鉄道輸送

1784年、スコットランドの発明家で機械技師のジェームズ・ワットは、蒸気機関車の設計の特許を取得した。ワットは、それまで鉱山から水を汲み出すために使われていたトーマス・ニューコメンの蒸気機関を改良し、1769年に車輪を駆動できる往復動機関を開発した。これは綿紡績工場やさまざまな機械を動かす大型の定置式機関であった。当時のボイラー技術では、シリンダー内の真空に作用する低圧蒸気を使用する必要があり、そのためには別の凝縮器と空気ポンプが必要であった。しかし、ボイラーの構造が改良されるにつれて、ワットはピストンに直接作用する高圧蒸気の使用を研究し、車両を駆動できる小型機関の可能性を開いた。ワットの特許取得後、ワットの従業員であるウィリアム・マードックは、同年、自走式蒸気自動車の実動モデルを製作した。^{[ 33 ]}

英国で最初の本格的な蒸気機関車は、1804年にコーンウォール生まれの英国人技師リチャード・トレヴィシックによって製造されました。この機関車は高圧蒸気を使用して1回の動力行程でエンジンを駆動しました。伝達システムには、ピストンロッドの動きを均一にするために大きなフライホイールが使用されていました。1804年2月21日、南ウェールズのマーサー・ティドフィル近郊のペニダレン製鉄所の軌道で、トレヴィシックの無名の蒸気機関車が列車を牽引し、世界初の蒸気機関車による鉄道旅行が行われました。^{[ 34 ] [ 35 ]}トレヴィシックは後にロンドンのブルームズベリーにある円形レールの一部で機関車「キャッチ・ミー・フー・キャン」の運行を実演しましたが、彼の機関車が当時使用されていた鋳鉄製のレールには重すぎたため、鉄道機関車に関しては実験段階を超えることはありませんでした。^{[ 36 ]}

商業的に成功した最初の蒸気機関車は、 1812年にリーズのミドルトン鉄道向けにマシュー・マレーが製造したラック式機関車「サラマンカ」でした。この2気筒機関車は軽量で、レールを破損させることなく、片側のレールの側面に鋳造された歯を用いた歯車によって粘着問題を解決しました。そのため、これは最初のラック式鉄道でもありました。

これに続いて1813年には、クリストファー・ブラケットとウィリアム・ヘドリーがウィラム炭鉱鉄道のために製造した機関車パフィング・ビリーが登場した。これは粘着力のみで走行する最初の成功した機関車である。これは重量を複数の車輪に分散させることで実現された。パフィング・ビリーは現在ロンドンの科学博物館に展示されており、現存する最古の機関車である。^{[ 37 ] [ 38 ]}

1814年、ジョージ・スティーヴンソンは、トレヴィシック、マレー、ヘドリーの初期の機関車に触発され、勤務先のキリングワース炭鉱の支配人を説得して蒸気機関車の建造を許可させた。スティーヴンソンは蒸気機関車の開発と普及において極めて重要な役割を果たした。彼の設計は、初期の先駆者たちの業績を大幅に改善した。彼は機関車ブリュッヒャーを建造し、これもまたフランジ付き車輪の粘着式機関車として成功を収めた。1825年、彼はイングランド北東部のストックトン・アンド・ダーリントン鉄道のために機関車ロコモーションを建造し、これが世界初の公共蒸気鉄道となった。ただし、この機関車は異なる運行で馬力と蒸気の両方を使用していた。1829年、彼は機関車ロケットを建造し、レインヒル・トライアルに出場して優勝した。この成功により、スティーブンソンは自社をイギリス、アイルランド、アメリカ合衆国、そしてヨーロッパの大部分の鉄道向け蒸気機関車の最高峰の製造業者として確立した。^{[ 39 ] : 24–30}常時蒸気機関車のみを使用する最初の公共鉄道は、1830 年に建設されたリバプール・アンド・マンチェスター鉄道であった。 ^{[ 40 ]}

蒸気機関は、1世紀以上にわたり、世界中の鉄道において主要な動力源であり続けた。

最初に知られている電気機関車は、1837年にスコットランドのアバディーンの化学者ロバート・デイヴィッドソンによって製造されました。これはガルバニ電池（バッテリー）で駆動していました。したがって、これは最も初期のバッテリー式電気機関車でもありました。デイヴィッドソンは後にガルヴァーニという名のより大型の機関車を製造し、1841年の王立スコットランド芸術協会展に出品しました。この7トンの車両には、各車軸の木製シリンダーに取り付けられた鉄棒に固定電磁石を作用させる2つの直接駆動リラクタンスモーターと、単純な整流子が搭載されていました。この機関車は6トンの荷物を時速4マイル（時速6キロメートル）で1.5マイル（時速2.4キロメートル）の距離を牽引しました。翌年の9月にエジンバラ・グラスゴー鉄道で試験が行われました。しかし、バッテリーの電力が限られていたため、広く使用されることはありませんでした。鉄道労働者たちは、この機関車を自分たちの雇用の安定を脅かすものとみなし、破壊しました。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} 19世紀半ばまでに、ほとんどのヨーロッパ諸国は鉄道を軍事的に利用していた。^{[ 44 ]}

