鉄道輸送
路面電車は道路と一体の併用軌道が多いのに対しライトレールは線路のみの専用軌道が多いため、場合によっては地下に潜って都心部へ直結するなど柔軟な運用ができる。モノレールは中容量の輸送が可能な鉄道で、地下鉄や高架鉄道を作るほどでは無いが、かといって路面電車やライトレールでは捌ききれない需要が見込まれる地域、あるいは新しく鉄道を敷設するスペースがない、高低差があり普通鉄道では勾配がきつすぎるなどの問題のある地域で主に運行されている。新交通システム、自動案内軌条式旅客輸送システム (AGT) は主に短距離を結ぶシャトル列車的立ち位置で、自動列車運転装置 (ATO) を用いた無人運転であることが多い。高速輸送機関は時折統一性が欠如しているために線形が複雑となり、多様な通過場所(私有地、道路横、道路中央)や幾何学的特性(急カーブ、急勾配)を持っていることもある。例えばアメリカ合衆国イリノイ州シカゴのシカゴ・Lはループにある急カーブを曲がるために1両あたり15メートルという短い長さの車両を運行しているほか、ニュージャージー州のパストレインはトランス-ハドソン・トンネル内の急カーブを通過するために1両あたり16メートルの車両を運行している。逆にカリフォルニア州サンフランシスコ・ベイエリアのベイエリア高速鉄道はしっかりと設計された線形であるため1両あたり21 - 23メートルと長い車両で運行されている。
鉄道の運行計画は主に列車計画・車両運用計画・乗務員運用計画の3種類に分けられる。列車の運行にはこれら3つの運用計画が必須となる。
列車計画はダイヤグラムとしても知られ、1本の列車が始発駅から終着駅の間でどの駅に停車し何分停車するかなどを決めた最も基本的な計画である。列車計画はスジ屋とも呼ばれるダイヤ作成専門家が作成しており、列車の編成長や加速度、最高速度、制限速度などの要因を考慮し列車計画を決めていく。また、机上だけでなく停車時間に対する混雑度の調査のため各駅へ赴き実地調査を行ったり、駅員や乗務員など現場職の職員の意見を聞き問題点を洗い出したりするなど列車計画の作成は多大な時間と多くの人々の協力の下で行われている。
車両運用計画は1本の編成が1日の間に担当する列車とその編成が行う点検や車内清掃などの時間を決める計画である。編成は1本の列車を担当した後は車庫に戻るというわけではなく引き続き別の列車の担当になることが多い。このため、車両運用計画では折り返し時間や駅設備、他編成との兼ね合いなどを考慮しつつ、編成がどの列車を担当するかを決める。この決められた1日の担当列車のことを行路と言う。
プチャーチンは江戸幕府との開国の交渉による滞在中に何名かの日本人を船に招き入れ、そこで蒸気機関車の模型を走らせて見せた。また、翌1854年にはマシュー・ペリーが二度目の来航に際して蒸気機関車の模型を持ち込み、横浜で実演走行を行った。この模型は人もなんとか乗れるほどの大きさであり河田八之助が客車の屋根にまたがり乗車、江川太郎左衛門が運転を成功させている。模型ではなく実物の機関車が走ったのは1865年のことで、長崎県長崎市の現長崎電気軌道大浦支線メディカルセンター停留場付近にトーマス・ブレーク・グラバーが600メートルほどの線路を敷設し、蒸気機関車「アイアンデューク号」と客車2両の編成で長崎の人々を乗せて実演走行を行った。最初の営業鉄道はお雇い外国人のエドモンド・モレルや日本の鉄道の父井上勝により建設され、1872年10月14日に新橋駅 - 横浜駅間で正式開業した。この営業路線開業に伴い納入された10両の機関車の内、最も早く日本に到着した車両が"1号機関車"としても知られる150形蒸気機関車で、1958年に第1回鉄道記念物に、1997年4月18日に国の重要文化財に指定されている。150形蒸気機関車は現在さいたま市の鉄道博物館に展示されている。
蒸気機関は1世紀以上にわたり、世界中の鉄道の支配的な動力源であり続けた。
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用されていった。現代の世界は時計と時刻表によって支配されていた。
乗客が列車に乗車するには一部の例外を除き必ず乗車券が必要となる。乗車券は主に駅の自動券売機や有人窓口 (みどりの窓口など)、列車の乗務員が発売している。また、近年はえきねっとやエクスプレス予約、e5489などのインターネット上での指定席予約サービスが提供されている。自動券売機では普通乗車券のほか、機種や鉄道会社によっては定期券や回数券、特急券、指定席券、ICカードなどを購入することができる。有人窓口では自動券売機と同じく普通乗車券以下各種乗車券が購入できるほか、学割乗車券などの割引乗車券、団体乗車券や周遊きっぷなどの特殊乗車券やイベント乗車券などを購入することができる。乗務員からの購入は、自動券売機の無い駅の多いローカル線で車内改札の際や、乗車券を紛失した際に乗務員に申告すると乗務員が携帯している端末により発券される。また、JR西日本新快速のAシートなどのように列車に乗車後乗務員に着席料金を支払う事例も存在する。
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。
列車は鉄道車両と呼ばれる旅客または貨物、あるいはその両方を輸送することができる車両から編成される。
列車は伝統的に機関車によって牽引される。これを動力が機関車に集約されていることから動力集中方式という。これは、列車の前部に1両以上の動力付き車両が配置されるもので、列車の全重量を牽引するのに十分な牽引力を発揮する。この形態は貨物列車では依然として支配的な方式となっており、旅客列車でもよく使われている。日本では寝台特急の廃止が相次ぎ動力集中方式の旅客列車は姿を消しつつある。また、機関車を2両以上連結して列車を牽引する重連運転も動力集中式となる。この方式では折り返しの際に機関車を反対側に付け替える機回しが必要であるため折り返しに時間が掛かっており、この欠点を解消し折り返し時間の短縮を図る目的で列車の前後に機関車を配置するプッシュプル方式が存在している。プッシュプル方式は準動力集中方式とも呼ばれ、ヨーロッパではHSTやICE 1などの高速列車でこの方式が採用されている。日本では旅客列車でプッシュプル方式を採用しているのは大井川鐵道井川線を除くと奥出雲おろち号や嵯峨野観光鉄道などの観光鉄道に限られている。