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December 9, 2006
為什麼國際標準軌寬是143.5公分?
lai 在 YLib Blog 發表於 14:34:11

 

為什麼國際標準軌寬是143.5公分?

 

  

        我讀初高中時,住家離台糖小火車鐵道很近,每天看到同學從各鄉鎮搭火車通學,40年後仍歷歷在目。我對台糖鐵路還有一項深刻的記憶。這種火車的主要功能,是把台糖在各地區契約耕作的甘蔗,採集後運到糖廠加工成各種正產品(各式各樣的糖)和副產品(例如健素糖、蔗板)。這種白色製糖用的甘蔗,和街上或市場看到的黑色甘蔗(口嚼或榨汁)不同:黑蔗的甜度低、皮薄、肉脆,白蔗相反。

        1960年代國際糖價高,那時台灣經濟尚未成長,鐵路沿途有不少人偷白蔗。我在小學高年級時,跟同學去看青少年的英勇作為。蔗農把15-20根甘蔗,用蔗葉綁成一大綑,放在運貨物的平台式車廂上。如果最下層是南北方向置放,上一層就東西方向置放,再上一層又換成南北向,讓甘蔗之間的摩擦力互相牽制,只要火車速度不太快,就不會在運送途中掉落。

        蔗農綁甘蔗時,因為甘蔗的長短不一,有幾根會較突出。較有力氣的青少年,不難從慢速行駛的火車抽下甘蔗。一次沒抽出來也沒關係,他們約間隔1520公尺站列,前面沒抽下的,下一位繼續,經過35人一定抽下來。第2種方法更狠:有些空軍眷村子弟,家裡有降落傘用的尼龍繩(這是買不到的高檔貨),他們在繩頭綁上鐵鈎,抛向最上層的甘蔗,整綑拖下來,或吃或送或賣。

台糖受不了這種損失,就在車廂之間不規則地穿插空車,上面坐人,手裡拿著催淚槍,朝這些偷甘蔗的青少年發射。我沒有上場的資格,但和其他人被催淚槍射過,還記得淚涕縱橫的滋味。

        我那時知道台糖火車的車廂比台鐵的小,鐵軌也較窄。聽人說台糖火車叫做「五分車」,不明白是什麼意思。1970年到台北讀大學,那時以坐平快車為主,知道台灣的縱貫鐵路是日據時期修造的,聽人家說這叫做「七分車」,也不明白是什麼意思。後來看電影《東方快車謀殺案》,看到洋人的火車竟然有包廂,廂外有通道,覺得洋火車比台灣的火車寬敞。1979年到巴黎第一次坐有包廂的火車,感覺台灣的火車還真窄。1992-3年在美國,更確定台灣的軌寬有點奇怪。

        很慚愧,我一直沒去弄清楚五分車、七分車、歐洲車、美國鐵軌的寬度有什麼差別,為什麼會採用這麼不同的規格。這件事拖到2001年初,我讀到Douglas Puffert2000)的論文後,才把整個事情弄清楚。1995年夏,我在慕尼黑大學三個月,在經濟史研討會上認識Puffert,是個溫文儒雅的年輕學者,他在史丹佛大學的博士論文(1991),就是以北美鐵軌的寬度為主題,在主要的經濟史期刊上發表好幾篇論文。

        我從「維基百科」(Wikipedia)查「軌距」,得到許多具體的數字,摘述如下。維基百科說,1937年制定的國際標準軌(143.5分=4英呎8吋半)是英國提出的,這個說法不夠正確,稍後詳說。現在歐洲大部份國家都使用標準軌,例外的國家有:愛爾蘭與北愛爾蘭(160公分)、西班牙(167.4公分,正在改為標準軌)、葡萄牙(166.5公分)。阿根廷與智利的軌距是167.6公分;俄羅斯及鄰近國家,以及蒙古、芬蘭都是152公分。

        日本的軌距是106.7公分(36吋),日據時期修築的台灣軌寬也是106.7公分,這是國際標準軌(143.5公分)的74%,稱為「七分車」。台灣的糖業鐵路和阿里山的森林鐵路,是76.2公分的窄軌,是143.5公分的53%,簡稱「五分車」。日本在1960年代修建新幹線(高速鐵路)時,採用143.5公分的國際寬軌,提高行駛的穩定性。台灣高鐵、台北和高雄的捷運,都採用143.5公分的標準軌。清朝末年中國的鐵道,由英國和比利時承建,採用143.5公分標準軌。

