JP2009278352A

JP2009278352A - 鉄道車両用伝送装置

Info

Publication number: JP2009278352A
Application number: JP2008127300A
Authority: JP
Inventors: Toshio Sasaki; 敏夫佐々木
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】二重化された伝送路によって構成される装置間伝送系において，二重化された送受信器の動作を常時監視することにより，送受信器の異常を即時に検出する。
【解決手段】二重化された伝送路を有する装置で、第一の伝送路に接続された送受信器と，第二の伝送路に接続された送受信器との間で情報を交換し、装置を統括する制御手段を設け、受信時においては，二つの送受信器の動作状態を監視するとともに，二つの送受信器が共に正常な場合には，予め定めた一方の送受信器にて受信したデータを受信情報とする。送信時において，二つの送受信器が正常な場合，送信データを二つのデータに分解し，一つを第一の送受信器から，もう一つを第二の送受信器から同時に送出するようにそれぞれの送受信器を制御し，送受信器から送出された送信データを監視する。異常が検知された場合には当該送受信器の送信動作を停止し，正常な送受信器のみを用いてデータの送出を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は鉄道車両に設置される二つの装置間のデータ交換をシリアル伝送路によって行う車両内伝送系に関わるものである。

上記の車両内伝送系の構成方法については，下記の文献の中で「機器伝送」として幾つかの例が紹介されている。以下に述べる従前の構成例は，当該文献に示された構成例から容易に想起できるものであり，背景技術と等価なものである。（たとえば、非特許文献１参照）

図５は従来の二重化伝送路を用いた車両内伝送系の構成を概念的に表したブロック図である。
５０，０２は何れも車両内に設置される装置を表し，二重化された伝送路０３，０４によって相互に接続される。また伝送路０３，０４は伝送路０５によって相互に接続される。

装置０２には二つの送受信器０２２および０２３が設けられ，装置０２を統括する制御手段０２１によって制御される。送受信器０２２は伝送路０３に，送受信器０２３は伝送路０４にそれぞれ接続される。

同様に装置５０には二つの送受信器５０２および５０３が設けられ，装置５０を統括する制御手段５０１によって制御される。送受信器５０２は伝送路０３に，送受信器５０３は伝送路０４にそれぞれ接続される。

送受信器５０２は送信回路５０２２および受信回路５０２４とから構成され，送受信器５０３は送信回路５０３２および受信回路５０３４とから構成される。

上記のように装置５０の送受信器は二重系を構成する。ここで送受信器５０２を１系，送受信器５０３を２系と呼ぶ。

ここで装置０２および装置５０間においてマスタ・スレーブ方式に基づく伝送制御が行われる。以下の説明において，装置０２をマスタ局，装置５０をスレーブ局とする。

またマスタ局からスレーブ局宛に送出されるデータフレームを要求フレーム，スレーブ局からマスタ局宛に送出されるデータフレームを応答フレームと呼ぶ。
マスタ局とスレーブ局間のデータ交換は，マスタ局からの要求フレームの送出と，その応答としてのスレーブ局からの応答フレームの送出を相互に繰り返すことによって行われる。

装置０２も装置５０と同様に二重化された送受信器が設けられており，送受信器０２２を１系，送受信器０２３を２系と呼ぶ。１系および２系の何れの送受信器も正常な場合は，予め定めた送受信器から要求フレームが送出される。ここでは1系即ち送受信器０２２から要求フレームが送出されるものとする。

送受信器０２２から装置５０に対して要求フレームが送出され，同フレームは伝送路０３を介して送受信器５０２によって受信されると同時に，伝送路０５を介して伝送路０４にも送出され，送受信器５０３によって受信される。

装置５０においては，送受信器５０２および送受信器５０３において，同一のフレームを受信する。即ち送受信器５０２内の受信回路５０２４において，装置０２からの要求フレームを受信し，そのデータを制御手段５０１に伝達する。同様に送受信器５０３内の受信回路５０３４においても，装置０２からの要求フレームを受信し，当該データを制御手段５０１に伝達する。制御手段５０１においては，予め定められた系の送受信器からの受信フレームを採用する。

