JP2015189361A - radio train control method and radio train control system - Google Patents

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喬 遠山
Takashi Toyama
喬 遠山
英樹 新井
Hideki Arai
英樹 新井
隆康 北野
Takayasu Kitano
隆康 北野
庸平 比澤
Yohei Hisawa
庸平 比澤
智昭 原
Tomoaki Hara
智昭 原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a radio train control method and system which can realize low cost and high availability by allowing restricted communication failures and seamless degradation operation.SOLUTION: On-vehicle systems 1a, 1b are each equipped with a sensor observation device 11 that acquires a sensor observed value necessary to estimate an own train's train condition, an own train condition estimation device 12 that calculates an own train's train condition on the basis of an acquired sensor observed value, another train condition estimation device 15 that calculates an other train's train condition on the basis of another train's sensor observed value received from a ground device or an other on-vehicle device, and a speed control device 16 that controls an own train on the basis of a calculated own train's train condition and a calculated another train's train condition, thereby making the safety side control of the own train condition estimation device and the other train condition estimation device by estimating train conditions such as position and speed of an own train or another train both with a static model and a time series filter from sensor observed values.

Description

本発明は、地上に設けられた装置(地上装置)と車上に設けられた装置(車上装置)との間で無線通信により情報を授受して、同一線路上を走行する複数の列車を衝突させることなく安全に走行させるための制御を行う無線列車制御方法および無線列車制御システムに関する。   The present invention transfers a plurality of trains traveling on the same track by exchanging information by wireless communication between a device provided on the ground (ground device) and a device provided on the vehicle (vehicle device). The present invention relates to a radio train control method and a radio train control system that perform control for traveling safely without causing a collision.

列車制御システムは、同一走行路を走行する複数の列車を衝突させることなく安全に走行させるために、走行速度や停車の制御を行うものであるが、これを実現するためには、各列車の在線位置と速度を検知しなければならない。   The train control system controls the running speed and stops so that a plurality of trains traveling on the same traveling route can safely travel without colliding. In order to realize this, The position and speed of the track must be detected.

列車の在線位置検知方法には、地上検知方式と車上検知方式が存在し、前者の代表例として軌道回路を用いる方式、後者の代表例として列車に搭載されている速度発電機を用いる方式が挙げられる。   There are ground detection methods and on-vehicle detection methods for on-line detection methods of trains. The former uses a track circuit as a representative example, and the latter uses a speed generator mounted on a train as a representative example. Can be mentioned.

軌道回路を用いる地上検知方式においては、一定の長さを有する軌道回路が閉塞区間の最小単位となる。先行列車との衝突を防止するため、先行列車が在線する軌道回路に後続列車は進入できない。したがって、先行列車が軌道回路を通過する時間より運転時隔を短くすることができない。そのため、運行密度の向上の要請に応じるためには、軌道回路長を短くする必要があり、設備コストが増加する。   In the ground detection method using the track circuit, the track circuit having a certain length is the minimum unit of the closed section. In order to prevent a collision with the preceding train, the following train cannot enter the track circuit where the preceding train exists. Therefore, the operation time interval cannot be shortened compared to the time for the preceding train to pass through the track circuit. Therefore, in order to meet the demand for improvement in operation density, it is necessary to shorten the track circuit length, which increases the equipment cost.

速度発電機を用いる車上検知方式においては、速度発電機が発生するパルスの数と車輪径をもとに在線位置と速度を推定している。したがって、軌道回路を用いる地上検知方式よりも高い検知精度が得られるので、移動閉塞が実現可能であり、運転時隔の短縮が可能である。しかし、車輪径の設定値との乖離または車輪の空転や滑走その他の環境条件により、位置推定値に誤差が蓄積するので、一例として位置補正用地上子を所定間隔ごとに設置して対応している。したがって、位置検知精度、ひいては運行密度の向上と設備コストの間にはトレードオフの関係が存在する。   In the on-vehicle detection method using a speed generator, the position and speed of the track are estimated based on the number of pulses generated by the speed generator and the wheel diameter. Therefore, since higher detection accuracy than the ground detection method using the track circuit can be obtained, the movement blockage can be realized, and the operation interval can be shortened. However, errors may accumulate in the position estimation value due to deviation from the set value of the wheel diameter or wheel idling, sliding and other environmental conditions, so as an example, position correction ground elements should be installed at predetermined intervals. Yes. Therefore, there is a trade-off relationship between the improvement in position detection accuracy, and hence the operation density, and the equipment cost.

また、鉄道システムでは、コスト削減や列車制御の高機能化の観点から、無線通信を用いる列車制御システムが開発され、一部実用化されている。無線列車制御システムにおいては、列車在線位置を無線によって管理する。その管理方法では、車上装置・地上装置間で制御に必要な情報をまとめた通信データが無線によって送受信される。すなわち、車上装置は地上装置に自列車位置情報を送信し、地上装置は受信した複数列車の位置情報をもとに各列車が走行可能な位置、速度のパターンを算出し、そのパターンを各列車の車上装置に送信する。あるいは地上装置から先行列車の位置情報を受信した車上装置において、その先行列車の位置情報をもとに列車制御を行う場合もある。いずれの場合にも、無線列車制御においては、安全な列車制御を行うため、列車の在線位置の高精度な検知が最も重要である。   Moreover, in the railway system, a train control system using wireless communication has been developed and partly put into practical use from the viewpoint of cost reduction and higher functionality of train control. In the radio train control system, the train position is managed by radio. In this management method, communication data that summarizes information necessary for control is transmitted and received between the on-board device and the ground device. That is, the on-board device transmits its own train position information to the ground device, and the ground device calculates the position and speed patterns that each train can travel based on the received position information of the multiple trains. Sent to train onboard equipment. Or in the on-board apparatus which received the positional information on the preceding train from the ground apparatus, train control may be performed based on the positional information on the preceding train. In any case, in radio train control, in order to perform safe train control, it is most important to accurately detect the position of the train.

従来の無線列車制御システムでは、安全性の確保のため、通信障害が一定時間以上継続したとき、あるいは通信障害が一定回数以上連続したときに、列車を非常停止させるものがある。   In the conventional radio train control system, there is a system that makes an emergency stop when a communication failure continues for a certain period of time or when a communication failure continues for a certain number of times or more in order to ensure safety.

特許文献1には、GPSデータを用いて列車の在線範囲を算出することで、安全な列車制御を可能とするシステムが示されている。ただし、算出された在線範囲内においても列車の在線確率は一般的には均一ではないため、過剰な安全余裕距離が設定される可能性は残る。特許文献2には、位置推定に加え、位置推定精度を評価することで、最適な停止目標を算出する技術が示されている。ただし、最適な停止目標は、推定位置と位置推定精度だけでは必ずしも求まらない。実際、特許文献2には、先行列車もしくは自列車の位置推定精度が劣化すると、停止目標が以前の停止目標地点より後方に下がる場合について言及し、対策を示している。   Patent Document 1 discloses a system that enables safe train control by calculating the range of trains using GPS data. However, since the train track probability is generally not uniform even within the calculated track range, there is a possibility that an excessive safety margin distance is set. Patent Document 2 discloses a technique for calculating an optimal stop target by evaluating position estimation accuracy in addition to position estimation. However, the optimum stop target is not always obtained only by the estimated position and the position estimation accuracy. Actually, Patent Document 2 refers to the case where the stop target is lowered from the previous stop target point when the position estimation accuracy of the preceding train or the own train deteriorates, and shows a countermeasure.

無線列車制御システムのアベイラビリティ(稼働率)を向上させる手法として、特許文献3には、無線機能がシステムダウンしている最中の列車IDおよび列車位置情報を蓄積することで、通常運転への移行時間を短縮する技術が示されている。しかし、この技術を用いても通信障害に起因する列車停止は回避できず、また、地上設備も必要となる。特許文献4には、位置情報または速度情報の連続性に基づき合理性をチェックすることにより、フェイルセーフかつ安全な列車運行を実現する無線列車制御技術が示されている。しかし、通信障害が発生し、情報が授受できない場合は、合理性チェックが行えない。   As a technique for improving the availability (operating rate) of the radio train control system, Patent Document 3 shifts to normal operation by accumulating the train ID and train position information when the radio function is down. Techniques for reducing time are shown. However, even if this technology is used, train stops due to communication failures cannot be avoided, and ground facilities are also required. Patent Document 4 discloses a radio train control technique that realizes fail-safe and safe train operation by checking rationality based on continuity of position information or speed information. However, if a communication failure occurs and information cannot be exchanged, a rationality check cannot be performed.

