交通部署案例集/双城街车

对双城街车生命周期的分析

街车简介

在1872年到1954年之间，双城的铁路采用了三种不同的技术：马拉车、缆车和电车。动力是这三种技术之间最大的区别；除此之外，它们在技术上比较相似。双城的铁路都采用标准轨距（1435mm）。一些郊区线路采用铺设在私人路权上的道碴轨，但大部分电车都行驶在混合交通中嵌入的轨道上。电力由明尼阿波利斯和圣保罗的几个蒸汽和水力发电厂发电。几个小型变电站将电力转换为用于通过架空线路为电车供电的600 V DC。

对于乘客来说，电车的优点包括旅行速度快、成本低以及可达目的地多。从运营公司的角度来看，电车的优点包括固定轨道上的车辆效率高以及能够在泥泞的街道和冬季天气下按计划运行。

主要的市场是工人阶级。富人一直都有交通选择，从早期的马匹和马车到后来的汽车。工人阶级负担不起这些选择，直到第一次世界大战后才大量购买汽车。电车在全天提供频繁的服务，用于工作和购物旅行。双城快速交通公司（TCRT）积极开发休闲旅行到乡村度假胜地的市场，并从到市中心夜生活、体育赛事和明尼苏达州博览会的特殊活动服务中获利。

街车出现之前

至少在双城，在1872年第一条马拉车线路建成之前，并没有太多东西。在1870年的统计数据中，明尼阿波利斯（包括圣安东尼市，该市于1872年与明尼阿波利斯合并）的人口为18,079人，圣保罗的人口为20,030人。明尼阿波利斯和圣安东尼市直到1858年才合并，而圣保罗则在1849年合并。密西西比河是当时的主要交通方式，它非常有效地将定居者带到明尼苏达州，并将皮毛、木材和面粉运出。然而，在与明尼苏达河交汇处以上（离明尼阿波利斯不远），航行很困难，而且河流不是市内交通的实用解决方案。有些人可能用马匹和马车在城里走动，但大多数人只是步行到任何地方。这限制了这两个城市的大小，因为工人需要住在离工作地点合理的步行距离内。

第一条铁路，芝加哥和洛矶山铁路，于1854年修建到该地区。第一条连接圣保罗和明尼阿波利斯的线路，明尼苏达和太平洋铁路，于1862年竣工。此时，可以从明尼阿波利斯乘坐火车到圣保罗，但这条线主要是为了货运机会而修建的。这种连接鼓励了这两个城市互相靠近，并促进了明尼阿波利斯作为磨坊中心的开发。这些发展，以及明尼阿波利斯-圣保罗地区从1850年的几千名定居者到1870年的约40,000人的快速增长，鼓励了当地政客和商界领袖为未来的发展做计划。圣保罗于1866年向一群商人颁发了第一个马拉车特许经营权，明尼阿波利斯于1867年也这样做，尽管这两个城市都没有立即开始运营。1872年7月15日，圣保罗第一条马拉车线路开通日，圣保罗先驱报写道，该市“已经意识到需要街车来缩短其‘壮丽距离’的长度和宽度”。 这段引言反映了这样一种认识：这两个城市都需要一种更快的市内交通方式，以便能够超越它们现在中央商务区的范围。

街车技术的诞生

街车服务始于1872年的马拉车。此时，马拉车已经是一项成熟的技术，始于1831年的纽约。 它们是其他技术的混合体，利用已经拥有的马匹来拉动驿马车和公共汽车，但在轨道上运行，而不是在马车底盘上运行，以获得更平稳的乘坐体验。双城的马拉车在由固定在木制纵梁上的铁条制成的轨道上运行，通常采用1067mm的窄轨距。这后来带来了规模经济，因为这些轨道正在以大规模生产。这些车本身长3米，司机坐在外面的平台上。乘客车厢的地板上铺着稻草，有一个小炉子，但在冬天非常冷。 由于轨道状况，车辆经常脱轨。此外，使用马匹也带来了问题。它们维护成本高，由于疲劳，每4-5小时就必须更换一次，它们在街道上留下粪便，而且它们死于疾病或衰老后必须更换。

