JP2021018205A - 列車制御システム及び列車制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な測定性能を確保しながら連続的に列車速度を計測することを可能にする。【解決手段】 列車制御システム１００は、軌道に照射した電磁波の反射波に基づいて列車の速度を計測する速度計測装置１と、速度計測装置１で計測された速度に基づいて、列車の走行速度を制御する列車制御装置（ＡＴＣ装置２）と、を備える。ここで特に、速度計測装置１は、列車の車両の床下に設置された筐体１１と、電磁波の送受信機能を有する１以上の速度センサ（送受信器１２）とを有し、少なくとも１つの速度センサは、車両が直線区間を走行する際に照射軸１０がレール７の端部に当たるように筐体１１に固定される。【選択図】図４

Description

本発明は、列車制御システム及び列車制御方法に関し、センサを用いて列車の走行速度を制御する列車制御システム及び列車制御方法に関するものである。

従来、列車の走行速度を認識する方法として、例えば特許文献１には、送信用アンテナと受信用アンテナとをレールを挟んで左右対称に設置することで、橋梁等でも列車速度を測定できる方法が提案されている。また、特許文献２には、一方がレールに照射し、他方が地上に照射する２台のセンサを用いることで、橋梁等でも列車速度を測定できる方法が提案されている。

特開２０１４−０２１０７５号公報 特開２０１６−１２５８５６号公報 特開２０１７−０１５４７４号公報

ここで、特許文献１及び特許文献２に開示された速度計測装置は、電磁波をレールの頭頂部に対して照射し、その反射波に基づいて列車速度を計測するものであった。しかし、レールの頭頂部は、車輪との接触によって生じるすべり摩擦のために激しく摩耗して鏡面化することが知られている。したがって特許文献１及び特許文献２の速度計測装置によれば、このように鏡面化したレールの頭頂部に対して計測用の電磁波を照射することにより、照射された電磁波の大半が列車の進行方向に反射してしまい、十分な強度の反射波を得られず、連続的な速度計測が困難になるおそれがあった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、十分な測定性能を確保しながら連続的に列車速度を計測することができる速度計測装置を備えた列車制御システム及び列車制御方法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本発明においては、列車の走行を制御する以下の列車制御システムが提供される。本列車制御システムは、前記列車が走行する軌道に照射した電磁波の反射波に基づいて前記列車の速度を計測する速度計測装置と、前記速度計測装置で計測された前記速度に基づいて、前記列車の走行速度を制御する列車制御装置と、を備え、前記速度計測装置は、前記列車の車両の床下に設置された筐体と、前記筐体に収容され、前記電磁波を照射軸の方向に照射する送信機能と前記電磁波の反射波を受信する受信機能とを有する１以上の速度センサと、を有する。さらに、本列車制御システムでは、少なくとも１つの前記速度センサが、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記軌道を構成するレールの内側端部または外側端部に当たるように前記筐体に固定される。

また、かかる課題を解決するため本発明においては、列車の走行を制御する列車制御システムによる以下の列車制御方法が提供される。本列車制御方法において、前記列車制御システムは、前記列車が走行する軌道に照射した電磁波の反射波に基づいて前記列車の速度を計測する速度計測装置と、前記速度計測装置で計測された前記速度に基づいて、前記列車の走行速度を制御する列車制御装置と、を備え、前記速度計測装置は、前記列車の車両の床下に設置された筐体と、前記筐体に収容され、前記電磁波を照射軸の方向に照射する送信機能と前記電磁波の反射波を受信する受信機能とを有する１以上の速度センサと、を有する。さらに、少なくとも１つの前記速度センサが、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記軌道を構成するレールの内側端部または外側端部に当たるように前記筐体に固定される。

本発明によれば、速度計測装置によって、十分な測定性能を確保しながら連続的に列車速度を計測することができる。

本発明の第１の実施例（実施例１）における列車制御システムの構成例を示す図である。 ＡＴＣ装置の機能構成例を示すブロック図である。 実施例１における速度計測装置の列車の進行方向における断面構成を示す図である。 実施例１における速度計測装置とレールとの位置関係を説明する図である。 実施例１において照射軸の第二の状態が成立するときの、速度計測装置とレールとの位置関係を説明する図である。 実施例１における第二の状態の別態様を説明するための図である。 実施例２における速度計測装置の配置例を説明する図である。 実施例２における速度計測装置の曲線区間における状態を説明するための図である。 実施例３における速度計測装置の配置例を説明する図である。 実施例３における速度計測装置の曲線区間における状態を説明するための図である。 実施例４におけるミリ波センサ筐体の設置パターンを説明するための図（その１）である。 実施例４におけるミリ波センサ筐体の設置パターンを説明するための図（その２）である。 実施例５における送受信器及びミリ波センサ筐体の配置例を説明するための図（その１）である。 実施例５における送受信器及びミリ波センサ筐体の配置例を説明するための図（その２）である。 実施例５における送受信器及びミリ波センサ筐体の配置例を説明するための図（その３）である。 実施例５における送受信器及びミリ波センサ筐体の配置例を説明するための図（その４）である。 列車を組成している一車両の側面図である。 実施例５において地点Ｙ１、Ｙ２に設置する平滑な構造体を説明するための図である。 曲線走行時における車両の状態を説明するための図である。 実施例６における速度計測装置の配置を説明するための図である。 実施例６における速度計測装置の配置の第１の変形例を説明する図である。 実施例６における速度計測装置の配置の第２の変形例を説明する図である。 実施例７における速度計測装置の周辺配置を説明するための図である。 実施例８における速度計測装置の周辺配置を説明するための図である。

以下、図面を用いて本発明の各実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例（実施例１）における列車制御システムの構成例を示す図である。列車は、停車場外の線路を運転させる目的で構成された車両と定義され、一般に、列車は複数の車両が連結されて構成されるが、図１では列車を構成する先頭の車両（先頭車両）の構成のみを示している。また、本例では、車両の速度を計測する速度計測装置１が先頭車両に搭載されている場合の例が示されるが、本発明に係る列車制御システムにおいて、速度計測装置１は他の車両に搭載されていてもよい。

図１に示したように、列車制御システム１００は、鉄道車両の走行を制御するために、速度計測装置１、ＡＴＣ（Automatic Train Control）装置２、ブレーキ制御装置３、受電器４、及び車上子５を主な構成として備えている。以下これらの構成についてより詳細に説明する。

速度計測装置１は、車両床下に設置され、電磁波をレール７（より広義には、レール７を含む軌道）に対して電磁波（照射波）を照射する送信機能と、レール７に当たってから返ってくる電磁波（反射波）を取得する受信機能とを有する。なお、送信機能及び受信機能は、それぞれ独立したアンテナによって実装されてもよいし、送受信機能を有する一個のアンテナによって実装されてもよい。

また、速度計測装置１は、上記の受信機能によって取得された反射波を演算部（不図示）に入力し、演算部が照射波の周波数及び反射波の周波数に基づいて、列車の速度信号を計算する速度算出機能を有する。詳しく説明すると、速度計測装置１の速度算出機能は、列車が走行している場合にレール７に照射された電磁波（照射波）とレール７で反射した電磁波（反射波）とではドップラ効果により周波数が異なることを利用して、この周波数の差に基づいて速度信号を算出する。なお、速度計測装置１によって得られる速度信号は、現在の列車速度を算出する際に使用される信号であり、ＡＴＣ装置２に入力される。

本例では、速度計測装置１において送信機能または受信機能を実装するアンテナ（速度センサ）の具体例として、ミリ波の電磁波を用いるミリ波センサを採用する。このとき、速度計測装置１によって算出される速度信号は「ミリ波速度信号」とも呼ばれる。速度計測装置１については、後でさらに詳しく説明する。

車上子５は、地上子６から送信された位置信号を受信する装置であって、図示しないアンテナを有し、地上子６から受信した位置信号をＡＴＣ装置２に出力する。この位置信号は、ＡＴＣ装置２において速度信号に基づいて生成される列車の位置情報を補正する際に使用される。

地上子６は、列車の軌道沿線の地上側に設置された無線装置であって、内部に不揮発性のメモリとアンテナ（何れも不図示）を有する。地上子６は、列車が直上を通過する際に、自身が設置された位置を示す情報をメモリから読み出し、アンテナを介して信号（位置信号）を送信する。なお、位置信号の内容は、当該信号に基づいて列車の地点が特定できるものであればよく、特定の形式等に限定されるものではない。

また、本例の鉄道車両は、車上子５とは別に受電器４を有する。受電器４は、レール７に流れているＡＴＣ信号を受信する装置である。ＡＴＣ信号は、軌道回路毎に流されており、進入可能な軌道回路数等の停止位置に関する情報（コード）を示す信号である。ＡＴＣ信号は、受電器４からＡＴＣ装置２へ出力され、ＡＴＣ装置２において列車の制限速度を決定する演算に使用される。なお、軌道回路によって制限速度等の情報を取得する方式に代えて、無線通信を利用したＣＢＴＣ（Communication Based Train Control）等の方式を採用してもよい。

