JP2024000901A - 速度算出装置、速度算出方法および移動体制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の構成を具備しない場合に比較して、より正確に移動体の速度を計測することができる速度算出装置および速度算出方法を提供する。【解決手段】トロリ線１０３やちょう架線１０４等の対象物との距離を計測し、レール１０２上を移動する車両１０１に設置されるセンシング部１０８の計測結果により、センシング部１０８と第１の距離離れた箇所での、レール１０２を基準とした対象物の位置である第１の位置と、センシング部１０８と第２の距離離れた箇所での、レール１０２を基準とした対象物の位置である第２の位置と、を求める架線位置算出部１１１と、第１の距離と第２の距離との差分、および第１の位置と第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、車両１０１の速度を算出する推定速度決定部１１４と、を備える速度算出装置。【選択図】図１

Description

本発明は、速度算出装置、速度算出方法、移動体制御システムに関する。特に、鉄道の車両の速度を算出するのに好適に使用できる列度算出装置、速度算出方法、移動体制御システムに関する。

一般的に鉄道の車両などの移動体から対地速度を正確に得ることは難しく、多くは車輪の回転パルスを積算し、積算されたパルスを速度に換算して対地速度を計算している。

特許文献１には、速度を算出するために、車輪を回転させる車軸の回転によって生じる速度パルスから車両の速度を算出する速度算出方法が開示されている。

特開２０１４－２２０８５８号公報

しかし、車輪の回転パルスを使用する場合、空転・滑走などの現象が発生すると、正確な速度が得られない。一方、複数の車輪の回転パルスを利用して空転を補おうとする技術や、速度測定のためだけの自由車輪を利用するなどの方法も考えられるが、コストが多大になるという問題点があった。また、速度を非接触に測定する既存の技術として、レーザ光又はマイクロ波を用いたドップラー速度計や空間フィルタ式速度計が知られている。ただし、これらのドップラー速度計や空間フィルタ式速度計は、レーザ光又はマイクロ波の照射のタイミングによって、移動体とレーザ光を照射する対象との距離が変動する場合には、その距離の変動幅によって正確な速度が算出できないという問題があった。
本発明は、本発明の構成を具備しない場合に比較して、より正確に移動体の速度を計測することができる速度算出装置および速度算出方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため本発明は、対象物との距離を計測し、軌道上を移動する移動体に設置される距離センサの計測結果により、距離センサと第１の距離離れた箇所での、軌道を基準とした対象物の位置である第１の位置と、距離センサと第２の距離離れた箇所での、軌道を基準とした対象物の位置である第２の位置と、を求める位置算出部と、第１の距離と第２の距離との差分、および第１の位置と第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、移動体の速度を算出する速度算出部と、を備える速度算出装置である。

ここで、対象物は、移動体の移動に従い、連続的に位置が偏移するものとすることができる。この場合、距離の計測の測定点を、より多くすることができる。
また、連続的に位置が偏移する対象物は、鉄道の架線とすることができる。この場合、他の地上設備を使用する場合に比較して、環境変化の影響を受けにくい。
さらに、架線は、トロリ線およびちょう架線の少なくとも一方とすることができる。この場合、より連続的に速度を測定でき、車両の速度が変化しても、より正確な速度を算出できる。
さらに、位置算出部は、移動体の移動に応じトロリ線が左右方向に偏移することで変化する、第１の位置および第２の位置を求めるようにすることができる。この場合、トロリ線が左右方向に偏移することを利用して、連続的に車両の速度を測定できる。
またさらに、位置算出部は、列車の移動に応じちょう架線が上下方向に偏移することで変化する、第１の位置および第２の位置を求めるようにすることができる。この場合、ちょう架線が上下方向に偏移することを利用して、連続的に車両の速度を測定できる。
また、軌道は、複数あり、第１の位置および第２の位置を求めるための軌道および架線は、移動体が移動するときに使用するものとは異なるようにすることができる。この場合、架線の検出がより容易になる。

