JP2015165755A - 列車位置検出装置及び列車位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドップラーレーダー型のセンサを利用して列車の速度及び位置を検出する精度を向上させる技術を提供する。
【解決手段】列車１は、底面２にドップラーレーダー型センサ２０を備える。ドップラーレーダー型センサ２０は、道床に対し所定の傾斜角をつけて設置されている。列車１はドップラーレーダー型センサ２０で検出した速度成分をもとに列車１の水平方向の速度、つまり進行速度を推定する速度算出部１０を備える。速度算出部１０は、斜め前方照射方向の照射された送出波に対する反射波をもとに距離情報及び速度情報を算出し、ドップラーレーダー型センサ２０を設置した際の設置高度情報より、列車速度を推定する。位置情報部１５の位置推定部１６は、列車速度の傾向に特徴点が生じる地点と位置情報記録部１７の情報を照合し、列車１の位置を特定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、列車位置検出装置及び列車位置検出方法に係り、特に、ドップラーレーダー型のセンサを利用した列車の速度を検出する列車速度計測方法を用いた列車位置検出装置及び列車位置検出方法に関する。

列車の速度検出としては車輪の回転を検出して算出する方法が知られている。従来の手法では、速度と経過時間から列車の移動距離を求め、さらに積算する事で列車位置を確定させている。しかし、車輪の空転、滑走が発生する事により計測速度に誤差が発生する。また、列車走行により車輪が摩耗する事で車輪径が変化していくため、計測速度に誤差が発生する。近年、列車に搭載する車上装置が自列車の位置を認識し、与えられた列車制御信号と比較する事で、自列車の停止目標位置を確定させる等の技術が求められている。この場合、車上装置で自列車位置を正確に認識する事が非常に重要となる。そのため列車に搭載する新たな列車位置検出装置が求められていた。

そのような技術として、例えば、ドップラーレーダー型のセンサを利用した列車の速度を検出する列車速度検出装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。具体的には、ミリ波の送受信アンテナを備えた装置を車両の床下に設置した状態で、軌道に向けてミリ波を照射し反射波を取得する。ドップラー効果を利用して車両の速度を算出している。この列車速度検出装置をもとに自列車位置を求めるている。

笠井 貴之等、「ミリ波を用いた非接触式速度計の開発」、鉄道サイパネ・シンポジウム論文集通号４９、２０１２年１１月

ところで、センサの道床に対する傾斜角を用いて、センサから得られた斜め方向の速度成分を補正する方法では、センサがずれて傾斜角に狂いが生じた場合や、センサの検知エリアが広がっている場合、例えば、レーザーのようなビームではない場合、速度推定誤差が大きくなるという課題がある。

図１に、検知エリアが線で無いセンサ（例えば、ドップラーレーダセンサ）を使用して、速度成分を推定する場合における、レーダー波の広がり状況を示す。図示のように、その推定速度成分には広がり分の誤差がある。実線で示す矢印がレーダセンサの中心、その周りの破線で示す矢印が広がりを示している。そのままでは図中の範囲のどの位置で反射した反射波を検出しているかが不明なため誤差が発生している可能性がある。

特に列車の位置検出に関しては、列車の速度情報が非常に重要であり、速度情報の誤差が累積していった場合に円滑な列車運行に支障を来すおそれもあり、対策の技術が必要とされていた。特に、列車運行間隔が短い場合には安全性の観点から非常に精度の高い速度検出が必要であり、ドップラーレーダー型のセンサを利用した列車の速度を検出する列車速度検出装置を用いた列車位置検出装置の導入にあたり、非常に大きな課題となっていた。