ＡＴＣ装置２は、速度計測装置１、車上子５及び受電器４から信号が入力されるように構成された装置であって、故障検知回路を有するフェイルセーフな演算装置（不図示）を有する。またＡＴＣ装置２は、種々の情報が格納された記憶装置を有し、入力される各信号と記憶装置に格納されたこれらの情報に基づいて、列車の制限速度を演算する等して列車の走行速度を制御する。

ＡＴＣ装置２による演算結果は運転士に対して提示され、また、もし現状の速度が制限速度を超過していれば、ＡＴＣ装置２からブレーキ制御装置３にブレーキ指令が出力される。ブレーキ制御装置３は、ＡＴＣ装置２から出力されたブレーキ指令に基づいて、車輪８に対してブレーキ制御を行うことにより、列車を減速させる装置である。ブレーキ制御装置３は一般的な鉄道車両のブレーキ制御装置で実現可能なため、詳細な説明を省略する。なお、本実施例では受電器４からＡＴＣ信号を受信する実施形態を説明するが、これに換えて無線アンテナから無線通信によりＡＴＣ信号を受信するようにすることも可能である。

図２は、ＡＴＣ装置の機能構成例を示すブロック図である。図２に示す通り、ＡＴＣ装置２は、列車速度算出部２１、ＡＴＣ照査速度算出部２２、照査部２３、及び車上データベース２４を備えて構成され、速度計測装置１から速度信号（ミリ波速度信号）を受信し、車上子５から位置信号を受信し、受電器４からＡＴＣ信号を受信する。

列車速度算出部２１は、速度計測装置１から取得した速度信号から列車速度を算出する。

ＡＴＣ照査速度算出部２２は、受電器４から取得した情報と、車上子５からの位置情報と、列車速度算出部２１で算出した列車速度の積算距離などから現在位置を認識する。

なお、図１や図２に示したように、本実施例ではＡＴＣ装置２を用いて説明するが、本発明の技術を適用可能な対象はＡＴＣ装置に限らず、他の速度を使用する装置（具体的には例えば、ブレーキ制御装置やモニタ装置等）にも適用することができる。

次に、速度計測装置１の構成についてより詳細に説明する。

図３は、実施例１における速度計測装置の列車の進行方向における断面構成を示す図である。速度計測装置１は、金属から主に構成されて車両床下に設置される筐体１１と、この筐体１１の内部に収容された二基の送受信器１２（個別には送受信器１２ａ、１２ｂ）とを基本構成とする。なお、前述したように、送受信器１２は速度センサであり、本例ではミリ波センサが採用される。この場合、ミリ波センサである送受信器１２が格納される筐体１１は、ミリ波センサ筐体とも呼ぶことができる。

筐体１１は、送受信器１２の送信方向に面した壁面が樹脂部材によって形成されている。したがって筐体１１は、少なくとも一つの開口部を有する金属製の筐体基部１３と、開口部を閉止するように設けられた樹脂から成る窓部１４とから構成される。このような筐体１１の構成は、送受信器１２の放熱を筐体基部１３によって促進し、かつ送受信器１２を保護しつつ電磁波を利用する上で有用である。

図示は省略するが、送受信器１２の内部構成としては例えば、電磁波を照射または受信するためのアンテナ回路と、当該アンテナ回路に対して駆動電流を供給する供給部と、駆動電流を制御するための制御回路とが挙げられる。制御回路は、例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）やＩＣ（Integrated Circuit）といった半導体回路や、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のような制御論理を組み込んだ回路によって構成される。

また、図３に示した送受信器１２には、送受信器１２の前面に半円状に張り出したレンズ部材１５がアンテナ回路を覆うように取り付けられる。このレンズ部材１５は、アンテナ回路から送信される電磁波を集束させるための部材であって、例えば特許文献（特開２０１７−０１５４７４号公報）に挙げられたもの（具体的には、当該特許文献に示された集束レンズ１０）を採用することができる。その他、指向性を持たせる方法として、レンズ部材１５とは別の手段を用いてもよく、例えばアンテナ回路をアレイ状アンテナとして構成するようにしてもよい。

送受信器１２の取り付けにあたっては、台座部１６が利用される。台座部１６は筐体１１の内壁に対して強固に固定された部材であって、送受信器１２の放熱を促すために熱伝導性に優れた部材（具体的には例えば、アルミニウム等）で形成されることが望ましい。

台座部１６は、図３に示されるように、Ｙ方向（垂直上方向）に向かうにつれてＸ方向（車両進行方向）の幅が広くなる断面形状を有している。送受信器１２は、このような形状を有する台座部１６に固定されることで、照射波の照射軸が規定される。ここで言う照射軸とは、送受信器１２が送信する照射波の主たる放射の方向を指し、構造的には、電磁波の集束位置およびアンテナ回路の送信面中心を通過する直線に相当する。具体的には図３の場合、送受信器１２による照射波の照射軸は、Ｙ方向に関して下方成分を有するように固定される。なお、送受信器１２を台座部１６に固定する方法としては、ボルトによる締結やその他の締結手法を採用することができる。

また、速度計測装置１の車高方向（Ｙ方向）における取り付け位置は、被照射面のレール及び軌道が近接することによる干渉が発生しない高さに固定する。なお、内部に収容された送受信器１２は稼動時に発熱するため、温度の上昇する機器箱内や近接する位置に配置せず、外気温や走行風によって自冷却できる位置に取り付けることが望ましい。

次に、二基の送受信器１２ａ、１２ｂの配置についてより詳細に説明する。

二基の送受信器１２ａ、１２ｂは、樹脂部材で形成された窓部１４の中心に関して対称となる位置に固定される。さらに、二基の送受信器１２ａ、１２ｂは、窓部１４が配置された空間において互いの照射軸が交差するように配置されることが望ましい。このとき、図３に示したように、送受信器１２ａ、１２ｂからは、車両の進行方向（Ｘ方向）について互いに異なる方向に電磁波が照射される。二基の送受信器１２ａ、１２ｂが上述したように配置されることで、速度計測装置１は、窓部１４の面積を最小化することができる。窓部１４の最小化は、樹脂板部に雪が付着して電磁波が減衰するような事態に備えて融雪ヒータを設けるような場合に、加熱領域を縮小する上で有用である。

また、それぞれの送受信器１２ａ、１２ｂは、Ｘ−Ｙ平面において、Ｘ軸（水平軸）と照射軸とによってなされる角度（図３に示した入射角度θ）が２０度以上４０度以下となるように固定される。したがって台座部１６のＹ方向における厚みは、当該角度が成立するように形成される。

ここで、送受信器１２から軌道（レール７）に向けて照射される電磁波（ミリ波）の照射軸と被照射面（例えばレール７）との間の入射方向角度をθ、ドップラ効果による周波数ｆ_ｄ（ドップラ周波数）、光速をｃ、送受信器１２から出力される信号の周波数をｆ_０（ミリ波送信周波数）とすると、計測速度ｖは、以下の式１の関係式で表される。

式１によると、右辺の分数項は定数と見做すことができ、例えば照射波のミリ波送信周波数ｆ_０を７６．５ＧＨｚ、入射方向角度θを４５°とすると、右辺の定数はおよそ１００Ｈｚ/（ｋｍ／ｈ）となる。すなわち、速度計測装置１では、列車（車両）の計測速度ｖが高速になると、ドップラ周波数ｆ_ｄも比例して高くなる。

次に、速度計測装置１の配置についてより詳細に説明する。速度計測装置１は、列車の車両床下に固定される機器であって、電源等を車両の配電系から取得するように構成される。なお本実施例では速度計測装置１の筐体１１を概ね直方体の構造体として説明するが、外形はこれに限定されるものではない。

図３に示したように、速度計測装置１は、二基の送受信器１２ａ、１２ｂが、列車の走行方向（Ｘ軸）において前後方向に並ぶように車両床下に取り付けられる。したがって一方の送受信器１２（例えば送受信器１２ａ）から列車が進行する方向に向かって電磁波が照射され、他方の送受信器１２（例えば送受信器１２ｂ）から列車が進行する方向と反対の方向に向かって電磁波が照射される。このような設置方法は、装置取り付け時に生じる列車の走行方向（Ｘ軸）のピッチング誤差を吸収するのに有効である。反射波の周波数と照射波の周波数との差から取得される速度信号は、それぞれの送受信器１２ａ、１２ｂが取得してＡＴＣ装置２に送信される。そして、ＡＴＣ装置２が、例えば両送受信器１２から送信された速度信号の平均を演算して、列車の速度を取得することが可能となる。