さらに、第１の位置および第２の位置のそれぞれの軌跡を求める軌跡算出部をさらに備え、速度算出部は、軌跡を基に移動体の速度を算出するようにすることができる。この場合、距離の計測誤差を低減することができる。
そして、第１の位置および第２の位置のそれぞれの軌跡のマッチングをとることで、時刻の差分を求める軌跡マッチング部をさらに備えるようにすることができる。この場合、時刻の差分を、より正確に求めることができる。

また、距離センサにより距離が計測される複数の点として、軌道に対応する第１の点群を抽出する軌道認識部をさらに備え、位置算出部は、第１の点群を含む平面である軌道平面を基準として第１の位置および第２の位置を求めるようにすることができる。この場合、第１の位置および第２の位置を、より正確に計測できる。
さらに、距離センサにより距離が計測される複数の点として、第１の位置および第２の位置における対象物に対応する第２の点群を抽出する対象物認識部をさらに備え、位置算出部は、第２の点群を距離別に分類し、軌道平面を基準として座標系変換することで、第１の距離および第２の位置を算出することができる。この場合、第１の位置および第２の位置を、さらに正確に計測できる。
また、距離センサは、移動体の移動方向に対し交差する面として、少なくとも３つの距離にある面上の距離を計測し、軌道認識部は、少なくとも３つの距離の中の一の距離にある面上の計測結果より、第１の点群を抽出し、一の距離以外の他の距離にある面上の計測結果より第２の点群を抽出することができる。この場合、第１の点群および第２の点群を、より抽出しやすくなる。
さらに、複数の点は、移動体の移動方向に対し交差する面上の上下方向の中心線よりも車両の側面側に取り付けられた距離センサから取得されたものとすることができる。この場合、対象物の特徴点の情報を、より多く捉えることができる。

また、本発明は、対象物との距離を計測し、軌道上を移動する移動体に設置される距離センサの計測結果により、距離センサと第１の距離離れた箇所での、軌道を基準とした対象物の位置である第１の位置と、距離センサと第２の距離離れた箇所での、軌道を基準とした対象物の位置である第２の位置と、を求め、第１の距離と第２の距離との差分、および第１の位置と第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、移動体の速度を算出する、速度算出方法である。

さらに、本発明は、軌道上を移動する移動体の速度を算出する速度算出装置と、算出された速度に基づき移動体の移動を制御する制御装置と、備え、速度算出装置は、対象物との距離を計測し、移動体に設置される距離センサの計測結果により、距離センサと第１の距離離れた箇所での、軌道を基準とした対象物の位置である第１の位置と、距離センサと第２の距離離れた箇所での、軌道を基準とした対象物の位置である第２の位置と、を求める位置算出部と、第１の距離と第２の距離との差分、および第１の位置と第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、移動体の速度を算出する速度算出部と、を備える移動体制御システムである。

本発明によれば、本発明の構成を具備しない場合に比較して、より正確に移動体の速度を計測することができる速度算出装置および速度算出方法を提供することができる。

本実施の形態における列車制御システムの全体構成を示す概念図である。 車両を、車両の進行方向に対して直交する面で切断したときの断面図である。 車両速度認識システムの動作を説明したフローチャートである。 （ａ）～（ｂ）は、トロリ線が架設される状態について示した図である。 レール平面およびレール平面を基準とした座標系について説明した図である。 （ａ）～（ｃ）は、図３のステップＳ１０５～ステップＳ１０７についてさらに詳しく説明した図である。 図３のステップＳ１０５～ステップＳ１０７についてさらに詳しく説明した図である。 （ａ）～（ｂ）は、ちょう架線を用いたときの車両の速度を算出する場合について示した図である。 ちょう架線を用いたときの車両の速度を算出する場合について示した図である。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
[第１の実施形態]
まず、第１の実施形態について説明を行う。第１の実施形態では、鉄道の架線のうちトロリ線１０３の左右方向の偏移を利用して、移動体の速度を算出する場合について説明を行う。

