鐵路運輸

鐵路運輸（Rail transport），通稱軌道運輸，是指利用車輛在固定軌道（通常由兩條平行鋼軌組成）上行駛的陸路運輸方式，用以載運旅客和貨物。鐵路系統的核心技術優勢在於具備較高的能源效益、規模經濟與速度潛力，承擔了全球約8%的旅客和貨物輸送量。雖然鐵路建設和維護成本較高，但由於其軌道能有效分散列車重量，使單次載運量遠超一般道路車輛；同時，車輪與軌道之間的滾動摩擦阻力遠低於橡膠輪胎與路面，這容許多節車廂得以連結成較大的列車編組，實現高效率的長途運輸和規模經濟效益。

現代鐵路運輸的雛形始於19世紀初的英國，其發展與工業革命進程相輔相成。1825年，全球首條公共鐵路斯托克頓和達靈頓鐵路正式啟用，隨後在1830年開通的首條城際鐵路——利物浦和曼徹斯特鐵路，更引發了19世紀中葉橫跨歐美的「鐵路狂熱」建設熱潮。鐵路的普及顯著降低了物流成本，徹底打破了以往依賴水路或馬車的地域限制，促進了生產規模、原材料供應和產品銷售市場的擴大，並將往昔難以開發的荒野轉變為有利可圖的農耕與採礦區，對世界經濟增長和社會進步發揮了積極的推動作用。

牽引動力技術的變革是鐵路現代化的關鍵。1880年代起，電氣化技術首先在大城市的路面電車得到應用。自1940年代起，隨著效率更高的內燃機車和電力機車普及，傳統的蒸汽機車逐步退出歷史舞台。二戰後，儘管鐵路運輸曾因汽車與航空業的競爭而一度衰落，但面對日益嚴重的道路擠塞與化石能源價格波動，並在全球推動環境保護與城市化發展的背景下，鐵路運輸在20世紀後期開始迎來全球性的復興。1964年，日本建成全球首條高速鐵路系統——東海道新幹線，開啟了高速鐵路時代，現時高鐵網路已廣泛覆蓋歐洲、亞洲、中東部分地區。

## 詞源演變

漢語語境下的「鐵路」與「鐵道」概念，起源於19世紀初期中日兩國引進西方科技的複雜過程。早在第一次鴉片戰爭前，新教傳教士已將鐵路知識傳入中國。1834年，普魯士傳教士郭實獵在《東西洋考每月統記傳》中首度介紹蒸汽機原理，並以「火蒸車」稱呼使用蒸汽機驅動的車輛。郭實獵在《貿易通志》介紹英國之先進科學時也沿襲了這譯詞：「英吉利人始造轣轆之路，尚加火機，造火車，就像火船（編按：即蒸汽船）一盤【般】」。

隨後，林則徐的《四洲志》（1840年）正式出現「鐵路」一詞，將英語「Railway」以漢語構詞方式將其翻譯為「鐵軌」（Rail）和「道路」（Way）的合成詞；魏源則在《海國圖志》中沿用並推廣了「火車」、「火輪車」及「鐵路」等譯名。由於《海國圖志》等著作流傳至日本，對幕末及維新時期的日本學者產生深遠影響，學界推測日本早期文獻中出現的「鐵路」與「火輪車」，很大可能亦是借鑒自中國。這種命名邏輯在世界多種語言中亦有出現。「鐵路」最初是對特定行車路徑的描述，隨著時間推移，該詞演變為一種「以片代全」（Pars pro toto）的修辭用法，泛指包括路軌與車輛本身的整個運輸系統，例如德語的「Eisenbahn」、法語的「Chemin de fer」、西班牙語的「Ferrocarril」、俄語的「Железная дорога」、芬蘭語的「Rautatie」及瑞典語的「Järnväg」，其字面意義皆為「鐵路」或「鐵製的路」。

相較於「鐵路」，「鐵道」一詞的詞源則存在更多爭議。傳統觀點曾認為「鐵道」是典型的和製漢語，再由日本傳回中國；另一派觀點則認為其源自傳教士丁韙良的《格物入門》（1868年）或張德彝的《航海述奇》（1866年）。然而，根據文獻考證，日本文人玉蟲左太夫在1860年的《航米日錄》中已首度使用「鐵道」一詞，早於目前已知的中國文獻記載。研究顯示，中國與日本的「鐵道」譯名可能是各自獨立起源的。1866年，英國駐華參贊威妥瑪在公文《新議略論》中力勸清廷建設「鐵道」，同年張德彝亦在隨團出訪期間於日記記下此詞。考慮到張、威兩人的背景，他們當時接觸日本文獻的可能性極低，因此「鐵道」應是在1860年代於兩國分別誕生，唯日本的使用時間略早。

在「鐵路」與「鐵道」兩詞的普及程度方面，中日兩國呈現截然不同的發展路徑。中國在洋務運動期間，由於「鐵路」一詞出現較早且已廣泛應用於官方公文，因此長期佔據主導地位，「鐵道」則較罕見。相反，日本在明治維新後，鐵路建設迅速成為國家現代化的指標，伴隨著頻繁的學術翻譯與辭典編纂，「鐵道」在19世紀末逐漸成為日語中的通用譯名。然而，以甲午戰爭為轉折點，隨著晚清政府轉而師法日本，原本在日語中盛行的「鐵道」隨同大量日譯科技詞彙引入中國，例如1906年朱執信在《民報》中便曾明確提到，因文章術語多採用日譯，故將「鐵路」改稱「鐵道」。由於「鐵路」與「鐵道」含義高度相近，且「鐵路」已在中國根深蒂固，因此兩者並未發生替代關係，而是逐漸形成兩者並用的局面並延續至今。

## 國際鐵路概況

### 全球鐵路分佈

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截至2025年，世界各地的鐵路總里程超過130萬公里，共有153個國家與地區設有某種形式的鐵路系統，但在網路規模、技術水平及歷史演變上存在較大差異。

在鐵路總長度方面，美國擁有全球最龐大的鐵路網，里程達22萬公里，但其營運特點是高度側重貨運而非客運。相比之下，歐盟雖然覆蓋面積較小，但鐵路網路總長亦達21.1萬公里。中國大陸則以16.5萬公里的規模位居世界第三。若以電氣化鐵路里程（通常與客運發展水平成正比）衡量，中國大陸以逾12萬公里領先全球，緊隨其後的是歐盟（11.8萬公里）及印度（6.9萬公里）。

在鐵路密度方面，微型國家表現最為突出。摩納哥在僅2.08平方公里的國土上設有1.7公里的鐵路，成為全球鐵路密度最高的國家，微弱領先於梵蒂岡（在0.5平方公里內設有0.3公里軌道）。若排除城邦國家與小型島嶼，瑞士則是全球鐵路密度最高的國家，其國土面積僅約4.1萬平方公里，但擁有總長約5,317公里的鐵路，平均每千平方公里土地面積擁有134.55公里鐵路。此外，若按人口分攤的人均鐵路里程計算，聖基茨和尼維斯位居全球之首，加拿大與澳洲則緊隨其後。

部分國家在歷史上曾經擁有鐵路系統，但因經濟轉型、戰亂或被公路運輸取代而廢棄。這些國家包括昔日設有殖民地鐵路或糖業鐵路的安地卡及巴布達、巴哈馬、巴貝多、貝里斯、圭亞那、海地及千里達和多巴哥等加勒比海國家。在亞洲及非洲，汶萊、賽普勒斯、黎巴嫩、利比亞及索馬利亞等國亦曾設有鐵路。此外，北歐的冰島及地中海的馬爾他與聖馬利諾，目前亦已無鐵路運行。

部分國家則受限於地形條件、人口分佈或歷史發展，從未興建過鐵路系統。這類國家多見於小型島國如馬爾地夫、塞席爾、吐瓦魯、馬紹爾群島及聖文森及格瑞那丁。在歐亞及非洲大陸，安道爾、巴林、不丹、東帝汶、科威特及查德亦屬於從未建設鐵路的國家。

### 鐵路網路類型

全球鐵路網根據其功能與發展模式，主要可分為三種形態。首先是「滲透型路線」，旨在連接港口城市與內陸腹地，以便大規模輸出礦產或農產品等天然資源，滲透線多見於資源密集的發達經濟體（如澳洲、加拿大），以及非洲及拉丁美洲等地區的發展中國家，後者多為殖民時期的遺產。

其次是「區域型網路」，這類線路多服務於發達國家的高人口密度地區，提供高運量、高密度的客貨運輸服務。區域型網路通常起源於點對點的滲透型路綫或城市間的中短途城際鐵路，隨著發展演變成棋盤狀或網狀結構，這類型地區包括西歐、美國東北部、中國沿海以及日本。

