JP2013541477A - 輸送安全システムのための無線通信ネットワーク - Google Patents

Abstract

輸送システム内の安全システムのためのネットワークにおいて、輸送システムは、シャフトおよびシャフト内に配置されたかごを含む。第１の壁ノードは、シャフトの第１の端部にあり、第２の壁ノードは、シャフトの第２の端部にあり、安全メッセージをかごと通信する。各壁ノードは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも１つの無線送受信機を備える。シャフト内の各かごは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも２つの無線送受信機を備え、かごの第１の送受信機は、第１の周波数を用い、かごの第２の送受信機は、第２の周波数を用いて、各安全メッセージを複製して通信する。有線バックボーンが１組の壁ノードを、輸送システムの安全システムのコントローラに接続する。

Description

本発明は、包括的には移動無線ネットワークに関し、より詳細には、エレベータシステム等の安全な輸送システムにおいて用いられる信頼性のある通信に関する。

安全システムにおける通信は、非常に高い信頼性および非常に低いレイテンシを必要とする。したがって、従来から、通信は、専用有線媒体を用いて実行されている。例えば、エレベータシステムにおいて、コントローラと、エレベータかごとの間で安全メッセージを送信するために、シャフト内に重い通信ケーブルが懸架され、かごとともに移動する。建物の高さが増大すると、通信ケーブルの重量およびコストが大幅に増大する。重量が増大すると、エレベータシステムの電力消費も増大する。建物の高さは、エレベータシステムの総コストおよび総電力消費に対し相乗効果を有する。エレベータシステム内の安全システムのために、よりコストが低く、よりエネルギー効率の良い解決法が望ましい。可能な解決法は、有線通信を無線通信と置き換えることである。

エレベータの乗客の安全を確保するために、国際電気標準会議（ＩＥＣ）は、１０００兆（１０^１５）個の安全関連メッセージ内に１つの誤りしか許容しない、エレベータ通信ネットワークのための厳しい安全性要件および信頼性要件を公開している。しかしながら、無線通信は、外部干渉および変動する無線チャネル条件を受ける。加えて、無線通信は、特に屋内の設定において伝送距離が限られている。したがって、エレベータシステムの安全システムに無線通信を適用することは非常に困難である。

したがって、エレベータおよび他の同様の安全システムのための厳しい安全性要件および信頼性要件を満たす信頼性のある無線通信ネットワークを提供することが望ましい。

本発明の実施の形態は、エレベータシステム内のコントローラと、かごとの間の信頼性のある無線通信のための方法およびシステムを提供する。特に、輸送システム内の安全システムのためのネットワークにおいて、輸送システムは、シャフトおよびシャフト内に配置されたかごを含む。

第１の壁ノードは、シャフトの第１の端部にあり、第２の壁ノードは、シャフトの第２の端部にあり、安全メッセージをかごと通信する。各壁ノードは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも１つの無線送受信機を備える。

シャフト内の各かごは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも２つの無線送受信機を備え、かごの第１の送受信機は、第１の周波数を用い、かごの第２の送受信機は、第２の周波数を用いて、各安全メッセージを複製して通信する。

有線バックボーンが１組の壁ノードを輸送システムの安全システムのコントローラに接続する。

エレベータシステム内に単一のシャフトおよび単一のかごを有する低層建物のエレベータ安全システムの概略図である。 エレベータシステム内に単一のシャフトおよび２つのかごを有する低層建物のエレベータ安全システムの概略図である。 エレベータシステム内に単一のシャフトおよび単一のかごを有する高層建物のエレベータ安全システムの概略図である。 エレベータシステム内に単一のシャフトおよび２つのかごを有する高層建物のエレベータ安全システムの概略図である。 エレベータ安全システムの壁ノードのブロック図である。 エレベータ安全システムのかごノードのブロック図である。 エレベータ安全システムのための、冗長性を有するダウンリンク通信プロトコルの流れ図である。 複数のエレベータシャフトを有する建物における、２つの周波数チャネルを用いた周波数配分および干渉の概略図である。 複数のエレベータシャフトを有する建物における、４つの周波数チャネルを用いた周波数配分および干渉の概略図である。 複数のエレベータシャフト間の共有バックボーンの概略図である。

