运输部署案例集/美国轻轨的寿命周期

简介

轻轨是一种铁路运输方式，主要拥有专用路权。其设计区别于重轨，主要在于使用架空接触网供电，而不是第三轨。轻轨也可以使用柴油驱动。大多数轻轨由多节车厢组成，每节车厢都可以在多节车厢编组中或单独运行。轻轨系统的路权可以与地面齐平，设有平交道口，部分路权可以与街道条件下的普通交通共用。这种方式相对于重轨的优势在于初始资本投资成本较低，线路规划更加灵活；由于列车较短，并且能够与地面齐平运行，而不会出现第三轨等严重安全隐患，暴露在公众面前。与公共汽车服务的优势相比，轻轨具有运量更大、速度更快、能效更高以及运营工资更低的优势，因为一名司机可以驾驶多节车厢组成的列车1。轻轨相对于竞争对手的最大优势之一，也是它很新，还没有像公共汽车和一些重轨系统那样被贴上负面标签2。早在 1975 年就已知“……这些特点吸引了其他地面交通无法吸引的乘客”3，这种优势多年来一直是轻轨的主要卖点，并影响了至今关于这一问题的政策。

定性分析

市场

目前，轻轨在美国的主要市场正在全面开拓，因为已经建成了足以支持重轨运营的路线，而公共汽车服务在运量和形象方面的问题，导致客流量低于轻轨系统。这导致轻轨成为中等城市交通系统的骨干，以及更大、更发达城市中重轨系统的辅助系统。

诞生阶段

在国际上，轻轨是作为地面铁路的改进而发展起来的。伦敦在 20 世纪 80 年代将许多地上线路升级为轻轨，并建成了码头区线路。其他西欧城市也将其有轨电车升级为类似波士顿轻轨的系统，但并非主要线路，而是整个网络都进行了改造。莫斯科和其他东欧国家城市拥有广泛的轻轨线路，仅列宁格勒在 20 世纪 80 年代中期就拥有超过 350 英里的线路；大约相当于整个美国的总和！亚洲国家也使用轻轨来补充地铁系统，这些在其他国家的广泛应用表明，高质量的轻轨系统可以很好地满足中等城市的交通需求，并为美国提供更广泛的系统数据，供其在 20 世纪 80 年代末和之后建设的项目学习参考。

轻轨一词于 1972 年由美国城市大众运输管理局正式引入美国。虽然轻轨的诞生很难确定，因为它不是简单地发明出来的，而是从有轨电车和城际铁路系统的发展和改进中演变而来的。公共汽车是主要的当地交通服务，大型城市的快速服务由重轨地铁提供，有轨电车和城际铁路线路在少数几个城市继续存在并演变为轻轨本身，但轻轨系统主要都是新建的。重轨的局限性在于，由于用于为系统供电的带电第三轨存在危险，因此它只能在完全独立的路权上运行；这使得这些系统极其昂贵，需要非常高的客流量才能证明投资合理性。公共汽车是另一种占有大量市场份额的交通方式，公共汽车也有一些缺点；主要包括运量和形象问题，以及缺乏专用路权。当轻轨被引入时，私人汽车是最常见的交通工具，而洛杉矶等大多数在 20 世纪发展起来的城市，高度依赖私人汽车来满足其地区的交通需求。这种对私人汽车的依赖和统治，导致了普遍的交通拥堵和污染。城市交通拥堵导致了人们需要一种更高效的交通方式，而当时使用的交通方式被认为要么不足，要么价格过高。

这项技术与其说是一项发明，不如说是一种思想的应用以及系统和思维的演变。通过将有轨电车与与其他交通分离的跑道相结合，从而创建出更像重轨而不是有轨电车本身的系统。最初的设计只是对现有有轨电车系统的简单升级，这些有轨电车系统购买了新的轻轨车辆，并在之前的轨道段上运行。随着新系统的建设，混合路权减少了，规划人员能够最大限度地发挥技术的优势。由此带来的两个最常见的变化是低地板车厢设计，以及能够容纳更长列车的车站。最近，轻轨系统也得到了发展，即使用轻轨技术建造地铁或其他完全独立的路权铁路系统。这不是一个新想法，因为美国公共交通协会 1987 年关于轻轨的小册子就宣称它可以适应升级到重轨。轻轨系统超出了本文这一部分的范围，因为它们在北美很少部署，在美国还没有投入使用。