第三種是「橫貫大陸鐵路」，歷史上多為擴張領土與確立主權而建，例如美國的第一條橫貫大陸鐵路、加拿大的橫貫加拿大鐵路及俄羅斯的西伯利亞鐵路；到了現代則演變為全球多式聯運及陸橋 (鐵路)系統的一環，如傳統的歐亞大陸橋和中國提倡的新歐亞大陸橋，利用鐵路運輸貨櫃以彌補海運航程的間斷。

## 特性與優缺點

### 技術優勢

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鐵路運輸是指車輛在固定導軌上運行的交通模式。最常見的導軌由兩條平行的鋼軌組成，透過固定的軌枕來維持固定的軌距，並鋪設於具備排水與承載功能的道碴或混凝土基礎上，但隨著技術演進，除了傳統的輪軌鐵路外，還衍生出單軌鐵路、磁浮列車及超迴路列車等系統。

鐵路運輸最主要的技術特徵，在於其能夠將多個車廂或單元編組為較長的列車進行集中運輸。在貨運領域，鐵路展現了強大的運載能力，特別是針對煤炭、礦石及穀物等大宗散裝物資。目前，美國每日運作的重載貨運列車重量可達10,000至20,000噸；而在澳洲，運輸礦產的列車更達到30,000至40,000噸；中國與加拿大亦分別擁有20,000噸級別的常態化重載貨運列車。在客運方面，鐵路的輸送密度同樣驚人，以日本東海道新幹線為例，東京至大阪之間（約515公里）每日可運送43.2萬名乘客，高峰期更曾創下單日51.6萬人次的最高紀錄。

從物理學的運動角度分析，鐵路運輸屬於一維自由度系統，與具備二維自由度的公路運輸相比，雖然無法實現「門對門」（door-to-door）的靈活接駁，但這種受限的運動軌跡極為有利於自動化控制、電子監測及信號系統的大規模應用。這項特性造就了鐵路系統極高的單位運輸能力，例如大都會區的地鐵在高峰時段，單向每小時的輸送量可高達60,000人次以上。鐵路運輸能力主要取決於列車重量（貨物列車的載運噸數、旅客列車的載運人數）和鐵路每晝夜通過的列車對數。

在能源效率方面，鐵路採用鋼輪與鋼軌接觸的導向運動模式，這種金屬對金屬的接觸將摩擦阻力大幅降低至每噸不足3公斤。在相同的動力驅動下，鐵路車輛的運載量遠高於道路車輛。在完成相同運輸量的情況下，鐵路能耗僅為公路運輸的三分之一；若與航空運輸相比，航空的能耗更是鐵路的5至7倍。隨環境影響亦是鐵路的另一大比較優勢。電力驅動列車在行駛中實現零排放，而柴油動力列車的污染排放亦遠低於同等運量的汽車。在二氧化碳排放量方面，鐵路客運僅為公路的二分之一、航空的五分之一；貨運方面的表現更佳，其排放量僅為公路貨運的4.5分之一。著全球對能源需求的持續增長，鐵路的節能高效特點在長遠的能源政策中將越趨突出。

此外，依靠現今的技術，鐵路幾乎可以在任何需要的地方修建，並且全年全天候持續運作，具有較高的連續性和可靠性。隨著鐵路技術和管理的進步，鐵路運輸的安全程度也不斷提高，亦被公認為全球最安全的運輸方式之一。在相同的運輸周轉量下，道路交通的致命風險比鐵路高出七倍。從土地資源利用的角度來看，鐵路每單位客貨運量所佔用的土地面積僅為公路的二分之一至三分之一。以全長425公里、連接巴黎和里昂的法國高速鐵路東南線爲例，全線所佔用的土地面積，僅相當於巴黎戴高樂機場的面積，顯示了鐵路在節省土地資源的卓越表現。

### 制約因素

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與公路運輸相似，鐵路亦受到自然地理因素的制約，這些影響主要反映於技術規範與營運邏輯之中。鐵路運輸對地理環境極為敏感，特別是坡度與曲綫半徑的限制。鋼輪與鋼軌之間的滾動摩擦力極小，這雖然提升了能源效率，但也限制了鐵路的爬坡能力。相較於汽車能輕易應對斜度達1/6（約167‰）的陡坡，考慮到實際狀況下的輪軌粘著利用，粘著式鐵路的常用坡度極限通常僅為25‰（即水平前進1,000米，高度上升25米），重載貨運列車通常更難以應付超過10‰的坡度，這意味著貨運列車若要攀升500米的高度，往往需要長達50公里的緩升坡。雖然部分商業營運的登山鐵路（如小田急箱根登山鐵道）可達50‰至80‰，但這會大幅增加建設與營運難度。為了應對地勢，鐵路工程往往需要採取鑽掘隧道、建設展線或折返式路線等設計以繞過障礙。對於極端陡坡，則需要採用齒軌鐵路甚至纜索鐵路，例如瑞士的皮拉圖斯鐵路，最大坡度達48％（即每百米上升48米），是世界上最陡峭的齒軌鐵路。

與一般的道路汽車相比，雖然鐵路車輛可輕易達到更高的速度，但受限於較低摩擦係數（粘著力限制）和較大的自身重量，其加速度與制動性能通常遜於道路車輛。為了突破此物理極限，磁浮技術應運而生。針對制動距離過長的安全性挑戰，鐵路系統引入了「閉塞」概念，將鐵路劃分為獨立區段，嚴禁兩列或以上列車同時進入同一區段，從而防止追撞事故。

鐵路轉彎的曲綫半徑直接決定了鐵路特定區段的限速。列車通過曲線時會產生離心力，由於鋼軌對橫向作用力的承受能力有其上限，在相同半徑的彎道上，列車的限速必然遠低於汽車。雖然鐵路車輛低速時可通過的最小曲綫半徑可低至100米，但若要維持時速150公里，半徑起碼需達1,000米；若要達到時速300公里，半徑則須增加到至少4,000米。因此，若要提升列車通過曲綫的速度，唯一的途徑是增大曲線半徑或採用擺式列車技術。

在營運可靠性方面，鐵路受制於固定的軌道，缺乏道路運輸的靈活性。鐵路一旦發生事故（如行車或路外事故、基建損毀），極易引發連鎖反應，導致鐵路網大範圍癱瘓。面對自然災害，如泥石流、地震或強風，鐵路修復往往耗時甚久，且在缺乏迂迴路線的情況下，必須依賴替代交通方式如接駁巴士維持交通。至於冬季雨雪天氣問題，雖然鐵路在完善的防雪與除雪設施支撐下，能提供比公路更穩定的運輸服務，但在一些缺乏應對經驗的地區，輕微降雪便足以造成長時間的服務中斷。

此外，雖然鐵路運輸的整體空間佔用相對較少，但其終端設施（如車站及編組站）往往佔用城市核心區域的大量土地，顯著增加了營運成本。由於鐵路路權屬於巨大的沉沒成本，路網結構一旦固定便難以更改。這造成了一個矛盾現象：鐵路客運雖然最適合服務高密度地區，但在這些地區獲取新路權的成本卻極其高昂，限制了鐵路網的擴展空間。

## 發展歷史

### 早期起源

早在工業革命以前，人類已在不同文明中實驗軌道導向式運輸。約公元前600年，古希臘人在科林斯地峽建造了名為「迪奧科斯」（Diolkos）的石製鋪面軌道，其設計是在石灰岩路面上開鑿平行的溝槽，用以固定車輪並導向，確保載運船隻的車輛能沿直線行駛。雅典附近的彭代利山至今仍保留深邃的石槽遺蹟，見證了古人如何將興建帕德嫩神廟所需的白色大理石塊，從礦場運往施工現場。此外，古希臘人亦曾在泥路上鋪設木製凹槽，形成原始的導軌系統。

古羅馬時代，在修築龐大的羅馬道路系統時，亦常在鋪石路面刻入溝槽，用以引導並加速馬車行駛。古埃及的石場以及羅馬帝國治下的埃及地區，均發現了類似的石製鋪面軌道遺跡。進入中世紀後，導軌技術隨採礦業的興起進一步演進，使用木製或鑄鐵軌道的礦坑軌道系統（Wagonways）應運而生。當時阿爾薩斯地區的礦場已普遍採用木製軌道來運輸礦車，並依靠人力或畜力作爲動力。16世紀後半葉的伊莉莎白一世統治時期，許多德意志礦工受聘前往英國來促進採礦業發展，亦將這項技術傳入大不列顛。

這種早期的導向裝置雖然尚未具備現代鐵路的負載能力與動力系統，但已初步解決了泥濘環境下的載重運輸難題。直到19世紀，隨著蒸汽動力的引入與冶金技術的突破，這種傳承數千年的導向運輸概念才正式轉化為現代意義上的鐵路系統。