＜列車制御システム１の全体構成の説明＞
図１は、本実施の形態における列車制御システム１の全体構成を示す概念図である。
図示する列車制御システム１は、移動体制御システムの一例である。列車制御システム１は、車両速度認識システム１００と、制御部１１５とを備える。
図示する車両速度認識システム１００は、移動体の一例である車両１０１に設置される。車両１０１は、鉄道の車両である。車両１０１は、軌道の一例である左右のレール１０２に沿って設けられている電路設備ＤよりパンタグラフＰｎを介して給電され、図示しない電動モータ等を駆動する。そして、車両１０１は、駆動された電動モータ等の駆動力により、レール１０２の上を移動する。車両速度認識システム１００は、レール１０２上を移動する車両１０１の速度を算出する速度算出装置として機能する。

電路設備Ｄの代表的な構成要素としては、車両１０１とパンタグラフＰｎで接するトロリ線１０３と、トロリ線１０３を吊り支えるちょう架線１０４およびハンガ１０５と、これらを支持する支持具１０６および絶縁具１０７とがある。電路設備Ｄは、これらに加えて、張力調整具、き電分岐装置、絶縁用の碍子など、様々な要素（図示せず）で構成されていることが普通である。以下、特に断らない限り、車両１０１の上方で電路設備Ｄを構成するこれらの構成要素を纏めて「架線」と称する。

車両速度認識システム１００は、センシング部１０８と、架線認識部１０９と、レール面認識部１１０と、架線位置算出部１１１と、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎと、架線軌跡マッチング部１１３と、推定速度決定部１１４とを備える。

センシング部１０８は、距離を計測する距離センサであり、例えば、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）である。ＬＩＤＡＲは、架線およびレール１０２をスキャンして３次元形状を計測する。そして、センシング部１０８は、その３次元形状のデータ（計測データ）を、架線認識部１０９、レール面認識部１１０に伝送する。
ここで、ＬＩＤＡＲとは、対象にレーザを照射し、その反射を受光することで対象までの距離を測定する装置である。その原理から、距離測定の精度は、数ｍｍ～数ｃｍと比較的高い。ＬＩＤＡＲは、１本の直進するレーザを基本単位とし、数十Ｈｚと高速で照射の方向を次々と周期的に変化させることで、対象の表面形状を細密な点の集まり（点群）として捉える。このため、前述の計測データは、架線やレール１０２の３次元形状を点群として表現したデータ（データ群）である。

なお、センシング部１０８は、照射の方向を立体的に変化させられる３次元ＬＩＤＡＲであることが好ましい。ただし、ＬＩＤＡＲには、これ以外にも照射の方向を平面的に変化させる２次元ＬＩＤＡＲがあり、これを単独で、または複数組み合わせて用いても、同様に対象の表面形状を（３次元ＬＩＤＡＲを利用する場合よりも一度に取得できる情報量は少ないものの）捉えることができ、以下の説明で記す内容を同様に実施できる。

図２は、車両１０１を、車両１０１の進行方向に対して直交する面で切断したときの断面図である。
以下、図２を用いて、車両１０１、センシング部１０８、および架線（トロリ線１０３、ちょう架線１０４、ハンガ１０５、支持具１０６、絶縁具１０７）の位置関係を詳しく説明する。
センシング部１０８は、パンタグラフＰｎとトロリ線１０３との接点を通り、車両１０１の上下方向における中心線Ｃから外れた箇所に設置される。これは、センシング部１０８は、車両１０１の移動方向に対し交差する面上の上下方向の中心線Ｃよりも車両１０１の側面側に取り付けられる、と言うこともできる。これにより、センシング部１０８であるＬＩＤＡＲは、斜め方向から架線をスキャンできるように車両１０１に設置される。これは、架線の特徴点の情報を多く捉えられた方がこの後の処理（図５で説明するマッチング処理）に有利であるという考えであり、架線の構成要素をできるだけ多く捉えられるようにするためである。例えば、センシング部１０８を中心線Ｃ上に設置し、トロリ線１０３の直下の位置からスキャンをすると、鉛直方向にトロリ線１０３を吊っているハンガ１０５およびちょう架線１０４が、トロリ線１０３の背後に隠れる形となり、スキャンが及ばなくなる。これに対し、本実施の形態では、トロリ線１０３の直下よりもずれた位置であり、中心線Ｃから外れた位置にセンシング部１０８を設け、当該位置から斜めにスキャンをする。これにより、周期的に張られたハンガ１０５、および周期的にたわみを見せるちょう架線１０４の側面にスキャンが及び、それらの特徴を計測データの中に取り込むことができる。

