Shinkansen - Shinkansen

Japanese: 新幹線 - しんかんせん

A special railway line exclusively for high-speed passenger trains that connects major cities in Japan and can travel at speeds of over 200 kilometers per hour. The name Shinkansen is also used overseas.

On October 1, 1964, a special line for high-speed passenger trains with standard gauge (1,435 mm) began operating between Tokyo and Shin-Osaka. This Tokaido Shinkansen was the catalyst for the term "shinkansen" being used for dedicated high-speed railway lines. Currently, there are seven lines in Japan: Tokaido, Sanyo, Tohoku, Joetsu, Hokuriku, Kyushu, and Hokkaido, and two lines in Yamagata and Akita, which are called "mini-shinkansen." All commercial trains are passenger cars, with streamlined electric train formations. All Tokaido Shinkansen trains are 16 cars, Sanyo Shinkansen trains are 8 or 16 cars, Kyushu Shinkansen trains are 6 or 8 cars, Joetsu Shinkansen trains are 8 to 16 cars, Hokuriku Shinkansen trains are 8 or 12 cars, Hokkaido Shinkansen trains are 10 cars, and Tohoku Shinkansen trains are basically 10 cars. The length of each train car is 25 meters, and the total length of a 16-car train is 400 meters. Some Tohoku Shinkansen trains are operated with 16 or 17 cars, with seven (Tsubasa) or six (Komachi) 20-meter mini-shinkansen cars attached. In addition, 7-car "Tsubasa" trains are also operated. The number of seats is 1520 for the "Nozomi" train with 13 regular cars (including 3 unreserved seats) and 3 green cars, while the Tohoku Shinkansen's 16-car two-story train can seat 1630. There are no other trains with this number of seats in the world. Moreover, 291 trains are scheduled per day on the Tokaido Shinkansen section, and all trains have almost the same performance, with a maximum speed of 285 kilometers per hour (300 kilometers per hour on the Sanyo Shinkansen section). Trains departing from Tokyo, including Nozomi, Hikari, and Kodama, run a maximum of 15 trains per hour, equivalent to the frequency of commuter trains; the Tokaido Shinkansen is the only such railway in the world. The Tohoku Shinkansen has a maximum speed of 320 kilometers per hour. The power supplied by the overhead lines is single-phase AC at 25 kilovolts, with the Tokaido, Sanyo, and Kyushu Shinkansen lines using a commercial frequency of 60 Hz, and the Tohoku, Joetsu, and Hokkaido Shinkansen lines using a commercial frequency of 50 Hz. The Hokuriku Shinkansen is supplied with 50 and 60 Hz power in accordance with the commercial frequencies of the areas it passes through.

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

Opening of the Tokaido Shinkansen

Since the establishment of Edo, the Tokaido route connecting Edo with the Kyoto-Osaka region was the overwhelming majority of transportation routes in Japan. The situation remains the same even today, with the areas along the Tokaido route being densely populated and some of the most densely industrialized areas in the world. Even before the Second World War, the double-track Tokaido main line was unable to meet the demand for rail transport, and additional tracks were required. In particular, after the start of the Second Sino-Japanese War, the need for transportation of personnel and goods between the Korean Peninsula and mainland China increased, and plans were made to build a new standard gauge line between Tokyo and Shimonoseki in 1938 (Showa 13), but this was not realized due to the intensification of the war. It was around 1955 (Showa 30) that Japan's railways recovered from the devastation of the postwar period, and as the country's economy grew, there was a demand to once again increase transportation capacity, mainly between Tokyo and Osaka. Other means of transportation such as expressways, airports, and port facilities were being newly constructed and improved, but the need for additional rail tracks was particularly strong.

In May 1955, when Sogo Shinji (1884-1981) became president of Japanese National Railways (JNR, now JR), the "Tokaido Line Reinforcement Research Committee" was established. On May 30, 1957, just as the committee's activities were getting underway, JNR's Railway Technical Research Institute held a lecture to commemorate its 50th anniversary. At the lecture, engineers announced their opinion that if research and development was carried out on a standard-gauge high-speed train, it would be possible to run the Tokyo-Osaka route in three hours. The engineers' confidence gave courage to JNR executives and also aroused great interest in the general public.

Meanwhile, detailed investigations and considerations were underway regarding the expansion of the Tokaido Line, which was now being implemented, on various issues, such as whether to keep the narrow gauge as part of the existing track network, to use standard or wide gauge, whether to run the line alongside the Tokaido Main Line or as a separate line, and what power source to use. Based on the results of these investigations, the "Japan National Railways Main Line Investigation Committee" was established in the Ministry of Transport (now the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism) by cabinet decision in August 1957. Shima Hideo, then Chief Engineer of JNR, proposed the following policy to the Ministry of Transport investigation committee: (1) use a standard gauge of 1,435 mm, (2) build a line exclusively for high-speed passenger trains that could run between Tokyo and Osaka in three hours, and (3) use a single-phase AC electrification system for power. After consideration, this policy was supported, and the construction standards were put forward as the council's report.

It was determined that a centrally controlled electric train with an all-electric system was suitable for high-speed trains with a maximum speed of 200 kilometers per hour. The reasons for this were that, compared to a centralized power system using electric locomotives, (1) the axle load is distributed and averaged among each car, so the track strength can be weakened, reducing construction and maintenance costs, and (2) when slowing down and stopping from high speeds, the driving motor can be mainly used as a dynamic brake, improving safety and making maintenance easier.

The target deadline for opening was set at the 1964 Tokyo Olympics. Led by the newly established Shinkansen General Bureau, JNR's technical staff, with the cooperation of related industrial sectors, put all their efforts into research, development and design. With the deadline clarified, a safe and reliable Shinkansen system was completed by combining the results of research and development with a focus on existing technologies that were definitely feasible. The initial budget of approximately 195 billion yen was revised year by year, and by the time of completion it was approximately 380 billion yen, but taking into account the effects of inflation during that time, it can be said to be a low-cost investment that reflects the efforts of the planners. By adopting a route different from that of conventional lines, the actual distance was shortened to 515.35 kilometers.

