JP2017184023A - 異常診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両に用いられる通信ケーブルの物理的な異常を監視し、異常の予測を行うことができる異常診断システムを提供する。【解決手段】本実施形態による異常診断システムは、鉄道車両におけるネットワークを診断する異常診断システムである。ネットワークケーブルは、複数の車両のそれぞれに配置された制御装置間を通信可能に接続する。測定部は、複数の車両の少なくとも先頭および最後尾の車両に配置され、ネットワークケーブルがデータの送受信に用いられていないときに該ネットワークケーブルの物理量を測定する。監視部は、予め設定された物理量の許容範囲と測定部で測定された物理量の測定値とを比較し、測定値が許容範囲を逸脱した場合にネットワークケーブルが異常であると判断する。【選択図】図１

Description

本発明による実施形態は、異常診断システムに関する。

従来から鉄道車両間の通信には、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）変調等のシリアル通信バスが用いられていた。近年、このような通信バスから大容量で高速なイーサネット（登録商標）を用いた通信が採用されている。これにより、制御装置等の艤装および車両間の配線が簡易になった。

一方、イーサネットに不具合が生じると、鉄道車両の運行に多大な悪影響が生じる場合がある。従って、鉄道車両に用いられるイーサネットケーブルは、地上に設置されるイーサネットケーブルと異なり、高い信頼性および耐久性が求められる。

しかし、従来、ネットワークの異常検知手段は、不正アクセス等のセキュリティ技術に関するものであり、ケーブルの物理的な切断／短絡の異常を監視することや、切断／短絡を予測することは困難であった。

特開２０１２−１６８７５５号公報

鉄道車両に用いられる通信ケーブルの物理的な異常を監視し、異常の予測を行うことができる異常診断システムを提供する。

本実施形態による異常診断システムは、鉄道車両におけるネットワークを診断する異常診断システムである。ネットワークケーブルは、複数の車両のそれぞれに配置された制御装置間を通信可能に接続する。測定部は、複数の車両の少なくとも先頭および最後尾の車両に配置され、ネットワークケーブルがデータの送受信に用いられていないときに該ネットワークケーブルの物理量を測定する。監視部は、予め設定された物理量の許容範囲と測定部で測定された物理量の測定値とを比較し、測定値が許容範囲を逸脱した場合にネットワークケーブルが異常であると判断する。

第１の実施形態による異常診断システム１の構成の一例を示すブロック図。 第１の実施形態による異常診断システム１の動作の一例を示すフロー図。 第１の実施形態による異常診断システム１の動作の他の例を示すフロー図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による異常診断システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１には、第１〜第３車両１０〜３０からなる３両編成の鉄道車両を示しており、第１車両１０および第３車両３０の一方が先頭車両であり、その他方が最後尾車両である。第２車両２０は、第１車両１０と第３車両３０との間の中間車両である。本実施形態では、第２車両２０は単数の車両であるが、第２車両２０は複数の車両であってもよい。

第１〜第３車両１０〜３０は、それぞれ制御装置１１〜３１を備えており、制御装置１１〜３１によって制御されている。制御装置１１〜３１は、ネットワークケーブルとしてのイーサネットケーブル４０によって物理的に接続され、かつ、互いに電気的に通信可能に接続されている。制御装置１１〜３１は、それぞれイーサネットケーブル４０を介して伝送部１３〜３３において送受信されたデータに基づいて第１〜第３車両１０〜３０を制御する。

異常診断システム１は、編成された第１〜第３車両１０〜３０に搭載されており、少なくともイーサネットケーブル４０と、測定部１４、３４と、監視部１５、３５とを備えている。以下、異常診断システム１を含めた第１〜第３車両１０〜３０のそれぞれの構成について説明する。

制御装置１１は、伝送部１３と、測定部１４と、監視部１５とを備えている。伝送部１３は、イーサネットケーブル４０に電気的に接続されており、イーサネットケーブル４０を介して他の伝送部２３、３３と通信可能に接続されている。これにより、制御部１１は、他の制御部２１、３１から情報や命令を受信することができ、他の制御部２１、３１へ情報や命令を送信することができる。

