JP2014032072A

JP2014032072A - ケーブル診断装置

Info

Publication number: JP2014032072A
Application number: JP2012171956A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kuwabara; 崇桑原; Yoshihiro Akeboshi; 慶洋明星
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】有線のケーブルを用いたＴ型終端等価回路において、ネットワークの複数箇所の故障診断を行うことができるケーブル診断装置を提供する。
【解決手段】３つのインピーダンス素子のＴ型終端等価回路で終端されるケーブルのケーブル診断装置１１であって、ケーブルに対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と３つのインピーダンス素子が取りうる値とを対応させたインピーダンス一覧表を格納するインピーダンステーブル格納部１４と、ＴＤＲ計測器１の計測部１０が測定した上記各々のインピーダンスとの収束値と、インピーダンステーブル格納部１４に格納されている前記一覧表とを照合するインピーダンス判断部１３と、それらの照合結果から３つのインピーダンス素子の状態を決定する状態決定部１５と、決定された状態から複数箇所の故障診断するケーブル状態診断部１６とを備える。
【選択図】図３

Description

この発明は、有線のケーブルを用いたネットワークの故障を診断するケーブル診断装置に関するものである。

有線ネットワークにおいては、ケーブルの状態が伝送品質に影響する。例えばケーブルの簡単な異常例としてはショート(短絡)や断線（開放）がある。そこで、ケーブル診断方法の一つとして、ＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法と呼ばれる方法がある。

例えば、特許文献１には、測定対象物に所定のパルスを送出して反射パルスを用いることが試みられており、正常時とのパルス反射時間の差を見て断線状態を判断する手法が開示されている最も基本的なＴＤＲ法を用いたアイデアが開示されている。また、特許文献２には、反射信号が予め用意された正常範囲を示す上限値や下限値を超えたら信号線が異常であることを知らせる手法が開示されている。さらに、特許文献３には、ＴＤＲ法を用いて、故障モードと仮想の故障位置を自動的に変更しながら、演算された反射波形と実測された反射波形とを自動的に比較し、一定条件での一致がとれたときにその故障モードおよび仮想の故障位置を表示することにより、人手を介入することなく、かつ人為的な誤差を招くことなく、故障位置を推定する手法が開示されている。

上述の特許文献１では、断線箇所しか特定できない問題があり、人手による介在が必要であり、人為的な測定誤差を生じる可能性が起きるという問題があった。これに対し、上述の特許文献２，３では、故障判定は自動化されている。しかしながら、測定対象が初めから故障を抱えている場合を想定していないという問題があり、正常時の測定データが必要であった。また、特許文献１〜３では、複数箇所で起きている故障を検知できず、単一故障しか検知できないという問題があった。
これに対し、非特許文献１には、差動信号線路と終端抵抗から構成されるネットワークをπ型終端等価回路で表すことにより断線と短絡の複合故障を見つける手法が開示されている。

特開平０１−１７６９５９号公報特開２０１１−１８５６５５号公報特開平０２−２３４５２１号公報

電子情報通信学会総合大会２０１１年予稿集Ａ−９−３

しかしながら、例えば非特許文献１のような従来例では、複数箇所で起きている故障を検知できたとしても、想定されうるインピーダンス素子の組み合わせパターンに冗長性が多いため、インピーダンス素子の組み合わせパターンを保存するデータ格納部（メモリ等の記憶領域）を多く必要とするという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、有線のケーブルを用いたＴ型終端等価回路において、インピーダンス素子の取りうる組み合わせパターンを記憶する領域を小さくしてネットワークの複数箇所の故障診断を行うことができるケーブル診断装置を提供することを目的とする。

この発明に係るケーブル診断装置は、３つのインピーダンス素子とケーブルを介して接続されるＴ型終端等価回路のＴＤＲ計測器のケーブル診断装置であって、前記ケーブルに対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と前記３つのインピーダンス素子が取りうる値とを対応させたインピーダンス一覧表を格納するインピーダンステーブル格納部と、前記ＴＤＲ計測器の計測部が測定した前記ケーブルに対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と、前記インピーダンステーブル格納部に格納されているインピーダンス一覧表とを照合するインピーダンス判断部と、前記インピーダンス判断部で照合された前記収束値の照合結果から前記３つのインピーダンス素子の状態を決定する状態決定部と、前記状態決定部で決定された前記３つのインピーダンス素子の状態から複数の故障箇所と故障状態を診断するケーブル状態診断部とを備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、従来のようなπ型終端等価回路の場合よりも、想定されうるインピーダンス素子の組み合わせパターンが少なくなることにより、想定されうるインピーダンス素子の組み合わせテーブルを格納するメモリ等の記憶領域を少なくでき、ケーブル診断装置を縮小化することができる。

