JP2018114791A - 光ケーブルを利用した踏切制御システムおよび鉄道制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なコストアップを招くことなく、列車の接近、通過や障害物の侵入を検出することができるとともに、耐雷強度および電磁ノイズに対する耐性の高い踏切制御システム並びに鉄道制御システムを提供する。【解決手段】鉄道の軌道１２に沿って敷設された光ケーブル１１と、光ケーブルに接続され、該光ケーブルに対してレーザ光を出射する光源および光ケーブル内の散乱光を検出する光検出手段２１と、光検出手段が検出した光信号を周波数解析する周波数解析手段２２と、周波数解析手段からの信号に基づいて列車位置を検出し踏切設備を制御する制御手段２３とを備えた踏切制御システムにおいて、光ケーブルを、鉄道軌道において踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で、光学装置の分解能に関連して決まるいずれかの区分が軌道を横切るように配設した。【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバセンシング技術を用いた列車等を検出する技術に関し、特に軌道に沿って敷設された光ファイバケーブル（以下、単に光ケーブル）を使用して列車の位置を検出し鉄道関連設備（踏切設備、列車を含む）を制御する機能を備えた踏切制御システムおよび鉄道制御システムに利用して有効な技術に関する。

鉄道の踏切には、列車が近づいて来たのを検知して警報機を鳴動させたり踏切遮断機を作動させたりする踏切制御装置が設けられている。
現在、踏切保安システムでは、一つの踏切保安設備を１つの踏切制御装置が独立して制御する構成が一般的に採用されている。踏切保安設備には、始動点制御子と終止点制御子とが設けられ、始動点制御子が列車の進入を検知すると、踏切制御装置が警報機や遮断機等の機器を作動させる。そして、終止点制御子が列車の通過を検知すると、踏切制御装置が警報機や踏切遮断機の作動を解除するようになっている。

一方、同一路線に設けられた複数の踏切制御装置を通信ネットワークで結んで踏切の制御に利用する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、踏切制御装置が通信ネットワークを介して列車の追跡情報を取得し、これにより、始動点制御子等が故障した場合でも、列車が進入した際の踏切の無遮断と無警報を回避するというものである。

特許第４９７６６２２号公報 特開２０１４−８６３号公報 特開２０１５−１４０１３０号公報 特開２００７−２２６４４０号公報

従来の踏切保安設備においては、始動点制御子や終止点制御子が電子部品で構成されており、雷や降雨、降雪などの自然現象で故障することがあった。特許文献１に記載の発明によれば、始動点制御子等が故障した場合でも、列車が進入した際の踏切の無遮断と無警報を回避することができる。しかし、雷が発生すると通信ネットワークそのものがダウンすることがあるため、特許文献１の技術では雷による故障には充分に対応することができないとともに、電磁ノイズによる誤動作のおそれもあった。

また、従来の踏切制御装置には、レールに検知電流を流し、列車の車軸によってレール間を短絡することで列車の接近を検出する方式のものもあるが、この方式では保守用車等の絶縁走行作業用車両が接近したことを検出することができないという課題がある。
さらに、従来の踏切保安設備にあっては、終止点制御子の設置個所の制約から作動終了タイミングが遅れ、警報期間が無駄に長くなり、踏切道を横断する車や歩行者に不便を強いることになるという課題がある。

また、従来、踏切には列車接近時に踏切内に侵入している障害物を検知するため、レーザ発光器と受光器等からなる障害物検知装置が設けられている。なお、踏切の障害物検知装置に関する発明としては、例えば特許文献２や３に記載されているものがある。
しかしながら、従来の発光器と受光器とからなる障害物検知装置は、検出範囲が狭いため、大きな踏切では、色々な角度で複数の障害物検知装置を設けなくてはならず、コストが嵩むとともに、設置個所に制約があるため、取付け位置の決定に苦慮するというという課題がある。

さらに、光ファイバ振動センサを用いて物体の位置を検出する発明として、例えば特許文献４に記載されている発明がある。この発明は、光ファイバ侵入監視装置に関するもので、波長が異なる２つの光源と、この２つの光源に対応して光ファイバの干渉光を検出する２種類の受光部とを備えた光ファイバ振動センサ検出装置とを設けている。なお、この発明は、振動センサ用光ケーブルに光ケーブル切断検出用光ファイバを収容することで、振動センサ用光ケーブルの切断および切断位置を検出できるようにした点を特徴としている。