增长带来变化和锁定

美国建造的第一条轻轨系统是圣地亚哥有轨电车。圣地亚哥需要改善其交通系统，并决定将货运铁路的路权用作轻轨的走廊，以合理的价格满足该地区的需要。圣地亚哥线路和最终系统的成功，使轻轨被视为需要扩大交通网络的城市的合法交通选择。这种成功促使其他城市效仿圣地亚哥，创建新的轻轨线路。更新的系统在设计中更加突出地考虑了美国残疾人法案；圣地亚哥的有轨电车最初配备了类似公共汽车的设施，平台与轨道齐平，每节车厢只有一个轮椅升降机。然而，新的系统具有无障碍踏板，而像圣地亚哥这样的旧系统则正在翻新车站和车辆，通过抬高站台和在车辆门上增加坡道来取代使用升降机，从而实现更高的 ADA 合规性，以及为残疾人提供更快的登车速度。在轻轨作为交通方式的发展过程中，一直保持着使用货运铁路或公路路权的共性，这使得轨道主要可以与地面齐平建造。

“传统”轻轨，主要将 PCC 车厢升级为 LRV。这提高了运量和运行速度。随着这些系统向轻轨过渡，它们也经历了又一次转变，就像早期的轻轨系统一样，安装了使残疾人能够使用整个系统的功能。这已经并将继续通过安装抬高平台和使用低地板设计列车来实现，以便在整个线路范围内实现无障碍踏板，从而提高可及性。

最初，轻轨市场的目标是升级旧系统，以提高运量、加快运行速度，并取代 PCC 车厢，而 PCC 车厢是这些地区主要的轻轨交通选择。圣地亚哥建成了一条新系统后，很明显这不仅仅是对旧系统的升级，还可以用来解决城市当时面临的交通问题。这导致了一些几乎没有剩余铁路交通的城市，建造了新的轻轨来解决交通问题，并增加交通客流量。

增强现有服务的初始市场在轻轨的寿命周期中所起的作用相对较小。拥有“传统”轻轨系统的交通机构很少，包括波士顿、旧金山、纽瓦克、新奥尔良、匹兹堡、费城和克利夫兰，而且所有这些系统都进行了升级，至少满足了某种轻轨分类（新奥尔良有一些专用路权，但使用的是历史有轨电车和复制品）。轻轨系统的爆发式增长来自在以前没有铁路交通的地方新建的线路。为了抢占以前没有铁路交通的市场而建造的线路，现在已占美国系统的大多数。

很难给轻轨分配一个诞生阶段，因为早期系统从有轨电车服务过渡到轻轨服务的时间界限有些模糊。轻轨的概念确实带来了一些所有系统都需要的永久性理念，一些“锁定”的特征。一些并非完全必要的锁定特征包括允许从多个车门上下车，以及使用车票作为收费系统。这些设计特征从我们数据收集开始，以及城市大众运输管理局支持的轻轨定义就一直存在。另一个逐渐占据主导地位的特征，尽管今天仍然有一些反对者，是使用每侧有四个车门的轻轨车厢。圣地亚哥的原始车辆就可以看到每侧都有四个车门。这已成为典型轻轨车辆的标准，当然也有一些系统不符合，比如波士顿，但总的来说，轻轨车辆的八个车门是一种从该模式诞生之日起就一直保持不变的设计。

大多数轻轨系统的原始设计是使用高地板车辆设计。这种设计开始被锁定，直到美国残疾人法案通过，要求所有轻轨系统都能为无法使用楼梯的人提供无障碍乘车。早期的轻轨车辆采用高地板设计，而且早期的轻轨系统旨在具有成本效益，因此车站通常没有抬高的站台，使用升降机来帮助无法使用楼梯的人。然而，为了符合 ADA 的规定，大多数交通运输机构在订购新的轻轨车厢时，购买了低地板车厢，因此车站只需要抬高一英尺或更少。这也影响了轨道的设计，早期轨道的设计方式看起来像是有些轨道将会是窄轨的。这主要是因为窄轨车辆可以提供更小的转弯半径。这种优势被铰接式设计（现在已成为所有轻轨系统的标准）的出现所抵消。推动标准轨道的另一个因素是 ADA 和新的低地板设计，标准轨道的采用使得轮椅可以移动到中心转向架的轮子之间，而窄轨轨道没有足够的空间来做到这一点。