上記の装置０２からの要求フレームに対して，装置５０は応答フレームを送出する。ここで送受信器５０２および送受信器５０３は同期して送信動作を行う。即ち１系の送信回路５０２２と２系の送信回路５０３２は同一の応答フレームを同一タイミングで送出する。

図６は装置０２と装置５０間のデータ伝送手順を概念的に示したものである。
先ず装置０２の送受信器０２２から要求フレームＲＥＱ１が送出され，装置５０の送受信器５０２および送受信器５０３によって受信される。
装置５０は，要求フレームＲＥＱ１の応答として，送受信器５０２および送受信器５０３から応答フレームＲＥＳ１を送出する。
次に装置０２から要求フレームＲＥＱ２が送出され，装置５０はその応答として，応答フレームＲＥＳ２を送出する。
以下一定の周期Ｔ１で，装置０２からの要求フレーム，装置５０からの応答フレームの送出が相互に繰り返される。
ここで装置５０が応答フレームを送出するとき，送受信器５０２と送受信器５０３は同時に同一フレームＲＥＳ１を送出するため，伝送路上で合成されたフレームは単一の送受信機から送出された応答フレームに等しい。

いまＮビット長のデータフレームを次のように表す。
ｗ＝ｗ１・ｗ２・…・ｗＮ … （１）
ここでｗｉ（ｉ＝１…Ｎ）は，データフレームの各ビットを意味する。

いま送信回路５０２２から送出されるデータフレームを送信フレ−ムｘで表し，送信回路５０３２から送出されるデータフレームを送信フレ−ムｙで表す。
応答フレームをデータフレームｗとすると
ｘ＝ｗ … （２）
ｙ＝ｗ … （３）
と書くことができ，このとき伝送路に送出されるデータフレームは
ｘ∨ｙ＝（ｘ１∨ｙ１）・（ｘ２∨ｙ２）・…・（ｘＮ∨ｙＮ） … （４）
で表すことができる。ここで‘∨’は論理和を表す。

送信回路５０２２および送信回路５０３２の何れも正常な場合は，（４）式から
ｘ∨ｙ＝ｗ∨ｗ＝ｗ … （５）
となり，伝送路上に応答フレームとしてｗが送出されることが分かる。

図７は送信回路５０２２および送信回路５０３２が正常な場合のデータフレーム合成過程を示した図である。

いま送信回路５０３２に異常が発生し，送信回路５０３２からの出力がない状態，即ちハイインピーダンス状態であったとする。
１ビット長のハイインピーダンス状態を記号Ｚで表し，Ｎビット長のハイインピーダンス状態を
ｘ＝Ｚ・Ｚ・…・Ｚ … （６）
と表すことにすれば，（２）式により
ｘ∨ｙ＝（Ｚ∨ｙ１）・（Ｚ∨ｙ２）・…・（Ｚ∨ｙＮ） … （７）
＝ｙ１・ｙ２・…・ｙＮ … （８）
＝ｙ … （９）
＝ｗ … （１０）
となり，送信回路に単一異常が発生した場合であっても，伝送路には正常な応答フレームが送出されることが分かる。

図８は送信回路５０３２に異常が発生した場合のデータフレーム合成過程を示した図である。

前記のように二重化された送信回路においては，１系または２系の何れかにおいて異常が発生した場合であっても，特別な処理を施すことなく，通常の送受信機能を維持することが可能である。

然しながら，送信回路５０２２に加え，送信回路５０３２も異常が発生した場合には，もはや装置５０から応答フレームを送信することはできなくなる。
即ち前記のような二重系の構成において，１系または２系に異常が発生した場合は，この状態を速やかに検出するとともに，異常が発生した系の復旧を早期に実施しなければならない。
斯様な如く従来の二重系構成においては，この問題についての配慮が不十分であった。
論文番号511「列車情報管理装置(TIMS)の開発」第35回鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポジウム論文集