### 1800至1850年代

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19世紀初，這個時期正值第一次工業革命後期，為鐵路運輸的迅速興起提供了技術基礎和市場條件。蒸汽鐵路的成熟與普及，喬治·史蒂芬生居功至偉。他在前人基礎上改良蒸汽機車，1814年推出成功的輪緣黏著式機車「布呂歇爾號蒸汽機車」（Blücher）。1821年，他說服愛德華·皮斯（Edward Pease）在斯托克頓和達靈頓鐵路採用蒸汽動力與鑄鐵軌道，並於1825年建造「機車一號」（Locomotion No. 1），開創世界首條公共蒸汽鐵路。該線採用的1,435毫米軌距因史蒂芬生機車外銷而成為全球標準軌。

19世紀初，鐵路從構想走向商業實踐。美國工程師奧利弗·埃文斯早在1812年提出長途鐵路網構想；英國測量師威廉·詹姆斯 (測量師)則受特里維西克啟發，規劃英國國家鐵路網。1830年通車的利物浦和曼徹斯特鐵路是首條全由蒸汽機車牽引並實施時刻表的公共鐵路，象徵現代鐵路制度的誕生。雖然投資者原以貨運為主，但客運需求迅速爆發，顯示鐵路在社會與通勤上的巨大潛力。

1830年代後，鐵路開始延伸至更長距離。1837年，全長82英里的英格蘭「大交匯鐵路」成為當時歐洲最長的蒸汽鐵路；1838年，倫敦和伯明罕鐵路全線通車。從1825年英國建成第一條鐵路到1860年止，世界上先後有法國、美國、愛爾蘭、德國、比利時、加拿大、古巴、俄國、奧地利、荷蘭、義大利等26個國家，共建成19.4萬公里鐵路。其中亞洲的印度於1853年、大洋洲的澳洲於1854年均建成了其第一條鐵路。

### 1860至1910年代

自19世紀中葉起，鐵路技術開始從歐洲向全球擴展。1860年至1920年間，這個時期出現了持續半個多世紀的世界性「鐵路狂熱」，共修建84萬公里鐵路，有60多個國家和地區擁有了鐵路運輸，平均每年增加新線1.4萬公里；其中又以1880年代和1900年代兩個十年發展最快，平均每年增加2萬多公里。在19世紀後半至第一次世界大戰前，鐵路不僅是第二次工業革命的重要元素，更成為列強版圖擴張、民族國家構建及推動國際貿易的引擎，被史學界譽爲鐵路的黃金時期。

歐洲各國在19世紀末已形成高度密集的鐵路網，英國、法國、德國、奧匈帝國及俄羅斯等國家均完成主要幹線的鋪設，並進一步向偏遠地區延伸，使鐵路真正成為全國性的交通骨幹。德意志帝國與奧匈帝國透過國有化推動鐵路建設，政府大規模收購私營鐵路並將其納入國家管轄。英國的鐵路網是由數百家私營公司為主體，雖然這導致了早期技術標準例如軌距不一的麻煩，但市場競爭也帶來了更高水平的服務質素與技術創新。而法國則走上一條公私合營的中間路線，政府負責徵收土地與建設路基，私營公司負責鋪軌及營運。與此同時，鐵路亦在現代戰爭中凸顯出重要的政治與戰略意義，普法戰爭後德國與俄羅斯大力發掘鐵路的軍事潛力，利用鐵路運輸來提升動員速度，巴爾幹地區的鐵路建設更與列強競爭密切相關，成為地緣政治的重要工具。

美國鐵路的擴張速度極快，迅速超越了鐵路發源地英國。自美國第一家公共鐵路公司——巴爾的摩與俄亥俄鐵路（B&O）於1827年成立後，鐵路建設逐漸加速，並成功採用股份制度籌集建設資金，吸引大量國內外投資者，推動了現代企業制度和金融市場的形成。至1850年代，密西西比河以東的所有州份均已建立鐵路連接。鐵路網的擴展不僅改善了運輸效率，也刺激了煤炭與鋼鐵產業的成長，形成交通建設與工業發展相互促進的循環。1869年，美國第一條橫貫大陸鐵路於猶他州接通，將跨越美洲大陸的時間由數月縮短至一周，成爲美國「西進運動」與經濟崛起的核心動力。鍍金年代的美國亦是所謂的「鐵路大亨」時代。范德比爾特、摩根和詹姆斯·傑羅姆·希爾等金融巨頭透過惡性競爭、破產重組與大規模併購，將數百家小鐵路公司整合為多個大型鐵路公司，例如賓夕法尼亞鐵路、紐約中央鐵路等。到1916年美國鐵路里程已突破42萬公里，達到了歷史最高峰。

在俄羅斯帝國，鐵路被視爲擴張版圖與鞏固邊疆的主要工具。1842年，俄國政府將1,524毫米（5英呎）定為國家寬軌標準。1880年代，俄國進一步將鐵路延伸至中亞地區，外裏海鐵路於1888年抵達撒馬爾罕。1891年，俄國正式啟動西伯利亞鐵路工程。日俄戰爭後，俄國為避免過度依賴位於滿清境內的東清鐵路，改於國內修築阿穆爾鐵路。1916年，全長約9,300公里的西伯利亞鐵路全線貫通，成為全球最長的鐵路線。這條橫跨歐亞的動脈不僅鞏固了沙俄對遠東的統治，沙俄並藉此獲得不凍港與太平洋出海口——符拉迪沃斯托克（海參崴）。

在亞洲，早期的鐵路發展深受帝國主義與殖民擴張所影響。自1860年代起，歐洲列強在印度、東南亞、中國及中東等地大規模鋪設鐵路，主要目的並非促進本地交通，而是為了鞏固殖民統治、輸出原料及加強軍事調動能力。英國在印度興建了密集的鐵路網，旨在將內陸的棉花、茶葉等原材料運往港口，到1930年代初期，英屬印度的鐵路里程已達約67,000公里，是當時全球規模最大的單一殖民地鐵路網。英國於緬甸與馬來亞、荷蘭在東印度群島、法國在印度支那亦採取典型的出口導向殖民鐵路模式，使鐵路成為殖民經濟的重要基礎。在中東，奧斯曼帝國在德國資金與技術支持下修建巴格達鐵路與漢志鐵路，既為加強中央集權，也成為歐洲列強競逐影響力的舞台。

日本於明治維新後積極引入西方技術，1872年開通新橋至橫濱（今櫻木町）的首條鐵路，並在1890年代形成貫通本州的鐵路幹綫。儘管日本並非首個引進鐵路的亞洲國家，但在鐵路建設啟動後的短短不到二十年間，便基本實現了自主技術體系的目標。20世紀初，日本鐵路網規模快速擴張，這一時期的成長主要來自國有化後的幹線建設與地方私鐵的同步發展，至1930年代日本已形成高度電氣化與高密度的鐵路網，總里程逾15萬公里。相較之下，中國的鐵路發展則較為曲折，1865年北京展覽鐵路與1876年外商在上海修建的吳淞鐵路均因清政府排斥與主權疑慮而被拆除。1882年建成的唐胥鐵路是中國首條自建鐵路。直到20世紀初，中國才在列強壓力下大規模鋪設鐵路，里程從1900年的470公里增加至1913年近萬公里。

在非洲與南美洲，鐵路亦往往帶有殖民擴張與資源開發的色彩，其路線規劃與建設目的多由外來勢力決定。在非洲，英國、法國、德國、比利時及葡萄牙等殖民列強為鞏固統治及輸出原料，大規模修築由內陸礦區、農產區通往沿海港口的鐵路。英國殖民者塞西爾·羅德斯曾構思連結開羅與開普敦的「縱貫非洲鐵路」，雖然最終因列強競爭而未能全線貫通，但其分段建設已改變了東非與南非的物產出口路徑。在南美洲，阿根廷、巴西、智利及秘魯等國在英國資本與技術主導下興建大量鐵路，成爲內陸資源輸送到港口的重要基礎設施。在20世紀初，阿根廷已擁有南美洲最密集的鐵路網。安第斯山脈地區的鐵路工程則以高難度而聞名，如秘魯中央鐵路與跨安第斯鐵路。

這段時期的技術飛躍賦予了鐵路前所未有的可靠性。1870年代，喬治·威斯汀豪斯發明的空氣制動機解決了長編組列車的同步制動問題，顯著提升了行車安全。與此同時，多管鍋爐、煙箱及燃燒系統的改良使蒸汽機車的性能與可靠性大幅提升，自動車鉤、鐵路通信及信號聯鎖系統的引入，亦使鐵路運作更加安全。1880年代末出現的電氣化鐵路技術，率先於歐美大都市的市郊鐵路、路面電車及地鐵系統中應用，隨後歐洲及美國部分幹線亦開始電氣化，以改善隧道及山區的鐵路運輸能力。此外，為了應對跨地域鐵路時刻表的混亂，19世紀末各國逐步推行標準時間制度。

