地铁是沿着地面铁路系统的形式逐步发展形成的一种用电力牵引的快速大运量城市轨道交通模式，其线路通常敷设在地下隧道内，有的在城市中心以外，从地下转到地面或高架桥上敷设方式。

概念

世界上首条地下铁路系统是在1863年英国开通的“伦敦大都会铁路”（Metropolitan Railway），是为了解决当时伦敦的交通堵塞问题而建。

当时电力尚未普及，所以即使是地下铁路也只能用蒸汽机车。由于机车释放出的废气对人体有害，所以当时的隧道每隔一段距离便要有和地面打通的通风槽。

到了1870年，伦敦开办了第一条客运的钻挖式地铁，在伦敦塔附近越过泰晤士河，但这条铁路并不算成功，在数月后便关闭。现存最早的钻挖式地下铁路则在1890年开通，亦位于伦敦，连接市中心与南部地区。

最初铁路的建造者计划使用类似缆车的推动方法，但最后用了电力机车，使其成为第一条电动地铁。早期在伦敦市内开通的地下铁亦于1906年全数电气化。

1896年，当时奥匈帝国的城市布达佩斯开通了欧洲大陆的第一条地铁，共有5公里，11站，至今仍在使用。

中国第一条地铁线路始建于1965年07月01日，1969年10月01日建成通车，使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。

特点

优点

节省土地

由于一般大都市的市区地皮价值高昂，将铁路建于地底，可以节省地面空间，令地面地皮可以作其他用途。

减少噪音

铁路建于地底，可以减少地面的噪音。

减少干扰

由于地铁的行驶路线不与其他运输系统（如地面道路）重叠、交叉，因此行车受到的交通干扰较少，可节省大量通勤时间。

节约能源

在全球暖化问题下，地铁是最佳大众交通运输工具。由于地铁行车速度稳定，大量节省通勤时间，使民众乐于搭乘，也取代了许多开车所消耗的能源。

减少污染

一般的汽车使用汽油或石油作为能源，而地铁使用电能，没有尾气的排放，不会污染环境。

其他优点

地铁与城市中其他交通工具相比，除了能避免城市地面拥挤和充分利用空间外，还有很多优点。一是运量大。地铁的运输能力要比地面公共汽车大7－10倍，是任何城市交通工具所不能比拟的。

二是速度快。地铁列车在地下隧道内风驰电掣地行进，行驶的时速可超过100公里。

缺点

建造成本高

地铁工程线路长，影响范围广，通常需要对线路沿线的建构筑物、管线、道路进行拆迁、改造、保护等措施，工程以外的费用比较大。地铁工程多为地下，由于要钻挖地底，地下建造成本比建于地面高。

前期时间长

建设地铁的前期时间较长，由于需要规划和政府审批，甚至还需要试验。从开始酝酿到付诸行动破土动工需要非常长的时间，短则几年，长则十几年也是有可能的。

虽然地铁对于雪灾和冰雹的抵御能力较强。但是对地震、水灾、火灾和恐怖主义等抵御能力很弱。由于地铁的构造，而导致极易因为这些因素发生悲剧。为此自地铁出现以来，工程师们就不断持续研究如何提高地铁的安全性。

地震

可以导致行进中的车辆出轨，因此地铁都设计有遇到地震立即停驶的功能。为防止地铁地道坍塌，处于地震地带的地铁结构必须特别坚固。

水灾

由于地铁内的系统低于地平线，而导致地上的雨水容易灌入地铁内的设施。因此地铁在设计时不得不规划充分的防水排水设施，即使如此也可能发生地铁站淹水事件。

为此在发生暴雨之时，地铁车站入口的防潮板和线路上的防水闸门都要关闭。一个知名的例子是台北捷运在纳莉台风侵袭时曾经发生淹水事件。还有北京地铁一号线因暴雨积水关闭了数小时。

火灾

产生火灾的原因之一是因为伦敦地铁内采用了大量木质建筑。因此，日本地铁部门规定在地铁站内禁烟来避免火灾。

供电

供电方式一般而言，为减低隧道建造成本，大多地下铁会选择使用第三轨供电方式以缩小隧道断面，不过并非绝对。地铁的供电方式主要如下：

轨道供电

轨道供电，是铁路电气化的方法之一，常用于大众运输系统。

第三轨在原有两轨路线侧边新增轨道带电，车辆则利用集电靴获得电力；电流经车轮和运行轨道回到发电厂。

第四轨供电除了原有车轮支撑导引用轨道外，另外增设两条轨道各供应直流电正负两极，或者供应三相交流电，但不如第三轨式经济，故不常见。

轨道供电的概念就是在列车行走的两条路轨以外，再加上带电的铁轨。这条带电铁轨通常设于两轨之间或其中一轨的外侧。电动列车的集电装置在带电路轨上接触并滑行，把电力传到列车上。

这种集电装置在英语称为“shoe”，中译为“集电靴”。轨道供电系统的电压较接触网系统为小。接触网一般能提供25000伏特或以上的交流电，但第三轨系统最多只能提供约1500伏特的直流电。

