鉄道輸送
他のインフラストラクチャーと同じく、鉄道は旅客輸送および貨物輸送に混乱を及ぼす可能性のある施設の障害を影響を最小限に抑えるために、定期的な点検とメンテナンスを行う必要がある。特に幹線や高速鉄道線では高頻度運転や高速運転のために劣化が早く、それらの路線のメンテナンスは特に重要である。路線の検査には試験車による機械検査と、保線員による手動検査の2つがある。保線作業にはレール・枕木・犬釘の取り替えや軌間のずれの補正、バラストの敷き直しなどが含まれる。これに対応するため多くの種類の欠陥検出器が世界中の鉄道で使用されている。これらの機器は単純な物から赤外線やレーザーによるスキャンを行うもの、さらには超音波を利用した超音波探傷検査などの技術が使用されている。これらの機器の使用や日常的な人間の目を使った点検・メンテナンス・保線などの作業を行うことで多くの鉄道事故を未然に防ぐことができる。
車両の車輪と線路の摩耗は鉄道の運営にとって避けて通ることができない問題である。これを解決するにはメンテナンスを行う必要があるが、メンテナンス中はその車両は運用に就けず、路線は列車の運行ができなくなる。このため、メンテナンス時間は終電から始発までの列車が通過しない時間帯や非ラッシュ時の運用が減る時間帯にして運行に支障を起こさないか、24時間運行など保線時間の確保が難しい路線では列車の運休・迂回を行って影響を最小限に抑える必要がある。また、軽い保線作業では保線を行いながら列車の運行が行える。しかし、その場合保線員の安全確保や資材の適切な保管、緊急時の列車停止手配方法などの取り決めなどを考慮しないといけない。特に退避スペースの少ないトンネルや橋梁では保線員の安全確保が非常に重要となってくる。また、大型車両の通過が困難な都心部や反対に道路の整備されていない山奥などでは従来の保線車両や資材運搬車両が進入できないこともある。このような場所では従来の車両より小型の車両が使用されている。
公道と異なり、鉄道路線は"ネットワークシステム"と呼ばれる1つの物からなっていると見なされている。このため、1つの区間で障害が発生したり保線作業が行われると別の区間にまで波及してしまう。このため、保線作業にあたっては影響の及ぶことが予測される全ての路線の性能(列車の運行の種類、出発地/目的地、季節の天候による影響)、容量(延長、地形、線路数、列車制御の種類)、列車の処理能力(最高速度、加減速度)などを意識して計画を練らないといけない。また、旅客列車と貨物列車の混在する路線では加減速度と最高速度の大きく違う列車が入り混じっているため側線や引込線、ターミナル駅のキャパシティにも注意を払わなければならない。
列車を運行するには当然ながらそれに携わる人員を育成する必要がある。育成にはいくつかの手段があるが最も基本的なのは社内研修ならびに社外研修である。このほか新人社員研修や通信研修、安全研修、国内留学や国際留学などの留学制度など様々な手段を用いて人員の育成が行われている。また、近年は鉄道会社の多角化が進み鉄道輸送業務のほか小売業や不動産業、加工業、通信業など様々な業種が増えている。このため異業種の社員間で交流する機会を設けているほか、他企業や国・自治体などの行政機関との間で人事交流が行われることもある。このほか、個々の能力や意欲に合わせた研修・セミナーなどを開催することで多くの社員に学びの機会を与えている。
鉄道会社はブルーカラー労働者とホワイトカラー労働者の両方に民間部門でのキャリアパスを発明した。鉄道は若い男性の生涯のキャリアになり、女性はほとんど雇われなかった。典型的なブルーカラー労働者のキャリアパスでは、18歳で青年が駅員として雇われ、24歳で熟練工、25歳で車掌、27歳で貨物列車運転士、57歳で旅客列車運転士へ昇進した。ホワイトカラー労働者のキャリアパスでは教育を受けた若い男性は初歩的な事務または統計の仕事を始め、経験を積んで部門本部または中央本部に移動した。各レベルで彼らはますます多くの知識、経験、そして人的資本を獲得した。彼らは交代するのが非常に難しく実質的に永久雇用を保証され、保険と医療が提供された。採用、解雇、および賃金率は、嗜好と人格の衝突を最小限に抑えるために、職長ではなく中央管理者によって規定され、全てがその規定に則って行われた。それによって、ますます複雑になる一連の規則が、全ての状況で例外なく実行されるべきであること、およびその職業地位と給与が正確に一致するべきであることを全員に指示した。1880年代までに職業鉄道労働者は引退し、年金制度は彼らのために発明された。