ヴェルナー・フォン・ジーメンスは1879年にベルリンで電気鉄道を実演した。世界初の電気路面電車であるグロス・リヒターフェルデ路面電車は、1881年にドイツのベルリン近郊のリヒターフェルデで開業した。これはジーメンスによって建設された。路面電車は走行レールから供給される180ボルトの直流で走行した。1891年に線路に架線が設置され、路線はベルリン・リヒターフェルデ西駅まで延伸された。フォルクス電気鉄道は1883年にイギ​​リスのブライトンで開業した。この鉄道は現在も運行しており、世界最古の現役電気鉄道となっている。同じく1883年には、オーストリアのウィーン近郊でメードリング・ヒンターブリュール路面電車が開業した。これは架線から電力を供給され、定期運行された世界初の路面電車だった。 5年後、米国では1888年にフランク・J・スプラーグが設計した装置を使用してリッチモンド・ユニオン旅客鉄道で電気トロリーが初めて導入された。^{[ 45 ]}

幹線鉄道における最初の電化は、 1895年にボルチモア・アンド・オハイオ鉄道（B&O）のボルチモア・ベルト線の4マイル区間で行われた。この区間は、ボルチモアのダウンタウン周辺をトンネルで迂回しながら、B&Oの幹線とニューヨークへの新線を結んでいた。1897年にスプラーグが発明した複数ユニット列車制御システムも相まって、電気は地下鉄の動力源として急速に普及した。1900年代初頭までには、ほとんどの路面電車が電化されていた。

世界最古の地下鉄であるロンドン地下鉄は1863年に開業し、1890年にはシティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道（現在のロンドン地下鉄ノーザン線の一部）で第4レールシステムを使用して電気運行を開始しました。これは電気牽引を使用した最初の主要鉄道でした。世界初の深層電気鉄道であるこの路線は、ロンドン市からテムズ川の下を通り、ロンドン南部のストックウェルまで走っています。^{[ 46 ]}

最初の実用的な交流電気機関車は、当時チューリッヒのエリコン社に勤務していたチャールズ・ブラウンによって設計されました。1891年、ブラウンはラウフェン・アム・ネッカーの水力発電所とフランクフルト・アム・マイン・ウェストの間、 280 km (170マイル)の距離で三相交流を使用して長距離送電を実証しました。ジャン・ハイルマンの下で蒸気電気機関車の設計に携わっていた経験から、ブラウンは三相モーターは直流モーターよりも出力重量比が高く、整流子がないため製造とメンテナンスが容易であることに気づきました。^{[ b ]}しかし、それらは当時の直流モーターよりもはるかに大きく、床下の台車に取り付けることはできず、機関車の車体内にしか搭載できませんでした。^{[ 48 ]}  

1894年、ハンガリーのエンジニア、カールマン・カンドーは、電気機関車用の新しいタイプの3相非同期電動駆動モーターと発電機を開発した。カンドーの1894年初頭の設計は、1896年から1898年にかけて建設されたフランスのエビアン・レ・バンにある短い3相交流路面電車に初めて適用された。 ^{[ 49 ] [ 50 ]}

1896年、エリコンはルガーノ路面電車に最初の商用システムを設置した。各30トンの機関車には、二重架線から供給される三相750V 40Hzで駆動する110kW （150hp ）のモーターが2基搭載されていた。三相モーターは一定速度で回転し、回生ブレーキを提供するため、勾配の急な路線に適している。最初の幹線用三相機関車は、1899年にスイスのブルクドルフ-トゥーン線（ 40km ）にブラウン社（当時ウォルター・ボヴェリ社と提携）によって供給された。     

イタリアの鉄道は、短い区間ではなく、本線全体にわたって電気牽引を導入した世界初の鉄道でした。106  km のヴァルテッリーナ線は、カンドーとガンツ工場のチームによって設計され、1902 年 9 月 4 日に開通しました。^{[ 51 ] [ 52 ]} 電気システムは 3 kV 15 Hzの三相でした 。1918 年、^{[ 53 ]}カンドーは回転位相変換器を発明および開発し、電気機関車が単一の架線を介して供給され、 高電圧の全国ネットワークの単純な産業周波数 (50 Hz) の単相交流を流しながら三相モーターを使用できるようにしました。^{[ 52 ]}

第二次世界大戦後、フランスのSNCFが交流牽引の普及に大きく貢献した。同社は交流50Hzでの試験を実施し 、それを標準として確立した。SNCFの試験の成功を受けて、 現在では産業周波数としても知られる50Hzが、世界中の幹線鉄道の標準として採用された。^{[ 54 ]}

鉄道用内燃機関の最も初期の記録例には、ウィリアム・デント・プリーストマンが設計した試作機が含まれる。サー・ウィリアム・トムソンは1888年にこれを調査し、「機関車用石油エンジンの適合性を示すために仮設線路で動作する台車に搭載されたプリーストマン石油エンジン」と説明した。^{[ 55 ] [ 56 ]} 1894年には、プリーストマン兄弟が製造した20馬力（15kW ）の2軸機関車がハル・ドックで使用された。^{[ 57 ]}  