測定部１４は、イーサネットケーブル４０の一端に電気的に接続されており、イーサネットケーブル４０がデータの送受信に用いられていないときにイーサネットケーブル４０の物理量を測定するために用いられる。測定部１４は、所謂、ケーブルアナライザであってもよい。イーサネットケーブル４０の物理量とは、例えば、抵抗値、電流値、電圧値、信号の伝搬速度、挿入損失、反射損失の少なくとも１つである。測定部１４の測定処理については後で説明する。

監視部１５は、伝送部１３において送受信されるデータを監視し、および／または、測定部１４において測定されたイーサネットケーブル４０の物理量を監視する。例えば、監視部１５は、伝送部１３において送受信されるデータ等をモニタし、データのパケットエラーまたはイーサネットケーブル４０のリンク状態（例えば、オープン／ショート）を検出する。また、監視部１５は、予め設定された物理量の許容範囲と、測定部１４において実際に測定されたイーサネットケーブル４０の物理量の測定値とを比較し、測定値が許容範囲を逸脱した場合には、イーサネットケーブル４０が異常であると判断する。物理量の許容範囲や測定値は、監視部１５の記憶部１６に格納しておけばよい。イーサネットケーブル４０の物理量の測定値は、その測定日時（測定の年月日および時刻）とともに監視部１５の記憶部１６に格納される。

制御装置２１は、伝送部２３と監視部２５とを備えている。伝送部２３は、イーサネットケーブル４０に電気的に接続されており、イーサネットケーブル４０を介して他の伝送部１３、３３と通信可能に接続されている。これにより、制御部２１は、他の制御部１１、３１から情報や命令を受信することができ、他の制御部１１、３１へ情報や命令を送信することができる。

監視部２５は、伝送部２３において送受信されるデータを監視する。例えば、監視部２５は、伝送部２３において送受信されるデータ等をモニタし、データのパケットエラーまたはイーサネットケーブル４０のリンク状態（例えば、オープン／ショート）を検出する。

制御装置３１は、伝送部３３と、測定部３４と、監視部３５とを備えている。伝送部３３は、イーサネットケーブル４０に電気的に接続されており、イーサネットケーブル４０を介して他の伝送部１３、２３と通信可能に接続されている。これにより、制御部３１は、他の制御部１１、２１から情報や命令を受信することができ、他の制御部１１、２１へ情報や命令を送信することができる。

測定部３４は、イーサネットケーブル４０の他端に電気的に接続されており、イーサネットケーブル４０がデータの送受信に用いられていないときにイーサネットケーブル４０の物理量を測定するために用いられる。測定部３４も、所謂、ケーブルアナライザであってもよい。

監視部３５は、伝送部３３において送受信されるデータを監視し、および／または、測定部３４において測定されたイーサネットケーブル４０の物理量を監視する。例えば、監視部３５は、伝送部３３において送受信されるデータ等をモニタし、データのパケットエラーまたはイーサネットケーブル４０のリンク状態（例えば、オープン／ショート）を検出する。また、監視部３５は、予め設定された物理量の許容範囲と、測定部３４において実際に測定されたイーサネットケーブル４０の物理量の測定値とを比較し、測定値が許容範囲を逸脱した場合には、イーサネットケーブル４０が異常であると判断する。物理量の許容範囲や測定値は、監視部３５の記憶部３６に格納しておけばよい。イーサネットケーブル４０の物理量の測定値は、その測定日時とともに監視部３５の記憶部３６に格納される。

表示部１２、３２は、それぞれ第１および第３車両１０、３０に設けられている。表示部１２、３２は、制御装置１１〜３１に接続されており、乗務員に様々な情報を提示する。出力部としての表示部１２、３２は、監視部１５、３５においてネットワークケーブル４０が異常であると判断された場合に警告を出力（表示）する。表示部１２，３２は、タッチパネル式モニタであってもよい。尚、出力部としては、警告を音声出力するスピーカであってもよく、警告ランプであってもよく、あるいは、警告を振動で出力するバイブレータであってもよい。

このような構成を有する異常診断システム１において、測定部１４、３４は、イーサネットケーブル４０の抵抗値、電流値、電圧値、信号の伝搬速度、挿入損失または反射損失を測定する。これらの物理量の測定値は、イーサネットケーブル４０が正しく配線されているかを示すワイヤ・マップを表示するために用いられたり、イーサネットケーブル４０の長さの異常を検知するために用いることもできる。