1980年代以降、列車の運行を行う鉄道会社を保有する会社と駅や線路などの施設を保有する会社を分離するという、上下分離方式の傾向が強まっている。特にヨーロッパでは欧州連合が国有鉄道の上下分離を指導しているため、欧州連合加盟国の国有鉄道は上下分離方式となっている。これにより、旧国有鉄道の線路に私鉄の列車が乗り入れることが可能になるオープンアクセスが可能になった。例えばイタリアでは国鉄のフェッロヴィーエ・デッロ・スタートの線路をレーテ・フェッロヴィアーリア・イタリアーナが保有し維持管理を行い、国鉄の列車運行業務を引き継いだトレニタリアのほか私鉄のヌオーヴォ・トラスポルト・ヴィアッジャトーリが列車を運行している。なお、フェッロヴィーエ・デッロ・スタートは2019年現在も合資会社として存続している。イギリスではネットワーク・レールが旧イギリス国鉄の路線を保有し維持管理を行っており、旅客列車の運行は列車運行会社協会に加盟している会社の統一ブランド、ナショナル・レールが運行している。
アメリカ合衆国では、ニューヨーク市地下鉄やシカゴ・Lのような都市内高速鉄道とワシントンD.C. - ボストン間の北東回廊を除くほぼ全ての路線は貨物会社によって保有されている。アムトラックなどの旅客列車はこれらの貨物鉄道の路線を間借りして運行している。これは日本におけるJR旅客6社とJR貨物の立場が逆転している状態である。この結果、旅客列車は貨物列車よりも優先順位が低く、時として長時間の遅延が発生することもある。これらの路線には連邦鉄道局 (FRA) によって安全規制が公布・適用されており、路線維持にはアメリカ鉄道工学および維持管理協会 (AREMA) の、車両にはアメリカ鉄道協会 (AAR) の規制が適用される場合もある。
鉄道会社の主な収入源は旅客列車の運賃収入と貨物列車の貨物輸送料である。また、頻繁に乗車する乗客のために定期券やシーズンシートのような割引券や月毎のパスが発行されていることもある。貨物列車はコンテナスロット毎、または列車全体で輸送権が売られている。また、貨車を荷主が保有し機関車による牽引だけを鉄道会社に任せることもある。旅客列車では車体のラッピング広告や車内の中吊広告などの広告収入も重要となる。
鉄道輸送は他の支配的な輸送手段よりも外部性が少ないので、政府が鉄道運営に補助金を与えることを選択することもある。また、国ではなく州や地方自治体が車両の更新や新駅の建設、列車の増発などと引き換えに補助金を与えることもある。また、先述の上下分離方式を導入している国で政府や州が路線を保有している場合、安全要件を満たす会社に対し無料あるいは割引使用料で路線を使用させることもできる。欧州連合では2005年の鉄道補助金総額が730億ユーロに達している。
日本の民営化された鉄道網はほとんど補助金を必要としない。特に旅客輸送の60パーセントを占めるJR東日本、JR東海、JR西日本の3社には地方補助金がない。
2014年の中国の鉄道支出総額は1,300億ドルで、今後5年間の残りの期間(2016年 - 2020年)についても同様の額で推移すると見込まれている。
世界で4番目に大きな路線網を持つインドの鉄道は約4,000億ポンド(58億米ドル)の助成を受けており、そのうち約60パーセントが通勤鉄道と短距離鉄道に使われている。
強度、サービス品質、および安全性能に関する2017年欧州鉄道性能指数によると、ヨーロッパ最上位の国内鉄道システムは、スイス、デンマーク、フィンランド、ドイツ、オーストリア、スウェーデン、およびフランスから構成されている。実績レベルは、公共費用と特定の鉄道システムの実績との間に正の相関関係があることを示し、また各国が公共費用と引き換えに受け取る価値の違いも示している。デンマーク、フィンランド、フランス、ドイツ、オランダ、スウェーデン、スイスはお金の価値が比較的高いのに対し、ルクセンブルク、ベルギー、ラトビア、スロバキア、ポルトガル、ルーマニア、ブルガリアはヨーロッパの中でパフォーマンスに対するコストの平均比率を下回っている国である。
2016年にロシア鉄道は政府から949億ルーブル(約14億米ドル)を受け取った。
アムトラック(旅客鉄道)に対する補助金は約14億ドルである。貨物鉄道業界は補助金を受けていない。
鉄道輸送は、機械化されたエネルギー効率は高いが資本集約的な輸送機関である。軌道は滑らかで硬い表面を提供し、その上で比較的小さい摩擦が発生しながら列車の車輪が転がることができる。陸上車両の総抵抗(ポンドまたはニュートン)は、車両の速度の二次関数で表される。