1906年、ルドルフ・ディーゼル、アドルフ・クローゼ、そして蒸気機関とディーゼル機関の製造業者であるゲブリューダー・スルツァーは、ディーゼル機関車を製造するためにディーゼル・スルツァー・クローゼ有限会社を設立した。スルツァーは1898年からディーゼル機関車を製造していた。プロイセン国鉄は1909年に同社にディーゼル機関車を発注した。世界初のディーゼル機関車は1912年の夏にスイスのヴィンタートゥール-ロマンスホルン鉄道で運行されたが、商業的には成功しなかった。^{[ 58 ]}機関車の重量は95トン、出力は883kW  、最高速度は100km /h（62mph）だった。^{[ 59 ]} 1920年代半ばまで、いくつかの国で少数の試作ディーゼル機関車が製造された。ソビエト連邦は1925年後半から異なる設計の3つの実験ユニットを運用したが、そのうち技術的に実現可能だったのは1つ（E el-2）だけだった。^{[ 60 ]}  

1914 年、ゼネラル・エレクトリックの電気技師ヘルマン・レンプが信頼性の高い直流電気制御システムを開発し特許を取得したことで、大きなブレークスルーが起こりました (レンプはその後の改良も特許取得しました)。 ^{[ 61 ]}レンプの設計では、単一のレバーを使用してエンジンと発電機の両方を協調的に制御し、すべてのディーゼル電気機関車の制御システムのプロトタイプとなりました。1914 年、世界初の機能的なディーゼル電気レールカーが、ブラウン、ボベリ & Cieの電気機器とスイスのスルザー AGのディーゼルエンジンを使用して、 Waggonfabrik RastattによってKöniglich-Sächsische Staatseisenbahnen (王立ザクセン州立鉄道)向けに製造されました。これらはDET 1 および DET 2 ( de.wiki ) に分類されました。最初に定期的に使用されたディーゼル電気機関車は、入換機関車 (スイッチャー)でした。ゼネラル・エレクトリック社は1930年代に小型入換機関車を数種類製造した（有名な「44トン」入換機関車は1940年に導入された）。ウェスティングハウス・エレクトリック社とボールドウィン社は1929年から協力して入換機関車を製造した。

1929年、カナダ国鉄はウェスティングハウス製の9000号機と9001号機の2両で、北米の鉄道会社として初めて幹線鉄道にディーゼル機関車を導入した。^{[ 62 ]}

1960年代以前には、最高時速200km （120マイル）に達する蒸気機関車やディーゼル機関車による運行がヨーロッパで導入されていたものの、あまり成功しなかった。  

日本で最初の電化高速鉄道である東海道新幹線は、 1964年に東京と大阪の間で開通しました。それ以来、時速300km （190マイル）以上の速度で運行する高速鉄道が多くの国で建設されてきました。これらの路線の建設は、都市間の短距離航空便や自動車交通の劇的な減少をもたらしました。  

高速鉄道は通常、立体交差された線路上の連続溶接レールによる標準軌の線路を走行し、設計段階で大きな旋回半径が確保されている。高速鉄道は主に旅客輸送を目的として設計されているが、一部の高速鉄道システムでは貨物輸送も提供されている。

1980年以降、鉄道輸送は劇的に変化しました。それでもなお、一部の保存鉄道は、観光列車のために古い鉄道路線を保存・維持する生きた歴史の一部として運行を続けています。

従来、列車は機関車によって牽引されます。これは、列車の先頭に1台または複数台の動力車両を配置し、列車の全重量を牽引するのに十分な牽引力を提供するものです。この方式は貨物列車では依然として主流であり、旅客列車でもよく使用されます。プッシュプル列車では、最後尾の客車に運転室が備え付けられており、機関士が遠隔操作で機関車を制御できます。これにより、列車の方向転換のたびに機関車を先頭に移動させる必要がないため、機関車牽引列車の欠点の1つが解消されます。鉄道車両は、乗客または貨物の輸送に使用される車両です。

複数ユニットは、列車全体に動力車輪を備えています。これらは、高速鉄道や路面電車システム、および多くの短距離および長距離旅客列車に使用されます。レールカーは、単一の自走式車両であり、電気推進またはディーゼルエンジンで駆動されます。複数ユニットは両端に運転台があり、客車の下に収まるほど小型の電気モーターやその他のエンジンを製造できるようになった後に開発されました。貨物用複数ユニットはごく少数で、そのほとんどは高速郵便列車です。

蒸気機関車は、粘着力を生み出す蒸気機関を搭載した機関車です。石炭、石油、または木材が火室で燃焼され、ボイラー内の水が沸騰して加圧蒸気が発生します。蒸気は煙室を通過した後、煙突または煙道から排出されます。この過程で、蒸気はピストンを動かし、動力は駆動輪（米国ではメインドライバー）の連結棒（米国ではメインロッド）とクランクピン（米国ではリストピン）を介して、または駆動軸のクランクに直接伝達されます。蒸気機関車は、経済的および安全上の理由から世界のほとんどの地域で段階的に廃止されていますが、多くは保存鉄道によって稼働可能な状態で保存されています。