本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので，その目的とするところは，前記のような送信回路の単一異常が発生した場合，異常状態を検知できる送信回路を構成し，送信回路の複合異常が発生した場合、機能維持が不可能となる以前に，装置のメンテナンスを促す仕組みを提供することにある。

請求項１の発明によれば、鉄道車両に搭載される二つの装置間をシリアル伝送路によって接続し，相互に制御情報を交換する伝送方式において，
該シリアル伝送路は第一の伝送路と第二の伝送路によって二重化されるとともに，該第一の伝送路と該第二の伝送路とは互いに接続され，
該装置には，前記第一の伝送路に接続された第一の送受信器と，
前記第二の伝送路に接続された第二の送受信器と，
該第一の送受信器および該第二の送受信器との間で情報を交換するとともに前記装置を統括する機能を有する制御手段とを設け，
該制御手段は，受信時においては，前記第一の送受信器および前記第二の送受信器の動作状態を監視するとともに，
前記第一の送受信器および前記第二の送受信器が共に正常な場合には，予め定めた一方の送受信器にて受信したデータを受信情報とし，
送信時においては，前記第一の送受信器および前記第二の送受信器が正常な場合は，送信データを二つのデータに分解し，一つを前記第一の送受信器から，もう一つを前記第二の送受信器から同時に送出するように前記第一の送受信器および前記第二の送受信器を制御するとともに，
前記第一の送受信器および前記第二の送受信器から送出された送信データを監視し，異常が検知された場合には当該送受信器の送信動作を停止し，正常な送受信器のみを用いてデータの送出を行うことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば，二重化された送受信器において，１系または２系の送信回路に異常が発生した場合，この状態を直ちに検知し，当該異常が発生した系の動作を停止し，これ以降は正常な系によってのみ送受信動作を継続するとともに，異常が検知された系のメンテナンスを速やかに実施すべく，注意を促すことが可能となる。

後述の本発明に係る装置０１と装置０２を接続するシリアル伝送路としては，ＲＳ−４８５に代表される差動伝送方式による通信インターフェースを採用する。更に伝送プロトコルとしては，ＨＤＬＣのようなビット指向プロトコルを採用することによって，ビット単位の異常検知が可能となるため，送受信器の異常検知の即応性を高めることができる。

図１は本発明に係る鉄道車両用伝送装置の構成を概念的に表したブロック図である。
本発明に係る装置０１以外の機器の構成は，従来の構成を示した図５と同一である。

０１は本発明に係る装置であり，二つの送受信器０１２および０１３が設けられ，本発明に係る装置０１を統括する制御手段０１１によって制御される。送受信器０１２は伝送路０３に，送受信器０１３は伝送路０４にそれぞれ接続される。

送受信器０１２は，検査ビット列生成手段０１２１，送信回路０１２２，検査ビット列照合手段０１２３および受信回路０１２４とから構成され，送受信器０１３は，検査ビット列生成手段０１３１，送信回路０１３２，検査ビット列照合手段０１３３および受信回路０１３４とから構成される。

検査ビット列生成手段０１２１は，データフレームｗに応じて検査ビット列ｃを生成するとともに，データフレームｗに検査ビット列ｃを作用させたデータフレームを送信回路０１２２に送る。更に検査ビット列ｃを検査ビット列照合手段０１２３に送る。

検査ビット列ｃは，データフレームｗと同一長のビット列であり，データフレームの各ビット出力の有効／無効を規定するものである。即ち
ｃ＝ｃ１・ｃ２・…・ｃＮ … （１１）
のｃｉ（ｉ＝１…Ｎ）の値が，‘１’のときはｗｉの出力を有効とし，‘０’のときはｗｉの出力を無効とする意味を持つ。
そして部分データフレームｘとは，データフレームｗと検査ビット列ｃに基づいて，以下のように定義されるビット列である。
即ち，
ｙｉ＝ｗｉ（ｃｉ＝１のとき），Ｚ（ｃｉ＝０のとき）… （１２）
と定義する。