        我在想:現在以電力帶動的火車頭,牽引力比20世紀初期的蒸汽機火車頭大許多,為何不把軌寬擴大為200公分,不是更寬敞又可載更多貨物嗎?維基百科說:以現代的角度來看,(1)寬軌不一定可以載更重更多;(2)寬軌車不一定較快;(3)建造標準軌與建造窄軌的成本相差不大;(4)窄軌也可以達到和標準軌一樣的負載量。我覺得奇怪,不明白為什麼會這樣。有興趣的讀者,請在維基百科查「軌距」,內有豐富的資料,文末的「外部連結」(科普鐵路館),提供豐富的相關訊息。

        其實1937年制定的國際標準143.5公分軌寬,是沿用美國1835年就存在的規格。Puffert2000)的論文重點,是要分析為什麼143.5公分的軌寬,會在諸多規格的激烈競爭下脫穎而出。這篇文章的主題,可說是美國軌寬的發展與競爭史。

        1835-90年間,北美(美國與加拿大)至少有9種軌道:3英呎(91.4公分)、3英呎6吋(106.7公分)、4英呎8吋半(143.5公分)、4英呎9吋(144.8公分)、4英呎10吋(147.3公分)、5英呎(152.4公分)、5英呎4英吋(162.6公分)、5英呎6吋(167.6公分)、6英呎(182.9公分)。

為什麼會這麼複雜?因為:(1)各地區修築鐵路時,鐵路工程師的技術來源與傳承不一,有些採英國體系,有些則否。(2)故意不相容,阻擋其他地區的農工業產品進入。(3)各地區的地形地勢不一,對軌道的需求自然不同。

為什麼後來會統一使用145.3公分,1937年之後成為國際標準軌寬呢?這就是本文的要點:說不出合乎邏輯的道理,這是政治與經濟交互角力後,一步步發展的結局,這正是典型的path dependence問題(依發展途徑而異、受到隨機性的因素干擾)。市場機能、競爭、效率、最適化這類的觀念,在這個議題上無法發揮功能,因而稱為「市場失靈」。

        美國最早的鐵道,是承襲英國的4英呎8英吋(142.2公分)規格,這是18世紀末,在英國礦區發展的原初型鐵路,在Newcastle地區最通行。有位叫George Stephenson史蒂文生)的工程師,在StocktonDarlington之間建造一條運煤鐵道。1826-30年間,他被任命在利物浦和曼徹斯特(Liverpool and Manchester, L&M)之間建造鐵路,特點是用蒸汽機來推動火車頭。這是第一條靠蒸汽機推動的鐵路,也是第一條完全依靠載運乘客與貨運的鐵路,更是第一條與礦冶完全無關的鐵路,在鐵道史上有顯著的開創地位。

        不知為什麼原因,Stephenson把鐵軌加寬了半英吋(1.3公分),成為48吋半(143.5公分),這就是日後國際標準軌的規格。1826年,Stephenson在競爭L&M鐵路時,他的對手刻意提出56吋(167.6公分)的寬軌(加大24.1公分),但沒被採用。

George Stephenson的兒子Robert,後來在國會的委員會上說:143.5公分軌寬也不是他父親訂的,而是從家鄉地區的系統「承襲」(adopted)來的。Samuel SmilesStephenson的朋友與早期傳記的作者,他說143.5公分的軌寬,「沒有任何科學理論上的依據,純粹是因為已經有人在用了。」(Puffert 2000:93911)。

        美國早期的鐵路建造者,參觀L&M與其他地區的鐵道,認為L&M的規格較適合,就把整套工程技術搬回美國。另有一批工程師,1829年參觀英國鐵路,回國後在巴爾的摩(Baltimore)與俄亥俄(Ohio)之間築了另一條鐵路(B&O),把原本的46吋軌寬改為48吋半,目的是要和L&M系統的火車「接軌」。

但有幾批工程師卻另有盤算,有些採用35吋,有些認為5呎較易使用(整數較簡潔),有些人用49吋(何必用8吋「半」 這麼奇怪的規格呢?),有人堅持410吋也不錯。簡言之,在最複雜的時候,美國鐵路有過9種軌寬並存。

