JP2018114792A - 光ケーブルを利用した鉄道制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なコストアップを招くことなく、軌道回路を使用せずに列車の位置を検出することができるとともに電磁ノイズに対する耐性の高い鉄道制御システムを実現する。【解決手段】鉄道軌道（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検出手段（２１）と、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部（２２）と、周波数解析部からの信号に基づいて対象物の存在を検出する制御装置（３０）とを備えた鉄道制御システムにおいて、前記光ケーブルを、鉄道軌道において対象物の存在を検出したい領域で、当該対象物を囲む多重ループを形成するように配設した。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバセンシング技術を用いた列車等の検出技術に関し、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）を使用して列車を検出し鉄道関連設備（列車を含む）を制御する機能を備えた鉄道制御システムに利用して有効な技術に関する。

従来、鉄道軌道においては、信号機や転てつ機を制御したり列車と列車の距離を確保したりするため、ある一定の距離毎（数百ｍ〜数ｋｍ；駅構内は数１０ｍの場合もある）に区切られたレールに、検知電流を流して列車の車軸によってレール間を短絡することで列車在線の有無を検出する、軌道回路と呼ばれる装置がある。
また、軌道回路からの信号に基づいて信号機や転てつ機を制御する際に、信号機の動作を制御し、列車が進行している間、転てつ機が転換しないように鎖錠し、列車が進行中の進路に支障を来す他の進路が構成されないように、転てつ機と信号機の動作に一定の連鎖関係を持たせる保安装置として連動装置が設けられている。

特開２００６−６２５１３号公報 特開２００７−２２６４４０号公報

軌道回路は、地上設備として個別に設置工事およびメンテナンス作業が必要である。いずれも、列車間合い、建築限界内での細かい作業が必要であり、複雑な工程が必要かつ危険を伴うことがある作業である。また、軌道回路は、電気システムであるため、雷等の電磁ノイズや浸水に弱いという課題がある。

そこで、軌道回路からの信号に基づいて信号機や転てつ機を連動制御するシステムにおいて、軌道回路などが故障したような場合にも、列車の運行に支障を来たさないようにした列車運行管理装置に関する発明が提案されている（例えば特許文献１）。
しかしながら、特許文献１に記載されている発明は、非常に複雑な制御を行なっており、高価な制御システムを必要とするためコストアップを招くという課題がある。また、そもそもの原因である軌道回路の故障を回避できるものでない。

一方、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２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。

特許文献２に記載されている侵入監視装置等で使用されている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、軌道回路を使用せずに列車の位置を正確に検出することができる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、電磁ノイズに対する耐性の高い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、既存の転てつ機等の鉄道設備に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付けることなく、鉄道設備の異常を検知することができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本出願に係る発明は、
鉄道軌道に沿って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対象物の存在を検出する制御手段と、
を備えた鉄道制御システムにおいて、
前記光ケーブルは、前記鉄道軌道において対象物の存在を検出したい領域で、当該対象物を囲む多重ループを形成するように配設したものである。

上記のように構成された鉄道制御システムによれば、列車等の対象物の位置を検出したい領域を囲むように光ケーブルの多重ループが形成されているため、対象物の位置をより正確に検出することができる。また、列車を検出するための軌道回路を設ける必要がないとともに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、対象物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、電気信号を用いないので、電磁ノイズに対する耐性を高めることができる。

ここで、望ましくは、前記鉄道軌道は単線路線の軌道であり、
前記多重ループは、駅構内のホーム横の番線軌道と駅構内の入り口および出口に設けられている分岐器とを囲むように形成されているように構成する。
このような構成によれば、駅構内の各番線軌道上に列車が存在するか否かを検出することができる上、分岐器に異常が生じているか否かを検出することができる。また、転てつ機等の鉄道設備に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付けることなく、鉄道設備の異常を検知することができる。

また、望ましくは、前記鉄道軌道は複線路線の軌道であり、
前記多重ループは、駅構内のホーム横の複数の番線軌道と駅構内の入り口および出口に設けられている分岐器とを囲むとともに、前記複数の番線軌道のそれぞれの横には少なくとも２本の光ケーブルが存在するように形成する。
かかる構成によれば、多重ループが、複線路線の駅構内においても、各番線軌道上に列車が存在するか否かを検出することができる上、鉄道設備としての分岐器に異常が生じているか否かを検出することができる。