電気機関車は、架線または第三軌条を介して固定電源から電力を供給されます。一部の機関車は、架線の代わりに、または架線に加えてバッテリーを使用します。高電圧交流で駆動する機関車では、機関車内の変圧器が高電圧低電流の電力を、車輪を駆動する牽引モーターで使用される低電圧高電流に変換します。現代の機関車は、三相交流誘導モーターまたは直流モーターを使用する場合があります。特定の条件下では、電気機関車は最も強力な牽引力を発揮します。また、運行コストが最も安く、騒音も少なく、地域の大気汚染もありません。しかし、架線や関連インフラ、そして発電に必要な発電所など、多額の設備投資が必要です。そのため、電気牽引は都市部のシステム、交通量の多い路線、高速鉄道で使用されています。

ディーゼル機関車は、原動機としてディーゼルエンジンを使用します。動力伝達方式は、ディーゼル電気式、ディーゼル機械式、またはディーゼル油圧式のいずれかですが、ディーゼル電気式が主流です。電気ディーゼル機関車は、非電化区間ではディーゼル電気式として、電化区間では電気機関車として走行するように設計されています。

動力源の代替手段としては、磁気浮上、馬牽引、ケーブル、ラックアンドピニオン、重力、空気圧、ガスタービンなどがある。

旅客列車は、乗客が乗降できる駅に停車します。列車の監視は、車掌/列車管理者/車掌の職務です。旅客列車は公共交通機関の一部であり、多くの場合、バスが駅まで運行するサービスの幹線を構成します。旅客列車は、長距離の都市間移動、毎日の通勤旅行、または地域の都市交通サービスを提供し、さまざまな車両、運行速度、優先権要件、および運行頻度で運行されます（ヨーロッパでは、運行会社はそれに応じて列車のカテゴリーを使用します）。運行頻度は、多くの場合、1時間あたりの列車の数で表されます。旅客列車は通常、都市間鉄道と都市内交通の2種類の運行に分けられます。都市間鉄道は、より高速で、より長いルートで、より低い頻度（通常はスケジュール）を伴うのに対し、都市内交通は、より低速で、より短いルートで、より高い頻度（特にピーク時）を伴います。^{[ 63 ]}

都市間列車は、都市間を停車駅が少ない長距離列車です。列車には通常、食堂車などの設備が備わっています。一部の路線では、寝台車を備えた夜行サービスも提供しています。一部の長距離列車には、特定の名称が付けられています。地域列車は、都市と郊外または周辺地域を結ぶ中距離列車、または地域サービスを提供する列車で、停車駅が多く、速度は低速です。通勤列車は、都市部の郊外を結び、毎日の通勤サービスを提供します。空港鉄道は、都市中心部から空港への迅速なアクセスを提供します。

高速鉄道は、従来の鉄道よりもはるかに高速で運行する都市間列車の一種で、通常、時速200～350キロメートル（時速120～220マイル）程度に制限されています。高速鉄道は主に長距離輸送に使用され、そのほとんどが西ヨーロッパと東アジアにあります。上海の磁気浮上式鉄道のような磁気浮上式鉄道は、ガイドウェイの下側に磁石が引き寄せられる方式を採用しており、この路線は短距離に限られますが、日常の運行において従来の高速鉄道よりも若干高い最高速度を達成しています。高速鉄道の路線は、その高速性ゆえに、従来の鉄道よりも曲線が広くなる傾向がありますが、運動エネルギーの大きい列車が登りやすい急勾配の区間もあります。 

高い運動エネルギーは、より高い馬力対トン比（例えば、1ショートトンあたり20馬力または1トンあたり16キロワット）につながり、列車は加速してより高速を維持し、勢いが蓄積されて下り坂で回復されるため、急勾配を走行することができます（切土、盛土、トンネル掘削の必要性が軽減されます）。横方向の力が曲線に作用するため、曲線は可能な限り大きな半径で設計されます。これらの特徴はすべて貨物輸送とは大きく異なるため、経済的に実現可能であれば、専用の高速鉄道路線の建設が正当化されます。^{[ 63 ]}

高速鉄道サービスとは、従来の都市間列車よりも最高速度は高いものの、高速鉄道サービスほどではない都市間鉄道サービスのことです。これらのサービスは、列車がより高速で安全に運行できるよう、従来の鉄道インフラを改良した後に提供されます。

貨物列車は、貨物の種類に特化した貨車を使用して貨物を輸送します。貨物列車は、規模の経済と高いエネルギー効率により非常に効率的です。 ^{[ 64 ]}しかし、集荷地点と配送地点への線路が不足しているために、輸送の両端で積み替えが必要な場合、柔軟性の欠如によりその利用が制限される可能性があります。当局は、効率性と道路交通量の削減のため、貨物鉄道輸送の利用を奨励することがよくあります。^{[ 65 ]}