この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器と３つのインピーダンス素子がケーブルによって接続されたＴ型終端等価回路の構成図である。ＴＤＲ計測器をネットワークに接続した一般的な構成図である。この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置が参照する４つのＴＤＲ測定結果と３つのインピーダンス素子値とインピーダンス素子故障数の対応表である。この発明の実施の形態２に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。３値変換部において、ＴＤＲ観測結果が０、∞、Ｎの３値に絞られた場合のケーブル状況パターンの対応表である。この発明の実施の形態３に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。この発明の実施の形態４に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。この発明の実施の形態５に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器が接続されたネットワークの構成図である。この発明の実施の形態６に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。非特許文献１のπ型終端回路を持つモデルである。非特許文献１のアイデアで使われる５つのインピーダンス素子が取り得る４８通りのネットワーク状況対応表である。非特許文献１のアイデアで使われる４つの特定インピーダンスＺｃｏｍｍ、Ｚｄｉｆｆ、Ｚｐ、Ｚｎが取り得る値の組み合わせ表である。

以下、この発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器と３つのインピーダンス素子がケーブルによって接続されたＴ型終端等価回路の構成図である。
図２は、ＴＤＲ計測器をネットワークに接続した一般的な構成図である。
図２に示すように、ＴＤＲ計測器１は通常ネットワークの端に設置される。
ＴＤＲ計測器１内には差動信号線２１に対してＴＤＲ計測をするための波源９１と、差動信号線２２に対してＴＤＲ計測をするための波源９２が内蔵されている。図２では、１本のケーブル２に通信端末４が端子台４１を通じて多点接続され、ケーブル２は２本１組の差動信号線２１，２２と１本のシールド線２３から構成されており、ケーブル２の終端には終端抵抗２４が接続されている。ＴＤＲ計測を行わない通常の信号をやりとりしている場合は、ＴＤＲ計測器１の位置に差動信号線２１と差動信号線２２を接続する形で終端抵抗２４が接続されている。差動信号線２１，２２の特性インピーダンスは、例えば通常単線ではＲ[Ω]とする。

図２に示すような一般的なネットワークを、この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器と３つのインピーダンス素子がケーブルによって接続されたＴ型終端等価回路で表すと図１のような３つのインピーダンス素子１０４〜１０６と、それらを接続する差動信号線２１，２２に接続される電源９１１，９２１の２電源を持つ差動伝送路と考えることができる。

図１２は、非特許文献１のπ型終端回路を持つモデルである。比較対象として図１２を示す。図１２のπ型終端回路では、５つのインピーダンス素子１１１〜１１５が接続されている点が図１とは異なる。図１において、プラスのステップ波を出力する電源９１１及び内部抵抗９３１と、マイナスのステップ波を出力する電源９２１及び内部抵抗９３１から、それぞれインピーダンス素子１０４とインピーダンス素子１０５が接続されており、インピーダンス素子１０４とインピーダンス素子１０５の間にはインピーダンス素子（シールド線２３と繋がるグラウンド接続パーツ）１０６が接続されている。

正常状態では、インピーダンス素子１０４とインピーダンス素子１０５は差動信号線２１，２２と同じ特性インピーダンスを持つ抵抗値（例えばＲ[Ω]）であり、インピーダンス素子１０６は開放状態（∞[Ω]）である。すなわち、インピーダンス素子１０４とインピーダンス素子１０５の二つがそれぞれＲ[Ω]でかつ、インピーダンス素子１０６が開放（∞[Ω]）のとき、正常状態と言える。

図３は、この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。
図３において、ＴＤＲ計測器１は、計測部１０とケーブル診断装置１１を備える。また、ケーブル診断装置１１は、インピーダンス判断部１３、インピーダンステーブル格納部１４、状態決定部１５及びケーブル状態診断部１６を備えている。
ＴＤＲ計測器１の計測部１０は、差動信号線２１，２２に対しての４つの特性インピーダンス（差動モードインピーダンスＺｄｉｆｆ、コモンモードインピーダンスＺｃｏｍｍ、２本の差動信号線２１，２２に対する複数のシングルエンドインピーダンスＺｐ，Ｚｎ）を測定し、収束値にしてインピーダンス判断部１３に送る。