本発明の実施形態は、輸送システム、例えばエレベータシステムのための、無線通信を用いた安全システムを提供する。この安全システムは、厳しい通信要件および安全性要件を有する他の輸送システム、例えば坑道（ｍｉｎｅ ｓｈａｆｔ）および枝坑道（ｇａｌｌｅｒｉｅｓ）、並びに地中または水中の輸送トンネルにおいて用いることができることを理解すべきである。

したがって、本明細書において定義されるとき、シャフトは、任意の比較的狭く細長い密閉空間である。通常、シャフトは、２０メートルよりも長い。シャフトは、人または物を輸送するための１つまたは複数のかごを備える。かごは、シャフト内を水平若しくは垂直に動くことができるか、またはシャフトは、傾けることができる。シャフトの長さに起因して、かつ各かごがシャフトの断面を実質的に埋める可能性があることに起因して、従来の無線通信は、通常不適格である。

本発明の主な関心事は、かごと、シャフト内のかごの動作を制御するコントローラとの間で安全メッセージを通信することである。したがって、ノードのうちのいずれも、安全メッセージのソースまたはシンクとすることができる。

本システムは、１つまたは複数のエレベータシャフトと、シャフト当たり１つまたは複数のエレベータかごを有する建物のために実施することができる。通信は、かご上に配置されたかごノードと、シャフト内に配置された１組の（１つまたは複数の）中間壁ノードと、コントローラとの間で行われる。壁ノードおよびコントローラは、有線バックボーンによって相互接続されている。かごおよびかごノードは移動可能である一方、壁ノードおよびコントローラは、定位置に固定されている。各ノードは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも１つの無線送受信機を備える。無線送受信機は、送信機および受信機である。

信頼性のある通信のために、各かごは、少なくとも２つのかごノード（送受信機）を有する。信頼性を高めるために更なるかごノードを用いることができる。

壁ノードは、かごノードと、コントローラとの間の中継ノードとしての役割を果たす。有線バックボーンは、１つのシャフト内で、または複数の隣接するシャフト内で、壁ノードと、コントローラとの間でメッセージを搬送することができる。

低層建物
図１Ａに示すように、エレベータシステム１０１が低層建物１００内にあるとき、このエレベータシステムが少ない階数にしかサービス提供せず、このためサービスゾーンの高さが無線伝送距離以下である場合、２つの（斜線の）壁ノード３００、すなわちシャフトの第１の（下）端部にある第１の壁ノード、およびシャフトの第２の（上）端部にある第２の壁ノードを用いることができる。

かご１１０にあるかごノード４００の２つのアンテナ１０５は、１つの送受信機が周波数ｆ_１１２１を用いて上壁ノードと通信し、第２の送受信機が周波数ｆ_２１２２を用いて底壁ノードと通信するように配置される。ｆ_１がｆ_２と別個であることが好ましいが、用いられる周波数は、実際の無線技術に依拠するので、周波数が受信機の近傍において大きな干渉を生じない限り、これは、厳密な要件ではない。有線バックボーン１３０が壁ノード間で通信する。

周波数ｆ_１およびｆ_２は、ミリメートル波帯域内とするか、６ＧＨｚ未満の帯域（ｓｕｂ−６ ＧＨｚ：サブ６ＧＨｚ）内とすることもできるし、一方の周波数をミリメートル波帯域から選択し、他方を６ＧＨｚ未満の帯域から選択することもできる。

好ましいアーキテクチャでは、双方の周波数が、工業、科学、および医療（ＩＳＭ）無線帯域、例えば２４ＧＨｚまたは６０ＧＨｚから選択される。ミリメートル波伝送は、通常、シャフト外から発する干渉に影響されず、また、より長い距離を進むことができる狭いビームを提供する。１０ｄＢｍの送信電力を有するミリメートル波無線周波数および最大で３０ｄＢｉの利得の指向性アンテナを用いると、最大で２００メートルの長さのシャフトについて、２つの壁ノードしか必要とされない。従来の無線安全システムは、通常、１０メートル未満のシャフトに制限されている。このため、シャフトの長さは、従来の無線ネットワークを用いる場合の主な障害である。