コンテナ列車は、特に北米で、ダブルスタッキングによりコストが削減されるため、一般貨物の輸送に広く利用されるようになりました。コンテナは、船舶やトラックなどの他のモード間や、軌間が変わる場所でも簡単に積み替えることができます。コンテナは、貨物を列車から手動で積み下ろしする必要があった有蓋貨車（貨車）に取って代わりました。貨物の複合一貫輸送コンテナ化は、サプライチェーン物流業界に革命をもたらし、輸送コストを大幅に削減しました。ヨーロッパでは、スライド式壁貨車が、通常の有蓋貨車をほぼ完全に置き換えました。その他の種類の貨車には、冷蔵貨車、家畜用のストックカー、道路車両用のオートラックなどがあります。鉄道と道路輸送を組み合わせる場合、ロードレイラーにより、トレーラーを列車に運転して積み込むことができ、道路と鉄道間の容易な移行が可能になります。

ばら積み貨物の取り扱いは、鉄道輸送の大きな利点の一つです。積み替えコストが低い、あるいはゼロであることに加え、エネルギー効率が高く、在庫コストも低いため、鉄道は道路輸送よりもはるかに安価にばら積み貨物を取り扱うことができます。一般的なばら積み貨物には、石炭、鉱石、穀物、液体などがあります。ばら積み貨物は、オープントップ貨車、ホッパー車、タンク車で輸送されます。

高速鉄道、大量高速鉄道 (MRT)、または重軌道鉄道^{[ 67 ] [ 68 ]}は、一般的にメトロと呼ばれ、都市部に建設される大容量公共交通機関の一種です。トンネルを通って地下を走る立体交差の高速鉄道路線は、地下鉄、チューブ、メトロ、またはアンダーグラウンドと呼ばれることがよくあります。^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]}それらは高架鉄道で立体交差されている場合もあり、その場合は「elevated」の略であるエルトレイン、またはスカイトレインと呼ばれることがあります。高速鉄道システムは通常、電気鉄道であり、バスや路面電車とは異なり、歩行者や他の車両が立ち入ることができない専用軌道で運行されます。 ^{[ 73 ]}

高速鉄道システムの現代的なサービスは、駅間の指定された路線で提供され、通常は鉄道線路上の電気複数ユニットを使用します。一部のシステムでは、誘導ゴムタイヤ、磁気浮上（マグレブ）、またはモノレールを使用します。駅は通常、列車内に段差のない高いプラットフォームを備えているため、列車とプラットフォームの間の隙間を最小限に抑えるために特注の列車が必要です。通常、他の公共交通機関と統合されており、多くの場合、同じ公共交通機関によって運営されています。一部の高速鉄道システムでは、高速鉄道線と道路の間、または2つの高速鉄道線の間に平面交差があります。^{[ 74 ]}

世界初の高速鉄道システムは、蒸気機関車を使用して1863年に開業した一部地下のメトロポリタン鉄道で、現在はロンドン地下鉄の一部となっている。^{[ 75 ]} 1868年には、ニューヨークで高架のウエストサイド・アンド・ヨンカーズ特許鉄道が開業した。当初は固定式蒸気機関を使用したケーブル牽引線だった。

2021年現在中国は、世界で最も多くの高速鉄道システム（ 40基） ^{[ 76 ]}を擁し、 4,500 km（2,800マイル）を超える線路を走っており、 2010 年代の世界の高速鉄道拡張の大部分を担った。^{[ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]}路線長で世界最長の単一事業者の高速鉄道システムは上海地下鉄である。^{[ 80 ] [ 81 ]}駅数で世界最大の単一高速鉄道サービスプロバイダー（合計 472 駅）^{[ 82 ]}はニューヨーク市地下鉄である。年間乗客数で世界最多の高速鉄道システムは、上海地下鉄、東京地下鉄、ソウル地下鉄、モスクワ地下鉄である。    

鉄道線路は、鉄道会社が所有または賃借する土地に敷設されます。緩やかな勾配を維持することが望ましいため、丘陵地帯や山岳地帯では、線路はしばしば迂回ルートで敷設されます。交互に切り通し、橋梁、トンネルを用いることで、ルートの長さや勾配の要件を軽減できます 。これらの技術は、線路用地の開発に必要な設備投資を大幅に増加させる一方で、運行コストを大幅に削減し、より長い半径の曲線での高速化を可能にします。人口密度の高い都市部では、既存の建物への影響を最小限に抑えるため、鉄道がトンネル内に敷設されることもあります。

左: 鉄道分岐器。右:シカゴ交通局の制御ボックスが、高架のシカゴ「L」の北行きと南行きのパープルラインとブラウンラインを誘導し、ループ内のウェルズ通りとレイク通りの交差点の上を高架の線路敷地内で東行きと西行きのピンクラインとグリーンライン、そしてループ状のオレンジラインと交差させている。

線路は、2本の平行な鋼製レールで構成され、レール間の距離（軌間）を一定に保つため、木材、コンクリート、鋼鉄、またはプラスチック製の枕木（タイ）と呼ばれる部材に垂直に固定されます。その他にも、「スラブ軌道」のように、レールを準備された地盤上のコンクリート基礎に固定する方式など、様々なバリエーションがあります。