測定部１４、３４がネットワークケーブル４０の物理量を測定するときには、測定部１４、３４がその物理量を正確に測定可能とするために、伝送部１３〜３３は電源オフ状態または待機状態である必要がある。即ち、ネットワークケーブル４０を介してデータの送受信が実行されていない状態であり、かつ、ネットワークケーブル４０に電力がほとんど供給されていない状態である必要がある。例えば、測定部１４、３４による測定は、制御装置１１〜３１の電源投入時（立ち上げ時）、あるいは、制御装置１１〜３１の電源切断時（立ち下げ時）に実行してもよく。あるいは、測定部１４、３４による測定は、第１〜第３車両が停車し、伝送部１３〜３３が待機状態になったときに実行してもよい。

このような測定可能な状態のもとで、例えば、測定部１４、３４がイーサネットケーブル４０に電力を供給する。測定部１４がイーサネットケーブル４０の一端に接続され、測定部３４がイーサネットケーブル４０の他端に接続されているので、測定部１４、３４は、イーサネットケーブル４０全体に電力を供給することによって、その抵抗値を測定することができる。測定部１４、３４は、イーサネットケーブル４０に流れた電流値、あるいは、イーサネットケーブル４０に印加される電圧値を測定することもできる。また、測定部１４、３４は、その一方から他方へ信号を送信することによって、イーサネットケーブル４０を伝搬する信号の速度、信号の挿入損失、あるいは、信号の反射損失を測定してもよい。このように測定されたイーサネットケーブル４０の物理量は、監視部１５、３５の記憶部１６、３６に測定日時とともに格納される。尚、記憶部１６、３６は、測定値を、測定日時だけでなく路線区間、車両の速度、ノッチ状態、編成番号等とともに関連付けて記憶してもよい。これらの履歴情報は、イーサネットケーブル４０の異常の原因究明に有効に活用することができる。

次に、本実施形態による異常診断システム１の動作について説明する。

図２は、第１の実施形態による異常診断システム１の動作の一例を示すフロー図である。図２のフロー図は、制御装置１１〜３１の電源投入時（立ち上げ時）における異常診断システム１の動作例を示す。

まず、乗務員が第１〜第３車両１０〜３０の電源を立ち上げる（Ｓ１０）。これにより、表示部１２、３２は、起動中の画面になる。

起動中において、監視部１５〜３５および測定部１１、１３の電源が立ち上がる（Ｓ２０）。監視部１５〜３５および測定部１１、１３の電源の立ち上がりによって自動的に異常診断システム１の動作が開始される。あるいは、異常診断システム１の動作は、乗務員がタッチパネル式の表示部１２、３２または図示しない入力部を用いて異常診断指令を入力または選択したときに開始されてもよい。

異常診断システム１の動作開始によって、監視部１５、３５は、それぞれ測定部１１、３１に対して測定指令を送信する（Ｓ３０）。

測定部１１、１３が測定指令を受け取ると、測定部１１、１３は、イーサネットケーブル４０の物理量の測定を開始する（Ｓ４０）。測定部１１、１３は、イーサネットケーブル４０に電力を供給し、あるいは、信号を送信することによってイーサネットケーブル４０の物理量を測定する。

測定が終了すると、測定部１１、３１は、それぞれ測定値（測定結果）を監視部１５、３５へ送信する（Ｓ５０）。

次に、監視部１５、３５は、それぞれ測定部１１、３１から受け取った測定値を測定日時とともに記憶部１６、３６へ格納する（Ｓ６０）。また、監視部１５、３５は、予め設定され記憶部１６、３６に格納されている物理量の許容範囲と、実際の測定値とを比較する（Ｓ７０）。

ここで、もし、測定値が許容範囲から逸脱している場合、監視部１５、３５は、それぞれエラー信号を伝送部１３、３３へ送信する。エラー信号を受けると、伝送部１３、３３は、電源オフ状態を維持する（Ｓ７１）。あるいは、伝送部１３、３３は、イーサネットケーブル４０が異常である場合にはエラー信号を受け取ることができないこともある。この場合、伝送部１３、３３は、エラー信号を受け取ることができないので結果的に動作しない。伝送部２３も同様に電源オフ状態を維持し、動作しない。また、監視部１５、３５は、それぞれエラー信号を表示部１２、３２へ送信する。これにより、表示部１２、３２は、乗務員に対して警告を提示する（Ｓ７２）。監視部１５、３５は、制御部１１、３１の他の構成にエラー信号を送信してもよい。また、監視部１５、３５は、地上側のシステム（図示せず）にエラー信号を送信してもよい。

