JP2016124380A - 軌道回路用送信機 - Google Patents

Abstract

【課題】制御の応答性を悪化させることなく、系切替え時における出力信号のオーバーシュートを軽減する。
【解決手段】軌道回路１１に信号を送信する軌道回路用送信機１Ａ〜１Ｂは、上位装置１０から入力される指令値１２に基づいて信号を生成する制御部２と、軌道回路１１に送信する信号の電圧値を検出する電圧検知部６と、軌道回路１１に送信する信号の電流値を検出する電流検知部８と、を備える。制御部２は、上位装置１０から系切替え指示があった場合に、検出された電圧値及び電流値から、制御則に基づいて信号を生成する制御処理を所定時間停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軌道回路用送信機に関し、鉄道信号保安装置である地上ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）装置を備えた軌道回路用送信機に適用して好適なるものである。

鉄道用保安装置では、軌道回路毎に特定の周波数成分の信号を送受する送信機と受信機が設置され、これらを用いて軌道回路に信号が伝送される。伝送される受信信号レベルの変化により、軌道回路上の列車車両の有無が認識され、鉄道運行の安全性が確保される。

上記方式を実行する際、送信機から送信される信号が不安定であると、軌道回路上の列車在線認識に誤りが生じてしまうため、送信機の出力を安定させる必要がある。また、軌道回路のインピーダンスは軌道回路ごとに異なり、列車の有無や天候によっても変動する。このため、送信機からみた軌道回路のインピーダンスの変動に対し、送信機からの出力が動揺しないように制御する必要がある。具体的には、軌道回路に出力する出力電圧または出力電流が定められた上限値（ＶＭＡＸ、ＩＭＡＸ）よりも小さい場合は、出力インピーダンスが一定になるように、定インピーダンス制御則による制御を行なう。また、上限値（ＶＭＡＸ、ＩＭＡＸ）を超過する場合は、定電圧制御あるいは定電流制御の制御則による制御を行う。

送信機は、電力増幅器からの電圧フィードバック値および電流フィードバック値を読み込んで、軌道回路に出力する信号の電圧及び電流のレベルを監視し、制御則に定インピーダンス制御の制御則を用いるように構成されている。

また、送信機は、システムの安全性及び稼働率を確保するため、電力増幅器内部の抵抗に信号を出力する待機系と、軌道回路に信号を出力する使用系の２重系で構成されている。待機系は、電力増幅器内部の抵抗に信号を出力するため、使用系時と同じ信号出力電圧で運用すると、抵抗の定格を大きく設計しなければならず、送信機の寸法が大きくなってしまう。そこで、待機系では、出力制御値を下げて、電力増幅器からの出力信号の電圧を下げるように制御し、使用系においては、出力制御値を上げて、電力増幅器からの出力信号の電圧を上げるように制御している。

例えば、使用系の送信機が故障し、待機系から使用系に切り替えられる場合、制御部は、出力制御値を上げて電力増幅器からの出力信号の電圧を上げる。このとき、フィードバック値は、出力制御値が下げられた待機系のレベルであるため、制御部は出力制御値を継続的に上昇させて所望のフィードバック値にする。フィートバック値は演算部による演算処理後に上昇してくるため、フィードバック値が所望の値に近付くと出力制御値の上昇は徐々に緩やかとなり、次第に下降する。このとき、電力増幅器からの出力信号にオーバーシュートが発生する場合がある。