虽然蒸汽动力当时在干线铁路中使用，但由于噪音、烟尘以及可能惊吓马匹的可能性，它被认为不适合在城市轨道交通中使用。然而，明尼阿波利斯、林德尔和湖卡尔洪铁路于1879年修建了一条从明尼阿波利斯市中心到湖卡尔洪的蒸汽动力线路，后来延伸到湖明尼通卡。蒸汽机被封闭在一个盒子里，试图解决人们的担忧，但它仍然不受欢迎，蒸汽火车在1890年退役。（这条线路本身在1887年被明尼阿波利斯街车公司接管）。

进入市场的下一项技术是缆车。缆车技术是在加利福尼亚州为金矿开发的，并于1873年首次应用于旧金山的城市轨道交通。 圣保罗市中心位于低洼地区，周围环绕着山丘。许多山丘对于马拉车来说太陡峭了，因此第一条缆车线路于1887年修建到塞尔比山。 另一条线路于1889年在东第七街修建。这些线路中的大多数几年后就被拆除了，但塞尔比山上的线路直到1906年隧道建成后才拆除。缆车由一个中央发电厂供电，可以爬上陡峭的山坡，但也有一些缺点。缆索在轨道下方的槽中运行，车辆可以抓紧或松开不断运行的缆索来控制速度。虽然拥有一个中央发电厂有利于提高效率，但一根缆索断裂或发电厂出现问题会导致整条线路停运。雪和冰进入缆索沟会造成问题，而且缆车速度不快。

电力是下一个进步，在它在双城实施之前经历了几次修改。恩斯特·维尔纳·冯·西门子于1879年在柏林展示了一台第三轨供电的机车。这是一项成功的技术，第三轨供电今天在世界各地的地铁系统中使用。然而，它不适合街车，因为对马匹和行人有危险。 19世纪80年代，明尼阿波利斯的查尔斯·范·德普勒和全国各地的其他人测试了带架空线路的电动车。直到弗兰克·斯普拉格在1885年解决了电力收集和电动机问题，这些试验才取得了成功。他的设计从一根架空电线中收集电力，并将电力从电机传送到车轴，通过齿轮和轴承（而不是皮带和链条，皮带和链条容易断裂）。 1889年，在明尼阿波利斯南四街修建了一条示范线路。它非常成功，以至于这两个城市都在1889年到1892年之间将他们的马拉车线路改为电力驱动，在此过程中改用标准轨距（1435mm）。明尼阿波利斯和圣保罗街车公司也在1891年合并为双城快速交通公司（TCRT），以帮助为电气化获得资金。 电力为600 V DC，由燃煤蒸汽机或水力发电厂提供。随着系统扩展，发电厂改用交流输电，因为直流电只能传输很短的距离。在城市周围建造了变电站，将发电厂的交流电转换为街车使用的600 V DC。从那时起（1892年），这项技术基本保持不变。车辆由长13.1米的车辆组成，车辆的一端有控制装置，另一端有气刹（1902年后）。TCRT在其历史上拥有的绝大多数车辆都是在它的斯内林车间制造的。

早期市场发展

在市场发展阶段，有轨电车线路覆盖了明尼阿波利斯和圣保罗的整个城市化地区，并在某些地方延伸到郊区。在这个时期很难确定一个“市场细分”，因为该系统服务于整个城市，理论上可以用于任何始发地和目的地都在同一个城市的出行目的。1890 年，明尼阿波利斯和圣保罗的系统通过一条沿大学大道（University Avenue）的线路连接起来，抢占了两个城市之间出行的市场。

功能增强在有轨电车的整个生命周期中都很重要，但在早期尤其重要。正如图 2 所示，在 1880 年至 1900 年之间，有四年出现了轨道净减少。虽然 1891 年的减少是马拉车向电动有轨电车转变的一部分，但其他年份的减少是由于服务重组造成的。有轨电车是该地区最早的城市公共交通工具，双城地区基本上是围绕有轨电车线路发展起来的。大多数有轨电车线路都是从市中心沿特定街道或一组街道放射状延伸出去的。TCRT（及其前身）通常将两条放射状线路配对在一起形成一条路线。这样做是为了使车辆贯穿运行，而不是在市中心终点站。然后可以在线路的末端进行调头和停放，这些地方不像市中心那样繁忙。然而，这些线路配对随着时间的推移而发生了变化。 地理位置、服务频率和合理的目的地配对被考虑用于服务配对。随着服务配对的不断变化，一些市中心连接不再需要，随后被废弃，而其他连接则被添加。