位置推定技術として、パーティクルフィルタ(粒子フィルタ)やカルマンフィルタ等の時系列フィルタを用いる位置推定方法が提案されている。たとえば、特許文献5には、パーティクルフィルタを用いることで移動体の高精度な位置推定を行うことが可能な手法が示されている。ただし、時系列フィルタを用いる既知の位置推定方法の多くの応用例においては、いかに真の値に近い推定値を得るかに重点が置かれている。このため、時系列フィルタによって算出される確率分布の平均値、中央値または最頻値に重要な意味を持たせている。しかし、列車の間隔制御を考えた場合、先行列車の推定位置より真の列車位置が手前にあった場合に追突のリスクが生じるため、安全余裕距離を設けなければならない。したがって、時系列フィルタを用いて高精度に位置推定を行う方法であっても、推定位置を平均値、中央値または最頻値によって得る方式では、確保される安全余裕距離が実際の必要距離よりも過剰になる可能性が残っている。   As a position estimation technique, a position estimation method using a time series filter such as a particle filter (particle filter) or a Kalman filter has been proposed. For example, Patent Document 5 discloses a technique capable of performing highly accurate position estimation of a moving body by using a particle filter. However, in many applications of known position estimation methods using time series filters, the emphasis is on how to obtain an estimate close to the true value. For this reason, the average value, median value, or mode value of the probability distribution calculated by the time series filter has an important meaning. However, when considering train interval control, a safety margin distance must be provided because a rear-end collision risk occurs when the true train position is closer to the estimated position of the preceding train. Therefore, even if the position is estimated with high accuracy using a time series filter, the safety margin distance to be secured is more than the actual required distance in the method of obtaining the estimated position by the average value, median value or mode value. There is still the possibility of becoming excessive.

高密度線区でのダイヤ乱れの早期回復、運転時隔短縮、エネルギー消費低減を実現する手段として、先行する列車の運行状況に応じて列車を制御する予測制御という技術が提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。この予測制御においては、予測情報は確定的に与えられており、予測情報の不確実さ、誤差については十分な検討がなされていない。予測制御の効果を発揮するためには正確な予測情報の生成が不可欠であり、実用には技術的困難さ、および設備コストの増大が伴う。   A technique called predictive control that controls a train in accordance with the operation status of a preceding train has been proposed as a means to realize early recovery of diamond disturbance in a high-density line section, shortening of operation interval, and energy consumption reduction (for example, Non-Patent Document 1). In this prediction control, the prediction information is given deterministically, and sufficient consideration has not been given to the uncertainty and error of the prediction information. In order to exert the effect of predictive control, it is indispensable to generate accurate predictive information, and practical use involves technical difficulties and increased equipment costs.

特許第5373861号公報Japanese Patent No. 5373761 特開2012-144068号公報JP 2012-144068 A 特許第5373861号公報Japanese Patent No. 5373761 特開2013-23104号公報JP 2013-23104 A 特許第5370122号公報Japanese Patent No. 5370122

平栗・富井・長谷、「予測制御による列車制御方式」、鉄道総研報告、2003年6月、第17巻第6号、p.29−34Hiraguri, Tomii, Hase, “Train Control Method by Predictive Control”, Railway Research Institute Report, June 2003, Vol. 17, No. 6, p. 29-34

列車に通信障害が発生したときであっても、先行列車および自列車の位置・速度によっては、直ちに非常停止をせずとも、追突等の危険が回避可能な場合がある。したがって、通信障害が一定時間以上継続すると列車を非常停止させる従来の無線列車制御システムにおいては、アベイラビリティ(稼働率)が不必要に低下する可能性がある。また、無線通信が不能となる不感地帯の排除および無線基地局間の連続的なハンドオーバーの実現のために、無線基地局数を増やしたり、機器の要求性能を高めたりすると、設備が高コストになる。   Even when a communication failure occurs in the train, depending on the position and speed of the preceding train and the own train, there is a case where the danger such as a rear-end collision can be avoided without an emergency stop immediately. Therefore, in a conventional wireless train control system that stops a train when a communication failure continues for a certain time or more, availability (operation rate) may be unnecessarily lowered. Also, in order to eliminate dead zones where wireless communication becomes impossible and to realize continuous handover between wireless base stations, increasing the number of wireless base stations or increasing the required performance of equipment increases the cost of equipment. become.

本発明は、上記問題点に鑑み、限定的な通信障害を許容し、シームレスな縮退運転を行うことで、低コストかつ高アベイラビリティを実現することができる無線列車制御方法および無線列車制御システムを提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a radio train control method and a radio train control system that can realize a low cost and high availability by allowing limited communication failures and performing seamless degenerate operation. The purpose is to do.

本発明の無線列車制御方法は、上記目的を達成するため、車上に位置・速度センサと、車上無線局を備え、車上無線局は、地上装置または地上無線局および地上装置を介して、列車の列車状態に関する情報の授受を行う。そして、列車状態に関する情報をもとに統計モデルと時系列フィルタによって自列車の列車状態と他列車の列車状態について確率分布の全体形状を維持して推定を行い、各列車は、推定された情報に基づいて安全側制御を行うことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a wireless train control method of the present invention includes a position / speed sensor and an on-board radio station on a vehicle, and the on-board radio station is connected to the ground device or the ground radio station and the ground device. , Give and receive information on train status. Based on the information on the train state, a statistical model and a time series filter are used to estimate the train state of the own train and the train state of other trains while maintaining the overall shape of the probability distribution. Based on the above, safe side control is performed.

上記安全側制御においては、前後の2列車が衝突する可能性の有無ばかりでなく、どの程度の確率で衝突する可能性があるかまで分かる。そして、衝突確率が閾値(たとえば10−9/h)を超えないことを担保したうえで減速率または停止位置の制御をすることができる。したがって、安全余裕距離の短縮が可能である。また、通信障害により一部の列車の情報の一部または全てが欠落した場合は、情報が欠落したという観測条件で、条件付き事後周辺分布を求める。情報が欠落した際は、多くの場合、在線位置の確率密度分布の幅や裾が広がり、平坦に近づく。このため、たとえば、列車間隔をより大きくとる安全側制御にシームレスに移行する。   In the safety side control, it is possible to know not only the possibility of collision between two front and rear trains but also the probability of collision. Then, the deceleration rate or the stop position can be controlled after ensuring that the collision probability does not exceed a threshold value (for example, 10 −9 / h). Therefore, the safety margin distance can be shortened. In addition, when some or all of the information of some trains is missing due to communication failure, a conditional posterior peripheral distribution is obtained under the observation condition that the information is missing. When information is missing, in many cases, the width and skirt of the probability density distribution at the existing line position are widened and become flat. For this reason, for example, it is possible to seamlessly shift to safe-side control with a larger train interval.

また、本発明の無線列車制御システムは、上記目的を達成するため、車上装置に、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置または他の車上装置から受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを有し、自列車状態推定装置と他列車状態推定装置は、いずれもセンサ観測値を用いた時系列フィルタ(たとえばパーティクルフィルタ)による分析により自列車および他列車のその時々ならびに今後の位置・速度等の列車状態の確率分布推定を行うものであり、その確率分布の全体形状を用いて、先行列車の在線位置の確率密度分布と自列車の在線位置の確率密度分布の積、あるいはその積分値が閾値よりも大きいか小さいかにより列車の走行速度を制御することを特徴とする。   Further, in order to achieve the above object, the wireless train control system of the present invention has a sensor observation device for acquiring sensor observation values necessary for estimating the train state of the own train in the on-board device, and the acquired sensor observation. The own train state estimation device that calculates the train state of the own train based on the value and the other train state that calculates the train state of the other train based on the sensor observation value of the other train received from the ground device or other on-board device It has an estimation device and a train control device that controls the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train, and both the own train state estimation device and the other train state estimation device The probability distribution of the train state such as the current train and other trains from time to time and the future position and speed is analyzed by analysis using a time series filter (for example, particle filter) using sensor observation values. Using the overall shape of the rate distribution, the train speed is controlled by the product of the probability density distribution at the position of the preceding train and the probability density distribution at the position of the own train, or whether the integrated value is larger or smaller than the threshold. It is characterized by doing.

確率分布を利用しない従来手法では、一定の範囲に列車が「絶対」在線していないという想定のもとで列車の走行速度を制御するので、「絶対」を担保するために過剰な安全余裕距離を確保する必要があった。これに対して、本発明では、先行列車の在線位置の確率密度分布と自列車の在線位置の確率密度分布の積が将来にわたって小さい条件において、速度を低下させることなく運転を続行することができる。   In the conventional method that does not use the probability distribution, the train traveling speed is controlled on the assumption that the train is not “absolute” in a certain range, so an excessive safety margin distance is required to ensure “absolute”. It was necessary to ensure. On the other hand, in the present invention, the operation can be continued without reducing the speed under the condition that the product of the probability density distribution at the position of the preceding train and the probability density distribution at the position of the own train is small in the future. .