### 1920至1950年代

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1920年代起，隨著鐵路在多國形成由少數大型公司控制的自然壟斷，政府普遍加強對運價、投資與市場准入的監管，部分國家更推行鐵路國有化，例如英國於1921年透過《1921年鐵路法》將百多間公司合併為「四大鐵路公司」（Big Four）；法國於1937年成立國營的「法國國家鐵路公司」（SNCF）；日本於1906年《鐵道國有法》收購主要私鐵，統一納入鐵道省的國有鐵道系統管理；美國則在1920年代成立州際商務委員會（ICC），加強對鐵路運輸企業的運價與市場准入監管。

與此同時，世界鐵路開始進入由蒸汽時代邁向電氣化與內燃化的轉型階段。1920年代，鐵路牽引動力仍以蒸汽機車為主，但電力機車和內燃機車的經濟效益已嶄露頭角。在第二次世界大戰前，歐洲多國開始推行幹線電氣化，瑞士、德國、義大利、瑞典在山區與繁忙路段率先採用交流或直流電氣化。日本在東海道本線與中央本線部分路段進行電氣化，是亞洲最早將電氣化推向主要幹線的國家。印度則在1925年對孟買地區市郊鐵路完成直流電氣化。美國亦在東北部主要幹線引入電氣化，形成了如今波士頓至華盛頓特區的東北走廊。美國也是世界上最早在幹線上大規模採用內燃機車的國家。

第二次世界大戰對各國鐵路造成巨大破壞，但亦凸顯其在軍事與後勤上的重要性。在蘇德戰爭中，儘管德軍初期進展迅速，但由於蘇聯和德國軌距不同，德軍被迫投入大量人力進行改軌工程而延誤了物資供應，蘇聯則利用鐵路將整個工業基地向烏拉爾山脈後方蘇聯工業大疏散。伊朗縱貫鐵路則成為著名的波斯走廊，承載了數百萬噸盟軍為向蘇聯提供的租借法案物資。在大洋彼岸，美國鐵路的運輸密度與效率在二戰時達到巔峰，在聯邦政府的戰時生產委員會協調下承擔幾乎全部國內長途運輸任務，貨運量與客運量均創下歷史最高紀錄。

戰後重建促使各國大規模更新基礎設施，主要工業化國家從1950年代開始進行鐵路運輸業的現代化，其中，牽引動力現代化是最重要的環節之一，當時主要指由蒸汽動力轉向更高效率的內燃及電力牽引，停產蒸汽機車並將其陸續退役，代之以性能日益進步的內燃機車或電力機車。多數國家用了約15至20年基本上完成了向新型牽引動力過渡的過程，例如，美國用了12年（1951年至1962年），蘇聯用了15年（1956年至1970年），英國則歷時約13年（1955年至1968年）。與此同時，電氣化牽引由於更適合高速、重載、高密度的營運要求, 兼具能合理利用各種能源、減少環境污染的特性, 成為部分國家發展的主要發展趨向，特別是在歐洲和亞洲地區得到迅速發展。這項突破主要是因25千伏工頻交流供電的成功，這項技術由法國國家鐵路於1950年代初實證成功，優點是固定設備簡單、接觸網電壓高、導體斷面小、變電所間距大、節省投資成本。此外，調度集中、自動閉塞、無線電通信的廣泛應用，亦使鐵路訊號與行車控制的安全性與可靠性得到提升。

20世紀中期，鐵路運輸的主導地位面臨前所未有的考驗。隨著汽車產業與公路網路的迅速崛起，公路運輸在客運與貨運領域均表現出極強的競爭力。這種競爭不僅侷限於短途接駁，更隨著各國政府在戰後積極擴張汽車產量、加速建設現代化公路網及高速公路系統，全面滲透至中長途運輸市場。與此同時，二戰期間累積的航空科技在戰後轉為民用，載客量更大、航程更遠的民航客機陸續問世，推動了民用航空業的發展，進一步瓜分了鐵路的長途客運市場。在公路與航空的雙重夾擊下，部分國家鐵路運量持續下降，尤其在美國和西歐國家更為明顯。美國鐵路營運里程在1916年到達巔峰後，至1960年之間先後拆除了約9萬公里的鐵路。1960年代初，英國鐵路因面臨巨額虧損而實行備受爭議的「比欽大斧」計劃，拆除了約8,000公里的鐵路，關閉了2,000多個車站。

### 1960至1990年代

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1950年代後期，面對日益嚴峻的競爭環境，各國鐵路開始加快現代化和技術創新的步伐，以保持競爭力。在客運領域，主要對策是提高旅客列車速度，法國、西德、英國等西歐國家首先對繁忙幹綫進行提速改造，使旅客列車最高速度提升至每小時140至160公里。1957年投入服務、1960年代快速擴張的泛歐城際快車（TEE），便是推行既有線提速與提升國際客運競爭力的重要成果。1964年10月，日本率先建成世界上第一條高速鐵路——東海道新幹線，在東京至大阪間列車最高時速達210公里。這條高速鐵路的成功營運經驗產生了轟動效應，西歐各國繼而紛紛仿效，加速研究和採用這項先進技術。1983年9月，巴黎至里昂間的法國高速鐵路東南線全綫通車，列車營運速度進一步提高到270公里/小時。其後，瑞典（1990年）、德國（1991年）、義大利（1988年）、西班牙（1992年）等國在20世紀末先後進入高速鐵路領域，英國、法國、比利時、荷蘭之間的歐洲之星高速列車亦於1994年投入服務。

至於貨運領域，重載運輸與多式聯運構成全球鐵路貨運發展的兩大主要方向。鐵路重載運輸於1960年代的美國迅速發展，透過大幅增加列車重量，降低營運成本並提升運輸效率，隨後蘇聯、南非、澳洲、加拿大、中國等國也紛紛仿效，開行重量遠超一般貨物列車的重載單元列車，使鐵路在煤炭和礦石等大宗貨物市場保持壓倒性優勢。1978年，國際重載運輸協會（IHHA）成立，為各國鐵路業界提供一個交流重載運輸技術與營運經驗的平台。多式聯運貨物運輸則是在1960年代隨著貨櫃化浪潮而普及，其中包括駝背運輸（Piggyback／TOFC）、貨櫃運輸（COFC）等模式，使鐵路與公路運輸及航運業實現無縫銜接，從而建構起更靈活的現代物流供應鏈，並在港口—內陸運輸中重新取得競爭力。

20世紀後期，部分長期處於國家控制或壟斷、虧損嚴重的鐵路系統，開始轉向市場化及民營化模式，力求透過體制改革提升營運效率與競爭力。美國在1970年代率先拉開序幕，以1976年《鐵路復興與規章改革法》和1980年《斯塔格斯鐵路法》為標志，美國政府開始逐步放寬對鐵路業的管制；當時多間大型鐵路公司接連破產，聯邦政府透過重組成立聯合鐵路公司（Conrail），並於1980年代正式將其民營化。日本則於1987年推行史上規模最大的國鐵分割民營化，長期揹負巨額債務的日本國有鐵道（JNR）被拆分為七間獨立的「JR」鐵路公司。1990年代，這股浪潮蔓延至歐洲。1991年，歐洲經濟共同體頒佈91/440/EEC指令，要求各成員國實施「垂直分離」（又稱「網運分離」），即分拆基礎設施管理與列車營運，旨在打破跨境運輸障礙，引入競爭機制。英國政府於1994年起推行激進的民營化計劃，將原本高度整合的英國鐵路（BR）拆分為基礎設施擁有者與數十間私營營運商（TOCs）。

### 2000年代至今

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千禧年代以來，全球高速鐵路發展進入迅速擴張與網路化的新階段。高速鐵路由最初集中於日本及西歐，逐步擴展至亞洲、中東及美洲部分地區，形成跨國、多中心的高速鐵路版圖。高速鐵路是歐盟減少碳排放、增強成員國間聯繫與貿易的核心戰略，歐洲投資銀行在2011年至2020年間，已向鐵路部門注資達396億歐元。歐盟的高鐵里程從1990年的1,001公里增至2019年的9,169公里，並主力在既有基礎上加強跨境互聯，透過統一技術標準與協調營運模式，構建覆蓋多國的高速鐵路網路。

亞洲則成為高鐵里程增長最迅速的區域。中國透過國家主導的戰略性投資，自2000年代起大規模建設高速鐵路，形成全球規模最大的高速鐵路網，至2025年底中國高鐵營業總里程已突破5萬公里，規模遠超世界其他國家和地區的總和，並推動區域間的技術合作與標準輸出。在中國大陸以外，韓國與台灣亦分別於2004年及2007年開通首條高速鐵路，印度尼西亞於2023年建成雅萬高鐵，成爲東協國家中第一條開通的高速鐵路。中東地區則以土耳其和沙烏地阿拉伯最具代表性，土耳其在2010年代建成連接安卡拉與伊斯坦堡的高速鐵路，沙烏地阿拉伯則建成連接麥加與麥地那的哈拉曼高速鐵路。美國則主要集中於東北走廊的提速工程，而非全面性的高鐵網路建設。