代替的に、６ＧＨｚ未満の帯域内で周波数、例えば２．４ＧＨｚまたは５．８ＧＨｚを選択することができる。しかしながら、このとき（既存のシステム、例えばＷｉＦｉネットワークからの）外部干渉が問題であり、高利得アンテナは、通常、より大きく、より重い。シャフトに干渉がないとき、十分な送信電力およびアンテナ利得で、２つの壁ノードを最大で１００メートル〜２００メートルの高さのエレベータシャフトにおいて用いることができる。最悪の場合の干渉シナリオの下では、これらの壁ノードを、最大で１０メートル〜２０メートルの高さのエレベータシャフトにおいて用いることができる。

代替的に、周波数ｆ_１をミリメートル波帯域から選択することができ、周波数ｆ_２を６ＧＨｚ未満の帯域から選択することができる。

好ましい実施形態では、階間の有線バックボーン１３０は、ライザーが段階的な（ｒｉｓｅｒ−ｇｒａｄｅｄ）光ファイバーケーブルとすることができる。ケーブルは、少なくとも２つのファイバーを有し、第１のファイバーは、コントローラから壁ノードへのダウンリンク用であり、第２のファイバーは、壁ノードからコントローラへのアップリンク用である。

図１Ｂに示すように、いくつかのエレベータシステムは、単一のシャフト内で、独立して移動する２つのかご２１０および２１１をサポートする。この場合、低層建物では、各ノードは、２つの無線電波送受信機２０５を備える。シャフトの最上部の壁ノードは、双方のアンテナを用いて、高層階にサービス提供するかごと通信する。同様に、シャフトの最下部の壁ノードは、双方のアンテナを用いて、低層階にサービス提供するかごと通信する。

高層建物
図２Ａに示すように、高層建物には３つ以上の壁ノード３００が必要とされる。壁ノードは、シャフトに沿って線形に配置されるか、またはシャフトレールに取付けられる。シャフトの最上部および最下部に位置する壁ノードは、１つの電波送受信機しか有さず、他の全ての壁ノードは、２つの送受信機を有する。バックボーン１３０は、壁ノードを互いに相互接続する。

無線通信にミリメートル波帯域が用いられるとき、アンテナは、高い指向性を有するものとすることができる。各壁ノードにおける２つのアンテナは、逆方向を指し、一方は、上向きであり、他方は、下向きである。壁ノードの下方向を指す全てのアンテナは、周波数ｆ_１を用い、壁ノードの上方向を指す全てのアンテナは、周波数ｆ_２を用いる。かごにおいて、上方向を指すアンテナは、周波数ｆ_１を用いて通信し、下方向を指すアンテナは、周波数ｆ_２を用いる。高利得アンテナを有するミリメートル波帯域を用いると、壁ノード間の距離は、１００メートル〜２００メートルとすることができる。

図２Ｂは、シャフト内に２つのかごを有する高層建物の同様のアーキテクチャを示している。

ノード構成
図３は、壁ノード３００の構成要素および動作を示している。壁ノードは、以下の入出力（Ｉ／Ｏ）ポート、すなわち、コントローラとのＩ／Ｏインターフェース３１１、ダウンリンク（ＤＬ）バックボーン信号３１２を受信するための入力ポート、ダウンリンクバックボーン信号３１５を中継するための出力ポート、アップリンク（ＵＬ）バックボーン信号３１４を受信するための入力ポート、アップリンクバックボーン信号３１３を中継するための出力ポート、無線送受信機３２０への２つのＩ／Ｏポートを有する。

壁ノードは、復号化器３３１と、符号化器３３２と、複製機３４０と、バッファおよびマルチプレクサ３５０と、アップリンクメッセージを処理するモジュール３６０とを備える。

壁ノードは、３つのノードタイプのうちの１つ、すなわち先頭、中継、および終端のうちの１つとして構成することができる。表１に示すように、壁ノードのノードタイプ配分に依拠して、ポートを有効または無効にすることができる。