特開２００３−１１８１６号公報

上記した特許文献１では、出力電圧または出力電流が、定められた上限値を超過する場合、上限値で一定になるよう、定電圧制御または定電流制御の制御則による制御を行なう。しかし、列車が在線したタイミングで送信機が故障して系切替えを行なった場合、上記した出力信号のオーバーシュートが発生して受信信号レベルがオーバーシュートすることがある。この結果、列車非在線を検知する閾値を超過してしまい、列車在線認識を誤って、危険側事象が発生する可能性がある。また、制御のゲインを変更することによって、オーバーシュートを軽減させることが考えられるが、その場合、制御の応答性が悪化して、列車在線認識までの時間が遅くなる可能性があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、制御の応答性を悪化させることなく、系切替え時における出力信号のオーバーシュートを軽減することが可能な軌道回路用送信機を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するために本発明においては、軌道回路に信号を送信する軌道回路用送信機であって、上位装置から入力される指令値に基づいて前記信号を生成する制御部と、前記軌道回路に送信する信号の電圧値を検出する電圧検知部と、前記軌道回路に送信する信号の電流値を検出する電流検知部と、を備え、前記制御部は、前記上位装置から系切替え指示があった場合に、前記検出された電圧値及び電流値に基づいて前記信号を生成する制御処理を所定時間停止する、ことを特徴とする、軌道回路用送信機が提供される。

本発明によれば、制御の応答性を悪化させることなく、系切替え時における出力信号のオーバーシュートを軽減させて、システムの安全性を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る軌道回路装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態にかかる制御処理を説明する概念図である。 同実施形態にかかる定インピーダンス制御の処理を示すフローチャートである。 同実施形態にかかる出力制御値及びフィードバック値の時間的変化を示す概念図である。 従来技術における出力制御値及びフィードバック値の時間的変化を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る定インピーダンス制御の処理を示すフローチャートである。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）定インピーダンス制御について
まず、本実施形態にかかる定インピーダンス制御について説明する。上記したように、送信機から送信される信号が不安定であると、軌道回路上の列車在線認識に誤りが生じてしまうため、送信機の出力を安定させる必要がある。また、軌道回路のインピーダンスは軌道回路ごとに異なり、列車の有無や天候によっても変動する。このため、送信機からみた軌道回路のインピーダンスの変動に対し、送信機からの出力が動揺しないように制御する必要がある。

上記制御方式を実現する方法として、制御部が、軌道回路に出力する信号の電圧及び電流取り込み、演算によりインピーダンスを求め、所定の制御則で定インピーダンス制御、定電圧制御または定電流制御を行う。具体的には、出力電圧または出力電流が予め定められた上限値（ＶＭＡＸ、ＩＭＡＸ）よりも小さい場合は、出力インピーダンスが一定によるように、定インピーダンス制御即による制御を行い、ＶＭＡＸ、ＩＭＡＸを超過する場合は、定電圧制御あるいは定電流制御の制御則による制御を行う。

定インピーダンス制御では、出力インピーダンスをＺ、出力電流をＩとし、電圧基準値Ｖｓを設け、出力電圧の目標値Ｖｒが下記の式（１）で求められる。式（１）で得られた出力電圧の目標値Ｖｒに出力電圧Ｖを近づけるように制御される。

上限値ＶＭＡＸは、電力増幅器が出力可能な電圧定格値と、軌道回路に許容される電圧定格値を元に設定される。また、上限値ＩＭＡＸは、電力増幅器が出力可能な電流定格値と、軌道回路に許容される電流定格値を元に設定される。

送信機は、電力増幅器からの電圧フィードバック値および電流フィードバック値を読み込んで、軌道回路に出力する信号の電圧及び電流のレベルを監視する。そして、送信機は、定インピーダンス制御の制御則を用いて出力電圧を制御する。以下、本実施形態にかかる送信機のフィードバック制御について説明する。

（２）第１の実施の形態
図１を参照して、本実施の形態にかかる軌道回路装置の送信手段である軌道回路用送信機（以下単に送信機と称して説明する。）の構成について説明する。図１は、送信機の構成を示すブロック図である。図１では、対となる待機系または使用系の送信機を第１の送信機１Ａ及び第２の送信機１Ｂとして示している。第１の送信機１Ａ及び第２の送信機１Ｂは、それぞれ、入力側は上位装置１０に接続され、出力側は軌道回路１１に接続されている。なお、第１の送信機１Ａ及び第２の送信機１Ｂは、同様の構成を有しているため、以下では第１の送信機１Ａの構成について説明する。

図１に示すように、第１の送信機１Ａは、制御部２、出力信号演算部３、電力増幅器４、電源５、電圧検知部６、電圧フィードバック演算部７、電流検知部８及び電流フィードバック演算部９などから構成される。