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

Technology of the Tokaido Shinkansen

(1) Train control system Safety must be the first consideration for high-speed, high-density trains. When the Tokaido Shinkansen was constructed, a unique train group control system was developed. The main ones are the ATC (automatic train control) system and the CTC (centralized train control) system. The system uses an in-car signaling system, and a signal current with a modulated frequency that commands the speed for each section is sent to the track circuit, and is received by a receiver installed under the floor of the train's driver's cab. This is constantly checked against the speed of the train, and when the actual speed becomes higher than the speed indicated by the signal, the brakes (electric brakes under normal conditions) are automatically applied. This is the basic principle of the ATC system. The CTC system displays the positions of all trains on the entire section (between Tokyo and Hakata after the opening of the Sanyo Shinkansen) at the general control center in Tokyo Station and automatically centralizes all commands. In addition to the automatic route setting device that centrally determines the arrival and departure platforms at each station, gives instructions for opening and closing the tracks, and operates the switches, data from seismometers and anemometers installed along the line are also displayed on the panels, and commands are given to stop or slow down the train. In the event of any malfunction, safety devices are also provided that switch control to the control panels at each station. In addition, information transmission devices including train radio telephones are also installed to ensure operational safety. As a secondary use, passengers can now make general calls from the telephone rooms on the train to subscribers in major cities along the line.

(2) Civil Engineering Long tunnels such as the Shin-Tanna Tunnel and long bridges (mainly steel girders) over the Fuji River and other areas were designed to be lightweight and the length of the girders and the dimensions of the components were standardized to allow for quick restoration after wind, floods, earthquakes, etc. The track bed is mainly a ballast track bed (a track bed made of crushed stone laid on the roadbed) with piled earth, and sleepers are laid on top of the crushed stone. A new rail shape weighing 53 kilograms per meter was adopted. The rails are welded long, and the unit length is 1,500 meters due to the need for signal track circuit sections. Expansion joint devices are used at the joints between the long rails, so there is no impact noise like with conventional railways. The sleepers are made of PC (prestressed concrete), and rubber pads are laid where the bottom of the rail touches them, and the rails are fixed with elastic fastening devices. Maintenance of the tracks and overhead lines has been streamlined by using comprehensive test cars that automatically record and measure wear and displacement while running at the same speed as commercial trains.

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

Developments after the opening of the Tokaido Shinkansen

Japan National Railways era

Following the completion of the Tokaido Shinkansen, the Sanyo Shinkansen between Shin-Osaka and Hakata was planned in 1965 (Showa 40) as part of the JNR's third long-term plan. Construction of the first phase, between Shin-Osaka and Okayama, began in 1967, and service began on March 15, 1972. Following the opening to Okayama, the first oil crisis occurred and inflation progressed, so construction progress fell behind schedule, and the entire line to Hakata was not opened until March 10, 1975.

As construction of the Sanyo Shinkansen was progressing, the government enacted the Nationwide Shinkansen Railway Development Law in 1970. Of the master plan covering 7,000 kilometers of the country, the Tohoku (Tokyo-Morioka), Joetsu (Omiya-Niigata), and Narita (Tokyo-Narita) Shinkansen lines were the first to be constructed, while Tohoku-Hokkaido (Morioka-Sapporo), Hokuriku (Takasaki-Toyama-Osaka), and Kyushu (Hakata-Nagasaki, Hakata-Kagoshima) were the planned development lines. This was because the Tokaido Shinkansen had a better-than-expected transportation record, had already completed amortization and turned a profit, becoming a cash cow with an operating ratio (the ratio of expenses to revenue) of 50%, and had attracted worldwide attention for its safe and highly efficient transportation. However, as can be seen from the delay in opening the Sanyo Shinkansen, around that time, questions began to emerge about whether the huge investment required to open a Shinkansen line would be effective nationwide, due to factors such as (1) the end of Japan's period of high economic growth, (2) the rapid development of expressway networks and a sharp increase in the number of automobiles owned, (3) the expansion of domestic air routes, and (4) growing public interest in preventing pollution and protecting the environment.

Of the lines that construction began, the Tohoku and Joetsu Shinkansen lines began in 1971, with the Tohoku Shinkansen line starting operation between Omiya and Morioka on June 23, 1982, and the Joetsu Shinkansen line starting operation between Omiya and Niigata on November 15 of the same year. The extension to Ueno was further delayed due to land procurement and pollution control measures, and was not completed until March 14, 1985.

The Nationwide Shinkansen Railway Development Act has undergone several revisions, and as of 2016, it is planned to develop five lines: Hokkaido (Aomori-Sapporo), Tohoku (Morioka-Aomori), Hokuriku (Tokyo-Osaka), and Kyushu (Fukuoka-Nagasaki, Fukuoka-Kagoshima).

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

After privatization

On April 1, 1987, the Japanese National Railways was privatized, and the Tohoku and Joetsu Shinkansen were operated by East Japan Railway Company, the Tokaido Shinkansen by Central Japan Railway Company, and the Sanyo Shinkansen by West Japan Railway Company, with each JR company promoting development. Shinkansen facilities were collectively owned by the Shinkansen Railway Holding Corporation, which leased them to the JR companies. However, in 1991 (Heisei 3), in conjunction with the sale of shares in the three JR companies, the Shinkansen Railway Holding Corporation transferred its facilities to the three JR companies and was dissolved in order to clarify the management responsibilities of each company and strengthen their management autonomy.