轻轨的母体逻辑来自大多数其他铁路运营，从技术上讲，轻轨与重轨和有轨电车非常相似。预付费、多车门上下车、专用路权、列车编组和车站基础设施都是直接从重轨系统借鉴的，而混合路权和车辆设计则更接近有轨电车。车票的概念也是从以前的铁路模式借鉴的。这种母体逻辑的起源尚不清楚，可能是通勤铁路、长途铁路或有轨电车。所有这些模式都曾经使用某种车票机制来收取车费。

增长

“轻轨很酷，很性感”——达科他县董事会主席凯瑟琳·盖洛德。

人们喜欢火车。火车与其他交通方式，尤其是轻轨列车，有着不同的看法。盖洛德女士说这些话的时候，指的是在一条走廊上建造的一条公交快速交通线路，代替了轻轨。在解释这条走廊上的轻轨将非常昂贵，而且乘客数量不足的情况下，盖洛德女士表达了可能许多年来公众和规划者对轻轨和公交快速交通线路最诚实的观点。私营企业开发商在轻轨周围建造了大型交通导向型开发项目。以明尼阿波利斯-圣保罗为例，在绿线/中央走廊沿线已经进行了超过 17 亿美元的建设，这比该线路投入运营提前了半年多。虽然开发可以由其他中高运量交通项目推动，例如优质公交快速交通或重轨，但在大多数轻轨系统建设时，重轨过于昂贵，而公交快速交通只是新兴技术。发展和增长几乎总是政客和其他决策者喜欢谈论和推崇的话题，而轻轨让地方政客能够说，他们的社区、城市甚至大都市区正在获得原本无法获得的开发机会。这些私营企业的行动影响了地方政府推动更多铁路交通，并加大力度。这种对铁路交通的政治投资确实取得了成果，是巩固轻轨成为中等城市主要走廊首选交通方式的一个驱动因素。

轻轨仍处于增长阶段，但目前正在出现的一个新挑战是公交快速交通的兴起。中运量交通曾经是轻轨占据的利基市场，现在这个利基市场出现了竞争，轻轨的市场份额可能会减少。与公交快速交通的竞争将迫使轻轨证明其优越性和成本效益，它将不得不将市场份额让渡给公交快速交通。如果公交快速交通系统在中运量交通领域获得显著的市场份额，它将迫使轻轨进入更小的利基市场。随着轻轨的改进，我们将看到它是否会被淘汰，或者它以及相应的公交快速交通改进是否会创造一个更有效的交通系统。这一点很重要，因为如果轻轨被淘汰，记录其增长的 S 形曲线的后半部分将会受到抑制，而如果提高效率导致轻轨生存下来，增长可能会放缓，但它将完成其 S 形曲线，在很长一段时间内缓慢地趋于平稳。

成熟的可能性

轻轨发展尚未达到成熟，正如附图所示。轻轨可能的拐点始于 2006 年，但目前没有足够的数据来确定任何年份是轻轨发展的拐点。当轻轨以其目前的形式达到成熟时，一种目前在北美尚未开发的可能的扩展和应用是轻型地铁。轻型地铁使用轻轨技术，但列车几乎完全在专用路权上运行，本质上相当于轻轨只是规模更小的地铁。这种应用的优势是速度和容量比普通轻轨更高，因为不需要考虑交叉交通；然而，它比普通轻轨昂贵得多，目前与重轨相比，唯一的显著成本节约来自更便宜、更短的车站。这种可能的应用之前被详细说明为 APTA 支持建设轻轨的原因。轻型地铁并非闻所未闻，轻型地铁的概念是东欧国家普遍实施轻轨的方式，他们拥有广泛的系统和高客流量，这表明轻轨技术这种应用可以在美国产生类似的效果，成为城市集中的交通方式。