制御部２は、上位装置１０からの系切り替え指示１２に応じて、出力信号演算部３に出力制御値１５を出力する。さらに、制御部２は、電圧フィードバック演算部７から出力された電圧フィードバック値１３及び電流フィードバック演算部９から出力された電流フィードバック値１４に応じて、出力制御値１５を変化させる。制御部２により実行される制御処理については後で詳細に説明する。

出力信号演算部３は、出力制御値１５を演算して、演算結果を電力増幅器４に出力する。電力増幅器４は、出力信号演算部３から出力された演算結果に応じて、電源５から供給された電力を増幅して軌道回路１１に出力する。

電圧検知部６は、電力増幅器４の出力信号１６の電圧を検知する。電圧フィードバック演算部７は、電圧検知部６により検知された信号を演算して、電圧フィードバック値１３を制御部２に出力する。

電流検知部８は、電力増幅器４の出力信号１６の電流を検知する。電流フィードバック演算部９は、電流検知部８により検知された信号を演算して、電流フィードバック値１４を制御部２に出力する。

次に、図２を参照して、制御部２により実行される制御処理について説明する。図２は、制御部２により実行される制御処理を説明する概念図である。図２に示すように、制御部２は、電圧フィードバック値１３と電流フィードバック値１４とを加算してフィードバック値１８を算出する。そして、制御部２は、加算したフィードバック値１８と目標値１７の偏差が０になるようにＰＩ（Proportional-Integral）制御を行い、出力制御値１５を出力する。目標値１７は、上位装置１０からの系切り替え指示１２に応じて変更される。

次に、図３を参照して、第１の送信機１Ａまたは第２の送信機１Ｂの制御部２が実行する定インピーダンス制御の処理について説明する。図３に示すように、制御部２は、上位装置１０からの系切り替え指示１２があるかを判定する（Ｓ１００）。

ステップＳ１００において、上位装置１０からの系切り替え指示１２があったと判定された場合には、制御部２は、ステップＳ１０４以降の処理を実行する。一方、ステップＳ１００において、上位装置１０からの系切り替え指示１２がなかったと判定された場合には、制御部２は、ステップＳ１０２の処理を実行する。

ステップＳ１０２では、制御部２は、定インピーダンス制御を継続して、処理を終了する。

ステップＳ１０４では、制御部２は、使用系へ系切替えしたタイミングかを判定する（Ｓ１０４）。ステップＳ１０４において、使用系へ系切替えしたタイミングとは、待機系から使用系に切替えしたタイミングを意味する。また、使用系への系切替えではない場合とは、待機系から使用系へ切替えしたタイミングを意味する。

ステップＳ１０４において、使用系への系切替えであると判定された場合、すなわち、待機系から使用系への系切替えである場合には、制御部２は、目標値１７と出力制御値１５を使用系の電圧に設定する（Ｓ１０６）。一方、ステップＳ１０４において、使用系への系切替えではない、すなわち、使用系から待機系への系切替えである場合には、制御部２は、目標値１７と出力制御値１５を待機系の電圧に設定する（Ｓ１０８）。

そして、制御部２は、ステップＳ１０６またはステップＳ１０８において、目標値１７と出力制御値１５を使用系または待機系の電圧に設定した後、定インピーダンス制御を一時的に停止する（Ｓ１１０）。ステップＳ１１０において、制御部２は、定インピーダンス制御における演算時間分だけ、定インピーダンス制御を停止する。定インピーダンス制御の一時的な停止については、後で詳細に説明する。

制御部２は、定インピーダンス制御を停止してから、一定時間経過したかを判定する（Ｓ１１２）。ステップＳ１１２において、一定時間が経過したと判定された場合には、制御部２は、定インピーダンス制御を再開して（Ｓ１１４）、処理を終了する。一方、ステップＳ１１２において、一定時間が経過していないと判定された場合には、所定時間後再度ステップＳ１１２の判定を行う。