同様に検査ビット列生成手段０１３１においては，データフレームｗに応じて検査ビット列ｄを生成するとともに，データフレームｗに検査ビット列ｄを作用させたデータフレームを送信回路０１３２に送る。更に検査ビット列ｄを検査ビット列照合手段０１３３に送る。

検査ビット列ｄは，データフレームｗと同一長のビット列であり，データフレームの個々のビット出力の有効／無効を規定するものである。即ち
ｄ＝ｄ１・ｄ２・…・ｄＮ … （１３）
のｄｉ（ｉ＝１…Ｎ）の値が，‘１’のときはｗｉの出力を有効とし，‘０’のときはｗｉの出力を無効とする意味を持つものである。
そして部分データフレームｙとは，データフレームｗと検査ビット列ｄに基づいて，以下のように定義されるビット列である。
即ち，
ｙｉ＝ｗｉ（ｄｉ＝１のとき），Ｚ（ｄｉ＝０のとき）… （１４）
と定義する。

ここで検査ビット列ｃと検査ビット列ｄの各ビットの値は，
ｃｉ∨ｄｉ＝１（ｉ＝１…Ｎ）… （１５）
なる条件を満足する必要がある。

送信回路０１２２および送信回路０１３２は，同一のデータフレームｗに対して，それぞれ検査ビット列ｃ，ｄを作用させたデータフレームｘ，ｙを同時に送出する。
ここで
ｘｉ∨ｙｉ＝ｗｉ∨ｗｉ（ｃｉ＝１，ｄｉ＝１のとき）…（１６）
ｘｉ∨ｙｉ＝Ｚ∨ｗｉ（ｃｉ＝０，ｄｉ＝１のとき）…（１７）
ｘｉ∨ｙｉ＝Ｚ∨ｗｉ（ｃｉ＝１，ｄｉ＝０のとき）…（１８）
ｘｉ∨ｙｉ＝Ｚ∨Ｚ（ｃｉ＝０，ｄｉ＝０のとき）…（１９）
である。（１５）式および（１６）〜（１９）式から
ｘ∨ｙ＝ｗ…（２０）
が成り立つ。従って伝送路上で各データフレームが合成された後は，送出すべき送信フレームのビット並びと同一になる。

いま送信回路０１２２および送信回路０１３２から送出され，伝送路上で合成された応答フレームは，受信回路０１２４，受信回路０１３４によってそれぞれ受信される。受信回路０１２４によってり受信されたデータフレームをｕ，受信回路０１3４によって受信されたデータフレームをｖで表す。

検査ビット列照合手段０１２３においては，受信データフレームｕと検査ビット列ｃとの論理積ｃ∧ｕと，送信時のデータフレームｗと検査ビット列ｃとの論理積ｃ∧ｗとをそれぞれ演算し，その結果を照合する。即ち
（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｃ∧ｕ）ＸＯＲ（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｃ∧ｗ）…（２１）
の結果が０であれば異常なし，０でなければ異常ありと判断する。ここでＸＯＲは排他的論理和を表す。

同様に検査ビット列照合手段０１３３において，データフレームｕと検査ビット列ｄとの論理積ｄ∧ｖと，送信時のデータフレームｗと検査ビット列ｄとの論理積ｄ∧ｗとをそれぞれ演算し，その結果を照合する。即ち
（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｄ∧ｖ）ＸＯＲ（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｄ∧ｗ）…（２２）
の結果が０であれば異常なし，０でなければ異常ありと判断することができる。
ここでＮＯＴ（ｃ∧ｄ）は，検査ビット列ｃおよび検査ビット列ｄのいずれにおいても‘１’であるビットを，照合対象外とするために設けた。

そして検査ビット列照合手段０１２３または検査ビット列照合手段０１３３において異常が検知された場合，当該送信回路の異常を制御手段０１１に伝達する。制御手段０１１は，異常の検知された系の情報を表示し，送受信器のメンテナンスを促すとともに，これ以降は正常な系の送信回路のみを用いて正常な送信動作を維持するように制御する。