ポートが無効にされているとき、一実施態様は、実際のデバイス内に関係する構成要素を設置しないことを選択することができる。

壁ノードがコントローラに隣接しているとき、ノードタイプは、先頭である。この場合、ノードはコントローラからＤＬメッセージを直接受信し、したがって、ノードは、ＤＬバックボーン信号３１２の入力を無効にする。先頭ノードは、複数のＤＬメッセージをバッファリングし、組み合わせて、通信効率を改善することを選択することができる。この壁ノードは、ＵＬメッセージを直接コントローラに送信することもでき、このため、ＵＬメッセージを、バックボーンを通じて中継するための出力を無効にする。

壁ノードがコントローラから最も離れた距離、例えばコントローラがエレベータシャフトの最上部にあるときにそのシャフトの最下部に位置しているとき、ノードタイプは、終端である。この場合、ノードは、ＤＬバックボーン３３２を中継する出力を無効にし、ＵＬバックボーン信号３１４の入力を無効にする。ノードは、コントローラへのＩ／Ｏ３１１も無効にする。

全ての他の壁ノードは、中継タイプである。この場合、ノードは、コントローラへのＩ／Ｏ３１１を無効にする。全てのＤＬメッセージは、ＤＬバックボーンからの入力から取得される。

先頭ノードおよび中継ノードの場合、全てのＤＬメッセージは、複製され（３４０）、ＤＬバックボーンの出力に中継され、無線送受信機３２０に送信される。終端ノードの場合、ＤＬメッセージは、無線送受信機３２０にしか送信されない。

出力ＵＬメッセージは、入力ＵＬバックボーン３１４および無線送受信機３２０から受信した信号に基づいて構築される。２つの無線送受信機の受信信号が処理され（３６０）、次に、ＵＬバックボーンから受信した復号化されたバックボーン信号３３１とともにバッファリングおよび多重化される（３５０）。

壁ノードは、無線送受信機用の２つのＩ／Ｏポートを備えるにもかかわらず、送受信機のうちの一方のみがアクティブとなるように壁ノードを構成することが可能である。例えば、先頭タイプの壁ノードは、図１Ａ、図２Ａ、および図２Ｂに示す場合について、１つのみの無線送受信機を用いることができるか、または先頭壁ノードは、図１Ｂに示す場合について、２つの送受信機を用いることができる。

図４に示すように、かごノード４００は、アップリンクメッセージ４０１を複製し（４１０）、メッセージを送受信機の２つのアンテナ３０５に送信する。無線送受信機３２０は、また、ダウンリンクメッセージ４０２を受信し、メッセージを処理する（４２０）。

冗長送信
図５に示すように、信頼性を確保するために、信号は、２つの独立した無線パス、すなわち一次パス５６１および冗長パス５６２を介してかごに送信される。ＤＬメッセージは、コントローラ５０１から２つのパス（実線）を通じてかごノード５５０に流れる一方、ＵＬメッセージは、これも２つのパス（破線）を通じてかごノード５５０からコントローラ５０１に流れる。かごノードは、２つの壁ノード、すなわち壁ノード５２０と、壁ノード５３０との間のどこかに位置すると仮定する。コントローラは、メッセージを壁ノード５１０に渡し、メッセージは、壁ノード５２０に中継される。壁ノード５２０は、各メッセージを複製し、一方のコピーを壁ノード無線送受信機５２１に送信し、他方のコピーを壁ノード５３０に中継する。壁ノード５３０も同様に進行する。壁ノード５３０は、各メッセージを複製し、一方のコピーを壁ノード無線送受信機５３１に送信し、別のコピーを壁ノード５４０に中継する。

双方の壁ノード無線送受信機５２１および５３１が異なる時点でＤＬメッセージのコピーを受信する。壁ノードは、メッセージを独立してかごノードに無線で送信する。一次パスと呼ぶ１つのパスでは、無線信号は、壁ノード無線送受信機５２１からかごノード無線送受信機５５１に送信される。冗長パスと呼ぶ別のパスでは、無線信号は、壁ノード無線送受信機５３１からかごノード無線送受信機５５２に送信される。次に、かごノードは、双方の無線送受信機５５１および５５２からメッセージを受信する。メッセージが少なくとも１つのパスを介した受信に成功する確率は、単一の通信パスしか用いない設計よりも高く、このため信頼性が高まる。