次に、図４及び図５を参照して、制御部２で扱われる出力制御値１５及びフィードバック値１８の時間的変化について説明する。図４は本実施形態にかかる出力制御値１５及びフィードバック値１８の時間的変化を示す概念図であり、図５は従来技術における出力制御値１５及びフィードバック値１８の時間的変化を示す概念図である。

図４に示すように、制御部２は、上位装置１０からの系切替え指示により、使用系切替えのタイミングで、目標値１７及び出力制御値１５を待機系の電圧から使用系の電圧に変化させる。本実施の形態では、上記ステップＳ１１０に示したように、制御部２は、出力信号演算部３及び電圧フィードバック演算部７及び電流フィードバック演算部９の演算時間が経過する間、定インピーダンス制御を停止させる。そして、制御部２は、ステップＳ１１２及びステップＳ１１４に示したように、演算時間が経過した後、定インピーダンス制御を再開させる。

このように、演算時間が経過するまで定インピーダンス制御を停止させている間に、フィードバック値１８は、出力制御値１５の変化をうけて使用系の電圧に変化する。そして、演算時間が経過した後に定インピーダンス制御を再開させたときに、制御部２は、フィードバック値１８と目標値１７との偏差が小さいものと判断する。そのため、制御部２は、定インピーダンス制御の作用を受けることなく、使用系の電圧を保持することができる。これにより、出力信号１６のオーバーシュートを軽減することができる。

一方、図５は、従来技術、すなわち、定インピーダンス制御を一時停止させない場合であり、出力信号１６においてオーバーシュートが発生する場合を示す。本実施形態と同様に、制御部２は、上位装置１０からの系切替え指示により、使用系切替えのタイミングで、目標値１７及び出力制御値１５を待機系の電圧から使用系の電圧に変化させる。

しかし、目標値１７及び出力制御値１５を待機系の電圧から使用系の電圧に変化させる時点では、フィードバック値は待機系の電圧のままである。このため、制御部２は、待機系の電圧であるフィードバック値１８と、使用系の電圧である目標値１７との、偏差が大きいものと判断して、偏差が小さくなるように出力制御値１５を上げる制御を行う。

その後、演算時間が経過して、フィードバック値１８が使用系の電圧に変化する。このとき、制御部２は、フィードバック値１８と目標値１７との偏差が小さいものと判断するので、出力制御値１５を上げる制御を停止する。しかし、フィードバック値１８は、演算時間前の出力制御値１５の変動が反映されるため、フィードバック値１８は上がってしまう。制御部２は、フィードバック値１９の上昇を収束させるため、出力制御値１５を下げる制御を行う。この結果、出力信号１６において、図５に示すオーバーシュートが発生する。

このように、従来は、待機系から使用系に系切替えを行う際に、図５に示すようなオーバーシュートが発生していたが、本実施の形態では、系切替え後に演算時間分だけ定インピーダンス制御を停止させることにより、系切替え時における出力信号のオーバーシュートを軽減することが可能となる。これにより、送信機からの出力を安定させて、システムの安全性を確保することができる。

なお、定インピーダンス制御における演算時間とは、出力信号演算部３による演算時間と、電圧フィードバック演算部７による演算時間と、電流フィードバック演算部９による演算時間を加算した時間であり、例えば、０．５秒程度である。各部の演算時間は送信機の構成などにより異なるが、予め各部の演算時間を計測することにより、ステップＳ１１０における停止時間を決定することができる。

また、上記実施形態では、上位装置１０からの指示に基づいて系切替えを行う場合について説明したが、かかる例に限定されず、例えば、１日１回送信機の機器のバランスを保つために系切替えを行う場合にも、本実施の形態を適用することができる。また、上記では、待機系から使用系に系を切り替える場合について説明したが、使用系から待機系に切替える場合も同様に演算時間分だけ定インピーダンス制御を停止させることにより、オーバーシュートを軽減させることができる。

（３）第２の実施の形態
次に、図６を参照して、第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、系切替えの契機は上位装置１０からの系切替え指示であるが、本実施の形態では、制御部２が監視しているインピーダンスの変化量に基づいて系切替えを行う点で異なっている。したがって、本実施の形態は、第１の実施の形態とは、図２のステップＳ１００の判定が異なるだけで、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。以下では、第１の実施の形態と異なる構成について詳細に説明し、同様の構成については詳細な説明を省略する。