また、速度計測装置１の車高方向（Ｙ軸方向）における取り付け位置は、レール７や地表との干渉が起きない程度の高さに固定される。なお、速度計測装置１の内部に収容された送受信器１２は稼働時に発熱するため、効果的な冷却を実施するにあたって、車両床下面に筐体１１を直付けせず、所定の距離を置いて固定するものとして、走行風による冷却がなされるように取り付けてもよい。

また、速度計測装置１の車幅方向（Ｚ軸方向）における固定位置は、図４に例示される。図４は、実施例１における速度計測装置とレールとの位置関係を説明する図である。図４に拡大図で示したように、以降の説明では、レール７の頭部の頭頂面をレール頭頂部７ａ、レール７の底部上面をレール底部７ｂと称する。さらに、レール頭頂部７ａは、中央部分を示すレール頭頂中央部７ｃと、一対のレール間の軌道中心線側（内側）の端部を示すレール頭頂内端部７ｄと、レール頭頂内端部７ｄとは反対側となる施工基面側（外側）の端部を示すレール頭頂外端部７ｅとに分けることができる。

図４に示すように、速度計測装置１のＺ軸方向の固定位置は、レール頭頂内端部７ｄに対して電磁波が照射されるような配置とし、Ｘ軸方向から見たときに車輪８と重なる位置とする。

より詳細には、本実施例における送受信器１２の照射軸（図４の破線付き矢印で示した照射軸１０に相当）は、Ｘ−Ｙ成分を主とするものであって、Ｚ成分は無視できる程度に小さいことが望ましく、したがって照射軸がＹ−Ｚ平面において直線として表されるように、速度計測装置１が固定されることが望ましい。さらに、この照射軸をレール頭頂内端部７ｄに位置するものとするために、速度計測装置１は、送受信器１２の照射軸がＹ−Ｚ平面においてレール頭頂内端部７ｄに当たるように車両床下に固定される。この配置について換言すると、Ｙ−Ｚ平面において、レール頭頂内端部７ｄと速度計測装置１の窓部１４の中心とが垂直線上に含まれるような配置関係となり、照射軸もこの垂直線上にあるものとなる。

また更に望ましくは、車両の走行方向から見て、速度計測装置１は、車輪８の踏面部とフランジ部分との境界部分に送受信器１２が位置するように固定されることが望ましい。当該境界部分と重なるように送受信器１２が配置されることによって、照射軸を容易にレール頭頂内端部７ｄに設定することができる。

そして、上述したように速度計測装置１が取り付けられた車両において、速度計測装置１による速度計測は次のように実施される。

まず、車両に電源が入れられると、速度計測装置１に対しても電源が供給され速度計測が開始される。速度計測装置１による速度計測は、照射波を照射軸に沿って照射し、反射してくる反射波を計測し、この照射波と反射波との周波数変化に基づいて算出される。なお速度計測装置１は、故障等が生じていないかを確認する自己診断機能を有し、起動時にこれを実行するように構成してもよい。

ここで、図４のように速度計測装置１が取り付けられた場合、すなわち、レール頭頂内端部７ｄの直上に速度計測装置１（送受信器１２）が取り付けられた場合、走行中の照射軸は、車両の機能によっては以下の２つの状態を取るものとなる。

まず、第一の状態として、図４に破線で示したように、照射波がレール頭頂内端部７ｄに対して照射される状態がある。このような照射軸とレール７との位置関係は、レール７（軌道）が直線的に配置されている場合に成立する。すなわち、図４には、照射軸の第一の状態が成立するときの速度計測装置１とレール７との位置関係が示されている。

第一の状態で照射された照射波の場合、レール頭頂内端部７ｄに当たって反射する成分と、レール底部７ｂに当たって反射する成分とを含む反射波が計測される。

ここで、レール頭頂部７ａにおいて、レール頭頂中央部７ｃは、車輪８との摩擦によって鏡面化していることが多い。鏡面化の影響により、送受信器１２から照射されてレール頭頂中央部７ｃに到達する照射波は、例えば照射軸が列車の前方に向かう場合、そのまま列車の前方に向かって反射する成分が大きくなりやすい。結果、反射波の強度を十分に得られず計測が不十分となる可能性がある。

しかし、本実施例では、速度計測装置１を図４のように設置することによって、照射波はレール頭頂内端部７ｄに照査する成分と、レール頭頂内端部７ｄの更にレール間側を通過する成分を有する。このレール間側を通過した照射波は、レール７の下方部を形成するレール底部７ｂに到達する。レール底部７ｂは、日本の普通のレールでは、レール頭頂部７ａよりも幅が広い部分として形成され、すなわちＺ方向における長さがレール頭頂部７ａよりも長い部分として形成される。またレール底部７ｂは、レール頭頂部７ａと異なり車輪８等との接触が無いため、その表面はレール頭頂部７ａ（例えばレール頭頂中央部７ｃ）よりも粗く、いわゆる粗面としての特性がレール頭頂部７ａよりも高い。

その結果、レール底部７ｂに到達した照射波は、レール頭頂部７ａ（レール頭頂中央部７ｃ）に到達した照射波に比べて、送受信器１２に向かって反射する成分が大きくなる。反射成分が大きくなることで、送受信器１２では反射波の周波数計測を実施しやすくなり、レール頭頂部７ａ（レール頭頂中央部７ｃ）から反射してきた成分が弱くなってしまった場合においても計測を継続することが可能となる。換言すると、図４のように速度計測装置１の照射軸を、鏡面となるレール頭頂部７ａの中央（レール頭頂中央部７ｃ）を避けてレール底部７ｂを含むような位置とすることで、計測速度の精度を維持することができる。

また例えば、一対のレール７についてカントを持たせた区間（以後、曲線区間と称する）を形成するような場合であって、車両床下がカント角と平行となるような車両、例えば車体傾斜の機能（車体傾斜機構）を持っていない車両がカントと平行になる速度で走行する場合や、車体傾斜機能を有して、車両床下とカントを平行にすることができる場合は、レール７上に照射軸が位置するため、レール７と速度計測装置１との相対位置はほぼ一定となり、速度計測装置１による速度計測を継続できる。すなわちカント角を有した一対のレール７と車両床下とが平行を維持可能であれば、第一の状態が成立し、速度計測装置１は速度信号を取得することが可能である。

一方、車体傾斜機構の有無に関わらず、カントを低速で走行した場合や、車体傾斜装置によってカント角以上に車体のロール角を発生させた場合など、レール７が曲線区間を形成する区間においてカント角とロール角の差が大きくなる場合には、走行中の照射軸について、第一の状態に代わって第二の状態が成立する。

図５は、実施例１において照射軸の第二の状態が成立するときの、速度計測装置とレールとの位置関係を説明する図である。

第二の状態は、図５に示されるように、レール７のカント角θ_１に対して、車両床下が水平面に対してより大きな傾斜角度（ロール角θ_２）を持つ場合に成立する。この場合、車両床下に取り付けられた速度計測装置１は、ロール角θ_２に従って傾斜するため、照射軸１０はレール頭頂内端部７ｄからレール頭頂中央部７ｃの近辺へ変位する。

しかしながら、送受信器１２からは照射軸を中心として、円錐状に電磁波が放射されているため、照射軸中心がレール頭頂中央部７ｃの近辺へ変位しても円錐状に放射される電磁波はレール頭頂内端部７ｄおよびレール底部７ｂにも照射することができる。したがって第二の状態が成立する場合も、速度計測装置１は十分な強度の反射波を取得することができるため、速度信号の取得が継続できる。

なお、第二の状態の別態様として、カント角θ_１とロール角θ_２の差の大きさにより、一基の速度計測装置１の照射軸が、レール７から逸れてしまう可能性がある。図６は、実施例１における第二の状態の別態様を説明するための図である。図６の場合、車両床下の左側に設けられた一基の速度計測装置１ａの照射軸１０ａは、直下のレール７から逸れていることがわかる。本実施例では、このような状況に対応する変形例として、列車の走行方向を正面とした際に、速度計測装置１を車両床下の左側と右側にそれぞれ設けることが有効である。具体的には図６の場合、車両床下の右側にも一基の速度計測装置１ｂを設ける。なお、このとき、何れの速度計測装置１ａ、１ｂも、レール間側（内側）に面したそれぞれのレール頭頂内端部７ｄに対して照射軸１０ａ、１０ｂが位置するように、車両床下に固定される。

図６に示した上記の変形例のように車両の進行方向に対して車体の左右両方に速度計測装置１ａ、１ｂを設ければ、第二の状態の別の態様となって一方の速度計測装置１ａの照射波がレール７に当たらなくなった場合でも、他方の速度計測装置１ｂによって速度信号の計測が可能となる。

なお、上記の変形例のように車両の両側に速度計測装置１ａ、１ｂを設ける場合、図３に示したように一基の速度計測装置１が２つの送受信器１２ａ、１２ｂを備えることから、合計で少なくとも４つの送受信器１２が速度信号を出力することになる。このとき、列車制御システム１００（列車速度算出部２１）は、例えばこれらの速度信号から取得される速度を平均化して列車の走行速度として認識することにより、それぞれの送受信器１２の間に存在する取り付け公差やアンテナ特性に由来する信号の偏差を吸収することができる。