ダウンリンク送信中、壁ノードがバックボーンを介してメッセージを中継した後、同じパス、例えば一次パスに対応する複数の壁ノードがメッセージを同時に送信し、互いへの干渉を回避する。同じ周波数チャネルを用いたこれらの送信は、自然法則によって、無線チャネルにわたって結合される。しかしながら、信号が光速で進む場合であっても、距離のわずかな差によって、信号は、小さな時間オフセットを伴って結合される場合がある。かごノードは、（１）結合された信号を用いることによってメッセージを復号化するか、または（２）進化型信号処理を実行して、多くのパスのうちの１つを選択し、メッセージを復号化する、ことができる。

明確にするために、一次パスに対応する壁ノードは、同時に送信し、冗長パスに対応する壁ノードは、同時に送信する。一方、一次パスおよび冗長パスの送信は、互いに独立することができる。

メッセージを同じチャネルを介して複数回再送信し、メッセージ受信の成功確率および全体的なシステム信頼性を高めることができることに留意されたい。

同様に、かごノードからコントローラノードへのＵＬメッセージは、図５の破線で示した２つの独立パスにわたって送信される。

アップリンク送信中、かごノードが送信するとき、複数の壁ノードが独立して送信信号のコピーを受信することができる。この場合、壁ノードは、送信の全ての受信したコピーをコントローラに中継する。

複数のシャフトのための周波数配分
図６Ａに示すように、多くの建物がエレベータシステム群を備え、このエレベータシステム群では、複数のかごが隣接するシャフト内を互いに隣接して走行する。通常、シャフトは、建物の中心部内の１つの大きなオープンスペース内に配置される。すなわち、各シャフトは、主に、かごが進行するガイドレールを備え、残りはオープンスペースである。隣接するシャフトのコントローラ１０１は、群コントローラ６１０と相互接続される。

エレベータシステム群において、隣接するシャフト内に設置された様々なノード間の無線通信は、互いに干渉する可能性がある（６０１）。周波数配分を用いて性能を改善することができる。

いくつかの国では、ある特定の電波周波数帯域について２つの周波数チャネルしか許可されていない。図６Ａにおいて、この場合の周波数割当てを示している。シャフトが（壁ノードからの）下方向送信にｆ_１を用い、上方向送信にｆ_２を用いるとき、隣接するシャフトは、２つの周波数の使用を反転し、上方向送信にｆ_１を用い、下方向送信にｆ_２を用いる。図６Ａにおいて、２つの壁ノードの送信は、互いに干渉する可能性があることに留意されたい。

無線ローカルエリアネットワークのためのＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ標準規格は、追加の周波数を可能にする。周波数帯域において４つの周波数チャネルを選択することができる場合、周波数割当てを、図６Ｂに示す割当てに変更することができる。隣接するシャフトは、完全に異なる周波数を用い、上方向および下方向の周波数割当ては、隣接するシャフトについて交換される。

共有バックボーン
バックボーン１３０（図１を参照されたい）が大きな容量を有する場合、複数のバックボーンの機能を１つに組み合わせることが可能である。メッセージのソースおよび宛先を識別するのに追加のプロトコルオーバヘッドが必要とされるが、統合されたバックボーンによって、隣接する壁ノードを組み合わせて、干渉除去を実施することが可能になる。図７を参照されたい。

１つのシャフトのかごおよび別のシャフトの壁ノードからの双方の下方向送信が周波数ｆ_２７０１を用い、かごにサービス提供している壁ノードは、周波数ｆ_２で送信を受信する。２つの送信は、互いに対する干渉を引き起こす。

一方、共有バックボーンを用いると、隣接するシャフトの壁ノードの送信は、同じバックボーンを介して送信される。このため、送信は、双方のシャフトにおいて壁ノードに知られている。壁ノードは、次にこの情報を用いて隣接する壁ノードからの無線送信を中止することができる。

Claims (15)