On June 20, 1991, the 3.6 km section of the Tohoku-Joetsu Shinkansen line between Ueno and Tokyo was opened, making it possible to transfer between trains at Tokyo Station on the same platform level as the Tokaido Shinkansen trains. JR East converted its conventional lines to the same gauge as the Shinkansen or installed them alongside the line, allowing direct operation from the Tohoku Shinkansen. On July 1, 1992, the Yamagata Shinkansen (nicknamed Tsubasa) opened on the 67.1 km section of the Ou Main Line between Fukushima and Yamagata, and on March 22, 1997, the Akita Shinkansen (nicknamed Komachi) opened on the 127.3 km section of the Tazawako Line and Ou Main Line between Morioka and Akita. This method, called mini-shinkansen, requires less construction investment because it is a track improvement based on the alignment and facilities of conventional lines, but the train speed on this section is limited to that of conventional lines. As a result, the shortest travel time between Tokyo and Yamagata was 2 hours 27 minutes, and between Tokyo and Akita was 3 hours 49 minutes. On December 4, 1999, the Yamagata Shinkansen was extended 61.5 kilometers to Shinjo. On October 1, 1997, the 117.4-kilometer section between Takasaki and Nagano was opened as the Nagano Shinkansen, connecting Tokyo and Nagano in as little as 1 hour 23 minutes. On March 14, 2015, the 228-kilometer section between Nagano and Kanazawa was opened, and was renamed the Hokuriku Shinkansen, its original name. It now connects Tokyo and Kanazawa in as little as 2 hours 30 minutes. On December 1, 2002, the Tohoku Shinkansen was extended to 96.6 km between Morioka and Hachinohe, followed by the 81.8 km between Hachinohe and Shin-Aomori on December 4, 2010, and the 148.8 km between Shin-Aomori and Shin-Hakodate-Hokuto on March 26, 2016. With the E5 and H5 series (nicknamed Hayabusa), which have a maximum speed of 320 km/h, the 862.5 km between Tokyo and Shin-Hakodate-Hokuto can now be traveled in as little as four hours and two minutes. The Seikan Tunnel was originally built with a large cross-section, with the Shinkansen also taking into consideration its use. In preparation for the opening of the Hokkaido Shinkansen, a triple-rail section was built, with standard and narrow gauge tracks, allowing freight trains to also run through it.

In addition, the Kyushu Shinkansen opened its 137.6 km section between Shin-Yatsushiro and Kagoshima-Chuo on March 13, 2004, and the 151.3 km section between Hakata and Shin-Yatsushiro opened on March 12, 2011, making the travel time between Hakata and Kagoshima-Chuo the shortest possible time of just 1 hour and 19 minutes.

JR Central introduced the 300 series as the third generation train on the Tokaido and Sanyo Shinkansen lines on March 14, 1992. This train was able to travel between Tokyo and Osaka in two and a half hours at a maximum speed of 270 kilometers per hour and was named "Nozomi." After the timetable revision in March 1993, when mass-produced cars were available, the train could travel between Tokyo and Hakata in five hours and four minutes. Furthermore, the 500 series Nozomi, which boasts a maximum speed of 300 kilometers per hour, began operating on the Sanyo Shinkansen in March 1997. In November of the same year, the 500 series Nozomi also began operating on the Tokaido Shinkansen, shortening the travel time between Tokyo and Hakata to just four hours and 49 minutes. With the timetable revision in March 2015, all Tokaido Shinkansen trains became the 700 series, N700 series, and N700A series.

The Shinkansen originally had a maximum speed of 210 km/h, but as of 2016 the Tokaido Shinkansen has a maximum speed of 285 km/h, the Sanyo Shinkansen 300 km/h, the Joetsu Shinkansen 240 km/h, the Tohoku Shinkansen 320 km/h, and the Hokuriku, Kyushu and Hokkaido Shinkansen 260 km/h. The Joetsu Shinkansen used the 200 series trains and operated at a speed of 275 km/h from 1990 to 1999.

The world's highest speed record (speed per hour) for a rail-and-wheel train is 574.8 kilometers per hour, set on April 3, 2007 by the test train V150, based on the French high-speed train TGV (Tejer-Vé)-POS (Eastern European Line). Japan's highest speed record is 443 kilometers per hour, set on July 26, 1996 by JR Central's prototype 300X on the Tokaido Shinkansen line between Kyoto and Maibara.

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

Technical improvements

During the construction of the Sanyo Shinkansen, research began on vehicles, tracks, and structures capable of achieving a maximum speed of 260 kilometers per hour, with the aim of achieving higher speeds in the future. The power supply system (electricity supply to train lines) was also improved from the BT (booster transformer) system to the AT (auto transformer) system, making it possible to double the interval between substations. The ballast track used on the Tokaido Shinkansen required frequent maintenance, so for the Sanyo Shinkansen, slab track was developed, in which rails are fastened to concrete blocks (slabs). Slab track was tested during the construction of the Sanyo Shinkansen between Shin-Osaka and Okayama, and has become the standard for subsequent Shinkansen lines.

The pollution problems caused by noise, vibration and electromagnetic noise came to the fore after 1971 when the Nagoya Shinkansen Pollution Control Alliance was formed in the Nagoya area. The alliance developed into the Nagoya Shinkansen Pollution Control Alliance Federation, and then into the National Liaison Council Against Shinkansen Pollution. In 1973, a group of volunteer plaintiffs filed a lawsuit against JNR, seeking a reduction in noise and vibration and compensation. The lawsuit was prosecuted, but in 1986 the plaintiffs and JNR reached a settlement. In response to the pollution problem, research and improvements were made to soundproofing and vibration-proofing structures that met the environmental standards announced by the government. Measures taken included the installation of soundproofing walls made of sound-absorbing materials in densely populated residential areas and the construction of long-span precast concrete bridges. Furthermore, for future Shinkansen plans, local opinions are to be collected according to an environmental assessment, and the report is to be attached to the implementation plan to apply for permission from the Minister of Land, Infrastructure, Transport and Tourism.