また、上記の変形例のように左右レール付近の両側に速度計測装置１ａ、１ｂを設けた場合、レール７が曲線を形成し、かつカント角θ_１とロール角θ_２の差が生じるような状況では、何れかの速度計測装置１は正しい計測ができない可能性がある。このような状況への対策として、事前の走行試験等に基づいて曲線区間において信頼性を有する速度信号の範囲を決定しておき、実際に速度計測装置１の各送受信器１２で計測された速度信号のうち、信頼性を有する速度信号だけを列車速度の演算に利用するようにしてもよい。

一方、事前の走行試験等により、曲線区間において、照射軸の変位によって速度信号が大きく変動することが確認され、速度演算に利用することは不適当（信頼性を有さない）と判断される場合は、そのような区間では曲線区間において外側に配置される速度計測装置１の信号は演算に利用しないよう制御してもよい。具体的には例えば、車上データベース２４に、左側及び右側の速度計測装置１の速度信号のうち、利用してよい区間の情報を登録しておき、走行距離に基づいて現在の走行区間を判断することにより、適宜利用する速度計測装置１を選択するように制御してもよい。

以上、実施例１に係る列車制御システム１００について、特に、速度計測装置１の構成や取り付け方法、及び列車制御システム１００を実装した鉄道車両に関する速度計測について説明した。

このような実施例１に係る列車制御システム１００において、速度計測装置１は、１つの筐体１１のなかに二基の送受信器１２（１２ａ、１２ｂ）を有する。このような構成とすることで、受信用のセンサと送信用のセンサを１つの筐体１１に収めることができるため、速度計測装置１の全体コストを抑制する効果に期待できる。また、筐体１１には、送受信器１２の送受信面に面した側壁が樹脂で構成された窓部１４が設けられている。このような構成は、送受信器１２の放熱性能の向上と、送受信器１２の送受信機能の両立を図ることに有用である。

また、本実施例では、それぞれの送受信器１２ａ、１２ｂを、照射軸が窓部１４において交差するように固定することで、窓部１４の面積の増大を抑制している。窓部１４は樹脂によって構成され、ここに雪等が付着すると送受信機能の感度低下が生じる恐れがあるが、窓部１４を小型化することによって、窓部１４に雪等が付着する面積を縮小するとともに、窓部１４を囲むように設けた融雪ヒータによる加熱が迅速に実行され、雪等の付着による感度低下を効率的に抑制することができる。

また、本実施例では、速度計測装置１を、車両の進行方向から見て車輪８と重なるように配置する、より詳細には車輪８の踏面とフランジ部との境界に重なるように送受信器１２を配置することによって、照射軸をレール頭頂部７ａのレール頭頂内端部７ｄに設定することが可能となる。本実施例に係る列車制御システム１００では、このように照射軸が設定されることによって、列車が直線区間を走行している際は、速度計測装置１からレール底部７ｂまたは地面に電磁波を照射することができ（第一の状態）、また、列車が曲線区間を走行している際でも、レール７の内側端部から側面やレール底部７ｂに電磁波を照射することができる（第二の状態）ため、何れの場合も十分な強度の反射波を得ることができる。すなわち、本実施例に係る列車制御システム１００では、レール頭頂中央部７ｃの鏡面化による反射波の強度低下の影響を抑制しながら速度計測装置１を運用することができ、十分な測定性能を確保しながら連続的に列車速度を計測することを可能とする。

また、本実施例では、車体傾斜機構を搭載した列車、例えば高速鉄道向けの車両においては、列車の進行方向に対して左右両側に速度計測装置１（１ａ、１ｂ）を設けるようにしてもよい。このような配置を採用することによって、車体のロール角が大きく一方の速度計測装置１ａの照射軸がレール７から外れてしまうような場合でも、他方の速度計測装置１ｂの照射軸がレール７上にあるため、速度信号を継続して取得することができる。

またこのように複数の速度計測装置１ａ、１ｂを設けた鉄道車両において、列車制御システム１００は、それぞれの速度計測装置１ａ、１ｂから送信される速度信号を平均化して列車速度を演算することで、速度計測装置１の取り付けに関する公差に由来する誤差の影響を抑制し、精度のよい速度計測を実行することができる。

また、実施例１に係る列車制御システム１００では、速度計測装置１の送受信器１２から、レール７だけでなくレール７が敷設された地上に対しても電磁波を照射し得ることから、その反射波の成分を分析することによって、線路環境を推定する用途や、位置を測定する用途にも適用することができる。具体的には例えば、線路環境の推定において、ある走行区間における地上からの反射波の成分が他の走行区間と比べ変化が大きい場合には、橋梁等の存在を推定することができる。

本発明の第２の実施例（実施例２）について説明する。実施例２に係る列車制御システムは、主に速度計測装置１（後述する図７の速度計測装置１ｃ、１ｄ）の配置について実施例１と異なっており、以下ではこの相違点を中心に説明し、実施例１と共通する部分については説明を省略する。

図７は、実施例２における速度計測装置の配置例を説明する図である。図７に示したように、実施例２に係る列車制御システムでは、車両床下の列車の進行方向からみて左右レール付近の何れか片側に、少なくとも二基の速度計測装置１（個別には速度計測装置１ｃ、１ｄ）が設けられる。二基の速度計測装置１ｃ、１ｄのそれぞれの構造は実施例１の速度計測装置１と同様である。

図７には、実施例２における速度計測装置１ｃ、１ｄの、直線区間でのレール７との位置関係が示されている。すなわち、図７に示したように、一方の速度計測装置１ｃは、レール頭頂部７ａのうち、レール間に面した側（内側）の端部（すなわち、レール頭頂内端部７ｄ）に照射軸１０ｃが位置するように車両床下に固定され、他方の速度計測装置１ｄは、レール頭頂部７ａのうち、レール間に面していない側（外側）の端部（すなわち、レール頭頂外端部７ｅ）に照射軸１０ｄが位置するように車両床下に固定される。また、各速度計測装置１ｃ、１ｄ（送受信器１２）は、レール頭頂部７ａの端部（レール頭頂内端部７ｄ、レール頭頂外端部７ｅ）の直上に配置される。

実施例２では、図７のように速度計測装置１（１ｃ、１ｄ）が配置されることで、レール７が直線区間を形成する場合は、実施例１に係る列車制御システム１００と同様に、レール頭頂部７ａの鏡面化による反射波の強度低下の影響を抑制しながら速度計測装置１を運用することができ、十分な測定性能を確保しながら連続的に列車速度を計測することを可能とする。

さらに実施例２に係る列車制御システムでは、図７のように速度計測装置１（１ｃ、１ｄ）が配置されることで、レール７が曲線区間を形成し、かつ車体傾斜機構によって車体がカント角以上のロール角を持つようになった場合でも（図８のカント角θ_１、ロール角θ_２を参照）、何れか一方の速度計測装置１による照射軸中心がレール７に向かって照射され、照射軸中心から円錐状に放射される電磁波は、レール頭頂端部７ｄまたは７ｅおよびレール底部７ｂにも照射することができるため、計測精度を維持することが可能となる。

ここで、図８は、実施例２における速度計測装置の曲線区間における状態を説明するための図である。図８（Ａ）は、レール間の外側に向けてカントが設けられた曲線区間における状態例であり、図８（Ｂ）は、レール間の内側に向けてカントが設けられた曲線区間における状態例である。

例えば図８（Ａ）の場合、直線区間（図７参照）においてレール頭頂内端部７ｄを向いていた内側の速度計測装置１ｃからの電磁波の照射先（照射軸１０ｃ）は、車体の傾きであるロール角θ_２により、鏡面化したレール頭頂中央部７ｃ近辺に移っている。しかしながら、送受信器１２からは照射軸を中心として、円錐状に電磁波が放射されているため、照射軸中心がレール頭頂中央部７ｃの近辺へ変位しても円錐状に放射される電磁波はレール頭頂内端部７ｄおよびレール底部７ｂにも照射することができる。そのため、速度計測装置１ｃは、図８（Ａ）の照射軸１０ｃに沿って照射した電磁波から十分な強度の反射波を確保することができ、速度信号を取得することができる。

また、図８（Ａ）の場合、直線区間でレール頭頂外端側７ｅを向いていた外側の速度計測装置１ｄからの電磁波の照射先（照射軸１０ｄ）は、ロール角θ_２により、レール頭頂外端部７ｅから逸れるが、その照射波は、外側のレール底部７ｂに到達する。また、照射軸中心はレール頭頂外端部７ｅから外れるものの、円錐状に放射された電磁波はレール頭頂外端部７ｅおよびレール底部７ｂにも照射することができる。このため、速度計測装置１ｄにおいても、鏡面化したレール頭頂中央部７ｃの領域を避けた照射波の送信が実行されることにより、図８（Ａ）の照射軸１０ｄに沿って照射した電磁波から十分な強度の反射波を確保することができ、速度信号を取得することができる。