        現在回過頭來,看鐵道的發源國(英國)。他們在建築Great Western Railways GWR)時,把軌寬擴大為7呎(沒錯!213.4公分),幾條較短的路線,用5呎或56吋。有些美國工程師,看到鐵路老大改為寬軌,為了迎頭超越,就把紐約與愛力(Erie)之間的鐵路,建為6呎寬(182.9公分),希望能達到三個目的:最高速、最舒適、最低成本。

但事與願違,有些人認為56吋就夠了。幾經實驗,19世紀中葉的美國鐵道工程師,在考慮火車頭的拉牽力之後,覺得還是以5呎至56吋之間較合適。加拿大的鐵路學者也有同感,而這正是英國當時採用的軌寬。

        1860年之後,又有人感覺寬軌太耗動能,對蒸汽機的負擔過重,認為還是老規格(48吋半)較合適。在地勢變化較大的地區,其實36吋更合用,因為較容易轉彎。在多山的地區,若用3呎寬的鐵軌,就不必挖太寬的隧道,可以省下不少成本:3呎的鐵路成本,比48吋半的建造費用便宜三分之一(枕木、石塊、人工、管理都較省)。

        建造鐵路時,美國政府只負責土地與公共事務,對具體的投資、興建、技術規範都不插手。如果你是第一位在某個區域的鐵道投資者,只要考慮自己喜歡哪種軌寬;第二位投資者,或許也可以自由選擇軌寬;但第三位投資者,就必須考慮接軌問題,沒有多大選擇空間。在這種機制下,美國的鐵道系統就出現一項特質:地區性的軌寬整合度很高,但全國性的相似度很低。

        簡言之,美國的軌寬是由民間工程師決定,而這又受到他們之前的經驗影響:或是向英國某個地區學來的,或是依所購買的火車頭帶動力,來決定軌寬。為什麼48吋半最後會成為主流?因為採用者最多,滾雪球效應最大。換個角度來問:政府為何不居間協調呢?南北戰爭之前,有誰能預期日後會建造出全國性的鐵路網呢?

那時投資鐵路的人,只想載運貨物和非乘客的人員,從河運搶些生意做,佔住某個地區的地盤。他們甚至不想和其他區域的鐵路接軌,基本的心態是互不侵擾地盤。加拿大也不希望美國的火車駛入,鐵道的規格因而形成割據。現在美加兩國的鐵路、電話號碼、電壓、影印紙規格都已統一化,那是很後來的事了。

        其實加拿大的國會,很早就知道軌寬標準化的重要性:1851年主張採用56吋(167.6公分),他們的GWR1854年營運時,就是依這個規格。美國國會把橫跨大陸的軌寬選擇權,授給林肯總統,他決定用採用5呎寬(152.4公分)。但是中西部的鐵道業者不願接受,就和東部的同行結盟,遊說國會採用最老式的英國軌寬(48吋半,143.5公分)。

某些較貧困的地區,資本不夠,希望採用窄軌,就在1872年另組一個「國家窄軌聯盟」(National Narrow-Gauge Railway Convention):之後全國各地的窄軌,95%採用3呎(91.4公分)的規格。在這種「地區性整合度高、全國性整合度低」的結構下,美國的鐵道系統,怎麼可能在20年內(1866-86),就完成規格統一呢?48吋半的規格獲勝,是因為它有特殊的優越性嗎?

        其實在1860年代時,誰也不知道48吋半會成為日後的國際標準,當時存在9種規格,工程師並無明顯的偏好。為何會有統一化的認知呢?主要是各地區的經濟發展後,運輸量大幅增加,東西兩岸的產品與人員相互運送,無法透過較受地域性限制的水運。當時東西橫向的鐵路,大都採用48吋半,產生大者恆大的雪球效應,市場佔有率愈來愈高。各地區的鐵路公司,在利益的考量下愈來愈合作:發展跨區的鐵道系統,共同管理相互協助,這是推動鐵道標準化的重要因素。