第三轨和第四轨：

一般而言，采用轨道供电系统的铁路只设一条带电路轨。这条带电路轨称为“第三轨”。从第三轨取得的电力一般都会经列车的车轮及路轨传回发电厂。

但一些使用橡胶车轮的列车（如巴黎地铁的部份列车）并不能让电力经路轨传回发电厂，因此在这些列车行走的路段一般都会再增加一条额外的带电轨道（亦即“第四轨”）以作回传电力之用。

有趣的是，基于第四轨的另外一些优点（例如较高的可靠性以及减低信号系统的复杂性），一些使用普通金属车轮列车的铁路系统也会装设第四轨，使供电用和行走用的路轨完全分开。伦敦地铁是最大的第四轨铁路系统。

意大利米兰市的地铁A线则采用了更为特别的四轨系统。在该线部份路段上，两线路轨中间设有一条带电金属条。列车的集电靴是设在“车厢”侧，以配合带电金属条的位置。

地上的第三轨则作电流回流之用。值得注意的是，该线北部的路段是采用接触网供电系统的。

轨道供电的优劣：

优点

装置带电轨的成本往往比接触网低，因为接触网需要支架而带电路轨不用。实际上，成本问题是很多轨道供电系统没有转用接触网的主因。

天灾对带电轨的影响较接触网少（洪水泛滥除外）。

带电轨比接触网更适合安装于净空较小的隧道。

有些乘客认为接触网有碍观瞻，相比之下带电轨的视觉效果较佳。

缺点

暴露户外的带电轨道构成危险：有些企图横过路轨的人便因不幸踏在带电轨道上而触电致死。例如台北捷运淡水线即有平面轨道供电路段，为防止民众误踏而加设严密的铁丝网。

电压问题：带电轨道的电压不能太高，否则电流会在路轨间形成电弧。由于电压不高，故在兴建铁路时每隔一小段便要设立一个电站，以确保电力供应稳定──但这样也加重了成本，因此只适合用在短距离的地下铁或都市内的轨道运输。

另外，电压问题亦使高速列车和货运列车不适合于轨道供电系统，故一般速度较低、载重较小的列车较适合使用轨道供电系统。

限速：由于集电靴在高速之下难以准确地抓紧带电轨，故采用轨道供电系统的铁路限速不能太高。一般而言，采用轨道供电系统的列车的时速上限是约130公里。

电流流失：由于带电轨道接近地面，故有时电流流失到地面。一些带电轨道会加上铝条以减少电流流失。然而，由于铝对热力的膨胀反应与钢有所不同，为避免损毁带电轨，带电轨的两旁都必须有铝条栓紧。

缝隙问题：在转辙器、平交道等处，带电轨都必须留下空隙以容许其他路轨穿越其间。一般来说，使用轨道供电的列车都是动车组，列车几乎一定拥有多于一个集电靴，所以空隙不会构成什么问题。

但在某些情况下，列车仍有可能因为全部的集电靴都在空隙之中，无法取得电力而不能行动。这时列车需要由其他机车推动、或接驳紧急用电缆到最近的带电路轨上，以取得动力。

由于这些事故多于繁忙的交汇处发生，故通常都会导致严重的挤塞及延误。

架空接触网

架空接触网（又称架空电缆）供应电力，是电气化铁路常用的两种供电网络方式之一，也是无轨电车唯一的供电方式。

在铁路和城市轨道交通系统中，架空接触网只有导线的一个电极，电力机车通过受电弓取电，再通过金属轮轨回流到电网中。

在无轨电车等使用胶轮的系统中，架空接触网有一正一负两根互相平行的接触导线（简称触线），通过两个集电杆取电并形成通路。

架空接触网的悬挂类型大致为三种：简单悬挂，链式悬挂，刚性悬挂。其中简单悬挂和链式悬挂都是弹性悬挂。相应的架空接触网也根据悬挂类型分别称为弹性接触网和刚性接触网。

简单悬挂

简单悬挂只有导线，没有承力线，优点是结构简单，支柱高度低，支撑点承受的负荷较轻，一般运用于隧道等低净空的场合。

在城市轻轨和无轨电车中，也广泛使用简单悬挂。其缺点是跨度小，悬挂点有硬点，且在运行中导线会上下振荡，不适用于高速铁路。

链式悬挂

链式悬挂将导线和承力线之间用悬索连接起来，解决了简单悬挂中跨度小和硬点的问题，因此大量使用在长距离、高速度、大跨度的电气化铁路中。在城市地铁中，如果使用链式悬挂，运行速度有望达到120km/h以上。

刚性悬挂

刚性悬挂是以硬质的金属条（通常是铜条）代替软质的导线的新型悬挂方式。随着材料科学和结构力学的发展，刚性悬挂利用了第三轨供电的接触面积大的优点，而克服了钢轨过重无法悬挂的缺点。