以上のことから、図８（Ａ）の場合、少なくとも何れか一方の速度計測装置１による照射がレール７に向かって照射され、十分な強度の反射波成分を受信することができるため、実施例２に係る列車制御システム（例えば列車速度算出部２１）による列車速度の算出において計測精度を維持することが可能となる。

また、図８（Ｂ）の場合は、速度計測装置１ｃ、１ｄによる照射先が図８（Ａ）とは逆方向に移動することになるが、図８（Ａ）と同様に、少なくとも何れか一方の速度計測装置１によってレール７に対して鏡面化されたレール頭頂中央部７ｃの領域を避けて照射することが可能である。したがって、十分な強度の反射波成分を受信することができ、実施例２に係る列車制御システム（例えば列車速度算出部２１）による列車速度の算出において計測精度を維持することが可能となる。

なお、車両の片側に複数の速度計測装置１（１ｃ、１ｄ）を集約して設置する実施例２の配置に関して、速度計測装置１ｃ、１ｄの車両の走行方向における設置位置は、同じであってもよいし、異なるものであってもよい。すなわち、実施例２に係る列車制御システムでは、少なくとも列車の走行方向において左右いずれかの車両床下に複数の速度計測装置１（１ｃ、１ｄ）が設けられていればよく、具体的には例えば、車両の進行方向において、例えば車両床下の中央側に位置する速度計測装置１（図７の場合、速度計測装置１ｃ）を車両の前方に設置し、車両床下の外縁側に位置する速度計測装置１（図７の場合、速度計測装置１ｄ）を車両の後方に設置する等としてよい。

そしてこのように実施例２に係る列車制御システムにおいて複数の速度計測装置１（１ｃ、１ｄ）を車両の走行方向について前後にずらして配置する場合には、列車速度の計測精度を維持しながら、速度計測装置１の設置自由度を向上させることができる。

また、実施例２に係る列車制御システムの派生例として、二基の速度計測装置１ｃ、１ｄに代えて、二対四基の送受信器１２を有する速度計測装置を採用するようにしてもよい。このような構成とする場合、設置が必要な速度計測装置の個数が一基になることから、速度計測装置の取付け工数を半減することができる。

本発明の第３の実施例（実施例３）について説明する。実施例３に係る列車制御システムは、主に速度計測装置１（後述する図９の速度計測装置１ｅ、１ｆ）の配置について実施例１、２と異なっており、以下ではこの相違点を中心に説明し、実施例１または実施例２と共通する部分については説明を省略する。

図９は、実施例３における速度計測装置の配置例を説明する図である。図９に示したように、実施例３に係る列車制御システムでは、図７に示した実施例２の速度計測装置１（１ｃ、１ｄ）と同様に、車両床下の列車の進行方向からみて左右レール付近の何れか片側に、少なくとも二基の速度計測装置１（個別には速度計測装置１ｅ、１ｆ）が設けられる。但し、実施例３に係る列車制御システムでは、少なくとも二基の速度計測装置１（１ｅ、１ｆ）の照射軸１０（個別には照射軸１０ｅ、１０ｆ）の態様が実施例２とは異なっている。

具体的には、図９に示したように、車両床下の中央側に配置された速度計測装置１ｅは、照射軸１０ｅがレール頭頂部７ａのうちレール間に面していない側（外側）の端部、すなわちレール頭頂外端部７ｅに位置するように構成される。一方、車両床下の外縁側に配置された速度計測装置１ｆは、照射軸１０ｆがレール頭頂部７ａのうちレール間に面している側（内側）の端部、すなわちレール頭頂内端部７ｄに位置するように構成される。換言すると、実施例３では、列車の進行方向から見た場合に、二基の速度計測装置１ｅ、１ｆのそれぞれの照射軸１０ｅ、１０ｆが交差するように、速度計測装置１ｅ、１ｆが取り付けられる。また、各速度計測装置１ｅ、１ｆ（送受信器１２）は、レール頭頂部７ａの端部（レール頭頂内端部７ｄ、レール頭頂外端部７ｅ）の直上に配置される。

実施例３に係る列車制御システムは、図９のように速度計測装置１（１ｅ、１ｆ）が配置されることで、レール７が直線区間を形成する場合は、実施例１、２に係る列車制御システム１００と同様に、レール頭頂中央部７ｃの鏡面化による反射波の強度低下の影響を抑制しながら速度計測装置１を運用することができ、十分な測定性能を確保しながら連続的に列車速度を計測することを可能とする。

さらに実施例３に係る列車制御システムでは、図９のように速度計測装置１（１ｅ、１ｆ）が配置されることで、レール７が曲線区間を形成する際に、実施例２と比較して、照射波をレール底部７ｂに到達させることは難しくなるものの、車体のロール角（図１０のロール角θ_３を参照）が実施例２の想定よりも更に大きくなった場合でも、少なくとも何れか一方の速度計測装置１（１ｅ、１ｆ）がレール頭頂部７ａに到達するため、円錐状に放射される照射波はレール頭頂内端部７ｄまたはレール頭頂外端部７ｅに照射しやすく、計測精度を維持しながら列車速度を計測可能な範囲を拡大することができる。

ここで、図１０は、実施例３における速度計測装置の曲線区間における状態を説明するための図である。図１０（Ａ）は、図面の左側に向けてカントが設けられた曲線区間における状態例であり、図１０（Ｂ）は、図面の右側に向けてカントが設けられた曲線区間における状態例である。なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）において、軌道（レール７）のカント角は図８（Ａ）、（Ｂ）と同じθ_１とし、車体のロール角は図８（Ａ）、（Ｂ）のθ_２よりも大きなθ_３としている。

図１０（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、実施例３における電磁波の照射軸とその反射波について確認する。

まず図１０（Ａ）の場合、直線区間（図９参照）においてレール頭頂外端側７ｅを向いていた内側の速度計測装置１ｅからの電磁波の照射先（照射軸１０ｅ）は、車体の傾きであるロール角θ_３により、レール底部７ｂを超えてレール７の外側に逸れている。このとき、速度計測装置１ｅは、照射軸１０ｅに沿って照射した電磁波から十分な強度の反射波を得ることは難しい。しかしその一方で、外側の速度計測装置１ｆからの電磁波の照射先（照射軸１０ｆ）は、ロール角θ_２による影響を受けても、レール頭頂部７ａに留まっている。他の実施例で前述したように、レール頭頂部７ａのうち、レール頭頂中央部７ｃは鏡面化されているため、照射軸中心の反射波成分における電磁波の強度は低下するが、円錐状に放射される照射波はレール頭頂内端部７ｄまたはレール頭頂外端部７ｅに照射しやすいため、速度計測装置１ｆは、照射軸１０ｆに沿って照射した電磁波から十分な強度の反射波を得ることができる。したがって、図１０（Ａ）の場合、実施例３に係る列車制御システムでは、速度計測装置１ｆが取得した速度信号を用いることにより、十分な計測精度を維持しながら列車速度を計測することができる。

また、図１０（Ｂ）の場合は、図１０（Ａ）とは逆に、外側の速度計測装置１ｆからの電磁波の照射先（照射軸１０ｆ）が、レール底部７ｂを超えてレール７の外側に逸れるものの、内側の速度計測装置１ｅからの電磁波の照射先（照射軸１０ｅ）が、レール頭頂部７ａに留まっている。他の実施例で前述したように、レール頭頂部７ａのうち、レール頭頂中央部７ｃは鏡面化されているため、照射軸中心の反射波成分における電磁波の強度は低下するが、円錐状に放射される照射波はレール頭頂内端部７ｄまたはレール頭頂外端部７ｅに照射しやすいため、図１０（Ｂ）の場合、実施例３に係る列車制御システムでは、速度計測装置１ｅが取得した速度信号を用いることにより、十分な計測精度を維持しながら列車速度を計測することができる。

以上のように、実施例３に係る列車制御システムでは、二基の速度計測装置１ｅ、１ｆの照射軸１０ｅ、１０ｆが交差するように取り付けられることにより、実施例２よりも大きなロール角においても、計測精度を維持しながら列車速度を計測可能な範囲を拡大することができる。また、振り子台車等の車体傾斜機構を搭載していない車両においても、実施例３の速度計測装置１（１ｅ、１ｆ）を設置することによって、レール頭頂部７ａの側端部（レール頭頂内端部７ｄやレール頭頂外端部７ｅ）に対する照射を確保することができるため、設置面積が限られた場合であっても十分な計測精度を維持しながら列車速度を計測することができる。

本発明の第４の実施例（実施例４）について説明する。実施例４では、速度計測装置１の構造や配置等について詳細に説明する。但し、上述した実施例１〜実施例３の何れかと共通する部分については説明を省略することがある。