The Tokaido Shinkansen was often plagued by snow near Sekigahara. Based on that experience, the Tohoku and Joetsu Shinkansen, which run through areas with heavy snowfall, implemented thorough measures to prevent snow damage. The Joetsu Shinkansen was equipped with hot water sprinklers, and the Tohoku Shinkansen implemented a special roadbed structure. The cars also had body mounts covering the underfloor equipment to prevent powder snow from entering, and to limit the weight increase caused by this and keep the car weight to 60 tons, the car bodies were made of aluminum alloy.

In addition to measures against pollution and snow damage, the Tohoku and Joetsu Shinkansen have been improved to allow for rapid prevention and recovery measures through electrical linkage with earthquake observation points along the coast, based on lessons learned from the 1978 Miyagi Prefecture offshore earthquake. For train control, COMTRAC (Shinkansen Operation Management System) was developed to streamline CTC operation management using computers. This was born out of the experience of the long time it took to restore the timetable when trains, signals, and overhead lines broke down after the Tokaido and Sanyo Shinkansen began direct operation. The Tohoku, Joetsu, Hokuriku, and Hokkaido Shinkansen use COSMOS (Computerized Safety, Maintenance and Operation Systems of Shinkansen), a train operation management system using a computer similar to COMTRAC.

The Tokaido Shinkansen saw a higher-than-expected volume of traffic, and so wear and tear on the rails and overhead wires began to increase around the seventh year after it opened. The rails were strengthened to 60 kilograms per meter, the same as the Sanyo Shinkansen, and the overhead wires were strengthened to a heavy compound method. From February 1976 to January 1982, the Tokaido Shinkansen was suspended for half a day once a month to carry out rejuvenation work on the tracks and overhead wires. As a result, the line has regained a stable transportation record. Since then, it has become common to suspend train service to carry out large-scale maintenance work. In 2002, the Nationwide Shinkansen Railway Development Act was amended to create a reserve system for large-scale renovations of tunnels, bridges, etc., and JR Central was designated as the first target. The period for large-scale renovation work on the Tokaido Shinkansen under this system is from April 2013 to March 2023. Furthermore, based on experiences from disasters such as the Miyagi offshore earthquake, the Great Hanshin-Awaji earthquake, the Chuetsu earthquake, and the Great East Japan earthquake, the structures have been reinforced to be earthquake-resistant, and derailment prevention guards have been installed, making the Shinkansen highly resilient in disasters.

The Tohoku-Joetsu Shinkansen, built on 18 years of experience since the Tokaido Shinkansen, has been evaluated as reaching the world's highest standards in terms of the track and vehicle structure, which pursues the ultimate in ride comfort. Digital ATC has been adopted in place of analog ATC on the Tohoku Shinkansen Morioka-Hachinohe section, which opened in 2002. Digital ATC uses digital information transmission technology to transmit signals between the ground and the vehicle, generates continuous braking patterns on the vehicle that correspond to the speed limit of the preceding section, and activates the brakes by comparing the pattern with the vehicle's speed. Electric brakes have also been replaced by regenerative brakes, which return braking energy to the power source as electricity, instead of dynamic brakes. Train radio has also changed from space wave radio to using leaky coaxial cable (LCX) laid along the tracks. Analog radio has also been switched to digital radio.

The station facilities are separated from those of conventional lines to allow for efficient boarding and disembarking for Shinkansen passengers, while the structure is designed to make it easy to transfer to conventional lines and connect to city transport. Tickets and limited express tickets are sold using MARS 501, a large computerized seat reservation system, and hotel accommodation vouchers can also be specified, and reservations can be made via push-button phone or the Internet.

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

The impact of the Shinkansen

The high praise that the Shinkansen received from countries around the world led to a reexamination of railway businesses, which had been in decline in developed countries.

Inspired by the opening of the Tokaido Shinkansen, European and American railways began to develop high-speed trains, and in the late 1970s, locomotive-hauled trains were able to operate at 200 kilometers per hour on conventional lines. France's TGV was the first in Europe to build a dedicated high-speed line and introduce a new high-speed train. The Southeastern Line, which opened in 1981, connected Paris and Lyon at a maximum speed of 260 kilometers per hour (later 270 kilometers per hour), and later opened the Atlantic Line, Northern Europe Line, Mediterranean Line, and Eastern Europe Line. In Europe, new high-speed lines have been opened in Germany (ICE), Italy (Pendolino), Spain (AVE), Sweden (X2000), and other countries besides France. In addition, high-speed trains are now operating through each other across borders, and the respective standards are being unified, and signaling, communication, and train operation management systems are also being standardized. The European Union (EU) is promoting the European High Speed Rail Development Plan, which aims to connect major European cities with high-speed trains at speeds of 250 to 300 kilometers per hour.

Outside of Europe, countries such as South Korea, Taiwan, and Turkey have also opened high-speed railways, and China is also building 15,000 kilometers of high-speed railways, including speed improvements to conventional lines (over 200 kilometers per hour).In addition, there are plans to build high-speed railways in other countries around the world, including India, Brazil, and Malaysia, and it is expected that the Shinkansen system, which is a system of only high-speed passenger trains, will increase its popularity as a mass transportation system connecting major cities around the world.