レールゲージは通常、標準ゲージ（世界の既存の鉄道路線の約70%で使用されている）、広軌、狭軌に分類されます。^{[ 83 ]}レールゲージに加えて、線路は荷重制限に適合するように敷設されます。荷重制限とは、鉄道車両とその積載物の最大高さと幅を定義し、橋、トンネル、その他の構造物を安全に通過できるようにするものです。

軌道は円錐形のフランジ付き車輪を誘導し、能動的な操舵なしに車両を軌道上に維持するため、列車は道路車両よりもはるかに長くすることが可能です。レールと枕木は通常、圧縮土でできた基礎の上に敷設され、その上にバラスト層が敷かれています。バラスト層は枕木からの荷重を分散させ、上を通過する車両の重みで地盤が沈下しても軌道が座屈するのを防ぎます。

バラストは排水の役割も果たします。一部の特殊な地域では、より近代的な線路はバラストなしで直接取り付けられています。線路はプレハブ式の場合もあれば、現場で組み立てられる場合もあります。レールを溶接して連続した溶接レールを形成することで、レール継ぎ目のわずかな隙間によって生じる車両の摩耗を軽減できます。また、これにより乗り心地も静かになります。

カーブでは、外側のレールが内側のレールよりも高い位置にある場合があります。これをカント（またはカント）と呼びます。カントによって線路がずれる力が軽減され、立っている家畜や、立っている乗客、座っている乗客にとって乗り心地が向上します。カントは、限られた速度範囲で最も効果を発揮します。

ポイントとスイッチ（分岐器とも呼ばれる）は、列車を分岐線路に誘導するための装置です。通常の線路と同様に敷設されるポイントは、通常、クロッシング（共通踏切）、チェックレール、および2本のスイッチレールで構成されています。スイッチレールは信号システムの制御により左右に動かすことができ、列車の進路を決定します。

木製枕木の釘は時間の経過とともに緩むことがありますが、割れたり腐ったりした枕木は、新しい木製枕木またはコンクリート製の枕木に個別に交換できます。コンクリート製の枕木もひび割れや亀裂が生じることがありますが、これも個別に交換できます。地盤沈下によってレールが沈下した場合は、専用の機械で持ち上げ、枕木の下にバラストを追加して突き固めることでレールを水平にすることができます。

定期的にバラストを取り除き、きれいなバラストと交換して、適切な排水を確保する必要があります。暗渠やその他の水路は、線路床に水が溜まって地滑りを引き起こすことを防ぐため、常に清掃しておく必要があります。線路床が河川沿いにある場合は、増水時の河岸浸食を防ぐために、通常は追加の保護対策が施されます。橋梁は、重い列車が通過する際に短時間で大きな応力集中を受けるため、点検とメンテナンスが必要です。

世界各地、時には同一国内でも異なる軌間が使用されているため、旅客や貨物の輸送が阻害されることがある。軌間が異なる路線が交わる箇所では、軌間変更を円滑にするために、複雑な乗り換え機構が設置されることが多い。インドやオーストラリアなど、複数の軌間が使用されている国は、鉄道網の統一に多額の投資を行ってきた。中国は、西ヨーロッパへの鉄道輸送を目的とした近代的なユーラシア大陸横断鉄道を開発している。

鉄道設備の点検は、列車の安全な運行に不可欠です。世界中の鉄道では、様々な種類の欠陥検出器が使用されています。これらの装置は、単純なパドルとスイッチから赤外線やレーザースキャン、さらには超音波音声分析に至るまで、幅広い技術を用いています。これらの装置は、70年以上にわたる使用期間中に、数多くの鉄道事故の防止に貢献してきました。

鉄道信号は、列車の衝突を防ぐために鉄道交通を安全に制御するために使用されるシステムです。摩擦の少ない固定レールに沿って走行する列車は、運転士の視界内で素早く停止できない速度で走行することが多いため、衝突に対して非常に脆弱です。一方、ゴムタイヤと路面との摩擦が大きい道路車両は、制動距離がはるかに短くなっています。ほとんどの列車制御方式では、鉄道網の各区間の責任者から列車の乗務員に運行権限が移譲されます。すべての方式に信号が必要なわけではなく、単線鉄道専用のシステムもあります。

信号操作は従来、信号所と呼ばれる小さな建物で行われていました。信号所には、信号係が分岐器や信号装置を操作するために使用するレバーフレームが設置されています。これらは鉄道ルートに沿ってさまざまな間隔で配置され、特定の区間の線路を制御します。近年の技術開発により、このような運用方式は不要となり、信号操作は地域制御室に集約されるようになりました。これは、コンピュータの利用が増加したことで、広大な区間の線路を単一の場所から監視できるようになったことによって容易になりました。一般的な閉塞信号方式では、線路をゾーンに分割し、閉塞信号、運用規則、自動制御装置の組み合わせによって各ゾーンを保護し、一度に1つの列車のみが閉塞区間に入ることができるようにします。

電化システムは列車に電力を供給し、原動機なしでの運行を可能にする。これにより運行コストは削減されるが、路線沿いに多額の設備投資が必要となる。幹線鉄道や路面電車は通常、線路沿いの電柱から架線が張られている。立体交差式の高速鉄道では、地上第三軌条方式が用いられる場合もある。

