JP2023159596A - 電力線搬送通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】コスト削減と可用性の維持とを両立できる電力線搬送通信システムを提供する。【解決手段】電力線搬送通信システムは、互いに排他な第１～第３電源と、第１～第３電力線と、制御器と、第１および第２伝送装置を具備する。制御器は、灯火と、第１～第３電力線とに接続される。第１、第２伝送装置は、第１、第２電力線に接続され電文を生成する。制御器の各々は、通信部、電源部、制御部を具備する。通信部は、第１電力線を介して第１伝送装置と通信し、第２電力線を介して第２伝送装置と通信する。電源部は、第１電力線、第２電力線、および第３電力線のいずれか２つの電力線から給電される電力から駆動電力を発生する。制御部は、駆動電力を与えられ、第１電力線、または第２電力線を介して取得した電文に基づいて灯火を制御する制御部とを備える。【選択図】 図１

Description

この発明の実施形態は、電力線搬送通信システムに関する。

灯火制御システムは、空港を離発着する航空機の安全な運航に欠かせない。空港フィールドには、誘導灯や制御灯などの多岐にわたる灯火が、滑走路や誘導路などに多数、設置される。また、各種誘導灯の断芯などの故障状態を監視・点灯制御するシステムも敷設されている。

多くのシステムで、灯火に電力を供給する電力線が、灯火を監視制御するための通信媒体を兼ねている。この種のシステムは、電力線搬送通信システムとして知られている。電力線搬送通信システムは、灯火を点灯／消灯して航空機の地表誘導を行う停止線灯システム（ＳＴＢＬ）、または滑走路状態表示灯火システム（ＲＷＳＬ）、あるいは、灯火の断芯を検出したりする用途などに幅広く利用されている。

特開２０２０－９８７２８号公報 特開２０２１－１４０８９５号公報 特開２０００－１２８０９１号公報 特開２０２１－２２４４４号公報 特開平７－２３５９３８号公報 特開昭５７－７９４６７号公報 特開２０１０－１０３０２３号公報

"空港灯火システムの現状と動向"，[online]，［令和3年11月22日検索］,インターネット，<URL:https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieiej/37/2/37_79/_pdf/-char/en>

滑走路や誘導路に設置される灯器を点灯させるため、空港には広大な面積に亘って大量のケーブルが敷設されている。このため、ケーブル自体のコストはもとより、土木工事費用、配管工事費用、ケーブル敷設工事費用などの工事コストの増大にもつながる。工事期間が長くなればコストはますます増大する。さらに、断芯検出システムのためのケーブルも敷設せねばならず、より一層、コストがかかる。

その一方で、航空機の安全な運航のためには、システムの可用性を高いレベルで担保できるようにすることが望まれる。例えば、監視システムを制御する機器のいずれかが故障しても運用を継続できるようにするためには、機器や通信経路を冗長化することが好ましい。しかし、これはインフラコストの増大をもたらす。

このように、空港の電力線搬送通信システムにおいては、設備にかかるコストを削減する一方で、可用性を高いレベルで維持することも求められている。このような相反する要求を満たすことの可能な技術が要望されている。
そこで、目的は、コスト削減と可用性の維持とを両立でき、航空機の安全な運航に資する電力線搬送通信システムを提供することにある。

実施形態によれば、電力線搬送通信システムは、互いに排他な第１電源、第２電源、および第３電源と、第１電源の電力を給電する第１電力線と、第２電源の電力を給電する第２電力線と、第３電源の電力を給電する第３電力線と、複数の制御器と、第１伝送装置および第２伝送装置を具備する。制御器は、灯火と、第１電力線、第２電力線、および第３電力線とに接続される。第１伝送装置は、第１電力線に接続され灯火を制御する電文を生成する。第２伝送装置は、第２電力線に接続され電文を生成する。制御器の各々は、通信部、電源部、制御部を具備する。通信部は、第１電力線を介して第１伝送装置と通信し、第２電力線を介して第２伝送装置と通信する。電源部は、第１電力線、第２電力線、および第３電力線のいずれか２つの電力線から給電される電力から駆動電力を発生する。制御部は、駆動電力を与えられ、第１電力線、または第２電力線を介して取得した電文に基づいて灯火を制御する制御部とを備える。