[Gentaro Nishio and Yoshihiko Sato, September 16, 2016]

"THE SHINKANSEN - Shinkansen technology in illustrations," edited by the Japan Association for Overseas Railway Technical Cooperation (1980, Ohmsha)" ▽ "Shinkansen Operation Research Group, edited, Shinkansen, new edition (1984, Japan Railway Operation Association)" ▽ "High-speed Railways of the World," by Sato Yoshihiko (1998, Grand Prix Publishing)" ▽ "The Story of High-speed Railways - Tracing the Technology," edited by the Japan Society of Mechanical Engineers (1999, Seizando Shoten)" ▽ "The Story of Shima Hideo, the Man Who Created the Shinkansen," by Takahashi Dankichi (2000, Shogakukan)" ▽ "Shinkansen Technology - High-speed vehicle technology from the 0 series to the 800 series Kyushu Shinkansen," by Sato Yoshihiko (2004, Sankaido)" ▽ "Illustrated TGV vs. Shinkansen - A thorough comparison of Japanese and French high-speed railways," by Sato Yoshihiko (Kodansha, Bluebacks)

Kyushu Shinkansen
Near the First Imaizumi Tunnel. Yatsushiro City, Kumamoto Prefecture ©Kumamoto Prefecture ">

Kyushu Shinkansen

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

日本の主要都市間を結ぶ、時速200キロメートル以上の高速旅客列車専用の特別な鉄道路線。海外でもShinkansenの名称がそのまま使われている。

　1964年（昭和39）10月1日、東京―新大阪間に標準軌間（1435ミリメートル）の高速旅客列車専用の特別線が営業を開始した。この東海道新幹線が契機となって、専用の高速鉄道線が新幹線と称されるようになった。現在、日本には東海道、山陽、東北、上越、北陸、九州および北海道の7線区と、ほかにミニ新幹線とよばれる山形、秋田の2線区がある。営業用の列車はすべて旅客車で、流線形の電車編成である。東海道新幹線はすべて16両編成、山陽新幹線は8または16両編成、九州新幹線は6または8両編成、上越新幹線は8～16両編成、北陸新幹線は8または12両編成、北海道新幹線は10両編成、東北新幹線は線内の列車は基本10両編成で運転されている。電車1両の長さは25メートルで、16両編成の全長は400メートルに及ぶ。なお、東北新幹線の列車にミニ新幹線20メートル車7両（つばさ）または6両（こまち）を連結して16または17両編成で運転されているものもある。このほかに「つばさ」単独の7両編成も運転される。また座席数は、「のぞみ」を例にとれば、普通車13両（うち自由席3両）、グリーン車3両の編成では1520人分あり、東北新幹線の全2階建て16両編成では1630人分ある。これだけの座席数の列車は、世界でも他に類をみない。しかも東海道新幹線区間では1日291列車もダイヤ設定され、どの列車もほぼ同一性能で、最高時速は285キロメートル（山陽新幹線区間では300キロメートル）の高速である。東京発の列車は「のぞみ」「ひかり」「こだま」をあわせると1時間最大15本という通勤電車に相当する頻度で長大編成の高速列車群を運転しており、このような鉄道は、世界でも東海道新幹線だけである。また、東北新幹線の最高時速は320キロメートルである。なお、架線による供給電力は、単相交流の25キロボルトで、東海道、山陽および九州新幹線は60ヘルツ、東北・上越新幹線および北海道新幹線は50ヘルツの商用周波数である。また、北陸新幹線は通過する地域の商用周波数にあわせて50ヘルツと60ヘルツが供給されている。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

東海道新幹線の開設

江戸開府以来、日本の交通は江戸と京坂地区を結ぶ東海道が圧倒的に多かった。現代においてもその事情は変わらず、東海道沿線地帯は、人口密度の高い、世界有数の密集工業地帯である。第二次世界大戦以前すでに複線の東海道本線では鉄道輸送の需要に応じきれず、線路の増設を必要としていた。とくに日中戦争が始まってからは、朝鮮半島や中国大陸との人員や物資の交通の必要が高まり、1938年（昭和13）から東京―下関(しものせき)間の標準軌間新線が計画されたが、戦況の激化によって実現に至らなかった。日本の鉄道が戦後の荒廃から立ち直り、経済力の伸展とともに、ふたたび東京―大阪間を主とする輸送能力の増強が要求されだしたのは、1955年（昭和30）ごろからである。他の交通手段である高速自動車道路や空港、港湾施設の新設・改良も実施されつつあったが、ことに鉄道線路の増強が必要とされていた。

　1955年5月、日本国有鉄道（国鉄。現、JR）総裁に十河信二(そごうしんじ)（1884―1981）が就任すると、「東海道線増強調査会」が設けられた。調査会の活動が軌道に乗り始めた1957年5月30日、国鉄の鉄道技術研究所は、創立50周年記念行事として講演会を開催した。ここで発表されたのは、標準軌間の高速電車を研究開発すれば、東京―大阪間を3時間で運転できるという技術者たちの意見であった。技術者たちの自信は国鉄幹部に勇気を与えるとともに、一般世論にも大きな関心を呼び起こした。

　一方、実現を迫られている東海道線の増強について、在来の線路網の一部として狭軌のままとするか、標準軌間または広軌とするか、東海道本線と併設するか別線にするか、動力方式はどうするかなど、さまざまな問題点の詳細な調査と検討が進んでいた。この調査結果を基にして、閣議決定による「日本国有鉄道幹線調査会」が運輸省（現、国土交通省）に設置されたのは1957年8月のことであった。当時の国鉄技師長の島秀雄は、(1)1435ミリメートルの標準軌間とし、(2)東京―大阪間を3時間で運転できる高速旅客列車専用線路を建設する、(3)動力は単相交流電化方式を採用する、という方針を運輸省の調査会に提案した。この方針は検討のすえ支持を得て、審議会の答申として建設基準が打ち出された。

　最高時速200キロメートルの高速列車には、全電動車方式の総括制御式編成電車が適していると判断された。その理由は、電気機関車による動力集中方式と比べて、(1)軸重が各車両に分散し平均化するので、軌道の強度が弱くてすみ、建設費・保守費が低下する、(2)高速域から減速して停車させる際に、駆動用の電動機を発電ブレーキとして用いる制動を主にできるので、安全性が向上し、保守上も有利であること、などである。