さらに、望ましくは、前記制御装置は、前記周波数解析部からの信号に基づいて検出した列車位置に応じて、前記鉄道軌道に沿って配設されている電気式の鉄道設備機器を駆動制御するようにする。
かかる構成によれば、軌道回路を設けることなく光ケーブルの敷設で列車の位置を検出することができるので、大幅なコストアップを招くことなく、列車の位置に応じて鉄道設備を適切に制御することができるとともに、電磁ノイズに対する耐性の高い鉄道制御システムを実現することができる。

また、望ましくは、前記多重ループの径よりも小さな径を有し前記分岐器を囲む子ループが形成されるように、前記光ケーブルが配設されているように構成する。
かかる構成によれば、子ループによって振動を検出できるので、分岐器を構成する転てつ機の異常やてっさ部の異常を、より正確に検出することができる。また、異常の有無を検出したい分岐器に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付ける必要もない。

本発明によれば、大幅なコストアップを招くことなく、軌道回路を使用せずに列車の位置を正確に検出することができるとともに電磁ノイズに対する耐性の高い鉄道制御システムを実現することができる。 また、既存の転てつ機等の鉄道設備に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付けることなく、鉄道設備の異常を検知することが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列車等の検出機能を有する鉄道制御システムを単線路線に適用した場合のシステム全体の構成例を示すシステム構成図、（Ｂ）は（Ａ）における一部（駅構内）を拡大して示す構成説明図である。 は図１（Ａ）の列車等の検出機能により検出した列車位置情報を利用した鉄道制御システムの構成の一例を示すシステム構成図である。 光ケーブルを各駅に分割した場合の鉄道制御システムの構成例を示すシステム構成図である。 （Ａ）は本発明に係る光ケーブルを使用した列車等の検出機能を有する鉄道制御システムを複線路線に適用した場合の構成例を示すシステム構成図、（Ｂ）は（Ａ）の実施形態の変形例を示すシステム構成図である。 本発明の他の実施形態における光ケーブルの配設例を示す図である。

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列車等の検出機能を有する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）は単線方式のローカル線に本発明を適用した場合の鉄道制御システム全体の構成例を示すシステム構成図、図１（Ｂ）は駅構内の設備の概略構成を示す図である。なお、図１においては、右方向を終点方として、説明する。

本実施形態の鉄道制御システムにおいては、図１（Ａ）に示すように、複数の駅１０Ａ−１０Ｂ−１０Ｃ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は特に各駅１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃおよび駅間の任意の地点にてループ１１ａ，１１ｂ……を形成しながら敷設されている。
そして、光ケーブル１１の一方の端部には、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転てつ機等の機器の異常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。

周波数解析部２２による解析結果は制御部３０へ渡され、制御部３０が結果を参照して列車位置等を判定し、表示部に列車位置情報や設備異常情報を表示したり、他の駅へ通信手段を介したりして列車位置情報を伝送するように構成される。列車位置情報は駅員が電話にて他の駅へ連絡するようにしても良い。
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３０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。

次に、各駅における光ケーブル１１の敷設およびループの形成の仕方について説明する。単線方式のローカル線においては、図１（Ｂ）に示すように、駅ホーム１７を挟んで上り側の番線軌道１２Ａと下り側の番線軌道１２Ｂが設けられ、番線軌道１２Ａと１２Ｂの下り側の端部と上り側の端部は、分岐器１３ａ，１３ｂを介して、下り方向単線軌道１２Ｃと上り方向単線軌道１２Ｄに接続されている。
光ケーブル１１の各駅でのループ１１ａ（または１１ｂ，１１ｃ）は、一方の軌道１２Ｃに沿って敷設されてから、駅ホーム１７および番線軌道１２Ａ，１２Ｂの周囲を２回周回した後、他方の軌道１２Ｄへ向かい軌道１２Ｄに沿って他駅方向へ敷設される。