図６に示すように、制御部２は、電圧検知部６からの電圧フィードバック値１３および電流検知部８からの電流フィードバック値１４を取込み、電圧フィードバック値１３及び電流フィードバック値１４からインピーダンスを算出する。そして、単位時間あたりのインピーダンスの変化量を比較して、変化量が一定量以上かを判定する（Ｓ２００）。

ステップＳ２００において、単位時間あたりのインピーダンスの変化量が一定量以上ではないと判定された場合には、定インピーダンス制御を継続して、処理を終了する（Ｓ２０２）。

一方、ステップＳ２００において、単位時間あたりのインピーダンスの変化量が一定量以上であると判定された場合には、定インピーダンス制御を一時的に停止する（Ｓ２１０）。

制御部２は、定インピーダンス制御を停止してから、一定時間経過したかを判定する（Ｓ２１２）。ステップＳ２１２において、一定時間が経過したと判定された場合には、制御部２は、定インピーダンス制御を再開して（Ｓ２１４）、処理を終了する。一方、ステップＳ２１２において、一定時間が経過していないと判定された場合には、所定時間後再度ステップＳ２１２の判定を行う。

本実施の形態では、第１の実施の形態のように系切替え時だけでなく、送信機１に接続される軌道回路１１のインピーダンスが、列車の在線あるいは非在線によって、動的に大きく変化した場合でも、定インピーダンス制御を一時停止する。これにより、出力信号１６のオーバーシュートを軽減することが可能になる。なお、ステップＳ２００における判定の基準となる変化量の閾値は、オーバーシュートがシステムに影響を与えるか否かによって、ユーザーにより設定するようにしてもよい。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。

また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１ 送信機
２ 制御部
３ 出力信号演算部
４ 電力増幅器
５ 電源
６ 電圧検知部
７ 電圧フィードバック信号用演算部
８ 電流検知部
９ 電流フィードバック信号用演算部
１０ 上位装置
１１ 軌道回路

Claims (5)

1. 軌道回路に信号を送信する軌道回路用送信機であって、
   上位装置から入力される指令値に基づいて前記信号を生成する制御部と、
   前記軌道回路に送信する信号の電圧値を検出する電圧検知部と、
   前記軌道回路に送信する信号の電流値を検出する電流検知部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記上位装置から系切替え指示があった場合に、前記検出された電圧値及び電流値に基づいて前記信号を生成する制御処理を所定時間停止する、
   ことを特徴とする、軌道回路用送信機。
2. 前記制御部からの出力制御値を演算する出力信号演算部と、
   前記出力信号演算部の出力側に接続された電力増幅器と、
   前記電力増幅器に電力を供給する電源と、
   前記電圧検知部からの信号を演算して電圧フィードバック値を前記制御部に出力する電圧フィードバック演算部と、
   前記電流検知部からの信号を演算して電流フィードバック値を前記制御部に出力する電流フィードバック演算部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記上位装置から系切替え指示があった場合に、前記出力信号演算部、前記電圧フィードバック演算部及び前記電流フィードバック演算部による演算時間分、前記制御処理を停止する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の軌道回路用送信機。
3. 前記制御部は、
   前記制御処理を所定時間停止した後、前記上位装置から入力された系切替え後の指令値、前記検出された電圧値及び電流値に基づいて前記信号を生成する制御処理を再開する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の軌道回路用送信機。
4. 前記制御部は、
   前記電圧値及び電流値に基づく前記制御処理を前記所定時間停止し、前記再開するまでの間、
   前記上位装置から入力される指令値に基づいて前記信号を生成する、
   ことを特徴とする、請求項３に記載の軌道回路用送信機。
5. 前記制御部は、
   前記検出された電圧値及び電流値から算出されるインピーダンスの変化量が所定の閾値を超えた場合に、前記検出された電圧値及び電流値に基づいて前記信号を生成する制御処理を所定時間停止する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の軌道回路用送信機。