上記目的を達成し得る無線列車制御システムには、集中型と分散型がある。
集中型の無線列車制御システムは、各列車のセンサの観測値を地上装置に集中させ、地上装置において全列車の列車状態の推定を行うものである。この場合は、車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置から他列車のセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを備える。また、地上装置には、車上装置からセンサ観測値を受信する受信装置と、受信したセンサ観測値に基づいて各列車の列車状態を算出する列車状態推定装置と、算出された各列車の列車状態を車上装置に送信する送信装置とを備える。そして、自列車状態推定装置、他列車状態推定装置および列車状態推定装置は、いずれもセンサ観測値に基づいて時系列フィルタを用いて列車状態を算出するものであることを特徴とする。
There are a centralized type and a distributed type of radio train control systems that can achieve the above object.
The centralized radio train control system concentrates the observation values of the sensors of each train on the ground device and estimates the train state of all trains in the ground device. In this case, the on-board device is acquired with a sensor observation device that acquires sensor observation values necessary for estimating the train state of the own train, and a transmission device that transmits the acquired sensor observation values to the ground device. The own train state estimation device that calculates the train state of the own train based on the sensor observation value, the receiving device that receives the sensor observation value of the other train from the ground device, and the other based on the received sensor observation value of the other train The other train state estimation device for calculating the train state of the train, and the train control device for controlling the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train. In addition, the ground device includes a receiving device that receives sensor observation values from the on-board device, a train state estimation device that calculates the train state of each train based on the received sensor observation values, and a train for each calculated train A transmission device that transmits the state to the on-board device. The own train state estimation device, the other train state estimation device, and the train state estimation device are all characterized in that the train state is calculated using a time series filter based on the sensor observation value.

分散型の無線列車制御システムは、全列車の列車状態の推定を地上装置で集中的に行うことをせずに、センサ観測値または列車状態情報を先行列車と後続列車の間で直接的に授受して、各列車に分散して他列車の列車状態の推定を行うものである。この分散型には、次の4つの形態が可能である。   The distributed wireless train control system directly transfers sensor observation values or train status information between the preceding train and the succeeding train without centrally estimating the train status of all trains with the ground equipment. Then, the train state of other trains is estimated by being distributed to each train. The following four forms are possible for this distributed type.

第1形態の分散型無線列車制御システムでは、車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置を経て他列車のセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを備える。また、地上装置には、先行列車または後続列車の車上装置からセンサ観測値を受信する受信装置と、受信したセンサ観測値を後続列車または先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備える。そして、自列車状態推定装置および他列車状態推定装置は、いずれも時系列フィルタを用いて列車状態を算出するものであることを特徴とする。   In the distributed wireless train control system according to the first embodiment, the on-board device includes a sensor observation device that acquires sensor observation values necessary for estimating the train state of the own train, and the acquired sensor observation values as ground devices. Transmitting device for transmitting, own train state estimating device for calculating train state of own train based on acquired sensor observation values, receiving device for receiving sensor observation values of other trains via ground device, and other received Another train state estimation device that calculates the train state of the other train based on the sensor observation value of the train, and a train control device that controls the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train, and Is provided. Further, the ground device includes a receiving device that receives the sensor observation value from the on-board device of the preceding train or the following train, and a transmission device that transmits the received sensor observation value to the on-board device of the following train or the preceding train. . Each of the own train state estimation device and the other train state estimation device calculates a train state using a time series filter.

第2形態の分散型無線列車制御システムでは、車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態を地上装置に送信する送信装置と、地上装置を経て他列車の列車状態を受信する受信装置と、受信した他列車の列車状態に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを備える。また、地上装置には、先行列車または後続列車の車上装置から列車状態を受信する受信装置と、受信した列車状態を後続列車または先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備える。そして、自列車状態推定装置および他列車状態推定装置は、いずれも時系列フィルタを用いて列車状態を算出するものであることを特徴とする。   In the distributed wireless train control system according to the second embodiment, the on-board device includes a sensor observation device that acquires sensor observation values necessary for estimating the train state of the own train, and an autonomous device based on the acquired sensor observation values. The own train state estimating device for calculating the train state of the train, the transmitting device for transmitting the calculated train state of the own train to the ground device, the receiving device for receiving the train state of the other train via the ground device, Other train state estimation device that calculates the train state of the other train based on the train state of the other train, and a train control device that controls the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train, Is provided. Further, the ground device includes a receiving device that receives the train state from the on-board device of the preceding train or the following train, and a transmission device that transmits the received train state to the on-board device of the following train or the preceding train. Each of the own train state estimation device and the other train state estimation device calculates a train state using a time series filter.

第3形態の分散型無線列車制御システムは、第1形態における地上装置を用いずに、先行列車の送信装置と後続列車の受信装置との間および先行列車の受信装置と後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする。   The distributed radio train control system according to the third embodiment does not use the ground device according to the first embodiment, and is between the preceding train transmitting device and the following train receiving device and between the preceding train receiving device and the following train transmitting device. It is characterized in that each communicates directly with each other.

第4形態の分散型無線列車制御システムは、第2形態における地上装置を用いずに、先行列車の送信装置と後続列車の受信装置との間および先行列車の受信装置と後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする。   The distributed radio train control system according to the fourth embodiment does not use the ground device according to the second embodiment, and is between the preceding train transmitting device and the succeeding train receiving device and between the preceding train receiving device and the succeeding train transmitting device. It is characterized in that each communicates directly with each other.

本発明によれば、通信障害が発生しても直ちに非常停止にならないので、アベイラビリティが向上する。また、急減速の発生頻度が低下することで、列車内の乗員・貨物等の転倒の危険が軽減される。また、機能とコストのトレードオフの関係を設計の柔軟性として取り入れられる。無線不感地帯の発生を許容したり、ハンドオーバー処理による大きな遅延を許容したりといった、機能への制約を設けることで、従来では不可能であった水準まで設備コストを低減する設計も可能となる。さらに、時系列フィルタにおける尤度計算が、合理性チェックの機能を持つ。合理的に設計されたシステムでは、非合理的な状態の尤度は低くなる。結果的に、非合理的な状態が制御に主体的に作用することが避けられる。   According to the present invention, even if a communication failure occurs, an emergency stop does not occur immediately, so availability is improved. In addition, since the frequency of sudden deceleration decreases, the risk of a passenger or cargo falling in the train is reduced. In addition, the trade-off between function and cost can be incorporated as design flexibility. By setting restrictions on functions such as allowing the occurrence of wireless dead zones and allowing large delays due to handover processing, it is possible to reduce the equipment cost to a level that was not possible before. . Furthermore, the likelihood calculation in the time series filter has a rationality check function. In a reasonably designed system, the irrational state is less likely. As a result, an irrational state can be avoided from acting on the control.

本発明の実施の形態に係る無線列車制御システムのうち、集中型無線列車制御システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a centralized radio train control system among the radio train control systems which concern on embodiment of this invention. 図1の集中型無線列車制御システムの車上装置の制御フローを示す図である。It is a figure which shows the control flow of the on-board apparatus of the centralized radio train control system of FIG. 図1の集中型無線列車制御システムの地上装置の制御フローを示す図である。It is a figure which shows the control flow of the ground apparatus of the centralized radio train control system of FIG. パーティクルフィルタにおいて用いられる鎖錠状態構造のグラフィカルモデルでの漸化式による条件付き事後周辺分布計算を示す図である。It is a figure which shows conditional posterior periphery distribution calculation by the recurrence formula in the graphical model of the lock state structure used in a particle filter. パーティクルフィルタによる位置・速度推定シミュレータの初期状態における出力画面の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output screen in the initial state of the position and speed estimation simulator by a particle filter. 同じく走行開始時の出力画面の例を示す図である。It is a figure which similarly shows the example of the output screen at the time of driving | running | working start. 同じく地上子検知前における出力画面の例を示す図である。It is a figure which similarly shows the example of the output screen before a ground child detection. 同じく地上子検知後における出力画面の例を示す図である。It is a figure which similarly shows the example of the output screen after a ground child detection. 図1の速度制御装置による列車位置検知の確率分布を利用する速度制御の機能を説明する図である。It is a figure explaining the function of the speed control using the probability distribution of the train position detection by the speed control apparatus of FIG. 本発明の実施の形態に係る無線列車制御システムのうち、分散型無線列車制御システムの一例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an example of a distributed radio train control system among the radio train control systems which concern on embodiment of this invention. 分散型無線列車制御システムの他の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the other example of a distributed radio train control system. 分散型無線列車制御システムのさらに他の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the further another example of a distributed radio train control system. 分散型無線列車制御システムのさらに他の例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the further another example of a distributed radio train control system.