\qquad\qquad R = a + bv + cv^2
文字は以下の数を表す:
R:走行抵抗
a:静止抵抗
b:機械抵抗
c:空気抵抗
v:速度
v2:速度二乗
基本的に、抵抗は車両の車輪と路面の素材によって異なる。金属製レールと金属製車輪を用いている鉄道ではゴムタイヤ車両があらゆる路面上で発生させる抵抗よりも抵抗が遥かに小さくなる。一日に移動する速度と貨物量を組み合わせた貨物容量の観点では:
人 - 1日当たり32キロメートル(20マイル)または1日当たり1.5トンキロ(1トンマイル)で45キログラム(100ポンド)の貨物が輸送可能。
馬車・手押車 - 1日当たり5.8トンキロ(4トンマイル)で輸送可能。
舗装路を走行する馬車 - 1日当たり14トンキロ(10トンマイル)で輸送可能。
トラック - 1日当たり29,000トンキロ(20,000トンマイル)で輸送可能。
長距離列車 - 1日当たり730,000トンキロ(500,000トンマイル)で輸送可能。ほとんどの列車は250 - 400台のトラック分の輸送力を持っているためその分トラックの数が減り、道路の安全性が相対的に向上している。
パワーウェイトレシオ(馬力対重量比)では、低速の場合はしけが米トン当たり0.2馬力 (0.16キロワット)、鉄道とパイプラインが米トン当たり2.5馬力 (2.1キロワット)、トラックが米トン当たり10馬力(8.2キロワット)必要となる。しかし、高速の場合鉄道がはしけを抜いて最も経済的な輸送機関となる。
一例として、典型的な現代の車両の台車である二軸ボギー台車は最大113トン(125米トン)の貨物を積載することが可能である。線路は列車の重量を均等に分散させ、道路輸送よりも車軸と車輪当たりの負荷が大きくなるため恒久的な運行での摩耗や裂けが少なくなる。これはゴムタイヤと道路との間の摩擦に依存する道路輸送などの他の輸送形態と比較してエネルギーを節約することができる。また、列車は輸送している積荷に対して小さい正面面積を持っている。このことから空気抵抗が減少し、そしてそれ故にエネルギー使用量が削減される。
さらに、車輪を案内する軌道の存在は非常に長い列車が1つもしくは少数のエンジンで牽引され、曲線でさえ姿勢を乱すことなく通過することを可能する。対照的に道路輸送では長大な車両は2つ以上の関節がフィッシュテーリングを引き起こし、自車のみならず他車や歩行者、建造物を危険にさらすことになる。
輸送手段の移動に費やされたエネルギーのみを考慮し、ポルトガル共和国リスボン市街地の例を使用すると、乗客の輸送に消費されるエネルギーは電車が自動車より平均20倍ほど効率的であることが分かる。
これらの利点により、鉄道輸送は多くの国で旅客輸送と貨物輸送の主要な形態となっている。ヨーロッパでは多くの地域に鉄道網が張り巡らされており、統合されたネットワークが実質的に大陸全体を網羅している。インド、中国、韓国、日本では毎日何百万という人々が電車を通勤・通学用の交通機関として利用している。北米では貨物鉄道輸送が広く普及しており頻繁に使用されているが、他の輸送機関、特に自動車や航空機の人気が高まっているため、都市間旅客鉄道輸送は北東回廊の以外の路線では比較的乏しい傾向にある。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、アフリカと南米の他の場所にあるいくつかの鉄道は他の路線との接続を持たない孤立した路線である。オーストラリアは人口密度に見合った一般的にまばらな路線網を持っているが、南東部では重要な路線網を持つ地域がある。オーストラリアに以前から存在していた東西大陸横断線に加えて、南北大陸縦断線が建設された。世界一高い場所を走る鉄道は中国青海省西寧市とチベット自治区ラサ市を結ぶ青蔵鉄道で、一部区間では永久凍土地帯も通過する。西ヨーロッパは世界で最も高い鉄道密度を持っており、各国の路線網の技術的および組織的な違いにも関わらず、そこでは別の国へ乗り入れる国際列車が多く運行されている。