ケーブル診断装置１１のインピーダンステーブル格納部１４は、ケーブル２に対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と３つのインピーダンス素子１０４〜１０６が取りうる値とを対応させたインピーダンス一覧表を格納する。
ケーブル診断装置１１のインピーダンス判断部１３は、ＴＤＲ計測器１の計測部１０が測定したケーブル２に対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と、インピーダンステーブル格納部１４に格納されているインピーダンス一覧表とを照合する。
ケーブル診断装置１１の状態決定部１５は、インピーダンス判断部１３で照合された収束値の照合結果から３つのインピーダンス素子１０４〜１０６の状態を決定する。
ケーブル診断装置１１のケーブル状態診断部１６は、状態決定部１５で決定された３つのインピーダンス素子１０４〜１０６の状態から複数の故障箇所と故障状態、すなわちどこでどのような故障（短絡、断線）が起きているかを診断する。

図４は、この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置が参照する４つのＴＤＲ測定結果と３つのインピーダンス素子値とインピーダンス素子故障数の対応表である。すなわち、この図４に示す対応表が、インピーダンステーブル格納部１４に格納されているインピーダンス一覧表であり、インピーダンス判断部１３が、差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値との照合を行うインピーダンス一覧表である。

図４の左側（素子１０４から素子１０６の列）には、故障ではない短絡状態を“０”、故障ではない開放状態を“∞”、伝送線路の特性インピーダンス値をＲと示しており、故障状態の場合を“開放”や“短絡”と示している。なお、同相（同符号）のステップ状電圧を印加するコモンモードでコモンモードインピーダンスを測定するときのみ、マイナスのステップ波を出力する電源９２１の代わりにプラスのステップ波を出力する電源９１１が設置されるため、プラスのステップ波を出力する電源９１１が２個設置されることになる。

図４に示すインピーダンス表と測定値との照合にあたっては、例えば４つのＴＤＲ測定結果の値のプラスマイナス１０％の間に図４に示すインピーダンス表の値が収まっていれば、インピーダンス表の値と測定値が対応しているとみなす。ただし、１０％とは例えばの値であり、２０％でもそれ以外でも良い。また、インピーダンス素子の数により、４つのＴＤＲの測定結果の組み合わせは何通りも考えられるが、実際には図４の一番右の列に示す２０パターンしか取りえない。例えば、図４に示すように、インピーダンス素子１０４〜１０６に着目すると、３素子が３通りの値を取るので、３の３乗で２７通りのインピーダンス値の組み合わせがあるのだが、図４の一番右の列に示す通り２７パターン中２０パターンの識別が可能となり、冗長性が低く多種な故障判別が可能となる。

図１２は、非特許文献１のアイデアで使われる５つのインピーダンス素子が取り得る４８通りのネットワーク状況対応表である。
非特許文献１のような従来のπ型終端等価回路では、図１２に示すように、想定されるインピーダンス素子値のパターン数が４８パターンもあったが、この実施の形態１に係るケーブル診断装置１１と接続されたＴ型終端等価回路では、図４に示すように、インピーダンス素子１０４〜１０６が取り得るパターンは２７パターンに減ったため、パターン数が削減されたことにより、ケーブル診断装置１１で組み合わせパターンを記憶するインピーダンステーブル格納部１４の縮小化が見込める。

以上のように、この発明の実施の形態１に係るケーブル診断装置１１は、π型終端等価回路の場合よりも想定され得るインピーダンス素子１０４〜１０６の組み合わせパターンが少なくなることにより、参照テーブルを格納するメモリ等の記憶領域を少なくでき、装置の縮小化をはかれる。

また、ケーブル診断をＴＤＲ計測器１が行うことにより、故障診断が簡単になる。すなわち、計測器が上記のように故障内容を判断するため、機械が故障を判断でき、計測初心者でもケーブル診断できる。また、予め正常時のデータを必要としない。この実施の形態１に係るケーブル診断装置１１によれば、複数箇所にて起きている故障の判別ができるだけでなく、インピーダンス値を正確に読み取る必要が無いため測定の個人差や誤差が生じることも無い。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。
実施の形態１で説明したものと同様の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
以下に示す実施の形態２では、実施の形態１と比べて４つのＴＤＲ測定結果を３値に変換する３値変換部１２が追加されている。
図５において、３値変換部１２は、ＴＤＲ計測器１の計測部１０が測定したケーブル２に対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値を３値に変換する。すなわち、３値変換部１２は、収束値を、その入力値に応じて０または∞またはＮ（０と∞以外の任意の正の値）の有限の値に変換する。