功能发展是该地区发展和有轨电车系统成功的关键。托马斯·劳里（Thomas Lowry）是将明尼阿波利斯和圣保罗有轨电车公司合并为 TCRT 的商人，他也拥有房地产利益。因此，有轨电车的延伸是以土地开发为目的进行的，并且经常发生在周围土地开发之前。换句话说，有轨电车发展引领了土地开发，并且有轨电车线路也被证明是住宅密度的一个重要预测指标。 除了“有轨电车郊区”的开发，TCRT 还试图通过开发通往埃克塞尔西奥（Excelsior）、白熊湖（White Bear Lake）和斯蒂尔沃特（Stillwater）的线路来抢占休闲市场。该公司在明尼通卡湖（Lake Minnetonka）的大岛（Big Island）和白熊湖（White Bear Lake）的野林（Wildwood）建造了游乐园。它还在明尼通卡湖（Lake Minnetonka）运营渡船和观光游览。TCRT 线路服务于明尼苏达州博览会场（Minnesota State Fairgrounds）以及明尼阿波利斯米勒（Minneapolis Millers）和圣保罗圣徒（Saint Paul Saints）的棒球场。该公司组织了特别的活动旅行来为这些活动提供服务，并且承载了相当一部分参加活动的人。

政策的作用

由于圣保罗和明尼阿波利斯的第一家马拉车公司成立于第一家马拉车公司成立大约 40 年之后，因此它们有机会从已建立的系统中学习。由于马拉车作为混合模式的地位，第一批系统很可能借鉴了驿站马车线路以及铁路的运营政策。到转换为电力的时候，TCRT 拥有与铁路相同的许多资产（机车车辆、轨道、车间），其管理层也参与了铁路。劳里担任苏线铁路（Soo Line Railroad）总裁的同时，TCRT 也在转换为电动有轨电车。 由于这些组织的相似性和劳里和其他管理层对铁路的熟悉程度，TCRT 发展了同类型的等级结构。

明尼阿波利斯和圣保罗的公司最初是独立的实体，但遵循类似的流程。明尼阿波利斯有轨电车公司（Minneapolis Street Railway Company）于 1873 年成立，并开始修建轨道。它在 1875 年获得了明尼阿波利斯市的特许经营权，并在 1879 年得到了明尼苏达州立议会的确认。 与该市的特许经营协议指定了其将要修建的线路的位置、服务类型以及设定了截止日期。该协议给了该公司垄断权，但设定了票价，并要求该公司维护轨道周围的城市街道。这些协议可以根据条件进行重新谈判，并且也确实进行了重新谈判。然而，TCRT 从未设法摆脱固定票价和街道维护条款，尽管它希望这样做。

有轨电车的增长

有轨电车的增长主要依靠私人投资。在马拉车时期，明尼阿波利斯有轨电车公司选择不支付股利，而是选择将其所有利润再投资于系统扩展。该系统在此期间发展迅速，并定期扩展到未开发地区，以试图刺激开发。因此，与该市的特许经营协议主要充当最低服务水平。这些公司有兴趣扩展到合同要求的范围之外，但必须维持其原始线路的服务。总的来说，这些城市支持系统扩展，因为它们允许人口分散。因此，双城地区以房屋和小型公寓楼为特征，而不是像纽约等东部城市典型的巨大公寓楼。

然而，当开始转换为电力时，两个城市都要求其有轨电车公司在短时间内将所有线路电气化。两家公司都承担了债务来做到这一点，并在 1891 年合并为 TCRT，以此从东部资本家那里获得融资。 转换为电力最终肯定会发生，但如果没有合同要求，它可能需要更长时间。这无疑是一项好的投资，因为全国各地从马拉车转换为电力的公司都观察到总收入增加了 30% 到 300%。 可以将其比作铁路从蒸汽动力转换为柴油或电力。最重要的线路早期就切换了，但不太重要的线路在第一次转换后的几年里仍然保留了旧的动力源。TCRT 不可能在很长一段时间内继续使用马匹，因为它们的运营成本很高，但该公司可能试图避免在没有政府干预的情况下承担如此多的债务。