ここで、特許文献４に記載されている侵入監視装置等で使用されているような光ファイバ振動センサを利用して、列車長を含んで列車の位置を検出することも考えられるが、鉄道軌道は監視範囲が非常に広く、数１０ｋｍにも及ぶ。このような広範囲に光ファイバ振動センサを敷設して列車位置を検出する場合、単に軌道に沿って光ケーブルを敷設する従来の一般的な光ケーブル敷設方法では、数ｍ（例えば５ｍ〜１０ｍ）程度の検出誤差が生じてしまうという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、大幅なコストアップを招くことなく、列車の接近、通過や障害物の侵入を精度よく検出することができるとともに、耐雷強度および電磁ノイズに対する耐性の高い踏切制御システムおよび鉄道制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、踏切制御に影響を与えることなく、絶縁走行作業用車両を検出することができるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本出願に係る発明は、
鉄道軌道の踏切の近傍に敷設された光ケーブルと、
前記光ケーブルに接続され該光ケーブルに対してレーザ光を出射する光源および光ケーブル内の散乱光を検出する光検出手段と、
前記光検出器が検出した光信号を周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析手段からの信号に基づいて列車位置を検出し踏切設備を制御する制御手段と、を備えた踏切制御システムであって、
前記光ケーブルは、前記鉄道軌道において踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で、光学装置の分解能に関連して決まるいずれかの区分が軌道を横切るように配設したものである。

上記のように構成された踏切制御システムによれば、列車の位置を検出したい地点で光学装置の分解能に対応する光ケーブルの一区分が軌道を横切るように配設されているため、光学装置の分解能に基づく誤差があったとしても、その誤差に関係なく踏切警報機や遮断機を作動させる地点や作動を停止させる地点を列車が通過したことを検出することができる。また、上り方向に走行する列車と下り方向に走行する列車にそれぞれに対して、最適な警報開始点と警報終了点を設定して検出することができるため、警報期間が無駄に長くなるのを回避することができる。

また、光ケーブルは比較的安価に入手できるので、大幅なコストアップを招くことなく、列車の位置を正確に検出することができるシステムを構築することができる。しかも、電線を用いないので、耐雷強度および電磁ノイズに対する耐性を高めることができる。
さらに、本発明は、振動を検知して列車位置を検出する方式であり、列車の位置を検出するために、踏切制御子や軌道回路のようにレールに電流を流したり電気信号を乗せる必要がないとともに、レール間を車軸等で短絡することもないので、踏切制御に影響を与えることなく絶縁走行作業用車両を検出することができる。

ここで、望ましくは、前記光ケーブルは、２箇所で軌道を横切るようにループ状に配設されているように構成する。
上記のような構成によれば、１つループが２箇所で軌道を横切るため、１箇所で軌道を横切る場合に比べて、当該箇所を通過する列車やループの内側に存在する鉄道設備の振動をより正確に検出することができる。

また、望ましくは、前記光ケーブルは、
第１方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で軌道を横切るように形成された第１ループと、
前記第１方向と逆の第２方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で記軌道を横切るように形成された第２ループと、を含むように配設する。
かかる構成によれば、踏切に対して上り方向へ走行する列車および下り方向へ走行する列車のいずれが踏切警報機や遮断機を作動させる地点や作動を停止させる地点を列車が通過したことを高精度に検出できるので、正しい踏切制御を行うことができる。

さらに、望ましくは、前記光ケーブルは、
第１方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および前記第１方向と逆の第２方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で軌道を横切るように形成された第１ループと、
前記第２方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および前記第１方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で前記軌道を横切るように形成された第２ループと、を含むように配設する。
かかる構成によれば、２つのループが重なり合う小さなループが踏切を囲むように形成されるため、列車が近づいている時に踏切内に障害物が存在することを検出することができ、踏切手前の信号機を停止現示に変えることで事故の発生を未然に防止することができる。

さらに、望ましくは、上記のように構成された踏切制御システムと、前記鉄道軌道上を走行する列車に対して制御情報を送信可能な上位制御装置とを備え、
前記上位制御装置は、踏切制御システムの前記制御手段からの検出情報に基づいて前記制御情報を生成し送信するように構成する。
かかる構成によれば、踏切に接近している列車に対して、踏切の状況に応じた適切な制御情報を送ることができ、例えば踏切警報機や遮断機が故障していたり踏切内に障害物が存在していたりする場合に、列車の速度（停止を含む）を制御することができ、これによって事故の発生を未然に防止することができる。

本発明によれば、大幅なコストアップを招くことなく、列車の接近、通過や障害物の侵入を精度よく検出することができるとともに、耐雷強度および電磁ノイズに対する耐性の高い踏切制御システムを実現することができる。また、踏切制御に影響を与えることなく、絶縁走行作業用車両を検出することできるという効果がある。