また、実施の形態２では、インピーダンス判断部１３は、インピーダンス３値テーブル格納部１４１に格納されているインピーダンス一覧表を参照して、３値変換部１２によって有限の値に変換された収束値との比較を行う。ここで、インピーダンス３値テーブル格納部１４１は、実施の形態１におけるインピーダンステーブル格納部１４同様、インピーダンス一覧表を格納するが、実施の形態２においては、収束値が３値に変換されたインピーダンス一覧表を格納するという点でインピーダンステーブル格納部１４と区別するため、インピーダンス３値テーブル格納部１４１としている。

図６は、３値変換部１２において、ＴＤＲ観測結果が０、∞、Ｎの３値に絞られた場合のケーブル状況パターンの対応表である。すなわち、この図６に示す対応表が、インピーダンス３値テーブル格納部１４１に格納されているインピーダンス一覧表であり、インピーダンス判断部１３が、３値変換部１２によって有限の値に変換された差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値との照合を行うインピーダンス一覧表である。
４つのＴＤＲ測定結果が３パターン（０、∞、Ｎ：０と∞以外の任意の正の値）を取り得るために、３の４乗の８１パターンの測定結果が考えられるが、実施の形態１における図４の場合と同様、Ｚｃｏｍｍ，Ｚｄｉｆｆ，Ｚｐ，Ｚｎのパターンには重複するものが多数存在するため、実際のＴＤＲ観測結果は図６に示した１２通りしかない。

ここで、図１３は、非特許文献１のアイデアで使われる４つの特定インピーダンスＺｃｏｍｍ、Ｚｄｉｆｆ、Ｚｐ、Ｚｎが取り得る値の組み合わせ表である。非特許文献１において、４つのインピーダンスが実際に取りうる主なパターンは、図１３に示す１１パターンとなる。
図６を図１３と比較すると、インピーダンス素子の数を非特許文献１に示す５つから３つに減らしたにも関わらず、４つの特定インピーダンスの測定結果の取り得るＴＤＲ測定パターン数は１１パターンから１２パターンへと増えている。（ＴＤＲ測定Ｎｏ．３２とＮｏ．４１が増えて、測定Ｎｏ．５５の∞、０、０、０のＴＤＲ測定パターンが無くなっている。）
しかしながら、検出パターンが１パターン増えることにより区別できるパターンも１パターン増えることになるので検出の幅が広がる。

ただし、ここで注意したいのは、例えば３素子のインピーダンスが全部∞の場合、図６では１０４のみが故障（開放）と表しているが、これに特定できるわけではなく、このとき例えばインピーダンス素子１０６も故障（開放）である可能性があり、差動信号線２１の断線かどうかが特定できない場合もあり得る。

図６において、ＮＯ．１のＴＤＲ測定パターンであるとき、考えられるネットワーク状況は１通りのみである。また、ＮＯ．３８のＴＤＲ測定パターンであるときも、考えられるネットワーク状況は１通りのみである。途中を省略して、図６の最終行であるNo.８１のＴＤＲ測定パターンのときは、考えられるネットワーク状況は７通りとなる。

以上のように、この実施の形態２によれば、インピーダンス素子１０４〜１０６が３つの場合で、かつ４つのＴＤＲ測定結果を３値に限定させても、短絡と開放が混在した故障を見つけられることができ、参照テーブルを格納するメモリ等の記憶領域を少なくでき、装置の縮小化をはかれる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。
実施の形態１，２で説明したものと同様の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
以下に示す実施の形態３では、実施の形態１と比べて、記憶部１７が付加されている。
記憶部１７は、ケーブル状態診断部１６が出力する故障箇所情報と故障状態情報を蓄積する。
以上のように、この実施の形態３によれば、上述の効果に加え、故障箇所情報と故障状態情報を蓄積することにより、故障が複数回起きた場合に、どの故障が何回起きたかという発生頻度を知ることができる。
なお、記憶部１７を、実施の形態２における図５に示すケーブル診断装置１１に付加するようにしてもよいことは言うまでもない。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。
実施の形態１〜３で説明したものと同様の構成には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
以下に示す実施の形態４では、実施の形態３と比べて、異常表示部１８が付加されている。
異常表示部１８は、ケーブル状態診断部１６の出力する故障箇所情報と故障状態情報を受けて、診断結果が異常であることを知らせる。例えばアラームが鳴ったり照明が光ったりする。また、異常表示部１８は、画面に異常である旨のメッセージを表示することもできる。