鉄道は現代性の形成と進歩のアイデアの中心である。19世紀の近代化のプロセスは、空間指向の世界から時間指向の世界への移行を伴っていた。列車の運行には正確な時間が不可欠であり、誰もがその時間が何であるかを知る必要があり、その結果、駅や公共の場所の時計台、鉄道労働者用および乗客用の懐中時計が生まれた。列車は早発することはなく時間通りに出発した。これは前近代の時代の客船では船長が十分な乗客を持ったと判断した時に出発していたのとは対照的である。しかし、前近代の時代の時間は地方によって異なっていたため、標準的な時間帯の導入によって混乱を無くした。印刷された時刻表は乗客にとって便利なものであったが、ダイヤグラムや乗務行路表などのより複雑な時刻表は列車乗務員、整備士、駅員、保線員にとって非常に重要であった。当時の路線はほとんどが単線であり、後から来る優等列車を先に行かせる、あるいは対向列車との行き違いを行うための引込線や信号場があった。このため、時刻表は何をすべきか、どこでそれをすべきか、いつまでに到着しておくべきかを伝達する重要な手段であった。悪天候などで列車の大幅な遅延や運転取止めが発生すると、スジ屋と呼ばれるダイヤグラム作成者が正常ダイヤに戻るまでの繋ぎとして臨時のダイヤを即興で作成する。ビジネス組織が近代的な大企業の標準モデルを作成したのと同じように、鉄道の時刻表もバスや船舶、航空機の時刻表、ラジオやテレビ番組のスケジュール、工場のスケジュールなどの様々な用途に適応されていった。現代の世界は時計と時刻表によって支配されていた。
歴史家ヘンリー・アダムズは鉄道について以下のように述べている。
世代のエネルギーは、資本、銀行、鉱山、炉、商店、発電所、技術的知識、機械的人口、そして社会的・政治的習慣、アイデアの着実な改造など、新しい規模に適合し、新しい条件に合うような制度を必要としていた。1865年から1895年の間の世代ではすでに鉄道に抵当権が与えられており、誰もそれが世代よりも良くそれを知っていなかった。
(the energies of a generation, for it required all the new machinery to be created – capital, banks, mines, furnaces, shops, power-houses, technical knowledge, mechanical population, together with a steady remodelling of social and political habits, ideas, and institutions to fit the new scale and suit the new conditions. The generation between 1865 and 1895 was already mortgaged to the railways, and no one knew it better than the generation itself.)
その影響は出荷、財務、管理、経歴、そして一般的な反応という5つの側面から調べることができる。
最初に、鉄道は大規模な国内市場で貨物や乗客を輸送するための非常に効率的なネットワークを提供した。その結果、製造業、小売業、卸売業、農業、金融業など、経済のほとんどの分野に大きな影響を与えた。アメリカ合衆国では現在、実質的にヨーロッパの規模に匹敵する統合された国内市場を有しており、内部の障壁や関税はなく、すべて共通の言語、金融システムと法制度によって支えられている。
鉄道会社による資金調達は、民間(非政府)金融システムの劇的な拡大の基礎を提供した。鉄道の建設は工場の建設よりはるかに高価であった。1860年、アメリカ合衆国の鉄道の株式と債券の合計は18億ドルで、1897年にはそれは106億ドルにまで達した。なお、この時の国債総額は12億ドルであった。資金は北東部全体の金融業者から、そしてヨーロッパ、特にイギリスから調達された。資金の約10パーセントは政府からのもので、特に土地交付金の形で提供された。アメリカ合衆国の新興金融システムは鉄道債に基づいていた。1860年までにニューヨークは主要な金融市場としての地位を確立した。イギリスは世界中の鉄道に多額の投資を行ったが、アメリカ合衆国ほど多くはなかった。1914年までに投資総額は約30億ドルに達した。1914年から1917年にかけて、投資を受けた国々はアメリカの資産を清算し、戦争用品の支払いを行った。
鉄道管理者は、現地の工場所有者が夢見る数時間のうちに自分の工場のあらゆる部分を巡回することができるシステムよりも遥かに複雑な同時関係を処理できるシステムを設計した。これに伴い土木技師が鉄道の上級管理職となった。アメリカ合衆国を代表するイノベーターは、1840年代がマサチューセッツ・ウェスタン鉄道とボルチモア・アンド・オハイオ鉄道、1850年代がエリー鉄道、1860年代がペンシルバニア鉄道であった。