　開業の目標期限は、1964年の東京オリンピックに置かれた。新設された新幹線総局を中心に、国鉄技術陣は、関連する工業界の協力を得て、総力をあげて研究・開発・設計にあたった。期限が明確化したため、研究・開発の成果のうちから、確実に実行可能な既成技術を中心に組み合わせて、安全確実な新幹線システムが完成した。当初の約1950億円の予算は、逐年修正されて完成までに約3800億円となったが、その間のインフレーションの影響を考慮に入れると、計画実施者の努力を反映する低価格投資ということができる。在来線と別ルートを採用した結果、実距離は515.35キロメートルと短縮された。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

東海道新幹線の技術

(1)列車制御システム　高速・高密度運転の列車は、安全が第一に考慮されなければならない。東海道新幹線の建設にあたって、独特の列車群制御システムが開発された。そのおもなものとして、ATC（自動列車制御）装置とCTC（列車集中制御）装置がある。車内信号方式を採用し、区間ごとに速度を指令する変調周波数の信号電流を軌道回路に流して、電車の運転室床下に設けた受電器で受信することによって、車両の速度とつねに照査させ、信号指示速度値より実速度が高くなると、自動的にブレーキ（正常時には電気ブレーキ）が作動する。これがATC装置の基本原理である。東京駅にある総合指令所に全区間（山陽新幹線開業後は東京―博多(はかた)間）の全列車位置を表示し、あらゆる指令を自動集中化したのがCTC装置である。各駅の発着番線、進路の開閉の指示、分岐器の操作までを中央で行う自動進路設定装置のほか、沿線に配置された地震計や風速計のデータもパネルに表示され、列車の停止や徐行を指令する。なんらかの故障の場合に、制御を各駅の制御盤に切り替える安全装置も用意された。また、列車無線電話装置をはじめとした情報伝達装置も、運転の安全のために完備された。その副次的利用として、乗客が列車内の電話室から沿線の大都市の加入者へかける一般通話が可能となった。

(2)土木技術　新丹那(たんな)トンネルをはじめとする長大トンネル、富士川などの長大橋梁(きょうりょう)（主として鉄桁(てつげた)）などは軽量化構造とし、桁の長さや部材寸法を標準化して、風水害・地震などに対する復旧が速やかにできるようくふうされた。道床は主として盛り土構造のバラスト道床（路盤上に砕石を敷き詰めた道床）であり、砕石の上に枕木(まくらぎ)を敷設する。レールは1メートル当り53キログラムの新しい形状が採用された。溶接によるロングレールで、信号軌道回路のセクションの必要から1500メートルを単位としている。ロングレールどうしの継ぎ目にも伸縮継ぎ目装置を使用しているので、従来の鉄道のような衝撃音は発生しない。枕木はPC（プレストレストコンクリート）製で、レール底面の当たる箇所にゴムパッドを敷き、さらに弾性締結装置でレールを固定。軌道および架線の保守には、営業列車と同じ速度で走りながら自動的に摩耗や変位状態を記録測定する総合試験車を使用して合理化を図った。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

東海道新幹線開設後の動き

国鉄時代

東海道新幹線の完成に続いて、1965年（昭和40）、国鉄第三次長期計画による新大阪―博多間の山陽新幹線が計画された。第1期工事として新大阪―岡山間が1967年に着工され、1972年3月15日に営業を開始した。岡山までの開通に続いて、第一次オイル・ショックが起こり、インフレが進行したため、工事進行は計画より遅れ、博多までの全線が開業したのは1975年3月10日である。

　山陽新幹線の工事が進むなか、1970年、政府は「全国新幹線鉄道整備法」を制定した。全国7000キロメートルに及ぶマスタープランのうち、東北（東京―盛岡）、上越（大宮―新潟）、成田（東京―成田）新幹線を着工線、東北北海道（盛岡―札幌）、北陸（高崎―富山―大阪）、九州（博多―長崎、博多―鹿児島）を整備計画線とした。これは、東海道新幹線が予期以上の輸送実績をあげ、早くも償却を完了して黒字に転じ、営業係数（収入に対する経費の割合）50％台のドル箱路線となったことと、安全・高能率な輸送が維持されて、世界的にも注目を集めたことからである。しかし、山陽新幹線開業が遅れたことでもわかるように、そのころから、(1)日本経済の高度成長の終息、(2)高速自動車道路網の急速な発達と自動車保有台数の激増、(3)国内航空路の充実、(4)公害防止・自然保護への世論の盛り上がり、などの要因で、新幹線開設のための莫大(ばくだい)な投資が全国的に有効かどうかについての疑問が浮かび上がってきた。

　着工線のうち東北・上越新幹線は、1971年に着手され、1982年6月23日に東北新幹線の大宮―盛岡間が、同年11月15日には上越新幹線の大宮―新潟間が営業運転を開始した。上野への乗り入れは、用地の手当て、公害対策などでさらに遅れ、1985年3月14日に実現した。

　全国新幹線鉄道整備法は数次の改正を経て、2016年（平成28）時点では、北海道（青森―札幌）、東北（盛岡―青森）、北陸（東京―大阪）、九州（福岡―長崎、福岡―鹿児島）の5路線の整備を行うこととしている。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

民営化以降

1987年4月1日、国鉄は民営化され、東北・上越新幹線は東日本、東海道新幹線は東海、山陽新幹線は西日本と、それぞれの旅客鉄道（JR）が運営を行うことになり、JR各社による開発が進められることとなった。新幹線施設は一括して新幹線鉄道保有機構が保有し、JR各社に貸し付ける仕組みとなった。しかし、1991年（平成3）のJR3社株式売却とあわせて、各社の経営責任の明確化と運営の自主性強化のため、新幹線鉄道保有機構は、施設をJR3社に譲渡して解散した。