ここで、支持具１０６の形状について説明を補足する。支持具１０６は、ちょう架線１０４およびトロリ線１０３を含む、その下方にある構造物全てを支持する必要から、通常、鉄骨などの強靭な材質で成り、大きさも架線の構造物の中でひときわ大きい。このため、ＬＩＤＡＲでその３次元形状を比較的捉え易い。また、支持具１０６は、電線のようにたわんだり揺れたりする心配もない。そのため、車両１０１の走行の都度、毎回同じように見え、また見落とす心配も比較的少ない。よって、ＬＩＤＡＲによるスキャンで捉えやすいと言うことができる。支持具１０６は、数百ｍの間隔で建てられているのが普通である。

次に、車両１０１のセンシング部１０８以外の構成について説明を行う。
架線認識部１０９は、対象物認識部の一例であり、センシング部１０８から取得した計測データの中から、架線の計測データ（計測結果）を抽出し、架線位置算出部１１１に渡す。
レール面認識部１１０は、軌道認識部の一例であり、センシング部１０８から取得した計測データの中から、レール１０２上面の計測データ（計測結果）を抽出し、架線位置算出部１１１に渡す。
架線位置算出部１１１は、位置算出部の一例であり、計測データを基に、２本の（一対の）レール面を基準にした架線位置を算出する。ここでは、架線位置算出部１１１は、架線位置を距離別に分類する。ここでは、架線位置算出部１１１は、距離別にＮ通り（１～Ｎ）に分類するものとする。
架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎは、軌跡算出部の一例であり、架線位置算出部１１１にて算出された架線位置の軌跡を求める。このとき、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎは、それぞれ１か所の架線位置の軌跡を求める。つまり、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎは、距離別にＮ箇所の架線位置の軌跡を求める。なお、以下、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎをそれぞれ区別しない場合は、単に、「架線軌跡算出部１１２」と言うことがある。
架線軌跡マッチング部１１３は、軌跡マッチング部の一例であり、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎから求めた複数部位（Ｎ箇所）の架線軌跡を相互にマッチングをとり、それらの間の時間間隔と距離間隔を求める。
推定速度決定部１１４は、速度算出部の一例であり、架線軌跡マッチング部１１３で求めた時間間隔と架線部位の距離間隔から、車両１０１の速度Ｖを算出し、制御部１１５に送信する。

制御部１１５は、車両速度認識システム１００で算出された速度に基づき車両１０１の移動を制御する制御装置の一例である。制御部１１５は、例えば、車両１０１の推定速度を用いて動作する車両制御のアプリケーションである。制御部１１５としては、例えば、車両１０１が決められた地点間（例えば、駅間）を予定された時刻（ダイヤ）通りに走行するように加減速を自動制御する自動運転システム（ＡＴＯ：Automatic Train Operation）が、該当する。またＡＴＯの他に、車両同士の安全距離を確保するようにブレーキを制御する信号システム（ＡＴＰ：Automatic Train Protection）も、車両１０１の推定速度を用いるアプリケーションの一例である。

なお、車両速度認識システム１００の機能の一部または全部は、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することで動作するコンピュータ装置により実現できる。即ち、車両速度認識システム１００に設けられたコンピュータ内部の図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）が、各機能を実現するプログラムを実行し、これらの各機能を実現させる。このプログラムは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージやＲＯＭ（Read Only Memory）等の補助記憶装置に保存されており、この補助記憶装置から主記憶装置（ＲＡＭ：Random Access Memory）にロードされ、実行される。また、これらの機能は、専用の回路などのハードウェアにより実現することもできる。