（Ａ）は本発明に係る光ケーブルを使用した踏切制御を含む鉄道制御システム全体の構成を示すシステム構成図、（Ｂ）は（Ａ）における一部を拡大して示すループ構成説明図、（Ｃ）は光ケーブルの他の配設例を示す図である。 光ケーブルを使用した踏切制御システムの構成例を示すシステム構成図である。 図２の光ケーブルを使用した踏切制御システムにより検出した列車位置情報を利用した列車の制御システムの構成例を示すシステム構成図である。 本発明に係る光ケーブルを使用した鉄道制御システムの第２の実施形態を示すもので、（Ａ）は全体のシステム構成図、（Ｂ）は第２の実施形態の要部の構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光ケーブルを使用した踏切制御を含む鉄道制御システムの実施の形態について説明する。
図１（Ａ）は光ケーブルを使用した列車位置検出機能を有する鉄道制御システム全体の構成例を示すシステム構成図である。
本実施形態の鉄道制御システムは、図１（Ａ）に示すように、駅１０Ａから他の駅Ｂ等へ向かって１本の光ケーブル１１が軌道１２に沿って敷設されているとともに、光ケーブル１１は、分岐器１３や踏切３０の手前の下り警報区間Ｌ１、上り警報区間Ｌ２等、列車の進入を検知したい箇所にてループ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを形成しながら敷設されている。なお、図１において、符号１４ａ，１４ｂが付されているのは信号機である。

光ケーブル１１の一方の端部には、図１（Ａ）に示すように、光ケーブル１１を構成する光ファイバのコアに対してレーザ光を出射する光源およびコア内の散乱光を検出する光学的時間領域反射計（ＯＴＤＲ）のような光検出器を備えた光学装置（光デバイス）２１が接続されている。本実施形態では、光ファイバ内のレイリー散乱光を検出可能なＯＴＤＲが光検出器として使用されており、振動が印加されると微小な変形（歪み）を生じそれによって散乱光が変化する現象を検知する振動センサとして光ファイバを利用し、検出した光信号を周波数解析部２２で処理することで、光ファイバにより検出した振動が列車の通過あるいは鉄道設備機器の異常または障害物に基づく振動であるか否か判定するように構成されている。

上記のように、列車の通過を検知したい箇所にてループをなすように光ケーブル１１を敷設しているのは、光ファイバの振動に伴う散乱光の変化を検出する方式の場合、光ファイバの長さや太さ、検出器の性能等にもよるが概ね数ｍ単位で振動が発生している距離を測定することができる、つまり分解能が数ｍとなるためである。
本実施形態では、光ケーブル１１を長さ方向に沿って、上記分解能に相当する長さで光ケーブルを区分し、いずれかの区分を、列車の通過を検出したい地点（キロ程）において軌道をほぼ直交する方向に横切るように配設し、少し戻った地点で軌道を逆方向へ横切るように光ケーブルを配設してループを形成する。具体的には、上記区分の長さがＮで軌道の幅がＭ（Ｍ＜Ｎ）の場合、図１（Ｂ）に示すように、１区分の範囲で軌道を横切り、軌道の途中で区分が替わらないように調整しながら配設すれば良い。

本発明者らが選択した検出方式および解析方法を適用した場合について検討した結果によれば、光ケーブルの全長が数ｋｍ〜数１０ｋｍの場合、分解能すなわち１区分の長さＮは５ｍ〜１０ｍ程度であった。一方、軌道の幅は複線区間でも平均５ｍ以下であり、上記のような光ケーブルの横断配設は充分に可能である。なお、使用する光学装置及び光ケーブルが決まれば、分解能すなわち１区分の長さＮも一義的に決まるので、光ケーブルを配設した時点で、どの区分がどの地点で軌道を横切っているかを示すテーブル（対応表）を作成することができ、このテーブルを使用することで、振動の解析結果および振動を検出した区分の情報から列車の通過を判断することができる。

上記のように光ケーブル１１を配設することによって、光学装置２１の分解能が数ｍであり単に光ケーブル１１を軌道に沿って敷設しただけでは数ｍの誤差が生じるのに対して、本実施形態によれば列車が通過したことすなわち列車の位置を、１ｍ以下（数ｃｍ〜数１０ｃｍ）の精度で検出することができるようになる。
また、列車の通過を検出したい地点が２か所あり、２地点間が比較的近い場合には、それぞれの地点で軌道をほぼ直交する方向に横切るように光ケーブル１１を配設することでループ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを形成すると良い。これにより、１つのループによってそれぞれ２地点での列車の通過を検出することができる。