　1991年6月20日、東北・上越新幹線の上野―東京間3.6キロメートルが開通し、東京駅で東海道新幹線列車と同じレベルのプラットフォームで列車の相互乗り換えが可能となった。JR東日本では在来線を新幹線と同じ軌間に改軌または併設して、東北新幹線から直通運転できるようにし、1992年7月1日に奥羽(おうう)本線の福島―山形間67.1キロメートルに山形新幹線（愛称つばさ）が、さらに1997年3月22日に田沢湖(たざわこ)線・奥羽本線の盛岡―秋田間127.3キロメートルに秋田新幹線（愛称こまち）が開業した。ミニ新幹線とよばれるこの方式は、在来線の線形および施設構造物を基礎にした線路改良であるため、建設投資は少なくてすむが、この区間の列車走行速度は在来線なみに抑えられる。これにより、東京―山形間は最短2時間27分、東京―秋田間は3時間49分で結ばれることになった。1999年12月4日に山形新幹線は新庄まで61.5キロメートル延伸された。1997年10月1日には高崎―長野間117.4キロメートルが長野新幹線として開業、東京―長野間を最短1時間23分で結んだ。2015年3月14日には、長野―金沢間228キロメートルが開業し、本来の名称である北陸新幹線に改称した。東京―金沢間を最短2時間30分で結ぶ。2002年12月1日には東北新幹線の盛岡―八戸(はちのへ)間96.6キロメートルが延長開業、その後、2010年12月4日には八戸―新青森間81.8キロメートルが開業、2016年3月26日には北海道新幹線の新青森―新函館北斗(しんはこだてほくと)間148.8キロメートルが開業し、最高時速320キロメートルのE5系およびH5系（愛称はやぶさ）により、東京―新函館北斗間862.5キロメートル間は最短4時間2分で結ばれた。なお、青函(せいかん)トンネルは、建設当初から新幹線の走行も考慮し、大断面のトンネルを採用していた。北海道新幹線開業のため、貨物列車の走行も可能な標準軌と狭軌の3線軌条区間としている。

　また、2004年3月13日には九州新幹線の新八代(しんやつしろ)―鹿児島中央間137.6キロメートルが開業、2011年3月12日の博多―新八代間151.3キロメートルの開業により、博多―鹿児島中央間は最短1時間19分となった。

　JR東海では、1992年3月14日より東海道・山陽新幹線の第3世代の電車として300系が登場し、東京―大阪間を2時間半、最高時速270キロメートルで運転できる列車が設定され、「のぞみ」と命名された。量産車の整備ができた1993年3月のダイヤ改正からは東京―博多間を5時間4分で運転、さらに山陽新幹線では1997年3月から最高時速300キロメートルを誇る500系のぞみが運転を開始した。同年11月からは東海道新幹線でも500系のぞみの運行が始まり、東京―博多間の所要時間は最短4時間49分となった。2015年3月のダイヤ改正で、東海道新幹線の列車は、すべて700系、N700系およびN700A系となった。

　新幹線は最初、最高時速210キロメートルであったが、2016年時点では東海道新幹線が時速285キロメートル、山陽新幹線が時速300キロメートル、上越新幹線が時速240キロメートル、東北新幹線が時速320キロメートル、北陸新幹線、九州新幹線および北海道新幹線が時速260キロメートルとなっている。なお、上越新幹線では1990年から1999年まで200系を使用して時速275キロメートルでの運転を行っていた。

　なお、レール・車輪方式による鉄道の世界最高速度記録（時速）は、2007年4月3日にフランスの超高速列車TGV(テージェーベー)-POS（東ヨーロッパ線）をベースにした試験列車V150が出した574.8キロメートルで、日本最高速度記録は1996年7月26日にJR東海の試作車両300Xが東海道新幹線の京都―米原(まいばら)間で出した443キロメートルである。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

技術的改良

山陽新幹線の建設過程から、将来の高速化を目ざして、最高時速260キロメートルを達成できる車両・軌道・構造物の研究が始まった。また、饋電(きでん)（電車線への電力供給）方式もBT（booster transformer）方式からAT（auto transformer）方式に改良された。これにより、変電所の間隔を倍に延長することが可能になった。東海道新幹線で採用されたバラスト軌道は頻繁な保守を必要としたので、山陽新幹線では、コンクリートブロック（スラブ）にレールを締結するスラブ軌道が開発された。スラブ軌道は山陽新幹線の新大阪―岡山間建設時に試験され、その後の新幹線では標準となっている。

　騒音、振動および電磁雑音による公害問題が表面化したのは、名古屋地区に名古屋新幹線公害対策同盟が結成された1971年以降である。同盟は名古屋新幹線公害対策同盟連合会、ついで新幹線公害反対全国連絡協議会に発展し、有志による原告団が1973年には国鉄を相手として騒音・振動の低下と慰謝料を求める訴訟をおこし、係争を行っていたが、1986年に至って原告団と国鉄との間で和解の合意に達した。公害問題に対応して、政府によって公示された環境基準に適合する防音・防振構造の研究改良が行われた。吸音材料の防音壁を住宅密集地区に設け、新たに建設される橋梁はPCの長大スパンとするなどの対策がとられた。さらに将来の新幹線計画については、環境アセスメントにしたがって地元の意見を取りまとめ、報告書を実施計画書に添えて国土交通大臣に許可を申請することになっている。

　東海道新幹線は関ヶ原(せきがはら)付近でしばしば雪に悩まされた。豪雪地帯を走る東北・上越新幹線では、その経験を基礎にして徹底的な雪害対策が講じられた。上越新幹線では温水スプリンクラーが設置され、東北新幹線でも特殊な路盤構造を実施した。車両も床下機器をボディマウントで覆う粉雪浸入防止法がとられ、この分の重量の増加を抑えて車両重量を60トンに収めるため、車体をアルミニウム合金製とした。