成熟阶段

随着系统的成熟，它开始感受到来自汽车以及其市政合同中的两项条款的压力：固定票价和街道维护。亨利·福特（Henry Ford）在 1896 年开发了他的第一辆汽车，其他人很快也紧随其后。汽车最初是富人的玩具，但随着它的批量生产，它变成了越来越多人能够负担得起的商品。汽车与有轨电车直接争夺乘客，但汽车数量的增加也使得有轨电车的运营更加困难，因为道路上的交通量增加。

固定票价政策剥夺了 TCRT 设定自己价格的灵活性。这些类型的价格管制当时很常见，也适用于铁路。在一段时间内，票价定为 5 美分。这意味着，即使某条线路上的乘客人数保持不变，随着通货膨胀导致运营成本增加，这条线路的盈利能力也越来越低。票价上涨必须与铁路和仓库委员会协商，而委员会经常拒绝。 当票价上涨被拒绝时，TCRT 必须通过尝试增加乘客数量，或者减少服务并推迟维护来应对。

最后，街道维护在后期成为了一种负担。在 1870 年代或 1880 年代，当合同首次制定时，大多数街道都是没有铺设的，因此街道维护条款意味着 TCRT 负责维护自己的轨道以及在冬季风暴后清理街道（延伸部分被用来清理右侧车道，因为有轨电车通常行驶在左侧车道）。然而，这些条款的写法意味着，如果城市决定铺设街道，TCRT 必须自行承担费用拆除轨道并进行更换。 当明尼阿波利斯和圣保罗开始铺设所有街道时，这将是一笔巨大的开支。随着汽车交通量的增加，这变得更加昂贵，因为街道需要更频繁地重新铺设。至少有一次，在将北 6 街（6th Avenue N）改造成奥尔森纪念公路（Olson Memorial Highway）的过程中，TCRT 拒绝更换轨道，而是将线路改为公交车。

1952 年提交给明尼阿波利斯市长的报告总结了有轨电车系统面临的问题。汽车抢走了乘客，并加剧了交通拥堵。有轨电车设备已经过时，需要重新投资。特许经营协议是在很早以前制定的，现在严重限制了 TCRT 可以采取的改善盈利能力的行动。最后，交通模式的变化速度快于公司重组其网络的速度。 二战后郊区的快速发展是造成这种情况的主要原因。这份报告以及随后的报告建议对监管框架进行修改，并建议其他修改，例如基于距离的票价。 他们建议对大都市进行监管，而不是对城市进行监管，这后来以大都会委员会（Metropolitan Council）的形式实施。

有轨电车网络已经不存在了，因此系统无法重新配置以满足 2011 年及以后的交通需求。但是，有轨电车运营中的一些经验教训适用于其继任者——公共汽车，其他的经验教训可以应用于在双子城重建铁路交通网络的努力。首先，政府政策应该定期重新评估，以查看它们是否仍然适用于当前市场。在有轨电车垄断城市交通的时代制定的政策，损害了它们在垄断消失时竞争的能力。如今，交通系统是公有的，这使得关于政府政策的谈判更容易。其次，基础设施成本应该以公平的方式进行评估。在 TCRT 的最后几年，它实际上通过每次道路重铺时支付轨道铺设费用，以及在冬季继续除雪的方式，补贴了汽车出行。当它是道路的主要使用者时，TCRT 为维护和除雪付费是有道理的。随着汽车成为主导使用者，成本应该转移到汽车拥有者身上，但事实并非如此。如今，双子城地区的公交出行比例非常小。如果有效的交通系统是一个优先事项，那么通过提高与汽车相关的税收或实施道路定价，应该减少对汽车出行的补贴。政府补贴汽车出行，同时试图说服人们使用其他交通方式，这是毫无道理的。

数据和曲线拟合

图 1：双子城有轨电车轨道里程：1872-1954 年

图 2：轨道里程的年度变化

表 1：曲线拟合结果

变量	增长阶段	下降阶段
K	602.162	602.162
b	0.161	-0.0586
t0	1899	1974
r2	0.928	0.928
t（截距）	-27.0	16.28
t（b）	27.1	-16.02