非特許文献１に開示の技術では、上述同様の傾斜角の狂いについては十分な考慮がなされておらず別の技術が必要とされていた。

本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。

本発明の列車位置検出装置は、道床に対して所定の傾斜角を送出波の照射方向として列車の底部に設置されたドップラーレーダー型のセンサと、前記センサによって算出される反射位置までの距離と、前記センサが設置されている高度とから、前記送出波の前記反射位置の方向の実際の角度を算出する実傾斜角算出部と、前記実傾斜角算出部によって算出された前記角度と前記センサが検出した速度情報とから、前記列車の速度を算出する列車速度算出部と、前記列車速度算出部の算出した速度の特徴点を特定する特徴点抽出部と、前記特徴点が発現すると想定される位置を予め保持する位置情報記録部と、前記特徴点と前記位置情報記録部の位置とから、列車の位置を推定する位置推定部とを備える。
また、前記位置推定部は、前記特徴点をもとに、前記送出波が反射した道床の状態を検出してもよい。
本発明の列車位置検出方法は、道床に対して所定の傾斜角を送出波の照射方向として列車の底部に設置されたドップラーレーダー型のセンサによって算出される反射位置までの距離と、前記センサが設置されている高度とから、前記送出波の前記反射位置の方向の実際の角度を算出する実傾斜角算出工程と、前記実傾斜角算出工程によって算出された前記角度と前記センサが検出した速度情報とから、前記列車の速度を算出する列車速度算出工程と、前記列車速度算出工程の算出した速度の特徴点を特定する特徴点抽出工程と、
前記特徴点と、前記特徴点が発現すると想定される位置を記録したデータとを照合して、列車の位置を推定する位置推定工程とを備える。

本発明によると、ドップラーレーダー型のセンサを利用した列車の速度検出と列車の位置の特定の精度を向上させる技術を提供できる。

背景技術に係る、検知エリアが線で無いセンサを使用して、速度成分を推定する場合における、レーダー波の広がり状況を模式的に示す図である。 本実施形態に係る、列車１の構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る、列車の底面にドップラーレーダー型のセンサを道床に対し傾斜角をつけて設置して列車速度（本推定速度）を計測する原理を説明する図である。 本実施形態に係る、列車の底面にドップラーレーダー型のセンサを道床に対し傾斜角をつけて設置して列車速度（比較推定速度）を計測する原理を説明する図である。 本実施形態に係る、本推定速度、比較推定速度及びＧＰＳ速度の実地検証実験結果を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

図２は、本実施形態に係る列車１の構成を示す機能ブロック図であり、ここでは、速度算出機能に着目して示している。

列車１は、底面２にドップラーレーダー型センサ２０を備える。ドップラーレーダー型センサ２０は、道床９０に対し所定の傾斜角θをつけて設置されている。したがって、ドップラーレーダー型センサ２０は、斜め方向の速度成分を検出する。つまり、送出波の送出方向を所定の傾斜角θの方向とする。

さらに、列車１はドップラーレーダー型センサ２０で検出した速度成分をもとに列車１の水平方向の速度、つまり進行速度を推定する速度算出部１０と、速度算出部１０で推定した速度をもとに列車１の位置を特定する位置情報部１５を備える。なお従来は、軌道９１を転動する車輪の車軸の回転数及び車輪径をもとに速度を算出していた。

速度算出部１０は、後述する算出手法により、斜め前方照射方向の照射された送出波に対する反射波をもとに距離情報ＲＨ_Ｐｋ及び速度情報Ｖ_Ｐｋを算出し、ドップラーレーダー型センサ２０を設置した際の設置高度情報ｈより、列車速度ＲＶ１（本推定速度）を推定する。つまり、ドップラーレーダー型センサ２０及び速度算出部１０により、従来の速度計と同様の機能が実現される。

具体的には、速度算出部１０は、実傾斜角算出部１１及び列車速度算出部１２を備える。実傾斜角算出部１１は、ドップラーレーダー型センサ２０により得られる距離情報ＲＨ_Ｐｋと設置時のドップラーレーダー型センサ２０の高さ（設置高度ｈ）とから道床９０に対する実際の送出波及び反射波の傾斜角（チルト角θ_Ｐｋ）を算出する。

列車速度算出部１２は、実傾斜角算出部１１が算出したチルト角θ_Ｐｋとレーダーの速度情報Ｖ_Ｐｋより、それぞれの速度情報の水平成分ＶＨ_Ｐｋを推定し、さらにそれらの相加平均を列車速度ＲＶ１として推定する。推定された列車速度ＲＶ１とは、例えば速度計等に表示される。

位置情報部１５は、速度算出部１０で推定された列車速度ＲＶ１をもとに列車１の位置、つまり現在地を特定する。そのため、位置情報部１５は、位置推定部１６と位置情報記録部１７と特徴点抽出部１８とを備える。

上述のように、速度算出部１０は、ドップラーレーダー型センサ２０の高さ（設置高度ｈ）と速度情報Ｖ_Ｐｋとをもとに実際の傾斜角（チルト角θ_Ｐｋ）を反映させて速度を検出している。その結果、反射面である道床９０の状態に変化があると、つまり、設置高度ｈと異なる高さの道床９０となると、推定された列車速度ＲＶ１のグラフに特徴的な傾向（以下、「特徴点」という。）が生じる。