        大家會問:把原來不是48吋半的軌寬,不論是拉寬或縮窄,轉換的成本不是很高昂嗎?是的,費用看起來是不小,但相對於鐵道的總價值,百分比並不高。主要的花費是整修路基,尤其是在擴寬軌道時。如果只是把軌道稍微拉寬或縮小,這屬於「移軌」的問題,成本並不高。較貴的部份,是更換為48吋半的車廂和火車頭(機頭)。

        1871年時,把OhioMississippi鐵路,從6呎縮為48吋半的平均成本,是每英哩1,066美金,再加上價值5,060美金的新車頭。到了1885-6年間,這些成本更低了:更動南方軌道與設備的成本,每英哩約只需150美金。把窄軌拉寬的成本,每英哩約7,500美金。

對那些和48吋半較接近的軌道(例如410吋),就建造可以調整輪子寬度的車體,來相互通車。一旦整合的意願明確化,確知每英哩的更動成本,佔鐵道總價值的百分比不高後,20年內很快地就整合完成了。48吋半成為美加的標準規格,1937年成為國際標準,沿用到今日。

        美國軌寬的故事告訴我們:(1)市場的需求,是規格統一化的重要推手。(2) 1880年代統一的48吋半,以今日的車頭牽動能力而言,並不是最具能源效率的規格;但這已是國際標準,改動不了了。(3) 48吋半能一統天下,並不在於規格上的優越性,而是歷史的偶然造成。(4)並不是最有效率、最具優勢的東西,就能存活得最好。(5)這種path dependence(歷史的偶然)的現象,在度量衡上最常見。聽說1英呎的定義,就是某位國王鼻尖和手指之間的距離。

        對美國標準軌寬問題有興趣的讀者,請進一步參閱Puffert (2003) “Path dependence” (http://eh.net/encyclopedia/) 16頁的長文,與2大頁的參考書目。

 

參考文獻

Puffert, Douglas (2000): “The standardization of track gauge on North American railways, 1830-1890”, Journal of Economic History, 60(4):933-60.

Puffert, Douglas (2003): “Path dependence” (http://eh.net/encyclopedia/).

 

附錄:網路版美國鐵軌的故事

經濟學中有個名詞稱為「路徑依賴」,它是類似於物理學中的"慣性",一旦選擇進入某一路徑(無論是「好」的、還是「壞」的),就可能對這種路徑產生依賴。以下美國鐵軌的故事,也許有助於我們理解這一概念,並且加深對其後果的印象。

美國鐵路兩條鐵軌之間的標準距離,是四點八五英尺。這是一個很奇怪的標準,究竟從何而來的?原來這是英國的鐵路標準,因為美國的鐵路,最早是由英國人設計建造的。那麼,為什麼英國人用這個標準呢?原來英國的鐵路,是由建電車軌道的人設計的,而這個四點八五英尺,正是電車所用的標準。

電車軌標準又是從哪裡來的呢?原來最先造電車的人,以前是造馬車的。而他們是用馬車的輪寬做標準。好了,那麼,馬車為什麼要用這個輪距標準呢?因為如果那時候的馬車,用任何其他輪距的話,馬車的輪子很快就會在英國的老路上撞壞。為什麼?因為這些路上的轍跡寬度,為四點八五英尺。

這些轍跡又是從何而來呢?答案是古羅馬人定的,四點八五英尺正是羅馬戰車的寬度。如果任何人用不同的輪寬,在這些路上行車的話,輪子的壽命都不會長。我們再問:羅馬人為什麼用四點八五英尺,作為戰車的輪距寬度呢?原因很簡單,這是兩匹拉戰車的馬的屁股寬度。故事到此應該完結了,但事實上還沒有完。

下次你在電視上看到,美國太空梭立在發射臺上的雄姿時,你留意看,它的燃料箱的兩旁,有兩個火箭推進器。這些推進器是猶他州的工廠所提供的,如果可能的話,這家工廠希望把推進器造得胖一些,容量就會大一些,但是他們不可以,為什麼?

因為這些推進器造好後,要用火車從工廠運到發射點,路上要通過一些隧道。而這些隧道的寬度,只比火車軌道寬了一點點。然而我們不要忘記,火車軌道的寬度,是由馬屁股的寬度決定的。

因此,我們可以斷言:可能今天世界上最先進的運輸系統的設計,是兩千年前便由兩匹馬的屁股寬度決定了。這就是路徑依賴,看起來有幾許悖謬與幽默,但卻是事實。


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