図１は、実施形態に係わる電力線搬送通信システムの一例を示す図である。 図２は、伝送装置１０３，１０９、制御器１０４、センサ１０６の接続の一例を示す図である。 図３は、伝送装置１０３の一例を示す機能ブロック図である。 図４は、伝送装置と制御器との間の論理的なネットワークトポロジーの一例を示す図である。 図５は、制御器１０４の一例を示す機能ブロック図である。 図６は、制御器１０４の他の例を示す機能ブロック図である。 図７は、伝送装置と制御器との間の論理的なネットワークトポロジーの他の例を示す図である。 図８は、ネットワークトポロジーと伝送遅延との関係を説明するための図である。 図９は、ネットワークトポロジーと伝送遅延との関係を説明するための図である。 図１０は、優先度制御について説明するための図である。

図１は、実施形態に係わる電力線搬送通信システムの一例を示す図である。図１のシステムは、運用卓１００、コントローラ１０１、データ処理装置１０２、伝送装置１０３，１０９、制御器１０４、灯火１０５、各種のセンサ１０６、電源１０７、伝送路１０８、および、電力線１１０を備える。このうち運用卓１００、コントローラ１０１、データ処理装置１０２は管制塔などの中央設備に置かれ、伝送装置１０３，１０９、制御器１０４、灯火１０５、各種のセンサ１０６、電源１０７は、遠方の滑走路や誘導路等のフィールドに配置される。

運用卓１００は、灯火１０５の監視、制御に関する情報（制御指令、ステイタス、または異常情報など）を表示する。これらの情報はコントローラ１０１に集約され、処理されて、整理された情報がデータ処理装置１０２に渡される。データ処理装置１０２は、伝送路１０８を介してフィールドの伝送装置１０３，１０９に各種の電文を送信する。

ここで、伝送装置１０３，１０９、制御器１０４、センサ１０６、電力線１１０、および電源１０７は、それぞれ二重化され、冗長構成をとっている。伝送装置１０３，１０９、制御器１０４、灯火１０５、およびセンサ１０６は、電源１０７から電力線１１０を介して電力の供給を受ける。伝送装置１０３，１０９は、電力線１１０を介して、電力線搬送通信により、配下の制御器１０４に電文を伝送する。制御器１０４は、伝送装置１０３から送信された電文を下りリンクで受信して、灯火１０５の点灯／消灯／点滅を制御する。また、制御器１０４は、センサ１０６で取得されたデータを上りリンクで伝送装置１０３に送信する。

実施形態では、電源１０７として三相交流電源を想定する。三相交流の各相をそれぞれＡ相、Ｂ相、Ｃ相とし、各相での給電系統をそれぞれ電源Ａ系、Ｂ系、Ｃ系とする。各系の交流電源は、二重化された伝送装置１０３，１０９に、排他接続になるように供給される。つまり第１電源としての電源Ａ系、第２電源としての電源Ｂ系、第３電源としての電源Ｃ系は、互いに排他に設けられる。伝送装置１０３，１０９の配下の制御器１０４に、互いに異なる系の電力線を接続することで電源系統を二重化し、また、電力線通信も実施することができる。

制御器１０４は、上位の伝送装置（１０３または１０９）とは別の電源から電力を供給される。灯火１０５は、同一の系の電源から給電されるものが隣接しないように、互い違いに配列される。つまり、灯火ライン上に千鳥配置された灯火１０５は、互いに異なる給電系から電力の供給を受ける。このように、灯火１０５は、同じ灯火ライン上で互い違いに千鳥配置され、異なる電源系を利用することで二重化されている。

図２は、フィールド側における伝送装置１０３，１０９、制御器１０４、センサ１０６の接続の一例を示す図である。図２において、伝送装置１０３は伝送装置１－１，１－２を備え、１系として機能する。同様に、伝送装置１０９は伝送装置２－１，２－２を備え、２系として機能する。

１系において、伝送装置１－１は電源Ａ系に接続され、伝送装置１－２は電源Ｂ系に接続される。１系の配下の制御器１－１，１－２，…，１－ｎは、電源Ａ系、Ｂ系、およびＣ系に接続される。同様に、２系において、伝送装置２－１は電源Ａ系に接続され、伝送装置２－２は電源Ｂ系に接続される。２系の配下の制御器２－１，２－２，…，２－ｎは、電源Ａ系、Ｂ系、およびＣ系に接続される。

