JP2016205922A - 列車状態検出装置及び列車状態検出方法 - 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センサの設置高さを精度良く検出する技術を提供する。
【解決手段】列車１は、車両制御部４０と、ドップラーレーダー型センサ２０と、センサ検出部１０とを備える。ドップラーレーダー型センサ２０は、列車１の底面２に、道床９０に対し所定の傾斜角θをつけて設置されている。探索部３０の探索実行部３１は、ドップラーレーダー型センサ２０で検出した速度情報Ｖと距離成分ＲＨをもとに列車１の列車速度ＲＶ及びドップラーレーダー型センサ２０の設置高度ｈを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、列車状態検出装置及び列車状態検出方法に係り、特に、ドップラーレーダー型のセンサを利用して列車の速度や道床からセンサまでの高さを検出する列車状態検出装置及び列車状態検出方法に関する。

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、さらに積算することで列車位置を確定させている。しかし、車輪の空転、滑走が発生すること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こと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ことで、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ことが非常に重要となり、そのために速度検出精度を高める技術が必要となる。

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て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。ドップラー効果の原理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」、２０１２年１１月、鉄道サイパネ・シンポジウム論文集通号４９

ところで、センサから得られた斜め方向速度成分を、センサの地面に対する傾斜角を用いて補正する従来の方法は、センサと地面（反射位置）の位置関係が定常的にずれる場合や、センサの検知エリアが広がっている場合（レーザーのようにビームではない場合）に、検出速度誤差が大きくなるという課題がある。

反射位置となる道床が、センサに対して均一の高さであれば問題は少ないが、現実には道床面の高さには場所によってばらつきがあり、また積雪などにより道床面の高さが変化した場合の影響もあることから、センサと地面の距離変化によって、列車速度の誤差を発生させない方策が必要となる。また、上述の様に積雪等によって道床の状態に変化が生じたことを把握したいという要望もある。

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。

本発明の列車状態検出装置は、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斜め方向距離と、前記照射方向の斜め方向速度とを取得する計測値取得部と、前記斜め方向距離と前記斜め方向速度とをもとに、所定の数学的手法に基づき前記道床から前記センサまでの高さと、前記列車の水平方向の速度とを求める探索部とを備える。
また、前記探索部は、前記数学的手法として、次の〔数式１〕が最小となる前記道床から前記センサまでの高さと、前記列車の水平方向の速度とを求めてもよい。
〔数式１〕
ｆ（ＲＶ、ｈ）＝（（Ｖ／ＲＶ）^２＋（ｈ／ＲＨ）^２−１）^２
〔式中、
Ｖ：ドップラーレーダー型のセンサによって検出された斜め方向速度、
ＲＨ：ドップラーレーダー型のセンサによって検出された斜め方向距離、
ｈ：道床からセンサまでの高さ、
ＲＶ：列車の水平方向の速度〕。
また、前記道床から前記センサまでの高さと前記列車の水平方向の速度との探索範囲は、列車の位置と関連づけて設定されてもよい。
また、探索結果に特異な値が生じたときに、外部の指令部へ通知する通信処理部を備えてもよい。
また、前記通信処理部は外部の指令部から前記探索範囲の指示を受けてもよい。
本発明の列車状態検出方法は、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斜め方向距離と、前記照射方向の斜め方向速度とを取得する計測値取得行程と、前記斜め方向距離と前記斜め方向速度とをもとに、所定の数学的手法に基づき前記道床から前記センサまでの高さと、前記列車の水平方向の速度とを求める探索行程とを備える。

本発明によると、ドップラーレーダー型のセンサを用いて、センサが取り付けられている車両の設置高度と車両速度とを精度良く測定する技術を実現できる。

本実施形態に係る、列車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、列車速度及び設置高度を算出するシミュレーション例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１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、主に速度算出機能及び設置高度算出機能に着目して示している。図２は、ドップラーレーダー型センサを用いて軌道９１上の列車１の列車速度ＲＶ及びドップラーレーダー型センサ２０の設置高さ（「設置高度ｈ」ともいう。）を計測する原理を説明する図である。