図１１、図１２は、実施例４におけるミリ波センサ筐体の設置パターンを説明するための図（その１、その２）である。

図１１は、送受信器１２からの電磁波を、レール７ではなく、レール７に並行して１対２本のレール内外軌に設置されて車両の脱線を防止する脱線防止装置４４に対して照射する例を示している。また、図１２は、送受信器１２からの電磁波を、レール７ではなく、レール７に並行して１対２本のレール内外軌に設置されて車両が脱線した場合に、軌道から逸脱することを防止する逸脱防止装置４５に対して照射する例を示している。図１１や図１２に示した場合のように、１対２本のレール内外軌に設置されて車両の脱線を防止する脱線防止装置４４又は逸脱防止装置４５の端部に対して、送受信器１２から電磁波が照射されるように、樹脂製窓部１４ａ及び送受信器１２の枕木方向（Ｚ方向）の中心が、列車の高さ方向（Ｙ方向）に一直線上で配置される方法でもよい。脱線防止装置４４や逸脱防止装置４５は、レール７と車輪８の接触がないため摩耗による鏡面化が発生せず、レール７に対して概ね並行に設置されることから、安定的に大きな反射成分を得ることができ、送受信器１２では反射波の周波数計測を実施しやすくなる。

本発明の第５の実施例（実施例５）について説明する。実施例５では、速度計測装置１の構造や配置等について詳細に説明する。但し、上述した実施例１〜実施例４の何れかと共通する部分については説明を省略することがある。

図１３〜図１６は、実施例５における送受信器及びミリ波センサ筐体の配置例を説明するための図（その１〜その４）である。

まず、筐体１１は、図１３（Ａ）に示したように、車両の少なくとも一部の底床を塞いで設けられる床下フサギ板３１と締結して固定する方法や、図１３（Ｂ）に示したように、車両床構体に取り付けた吊枠３２と締結して固定する方法で艤装することができる。しかし、筐体１１を列車の進行方向（Ｘ方向）に対して水平に固定することは、艤装上困難である。

しかし、筐体１１が列車の進行方向（Ｘ方向）に対して水平ではない場合、図１４に示すような筐体取付角度γ（単に、取付角度γとも称する）が発生し、送受信器１２から照射する電磁波の入射方向角度θに筐体取付角度γが加わる。つまり、上述した式１において入射方向角度θを一定の角度として規定しているにも関わらず、筐体取付角度γの変化分だけ、１次反射波（ミリ波センサとレール軌道面のＸ１、Ｘ２で照射・反射する電磁波）と２次反射波の双方で電磁波の照射及び反射角度が常に異なる状態となるため、走行条件や２次反射角度の影響によらず、常に一定の計測速度誤差を生じることになる。

そこで、２つの送受信器１２ａ、１２ｂは、列車の走行方向（Ｘ方向）に前後で並ぶように車両床下に取り付け、樹脂部材で形成された窓部１４（樹脂製窓部１４ａ）の中心に対して対称となる位置に固定する。

これにより、筐体１１に取付角度γが生じた場合、それぞれの送受信器１２ａ、１２ｂが取得した速度は、互いに入射方向角度θに取付角度γを加えた結果となるが、筐体内で固定されたそれぞれの送受信器１２ａ、１２ｂは、筐体１１の取付角度γを符号を反転して有することとなる。つまり、最終的なＡＴＣ装置２での速度演算において、１つの筐体内に収納した２つの送受信器１２ａ、１２ｂは、筐体１１の取付角度γに対する計測速度誤差を相殺することができる。なお、本実施例では速度計測装置１とＡＴＣ装置２を接続し、ＡＴＣ装置２で列車速度を演算する方法を説明するが、ＡＴＣ装置２に限らず列車速度を使用する装置または、列車速度を一括で管理し、列車速度を使用する装置へ送信する速度計測装置１と列車速度を使用する機器を中継する機器でもよい。また、それぞれの送受信器１２ａ、１２ｂが取得した速度に対する演算は、最終的な１つの列車速度を算出する方法であればよい。

速度計測装置１は、実環境においてレール及び軌道面に照射した電磁波がレール及び軌道面に反射する場合、図１５のように電磁波の一部は散乱して車両の床面のＹ１、Ｙ２に到達する。ここで、散乱した電磁波が到達した車両床面が車両機器、または車両床構体である場合、電磁波が到達する車両床面の車両機器や車両床構体等が図１５に示すように列車の進行方向（Ｘ方向）と枕木方向（Ｚ方向）に対して水平ではない場合、散乱した電磁波は、車両機器または床構体下面の形状に応じて或る角度を有した反射波となる。その後に反射波は、図１５に示すＺ１、Ｚ２へ或る角度を有して入射し、その反射波（２次反射）は車両床下のＹ１、Ｙ２及びレールと軌道面のＸ１、Ｘ２を介して送受信器により取得する。なお、図１６に示すように、車両床下（床構体）への反射波が先の構造体に入射しない角度である場合は、車両床下への反射波のみをレール７と軌道面のＸ１、Ｘ２を介して送受信器により取得することとなる。したがって、特許文献３に記載される通り、照射する電磁波の入射方向角度θを規定しても、散乱した一部の電磁波の入射方向角度θが、反射する車両床面の傾きに起因して式１の入射方向角度θが変化することにより、計測速度に速度計測装置１の設置方法に起因した誤差を生じることとなる。

この課題は、図１５に示すように規定する入射方向角度θを小さくすることで、式１の定数の変化率を小さくし、入射角度θの変化に対する計測速度誤差を抑制することができる。速度計測装置１の計測速度誤差は、列車制御の安全性に関わるＡＴＣ装置２で使用するため、使用する列車の最高速度に対して１ｋｍ／ｈ以内（例えば、列車の最高速度が３００ｋｍ／ｈである場合、１ｋｍ／ｈまでの計測速度誤差であると、計測速度誤差の割合は０．３％以内）とする必要がある。図１５に示すように２次反射角度をσとするとき、２次反射を含む計測速度ｖは、以下の式２の関係式で表される。

上記の式２によれば、例えば散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２が、列車の進行方向（Ｘ方向）に対して水平な状態から、０．２°の２次反射角度σを有する場合、列車の最高速度が３００ｋｍ／ｈであれば、入射方向角度θは４０°に設定する必要がある。したがって、入射方向角度θが４５°の場合では、２次反射角度の許容値が０．２°以下となり、図１３に示すように、車体艤装の観点から平滑な構造体を設置する場合でも、２次反射角度σを０°とすることは困難であるため、入射方向角度θを小さくする必要がある。具体的には、入射方向角度θを、２０°≦θ≦４０°とすることで、２次反射角度σの変化を防止する平滑な構造体を、一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に設置する場合でも、車体艤装に起因して発生する２次反射角度σの許容範囲を確保できる。なお、本実施例では、列車の進行方向（Ｘ方向）に対する影響を記載したが、列車の進行方向（Ｘ方向）のみに限られるものではない。

つづいて、散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に設置する平滑な構造体について説明する。図１７は、列車を組成している一車両の側面図である。また、図１８は、実施例５において地点Ｙ１、Ｙ２に設置する平滑な構造体を説明するための図であり、図１９は、曲線走行時における車両の状態を説明するための図である。

図１７に例示したように、列車を組成している車両４０の床下には、様々な機器（台車４１ａ、４１ｂ、機器箱４２、配管４３等）が搭載されており、機器箱の形状が均一ではないことや、床下フサギ板を配置していない、または床下フサギ板を配置しても、床下フサギ板が平滑構造ではない車両が多く存在する。そのため、図１８に示すように散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に対してのみ平滑板３３を配置して２次反射角度の影響を防止し、それ以外の車両床下には艤装上の制約を課さない構造でよい。具体的には、散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２へ列車の進行方向（Ｘ方向）と枕木方向（Ｚ方向）に対して水平な平滑板３３を配置し、平滑板３３で反射した後の反射波は、送受信器１２ａ、１２ｂから被照射面のレール及び軌道面に向けて照射される電磁波と近似する角度でＺ１、Ｚ２に到達するため、上述した式２における２次反射角度σの変化は車体艤装に起因した２次反射角度の変化σのみとなり、式１と式２との差異を最小限に低減することから、計測誤差を抑制することができるものである。なお、平滑板３３は、例えば板状の部材であるが、平滑な構造体であればその材質や大きさ等を限定されるものではない。但し、平滑板３３は、車両床下に設置された際に、少なくともレール７側（すなわち、照射波および反射波が当たる側）において平面形状を形成する構造体であることを条件とする。