＜車両速度認識システム１００の動作の説明＞
次に、車両速度認識システム１００の動作の説明を行う。
図３は、車両速度認識システム１００の動作を説明したフローチャートである。
図３に示す各処理（ステップＳ１０１～ステップＳ１０８）は、車両速度認識システム１００により実行される。以下、各処理について説明する。
ステップＳ１０１では、レール１０２と架線（トロリ線１０３、ちょう架線１０４、ハンガ１０５、支持具１０６、絶縁具１０７）を観測できるように設置されたセンシング部１０８から、計測データとして３次元点群データを取得する。第１の実施形態では、このうちトロリ線１０３の偏位を利用して速度を検出する。

図４（ａ）～（ｂ）は、トロリ線１０３が架設される状態について示した図である。
図４（ａ）～（ｂ）に示すように、車両１０１は、パンタグラフＰｎに設けられた摺板がトロリ線１０３に摺動接触して高電圧を受電し、左右のレール１０２上を走行する。このとき、摺板の摩耗を均一にするために、トロリ線１０３は、電柱ごとに外方に牽引され、図４（ｂ）に示すように、左右にジグザグに偏位（左右偏位）して架設されている。より具体的には、トロリ線１０３は、車両１０１が進行するに従い、左右のレール１０２の中心線１０２ｍを中心として、交差する方向（この場合、車両１０１の左右方向）に偏移するように架設されている。つまり、車両１０１の移動に応じトロリ線１０３が左右方向に偏移することで、車両１０１から見たときには、トロリ線１０３は、その位置が、左右方向に変化する。この場合、トロリ線１０３の位置は、車両１０１から見たときに、中心線１０２ｍを中心として、左右方向に規則的に変化する。
本実施の形態では、以下に説明するように、トロリ線１０３の左右方向の偏位を利用して速度を検出する。

図３に戻り、ステップＳ１０２では、架線認識部１０９において、センシング部１０８から取得した計測データから、トロリ線１０３を含む架線を計測した点群を抽出する。

ステップＳ１０３では、レール面認識部１１０において、センシング部１０８から取得した計測データから、車両１０１が走行している左右のレール１０２上面を計測した点群を抽出する。さらに、レール面認識部１１０は、抽出した点群を含む平面としてレール平面（軌道平面）Ｈｒを抽出する。

ステップＳ１０４では、架線位置算出部１１１において、架線認識部１０９で取得した点群を、ステップＳ１０３で取得したレール平面Ｈｒを基準とした座標系に変換し、車両１０１からの距離別に分類（例えば、距離別に１～ＮのＮ通りに分類）する。
ここで、レール平面Ｈｒを基準とした座標系とは、レール面認識部１１０で抽出したレール平面Ｈｒを使用して定義した座標系である。ステップＳ１０４では、架線位置算出部１１１は、架線認識部１０９で取得された点群の位置をこの座標系での位置に変換する。

図５は、レール平面Ｈｒおよびレール平面Ｈｒを基準とした座標系について説明した図である。
図示するように、レール平面Ｈｒは、左右のレール１０２上面を通る平面となる。また、レール平面Ｈｒを基準とした座標系として、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を図示している。Ｘ軸方向は、車両１０１の進行方向である。また、Ｙ軸方向は、車両１０１の進行方向に対し左方向に直交する方向として定義する。さらに、Ｚ軸方向は、車両１０１の進行方向に対し上方向に直交する方向として定義する。そして、トロリ線１０３の位置は、左右のレール１０２の中心線１０２ｍから、Ｚ方向に延びる平面Ｈｚを考え、この平面Ｈｚからの距離Ｙｃとして捉えることができる。また、距離Ｙｃは、レール平面Ｈｒを基準としたときのトロリ線１０３の位置を表す、と言うこともできる。