次に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本発明の無線列車制御システムは、集中型と分散型のいずれでも実現が可能である。また、分散型には4つの形態があり得る。以下、これらについて順次説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The radio train control system of the present invention can be realized by either a centralized type or a distributed type. In addition, the distributed type can have four forms. Hereinafter, these will be sequentially described.

[集中型無線列車制御システム]
図1は、集中型無線列車制御システムの構成の一例を示す。集中型無線列車制御システムAは、各列車の列車状態(たとえば、位置、走行速度)の推定を地上装置2において集中的に行う形態である。
[Centralized wireless train control system]
FIG. 1 shows an example of the configuration of a centralized radio train control system. The centralized radio train control system A is a form in which estimation of the train state (for example, position and travel speed) of each train is performed centrally in the ground device 2.

集中型無線列車制御システムAは、各列車Ta、Tbに設けられた車上装置1a、1bと地上に設置された地上装置2とを有する。車上装置1a、1bは同一の構成を有する。すなわち、センサ観測装置11と、自列車状態推定装置12と、送信装置13と、受信装置14と、速度制御装置15と、他列車状態推定装置16とを有する。また、地上装置2は、受信装置21と、列車状態推定装置22と、送信装置23とを有する。   The centralized radio train control system A has on-board devices 1a and 1b provided on the respective trains Ta and Tb and a ground device 2 installed on the ground. The on-board devices 1a and 1b have the same configuration. That is, the sensor observation device 11, the own train state estimation device 12, the transmission device 13, the reception device 14, the speed control device 15, and the other train state estimation device 16 are included. The ground device 2 includes a receiving device 21, a train state estimating device 22, and a transmitting device 23.

車上装置1a、1bの送信装置13および受信装置14は、車上アンテナ17および地上アンテナ24を介して地上装置2の受信装置21および送信装置23との間で無線通信により所定の情報の授受を行う。   The transmitting device 13 and the receiving device 14 of the onboard devices 1a and 1b exchange predetermined information by wireless communication with the receiving device 21 and the transmitting device 23 of the ground device 2 via the onboard antenna 17 and the ground antenna 24. I do.

車上装置1a、1bにおいては、図2に示すように、センサ観測装置11が自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値(たとえば、速度発電機の車輪回転パルス数、地上子受信情報、ノッチ状態など)を取得する(ステップ11。以下、ステップをSと記す。)。取得したセンサの観測値は、一方では、送信装置13から地上装置2の受信装置21へ送信される(S12)。取得したセンサの観測値は、他方では、自列車状態推定装置12に入力され、自列車状態推定装置12において自列車の列車状態が算出される(S13)。   In the on-board devices 1a and 1b, as shown in FIG. 2, the sensor observation device 11 requires sensor observation values (for example, the number of wheel rotation pulses of the speed generator, ground element reception required for estimating the train state of the own train). Information, notch state, etc.) (step 11; hereinafter, step is referred to as S). On the other hand, the acquired observation value of the sensor is transmitted from the transmission device 13 to the reception device 21 of the ground device 2 (S12). On the other hand, the acquired observation value of the sensor is input to the own train state estimating device 12, and the own train state estimating device 12 calculates the train state of the own train (S13).

受信装置14が地上装置2から他列車の列車状態を入力すると(S14)、そのデータは他列車状態推定装置15に与えられる。他列車状態推定装置15はそのデータが有効な場合(S15においてYesのとき)、そのデータを他列車の列車状態として保持する。そのデータが無効の場合(S15においてNoのとき)、保持している列車状態に基づいて他列車の列車状態を算出(予測)する(S16)。S12において算出された自列車の列車状態およびS14で受信した、またはS16において算出された他列車の列車状態は、速度制御装置16に入力される。したがって、速度制御装置16は、入力された自列車の列車状態および他列車の列車状態から、規定の安全性を確保する照査速度パターンを生成し(S17)、自列車に対して最適な速度制御を行う(S18)。S18の処理が終了した後は、S11に戻る。   When the receiving device 14 inputs the train state of the other train from the ground device 2 (S14), the data is given to the other train state estimating device 15. The other train state estimation device 15 holds the data as the train state of the other train when the data is valid (Yes in S15). When the data is invalid (No in S15), the train state of another train is calculated (predicted) based on the train state being held (S16). The train state of the own train calculated in S12 and the train state of the other train received in S14 or calculated in S16 are input to the speed control device 16. Therefore, the speed control device 16 generates a verification speed pattern that ensures the prescribed safety from the train state of the input own train and the train state of the other train (S17), and optimal speed control for the own train. (S18). After the process of S18 is completed, the process returns to S11.

地上装置2においては、受信装置21 が車上装置1aまたは1bの送信装置13からセンサ観測値を受信したとき(S21においてYesのとき)は、そのセンサ観測値を列車状態推定装置22に入力するので、列車状態推定装置22はそのセンサ観測値に基づいて各列車の列車状態を算出する(S22)。その算出された列車状態は送信装置23により各列車の受信装置14に送信される(S23)。S23の処理が終了した後は、S21に戻る。   In the ground device 2, when the receiving device 21 receives the sensor observation value from the transmission device 13 of the on-board device 1a or 1b (Yes in S21), the sensor observation value is input to the train state estimation device 22. Therefore, the train state estimation device 22 calculates the train state of each train based on the sensor observation value (S22). The calculated train state is transmitted to the receiving device 14 of each train by the transmitting device 23 (S23). After the process of S23 is completed, the process returns to S21.

上記自列車状態推定装置12、他列車状態推定装置15および列車状態推定装置22による列車状態の算出には、統計モデルと時系列フィルタ、中でも最も好ましいパーティクルフィルタが用いられる。パーティクルフィルタの代わりに、たとえばカルマンフィルタ等を用いることもできる。   For the calculation of the train state by the own train state estimation device 12, the other train state estimation device 15 and the train state estimation device 22, a statistical model and a time series filter, among which the most preferable particle filter is used. For example, a Kalman filter or the like can be used instead of the particle filter.

図4はパーティクルフィルタによる列車状態(位置、速度の分布)の算出に用いられる、鎖錠状態構造のグラフィカルモデルでの漸化式による条件付き事後周辺分布計算の過程を示す。図4の縦軸は観測データ(観測値)の数を示し、横軸は状態ベクトルの時刻を示す。そして、図4において、xは各列車の位置、速度、車輪径等の集合体である状態ベクトル、yは各列車の車軸回転パルスカウント、地上子検知有無等の集合体である観測ベクトルである。また、p(x|y1:i)は事後周辺分布(y、y、…、yが所与のもとのxの条件付き分布)を意味する。 FIG. 4 shows a process of conditional posterior peripheral distribution calculation by a recurrence formula in a graphical model of a locked state structure used for calculation of a train state (position and speed distribution) by a particle filter. The vertical axis in FIG. 4 indicates the number of observation data (observation values), and the horizontal axis indicates the state vector time. In FIG. 4, x is a state vector that is an aggregate of the position, speed, wheel diameter, and the like of each train, and y is an observation vector that is an aggregate of the axle rotation pulse count of each train, presence / absence of ground detection, and the like. . Also, p (x j | y 1: i ) means the posterior marginal distribution (y 1 , y 2 ,..., Y i is a given x i conditional distribution).

図4の塗りつぶし矢印は、正常に観測データが得られた場合の自列車状態推定装置12による計算経路の一例である。具体的にどのような経路を進むかは、入力した観測データの数と、その時の状態ベクトルの時刻による。また、図4の白抜き矢印は、通信障害等で観測データが得られなかった場合(図2のS15においてNoのとき)の計算経路の一例である。なお、当然、現在時刻より未来の観測データは得られない。未来の状態を推定する場合も、白抜き矢印と同様の計算経路となる。ここでは、簡単のために、観測データが完全に得られるか、一切得られないかのいずれかの状態を取る前提に説明したが、実際には、特定の観測データだけ得られない状況も生じうる。その場合は、観測ベクトルの一部を空(無効)として扱えばよい。   The solid arrows in FIG. 4 are an example of a calculation route by the own train state estimation device 12 when the observation data is normally obtained. The specific route to be taken depends on the number of input observation data and the state vector time at that time. Also, the white arrow in FIG. 4 is an example of a calculation path when observation data cannot be obtained due to a communication failure or the like (when No in S15 in FIG. 2). Of course, future observation data cannot be obtained from the current time. When estimating the future state, the calculation path is the same as that of the white arrow. Here, for the sake of simplicity, the explanation has been made on the assumption that the observation data can be obtained completely or not at all. However, in reality, there are situations where only specific observation data cannot be obtained. sell. In that case, a part of the observation vector may be treated as empty (invalid).