列車１は、車両制御部４０と、ドップラーレーダー型センサ２０と、センサ検出部１０とを備える。ドップラーレーダー型センサ２０は、列車１の底面２に、道床９０に対し所定の傾斜角θをつけて設置されている。即ち、ドップラーレーダー型センサ２０の照射方向が傾斜角θに設定されている。センサ検出部１０は、距離情報検出部１１と速度情報検出部１２を備える。距離情報検出部１１は、ドップラーレーダー型センサ２０のセンシング結果をもとに、斜め方向（傾斜角θの方向）の距離情報ＲＨを検出する。同様に、速度情報検出部１２は、ドップラーレーダー型センサ２０のセンシング結果をもとに、ドップラー効果の原理に基づいて、斜め方向（傾斜角θの方向）の速度情報Ｖを検出する。

探索部３０は、センサ検出部１０（ドップラーレーダー型センサ２０）で検出した速度情報Ｖをもとに列車１の水平方向の速度つまり列車速度ＲＶを推定するとともにドップラーレーダー型センサ２０の設置高度ｈを算出する。

探索部３０は、上記機能を実現する為の構成として、探索実行部３１、探索設定部３２、探索情報記憶部３３を備える。探索実行部３１は、後述する数学的手法を用いて最も確からしいと推定される列車速度ＲＶ及び設置高度ｈを探索する。

探索設定部３２は、探索実行部３１を実行するにあたり各種の条件（設定情報）を設定する。具体的には、探索設定部３２は、どのような数学的手法を用いるか、どのような探索範囲とするかを予め設定する。

探索情報記憶部３３は、探索設定部３２の設定情報を保持すると共に、探索部３０による探索結果を保持する。

車両制御部４０は、列車速度部４１と、位置情報部４２と、通信処理部４３とを備える。通信処理部４３は、運行する列車を統括的に制御する外部の指令部８０と無線により通信を行う。

列車速度部４１は、探索部３０で探索された列車速度ＲＶをもとに、列車速度を算出する。列車速度部４１は、列車速度ＲＶに特に異常な値がなければ、列車速度ＲＶをそのまま列車速度とする。異常な値とは、前の値と比べて極端に乖離した値や、想定範囲外の値である。

列車速度ＲＶに異常な値があれば、列車速度部４１は、直近の列車速度ＲＶを列車速度とする。なお、列車速度部４１で特定された列車速度及び位置情報部４２で特定された位置情報は、例えばリアルタイムで通信処理部４３を介して指令部８０に通知される。

なお、列車速度ＲＶに異常な値が継続する場合は、列車速度部４１はエラー報知を行うとともに、図示しない別系統の速度計（例えば車輪回転に基づく速度計やＧＰＳを用いた速度計）に切り替える。また、その旨を通信処理部４３を介して指令部８０へ通知する。

図２を参照して、本実施形態における速度検出方法（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に所定の傾斜角（チルト角）θ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。

図２（ａ）、（ｂ）に示す様に、斜め前方照射方向のドップラーレーダー型センサ２０より検出された距離情報ＲＨと、速度情報Ｖと、ドップラーレーダー型センサ２０の地面からの設置高度ｈと、列車速度ＲＶには、次式のような関係が成り立つ。

ドップラーレーダー型センサ２０で検出された距離情報ＲＨと速度情報Ｖが複数ある場合、図２（ａ）により、それぞれの距離情報ＲＨと、傾斜角θと、ドップラーレーダー型センサ２０の設置高度ｈの間には、式（１）が成り立つ。ただし、添え字Ｐｋ（０≦Ｐｋ≦ＴＮ、ＴＮは最大サンプル数）を検出された際のサンプル番号とする。

また、ドップラーレーダー型センサ２０で検出された距離情報ＲＨと速度情報Ｖが複数ある場合、図２（ｂ）により、それぞれの速度情報Ｖと、傾斜角θと、列車速度ＲＶの間には、式（２）が成り立つ。ただし、添え字Ｐｋを検出された際のサンプル番号とする。

三角関数の基本公式として次の式（３）がある。

上述の式（３）に式（１）、（２）を代入すると、次の式（４）が成り立つ。

ここで、式（４）において、未知数である列車速度ＲＶと、設置高度ｈを数学的手法（例えば、非線形最小二乗法（式（５）））を用いて、計算することにより、列車速度ＲＶと設置高度ｈとを同時に探索する。この探索は、探索実行部３１が行う。