再び図３に戻り、ステップＳ１０５では、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎにおいて、車両１０１からの距離で分類（１～Ｎ）した各点群から、架線軌跡１～Ｎをそれぞれ算出する。つまり、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎは、車両１０１からの距離としてＮ通りの距離にあるトロリ線１０３の位置での、それぞれの距離Ｙｃの位置の軌跡を架線軌跡１～Ｎとして算出する。

ステップＳ１０６では、架線軌跡マッチング部１１３において、架線軌跡１～Ｎの相互でマッチングをとり、マッチングがとれた軌跡間の時刻間隔ΔＴｎと距離間隔ΔＤｎの組を取得する。
ステップＳ１０７では、推定速度決定部１１４において、ステップＳ１０６で取得した時刻間隔ΔＴｎと距離間隔ΔＤｎの組から、車両１０１の速度Ｖを、Ｖ＝ΔＤｎ／ΔＴｎの式により算出する。
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で取得した車両１０１の速度Ｖを、制御部１１５に出力し、処理を終了する。

図６（ａ）～（ｃ）、図７は、図３のステップＳ１０５～ステップＳ１０７についてさらに詳しく説明した図である。
このうち、図６（ａ）は、上方から車両１０１、レール１０２およびトロリ線１０３を見たときの図である。また、図６（ｂ）～（ｃ）は、図６（ａ）のＶＩｂｃ方向から見た図であり、Ｙ方向に沿って車両１０１、レール１０２およびトロリ線１０３を見たときの図である。

なお、上述した説明では、ステップＳ１０５で、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎにおいて、Ｎ通りの距離にあるトロリ線１０３の位置を取得するとしたが、以下の説明では、説明を簡単にするため、Ｎ＝２の場合について説明を行う。即ち、架線軌跡算出部１１２は、２箇所の架線位置の軌跡（架線軌跡）を求める。即ち、架線軌跡算出部１１２は、２箇所の架線位置での距離Ｙｃの位置の軌跡を算出する。

センシング部１０８は、３つの２次元スキャン面をもつＬＩＤＡＲである。図６（ａ）～（ｃ）では、これらをスキャン面Ａ、スキャン面Ｂ、スキャン面Ｒとして図示している。このうち、スキャン面Ｒは、左右のレール１０２上面との距離を計測し、レール平面Ｈｒを抽出するために使用される。また、スキャン面Ａ、Ｂは、トロリ線１０３を計測し、２通りの距離にあるトロリ線１０３の位置での、それぞれの距離Ｙｃを算出するのに使用される。

車両１０１が走行するとき、スキャン面Ａで観測した点群の進行方向に垂直な方向（Ｙ方向）の位置は、図７のグラフの曲線Ａのように変動する。同様に、スキャン面Ｂで観測した点群の位置は、曲線Ｂのように変動する。図７で、横軸は時間Ｔであり、縦軸は距離Ｙｃを表す。
ここで、スキャン面Ａとスキャン面Ｂがトロリ線１０３と横切る箇所は、車両１０１からほぼ一定の距離にあり、その距離を、Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂとする。本実施の形態で、距離Ｌ_Ａは、第１の距離の一例であり、距離Ｌ_Ｂは、第２の距離の一例である。そして、図７のグラフの曲線Ａは、センシング部１０８と距離Ｌ_Ａ離れた箇所での、レール１０２を基準としたトロリ線１０３の位置である距離Ｙｃの位置を表し、その軌跡であると捉えることができる。距離Ｌ_Ａでの距離Ｙｃの位置は、軌道を基準とした対象物の位置である第１の位置の一例である。また、図７のグラフの曲線Ｂは、センシング部１０８と距離Ｌ_Ｂ離れた箇所での、レール１０２を基準としたトロリ線１０３の位置である距離Ｙｃの位置を表し、その軌跡として捉えることができる。距離Ｌ_Ｂでの距離Ｙｃの位置は、軌道を基準とした対象物の位置である第２の位置の一例である。