城市轨道交通从地下线路开到地上线路时，直接与弹性悬挂的线路无缝对接，不用更换机车。

同时，由于刚性悬挂使用集电弓，没有使用集电靴的第三轨容易脱落的缺点，可以达到更高的运行速度。但缺点是由于接触轨与集电弓炭条的接触面积接大，对集电弓炭条的损耗也较大。

与第三轨供电的比较

架空接触网受到隧道净空的限制比较大，在城市地铁的运用当中会受到土建成本的压力。因此已有的城市轨道交通当中，第三轨供电仍然占有较大的份额。

然而部分城市轨道交通为了衔接现有的传统铁路，仍会采用架空接触网（例如港铁）。另外，架空接触网可能会使部分人产生视觉—心理障碍，对景观造成一定的负面影响。

但是由于第三轨有触电的风险，只能用于封闭线路，因此不适合用于与其他交通路线相交的铁路运输系统中。

另一方面，地面重型铁路系统为了高速客运和货运重载的需要，会使用更高的电压，如25千伏的供电系统，如果使用轨道供电会形成电弧，集电弓在列车高速运行的时候也能很好地与接触网接触，集电靴则有机会脱离供电轨。

安全

气压

地铁因列车在隧道内高速移动，可能产生隧道及车厢内的压力剧烈改变，而造成旅客不舒适的感觉，或者影响设备的使用寿命，其压力改变的现象可详活塞效应。

地铁因列车高速移动产生的压力波若传抵隧道出口，将产生隧道口微压波噪音，干扰附近住民的安宁。

设备

车辆：一般的城市轨道系统使用铁轨和金属车轮。但亦有系统使用混凝土路轨或橡胶车轮（和摩托车相近），或两者兼用。

站台：高速运行的地铁与站台间有缝隙。在未加装安全防护门的地铁站台，乘客应格外注意安全。

地铁站台安全防护门：为保护乘客安全自动控制的地铁站台防护门。地铁站台安全防护门，沿站台内铁轨乘客一侧设置，包括隔离护栏、滑动门以及驱动装置。防护门沿地铁站台边缘设置，将列车与地铁站台候车厅隔离。

地铁站台安全防护门大致分为：全高封闭式屏蔽门系统、全高式安全门系统以及半高式（高约1.5m）安全门系统。

安装地铁站台安全防护门，一是增强地铁运行的安全性，为旅客提供一个安全的交通环境，防止乘客跌落或跳下轨道而发生危险；

二是使地铁运行更顺畅，更准时。地铁运行以来，旅客侵入地铁轨道（有意或无意）的事件时有发生，车门将关闭却强行上车的现象屡禁不止，这些是造成交通事故和地铁延误的主要因素。

站台防护门的安装使用将全面有效地消除这些因素造成的负面影响。

针对新建地铁站台的特点，多采用全高式安全门系统及新颖的全高封闭式的大玻璃屏蔽门系统。

而且全高封闭式屏蔽门系统作为一种高科技产品所具有的节能、环保和安全功能，减少了站台区与轨行区之间冷热气流的交换，降低了环控系统的运营能耗，从而节约了营运成本。

在地铁安全门系统的信息传输方面，多采用先进的光纤传输方式，网络的拓扑结构采用环形结构。这样，在车站控制室工作站上能查询每个安全门单元的状态、故障以及控制网络故障、电源故障等，也可以对车站系统运营状态进行统计。

列车

由于都市内交通运输拥塞，大众普遍要求“不需要太长等候时间就能搭乘”。为此列车的运行间隔被设定10分钟以下。莫斯科在交通尖峰时段更每隔一分钟就有一班次。

一般情况下，车站内的两个月台内的列车是同时到达的。但在东京的部分线路，实行缓行和急行两种运行方式同时进行的情况。急行列车不停一些较小型的车站，缓行列车则每站都停。

世界的大部分的轨道交通线路，从早晨四点营运到凌晨零点。通常于早晨4点至7点发首班车，晚上10点至凌晨1点发末班车。少数的例外，美国芝加哥和美国纽约为24小时运营。

营运

城市轨道交通系统的运营方式可大致分为两种。一是由政府或自治团体来营运，被称为公营。

另一个则是由民营企业营运，是为民营。同时还存在着第三种营运方式，经营者虽然是民营企业，但出资者则是公营团体，这在欧洲较常见。

在一些地区，轨道交通系统的票价无论时间还是乘车长度的长短都是定额的。但是也有很多国家的轨道交通票价是按照乘坐距离（或依里程划分不同区间）来决定的。

在德国等欧洲国家，轨道交通的票价采取地域制，以某地方为中心，向外辐射来划定地域，在一个地域（里程）内票价相同，而下一个地域内则又有新的票价。

很多国家组织了交通营运联合体，轨道交通系统与其他大众运输工具进行票证整合，轨道交通系统的车票在其他交通工具（如公共汽车或地区铁路）上也能使用。

很多城市轨道交通系统导入了自动收费系统，这样可节省大量人工，节省运营成本。只要插入专用车票或IC卡，自动收费系统的验票闸门就可自动放行。

在日本，城市轨道交通系统的自动收费装置还有诸如自动判定票的余额是否不足与判定使用次数等智慧功能。