図２は，具体的なデータフレームと，ビット検査列による本発明に係る鉄道車両用伝送装置におけるデータフレームの合成過程を示した図（正常時）である。
同図に示すように，９バイト（７２ビット）のデータフレームｗを
ｗ＝１０００１００１１１１００１００１００１００００１０００１１０１１０１１００１０１０００１１０１１０１１００１０１００１０１１０１１０１１０００ …（２３）
とし，これに対応する検査ビット列ｃ，ｄをそれぞれ
ｃ＝１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１ …（２４）
ｄ＝１１１１１１１１１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１００００００００１１１１１１１１００００００００ …（２５）
とすると，送信回路０１２２から送出される部分データフレームｘは，
ｘ＝１０００１００１ＺＺＺＺＺＺＺＺ１００１００００ＺＺＺＺＺＺＺＺ１０１１００１０ＺＺＺＺＺＺＺＺ１０１１００１０ＺＺＺＺＺＺＺＺ１１０１１０００ …（２６）
となり，一方送信回路０１３２から送出される部分データフレームｘは，
ｙ＝１０００１００１１０１０００００ＺＺＺＺＺＺＺＺ１００００１００ＺＺＺＺＺＺＺＺ１００００１００ＺＺＺＺＺＺＺＺ１００００１００ＺＺＺＺＺＺＺＺ …（２７）
となる。

送受信器０１２および送受信器０１３の何れもが正常な場合，受信回路０１２３において受信したデータフレームｕ，および受信回路０１３４において受信したデータフレームｖは，
ｕ＝ｖ＝ｗ
であり（２１）式および（２２）式は
（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｃ∧ｗ）ＸＯＲ（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｃ∧ｗ）＝０…（２８）
（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｄ∧ｗ）ＸＯＲ（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｄ∧ｗ）＝０…（２９）
となる。

図３は，２系の送信回路０１２４に異常が発生し，ハイインピーダンスの状態具体的なデータフレームと，ビット検査列による本発明に係る鉄道車両用伝送装置におけるデータフレームの合成過程を示した図（正常時）である。
いま送信回路０１２４に異常が発生し，送信回路０１２３の送信動作が停止した状態を想定する。このとき送信回路０１２３から送出されるデータフレームｘはハイインピーダンスＺとなる。即ち
ｘ＝ＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺＺ …（３０）
となる。伝送路上で合成され，受信回路０１２４および受信回路０１３４によって受信されるデータフレームは，
ｕ＝１０００１００１１１１００１００ＺＺＺＺＺＺＺＺ１０００１１０１ＺＺＺＺＺＺＺＺ１０００１１０１ＺＺＺＺＺＺＺＺ１００１０１１０ＺＺＺＺＺＺＺＺ …（３１）
となり，検査ビット列との論理積は下記の通りである。
（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｃ∧ｗ）ＸＯＲ（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｃ∧ｗ）≠０…（３２）
（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｄ∧ｗ）ＸＯＲ（（ＮＯＴ（ｃ∧ｄ）∧ｄ∧ｗ）＝０…（３３）
上記の（３２）式および（３３）式の結果により，１系の送信回路０１２３の異常を検知することができる。
実際には，送出されたフレームの各ビットを常時監視し，ハイインピーダンス状態が検知された段階で，何れの送信回路に異常が発生しているかを認識することが可能である。

図４は，本発明係る鉄道車両用伝送装置の一実施例を示すブロック図である。
同図において０６は本発明に係る装置，０７は図１の装置０２に相当する装置であり，本発明に係る装置０６および装置０７は，ＲＳ−４８５インターフェースによる３線式半二重伝送方式を採用した接続形態を示している。
本発明に係る装置０６には，前記図１の本発明に係る装置０１と同様に，二つの送受信器０６２および０６３が設けられ，これらは本発明に係る装置０６を統括する制御手段０６１によって制御される。送受信器０６２は伝送路０８１，０８２，０８３に，送受信器０６３は伝送路０９１，０９２，０９３にそれぞれ接続される。