異常表示部１８が入力する情報は、記憶部１７からの出力信号としても良い。すなわち、異常表示部１８は、記憶部１７に蓄積してある故障箇所情報と故障状態情報を受信し、過去の差動信号線２１，２２の故障箇所や故障状態等の故障情報を知らせるようにすることもできる。

以上のように、この実施の形態４によれば、上述の効果に加え、観測者は診断結果が異常であることを知ることができる。
なお、異常表示部１８を、実施の形態１における図３に示すケーブル診断装置１１に付加しても、実施の形態２における図５に示すケーブル診断装置１１に付加してもよいことは言うまでもない。

実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器が接続されたネットワークの構成図である。
図１０は、この発明の実施の形態５に係るケーブル診断装置を備えたＴＤＲ計測器の構成図である。
以下に示す実施の形態５では、実施の形態１〜４と比べてＴＤＲ計測器１の設置位置が異なり、ＴＤＲ計測器１が、ケーブル診断機能を備えた通信端末３内に搭載されている。また、以下に示す実施の形態５では、実施の形態１と比べて、通信制御部１９が付加されている。

通信制御部１９は、ケーブル状態診断部１６の結果を受信して図１０に示す通信端末３の中にある通信用コンピュータ３１の制御を行う。
以上のように、この実施の形態５によれば、異常時における通信の制御を行うことができる。
なお、通信制御部１９を、実施の形態２における図５に示すケーブル診断装置１１に付加しても、実施の形態３における図７に示すケーブル診断装置１１に付加しても、実施の形態４における図８に示すケーブル診断装置１１に付加してもよいことは言うまでもない。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ＴＤＲ計測器、１０計測部、１１ケーブル診断装置、１２３値変換部、１３インピーダンス判断部、１４インピーダンステーブル格納部、１５状態決定部、１６ケーブル状態診断部、１７記憶部、１８異常表示部、１９通信制御部、１０４，１０５，１０６インピーダンス素子、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５ π型モデルのインピーダンス素子、１４１インピーダンス３値テーブル格納部、２ケーブル、２１，２２差動信号線、２３シールド線、２４終端抵抗、３，４通信端末、３１通信用コンピュータ、４１端子台、９１，９２波源、９１１プラスのステップ波を出力する電源、９２１マイナスのステップ波を出力する電源、９３１内部抵抗。

Claims

３つのインピーダンス素子とケーブルを介して接続されるＴ型終端等価回路のＴＤＲ計測器のケーブル診断装置であって、
前記ケーブルに対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と前記３つのインピーダンス素子が取りうる値とを対応させたインピーダンス一覧表を格納するインピーダンステーブル格納部と、
前記ＴＤＲ計測器の計測部が測定した前記ケーブルに対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値と、前記インピーダンステーブル格納部に格納されているインピーダンス一覧表とを照合するインピーダンス判断部と、
前記インピーダンス判断部で照合された前記収束値の照合結果から前記３つのインピーダンス素子の状態を決定する状態決定部と、
前記状態決定部で決定された前記３つのインピーダンス素子の状態から複数の故障箇所と故障状態を診断するケーブル状態診断部と
を備えたことを特徴とするケーブル診断装置。
前記ＴＤＲ計測器の計測部が測定した前記ケーブルに対しての差動モードインピーダンスとコモンモードインピーダンスと複数のシングルエンドインピーダンスとの収束値を３値に変換する３値変換部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のケーブル診断装置。
前記ケーブル状態診断部が出力する故障箇所情報と故障状態情報を蓄積する記憶部をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のケーブル診断装置。
前記ケーブル状態診断部もしくは前記記憶部が出力する故障箇所情報と故障状態情報を受けて、診断結果が異常であることを知らせる異常表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載のケーブル診断装置。
通信端末の通信用コンピュータの制御を行う通信制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のケーブル診断装置。