ここで、列車状態の算出(状態ベクトルの推定)に用いられるパーティクルフィルタについて、パーティクルフィルタによる位置・速度推定シミュレーションモデルを用いて説明する。   Here, the particle filter used for the calculation of the train state (estimation of the state vector) will be described using a position / speed estimation simulation model using the particle filter.

[シミュレーションモデル]
(1)前提
ここでは、速度発電機の車輪回転パルスと位置補正用地上子のみの簡易なモデルを前提とする。定周期処理を想定し、時間変化量ΔTは一定とする。当面の観測値は、速度発電機のパルスカウント(前回トリガタイミングからの変化量)と、地上子受信の有無とする。
[Simulation model]
(1) Premise Here, a simple model is assumed on the basis of only the wheel rotation pulse of the speed generator and the position correcting ground element. Assuming a periodic process, the time variation ΔT is assumed to be constant. The observed values for the time being are the pulse count of the speed generator (the amount of change from the previous trigger timing) and the presence or absence of ground unit reception.

(2)車上機器のシミュレーションモデル
速度発電機モデル
車上機器のシミュレーションモデルの一つである速度発電機モデルでは、車輪径、歯数、偏心率、歯の位置精度をパラメータとしている。入力として与えられる真の車両情報のうち、位置の変化(変位)から、車輪角度を求め、前回の車輪角度との間に含まれる歯の数をカウントし、出力する。速度発電機では空転・滑走が誤差要因となりうるが、簡単のため空転・滑走は考慮しない。また、システムモデルに車輪径を取り込んでいるため、車輪径誤差は観測ノイズには含まれない。
(2) On-vehicle equipment simulation model Speed generator model The speed generator model, which is one of the on-vehicle equipment simulation models, uses wheel diameter, number of teeth, eccentricity, and tooth position accuracy as parameters. Of the true vehicle information given as input, the wheel angle is obtained from the change (displacement) of the position, and the number of teeth included between the previous wheel angle is counted and output. In the speed generator, idling / sliding can be an error factor, but for simplicity, idling / sliding is not considered. In addition, since the wheel diameter is included in the system model, the wheel diameter error is not included in the observation noise.

地上子モデル
地上子モデル(車上機器としては車上子のモデル)では、地上子の真の位置の一覧をパラメータとしている。入力として与えられる真の車両情報の位置が、一覧中のいずれかの地上子位置の近傍となった際に、「検知あり」と出力し、それ以外では「検知なし」と出力する。実際には地上子の個体差や環境、車両速度等によって「検知あり」となる範囲は変動するが、簡単のため考慮しない。
Ground unit model The ground unit model (the on-vehicle unit model as the on-vehicle device) uses a list of true positions of the ground unit as a parameter. When the position of the true vehicle information given as an input is in the vicinity of one of the ground child positions in the list, “detected” is output, and otherwise “not detected” is output. Actually, the range of “detected” varies depending on individual differences of the ground child, environment, vehicle speed, etc., but it is not considered for simplicity.

(3)システムモデルとシステムノイズ
各時点の間は、加速度をステップ変化とする。よって、速度は線形補間となり、位置は2次スプライン補間となる。もっとも、時間変化量ΔTが小さければ、

Figure 2015189361

は十分小さいと考えられるため、全てステップ変化とした場合と大きな差異は生じないはずである。 (3) System model and system noise The acceleration is a step change between each time point. Therefore, the speed is linear interpolation and the position is quadratic spline interpolation. However, if the time variation ΔT is small,
Figure 2015189361

Is considered to be sufficiently small, so there should be no significant difference from the case of all step changes.

状態ベクトルの要素である状態変数について、位置をx、速度をV、加速度をa、車輪径をDとすると、システムモデルは次のような式で表される。

Figure 2015189361
For a state variable that is an element of the state vector, assuming that the position is x t , the speed is V t , the acceleration is a t , and the wheel diameter is D t , the system model is expressed by the following equation.
Figure 2015189361

システムノイズ Rand、Randは、理論的には不要(ゼロ)であるが、モデル自体が持つ不正確さを考慮して、適当な乱数を適用する。これは、粒子の縮退を防ぐという便宜上の意味も持つ。加速度aは、勾配等を考慮した最大減速度aminと最大加速度amaxの範囲で変動する。加速度aが変化する主な時点は、ノッチ操作時、勾配変化時である。ここでは、ノッチ・勾配情報は不明であるとする。一番簡易なモデルとして、最大減速度aminから最大加速度amaxの間の一様分布を考える。ただし、たとえば加加速度の制約を与えることによりモデルの高度化が図れる。同様に、車輪径Dは、最小車輪径Dminと最大車輪径Dmaxの範囲で変動する。 The system noise Rand x and Rand v are theoretically unnecessary (zero), but an appropriate random number is applied in consideration of the inaccuracy of the model itself. This also has a convenient meaning of preventing particle degeneration. Acceleration a t varies in the range of maximum deceleration a min and a maximum acceleration a max Considering the slope or the like. The main point of the acceleration a t is changed, when the notch operation, a time of slope change. Here, it is assumed that notch / gradient information is unknown. As the simplest model, a uniform distribution between the maximum deceleration a min and the maximum acceleration a max is considered. However, for example, the model can be enhanced by giving constraints on jerk. Similarly, the wheel diameter D t is varied in the range of minimum wheel diameter D min and a maximum wheel diameter D max.

Figure 2015189361

この車輪径のモデルは、前回車輪径にノイズRandを加え、最小車輪径Dminから最大車輪径Dmaxの間にクリッピングしたものである。Randは一様分布を適用する。もっとも、分岐箇所等を除けば、車輪径が急激に時間変化することはないと考えられるので、Randはゼロにピークを持つ分布にすることで、より高い精度で推定が行えると考える。
Figure 2015189361

This wheel diameter model is obtained by adding noise Rand D to the previous wheel diameter and clipping between the minimum wheel diameter D min and the maximum wheel diameter D max . Rand D applies a uniform distribution. However, since it is considered that the wheel diameter does not change rapidly with the exception of branch points, it is considered that Rand D can be estimated with higher accuracy by making the distribution to have a peak at zero.

(4)観測モデル
観測ベクトルは、速度発電機の車輪回転パルスカウントcと、地上子検知有無bの2要素からなり、次の式で表される。

Figure 2015189361

kは、速度発電機の歯の数で決まる係数である。Randは、サンプリングタイミングによるカウントの揺らぎに相当するノイズで、[0、1]の一様分布である。厳密には、過去のサンプリングタイミングとの相関があるため、一様分布ではないが、ここではマルコフ過程で近似する。f(x)は、地上子モデルと同様に、地上子位置近傍となった際に「検知あり」とし、地上子位置近傍以外では「検知なし」とする。地上子位置は車上データベースに記録されていると想定して、既知(地上子モデルの真の地上子位置一覧と同一)としている。 (4) observation model observation vector includes a wheel rotation pulse count c t rate generator consists of two elements of the ground coils detect the presence or absence b t, is expressed by the following equation.
Figure 2015189361

k is a coefficient determined by the number of teeth of the speed generator. Rand c is a noise corresponding to the fluctuation of the count due to the sampling timing, and has a uniform distribution of [0, 1]. Strictly speaking, since there is a correlation with the past sampling timing, the distribution is not uniform, but here it is approximated by a Markov process. Similarly to the ground child model, f b (x t ) is “detected” when near the ground child position, and “not detected” except near the ground child position. Assuming that the ground child position is recorded in the on-board database, it is known (same as the true ground child position list of the ground child model).

(5)尤度
パーティクルフィルタのフィルタリングの過程において、各粒子(パーティクル)の重みづけを行う。重みづけは尤度に基づいて行う。過去の列車状態から予想される車輪回転パルスカウントに相当する値を

Figure 2015189361

としたとき、観測された車輪回転パルスカウントCの尤度L
Figure 2015189361

となる。 (5) Likelihood In the process of filtering by the particle filter, each particle (particle) is weighted. Weighting is performed based on likelihood. The value corresponding to the wheel rotation pulse count expected from the past train state
Figure 2015189361

The likelihood L c of the observed wheel rotation pulse count C t is
Figure 2015189361

It becomes.

たとえば、予測されるc’=2.3のとき、観測値c=2ならば、尤度は0.7となり、c=3ならば、尤度は0.3となる。一方、地上子に関する尤度Lは、以下の表1によって求める。 For example, when c ′ t = 2.3 is predicted, if the observed value c t = 2, the likelihood is 0.7, and if c t = 3, the likelihood is 0.3. On the other hand, the likelihood L b regarding the ground element is obtained from Table 1 below.