電力線１１０は、電源Ａ系の電力を給電する第１電力線と、電源Ｂ系の電力を給電する第２電力線と、電源Ｃ系の電力を給電する第３電力線とを含む。ここで、伝送装置１－１，伝送装置２－１は、第１電力線に接続され、灯火１０５を制御する電文を生成する。伝送装置１－２，伝送装置２－２は、第２電力線に接続され、灯火１０５を制御する電文を生成する。

例えば、同一タイミングに制御されるＳＴＢＬやＴＣＬＬ等に接続される伝送装置を２系統の回路で構成することにより、一方の系統に異常が生じても継続して運用することができる。制御器１０４は、灯火１０５と、第１電力線、第２電力線、３電力線に接続される。

図２のように、制御器１０４に３系統の電源から給電し、そのうち２系統（例えばＡ系，Ｂ系）を各系の伝送装置に個別に接続することで、電源供給と電力線通信とのいずれも二重化することができる。

図３は、伝送装置１０３の一例を示す機能ブロック図である。伝送装置１０９の構成も同様である。伝送装置１０３は、冗長化された伝送装置１－１，１－２を含み、各伝送装置１－１，１－２は、電源部２００、上位伝送部２０１、処理部２０２、および下位伝送部２０３を備える。

伝送装置１－１において、電源部２００は電源Ａ系に接続され、電源部２００はＡ相の電力を上位伝送部２０１、処理部２０２、下位伝送部２０３に供給する。上位伝送部２０１は、伝送路１０８の伝送Ａ系を介して、データ処理装置１０２（図１）と電力線通信する。処理部２０２は、灯火１０５の制御、及びセンサ１０６からの監視データを処理する。下位伝送部２０３は、下位の制御器１－１，１－２，…，１－ｎと電源Ａ系を介して電力線通信する。

伝送装置１－２において、電源部２００は電源Ｂ系に接続され、電源部２００はＢ相の電力を上位伝送部２０１、処理部２０２、下位伝送部２０３に供給する。上位伝送部２０１は、伝送路１０８の伝送Ｂ系を介して、データ処理装置１０２と電力線通信する。処理部２０２は、灯火１０５の制御、及びセンサ１０６からの監視データを処理する。下位伝送部２０３は、制御器１－１，１－２，…，１－ｎと電源Ｂ系を介して電力線通信する。
ところで、下位伝送部２０３は、伝送装置とその配下の制御器との間に、マルチホップ型のネットワークトポロジーを形成する。

図４は、伝送装置と制御器との間の論理的なネットワークトポロジーの一例を示す図である。（ａ）～（ｄ）に示されるように、例えば、制御器１０４の配置や伝送路１０８の分岐、伝送距離などに応じて、下位伝送部２０３は、伝送装置と制御器との間に異なるネットワークトポロジーを形成する。マルチホップにより、伝送距離を伸長するケースにおいても、伝送装置から各制御器への情報の確達性を向上することができる。

図５は、制御器１０４の一例を示す機能ブロック図である。制御器１０４は、電源部３００、下位伝送部３０１、処理部３０２、および制御部３０３を備える。電源部３００は、電源Ａ系、電源Ｂ系、および電源Ｃ系に接続され、何れかの系統からの電力を、下位伝送部３０１、処理部３０２、制御部３０３に駆動電力として供給する。すなわち電源部３００は、第１電力線、第２電力線、および第３電力線のいずれか２つの電力線から給電される電力から駆動電力を発生する。

つまり制御器１０４は、複数系統の電源から給電を受けることができる。下位伝送部３０１は電源Ａ系、電源Ｂ系に接続され、各系を用いた電力線通信を行うことができる。すなわち下位伝送部は、３０１第１電力線を介して第１伝送装置（伝送装置１－１，２－１）と通信し、第２電力線を介して第２伝送装置（伝送装置１－２，２－２）と通信する。Ｃ系統の電源は、回路が異なっても回路間で共通利用できるように、Ａ系およびＢ系と、電源部３００において内部的に論理和接続されている。

処理部３０２は、上位の伝送装置から電力線通信で取得した電文から制御情報を抽出する。制御部３０３は灯火１０５に接続され、抽出された制御情報に基づいて灯火１０５を制御するとともに、灯火１０５の異常の有無を、下位伝送部３０１を介して伝送装置に応答する。すなわち制御部３０３は、電源部３００から与えられた駆動電力と、第１電力線、または第２電力線を介して取得した電文に基づいて、灯火１０５を制御する。

