于第一次牛奔战役中，以确保胜利，因为增援部队被运送进来。
由于 J.P. 摩根帮助重组铁路并推动提高效率，诞生阶段继续增长。他进一步发展了“公开、合理、统一和稳定的费率”，吸引了拥有共同利益的社区。然而，我们看到一个非常明显的梯度变化，这可以归因于 1893 年的恐慌，美国历史上的一次经济萧条。这次事件是铁路过度建设和铁路融资不谨慎的产物，结果是到 1894 年中期，四分之一的美国铁路倒闭，这导致了铁路系统增长缓慢（但仍在增长）。
20 世纪初出现了负梯度变化的第一个迹象，这是第一次世界大战的结果。战争导致工业活动下降，1914 年下降了 4%，总体上出现了拥堵和运输问题。1920 年的埃施·坎明斯法案制定并通过了一项计划，将铁路公司合并为少数几个系统。此外，20 世纪 30 年代的大萧条导致了许多小型铁路倒闭。
第二次世界大战后，成熟阶段出现急剧下降，这是由于航空公司和州际公路的出现，它们提供了一种更快、更有效的交通方式。因此，人们自然而然地从铁路转向其他交通工具，因为铁路被认为效率低下。此外，由于 ICC 继续监管铁路费率和运营的其他要素，铁路无法适应不断变化的市场。这种下降最终导致主要铁路公司破产，进一步加剧了下降趋势。
由于《斯泰格斯铁路法》取消了限制性规定，以与卡车运输行业竞争，大幅下降接近了 1980 年的中性梯度。我们在图 2 中看到 21 世纪初发生了重大变化，这是由于联运货物运输、桥梁和隧道改进，以确保高效的铁路系统。此外，联邦政府资助了小型改进项目，并且还授予土地，以建立一个模仿成本和时间效率的火车系统网络。
数据来自美国运输统计局，它提供了 1960 年至 2015 年间铁路运输行驶的吨英里数数据。该数据集考察了在美国装载一吨货物行驶的铁路运输距离。
这组特定数据被估计为一个三参数逻辑函数，以形成一个 S 型曲线，从而对铁路机车的生命周期进行视觉分析，包括其诞生、增长和成熟阶段。该方程式如下所示
S(t) = 第 t 年铁路机车的吨英里数
t = 时间（年）
t0 = 拐点时间
K = 饱和状态水平
b = 常数系数
然后，我们可以使用 Excel 电子表格计算系数 k 和 b。
首先，我们必须预测 K 的第一个值，它是数据表中最大的值。在本例中，我们有 1851500。然后，我们可以通过一个 1000 的倍数线性地增加 K 的值。
为了找到最佳的 K 值，我们必须查看相应的 RSQ 值，其中最大的值表示 K 的最准确值。
显然，K 值为 1866500 产生的最高 RSQ 值为 0.78812。但是，很明显，随着 K 的增长，我们将产生一个更精确的模型，因为 RSQ 接近 1。（使用了 10,000,000 的值，其中 K 值为 0.954，但是这超出了数据集的范围，该值太大）。
因此，计算结果为
| 变量 | 值 |
|---|---|
| K | 1866500 |
| b | 0.073657 |
| t0 | 1979.68 |
由此，拟合优度模型由R平方表示，其准确性由其与值1.0的接近程度决定。显然，R平方值等于0.788，这表明与实际数据之间存在一些差异。尽管如此，K值远大于可用的最大数据，并且尽管使用了近半个世纪的数据，但可以说该模型在某种程度上是准确的。
从图中可以明显看出，由于州际公路网的增长，以及由此带来的货运业务的增长，铁路机车的诞生阶段是在1960-1990年期间。此外，技术的快速发展，即使用电力机车和柴油机车，导致了更有效率的能源使用方式，反过来也导致了以更少的能量覆盖更长的距离。S形曲线准确地描绘了1960-1990年效率的显著提高，因为它见证了10万吨英里增长，此外，由于当前技术发展局限性，增长和成熟阶段显示出略微减少的增长。
目前，我们处于铁路生命周期的成熟阶段，即通过磁悬浮列车等实现更高速度旅行的未来前景。铁路的使用已成为美国（以及整个世界）不可分割的一部分，因此预计吨英里的稳定增长也会继续。
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