一方、もし、測定値が許容範囲内にある場合、監視部１５、３５は、それぞれ許可信号を伝送部１３、３３へ送信する。許可信号を受けると、伝送部１３、３３は、電源オン状態となり、データの伝送が可能な状態となる（Ｓ７３）。このとき、許可信号は、イーサネットケーブル４０を介して伝送部２３にも送信され、伝送部２３も電源オン状態となり、データの伝送が可能な状態となる。尚、伝送部１３〜３３は、イーサネットケーブル４０のオープン／ショートを確認するためにデータを送受信してもよい。

伝送部１３〜３３が立ち上がると、監視部１５〜３５は、通常の動作状態になり（Ｓ８０）、表示部１２、３２は、通常の動作画面になる（Ｓ８５）。これにより、第１〜第３車両１０〜３０は、運行可能な状態になる。

このように、本実施形態による異常診断システム１は、第１〜第３車両１０〜３０の電源投入時にイーサネットケーブル４０の物理量が正常であるか否かを判断する。これにより、異常診断システム１は、イーサネットケーブル４０の異常を監視し、異常がある場合には伝送部１３〜３３の電源投入前に（データ伝送前）に、伝送部１３〜３３の電源をオフ状態にしたまま、イーサネットケーブル４０の異常を検知することができる。

また、本実施形態による異常診断システム１は、イーサネットケーブル４０の物理量の測定値をその測定日時とともに記憶し、その履歴を格納している。従って、表示部１２、３２は、測定値の履歴（測定値の推移）を許容範囲とともに表示してもよい。これにより、乗務員は、イーサネットケーブル４０の物理量の推移が容易に把握することができ、イーサネットケーブル４０の異常や故障の予測が可能になる。例えば、イーサネットケーブル４０の物理量の測定値が次第に許容範囲の上限または下限に近付いている場合、その測定値が許容範囲内であっても、乗務員は、イーサネットケーブル４０等の劣化（経年劣化）を知ることができ、イーサネットケーブル４０等の交換時期を或る程度把握することができる。

また、本実施形態では、測定部１４、３４は、第１〜第３車両１０〜３０からなる編成のうち先頭の第１車両１０および最後尾の第３車両３０に設けられているが、第１車両１０と第３車両３０との間の中間の第２車両２０には設けられていない。測定部１４、３４は、先頭車両および最後尾車両に設けられることによって、イーサネットケーブル４０の両端においてイーサネットケーブル４０全体の物理量を測定することができる。また、中間車両において測定部を省略することによって、編成全体の異常診断システム１の構成を簡易にすることができる。勿論、測定部は、中間車両に設けてもよい。

図３は、第１の実施形態による異常診断システム１の動作の他の例を示すフロー図である。図３のフロー図は、制御装置１１〜３１の電源投入後（立ち上げ後）における異常診断システム１の動作例を示す。

第１〜第３車両１０〜３０の電源は立ち上がっており、伝送部１３〜３３および監視部１５〜３５は、通常の動作状態となっている。表示部１２、３２は、通常の動作画面を表示している。測定部１４〜３４は、停止状態あるいは待機状態でよい。

このような状態において、まず、乗務員は、図示しない入力部で表示部１２または３２にメニュー画面を表示させ、表示されたメニューからイーサネットケーブル４０の物理量の測定を選択する（Ｓ１００）。これにより、測定選択信号が監視部１５、３５へ送信される。

次に、監視部１５、３５は、測定選択信号を受けて測定状態になり（Ｓ１１０）、それぞれ測定選択信号を測定部１４、３４へ送信する。これにより、測定部１４、３４も、測定選択信号を受けて測定状態になる（Ｓ１２０）。また、監視部１５、３５は、それぞれ停止指令を伝送部１３、３３へ送信する。伝送部１３、３３は、停止指令を受けて待機状態あるいは電源オフ状態となる（Ｓ１３０）。これにより、伝送部１３、３３は、イーサネットケーブル４０を介したデータの送受信を停止する。尚、停止指令は、伝送部１３または３３およびイーサネットケーブル４０を介して伝送部２３にも送信される。これにより、伝送部２３も待機状態あるいは電源オフ状態となる。