在技術層面，鐵路的列車、牽引、控制及基建技術日新月異，並朝著數位化與智能化的方向發展。智能鐵路作為智能交通系統（ITS）的重要組成部分，將人工智慧（AI）、物聯網（IoT）、衛星定位、機器人、大數據、雲端運算及次世代網路等技術植入傳統鐵道營運架構，應用於鐵路環境的安全監控、預防性維修、自動化列車巡檢及優化客運服務等方面，例如利用電腦視覺對接觸網或軌道進行無人化的檢測和診斷，以及利用GSM-R、LTE-R、5G、毫米波等技術提供高速度、低延遲的車地無綫通訊。除此之外，氣候變化與減碳目標亦推動各國重新重視鐵路在可持續交通中的角色，多國加快電氣化工程，並探索氫能車輛、蓄電池車輛、混合動力車輛等節能技術。

## 基礎設施

### 軌道系統

#### 軌道結構

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鐵路軌道系統由兩大核心子系統組成：上部結構（Superstructure）與下部結構（Subgrade）。上部結構包括鋼軌、軌枕及其軌道扣件，以及由道碴與底碴組成的道床，負責直接支撐並分配列車荷重，且須定期維護與更換。相對而言，下部結構則由基床及路堤填土組成，其功能在於承接經上部結構均勻分佈後的荷載，在日常維護中原則上不涉及此層的變動。軌道設計必須在安全性、乘客舒適度、建造成本及環境影響（如噪音與地面振動）之間取得平衡。

軌枕可按其材質分爲木枕、混凝土枕、鋼枕和複合材料軌枕，其中混凝土枕在現代鐵路最為普遍。軌枕配合扣件用以固定鋼軌間距並分佈壓力，鋼軌與枕木之間通常會加裝厚度約5至10毫米的橡膠彈性墊層，除了進一步緩減振動，亦能提供絕緣效果並令載荷分佈更均勻。其下的道碴層通常由碎石組成，具備減震、荷載分佈及排水功能。底碴層則位於道碴與下部結構之間，利用碎礫石或沙土防止道碴壓入地基，同時強化排水與載荷傳導。下部結構則深入地基頂面以下約 2米，包含現場土壤或經搬運填築的路堤填土，若天然土質不佳，則需增設基床以確保承載力。

鐵路軌道的支撐方式主要分為有道碴軌道（彈性支撐）與無道碴軌道（剛性支撐，又稱板式軌道）。在全球範圍內，有道碴軌道仍屬主流，其優點在於建設成本較低，且具備良好的彈性，能有效應對路基不均勻沉降，即使在高速運行下亦能提供理想的橫向阻力。相比之下，無道碴軌道以混凝土板取代碎石道碴，已在全球高速鐵路與城市軌道交通中廣泛應用，尤其在隧道及地下路段更為普遍，原因在於其結構穩定、維修量低、佔用空間小，有助於縮減隧道斷面面積。然而，無道碴軌道產生的噪音明顯高於有道碴軌道，且建設投資較大。當列車由有道碴段過渡至無道碴段（如進入隧道）時，由於軌道剛度驟變，乘客或會感到震動，因此通常會在隧道口鋪設適當厚度的橡膠墊層，以緩解剛度突變帶來的衝擊感。

軌道系統的力學特徵表現為「壓力遞減」與「受力面積遞增」。以10噸的輪重為例，鋼輪與鋼軌的接觸面積僅約1.3平方厘米，壓力極度集中。隨著荷載由上至下經各個層級傳導，受力面積逐漸擴大，從鋼輪接觸點到下部結構，其單位壓力可大幅衰減1,000至5,000倍。

#### 鐵路軌距

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軌距是指鐵路兩條鋼軌頭部內側之間的最短距離。根據多數國家採用的國際鐵路聯盟（UIC）技術標準，軌距通常在鋼軌踏面下方14毫米處進行測量，以反映輪緣實際接觸位置。由於鐵路歷史早期多採用英制單位，因此在轉換為公制後，許多軌距數值均並非整數。

全球鐵路網路根據軌距寬度主要分為三大類別。首先是標準軌（1,435毫米），目前全球約57%的鐵路均採用此規格，主要源於英國早期鐵路技術的輸出與跨國互通的需求。其次是軌距大於標準軌的寬軌（約佔26%），包括主要用於俄羅斯及前蘇聯國家的1,520毫米、伊比利亞半島的1,668毫米、印度及南亞的1,676毫米等。歷史上，寬軌的採用往往出於政治考量，旨在防止鄰國標準軌列車直接駛入。

軌距小於標準軌的軌距統稱窄軌。窄軌主流為軌距1,000毫米的米軌，以及軌距1,067毫米的開普軌，兩者約佔全球鐵路里程的15%，通常用於運量較少的次要路綫。然而，在南非、日本、印度及澳洲等地，米軌亦作為幹線營運，部分更能達到每小時160公里的行駛速度及16至18噸的軸重。除此之外，也有一些軌距比米軌更窄的窄軌，例如914毫米或760毫米，僅佔全球鐵路里程的0.5%。

不同地區甚至同一國家內存在多種軌距，會對鐵路客貨運輸造成阻礙。當不同軌距的鐵路交匯時，通常需要建立複雜的換裝設施或更換轉向架，這種現象稱為「軌距截斷」（Break of gauge）。例如，中國等國正積極推動的新亞歐大陸橋途徑七個國家、使用兩種軌距，東段（中國）和西段（波蘭、德國、荷蘭）使用標準軌，中段（哈薩克斯坦、俄羅斯、白俄羅斯）使用寬軌，中歐貨運班列需要經過兩次換裝才能到達目的地。為了提升運輸效率，如澳洲、印度等擁有多種軌距的國家曾投入巨資進行軌距統一工程。

#### 鐵路限界

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車輛限界是指在鐵路機車車輛周圍必須保持淨空 (工程學)的最小外部邊界。根據列車的運行狀態，可細分為靜態限界與動態限界。靜態限界指列車靜止時所需的淨空範圍，須考慮沿線所有固定設施如供電及訊號設備的干擾；動態限界則指列車行駛時，因晃動或傾斜而產生的動態空間邊界。包圍動態限界外的淨空範圍稱為建築限界（Structure Gauge），而建築限界與動態限界之間的間隙稱為淨空餘量（Clearance），其數值取決於列車速度以及軌道是直線還是曲線。

限界的設定主要取決於兩項關鍵參數：車輛寬度（通常介乎2.6至3.3米）以及兩條軌道中心線之間的線間距（通常介乎3.6至4.8米）。國際鐵路聯盟（UIC）已制定統一的限界標準，以確保不同網路之間的列車能互通運行。然而，即使在標準軌距下，各地的限界仍存在顯著差異，例如英國的限界尺寸明顯小於歐洲大陸，美國的限界幾何標準亦與歐洲有顯著不同，這些歷史因素均限制了機車車輛的跨境互通性。

與普速鐵路相比，高速鐵路限界標準須作大幅調整，主要分別為線間距及側向淨空的增加。以時速300公里為例，法國高速鐵路東南線的線間距為4.2米，而德國高速鐵路則因隧道數量較多，為緩解氣壓波動而採用較寬的4.7米。隨著設計時速提升至350公里，法國高速鐵路地中海綫的線間距增加至4.80米，中國則將時速350公里高速鐵路的線間距定爲5.0米。

在設計城市軌道交通系統和隧道（如地鐵）時，動態限界的控制尤為嚴苛。由於空間極其有限，這些系統甚至會制定專屬的本地建築限界規範，以確保列車在密閉空間內運行時，與結構物之間仍維持絕對的安全距離。

#### 轉轍裝置

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在鐵路系統中，列車必須具備從一條軌道切換至另一條軌道的能力，這一功能由道岔和轉轍裝置實現。這是一套特殊的軌道設備，使鐵路車輛能夠在不中斷行駛的情況下改變行駛軌跡方向。

雖然轉轍裝置形式繁多且結構複雜，但在工程上可歸納為兩大基本形式及其組合。首先是道岔（Turnout），包括單開或多開道岔，其作用是將一條軌道分支出兩條（有時為三條）線路，引導列車變軌。其次是交叉軌道（Crossing），即兩條軌道在同一平面相交，但列車並不改變原有的行駛路向，根據軌道相交角度又可分爲菱形交叉或十字交叉。第三種則是結合上述兩者功能的交分道岔（Turnout crossing／Slip switch），兼具軌道交叉與轉線的雙重職能。