電力は直流（DC）または交流（AC）で供給される。最も一般的な直流電圧は、 路面電車や高速鉄道システムでは600Vと750V、幹線鉄道では1,500V と3,000Vである。交流システムでは、15kVと25kVが主流 となっている。  

鉄道駅は、乗客が列車に乗降できる場所として機能する。貨物駅は、貨物の積み下ろし専用のヤードである。大規模な旅客駅には、切符売り場や飲食店など、乗客の利便性を提供する建物が少なくとも1つある。小規模な駅は通常、プラットフォームのみで構成されている。初期の駅は、旅客施設と貨物施設の両方を備えて建設されることもあった。^{[ 84 ]}

プラットフォームは列車への乗り降りを容易にするために設けられており、地下道、歩道橋、踏切などで接続されています。一部の大規模駅は袋小路型で、列車は一方向からのみ運行しています。小規模駅は通常、近隣の住宅地を結び、フィーダーバス路線と接続している場合があります。大規模駅、特に中央駅は、都市の主要な公共交通機関の拠点として機能し、鉄道と高速鉄道、路面電車、バスなどの乗り換えを提供しています。

1980年代以降、鉄道会社を分割する傾向が強まっており、車両を所有する会社とインフラを所有する会社が分離されている。これは特にヨーロッパで顕著であり、欧州連合はこの取り決めを義務付けている。これにより、どの列車運行会社でもヨーロッパの鉄道網のどの部分にもアクセスできるようになった。英国では、鉄道線路は国有であり、公的に管理された組織（ネットワーク・レール）が運営、保守、開発を行っている一方、列車運行会社は1990年代の民営化以降、列車を運行している。^{[ 85 ]}

米国では、北東回廊以外のほぼすべての鉄道網とインフラは貨物鉄道会社が私有しています。旅客鉄道会社、主にアムトラックは、貨物線路のテナントとして運行しています。そのため、貨物鉄道と旅客鉄道の間で運行は密接に同期および調整する必要があり、旅客列車は多くの場合、ホスト貨物鉄道によって出発指示されます。この共有システムのため、両方とも連邦鉄道局（FRA）によって規制されており、線路工事についてはAREMAの推奨慣行、車両についてはAARの基準に従う場合があります。^{[ 63 ]}

鉄道会社の主な収入源は、旅客輸送の場合は乗車券収入、貨物輸送の場合は運賃収入です。^{[ 86 ] [ 87 ]}頻繁に利用する乗客向けには、割引や月額パスが提供される場合もあります（例：定期券や鉄道パス）。貨物収入は、コンテナ1個あたり、または列車全体で販売される場合があります。荷送人が車両を所有し、輸送のみをリースする場合もあります。旅客輸送の場合、広告収入は大きな割合を占めることがあります。

政府は、鉄道輸送は他の主要な輸送手段よりも外部性が少ないため、鉄道運営に補助金を与えることを選択する場合があります。鉄道会社が国有の場合、国は生産量の増加と引き換えに直接補助金を提供する場合があります。運営が民営化されている場合は、いくつかの選択肢があります。一部の国では、インフラは政府機関または企業が所有し、安全要件を満たす企業であればどの企業でも線路に自由にアクセスできるシステムを採用しています。このような場合、国は線路を無償で提供するか、すべての費用を賄えない料金で提供することを選択する場合があります。これは、政府が道路への無料アクセスを提供するのと類似していると見なされています。旅客輸送については、公営事業者に直接補助金が支払われるか、公共サービス義務入札が行われ、最低入札者に期間限定の契約が授与される場合があります。2005年のEUの鉄道補助金の総額は730億ユーロでした。^{[ 88 ]} 

カナダのビア・レールと米国の旅客鉄道サービスであるアムトラックは、それぞれの国の政府によって認可された民間の鉄道会社です。自動車や航空機との競争により民間の旅客サービスが衰退するにつれ、民間の旅客サービスは現金の出資料を支払うか、機関車や車両を放棄することによってアムトラックの株主となりました。政府は、創業資金を提供したり、会計年度末の損失を補填したりすることでアムトラックを補助しています。^{[ 89 ]}

列車の中には、道路車両よりも速く走るものがあります。列車は重く、線路から外れることができず、停止距離も長くなります。起こりうる事故としては、脱線（線路を飛び越える）、他の列車や道路車両との衝突、踏切での歩行者との衝突などがあり、これらは鉄道事故や死傷者の大部分を占めています。リスクを最小限に抑えるために、最も重要な安全対策は、厳格な運行規則（例：鉄道信号）と踏切の遮断機または立体交差です。列車の汽笛、ベル、または警笛は列車の存在を知らせ、線路脇の信号は列車間の距離を維持します。安全性を高めるために用いられるもう1つの方法は、プラットホームと線路を分離するプラットホームスクリーンドアの設置です。これにより、線路への無許可の侵入を防ぎ、重大な傷害や死亡事故を防ぐことができます。また、線路上のゴミの蓄積を防ぎ、火災の危険性を軽減するなど、その他の利点もあります。