その後、ステップＳ３０〜Ｓ８５を実行する。ステップＳ３０〜Ｓ８５は、図２を参照して説明した通りである。これにより、制御装置１１〜３１の電源投入後（立ち上げ後）であっても、異常診断システム１は、イーサネットケーブル４０の物理量を測定し、イーサネットケーブル４０の異常を検知または予測することができる。

また、測定部１４、３４による異常診断は、データの送受信が行われていない無通電時に行われるため、システム運用中はイーサネットケーブルの物理量の計測を行うことはできない。そこで、システム運用中は伝送データの監視を行うことで異常診断を行うことができる。システム運用中に、監視部１５〜３５は、伝送部１３〜３３において送受信されるデータ等をモニタし、データのパケットエラーまたはイーサネットケーブル４０のリンク状態（例えば、オープン／ショート）を検出する。即ち、監視部１５〜３５は、伝送部１３〜３３におけるデータのパケットエラー等も発生日時とともに記憶部１６〜３６に格納してもよい。

パケットエラーについても、記憶部１６、３６が、予め設定された連続エラー数の閾値を予め格納しておいてもよい。監視部１５、３５は、データのパケットエラー数をカウントし、データのパケットエラー数が閾値以上連続して発生した場合には、イーサネットケーブル４０のリンク異常（例えば、オープン／ショート）と判断してよい。従って、監視部１５〜３５は、データのパケットエラー等にも基づいてイーサネットケーブル４０の異常を検知することもできる。監視部１５〜３５は、測定値の異常およびパケットエラー数の異常のいずれか一方が生じた場合にイーサネットケーブル４０が異常であると判断してもよく、あるいは、それらの両方が生じた場合にイーサネットケーブル４０が異常であると判断してもよい。これにより、監視部１５〜３５は、イーサネットケーブル４０の異常をより確実に検知または予測することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０〜３０・・・第１〜第３車両、１１〜３１・・・制御装置、４０〜４２・・・イーサネットケーブル、１１・・・制御装置、１３〜３３・・・伝送部、１４、３４・・・測定部、１５〜３５・・・監視部

Claims (7)

1. 鉄道車両におけるネットワークを診断する異常診断システムであって、
   複数の車両のそれぞれに配置された制御装置間を通信可能に接続するネットワークケーブルと、
   前記複数の車両の少なくとも先頭および最後尾の車両に配置され、前記ネットワークケーブルがデータの送受信に用いられていないときに該ネットワークケーブルの物理量を測定する測定部と、
   予め設定された前記物理量の許容範囲と前記測定部で測定された前記物理量の測定値とを比較し、前記測定値が前記許容範囲を逸脱した場合に前記ネットワークケーブルが異常であると判断する監視部とを備えた異常診断システム。
2. 前記測定部が前記ネットワークケーブルの物理量を測定するとき、前記ネットワークケーブルを介してデータを送受信する伝送部は電源オフ状態または待機状態である、請求項１に記載の異常診断システム。
3. 前記ネットワークケーブルが異常であると判断された場合に警告を出力する出力部をさらに備えた、請求項１または請求項２の異常診断システム。
4. 前記物理量は、抵抗値、電流値、電圧値、信号の伝搬速度、挿入損失、反射損失の少なくとも１つである、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の異常診断システム。
5. 前記監視部は前記測定値をその測定時とともに記憶し、
   前記測定値の推移を前記許容範囲とともに表示させる表示部をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の異常診断システム。
6. 前記測定部は、前記複数の車両からなる編成の先頭の車両および最後尾の車両に設けられており、該先頭の車両と該最後尾の車両との間の中間の車両には設けられていない、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の異常診断システム。
7. 前記複数の車両のそれぞれに配置され、前記ネットワークケーブルに接続されており、前記ネットワークケーブルにデータを送信し、あるいは、前記ネットワークケーブルからデータを受信する伝送部をさらに備え、
   前記監視部は、予め設定されたデータのエラー数の閾値と実際のデータのエラー数とを比較し、前記エラー数が前記閾値を超えた場合にも前記ネットワークケーブルが異常であると判断する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の異常診断システム。

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