現今的鐵路工業可以提供多元化的道岔產品，並可根據現場環境進行定製。道岔與一般區間軌道的主要技術差異在於其不設超高（Superelevation）或緩和曲線（Transition curve）。因此，列車通過道岔時的最高限速，完全取決於道岔的曲線半徑（R）以及乘客可承受的未補償離心加速度數值。

### 訊號與通訊

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鐵路發展初期由於行車頻率較低，訊號方法相對原始。隨著行車密度增加，多列火車共用同一軌道，催生了閉塞區間（Block）的概念。閉塞系統將長距離軌道劃分為多個獨立區間，每個區間由訊號員手動操控信號。只有當前方的區間確認清空後，訊號員才會發出通過信號，准許下一班列車進入，從而有效防止追撞事故。在19世紀，歐美部分地區開始採用球形訊號機（Ball signals）或臂板訊號機（Semaphore Signal），透過旗桿上升起信號球或臂板表示前方路段容許列車進入。

19世紀末電力的普及促成了軌道電路（Track Circuit）的發明。該技術利用鋼軌作為導體，在閉塞區間的兩端設置絕緣接頭以隔離鄰近電路。系統持續向鋼軌輸送電流，並由另一端的繼電器偵測。當列車進入區間時，金屬輪軸會將兩條鋼軌短路，導致繼電器失磁斷開。這一物理變化會觸發另一組電路，自動將訊號燈由綠轉紅。這種利用軌道電路技術保證同方向列車運行時安全間隔的自動閉塞技術，至今仍在全球鐵路被廣泛使用。聯鎖系統是另一項保障鐵路行車安全的關鍵技術，透過邏輯控制避免道岔、訊號機與軌道電路相互衝突，例如防範在列車通過時轉轍器被誤動，或在路軌未正確對接下開放進路訊號的安全隱患。聯鎖系統已從早期以人力操控的機械聯鎖、半人工的機電聯鎖，發展爲由邏輯電路構成的繼電器聯鎖，以及採用全部電腦控制的電子聯鎖。

在軌道交匯處、車站或編組場等複雜路段，傳統上需要訊號樓（Signal Tower）由人工手動操作轉轍器改變道岔位置。每座訊號樓擁有專屬的電報代碼，訊號員須手動撥動槓桿並透過電報與調度員溝通。20世紀中葉，調度集中控制系統（CTC）的出現改變了列車指揮模式，調度員只需在調度中心的控制台上操作，即可透過脈衝訊號對遠距離的轉轍器和信號設備進行控制，並透過控制台上的燈號實時監測列車位置。這項技術使大量人工訊號樓被拆除，實現了長距離鐵路的集中管理。經過多年發展，現在的調度指揮系統已經整合了電腦、通訊、自動控制等先進技術，成為鐵路系統運輸組織和營運管理的核心系統。

到20世紀末，鐵路訊號進一步提升至列車自動保護系統（ATP）的層次，其首要目標是預防人為失誤、違反訊號指示或其他不可預見因素所引發的事故。該系統綜合運用感測器、通訊設備以及車載控制系統，對列車速度進行即時監控與管理，從而確保列車運行嚴格符合預設的安全參數要求，並在列車違反訊號或超速時自動介入制動。與此同時，隨著通訊技術發展，為了解決傳統固定閉塞系統限制，通訊式列車控制（CBTC）應運而生，透過無線電通訊實現移動閉塞技術，成爲現今高密度與自動化城市軌道交通系統的主流發展方向。

### 鐵路車站

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鐵路車站是鐵路運輸系統中供列車停靠以進行客貨裝卸，並執行相關技術作業的場所。根據技術作業屬性，鐵路車站可分為中間站（Intermediate station）、區段站（District station）與編組站（Marshalling station），後兩者統稱為技術站。若按功能分類，則可分為客運站、貨運站或客貨運混合站。根據提供服務和所處地區的不同，車站的規模與功能差異極大，大型客運車站通常設有車站大樓，提供票務、餐飲及零售等配套設施；而規模較小的車站（如招呼站）則可能僅由基本月台組成。歷史上，早期的鐵路車站常將客貨設施併設，但隨著現代物流專業化，許多地區已設立專門處理貨物裝卸與車輛編組的鐵路貨運站。

在車站結構與設施方面，月台是指鐵路車站中沿軌道設置供乘客上下車的平台區域，許多車站設有多於一個月台，且在不同月台之間透過行人天橋、隧道或平交道連接，部分連接多條路綫的大型車站更擁有數十個月台，例如紐約大中央車站和東京車站。根據空間佈局與軌道配置，月台可分為多種基本類型。最常見的是位於軌道兩側的側式月台；位於兩條軌道之間、兩面均可上下車的則稱為島式月台。此外，還有專為盡頭式車站設計、軌道盡頭被月台包圍的港灣式月台，以及因空間限制而將上下行方向軌道設於不同樓層或位置的側疊式月台。

在現代城市環境中，主要鐵路客運車站尤其是中央車站，往往與大型商業建築或地標性建築為鄰，其建築設計必須具備顯著的辨識度，成為社區甚至整座城市的視覺焦點與精神象徵。從定義上而言，車站本質上是一個交通樞紐，代表著不同運輸方式之間切換的節點，即使是規模最小的路面電車站，亦代表了步行與軌道運輸之間的轉換點。全球多座著名車站均是這種地標與樞紐結合的代表著，例如德國的柏林火車總站、法國的里爾歐洲車站、比利時的列日吉耶曼車站、中國的北京南站，以及英國的聖潘克拉斯車站等。

## 運輸設備

### 牽引動力

現代鐵路運輸始於19世紀初蒸汽機的應用。1814年，英國工程師喬治·史蒂芬生成功研製出首台實用的蒸汽機車，開啟了長達一個多世紀的蒸汽牽引時代。蒸汽機車的技術演進主要集中於兩個方面。首先是透過增大鍋爐尺寸與汽缸容積，並增加動輪與從輪的數量，以提升機車的牽引力與運行速度；其次是引入給水預熱、二次膨脹飽和蒸汽（複脹式蒸汽機）及過熱蒸汽技術，藉此提高鍋爐蒸汽壓力與熱效率。雖然蒸汽機車對早期鐵路發展貢獻巨大，但因其熱效率極低、維護複雜且環境污染嚴重，在20世紀中葉開始逐漸退出歷史舞台。

內燃機車則以柴油機為動力源的柴油機車為主流，於1920年代起步並在1940至1950年代迅速發展。與蒸汽機車相比，內燃牽引的效率顯著提高，並且大幅降低了營運成本，同時司機的工作環境與乘客舒適度大爲改善。隨著電力電子技術的發展，電力傳動內燃機車的傳動技術經歷了重要變革，早期多採用直流發電機的直—直流電傳動（DC-DC），至1960年代演進為採用同步交流發電機的交—直流電傳動（AC-DC）。隨著1980年代交流傳動系統與微機控制技術的成熟，交—直—交流電傳動（AC-DC-AC）逐漸成為主流，利用結構簡單且可靠性高的交流異步牽引電動機，使單機功率可達6000馬力（4410千瓦）以上。此外，德國亦曾發展出使用液力變扭器的液力傳動柴油機車。至於1960年代曾短暫出現的燃氣渦輪機車，則因1973年能源危機導致的高燃料成本而最終被放棄。

電力牽引始於1880年代，最初應用於城市的路面電車，至20世紀初正式進入幹線鐵路領域。與內燃機車自帶原動機的特性不同，電力機車需依賴外部的供電系統，包括將高壓電進行降壓、整流或變頻的變電站，以及負責輸送電能的架空接觸網或第三軌，目前國際上主流的標準包括25千伏單相工頻交流電，以及1500伏或3000伏直流電。電力機車具備功率大、加速快、過載能力強及零排放等優點，其維護成本與使用壽命均優於內燃機車。早期的電力機車主要使用直流電動機，受限於其換向條件和機械強度，難以滿足更大功率與更高速度的需求。隨著大功率半導體元件（如GTO或IGBT）及微電子控制技術的應用，現代電力機車於1980年代進入交流傳動時代，技術核心在於變頻變壓（VVVF）調速技術。系統透過脈衝整流器將交流網壓轉為穩定的中間直流電，再由逆變器將其變換為幅值與頻率可調的三相交流電，驅動高功率的交流牽引電動機，使單軸功率可達1600千瓦。