　東北・上越新幹線は、公害・雪害対策のほか、1978年の宮城県沖地震の教訓に基づいて、海岸沿いの地震観測点から電気連動して、迅速な予防・復旧措置がとれるよう設備の改良が行われた。列車制御にも、コンピュータによってCTCの運転管理を合理的に行うコムトラック（新幹線運転管理システム）が開発された。これは、東海道・山陽新幹線が直通運転になってから、車両・信号・架線の故障が起こったとき、ダイヤの回復に長時間を要した経験から生まれたものであった。東北・上越新幹線、北陸新幹線および北海道新幹線には、コムトラックと同様のコンピュータによる列車運行管理システムのコスモス（COSMOS：Computerized Safety, Maintenance and Operation Systems of Shinkansen）が採用されている。

　東海道新幹線は予期以上の輸送量となったので、レールと架線の摩耗損傷が開業7年目ころから増加してきた。レールは山陽新幹線と同じ1メートル当り60キログラムに、また架線は重コンパウンド方式に強化することとし、1976年2月から1982年1月まで東海道新幹線を月に一度、半日運休して、軌道・架線などの若返り工事を行った。その結果ふたたび安定した輸送実績を回復している。その後、列車運休しての大掛りな保守工事を行うことが定着している。また、2002年には、全国新幹線鉄道整備法の改正によりトンネルや橋梁等の大規模改修に備える引当金制度が創設され、初の対象としてJR東海が指定された。この制度による東海道新幹線の大規模改修工事期間は2013年4月から2023年3月までである。また、宮城沖地震、阪神淡路(あわじ)大震災、中越地震および東日本大震災などの経験から、構造物の耐震補強とあわせ、脱線防止ガードの設置がなされ、災害に強い新幹線となっている。

　東海道新幹線以来18年間の経験のうえに建設された東北・上越新幹線は、軌道や車両の構造も乗り心地の快適性を極限まで追求し、世界最高の水準に達したと評価された。2002年開業の東北新幹線盛岡―八戸間では、アナログATCにかえてデジタルATCが採用された。デジタルATCは、地上と車両間の信号伝送にデジタル情報伝送技術を用い、先行する区間の速度制限に対応した連続的なブレーキパターンを車上で発生させ、そのパターンと車両の速度を比較してブレーキを動作させる。電気ブレーキも発電ブレーキにかえて、ブレーキエネルギーを電力として電源側に返す電力回生ブレーキが採用されるようになった。列車無線も、空間波無線から線路に沿って敷設した漏洩(ろうえい)同軸ケーブル（LCX）を使用するようになった。アナログ無線もデジタル無線に切り替わっている。

　駅設備は、新幹線の乗客が能率よく乗降できるように在来線の乗降客と分離し、しかも在来線との乗換え、市内交通機関との連絡が便利な構造になっている。乗車券・特急券の販売は大型コンピュータによる座席予約システムであるマルス501の使用により、ホテル宿泊券の指定や、プッシュホンやインターネットによる予約も可能である。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

新幹線の影響

新幹線に対する世界各国の高い評価は、先進国において斜陽化していた鉄道事業再検討の気運を招いた。

　東海道新幹線開業に刺激を受けた欧米各国の鉄道は、高速列車の開発に取り組み、1970年代後半に機関車牽引(けんいん)列車による在来線での時速200キロメートル運転を実現した。高速専用線の建設とあわせて新型高速列車を投入したのは、フランスのTGVがヨーロッパ最初である。1981年開業の南東線で、パリ―リヨン間を最高時速260キロメートル（のち時速270キロメートル）で結び、その後、大西洋線、北ヨーロッパ線、地中海線、東ヨーロッパ線などを開業した。ヨーロッパではフランス以外に、ドイツ（ICE(イーツェーエー)）、イタリア（ペンドリーノ）、スペイン（AVE(アベ)）、スウェーデン（X2000）などで高速新線が開業している。また、国境を越えた高速列車の相互直通運転も行われるようになり、それぞれの規格を統一し、信号、通信および列車運行管理システムも標準化されつつある。ヨーロッパ連合（EU）は、ヨーロッパ主要都市を時速250～300キロメートルの高速鉄道で結ぶ「ヨーロッパ高速鉄道整備計画」を推進している。

　ヨーロッパ以外でも、韓国、台湾、トルコなどが高速鉄道を開業し、中国も在来線の高速化（時速200キロメートル以上）とあわせて1万5000キロメートルの高速鉄道の建設を進めている。このほか、インド、ブラジル、マレーシアなどの世界各国に高速鉄道建設計画があり、高速旅客列車のみをシステム化した新幹線方式は、世界の主要都市を結ぶ大量輸送機関としての声価を高めてゆくものと期待されている。

［西尾源太郎・佐藤芳彦　2016年9月16日］

『海外鉄道技術協力協会編『THE SHINKANSEN――イラストでみる新幹線の技術』（1980・オーム社）』▽『新幹線運転研究会編『新幹線』新版（1984・日本鉄道運転協会）』▽『佐藤芳彦著『世界の高速鉄道』（1998・グランプリ出版）』▽『日本機械学会編『高速鉄道物語――その技術を追う』（1999・成山堂書店）』▽『高橋団吉著『新幹線をつくった男　島秀雄物語』（2000・小学館）』▽『佐藤芳彦著『新幹線テクノロジー――0系から800系九州新幹線の高速車両技術』（2004・山海堂）』▽『佐藤芳彦著『図解　TGV vs. 新幹線――日仏高速鉄道を徹底比較』（講談社・ブルーバックス）』