列車が分岐器１３ａ，１３ｂを通過する際や番線軌道１２Ａ，１２Ｂへ進入すると、振動が発生するため、光ケーブル１１が上記のように敷設されていると、上述したような光ファイバセンシング技術で列車の位置を検出することができる。分岐器１３ａ，１３ｂの周囲を囲むようにさらに小さなループを形成しておくようにしても良い。これにより、分岐器１３ａ，１３ｂに異常が発生した場合に、それを検出することができる。

本実施形態では、分岐器１３ａ，１３ｂは、列車の走行力で反位に転換しバネの復元力で定位に復帰するスプリングポイント（発条転てつ機）と呼ばれる形式のものを使用しているため、動力源と制御信号を生成する装置は不要である。分岐器１３ａ，１３ｂとしてモータによって動作かんや鎖錠かんを動作させる電動タイプの転てつ機を使用することもあり、その場合には分岐器１３ａ，１３ｂの周囲に小さなループを形成しておくことで、モータ等の異常も検出することが可能となる。電動タイプの転てつ機は動力源を持たない純機械式の転てつ機に比べて異常が発生し易いので、転てつ機の周囲に小さなループを形成しておくことは極めて有効である。

図１（Ｂ）に示すように、光ケーブル１１を、２重ループを形成するように敷設することで、１重ループである場合よりも正確に列車の位置を検出することができる。なお、ループは２重でなく３重以上としても良い。
上記のように、各駅１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおいて駅ホーム１７および上下線の番線軌道１２Ａ，１２Ｂを囲むようにしてループ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを形成することで、制御部３０は、単線方式のローカル線において、各駅への列車の進入、進出を正確に把握することができ、既に列車が走行している駅間区間に他の列車が進入しないように禁止したり、先行列車が停車している駅へ後続の列車が進入するのを禁止したりする閉塞制御を実施することができる。

また、駅間区間では、光ケーブルでおおよその位置を把握でき、ループ１１ｄ，１１ｅを設けることで、駅間区間における列車のおおよその位置をより確実に把握することができる。さらに、この駅間のループ１１ｄ，１１ｅの軌道方向の径を列車の長さと同程度の大きさに設定することで、列車全体がループに入った時にループ全体が振動を短時間だけ検出することで、列車がその位置にいることを正確に把握することができる。

図２には、上記光ファイバセンサを使用した列車等の検出機能を有するシステムを、各駅に転てつ機や信号機およびこれらを制御する連動装置が設けられている路線に適用した鉄道制御システムの構成が示されている。
図２に示すシステムにおいては、光ケーブル１１からの散乱光を解析する周波数解析部２２に接続された制御部３０が、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、従来の連動装置に代わって、分岐器１３ａ，１３ｂの転てつ機１５ａ，１５ｂや信号機１４ａ，１４ｂ……を駆動制御するように構成される。本実施形態における転てつ機は、モータ等の駆動源を備えた電動式転てつ機である。

また、図３に示すように、光ケーブルを各駅に分割してそれぞれの駅を２重ループ１１ａ，１１ｂ，１１ｃで囲むように光ケーブル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを敷設するとともに、各光ケーブル１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃごとに光源および光検出器を有する光学装置２１、周波数解析部２２および制御部３０を設けて、各駅の転てつ機１５ａ，１５ｂや信号機１４ａ，１４ｂ……を制御するように構成してもよい。
制御部３０が、各駅の転てつ機１５ａ，１５ｂや信号機１４ａ，１４ｂ……を制御する場合、従来のように制御信号を伝送する信号線を設けても良いが、制御部３０から各制御対象機器へ無線で制御情報を送信するように構成しても良い。

次に、本発明を複線方式の路線に適用した場合の列車等の検出機能を有する鉄道制御システムの構成例について図４を用いて説明する。
図４（Ａ）に示すように、本実施形態では、上り側軌道１２Ａと下り側軌道１２Ｂに沿って光ケーブル１１Ａと１１Ｂをそれぞれ配設しながら、駅構内においては、光ケーブル１１Ａは下り側軌道１２Ｂと番線軌道１２Ｃとを内側に含むようにしてループ１１ｆを形成する。また、光ケーブル１１Ｂは上り側軌道１２Ａと番線軌道１２Ｃとを内側に含むようにしてループ１１ｇを形成するように配設したものである。光ケーブル１１Ａと１１Ｂに対しては、同一の側の端部に光学装置（２１）および周波数解析部（２２）を配置し、接続することができる。