Figure 2015189361
Figure 2015189361

ここで、0≦lb1≦1、0≦lb2≦10である。lb1とlb2の値は、実際のセンサ・判定部の特性による。また、その特性(誤検知が生じやすい、検知抜けが生じやすい等)は、フェイルセーフの設計に依存する。モデル全体の尤度は、L×Lで求める。これは、システムが想定どおりの動作をする条件の下の尤度である。実際には、モデルの前提を満たさない事象が生じうるため、実際的な尤度密度関数はより平坦となる。 Here, 0 ≦ l b1 ≦ 1 and 0 ≦ l b2 ≦ 10. The values of l b1 and l b2 depend on the actual characteristics of the sensor / determination unit. In addition, the characteristics (such as misdetection is likely to occur or detection is likely to be lost) depend on the fail-safe design. The likelihood of the entire model is obtained by L c × L b . This is the likelihood under the condition that the system operates as expected. In practice, the actual likelihood density function is flatter because events that do not satisfy the model assumptions may occur.

上記パーティクルフィルタの推定理論を位置・速度推定シミュレーションに適用した場合の具体例について説明する。図5Aは開発中のシミュレータの出力画面に示された位置・速度グラフであり、列車走行前の初期状態を示す。横軸は位置、縦軸は速度である。実際は50mの位置に停止中(速度0)であるが、列車状態推定装置は図5Aの粒子(パーティクル)で示されるように、25〜75mの間に停止していると初期条件を与えている。図5Aにおいて粒子が濃密であるほど高確率であることを意味する。   A specific example of applying the above particle filter estimation theory to a position / velocity estimation simulation will be described. FIG. 5A is a position / speed graph shown on the output screen of the simulator under development, and shows an initial state before the train travels. The horizontal axis is position, and the vertical axis is speed. Although it is actually stopping at a position of 50 m (speed 0), the train state estimation device gives an initial condition that it is stopped between 25 and 75 m as shown by particles in FIG. 5A. . In FIG. 5A, the denser the particles, the higher the probability.

図5Bは、列車が走行を開始したときの出力画面である。列車状態推定装置は、センサ観測装置から得られる観測値(速度発電機モデルが出力する車輪回転パルスカウント)により速度を推定する。位置は、まだ曖昧であり、最頻値も真値と異なる。図5Bの実線による曲線は真の位置・速度である。   FIG. 5B is an output screen when the train starts to travel. The train state estimation device estimates the speed based on the observation value (wheel rotation pulse count output from the speed generator model) obtained from the sensor observation device. The position is still ambiguous and the mode value is also different from the true value. The solid curve in FIG. 5B is the true position / velocity.

図5Cは、センサ観測装置が地上子を検知する前の状態を示す。地上子は100m位置に存在するが、まだ地上子モデルは「受信あり」を出力していない。パーティクルフィルタによる推定(地上子検知に関する尤度評価)により列車は100m位置の手前に存在する確率が高くなる。   FIG. 5C shows a state before the sensor observation device detects the ground element. The ground unit exists at a position of 100 m, but the ground unit model has not yet output “with reception”. The probability that the train exists in front of the 100 m position is increased by the estimation by the particle filter (likelihood evaluation regarding the detection of the ground element).

図5Dは、地上子モデルが「受信あり」を出力し、センサ観測装置が地上子を検知した後の状態を示す。100m位置の地上子を検知したことにより、列車状態推定装置による位置・速度の推定が真値近傍に収束する。   FIG. 5D shows a state after the ground child model outputs “with reception” and the sensor observation device detects the ground child. By detecting the ground element at a position of 100 m, the position / speed estimation by the train state estimation device converges near the true value.

このように、本発明が実行するパーティクルフィルタにおいては、確率分布の最頻値、中央値、または平均値を参照することによって、高い精度で列車位置・速度を推定することができる。同時に、安全側制御に不可欠な確率分布形状の情報を得ることができる。   As described above, in the particle filter executed by the present invention, the train position / speed can be estimated with high accuracy by referring to the mode value, median value, or average value of the probability distribution. At the same time, information on the probability distribution shape that is indispensable for safe-side control can be obtained.

上述したように、車上のセンサ観測装置11により取得された観測値は、自列車状態推定装置12により時系列フィルタを用いて分析され、自列車の列車状態が算出される。他方、車上の受信装置21で受信した各列車のセンサ観測値は、列車状態推定装置22に入力され、ここでも時系列フィルタを用いて各列車の列車状態が算出される。   As described above, the observation value acquired by the sensor observation device 11 on the vehicle is analyzed by the own train state estimation device 12 using the time series filter, and the train state of the own train is calculated. On the other hand, the sensor observation value of each train received by the receiving device 21 on the vehicle is input to the train state estimating device 22, and the train state of each train is calculated using the time series filter here as well.

特許文献2においては、先行列車と後続列車においてそれぞれ位置推定および位置推定精度評価をした後に在線確率を算出している。しかし、位置推定結果と位置精度評価結果から得られるのは、算出時の在線確率である。特に、算出時より先の在線確率を高精度に予測するには情報が不足しており、予測は困難である。本発明においては、位置に限定せず、各列車の状態を算出し、保持するので、位置・速度の推定が真値に近づくばかりでなく、将来の列車状態のより高精度な予測が可能である。   In Patent Document 2, the standing line probability is calculated after performing position estimation and position estimation accuracy evaluation in the preceding train and the subsequent train, respectively. However, what is obtained from the position estimation result and the position accuracy evaluation result is the standing line probability at the time of calculation. In particular, there is insufficient information to predict the standing line probability ahead of the time of calculation with high accuracy, and prediction is difficult. In the present invention, not only the position but also the state of each train is calculated and held, so not only the position / speed estimation approaches the true value but also the future train state can be predicted with higher accuracy. is there.

自列車状態推定装置12と列車状態推定装置22の列車状態の算出モデルは、基本的には同一である。ただし、前者は単一の列車を対象とし、無線通信障害による情報の欠落や変質を考慮しないが、後者は複数の列車を対象とし、無線通信障害を考慮する点において違いがある。   The train state calculation models of the own train state estimation device 12 and the train state estimation device 22 are basically the same. However, the former targets a single train and does not consider information loss or alteration due to wireless communication failure, but the latter targets a plurality of trains and is different in considering wireless communication failure.

列車状態推定装置22で算出された列車状態の情報は、送信装置23から全列車または関係し得る特定の列車の受信装置14へ送信される。   Information on the train state calculated by the train state estimation device 22 is transmitted from the transmission device 23 to the reception device 14 of all trains or a specific train that can be related.

各列車では、受信装置14で受信した列車状態の情報に基づいて、他列車状態推定装置15により関係し得る列車の列車状態を改めて推定する。他列車状態推定装置15による推定は、無線通信障害を考慮するとともに、現在時刻より先の時刻の列車状態に対しても行う。ただし、現在時刻より先の時刻の列車状態の推定は、他列車状態推定装置15に代えて、列車状態推定装置22で行って、各列車に送信しても良い。   In each train, based on the train state information received by the receiving device 14, the train state of the train that can be related by the other train state estimating device 15 is estimated again. The estimation by the other train state estimation device 15 is performed for a train state at a time earlier than the current time as well as considering a radio communication failure. However, the estimation of the train state at a time earlier than the current time may be performed by the train state estimation device 22 instead of the other train state estimation device 15 and transmitted to each train.

各列車の速度制御装置16は、自列車状態推定装置12および他列車状態推定装置15から得られる現在の列車状態および現在時刻より先の時刻の列車状態に基づいて、安全な照査速度パターンを決定し、自列車の速度が算出した安全な速度以下となるように制御を行う。   The speed control device 16 of each train determines a safe verification speed pattern based on the current train state obtained from the own train state estimation device 12 and the other train state estimation device 15 and the train state at a time earlier than the current time. Then, control is performed so that the speed of the own train is less than the calculated safe speed.