踏切箇所では、図１（Ｂ）に示すように、下り警報開始点Ｓ１と下り警報終了点Ｅ１、上り警報開始点Ｓ２と上り警報終了点Ｅ２のそれぞれの地点で光ケーブル１１が軌道を横切り、ループ１１ｂ，１１ｃを形成するように配設する。これにより、それぞれの地点を列車が通過したことを検出することができ、後述のように、踏切警報機の鳴動や遮断機の作動開始、作動停止のタイミングを判断することができる。また、軌道に電流を流す必要がないので、踏切制御に影響を与えることがないとともに、絶縁走行作業用車両であってもその位置を検出することができる。

なお、踏切箇所で、光ケーブル１１でループを形成する代わりに、図１（Ｃ）に示すように、下り警報開始点Ｓ１と下り警報終了点Ｅ１、上り警報開始点Ｓ２と上り警報終了点Ｅ２のそれぞれの地点で光ケーブル１１が軌道１２を横切るようにして、蛇行しながら軌道に沿って一方向へ延びるように敷設しても良い。この際、前述したように、光ケーブルの１区分のみが軌道（レール）を横切るように配設すれば、列車の位置（列車が所定の地点を通過したこと）を高精度に検出することができる。

次に、上記光ファイバセンシング技術を用いて検出した列車位置情報に基づいて踏切警報機や遮断機を制御する踏切制御システムについて、図２を用いて説明する。
本実施形態の踏切制御システムにおいては、図２に示すように、各踏切に対応して設けられている踏切制御装置２０に、光源および光検出器を備えた前述の光学装置２１が設けられている。そして、この光学装置２１に周波数解析部２２が接続され、周波数解析部２２に制御部２３が接続されており、制御部２３は、周波数解析部２２からの信号に基づいて列車の位置を判定し、踏切警報機３１や遮断機３２を駆動制御するように構成されている。光ケーブル１１の終端は踏切制御装置２０へ戻すようにしても良い。

周波数解析部２２は、プログラムと該プログラムを実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置とによって構築することができる。制御部２３は、図示しないが、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置や、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等のデータ記憶装置などから構成される。
また、この実施形態においては、光ケーブル１１が、下り警報開始点Ｓ１と上り警報終了点Ｅ２の２地点で軌道１２を横切るようにしてループ１１ｂが、また下り警報終了点Ｅ１と上り警報開始点Ｓ２との２地点で軌道１２を横切るようにしてループ１１ｃが形成されるように配設されている。これにより、２つのループ１１ｂとループ１１ｃとが、中央の踏切３０の箇所で重なり合い、これによって踏切箇所を囲むように小さなループを形成している。

上記のように、踏切箇所を囲む小さなループが形成されていることで、踏切内で振動が発生していることを検出した場合には、自動車等の障害物が踏切内に侵入していると判断することができる。そして、例えば警報機の鳴動中に障害物が踏切内に侵入していると判断した場合には、例えば制御部２３が、踏切３０の手前に配設されている信号機１４ａや１４ｂを、停止現示に変化させるように構成することができる。
また、レイリー法を適用した実施形態の光ファイバセンサは振動検出タイプであり、音も検出することができるので、踏切警報機３１や遮断機３２を囲むループをさらに設けることによって、踏切警報機３１や遮断機３２の異常や故障を個別に検出することも可能である。

次に、上記実施形態の変形例について、図３を用いて説明する。この変形例は、上述した踏切制御システムを用いて検出した列車位置情報および異常情報を列車へ送信して列車の運行を制御するようにしたものである。
この変形例では、図３に示すように、列車の運行を管理する上位制御装置としての列車運行管理装置４０が設けられ、踏切制御装置２０が検出した列車位置情報および異常情報が列車運行管理装置４０へ有線もしくは無線で送信可能に構成されている。

また、列車運行管理装置４０は、列車との間で無線によってデータの送受信を行う無線通信部４１と制御部４２を備える。列車５０も同様、列車運行管理装置４０側の無線通信部４１との間で無線通信を行う無線通信部５１と、列車の速度等の制御を行う制御部５２とを備えた車上側装置が搭載されている。
これにより、列車運行管理装置４０は、踏切制御装置２０からの列車位置情報や異常発生情報に基づいて、異常発生時等に踏切へ接近している列車に対して、停止指令を送信して停止させることができ、列車運行の安全性を高めることができる。