1. 輸送システム内の安全システムのためのネットワークであって、
   前記輸送システムは、シャフトおよび前記シャフト内に配置されたかごであって、前記シャフトは、比較的狭く細長い密閉空間であり、前記シャフトは、定位置に固定されており、前記かごは、前記シャフト内で移動可能であり、前記かごは、実質的に前記シャフトの断面を埋める、シャフトおよび前記シャフト内に配置されたかごと、
   前記シャフト内に配置された１組の壁ノードであって、各壁ノードは、定位置に固定されており、前記１組の壁ノードは、前記シャフトの第１の端部にある第１の壁ノードと、前記シャフトの第２の端部にある第２の壁ノードと、中継ノードとして間にある他の壁ノードとを含み、各壁ノードは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも１つの無線送受信機を備え、各壁ノードは、安全メッセージのソースまたはシンクである、１組の壁ノードと、
   前記かご上に配置された１組のかごノードであって、各かごノードは、１つまたは複数のアンテナに接続された少なくとも２つの無線送受信機を備え、各送受信機は、送信機および受信機を備え、各かごノードは、前記安全メッセージの前記ソースまたは前記シンクとすることができ、前記第１の送受信機は、第１の周波数を用い、前記第２の送受信機は、第２の周波数を用いて、各安全メッセージを複製して通信する、１組のかごノードと、
   前記１組の壁ノードを前記輸送システムの前記安全システムのコントローラに接続する有線バックボーンと、
   を備える、輸送システム内の安全システムのためのネットワーク。
2. 前記周波数は、工業、科学、および医療（ＩＳＭ）電波帯域内で選択される、
   請求項１に記載のネットワーク。
3. 前記バックボーンは、少なくとも２つのファイバー、すなわち前記コントローラから前記壁ノードへのダウンリンク用の第１のファイバーおよび前記壁ノードから前記コントローラへのアップリンク用の前記第２のファイバーを含む、ライザーが段階的な光ファイバーケーブルである、
   請求項１に記載のネットワーク。
4. 前記シャフトの長さは、実質的に１０メートルよりも大きい、
   請求項１に記載のネットワーク。
5. 前記シャフトは、独立して移動する複数のかごを含む、
   請求項１に記載のネットワーク。
6. 前記第１の壁ノードと、前記第２の壁ノードとの間の距離は、１００メートルよりも大きい、
   請求項１に記載のネットワーク。
7. 前記輸送システムは、複数のシャフトを含み、各シャフトは、１つまたは複数のかごを含む、
   請求項１に記載のネットワーク。
8. 各壁ノードは、ダウンリンクバックボーン信号を複製することで、前記信号は、全ての無線送受信機に通信され、前記信号は、バックボーンを介して別の壁ノードに中継される、
   請求項１に記載のネットワーク。
9. ダウンリンク信号およびアップリンク信号の双方が、少なくとも２つの独立した無線チャネルを介して送受信される、
   請求項１に記載のネットワーク。
10. 前記コントローラからの各安全メッセージは、複数の壁ノードによって同時に再送信され、各かごノードは、全ての前記受信した安全メッセージを結合することによって前記安全メッセージを復号化する、
    請求項１に記載のネットワーク。
11. 前記コントローラからの各安全メッセージは、複数の壁ノードによって同時に再送信され、各かごノードは、受信した前記安全メッセージのうちの１つを選択することによって前記安全メッセージを復号化する、
    請求項１に記載のネットワーク。
12. 各かごノードからの送信は、複数の壁ノードによって受信され、前記壁ノードは、全ての受信したコピーを、前記バックボーンを介して前記コントローラに送信する、
    請求項１に記載のネットワーク。
13. 前記バックボーンは、前記複数のシャフト内の前記壁ノードを接続する、
    請求項７に記載のネットワーク。
14. 前記周波数は、ミリメートル波帯域内で２４ＧＨｚ、２５ＧＨｚ、または６０ＧＨｚにおいて選択される、
    請求項２に記載のネットワーク。
15. 前記周波数は、６ＧＨｚ未満の帯域内で２．４ＧＨｚまたは５．６ＧＨｚにおいて選択される、
    請求項２に記載のネットワーク。

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