例えば、踏切では、横断する車や人のために軌道と道路が同じ高さとなるため、反射面（道床９０）が軌道９１の高さに略一致することになることから、設置高度ｈを用いると検出する速度に特異な値が表れる。また、鉄橋など道床の無い橋梁では、反射面が通常の道床より低い鉄橋や鉄橋下の河川敷などになるため、反射面（道床９０）が低くなることから、設置高度ｈを用いると検出する速度に特異な値が表れる。特徴点抽出部１８が、特異な値を特徴点として抽出する。なお、特徴点については、後述の図５の検証実験結果に具体例を示す。一方、踏切や鉄橋の位置や長さは予め正確に分かっている。そこで、位置情報記録部１７は、踏切や鉄橋の位置や長さを記録している。位置推定部１６は、特徴点抽出部１８が抽出した特徴点が発生している地点と位置情報記録部１７とを照合することで、列車１の位置を正確に特定する。

図３を参照して、本実施形態における基本的な速度検出方法（本推定速度）を具体的に説明する。ここではドップラーレーダー型センサ２０のアンテナ中心Ｃから反射面である道床９０に所定のチルト角θ_Ｐｋで送出波が照射されて反射波としてドップラーレーダー型センサ２０に戻るものとする。

式（１）に示すように、検出サンプリングそれぞれの距離情報ＲＨ_Ｐｋを用いて、それぞれのチルト角θ_Ｐｋを推定する。但し、添え字Ｐｋをそのサンプル番号とする。設置高度情報ｈは、道床９０からドップラーレーダー型センサ２０のアンテナ中心Ｃからまでの高さである。

つぎに、式（２）に示すように、式（１）で求めたチルト角θ_Ｐｋとドップラーレーダー型センサ２０の速度情報Ｖ_Ｐｋより、それぞれの速度情報Ｖ_Ｐｋの水平成分ＶＨ_Ｐｋを推定する。

式（３）に示すように、式（２）で求めた水平成分ＶＨ_Ｐｋの所定期間の相加平均を取り、その相加平均を列車速度ＲＶ１とする。

つづいて、図４を参照して、図１で示した背景技術において用いられている算出手法による比較推定速度の推定方法を説明する。

ここではドップラーレーダー型センサ２０により推定された速度情報Ｖ_Ｐｋと、ドップラーレーダー型センサ２０を底面２に設置した際に設定した送出波の送出方向であるチルト角情報θ（固定値；例えば４５°）より、列車速度ＲＶ２を推定する。

式（４）に示すように、速度情報Ｖ_Ｐｋとチルト角情報θより、検出サンプリングそれぞれの速度情報Ｖ_Ｐｋの水平成分ＶＨ_Ｐｋを推定する。但し、添え字Ｐｋをそのサンプル番号とする。上述の式（２）との違いはｃｏｓθが固定値である点にある。

次に、式（５）に示すように、式（４）で求めた水平成分ＶＨ_Ｐｋの所定期間の相加平均を取り、その相加平均を列車速度ＲＶ２とする。

図５では、本実施形態で提案している補正方法を用いて推定した列車速度（本推定速度）、従来手法で算出した比較推定速度、及びＧＰＳを用いて算出した速度（ＧＰＳ速度）に関して実証実験した比較結果を示す。図５（ａ）が約３６０秒の計測結果を示しており、図５（ｂ）は図５（ａ）の領域Ａ１を拡大して示しており、図５（ｃ）は図５（ｂ）の領域Ａ２を拡大して示している。実証実験では、送出波として２４ＧＨｚのマイクロ波を用いた。

図示のように、比較推定速度は、ＧＰＳ速度に対して４〜５％程度の誤差が生じていた。一方、本推定速度では、ＧＰＳ速度と略同一となり、上記の誤差が実質的に解消している。したがって、ドップラーレーダー型センサ２０を速度計に適用する場合に、精度の高い速度計を実現することができる。

また、領域Ｂ１及び領域Ｂ２に示すように、これらの区間では本推定速度のグラフが上に凸状（山状）に現れている。これらの地点では踏切が設置されており、上述の式（１）の設置高度ｈは、現実の反射地点までの高さと比較して大きな値となっている。その結果、算出される本推定速度も大きくなっている。また、領域Ｃ１及び領域Ｃ２に示すように、これらの区間では本推定速度のグラフが下に凸状（谷状）に現れている。これらの地点では鉄橋が設置されており、上述の式（１）の設置高度ｈは、現実の反射地点までの高さと比較して小さな値となっている。その結果、算出される本推定速度も小さくなっている。