速度制御装置16についてさらに説明する。図6は、速度制御装置16による列車位置検知の確率分布を利用する速度制御の機能を説明する図である。縦軸は確率、横軸はキロ程(位置)であり、C1は、自列車状態推定装置12から速度制御装置16に入力した、特定の時刻における自列車位置検知の確率分布を示す曲線、C2は、他列車列車状態推定装置15から速度制御装置16に入力した、同時刻の他列車位置検知の確率分布を示す曲線である。各曲線C1, C2の形状は、それまでのセンサ観測値により異なり、時間とともに変化する。たとえば、位置補正地上子を検知した直後は急峻な曲線となりうる。あるいは、通信障害により他列車の状態が受信できない場合は、緩慢な曲線となりうる。そして、曲線C1, C2が重なり合っている部分の曲線C3は2つの列車が同一位置に在線する確率分布、すなわち、衝突する(衝突している)確率分布を示す。その確率分布C3は二つの確率分布C1,C2の積により得られる。ある位置範囲で衝突する(衝突している)確率は、その位置範囲でのC3積分値となる。   The speed control device 16 will be further described. FIG. 6 is a diagram for explaining the function of speed control using the probability distribution of train position detection by the speed control device 16. The vertical axis is the probability, the horizontal axis is the kilometer (position), and C1 is a curve indicating the probability distribution of the own train position detection at a specific time inputted from the own train state estimation device 12 to the speed control device 16, C2. These are curves which show the probability distribution of other train position detection of the same time inputted from the other train train state estimation device 15 to the speed control device 16. The shapes of the curves C1 and C2 differ depending on the sensor observation values so far and change with time. For example, a steep curve can be obtained immediately after detecting the position correction ground element. Alternatively, if the status of another train cannot be received due to a communication failure, it can be a slow curve. A curve C3 where the curves C1 and C2 overlap each other indicates a probability distribution in which two trains are located at the same position, that is, a probability distribution of collision (collision). The probability distribution C3 is obtained by the product of two probability distributions C1 and C2. The probability of collision (collision) in a certain position range is the C3 integral value in that position range.

照査速度パターンの決定方法はいくつか考えられるが、ここでは一例を示す。車上装置は既定の照査速度パターンが適用されており、自列車状態推定装置12は、その照査速度パターンを超えた場合はブレーキが作用する条件で、自列車の今後の在線位置の確率分布C1を求める。他列車状態推定装置15は、先行列車について今後の在線位置の確率分布C2を求める。その際、先行列車に適用されている照査速度パターンは不明という条件とする。ただし、列車状態に照査速度パターンに関する情報を含めている場合は、その情報を条件に適用してもよい。速度制御装置16には、確率分布C3に関して閾値が設定されており、現時刻から一定の時間範囲において、いずれかの時刻の確率分布C3の最頻値がその閾値を超えた場合は、その超えた程度に応じて照査速度パターンを更新し、減速させる。逆に確率分布C3の最頻値がその閾値未満の場合は、照査速度パターンを更新し、ブレーキの作用開始点を遅らせるか、減速度を小さくする。   There are several methods for determining the verification speed pattern, but an example is shown here. A predetermined check speed pattern is applied to the on-board device, and the own train state estimation device 12 has a probability distribution C1 of the future position of the current train on the train under the condition that the brake acts when the check speed pattern is exceeded. Ask for. The other train state estimation device 15 calculates the probability distribution C2 of the future on-line position for the preceding train. At that time, the verification speed pattern applied to the preceding train is assumed to be unknown. However, when information on the check speed pattern is included in the train state, the information may be applied as a condition. In the speed control device 16, a threshold is set for the probability distribution C3. If the mode of the probability distribution C3 at any time exceeds the threshold in a certain time range from the current time, the threshold is exceeded. The check speed pattern is updated according to the degree of deceleration and decelerated. On the other hand, when the mode value of the probability distribution C3 is less than the threshold value, the verification speed pattern is updated to delay the brake action start point or reduce the deceleration.

上記方法では、通信障害等により各列車から、あるいは地上装置からの情報に一時的な欠落が生じても、照査速度パターンを決定できる。通信障害の時間が短時間であれば、情報取得前後の確率分布の乖離はわずかであり、照査速度パターンの変化、すなわち列車運行に与える影響は少ない。通信障害の時間が長時間となっても、照査速度パターンに従っている限り、想定外の事象、すなわち統計モデルで考慮されていない事象が生じない前提のもと、所定の安全性が担保される。   In the above method, the check speed pattern can be determined even if information is temporarily lost from each train or ground device due to communication failure or the like. If the communication failure time is short, there is little deviation in the probability distribution before and after information acquisition, and the change in the verification speed pattern, that is, the influence on the train operation is small. Even if the communication failure time is long, as long as the verification speed pattern is followed, a predetermined safety is ensured under the assumption that an unexpected event, that is, an event not considered in the statistical model does not occur.

特許文献2の無線列車制御システムと本発明による無線列車制御システムとの大きな違いは、送受信を行う情報の内容が、前者では[停止目標]であるのに対し、後者では[時系列フィルタを用いて算出される列車状態]である点にある。このような列車状態を送受信することにより、通信障害が発生しても、当面、周辺列車の状態を推定することが可能である。その推定値は、情報が欠落した分、不確かさが増加する(分布が平坦に近づく)が、その不確かさも含めて、安全な速度を算出するため、通信障害発生に基づいて緊急停止を必ずしも行うことなく、安全に運行を継続することが可能である。   The major difference between the radio train control system of Patent Document 2 and the radio train control system according to the present invention is that the content of information to be transmitted / received is [stop target] in the former, whereas [use time series filter] The train state is calculated]. By transmitting and receiving such a train state, even if a communication failure occurs, it is possible to estimate the state of surrounding trains for the time being. The estimated value increases the uncertainty due to the missing information (distribution approaches flatness), but in order to calculate a safe speed including that uncertainty, an emergency stop is always performed based on the occurrence of a communication failure. It is possible to continue operation safely without any problems.

[分散型無線列車制御システム 第1形態]
図7に示すように、第1形態の分散型無線列車制御システムB1は、車上装置1a、1bが集中型の場合とほぼ同じ構成を有するのに対し、地上装置2は受信装置21と送信装置23のみで構成されている。したがって、地上装置2は、各列車間でのセンサの観測値の授受の中継としての機能のみを有する。そして、集中型構成における地上装置の列車状態推定装置22の機能を各車上装置1a、1bの他列車状態推定装置15で実現する。この分散型無線列車制御システムB1においても、通信障害発生に対し耐性を有し、安全な運行を行うことができる。
[Distributed wireless train control system 1st form]
As shown in FIG. 7, the distributed radio train control system B1 of the first form has almost the same configuration as the case where the onboard devices 1a and 1b are centralized, whereas the ground device 2 and the receiving device 21 transmit. It consists only of the device 23. Therefore, the ground device 2 has only a function as a relay for exchanging sensor observation values between trains. And the function of the train state estimation apparatus 22 of the ground apparatus in a centralized structure is implement | achieved by the other train state estimation apparatus 15 of each on-board apparatus 1a, 1b. This distributed radio train control system B1 is also resistant to the occurrence of communication failures and can be operated safely.

[分散型無線列車制御システム 第2形態]
図8に示すように、第2形態の分散型無線列車制御システムB2は、第1形態におけるセンサの観測値の授受を列車状態の授受に変更したものである。すなわち、第1形態においては、センサ観測装置11が送信装置13に接続されていたが、第2形態においては、自列車状態推定装置12が送信装置13に接続されている。
[Distributed radio train control system second form]
As shown in FIG. 8, the distributed radio train control system B2 of the second form is obtained by changing the exchange of the observation value of the sensor in the first form to the exchange of the train state. In other words, the sensor observation device 11 is connected to the transmission device 13 in the first form, but the own train state estimation device 12 is connected to the transmission device 13 in the second form.

[分散型無線列車制御システム 第3形態]
図9に示すように、第3形態の分散型無線列車制御システムB3は、第1形態における車上装置1aの送信装置13および受信装置14を車上装置1bの受信装置14および送信装置13に直接接続して、第1形態におけるセンサの観測値の授受を車車間通信により実現し、地上装置を無くしたものである。
[Distributed Wireless Train Control System Third Form]
As shown in FIG. 9, the distributed radio train control system B3 of the third form replaces the transmission device 13 and the reception device 14 of the on-board device 1a in the first form with the reception device 14 and the transmission device 13 of the on-board device 1b. Directly connected, the observation value of the sensor in the first form is realized by inter-vehicle communication, and the ground device is eliminated.

[分散型無線列車制御システム 第4形態]
図10に示すように、第4形態の分散型無線列車制御システムB4は、第2形態における車上装置1aの送信装置13および受信装置14を車上装置1bの受信装置14および送信装置13に直接接続して、第2形態における列車状態の授受を車車間通信により実現し、地上装置を無くしたものである。
[Distributed radio train control system 4th form]
As shown in FIG. 10, the distributed radio train control system B4 according to the fourth embodiment uses the transmission device 13 and the reception device 14 of the on-board device 1a in the second embodiment as the reception device 14 and the transmission device 13 of the on-board device 1b. Directly connected, the transfer of the train state in the second form is realized by inter-vehicle communication, and the ground device is eliminated.