上記のように、各駅で光ケーブルが複数のループを形成するように配設することで、１本の軌道に着目すると、軌道の横には必ず２本の光ケーブルが配設された状態になり、これによってより確実に列車の位置を検出することができ、信頼性が向上する。
図４（Ａ）においても、光ケーブル１１Ａ，１１Ｂからの散乱光を解析する周波数解析部（２２）に接続された制御部（３０）が、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、分岐器１３ａ〜１３ｆの転てつ機や信号機１４ａ〜１４ｆを駆動制御するように構成される。

図４（Ｂ）には、本実施形態の変形例が示されている。
図４（Ｂ）の変形例は、図４（Ａ）のループ１１ｆと１１ｇの一部に、分岐器１３ａ〜１３ｆを囲むように小さな径の子ループ１１ｈ１〜１１ｈ６を設けたものである。上記実施形態で使用している光ファイバは振動検出タイプであるので、分岐器１３ａ〜１３ｆの転てつ機やてっさ部に異常が発生すると振動が変化するので、周波数解析部（２２）によって振動パターンを解析することで異常の発生を検出することができるという利点がある。

図５には、本発明の他の実施形態が示されている。
図５の実施形態は、踏切を囲むように形成された２重ループ１１ｉを有する光ケーブル１１を敷設したものである。本実施形態では、踏切に配設されている警報機１８や遮断機１９に異常が発生すると振動が変化するので、周波数解析部（２２）によって振動パターンを解析することで機器の異常の発生を検出することができる。また、踏切内で自動車等の障害物が所定時間以上存在している場合にも、検出することができる。しかも、検出したい場所に２重ループを設けているため、より正確に検出することができるという利点がある。
踏切内に所定時間以上存在している障害物を検出した場合、制御部３０は踏切の手前に設けられている信号機１４ｇ，１４ｈを停止現示に切り替える制御を行うことができる。

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、上記変形例では、分岐器を囲むように光ケーブルの子ループを形成し異常の発生を検出する場合を説明したが、踏切内に光ケーブルの子ループを設けて、踏切内の機器の異常を個別に検出できるように構成しても良い。
さらに、図４の実施形態では、複線において上り線と下り線のそれぞれに別の光ケーブル１２Ａ，１２Ｂを敷設するようにしたものについて説明したが、１本の光ケーブルを上り線と下り線との間のスペースに配設し、各駅では１本の光ケーブルで各ホームと軌道を囲むように２重ループを形成しながら敷設するようにしても良い。

１０ 駅
１１ 光ケーブル
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ループ
１２ 軌道
１３ａ，１３ｂ 分岐器
１４ 信号機
１５ａ，１５ｂ 転てつ機
１７ 駅ホーム
２１ 光学装置（光検出手段）
２２ 周波数解析部
３０ 制御部

Claims (5)

1. 鉄道軌道に沿って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対象物の存在を検出する制御手段と、
   を備えた鉄道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対象物の存在を検出したい領域で、当該対象物を囲む多重ループを形成するように配設されていることを特徴とする鉄道制御システム。
2. 前記鉄道軌道は単線路線の軌道であり、
   前記多重ループは、駅構内のホーム横の番線軌道と駅構内の入り口および出口に設けられている分岐器とを囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道制御システム。
3. 前記鉄道軌道は複線路線の軌道であり、
   前記多重ループは、駅構内のホーム横の複数の番線軌道と駅構内の入り口および出口に設けられている分岐器とを囲むとともに、前記複数の番線軌道のそれぞれの横には少なくとも２本の光ケーブルが存在するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道制御システム。
4. 前記制御装置は、前記周波数解析部からの信号に基づいて検出した列車位置に応じて、前記鉄道軌道に沿って配設されている電気式の鉄道設備機器を駆動制御するように構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の鉄道制御システム。
5. 前記多重ループの径よりも小さな径を有し前記分岐器を囲む子ループが形成されるように、前記光ケーブルが配設されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の鉄道制御システム。

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