次に、本発明の他の実施形態について、図４を用いて説明する。この実施形態も、上述した光ファイバセンシング技術を用いて検出した列車位置情報に基づいて列車を制御するシステムに適用したものである。
本実施形態では、図４（Ａ）に示すように、複数の駅１０Ａ−１０Ｂ−１０Ｃ間に渡って１本の光ケーブル１１が軌道１２に沿って敷設されているとともに、光ケーブル１１は駅間でループ１１ａを形成するように配設されている。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、互いに所定距離Ｌ０だけ離れた駅間の２つの地点Ａ，Ｂで光ケーブル１１がそれぞれ軌道を横切って局所的なループ１１ａを形成するように光ケーブル１１が配設されている。

また、光ケーブル１１の始端である駅１０Ａに光学装置２１Ａおよび周波数解析部２２Ａが設けられ、検出された列車位置情報は列車の運行を管理する上位制御装置としての列車運行管理装置４０へ送信するように構成されている。さらに、踏切３０には、図２の実施形態と同様に、光ケーブルのループ１１ｂ，１１ｃと踏切制御装置２０を有する踏切制御システムが設置され、踏切制御装置２０が取得した列車位置情報や異常情報も列車運行管理装置４０へ送信される。列車運行管理装置４０は、無線通信部５１と制御部５２を備える列車５０との間で無線によってデータの送受信を行う無線通信部４１と制御部４２を備える。

さらに、本実施形態では、図４（Ｂ）に示す光ケーブル１１のループ１１ａを利用して検出した、２地点間距離Ｌ０を列車が通過するのに要した時間に基づいて、列車運行管理装置４０が列車の速度を算出して、停止指令を列車５０へ送る場合の停止進路情報を作成することができるようになっている。
また、列車運行管理装置４０は、ループ１１ａを利用して検出した２地点間距離Ｌ０を列車が通過するのに要した時間といずれか一方の地点での振動の継続時間とから、列車の長さＬ３を算出して、先行列車（最後尾）と後続列車（先頭）との距離を正確に把握して、停止指令を送る場合の停止進路情報を作成することができる。
従来の無線列車制御システムでは、列車の長さを把握する手段がなかったため、列車の長さを一律に扱って列車間距離を算出し制御を行なっていたが、本実施形態によれば、より正確な停止進路情報を作成して列車制御を行うことができるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、光ケーブルを軌道に沿って敷設する際に、予め光ケーブルの所定部位（区分）が軌道を所定地点で横切るように敷設する代わりに、先ず光ケーブルの区分を気にせずに光ケーブルを敷設し、その後に、計測を行なって、光ケーブルの各区分と横断地点の距離との関係を取得して、制御装置で使用する対応表（テーブル）を作成するようにしても良い。
さらに、上記実施形態では、光ケーブルが軌道をほぼ直交する方向に横切るように配設すると説明したが、許容される誤差との関係で、４５度（以下例えば３０度）のような角度で軌道と交差して横切るように配設しても良い。

１０ 駅
１１ 光ケーブル
１２ 軌道
１３ 分岐器
１４ 信号機
２０ 踏切制御装置
２１ 光学装置
２２ 周波数解析部
３０ 踏切
４０ 列車運行管理装置（上位制御装置）
５０ 列車

Claims (5)

1. 鉄道軌道の踏切の近傍に敷設された光ケーブルと、
   前記光ケーブルに接続され該光ケーブルに対してレーザ光を出射する光源および光ケーブル内の散乱光を検出する光検出手段と、
   前記光検出器が検出した光信号を周波数解析する周波数解析手段と、
   前記周波数解析手段からの信号に基づいて列車位置を検出し踏切設備を制御する制御手段と、を備えた踏切制御システムであって、
   前記光ケーブルは、前記鉄道軌道において踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で、光学装置の分解能に関連して決まるいずれかの区分が軌道を横切るように配設されていることを特徴とする踏切制御システム。
2. 前記光ケーブルは、２箇所で軌道を横切るようにループ状に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の踏切制御システム。
3. 前記光ケーブルは、
   第１方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で軌道を横切るように形成された第１ループと、
   前記第１方向と逆の第２方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で記軌道を横切るように形成された第２ループと、
   を含むように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の踏切制御システム。
4. 前記光ケーブルは、
   第１方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および前記第１方向と逆の第２方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で軌道を横切るように形成された第１ループと、
   前記第２方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を開始させたい列車通過地点および前記第１方向へ走行する列車に対して踏切設備の作動を終了させたい列車通過地点で前記軌道を横切るように形成された第２ループと、
   を含むように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の踏切制御システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の踏切制御システムと、前記鉄道軌道上を走行する列車に対して制御情報を送信可能な上位制御装置とを備え、
   前記上位制御装置は、踏切制御システムの前記制御手段からの検出情報に基づいて前記制御情報を生成し送信することを特徴とする鉄道制御システム。

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