ここで、比較推定速度のグラフを参照すると、鉄橋のように道床（道床９０）に大きな変化が生じる地点では特徴点が比較的分かりやい状態で出現するが、踏切のような道床（道床９０）の変化が小さい地点では特徴点が分かりにくい状態で出現する。また、速度自体に４〜５％程度の誤差があるため、信頼性の点で劣ってしまう。一方、本推定速度のグラフでは、踏切のような変化が小さい地点でも特徴点が明確に出現している。その結果、特徴点を有効に活用し、位置特定を正確に行うことができる。

また、特徴点の出現の状態が想定される状態と異なる場合、位置推定部１６は、その旨を列車１の運行管理をしている輸送指令部署に対して通知してもよい。輸送指令部署は、複数の列車１から同様の通知を受けた場合、路線に何らかの異常が発生している可能性があるとして早期に対策をすることができる。例えば、特徴点の出現期間が長い場合や、本来特徴点が出現しない場所で特徴点が出現している場合、逆に本来特徴点が出現するはずな場所にも拘わらず特徴点が出現しない場合が例示できる。

以上、本実施形態の効果をまとめると次の通りである。
（１）ドップラーレーダー型センサ２０の傾斜角が走行するなどによりずれた場合でも、実際の送出波（反射波）の方向となっている傾斜角を推定しているので、適切に補正をすることが出来る。その結果、列車の速度計測の精度を向上させることができる。
（２）ドップラーレーダー型センサ２０の検知範囲、つまり照射方向が広がっている場合でも、実際に反射されて戻ってきた検出波の速度成分に対する傾斜角を推定することができるので、推定する速度の精度を向上させることができる。
（３）速度成分を傾斜角で補正して速度を推定する方法と、距離成分を用いて傾斜角を推定し、その傾斜角を用いて速度成分を補正する方法を比較することにより、道床９０（道床）の高さが変化した際にその地点（特徴点）を検出することができる。そして、踏切や鉄橋の位置や長さを記録した位置情報記録部１７と特徴点とを照合することで、列車１の位置を正確に把握することができる。
（４）特徴点の出現状態に応じて路線（軌道）の状態の変化を把握することができ、安全対策の確認作業を早期に行うことができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ 列車
２ 底面
１０ 速度算出部
１１ 実傾斜角算出部
１２ 列車速度算出部
１５ 位置情報部
１６ 位置推定部
１７ 位置情報記録部
１８ 特徴点抽出部
２０ ドップラーレーダー型センサ
９０ 道床
９１ 軌道

Claims (3)

1. 道床に対して所定の傾斜角を送出波の照射方向として列車の底部に設置されたドップラーレーダー型のセンサと、
   前記センサによって算出される反射位置までの距離と、前記センサが設置されている高度とから、前記送出波の前記反射位置の方向の実際の角度を算出する実傾斜角算出部と、
   前記実傾斜角算出部によって算出された前記角度と前記センサが検出した速度情報とから、前記列車の速度を算出する列車速度算出部と、
   前記列車速度算出部の算出した速度の特徴点を特定する特徴点抽出部と、
   前記特徴点が発現すると想定される位置を予め保持する位置情報記録部と、
   前記特徴点と前記位置情報記録部の位置とから、列車の位置を推定する位置推定部と
   を備えることを特徴とする列車位置検出装置。
2. 前記位置推定部は、前記特徴点をもとに、前記送出波が反射した道床の状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の列車位置検出装置。
3. 道床に対して所定の傾斜角を送出波の照射方向として列車の底部に設置されたドップラーレーダー型のセンサによって算出される反射位置までの距離と、前記センサが設置されている高度とから、前記送出波の前記反射位置の方向の実際の角度を算出する実傾斜角算出工程と、
   前記実傾斜角算出工程によって算出された前記角度と前記センサが検出した速度情報とから、前記列車の速度を算出する列車速度算出工程と、
   前記列車速度算出工程の算出した速度の特徴点を特定する特徴点抽出工程と、
   前記特徴点と、前記特徴点が発現すると想定される位置を記録したデータとを照合して、列車の位置を推定する位置推定工程と
   を備えることを特徴とする列車位置検出方法。

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