上述した構成の中で、少なくとも、各列車にセンサデータを集約する機能、無線通信機能、速度制御機能は必要であるが、各機能の装置への実装方法に制約はない。たとえば車上装置の送信装置13と受信装置14の機能を一つの装置として実装してもよい。また、自列車状態推定装置12と他列車状態推定装置15の機能を一つの装置として実装してもよい。さらに、通信系を含めて統計モデルを作成可能であるため、通信経路に制約はない。たとえば、送受信アンテナ24と受信装置21および送信装置23の間に、有線または無線を用いた通信中継装置があってもよい。   In the configuration described above, at least a function for collecting sensor data in each train, a wireless communication function, and a speed control function are necessary, but there are no restrictions on the method of mounting each function on a device. For example, the functions of the transmission device 13 and the reception device 14 of the on-board device may be implemented as one device. Moreover, you may implement the function of the own train state estimation apparatus 12 and the other train state estimation apparatus 15 as one apparatus. Furthermore, since a statistical model including a communication system can be created, there is no restriction on the communication path. For example, there may be a communication relay device using wired or wireless between the transmission / reception antenna 24 and the reception device 21 and the transmission device 23.

また、すべての情報を同じ品質、頻度で送受信する必要はない。たとえば、列車長は通常、駅間で変化することはないため、駅間走行中に列車長の情報を送信する必要はない。このように、動的な変化の少ない情報は、たとえば駅停車時に情報の授受を行う等の方法により、通信回線の能力に対して、列車制御の能力を向上させることが可能である。   Also, it is not necessary to send and receive all information with the same quality and frequency. For example, since the train length usually does not change between stations, it is not necessary to transmit train length information while traveling between stations. As described above, the information with less dynamic change can improve the train control capability with respect to the communication line capability by, for example, a method of exchanging information when the station stops.

A 無線列車制御システム(集中型)
B1〜B4 無線列車制御システム(分散型)
1a、1b 車上装置
11 センサ観測装置
12 自列車状態推定装置
13 送信装置
14 受信装置
15 他列車状態推定装置
16 速度制御装置
17 送受信アンテナ
2 地上装置
21 受信装置
22 列車状態推定装置
23 送信装置
24 送受信アンテナ
A Radio train control system (centralized)
B1-B4 Wireless train control system (distributed)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b On-board apparatus 11 Sensor observation apparatus 12 Own train state estimation apparatus 13 Transmission apparatus 14 Reception apparatus 15 Other train state estimation apparatus 16 Speed control apparatus 17 Transmission / reception antenna 2 Ground apparatus 21 Reception apparatus 22 Train state estimation apparatus 23 Transmission apparatus 24 Transmit / receive antenna

Claims (7)

車上に位置・速度センサと車上無線局を備え、前記車上無線局により地上装置または地上無線局および地上装置を介して列車の列車状態に関する情報の授受を行い、前記列車状態に関する情報をもとに自列車状態と他列車状態を統計モデルと時系列フィルタによって推定し、各列車は推定された情報に基づいて安全側制御を行うことを特徴とする無線列車制御方法。   A position / speed sensor and an on-board radio station are provided on the vehicle, and the on-board radio station transmits and receives information on the train state of the train via the ground device or the ground radio station and the ground device. A radio train control method characterized in that the own train state and other train states are estimated based on a statistical model and a time series filter, and each train performs safety-side control based on the estimated information. 車上装置に、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置または他の車上装置から受信した他列車のセンサ観測値に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、前記算出された自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて前記自列車を制御する速度制御装置とを有する無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置と前記他列車状態推定装置は、いずれも前記センサ観測値を統計モデルと時系列フィルタによって前記自列車または前記他列車のその時々の位置・速度等の列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。   On-board device, sensor observation device that acquires sensor observation values necessary for estimating the train state of the own train, and own train state estimation that calculates the train state of the own train based on the acquired sensor observation values Apparatus, an other train state estimation device that calculates a train state of the other train based on a sensor observation value of the other train received from the ground device or another on-board device, the calculated train state of the own train, and the A wireless train control system having a speed control device that controls the own train based on a train state of another train, wherein both the own train state estimation device and the other train state estimation device use the sensor observation values. A radio train control system characterized by estimating a train state such as a position and a speed of the own train or the other train from time to time using a statistical model and a time series filter. 車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、前記地上装置から他列車の列車状態を受信する受信装置と、受信した前記他列車の列車状態に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて前記自列車を制御する速度制御装置とを備え、前記地上装置には、前記車上装置から前記センサ観測値を受信する受信装置と、受信した前記センサ観測値に基づいて各列車の列車状態を算出する列車状態推定装置と、算出された各列車の列車状態を前記車上装置に送信する送信装置とを備えた無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置、前記他列車状態推定装置および前記列車状態推定装置は、いずれも前記センサ観測値に基づいて統計モデルと時系列フィルタを用いて前記列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。   The on-board device includes a sensor observation device that acquires an observation value of a sensor necessary for estimating a train state of the own train, a transmission device that transmits the acquired sensor observation value to a ground device, and the acquired sensor The own train state estimating device that calculates the train state of the own train based on the observation value, the receiving device that receives the train state of the other train from the ground device, and the other based on the received train state of the other train An other train state estimating device for calculating the train state of the train, and a speed control device for controlling the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train. Is a receiving device that receives the sensor observation values from the on-board device, a train state estimating device that calculates a train state of each train based on the received sensor observation values, and a calculated train state of each train. Previous A radio train control system including a transmission device that transmits to an on-board device, wherein the own train state estimation device, the other train state estimation device, and the train state estimation device are all based on the sensor observation values A radio train control system that estimates the train state using a statistical model and a time series filter. 車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、前記地上装置を経て他列車のセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した前記他列車のセンサ観測値に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて前記自列車を制御する速度制御装置とを備え、前記地上装置には、先行列車または後続列車の車上装置からセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した前記センサ観測値を前記後続列車または前記先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備えた無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置および前記他列車状態推定装置は、いずれも統計モデルと時系列フィルタを用いて前記列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。   The on-board device includes a sensor observation device that acquires an observation value of a sensor necessary for estimating a train state of the own train, a transmission device that transmits the acquired sensor observation value to a ground device, and the acquired sensor Based on the own train state estimation device that calculates the train state of the own train based on the observation value, the receiving device that receives the sensor observation value of the other train via the ground device, and the received sensor observation value of the other train An other train state estimating device for calculating the train state of the other train, and a speed control device for controlling the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train, The ground device includes a receiving device that receives sensor observation values from the on-board device of the preceding train or the following train, and a transmitting device that transmits the received sensor observation values to the on-board device of the following train or the preceding train. The own train state estimating device and the other train state estimating device are both for estimating the train state using a statistical model and a time series filter. Wireless train control system. 車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態を地上装置に送信する送信装置と、前記地上装置を経て他列車の列車状態を受信する受信装置と、受信した前記他列車の列車状態に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて自列車を制御する速度制御装置とを備え、地上装置には、先行列車または後続列車の前記車上装置から列車状態を受信する受信装置と、受信した列車状態を後続列車または先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備えた無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置および他列車状態推定装置は、いずれも統計モデルと時系列フィルタを用いて列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。   The on-board device includes a sensor observation device that acquires sensor observation values necessary for estimating the train state of the own train, and the own train state that calculates the train state of the own train based on the acquired sensor observation values. Based on the estimation device, the transmission device that transmits the calculated train state of the own train to the ground device, the reception device that receives the train state of the other train via the ground device, and the received train state of the other train An other train state estimating device for calculating the train state of the other train, and a speed control device for controlling the own train based on the calculated train state of the own train and the train state of the other train. A wireless train control system comprising: a receiving device that receives a train state from the on-board device of a preceding train or a subsequent train; and a transmitting device that transmits the received train state to the on-board device of the following train or the preceding train. A is, the self-train state estimation device and other train state estimation apparatus, a radio train control system, characterized in that both is to estimate the train state using the statistical model and a time series filter. 請求項4記載の無線列車制御システムにおいて、前記地上装置を備えずに、前記先行列車の送信装置と前記後続列車の受信装置との間および前記先行列車の受信装置と前記後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする無線列車制御システム。   5. The radio train control system according to claim 4, wherein the ground device is not provided, the transmitter between the preceding train and the receiver of the subsequent train, and the receiver of the preceding train and the transmitter of the subsequent train. A radio train control system characterized by direct communication between the two. 請求項5記載の無線列車制御システムにおいて、前記地上装置を備えずに、前記先行列車の送信装置と前記後続列車の受信装置との間および前記先行列車の受信装置と前記後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする分散型無線列車制御システム。   6. The radio train control system according to claim 5, wherein the ground device is not provided, the transmitter between the preceding train and the receiver of the subsequent train, and the receiver of the preceding train and the transmitter of the subsequent train. Distributed radio train control system characterized by direct communication between each other.
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