日本の新幹線をはじめとする多くの高速都市間鉄道網では、列車は踏切のない専用線路を走行します。これはシステムの安全性において重要な要素であり、自動車、その他の車両、歩行者との衝突の可能性を効果的に排除し、他の列車との衝突の可能性を大幅に低減します。また、都市間鉄道網の運行が定刻通りに行われるという利点もあります。

他のインフラ資産と同様に、鉄道も定期的な点検と保守を実施し、貨物輸送や旅客サービスに支障をきたすインフラ障害の影響を最小限に抑える必要があります。旅客は最も重要な貨物であり、通常は高速、急勾配、高容量・高頻度で運行されるため、鉄道路線は特に重要です。点検方法には、軌道形状測定車による点検や徒歩による点検などがあります。曲線部の保守、特に公共交通機関向けの保守には、軌間測定、締結具の締め付け、レールの交換などが含まれます。

レール波状摩耗は、軽車軸車輪の通過回数が多いため、車輪とレールの接触面が削れることで、公共交通機関でよく見られる問題です。保守作業は運行と重なる可能性があるため、保守作業時間帯（夜間、オフピーク時間帯、または列車の時刻表やルートの変更）を厳守する必要があります。さらに、保守作業中の乗客の安全（線路間の柵、資材の適切な保管、線路工事の告知、線路付近の機器の危険性）を常に考慮する必要があります。トンネル、高架構造物、混雑した都市景観などが原因で、保守作業へのアクセスに問題が生じる場合があります。このような場合、特殊な機器や従来の保守機器の小型版が使用されます。^{[ 63 ]}

高速道路や道路網では、容量は個々のルートセグメント上のリンクされていないトリップに分解されますが、鉄道の容量は基本的にネットワークシステムとみなされます。そのため、多くのコンポーネントがシステム障害の原因と結果になります。保守では、ルートのパフォーマンス（列車のサービスの種類、始発/終着点、季節の影響）、路線の容量（長さ、地形、線路の数、列車制御の種類）、列車のスループット（最高速度、加減速率）、および旅客貨物線路を共有するサービス機能（側線、ターミナル容量、分岐ルート、設計タイプ）の膨大な範囲を考慮する必要があります。^{[ 63 ]}

鉄道輸送は、エネルギー効率は高い^{[ 92 ]}が資本集約的な^{[ 93 ]}機械化された陸上輸送手段である。線路は滑らかで硬い表面を提供し、列車の車輪は比較的低い摩擦で転がる。

現代の一般的な貨車は、2つの4輪台車に最大113トン（125ショートトン）の貨物を積載できます。線路は列車の重量を均等に分散するため、道路輸送に比べて車軸や車輪あたりの積載量が大幅に増加し、エネルギー効率が向上します。また、列車は積載量に対して前面投影面積が小さいため、空気抵抗が低減され、エネルギー消費量が減少します。

さらに、車輪を誘導する軌道が存在することで、非常に長い列車を1台または数台の機関車で牽引し、曲線区間でも1人の運転士で運転することが可能になり、労働力とエネルギー使用量の両面で規模の経済が実現します。これに対し、道路輸送では、2つ以上の連結部があると車両が横滑りし、安全性が損なわれます。

これらの利点により、鉄道輸送は多くの国で旅客および貨物輸送の主要な形態となっています。^{[ 93 ]}ヨーロッパでは鉄道は広く普及しており、大陸全体をほぼ網羅する統合ネットワークが存在します。インド、中国、韓国、日本では、何百万人もの人々が日常的な交通手段として列車を利用しています。北米では、貨物鉄道輸送は広く普及し、頻繁に利用されていますが、特に自動車や飛行機などの他の交通手段を好む人が多いため、北東回廊以外では都市間旅客鉄道輸送は比較的少ないです。 ^{[ 89 ] [ 95 ]}しかし、近隣地域内で容易にアクセスできるようにするなど、新しく改良された方法を導入することで、通勤者が自家用車や飛行機を利用するのを減らすことができます。^{[ 96 ]}

南アフリカ、北アフリカ、アルゼンチンには広範な鉄道網があるが、アフリカや南アメリカの他の地域では、鉄道は孤立した路線となっている。オーストラリアは人口密度に見合ったまばらな鉄道網だが、特に南東部には重要な鉄道網を持つ地域もある。オーストラリアには既存の東西横断路線に加え、南北路線も建設されている。世界で最も標高の高い鉄道は、チベットのラサへの路線で、一部は永久凍土の上を通っている^{[ 97 ]}。西ヨーロッパは世界で最も鉄道密度が高く、各国の鉄道網の技術的および組織的な違いにもかかわらず、多くの列車が複数の国をまたいで運行している。

2018年の研究では、北京地下鉄の開通により「ほとんどの大気汚染物質濃度（PM _2.5、PM ₁₀、SO ₂、NO ₂ 、CO）は減少したが、オゾン汚染にはほとんど影響がなかった」ことが判明した。^{[ 122 ]}

ヨーロッパの開発経済学者は、近代的な鉄道インフラの存在は国の経済発展の重要な指標であると主張しており、この見解は特に基本鉄道輸送インフラ指数（BRTI指数として知られる）によって示されている。^{[ 123 ]}