本分析中使用的数据集是都市委员会制作的双子城历史交通路线的 shapefile。 该文件包含从 1872 年到 1954 年区域交通网络中每个连接的单独记录，显示了连接开通的年份和关闭的年份。包括马车、缆车、有轨电车、渡船和 1948 年的公共汽车路线。由于公共汽车路线是一种替代技术，因此在本分析中被删除，但渡船由于数量相对较少，并且它们与有轨电车一起发展和运营，因此被保留下来。使用 shapefile，计算出每个路段的长度，并将文件按开始年份、然后按结束年份进行合并，以获取每年系统中添加或减去的轨道长度。系统中的轨道里程如图 1 所示，每年的变化如图 2 所示。这些值代表中心线里程，因此同一街道上的两条轨道不会被重复计算。这个指标可能更准确地描述为系统范围，而不是轨道公里数。

曲线参数如表 1 所示。由于有轨电车已经经历了诞生、增长、成熟和衰退，因此 K（承载能力）已知为 602.162 公里。采用如下形式的三参数逻辑函数$S(t)={\frac {K}{1+e^{-b(t-t_{0})}}}$ 对数据进行拟合。这分两个阶段进行：一个代表系统增长到最大程度（1931 年之前），第二个代表系统衰退（1931 年之后）。使用最小二乘回归确定 b 的最佳值，并利用关系$t_{0}={\frac {intercept}{-b}}$ 找到拐点。对于增长阶段，b 为 0.161，拐点在 1899 年。对于下降阶段，b 为 -0.0586，拐点在 1974 年。

增长期的 S 形曲线似乎非常吻合。该$r^{2}$ 值为 0.928，截距的 t 统计量为 -27.0，b 的 t 统计量为 27.1。已知最大$r^{2}$ 为 1.0，t 统计量的显著性水平大于 2，因此曲线拟合得相当好，估计的变量在统计上是显著的。从定性上看，曲线在诞生和成熟阶段非常符合数据，但在增长阶段则不那么符合。该系统在 1880 年代的快速增长似乎比曲线预测的早了 5-10 年。一半的里程，即 300 公里，是在 1890 年达到，而不是回归分析预测的 1899 年的拐点。到了 1900 年代和 1910 年代，网络增长略微落后于曲线的预测。然而，我们也可以看到，TCRT 在这段时期内大约每十年进行一次重大资本投资：1905 年、1906 年、1913 年和 1914 年开通了大量的新轨道。考虑到新线路往往以相当大的路段开通，我们不期望数据完全符合曲线。如果样本量足够大，就像美国的所有有轨铁路一样，数据应该更平滑，并可能更好地拟合曲线。另一方面，一些异常是由于外部因素造成的，例如金融市场。1890 年代早期的放缓，令人奇怪的是，发生在逻辑曲线预测网络扩张速度最快的地方，可以用 1893 年的恐慌来解释，这场恐慌使得大型资本支出的融资几乎不可能找到。

在纸面上，下降期的曲线也相当吻合。 $r^{2}$ 值为 0.928，截距的 t 统计量为 16.28，b 的 t 统计量为 -16.02。 $r^{2}$ 值完全相同，而 t 统计量较低，但远高于统计显著性阈值。 质量上来说，曲线并不那么吻合，因为它离起点和终点都很远。 然而，由于只有两个点，最小二乘法倾向于选择最匹配其余数据的曲线。 看看实际发生的事情，负指数函数可能更好地代表下降趋势。 无论如何，回归产生的曲线反映了该系统在 1930 年代和 1940 年代的缓慢下降。 该曲线的拐点在 1974 年，而且它永远不会降到零，这表明 TCRT 的有轨电车网络过早被废弃。 这一观点得到了几位分析人士的认同，并得到了以下事实的支持：几位负责监督向公共汽车转换的经理（包括弗雷德·奥萨纳和巴尼·拉里克）后来因欺诈罪被判处入狱。 运河和铁路是成熟的运输系统的其他例子，它们下降到其最大范围的一半左右，并一直运营至今。 TCRT 可能有机会削减一些服务，继续运营最赚钱的线路，但 1950 年代的公众舆论并不支持交通运输，尤其是电车。