送受信器１２（１２ａ、１２ｂ）は、アンテナの外に配置される集束レンズがあり、照射波は或る角度を有した列車の進行方向（Ｘ方向）に長い楕円の円錐状になる。また、送受信器１２のアンテナから照射する電磁波の電波強度は、照射波の照射軸が最大であり、照射軸から離れた位置ほど電波強度が小さくなる。したがって、照射軸から離れた電波強度が最も小さい最外周へ近づくにつれて、電磁波の照射面積に対する電波強度の比率が非常に小さく、２次反射角度σの変化に対して計測速度に与える影響は僅かであると言えるため、計測速度に影響を与える２次反射角度防止の平滑板３３は、照射軸中心近辺の電波強度が大きい領域のみを対象とすれば良いと言える。

但し、図１９のように列車内の車両４０は、曲線を走行時に走行速度や、意図的に車体のロール角度を変化させて制御する車体傾斜装置（不図示）により、カント角度δ１と車体のロール角度δ２とが異なるため、被照射面のレール７と軌道面を含むＸ１、Ｘ２は、カント角度δ１と車体のロール角度δ２とが同一である場合と比較して、床下フサギ板に反射する電磁波の位置は変化する。つまり、カント角度δ１と車体ロール角度δ２との間に角度差δ３が生じても、電波強度の大きい領域が平滑板３３に反射すればよく、実際の計測結果によれば、カント角度δ１と車体ロール角度δ２との角度差δ３は、「−２°≦δ３≦２°」の範囲を対象とすればよい。ここで、例えばカント角度δ１と車体ロール角度δ２との角度差が２°である場合、電波強度５０％の大きい領域は、枕木方向（Ｚ方向）に対して３１ｍｍ変位するため、平滑板３３の大きさは、カント角度δ１と車体ロール角度δ２とが同一である場合の電磁波照射位置よりも枕木方向（Ｚ方向）に対して３１ｍｍ広げた面積を確保すればよく、筐体１１を挟んで、列車の進行方向（Ｘ方向）に左右１カ所ずつの平滑板３３を配置することで、曲線通過時においても２次反射角度の影響を防止できる。

なお、平滑板３３は、筐体１１を挟んで、２つのミリ波センサ（送受信器１２ａ、１２ｂ）の２次反射角度変化を防止するよう、列車の進行方向（Ｘ方向）に左右１カ所ずつ配置すれば良く、車両に搭載されている台車４１ａと台車４１ｂ（図１７参照）との間へ、列車を組成している車両４０を跨いで一方の車両４０へ筐体１１を配置し、筐体１１を挟んで、列車の進行方向（Ｘ方向）にそれぞれの車両４０へ平滑板３３を配置する方法でも良い。これにより、筐体１１と平滑板３３の設置に対する艤装上の制約を最小限に抑え、さまざまな車両床下形状の車両４０へ対応が可能となる。

本発明の第６の実施例（実施例６）について説明する。実施例６では、速度計測装置１の配置場所に関して実施例５と相違する。なお、上述した他の実施例と共通する部分については説明を省略する。

図２０〜図２２は、実施例６における速度計測装置の配置を説明するための図である。図２０に示したように、実施例６では、速度計測装置１が機器箱４２内に収納される。図２０では、速度計測装置１（２つのミリ波センサ）から照射されて散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２を、速度計測装置１が搭載される機器箱４２の底部とする。

なお、本実施例で速度計測装置１を収納する機器箱４２は、ＡＴＣ装置や主回路装置やブレーキ装置等のように速度計測装置の列車速度を制御するために使用する機器以外に、速度計測装置１の列車速度を、制御に使用する機器へ伝送する車両情報制御装置や配電盤などが搭載されていればよい。これにより、速度計測装置１は、使用または伝送する機器と同一の機器箱に収容されることとなるため、ノイズの影響を受けにくく、伝送距離も短くなることから、伝送不良に起因した計測速度の途絶が防止できる。

また、本実施例によれば、カント角度δ１と車体ロール角度δ２が発生し、電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２が枕木方向（Ｚ方向）に変位した場合でも、比較的大きい機器箱底部の平滑面によって、散乱した一部の電磁波が到達するＹ１、Ｙ２の面を網羅的にカバーできるため、２次反射角度σの変化を最小限に抑制できる。また、底部の平滑な機器箱４２を活用することで、２次反射角度σにおける平滑板３３（実施例５参照）の設置を不要とすることができるため、艤装の制約を最小限とすること以外に速度計測装置１の取付け及び平滑板３３の取付けに対するコストを最小に抑えることもできる。

なお、図２０では１つの速度計測装置１を１つの機器箱４２へ搭載する方法を記載したが、本実施例において速度計測装置１の配置に機器箱４２を活用する方法はこれに限定されるものではない。以下に変形例を説明する。

図２１は、実施例６における速度計測装置の配置の第１の変形例を説明する図である。図２１には、第１の変形例で配置された速度計測装置１（１ａ、１ｂ）とレール７との関係が示されており、図２１（Ａ）は列車の進行方向から見たイメージ、図２１（Ｂ）はレール７の上方から見たイメージとなっている。

図２１に示したように、第１の変形例では、２つの速度計測装置１ａ、１ｂ（筐体１１ａ、１１ｂと読み替えてもよい）を、それぞれ別の機器箱４２ａ、４２ｂに収納する。このように配置した場合、艤装に制約が厳しい車両床下であっても、機器箱４２ａ、４２ｂに分散して搭載することで、直線及び曲線走行にも対応した速度計測が可能となる。

図２２は、実施例６における速度計測装置の配置の第２の変形例を説明する図である。図２２には、第２の変形例で配置された速度計測装置１（１ｃ）とレール７との関係が示されており、図２２（Ａ）は列車の進行方向から見たイメージ、図２２（Ｂ）はレール７の上方から見たイメージとなっている。なお、図２２に示した速度計測装置１ｃは、筐体１１のなかに、送受信器１２ａ、１２ｂが２組搭載されている点で、これまでの速度計測装置１ｃの構成と相違する。

図２２に示したように、第２の変形例では、機器箱４２ｃが枕木方向（Ｚ方向）にレールを跨ぎ、枕木方向（Ｚ方向）に送受信器１２ａ、１２ｂを２組並べた筐体１１が機器箱４２ｃに収納できる場合の収納例である。このように配置した場合、１つの筐体１１によって直線及び曲線走行にも対応した速度計測を行うことが可能となる。

なお、本実施例では他にも例えば、平滑板３３の代わりに機器箱４２底部を活用する等としてもよい。

本発明の第７の実施例（実施例７）について説明する。実施例７では、速度計測装置１から散乱した少なくとも一部の電磁波を吸収する電波吸収材３４が配置される点で上述した実施例と相違する。なお、他の実施例と共通する部分については説明を省略する。

図２３は、実施例７における速度計測装置の周辺配置を説明するための図である。図２３に示したように、実施例７では、速度計測装置１（２つのミリ波センサ）から照射されて散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に、電波吸収材３４が配置される。このように配置された電波吸収材３４は、反射波がその後に到達するＺ１、Ｚ２への照射を防止する。

ミリ波センサから照射された電磁波による２次反射波の影響は、一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２で２次反射角度σが変化することから生じるため、本実施例のように変化する２次反射角度σそのものを除去する役割を有した電波吸収材３４を配置することで、送受信器１２ａ、１２ｂは、送受信器１２ａ、１２ｂから被照射面のレール及び軌道面に向けて照射された反射波のみを取得し、計測速度の精度を向上することができる。なお、電波吸収材３４は、一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に配置できれば、車両４０に設置されている床下フサギ板３１や機器箱４２の底部または側面に取り付ける方法でもよく、取付ける母材の形状は問わない。また、電波吸収材３４は、照射軸中心付近の電力５０％領域に対して網羅すればよいが、曲線のカント角度δ１と車体ロール角度δ２との角度差δ３に対する電波強度の大きい変位量は網羅する配置とすることが好ましい。

本発明の第８の実施例（実施例８）について説明する。実施例８では、速度計測装置１から散乱した一部の電磁波を透過する電波透過材３５が配置される点で上述した実施例と相違する。なお、他の実施例と共通する部分については説明を省略する。

図２４は、実施例８における速度計測装置の周辺配置を説明するための図である。図２４に示したように、実施例８では、速度計測装置１（２つのミリ波センサ）から照射されて散乱した一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に、電波透過材３５が配置される。このように配置された電波透過材３５は、実施例７の電波吸収材３４と同様に反射波がその後に到達するＺ１、Ｚ２への照射を防止する。

ミリ波センサから照射された電磁波による２次反射波の影響は、一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２で２次反射角度σが変化することから生じるため、本実施例のように変化する２次反射角度σそのものを除去する役割を有した電波透過材３５を配置することで、送受信器１２ａ、１２ｂは、送受信器１２ａ、１２ｂから被照射面のレール及び軌道面に向けて照射される電磁波のみを取得し、計測速度の精度を向上することができる。但し、電波透過材３５を通過した電磁波が車体床下で乱反射し、再度電波透過材３５を通過した電磁波を送受信器１２、１２ｂが取得しないように、電波透過材３５は電磁波を減衰できる材料に限定される。