更に送受信器０６２は，検査ビット列生成手段０６２１，送信回路０６２２，検査ビット列照合手段０６２３および受信回路０６２４とから構成され，送受信器０６３は，検査ビット列生成手段０６３１，送信回路０６３２，検査ビット列照合手段０６３３および受信回路０６３４とから構成される。

本発明に係る装置０６および装置０７間の伝送制御は，従来の例と同様にマスタ・スレーブ方式によるものが想定できる。一例として装置０７がマスタとすれば，装置０７は本発明に係る装置０６に対して，一定周期で要求フレームを送出し，本発明に係る装置０６はその応答として，応答フレームを送出するものである。
そして要求フレームと応答フレームの送出を相互に繰り返すことによって，本発明に係る装置０６と装置０７間のデータ交換が行われる。

上記においては，０１を本発明に係る装置として説明を行ったが，０２も本発明に係る装置とすることは可能である。更に，二つの装置間に止まることなく，二つ以上の装置を共通の伝送路（バス）に接続することによって装置間のデータ交換を行う鉄道車両内バス（ネットワーク）への適用も可能である。

本発明に係る鉄道車両用伝送装置の構成を示す図。本発明に係る鉄道車両用伝送装置のデータフレームの合成過程を示す図（正常時）。本発明に係る鉄道車両用伝送装置のデータフレームの合成過程を示す図（異常時）。本発明に係る鉄道車両用伝送装置の実施例を示す図。従来の鉄道車両用伝送装置の構成を示す図。伝送制御手順を示す図。従来の鉄道車両用伝送装置におけるデータフレームの合成過程を示す図（正常時）。従来の鉄道車両用伝送装置におけるデータフレームの合成過程を示す図（異常時）。

符号の説明

０１，０６…本発明に係る装置
０２，０７、５０…装置
０３，０４，０５…伝送路
０８１，０８２，０８３，０９１，０９２，０９３，１０１，１０２，１０３…伝送路
０１１，０２１，０６１，０７１，５０１…制御手段
０１２，０１３，０６２，０６３，０２２，０２３…送受信器
０７２，０７３，５０２，５０３…送受信器
０１２１，０１３１，０６２１，０６３１…検査ビット列生成手段
０１２２，０１３２，０６２２，０６３２…送信回路
０１２３，０１３３，０６２３，０６３３…検査ビット列照合手段
０１２４，０１３４，０６２４，０６３４…受信回路
５０２２，５０３２…送信回路
５０２４，５０３４…受信回路
ｗ…データフレーム
ｘ，ｙ…送信フレーム
ｘ∨ｙ…ｘとｙを合成したフレーム
ｃ，ｄ…検査ビット列

Claims

鉄道車両に搭載される二つの装置間をシリアル伝送路によって接続し，相互に制御情報を交換する伝送方式において，
該シリアル伝送路は第一の伝送路と第二の伝送路によって二重化されるとともに，該第一の伝送路と該第二の伝送路とは互いに接続され，
該装置には，前記第一の伝送路に接続された第一の送受信器と，
前記第二の伝送路に接続された第二の送受信器と，
該第一の送受信器および該第二の送受信器との間で情報を交換するとともに前記装置を統括する機能を有する制御手段とを設け，
該制御手段は，受信時においては，前記第一の送受信器および前記第二の送受信器の動作状態を監視するとともに，
前記第一の送受信器および前記第二の送受信器が共に正常な場合には，予め定めた一方の送受信器にて受信したデータを受信情報とし，
送信時においては，前記第一の送受信器および前記第二の送受信器が正常な場合は，送信データを二つのデータに分解し，一つを前記第一の送受信器から，もう一つを前記第二の送受信器から同時に送出するように前記第一の送受信器および前記第二の送受信器を制御するとともに，
前記第一の送受信器および前記第二の送受信器から送出された送信データを監視し，異常が検知された場合には当該送受信器の送信動作を停止し，正常な送受信器のみを用いてデータの送出を行うことを特徴とする鉄道車両用伝送装置。