鉄道は、多数の顧客や労働者を郊外から都心部、あるいはその反対へ輸送することで社会の活性化と経済競争力に貢献している。香港は鉄道を「公共交通機関の中枢」と認識しており、鉄道を中心に連携を取りつつバスシステムや道路インフラを開発した。北京、上海、広州などの中国の大都市では、電車の運行を枠組みとしたバスの運行が首都圏の交通システムの主要機関として認識されている。日本の新幹線は、「日本の産業と経済の中心」である東京駅 - 神戸駅間を結ぶ東海道本線で増大する交通需要に応えるために建設された。
20世紀の大半の間、鉄道は軍の動員の非常に貴重な要素であり、大量の予備兵を彼らの召集地点へ、そして歩兵を最前線へと迅速かつ効率的に輸送することを可能にした。しかし、21世紀までには鉄道輸送は同じ大陸の場所に限定され戦闘機の発達により航空攻撃を受けやすくなっていたため、航空輸送の採用によって大きく置き換えられていった。
公道の拡大とは対照的に、鉄道は密集した都市的地域に向かって、またその沿線に沿って成長し、周辺の郊外の開発を促進し走行距離の増加、炭素排出、グリーンフィールド地区の開発、および自然保護区の枯渇に寄与する。これらの取り決めは、都市空間、地方税、住宅価格、および複合用途開発の促進を再評価する。
ウィーンからプラハへのオーストリア=ハンガリー帝国最初の鉄道の建設は、新しい繁栄の約束のために1837年から1842年に行われた。建設は予想以上に費用がかかることが判明し、地元産業には国内市場がなかったため収益は減少した。町中では列車による騒音、臭い、汚染、そしてエンジンのすすや燃え差しによる住宅や周辺の土地への被害のために、鉄道の到着が地元の人々を激怒させた。また、地元の人々が鉄道を必要とすることがほとんど無かったことも受け入れられなかった一因である。
列車は非常に高速で走行することができるが、重量があり、線路から逸脱することができず、停止するには長い制動距離が必要である。考えられる事故には線路から列車が逸脱する脱線事故、別の列車と衝突する衝突事故、列車から出火する列車火災事故、線路内に立ち入った人と衝突する人身障害事故、踏切内に取り残された人や自動車と衝突する踏切障害事故などがある。この内最後の2つ、人身障害事故と踏切障害事故が鉄道事故の大部分を占めている。事故を防止するための最も重要な安全対策は、厳しい運営規則である。主な事故対策としては、脱線事故では曲線や分岐器の手前に自動列車停止装置 (ATS) の地上子を設置し制限速度を超過している場合は自動で減速を行うようにしたり、衝突事故では信号保安を整備することで同一区間への複数列車の進入を防いだり、火災事故では難燃性の素材で車両を製造し延焼を最小限にしたり、踏切障害事故と人身障害事故では緊急停止ボタンの整備・周知や踏切の立体交差化、ホームへのホームドアの設置などが挙げられる。また、列車に警笛やミュージックホーンを搭載し、吹鳴することで列車の存在を乗客へ知らせて列車へ注意を向けさせることも重要である。
日本の新幹線のような高速列車の安全性における重要な要素は、本線上に踏切がなく専用の鉄道路線のみを走っているという事実である。これにより線路内に進入した自動車や歩行者との衝突事故が起きる可能性が効果的に排除され、定時性と安全性の向上に役立っている。
また、事故のほかテロ攻撃に対する対策も重要である。駅構内では駅員・警備員・警察官による巡回やごみ箱の集約・撤去・内部可視化改造、監視カメラによるモニタリングなど、車内では車掌・警備員・警察官による巡回や手荷物確認、乗務員室の施錠、ごみ箱の封鎖などの対策が行われている。また、監視カメラが不審物を放置されたことを検知すると自動で放置した人物を追跡する不審者検知・追跡システムや構内複数個所にセンサーを設置し生物剤・化学剤を検知すると警報を発する生物剤・化学剤検知システム、自動改札機に爆発物検知装置を設置し爆発物の持ち込みを防ぐ爆発物検知システムなど最新技術を用いた対策も行われている。
2018年の調査では、北京地下鉄の開通により「大気汚染物質濃度のほとんど(PM 2.5、PM 10、SO 2、NO 2、CO)が減少したが、オゾン汚染にはほとんど影響がない」ことがわかった。
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が国の経済的進歩の重要な指標であると主張してきた。この見通しは、特に基本的な鉄道輸送インフラ指数(BRTI指数)によって示されている)。