図５において、二重化構成としては電源Ａ系と電源Ｂ系で足りる。しかし、Ａ系，Ｂ系のいずれかの電源が実際に停止すると、残存系だけで、消費電力の大きい灯火１０５の全てに給電しなくてはならなくなる。これに備えて、平常時運用の倍以上の容量を持つ電力源を確保する必要があることから、設備コストへの影響が懸念される。

そこで実施形態では、三相交流の第３の系である電源Ｃ系を制御器１０４の電源部３００に接続し、電源Ｃ系により負荷分散を行う。つまり電源Ａ系，電源Ｂ系のいずれかが停止した場合、電源Ｃ系から電力の供給を受けられるようにすることで、異常時においても電力容量を平準化することができる。従って、予備として設けられる電力源の容量を必要最小限にできるので、設備コストへのインパクトを最小にすることができる。

図６は、制御器１０４の他の例を示す機能ブロック図である。図６に示される制御器１０４は、図５の構成に加えて、下位伝送部３０１を第３電力線の電源Ｃ系に接続するブリッジ３０６を備える。電源Ｃ系は、伝送装置１０３との相互接続がないので、ブリッジ３０６により例えばＡ系統からＣ系統、Ｂ系統からＣ系統に切り替えることで、電源Ｃ系を介して電文を伝送することが可能になる。

図７は、伝送装置と制御器との間の論理的なネットワークトポロジーの他の例を示す図である。図７に示すように、異なる電源系統で異なるネットワークトポロジーを形成し、通信環境に依存する通信経路に関して、効率の良い伝送路を選択することが可能となる。例えば、通信経路のホップ数を削減して、電文の確達生と速達性を向上させることもできる。図７において、Ｂ系の制御器１－１がＣ系にブリッジ接続されることが示される。なお、ブリッジ機能は下位伝送部２０３に含まれても良い。

ところで、実施形態における電文の伝送ルートは、冗長化された伝送装置（１０３，１０９）をルートとする任意のネットワークトポロジーのもとでの、マルチホップとなる。このためホップ数が多くなるにつれて伝送装置から電文が到達するまでの時間が長くなることが予期される。

図８、図９は、ネットワークトポロジーと伝送遅延との関係を説明するための図である。図８に示されるように、ホップ数がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと多くなるに伴い、伝送装置から発出された電文が制御器に達するまでの到達時間は長くなる。このことは、点灯／消灯あるいは点滅のタイミングをシビアに同期させることを求められる灯火制御にあっては好ましくない。つまり灯火制御では、１つの制御で複数の回路を同一タイミングで制御することを求められるので、回路毎の伝送装置と制御器との間でデータの送受信を行う際に、各制御器に制御情報が異なる時間で到達することが問題になる。

制御情報は、例えば灯火のＯＮ／ＯＦＦのタイミングに影響することから、航空機のパイロットから視認できる程度に点消灯のバラつきが拡大する可能性があり、対処を要する。そこで実施形態では、伝送装置１０３，１０９において、制御器までのホップ数と各制御器１０４との応答時間（伝送遅延）を予め求め、ホップ数と時間差との関係をメモリしておく。そして、制御コマンド内、または制御器１０４のパラメータに時間差を含め、ホップ数からみて最も遠い位置の制御器（図８では４段目）までの到達時間に合わせて他の制御器の制御タイミングを遅延させる。

すなわち、１段目から３段目までの制御器は、カウンタやタイマ等で、制御コマンド（電文）の到達時からΔｔＡ～ΔｔＣの時間差で制御タイミングを遅延させる。ここで、ΔｔＡ＝Ｄ－Ａ、ΔｔＢ＝Ｄ－Ｂ、ΔｔＣ＝Ｄ－Ｃである（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは格段までの電文の到達時間）。このようにすることで、１段目～４段目までの制御器における制御のタイミングを同期させることが可能となる。これにより、航空機のパイロットから見た灯火の点消灯のバラつきを抑制することができる。

なお残像現象により、バラつきは、短く抑えられていれば視認できない。このため一定時間以内の時間差は無視することができる。例えば、図９に示されるように、例えばΔｔＡ～ΔｔＣまでの時間差（伝送遅延）が閾値（例えば数ｍｓ）以内であれば、この時間差を無視してよい。よって、カウンタやタイマー等の遅延手段によらず、制御コマンドが到達した時点で灯火を制御しても良い。つまり、伝送遅延既定の閾値一を超える場合に、制御タイミングを遅延させればよい。