図３は、非線形最小二乗法による探索結果例を示すイメージ図である。図３（ａ）は、２次元で等高線形式で示したグラフである。図３（ｂ）は３次元で示したグラフである。ここでは、列車速度５０ｋｍ／ｈ、設置高度０．８ｍとした場合に、上述の非線形最小二乗法でそれらを探索する例を示している。図示のように、未知数である列車速度ＲＶと、設置高度ｈとを所定の範囲（探索範囲）で当てはめていくと、収束点（最小値）が検出される。その収束点に対応する列車速度ＲＶと設置高度ｈが、求める値となる。探索範囲は、予め設定され探索設定部３２に記憶されている。なお、探索に用いる数学的手法として、非線形最小二乗法の他に、例えば、焼きなまし法や山登り法等の手法がある。

以上の方法により、距離情報ＲＨ及び速度情報Ｖから、設置高度ｈや傾斜角θの変化に影響されることなく、列車速度ＲＶを算出することができる。また、設置高度ｈも算出することができるので、道床９０の凹凸の変化や異常を検出することができる。

以上、本実施形態の効果をまとめると次の通りである。
（１）バラスト（敷石）の敷き詰め方が区間により統一されていない環境（例えば、特定の区間だけ、バラストが枕木の高さまで敷き詰められていない環境など）のように、ドップラーレーダー型センサ２０の設置高度ｈが定常的に変化する場合であっても、設置高度ｈの変化も想定・吸収し、高度推定をしながら、速度精度の向上を図ることができる。
（２）積雪環境のように、どこから反射してきたか判断できない場合であっても、距離情報に紐付けされた速度情報を用いているので、速度情報のみを用いるよりも、速度精度の向上を図ることができる。
（３）設置高度ｈも推定しているので、道床９０などの地面環境の凹凸の変化を検出することができる。したがって、安全対策の確認作業を早期に行うことができる。
（４）ドップラーレーダー型センサ２０の傾斜角が、走行中の振動や衝撃でずれた場合でも、計算の中で傾斜角がキャンセルされるので、ずれの影響を排除することができる。

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 センサ検出部
１１ 距離情報検出部
１２ 速度情報検出部
２０ ドップラーレーダー型センサ
３０ 探索部
３１ 探索実行部
３２ 探索設定部
３３ 探索情報記憶部
４０ 車両制御部
４１ 列車速度部
４２ 位置情報部
４３ 通信処理部
８０ 指令部
９０ 道床
９１ 軌道

Claims (6)

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斜め方向距離と、前記照射方向の斜め方向速度とを取得する計測値取得部と、
   前記斜め方向距離と前記斜め方向速度とをもとに、所定の数学的手法に基づき前記道床から前記センサまでの高さと、前記列車の水平方向の速度とを求める探索部と
   を備えることを特徴とする列車状態検出装置。
2. 前記探索部は、前記数学的手法として、次の〔数式１〕が最小となる前記道床から前記センサまでの高さと、前記列車の水平方向の速度とを求めることを特徴とする請求項１に記載の列車状態検出装置。
   〔数式１〕
   ｆ（ＲＶ、ｈ）＝（（Ｖ／ＲＶ）^２＋（ｈ／ＲＨ）^２−１）^２
   〔式中、
   Ｖ：ドップラーレーダー型のセンサによって検出された斜め方向速度、
   ＲＨ：ドップラーレーダー型のセンサによって検出された斜め方向距離、
   ｈ：道床からセンサまでの高さ、
   ＲＶ：列車の水平方向の速度〕。
3. 前記道床から前記センサまでの高さと前記列車の水平方向の速度との探索範囲は、列車の位置と関連づけて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の列車状態検出装置。
4. 探索結果に特異な値が生じたときに、外部の指令部へ通知する通信処理部を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の列車状態検出装置。
5. 前記通信処理部は外部の指令部から前記探索範囲の指示を受けることを特徴とする請求項４に記載の列車状態検出装置。
6. 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斜め方向距離と、前記照射方向の斜め方向速度とを取得する計測値取得行程と、
   前記斜め方向距離と前記斜め方向速度とをもとに、所定の数学的手法に基づき前記道床から前記センサまでの高さと、前記列車の水平方向の速度とを求める探索行程と
   を備えることを特徴とする列車状態検出方法。

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