另一方面，许多系统目前在整个路线上都只使用自己的路权。在难以获得专用路权的地方，更多地使用混合路权也可能是这种模式的一种可能的适应方式。旧金山公交系统将有轨电车与轻轨混合使用，其中部分路段仍然是最初的有轨电车线路，但在繁忙的路段有隔离的和完全独立的路权。这种地面运行适用于更多地方性服务，以及在拥挤地区以最少的征地或移除车道投资进行服务扩展。这种模式的应用似乎不太可能，因为人们对轻轨的认知已经定型，即拥有自己的路权。这种锁定是有效的，因为有大量混合路权的路段，与在相同道路上行驶的公交车相比，不会有更好的时间或可靠性。这种轻轨的使用可能会以建设短小的次要路段以及继续现有服务的方式实施，但轻轨不太可能出现任何规模可观的第二增长阶段。

定量分析

关于轻轨的数据获取并不容易，尽管来源很多，但数据的质量几乎总是存在严重问题。本文使用国家交通数据库和交通运输统计局的数据来分析轻轨系统的方向路线里程。这些统计数据仅追溯到 1985 年，自身也存在一些不一致性，但与其他来源的数据相比，这些数据更有利于分析，更容易进行一致性处理。由于数据仅追溯到 1985 年，所以数据不完整，这意味着像圣地亚哥和布法罗这样新系统与对现有有轨电车系统进行的升级和轻轨技术的应用被视为同等重要的。当试图反溯技术发展至 1970 年代时，由于网络的扩展和改造，数据要么缺失，要么不一致。如果本项目早些开始进行，可能会找到一种方法来解决这些问题，但由于项目时间紧迫，以及作者的计划和时间安排问题，这些方法不可行。1985 年至 1990 年的数据在现有的数据集中不可用。这个数据缺口是通过线性外推法来解决的，经过更多研究，可以改进这些数据以更好地反映系统的实际建设情况，但可能仍然需要对这两个数字之间进行外推，只是不再像之前那样依赖它。最后一个数据不一致问题是国家交通数据库在 2011 年的报告中包含了混合型铁路和有轨电车，而之前并没有考虑它们。混合型铁路的路线里程被加到了轻轨的里程中，因为数据库的术语表声明：“这种服务通常使用轻轨类型的车辆，如柴油动车组（DMU）。” 这也保证了数据与上面的定性结果部分一致，该部分指出轻轨通常采用电力牵引，但不一定是唯一的牵引方式。

数据显示，到目前为止，美国轻轨系统还没有出现拐点，但路线里程一直在以越来越快的速度增长。这意味着 Excel 回归表没有用，所以没有显示出来。第一张图使用的是 5000 公里的方向路线里程，大约是现有系统的两倍。在数据中可以看到 2000 年代中期左右出现了可能的拐点，因为增长开始接近线性化，有可能仅仅是数据集的大小阻碍了对数据的拐点观察，而实际数据中存在一个拐点。第二张图也附在后面，该图显示了使用不同年份作为拐点的系统预测增长情况。由于与其他交通方式的竞争，特别是公交快速公交的竞争，轻轨路线里程的拐点年份不太可能超出此图上最新数据集的范围，因此它仍然是有用的。

第二张图上的四条曲线是根据它们的拐点选择的。最低的一条曲线假设 2000 年代中期发生的拐点是真实的，第二高的曲线假设 2011 年是拐点，最后两条曲线分别是 2015 年和 2020 年。选择这些点是因为它们的最终值通常是当前总方向路线里程的两到三倍，并且它们在轻轨增长放缓的年份中分布相对均匀。

这张图是使用 2011 年作为数据拐点生成的，这也为我们提供了这张图表。标准误差和 t 统计量不应该被过分重视，因为我对它们的价值并不十分自信。

2011
回归统计
多重 R	0.986
R 平方	0.973
标准误差	17.778
观测值	27

	系数	标准误差	t 统计量
截距	-160.445	770.148	-0.208
b	0.07977	0.38290	0.208

对每个年份和拐点的预测值，以及每个年份的图表如下；

从这些数据中，我们无法确定轻轨何时会达到拐点，或者何时会停止增长。然而，很明显的是，只要该技术保持其 S 型曲线，未来二十年左右将会建设新的系统和线路扩展。