また、図９に示されるように、時間差（伝送遅延）を基準として制御器を幾つかのグループに分け、グループごとに制御遅延時間を設定してもよい。このようにすれば、制御コマンドや制御器１０４に複雑なパラメータを付与することを回避でき、単純な処理で灯火の同期制御を実現することが可能となる。

図１０は、優先度制御について説明するための図である。制御器１０４にブリッジ３０６（図６）を設けることで、系統の異なる電源を用いて、電力線搬送通信の伝送路に上りリンクと下りリンクとを設定することができる。
また、各リンクに優先度を設定することができる。例えば、制御器から伝送装置へと向かう上りリンクの通信トラフィックに、逆方向の下りリンクの通信トラフィックよりも高い優先度を与えることができる。このような設定により、例えば、制御に必要なセンサデータ等の、もとになる情報を上りリンクで優先的に上位装置へ集約することができる。
さらに、制御器の点消灯結果や異常等の応答情報も、下りと上りで全二重に近い伝送方法が可能であり、応答時間を保証することも可能である。

以上述べたように、実施形態によれば、コスト削減と可用性の維持とを両立でき、航空機の安全な運航に資する電力線搬送通信システムを提供することが可能になる。ひいては、空港フィールド内の複数の異なる電源ラインを用いて、監視・制御で異なる要求性能を両立し、ケーブル施設コストを抑制した電力線搬送通信システムを提供することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１００…運用卓、１０１…コントローラ、１０２…データ処理装置、１０３…伝送装置、１０４…制御器、１０５…灯火、１０６…センサ、１０７…電源、１０８…伝送路、１０９…伝送装置、１１０…電力線、２００…電源部、２０１…上位伝送部、２０２…処理部、２０３…下位伝送部、３００…電源部、３０１…下位伝送部、３０２…処理部、３０３…制御部、３０６…ブリッジ。

Claims (6)

1. 互いに排他な第１電源、第２電源、および第３電源と、
   前記第１電源の電力を給電する第１電力線と、前記第２電源の電力を給電する第２電力線と、前記第３電源の電力を給電する第３電力線と、
   灯火と、前記第１電力線、前記第２電力線、および前記第３電力線とに接続される複数の制御器と、
   前記第１電力線に接続され前記灯火を制御する電文を生成する第１伝送装置と、
   前記第２電力線に接続され前記電文を生成する第２伝送装置とを具備し、
   前記制御器の各々は、
   前記第１電力線を介して前記第１伝送装置と通信し、前記第２電力線を介して前記第２伝送装置と通信する通信部と、
   前記第１電力線、前記第２電力線、および前記第３電力線のいずれか２つの電力線から給電される電力から駆動電力を発生する電源部と、
   前記駆動電力を与えられ、前記第１電力線、または前記第２電力線を介して取得した電文に基づいて前記灯火を制御する制御部とを備える、電力線搬送通信システム。
2. 前記制御器の各々は、前記通信部を前記第３電力線にブリッジ接続するブリッジをさらに備え、
   前記制御部は、前記第１伝送装置をルートとする第１ネットワークトポロジーの第１ネットワークと、前記第２伝送装置をルートとする第２ネットワークトポロジーの第２ネットワークとを形成する、請求項１に記載の電力線搬送通信システム。
3. 前記制御器の各々は、前記第１ネットワークトポロジーのもとでの前記ルートからの伝送遅延と、前記第２ネットワークトポロジーのもとでの前記ルートからの伝送遅延に基づいて、制御タイミングを遅延させて前記灯火の制御を同期させる、請求項２に記載の電力線搬送通信システム。
4. 前記制御器の各々は、前記伝送遅延が既定の閾値を超える場合に、前記制御タイミングを遅延させて前記灯火の制御を同期させる、請求項３に記載の電力線搬送通信システム。
5. 前記制御器の各々は、前記伝送遅延を基準とする複数のグループごとに一定の遅延量で前記制御タイミングを遅延させる、請求項３に記載の電力線搬送通信システム。
6. 前記通信部は、前記第１電力線を介する通信のトラフィックと、前記第２電力線を介する通信のトラフィックとに異なる優先度を設定する、請求項１に記載の電力線搬送通信システム。