ここで、電波透過材３５による電磁波の減衰について説明する。最初に電波透過材３５に照射する電磁波をＥ１とし、電波透過材３５を１回透過した後の電磁波をＥ２とする。さらに、電磁波Ｅ１が電波透過材３５を透過した後に反射波が再び電波透過材３５を通過した後の電磁波をＥ３とする。このとき、電磁波Ｅ３、Ｅ２と電波の透過率ηとの関係は、以下の式３、式４で表される。

上記の式３、式４によれば、電波透過材３５が有する透過率の２乗だけ、透過する電磁波は減衰することになる。つまり、再透過後の電磁波Ｅ３が、照射軸から外れた電力１００％に相当するまで低減する材料の選定を行えばよいと言える。

なお、電波透過材３５は、一部の電磁波が到達する地点Ｙ１、Ｙ２に配置できれば、車両４０に設置されている床下フサギ板３１や機器箱４２の底部または側面に取り付ける方法でもよい。さらに言えば、電波透過材３５は、乱反射による再透過後の電磁波Ｅ３の影響を防止するため、一定の減衰が必要となることから、比較的小さい２次反射波が発生する。したがって、取付ける母材の形状は列車の進行方向（Ｘ方向）と枕木方向（Ｚ方向）に対して、水平であることが望ましい。また、電波透過材３５は、照射軸中心付近の電波強度の大きい領域に対して網羅すればよいが、曲線のカント角度δ１と車体ロール角度δ２との角度差δ３に対する電波強度の大きい領域の変位量は網羅する配置とすることが好ましい。

以上、本発明について複数の実施例を挙げて具体的に詳細な説明を行った。しかし、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で自由に変更することができる。またそれぞれの実施例は互いに独立して実施してもよいし、それぞれを一つの列車に併用することも可能である。また速度計測装置１が利用する電磁波は、いわゆるミリ波を採用した例を挙げたが、これに限られず他の周波数帯域を利用してもよい。

また、上述した各実施例で用いた速度計測装置１と合わせて、速度発電機やパルスジェネレータを利用した速度計測機構を利用することも可能である。例えば速度発電機やパルスジェネレータの出力をＡＴＣ装置２に入力して制限速度等の演算を実行し、速度計測装置１によって取得される速度信号をＡＴＣ装置２とは別に設けられた車上モニタリング装置等に入力して速度発電機やパルスジェネレータの故障検知に利用する等してもよい。

また、上述した各実施例においては、電磁波の照射先としてレール頭頂内端部７ｄやレール底部７ｂを選択したが、場合によっては、鏡面化していないレールのその他の部分や、レール脇の地面に向かって照射するように構成してもよい。

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等の記憶媒体に置くことができる。

また、図面において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ） 速度計測装置
２ ＡＴＣ装置
３ ブレーキ制御装置
４ 受電器
５ 車上子
６ 地上子
７ レール
７ａ レール頭頂部
７ｂ レール底部
７ｃ レール頭頂中央部
７ｄ レール頭頂内端部
７ｅ レール頭頂外端部
８ 車輪
１０（１０ａ〜１０ｆ） 照射軸
１１（１１ａ、１１ｂ） 筐体
１２（１２ａ、１２ｂ） 送受信器
１３ 筐体基部
１４ 窓部
１４ａ 樹脂製窓部
１５ レンズ部材
１６ 台座部
２１ 列車速度算出部
２２ ＡＴＣ照査速度算出部
２３ 照査部
２４ 車上データベース
３１ 床下フサギ板
３２ 吊枠
３３ 平滑板
３４ 電波吸収材
３５ 電波透過材
４０ 車両
４１（４１ａ、４１ｂ） 台車
４２（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ） 機器箱
４３ 配管
４４ 脱線防止装置
１００ 列車制御システム

Claims (15)

1. 列車の走行を制御する列車制御システムであって、
   前記列車が走行する軌道に照射した電磁波の反射波に基づいて前記列車の速度を計測する速度計測装置と、
   前記速度計測装置で計測された前記速度に基づいて、前記列車の走行速度を制御する列車制御装置と、
   を備え、
   前記速度計測装置は、
   前記列車の車両の床下に設置された筐体と、
   前記筐体に収容され、前記電磁波を照射軸の方向に照射する送信機能と前記電磁波の反射波を受信する受信機能とを有する１以上の速度センサと、
   を有し、
   少なくとも１つの前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記軌道を構成するレールの内側端部または外側端部に当たるように前記筐体に固定される
   ことを特徴とする列車制御システム。
2. 前記速度センサは、前記レールの頭頂部における端部の直上に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
3. 前記筐体には少なくとも二基の前記速度センサが収容され、
   前記筐体は、前記二基の速度センサによる前記電磁波の照射方向に形成された開口部を閉止するように設けられた窓部を有し、
   前記窓部が設けられた空間において、前記筐体に収容された前記二基の速度センサのそれぞれの前記照射軸が交差する
   ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
4. 前記二基の速度センサは、前記車両の進行方向について互いに異なる方向に前記電磁波を照射する
   ことを特徴とする請求項３に記載の列車制御システム。
5. 前記車両がカントを持つ区間を走行する際に、少なくとも１つの前記速度センサから照射された前記電磁波が、前記レールの前記内側端部または前記外側端部または底部に到達する
   ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
6. 前記軌道は一対のレールで構成され、前記一対のレールの双方に対応してそれぞれ前記速度計測装置を備え、
   それぞれの前記速度計測装置において、少なくとも１つの前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が対応する前記レールの前記内側端部または前記外側端部に当たるように前記筐体に固定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
7. 前記速度計測装置から前記レールに照射されてその反射角方向に反射した前記電磁波が入射する前記車両の床下位置に、前記レール側に平面を有する平滑板または機器箱、前記入射する前記電磁波の少なくとも一部を吸収する電波吸収材、または前記入射する前記電磁波の一部を透過する電波透過材の少なくとも何れかを設ける
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の列車制御システム。
8. 前記平滑板または機器箱、前記電波吸収材、及び前記電波透過材は、前記車両の走行時のカント角度と車体ロール角度との角度差が最大になった場合でも前記電磁波の反射軸中心が入射する位置に配置される
   ことを特徴とする請求項７に記載の列車制御システム。
9. 前記速度計測装置から照射される前記電磁波の照射方向と前記車両の床面とがなす角度を２０度以上４０度以下の範囲とする
   ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の列車制御システム。
10. 前記速度計測装置は、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が、前記レールの近傍に設置された脱線防止装置又は逸脱防止装置の内側端部もしくは外側端部、またはその両方に当たるように前記筐体に固定される
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の列車制御システム。
11. 前記軌道は一対のレールで構成され、前記一対のレールのうちの片方を対象レールとする第一及び第二の前記速度計測装置を備え、
    前記列車の車両の床下において、前記第一の速度計測装置は前記第二の速度計測装置よりも内側に設置され、
    前記第一の速度計測装置が有する前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記対象レールの内側端部に当たるように固定され、
    前記第二の速度計測装置が有する前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記対象レールの外側端部に当たるように固定される
    ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
12. 前記車両がカントを持つ区間を走行する際に、前記第一または前記第二の速度計測装置の少なくとも一方において、前記速度センサから照射された前記電磁波が、前記対象レールの頭頂部の外側または前記対象レールの外側の底部に到達する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の列車制御システム。
13. 前記軌道は一対のレールで構成され、前記一対のレールのうちの片方を対象レールとする第三及び第四の前記速度計測装置を備え、
    前記列車の車両の床下において、前記第三の速度計測装置は前記第四の速度計測装置よりも内側に設置され、
    前記第三の速度計測装置が有する前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記対象レールの外側端部に当たるように固定され、
    前記第四の速度計測装置が有する前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記対象レールの内側端部に当たるように固定される
    ことを特徴とする請求項１に記載の列車制御システム。
14. 前記車両がカントを持つ区間を走行する際に、前記第三または前記第四の速度計測装置の少なくとも一方において、前記速度センサから照射された前記電磁波が、前記対象レールの端部または底部に到達する
    ことを特徴とする請求項１３に記載の列車制御システム。
15. 列車の走行を制御する列車制御システムによる列車制御方法であって、
    前記列車制御システムは、
    前記列車が走行する軌道に照射した電磁波の反射波に基づいて前記列車の速度を計測する速度計測装置と、
    前記速度計測装置で計測された前記速度に基づいて、前記列車の走行速度を制御する列車制御装置と、
    を備え、
    前記速度計測装置は、
    前記列車の車両の床下に設置された筐体と、
    前記筐体に収容され、前記電磁波を照射軸の方向に照射する送信機能と前記電磁波の反射波を受信する受信機能とを有する１以上の速度センサと、
    を有し、
    少なくとも１つの前記速度センサは、前記車両が直線区間を走行する際に前記照射軸が前記軌道を構成するレールの内側端部または外側端部に当たるように前記筐体に固定される
    ことを特徴とする列車制御方法。
    

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