### 客運車輛

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在鐵路系統中專為載運旅客而設計車輛，除了由機車牽引的鐵路客車外，也包括自走編組運行的車輛如電聯車或柴聯車。根據內部配置與功能，鐵路客車可分為兩大基本類型：包廂式客車（Compartment Car）與開放式客車（Open Coach）。包廂式客車將車內劃分為多個獨立且私密的包廂空間，這類車廂多設有軟席座椅與包廂門，票價亦通常相對較高。開放式車廂則擁有貫穿全車的寬敞空間，座位數量較多；在歐美地區這類車廂多為座車，但在中國、印度及前蘇聯國家，亦存在開放式的臥鋪車（如中國鐵路的硬臥）。除了傳統的座席客車和臥鋪客車外，還有多種提供特定功能的車廂，以提升鐵路客運服務的體驗，例如餐車、瞭望車、行李車等。隨著城市化導致客流量激增，雙層客車應運而生，在不增加列車長度的前提下提升了載客量，成為現代通勤鐵路的理想方案。

19世紀初期的鐵路客車主要採用木製車體，其設計以實用為主，內部僅配置簡單的木製長椅。隨著對安全與耐用性的需求提高，促使鐵路工業在19世紀末至20世紀初轉向鋼製車體。鋼製化不僅顯著提升了車輛的結構強度與抗撞擊能力，降低了發生事故時的傷亡風險，其防火性能亦遠超木材。至20世紀後期，輕量化鋁合金及複合材料車體逐漸成為高速鐵路和城市軌道交通車輛的主流，有效減輕了車輛自重並降低能源消耗。現今的高速鐵路列車普遍採用注重空氣動力性能的流線型設計，並配備先進的懸掛系統與優良的車體密封性能，以確保在列車在高速行駛時仍能維持極高的乘坐平穩度與低噪音水平。與此同時，鐵路營運商也越來越重視車輛的全壽命週期成本分析，對車輛的可靠性、可用性和可維護性（RAS）提出更嚴格的要求。

### 貨運車輛

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用於運載各類貨物的鐵路貨車，根據其構造與用途，主要分為通用貨車、專用貨車及特種貨車三大類。通用貨車具備廣泛的適配性，其中敞車因無車頂設計且側牆較高，最常被用於運輸煤炭、木材等散裝物資。棚車則設有完整的車頂與端牆，主要用來裝載糧食等不能受日曬雨淋的貨物。而平車則提供大面積的平台，專門運送大型機器、鋼材或集裝箱等貨物。

專用貨車針對特定貨物的物理特性進行設計。例如擁有圓筒狀車體的罐車用於盛載液體、液化氣體或粉狀物；設有隔熱層與溫控設備的保溫車用於運輸食品或對溫度敏感的貨物。此外，因應採礦業需求還設有具備特殊卸貨門（如底開門）的煤車與礦石車；這兩者的區別在於載重與體積比（比容積）：煤車的比容積較大，而礦石車則因物料密度高，其結構設計更側重於承重而非體積。特種貨車則是針對更特殊的物流需求，用於處理超限、超重的貨物。例如採用多層結構的汽車運輸車用於大批量運送成品汽車。針對特大型設備，則會動用長大貨物車，例如大型凹底車、鉗夾車和落下孔車。

20世紀中葉引入的標準化貨櫃實現了海運、陸運與鐵路之間的無縫銜接，推動了多式聯運的發展。在多式聯運體系中，雙層集裝箱專用車扮演了關鍵角色，其低底盤設計允許集裝箱雙層疊裝，在不增加列車長度的前提下，大幅提升單列列車的運輸容量，提高了供應鏈的成本效益。除此之外，隨著現代化鐵路訊號系統的普及，傳統供運轉車長隨車辦公的守車已在許多國家逐漸消失，其職能已被列車尾部安全防護裝置所取代。

### 車輛動力學

鐵路車輛動力學是工程學中最複雜的動力學系統之一，主要研究輪軌介面間的相互作用、轉向架與輪對的性能，以及列車在各種軌道上行駛時產生的內部作用力。車輪踏面與軌道之間的接觸幾何極其複雜，且涉及接觸區域相對運動產生的非保守力與多種非線性因素。若曲線引導不足，會導致輪軌間產生巨大的橫向力，加速磨損甚至引發脫軌；而動態或靜態不穩定性，以及對軌道幾何不平順的過度反應，則會降低乘坐舒適度並增加鋼軌內部的應力。

列車行駛時，動力系統必須提供足夠的牽引力以克服各種運行阻力。這些阻力包括：在水平直線行駛時的機械與空氣動力運行阻力、通過彎道時的曲線阻力、受地心吸力影響的坡道阻力，以及在起動或變速時產生的慣性阻力。在接觸力學方面，輪軌接觸面（即赫茲橢圓）產生的粘著力是輪軌式鐵路車輛運行的基礎，必須確保粘著力大於或等於牽引力，才能維持車輪正常滾動而非空轉 (鐵路車輛)。

懸掛系統設計的核心目標，是在控制車輛運動以確保乘坐舒適度的同時，將動態負載與脫軌風險降低至安全水平。輪軌之間摩擦力與幾何彈性雖然難以完全控制，但能透過調整轉向架設計與懸掛形式，在機械複雜度與性能間取得平衡。此外，高頻的輪軌相互作用亦可能導致接觸面受損或鋼軌波浪形磨耗（Rail corrugation），並產生顯著的噪音與振動。

制動系統的主要功能是消減列車行駛中的動能。有效的制動設計必須確保列車能在最大允許制動距離內停車，或在坡道上維持恆速運行。影響制動效能的關鍵因素包括制動功率、列車總重、運行阻力、行車速度及有效粘著力。目前全球大多數列車採用空氣制動系統，利用壓縮空氣推動閘瓦壓向車輪踏面（踏面制動），或推動制動鉗壓向煞車碟（碟式制動）。此外，還有動力制動、磁軌制動、渦電流制動等各式機械與電氣減速裝置，共同確保行車安全。

## 營運模式

### 建設規劃

鐵路運輸的建設與營運經過嚴密的規劃程序。規劃過程始於對現狀的深入分析，進而交通預測未來演變並預判潛在問題，最終提出相應的投資方案、組織架構及融資策略。按時間跨度劃分，鐵路規劃大致可分為三個層級：長期規劃（10至15年）側重於宏觀策略、投資方向及財務框架；中期規劃（3至5年）則將長期目標轉化為具體的投資細節、組織變革、人力需求及票務政策；而年度規劃則為落實每年的財政預算。

歷史上，部分鐵路建設或出於國家發展、戰略安全或資源開發的考量，未必經過嚴謹的經濟論證。在現代管理體制下，即使是小型鐵路項目亦必須進行可行性研究，透過比較成本與效益來評估其價值。項目的成本主要由建設成本與營運成本構成；而效益則涵蓋縮減旅程時間、降低營運成本、減少事故、提升服務質素，以及促進區域整合等，當中唯有營運成本的降低屬於直接的商業收益，其他則多屬社會效益。為了進行客觀比較，所有的社會效益均需轉化為貨幣價值，例如評估節省時間帶來的經濟效益，或估算交通改善對區域生產總值（GDP）的提振作用。

許多規模龐大的鐵路工程需要依賴項目管理，這類大型基建項目往往涉及經濟、城市規劃、土木工程、電機工程、會計及建築等多個專業領域，需透過跨學科、跨部門的專業化管理來控制工期、預算與品質。此外，由於基建的建設與維修屬於勞動力密集型活動，現時許多鐵路建造商或營運商多傾向採取外判策略，透過公開招標引入外部承辦商，能在確保於合適時機以合理價格執行項目的同時，大幅降低管理成本。然而，外判不得以犧牲安全為代價，基建機構必須制定嚴格的技術規範、施工條件與監督機制，確保承辦商的作業完全符合鐵路安全標準。

### 融資模式

由於鐵路項目具備投資規模大、回收期長及商業吸引力較低等特性，傳統上多由國家財政出資並以公營模式運作，即所謂的國營鐵路。然而在全球經濟壓力下，特別是1980年代新自由主義浪潮之下，各國政府財政預算日益緊縮，難以獨力承擔虧損風險較高的項目。因此，鐵路營運愈發傾向引入私營資本，特別是在具備強大盈利能力的核心業務。在規劃融資方案時，核心爭議往往圍繞資金來源、施工期間的成本超支風險由誰承擔，以及建成後的營運責任歸屬。

為了平衡風險與收益，業界發展出多種公私營合作（PPP）模式。其中最典型的是興建—營運—移交模式（BOT），私營公司經投標後負責融資及施工，並在特許經營期內（通常為20至40年，甚至長達99年，如英法海底隧道）透過票務或商業收益回收成本，期滿後將基建移交政府。此模式衍生出多種變體：BOOT模式強調私營公司在經營期內擁有所有權；BOLT模式則由私營公司建成後租賃予鐵路營運機構，並收取定期租金；BTO模式則是建成後先移交所有權予鐵路管理機構，再由私營公司租回營運。此外，對於車站等具備多功能服務的項目，亦可能採用興建—擁有—營運模式（BOO），由私營公司全權負責且不設移交期限。

除上述涉及大型基建的模式外，還有較簡單的人員與服務合作，例如私營服務合約（Private Services Contract），由基建擁有人將特定的設施營運與維護外判予私營公司。另一種模式是開發商融資（Developer Financing），鐵路公司提供高價值的土地（如車站上蓋或周邊），由開發商興建鐵路設施，並換取開發住宅或商業物業的權利，這在土地價值高昂的都市地區尤為盛行。與之相似的還有鐵路加物業模式，以香港的港鐵公司爲例，鐵路營運商獲政府批准開發車站、車廠及軌道周邊的土地，利用上蓋物業開發所得的豐厚利潤，部分抵銷軌道交通系統龐大的建設與維護開支。

### 私有化

自1980年代起，部分國家的鐵路產業出現了市場化及私有化的趨勢。在歐洲，「網運分離」模式在歐盟推動下成為歐洲鐵路的主流，旨在透過開放路權，將「列車營運」與「基礎設施」拆分，允許不同的營運商公平使用鐵路網路。以英國鐵路私有化為例，鐵路基建由受公眾監管的國有機構英國鐵路網公司（Network Rail）負責維護與發展，而列車營運則自1990年代私有化後由多家私營營運商（TOCs）承包。然而，鐵路私有化在意識形態上雖試圖比照電訊或航空業，但往往忽略了鐵路系統極度複雜且普遍虧損的本質，這使得私營企業如何在追求利潤的同時維持公共服務，成為極大挑戰。

鐵路私有化過程中處理債務的策略，直接影響了後續私有化企業的財務穩定性。為了提高私有化的成功率，部分國家如德國由政府承擔國營鐵路累積的巨額債務。日本在1987年的國鐵分割民營化改革則是罕見的例外，當時國鐵債務超過日本國內生產總值的10%，政府最終將約四成債務轉移至最具潛力的三間新成立公司（實行網運一體化模式），餘下六成則由政府機構承擔。事實上，私有化並非市場競爭的先決條件。只要政府建立公平的競爭環境，國營鐵路公司與私營公司同樣可以共存並進行競爭，義大利高速鐵路便是最成功的案例之一。

在基建私有化方面，學界與業界普遍擔憂私營企業會因追求短期利潤而削減維護開支，進而威脅行車安全。英國曾嘗試將鐵路基建全面私有化，但最終宣告失敗，主因是政府設定的技術及維護標準令私營公司無利可圖，即使營運商支付了高昂的基建使用費亦難以維持。目前，私營資本較感興趣的範疇通常集中於利潤較高的高速鐵路、特定貨運業務（如大宗物資或多式聯運）以及部分地方客運；至於票價多受監管且依賴補貼的區域與城市通勤鐵路，除非透過公開招標並由政府提供大量補貼，通常難以吸引私營企業參與。

## 社會及經濟影響

### 環境影響

鐵路運輸雖然與工業及經濟活動一樣，會對環境造成空氣污染、噪音、能源消耗及土地佔用等負面影響，但在所有運輸方式中，鐵路對環境的傷害程度最低，這將成為其未來發展的關鍵優勢。在空氣污染方面，交通運輸是主要的排放源，佔一氧化碳排放量逾九成，氮氧化物約六至七成，碳氫化合物及揮發性有機化合物則佔約四至五成。歐洲約四分之一的二氧化碳排放來自交通，且自1990年起本地運輸的溫室氣體排放大幅增加，其中逾七成歸因於道路運輸。相比之下，鐵路排放極低，內燃牽引僅佔0.6%，即便計入發電排放亦低於2%。根據美國鐵路協會（AAR）的研究，鐵路貨運的燃油效率平均比貨車高出三至四倍，改用鐵路運送每噸貨物可減少75%的溫室氣體排放。

鐵路噪音主要源自內燃機、輪軌相互作用、集電弓與接觸網的磨擦，以及高速行駛時的氣動聲學。研究顯示，鐵路的整體噪音水平並非各聲源的簡單加總，且主導聲源會隨行車速度而改變。當時速低於100公里時，引擎噪音佔主導地位；時速介乎100至200公里時，輪軌相互作用產生的噪音最為明顯；而當時速超過200公里，氣動噪音則成為主要來源。不同類型的列車受各聲源影響的程度亦有差異，雖然噪音水平會隨距離增加而呈非線性衰減，但距離對噪音強度的影響遠較車速變化顯著。此外，輪軌磨損產生的金屬粉塵，以及貨物洩漏（如石油產品）可能造成的土壤與水源污染，均是鐵路環境管理的重要課題。

在能源效益方面，鐵路的優勢極為顯著，其高效的核心在於輪軌介面的物理特性：鋼製車輪在平滑硬質的鋼軌上滾動，產生的摩擦阻力遠低於汽車輪胎與路面。以里斯本都市區為例，在相同的載客率下，電氣化鐵路的每人公里能耗僅約為私家車的二十分之一。雖然鐵路僅佔歐洲交通能源消耗的2%，但其市場份額卻高達6%（客運）至10%（貨運）。在美國，鐵路承擔了約40%的長途貨運量，卻僅產生1.9%的交通相關排放。

### 現代化與經濟發展

鐵路在歷史上被視為現代化與進步的核心象徵。19世紀的鐵路發展促使人類社會從空間導向轉向時間導向，精準計時變得至關重要。車站內的車站時鐘、鐵路職工配備的懷錶，共同構建了嚴謹的時間體系。與以往客船視乘客數量隨機出發不同，鐵路必須遵循嚴格的班次運行。這種對精確性的要求直接促成了標準時區的誕生，取代了以往各地以正午太陽位置設定的地方平時。鐵路時刻表的結構後來被廣泛應用於巴士、渡輪、航空、學校課程以至工廠考勤。此外，電報技術的發明與鐵路網路的發展相輔相成，成為極端天氣下維持調度運作的重要工具。

學者普遍認為，鐵路網路的建設是國家構建的關鍵因素。鐵路為橫跨廣闊國土的客貨運輸提供了高效網路，促進了製造業、零售批發、農業及金融業的全面發展。以1940年代的美國為例，鐵路協助建立了一個規模與歐洲相當、卻無內部關稅壁壘的統一市場。歷史學家亨利·亞當斯（Henry Adams）指出，鐵路網路的建設消耗了一代人的能量，它要求資本、銀行、採礦、冶煉及技術知識等全方位配套，並重塑了社會政治習慣與體制，以適應這種前所未有的宏觀規模。

鐵路建設的巨額開支亦推動了金融體系的擴張。1860年至1897年間，美國鐵路公司的股票與債券總值從18億美元飆升至106億美元，遠超當時的國債水平。這股投資潮促使紐約成為主導性的金融市場，並吸引了大量歐洲（尤其是英國）資本。

### 企業管理制度

大型鐵路公司如波士頓和奧爾巴尼鐵路、巴爾的摩與俄亥俄鐵路公司、伊利鐵路公司、賓夕法尼亞鐵路公司等，在1840至1860年代間率先引入了現代企業管理、組織架構、內部控制制度，逐漸創造了當時最複雜的企業管理系統。許多早期的高層管理人員均爲土木工程師或軍事工程出身，但隨著企業規模擴大，財務與營運方面的專業人士逐漸成為鐵路管理的主導力量。

商業史學家小阿爾弗雷德·D·錢德勒認爲，鐵路是第一個真正的現代官僚組織。鐵路作爲第一個跨地域運作的產業，這種空間上的廣度使得業主無法親身監督每一個環節，必須建立一套層級組織分明的組織架構，並依靠受過專業訓練的職業經理人來進行管理，這標誌著管理資本主義（Managerial Capitalism）的誕生，即由受薪的職業經理人（而非業主）主導企業決策。

鐵路的發展催生了私營企業中制度化的職業生涯路徑。對於早期鐵路公司的員工而言，鐵路提供穩定薪資、晉升階梯與工會保護，許多員工（尤其是白領與技術工人）會終身在鐵路工作。招聘、晉升與工資水平並非由上司主觀決定，而是根據嚴格的企業規章制度執行，以減少偏私。員工被賦予相對穩定的職位保證，並享有醫療保障、工傷補償等福利。在美國，隨著1880年代第一代鐵路職工退休，系統化的退休金制度亦隨之誕生。這種「按章辦事」的管理文化為現代科層組織奠定了基礎。

## 外部連結

- International Union of Railways （國際鐵路聯盟）：全球最重要的鐵路行業組織，提供各國鐵路統計數據、技術研究報告及可持續發展指南。
- European Union Agency for Railways（歐盟鐵路局）
- Association of American Railroads（美國鐵路協會）
- Railway Gazette International （國際鐵路公報）
- Institution of Railway Signal Engineers（鐵路信號工程師學會）