このとき架線軌跡算出部１１２は、最小二乗法等の既知の方法を用いて、フィッティングを行い、軌跡を算出するようにしてもよい。つまり、センシング部１０８で計測した距離には、計測誤差が含まれることがある。そして、上記曲線Ａや曲線Ｂを描く際に、フィッティングを行うことで、計測誤差を低減し、より正確な軌跡にすることができる。その結果、距離Ｙｃを、より正確に把握することができる。

そして、図７のグラフの曲線Ｂを、ある時刻間隔ΔＴｎだけずらすと曲線Ａとおおよそ一致する。これは、時刻間隔ΔＴｎだけずれて、トロリ線１０３の同じ位置を計測していることを意味する。つまり、図６（ｂ）で示す箇所にあった車両１０１が、スキャン面Ａにてトロリ線１０３の位置Ｐを計測する。そして、時刻間隔ΔＴｎが経過し、車両１０１が、図６（ｃ）で示す箇所に進行したときに、スキャン面Ｂにてトロリ線１０３の同じ位置Ｐを計測する。この時刻間隔ΔＴｎは、架線軌跡マッチング部１１３が、曲線Ａと曲線Ｂとでマッチングをとることにより求めることができる。つまり、曲線Ａおよび曲線Ｂの何れか一方を時間方向にずらし、他方と一致したときのずらし量を時刻間隔ΔＴｎとする。

そして、推定速度決定部１１４は、車両１０１の速度Ｖを、これらの距離Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂ、ΔＴｎから、Ｖ＝ΔＤｎ／ΔＴｎの式によって求める。ΔＤｎは、距離Ｌ_ＡとＬ_Ｂとの距離間隔であり、Ｌ_Ａ－Ｌ_Ｂで求められる。このように、推定速度決定部１１４は、距離Ｌ_Ａと距離Ｌ_Ｂとの差分（距離間隔ΔＤｎ）、および距離Ｌ_Ａでの距離Ｙｃの位置と距離Ｌ_Ｂでの距離Ｙｃの位置とが一致する時刻の差分（時刻間隔ΔＴｎ）に基づき、車両１０１の速度を算出することができる。ただし、ここでは、時刻間隔ΔＴｎを求めるのに、架線軌跡算出部１１２にて、距離Ｌ_Ａでの距離Ｙｃの位置および距離Ｌ_Ｂでの距離Ｙｃの位置のそれぞれの軌跡を求め、さらに、架線軌跡マッチング部１１３にて、それぞれの軌跡のマッチングをとることで求める。軌跡を利用することで、時刻間隔ΔＴｎの精度が向上する。

なおこの場合、図３のステップＳ１０３では、センシング部１０８により距離が計測される複数の点として、レール１０２に対応する第１の点群を抽出する、と言うこともできる。
さらに、図３のステップＳ１０２では、センシング部１０８により距離が計測される複数の点として、距離Ｌ_Ａでの距離Ｙｃの位置および距離Ｌ_Ｂでの距離Ｙｃの位置におけるトロリ線１０３に対応する第２の点群を抽出する、と言うこともできる。
またさらに、図３のステップＳ１０４では、架線位置算出部１１１は、第１の点群を含む平面であるレール平面Ｈｒを基準として距離Ｌ_Ａでの距離Ｙｃの位置および距離Ｌ_Ｂでの距離Ｙｃの位置を求める、と言うこともできる。また、ステップＳ１０４では、架線位置算出部１１１は、第２の点群を距離別に分類し、レール平面Ｈｒを基準として座標系変換することで、距離Ｌ_Ａでの距離Ｙｃの位置および距離Ｌ_Ｂでの距離Ｙｃの位置を算出する、と言うこともできる。
また、図３のステップＳ１０１で、センシング部１０８は、車両１０１の移動方向に対し交差する面として、少なくとも３つの距離にある面上の距離を計測する。そして、ステップＳ１０３で、レール面認識部１１０は、少なくとも３つの距離の中の一の距離にある面（この場合、スキャン面Ｒ）上の計測結果より、第１の点群を抽出し、ステップＳ１０２で、この一の距離以外の他の距離にある面（この場合、スキャン面Ａ、Ｂ）上の計測結果より第２の点群を抽出する、と言うこともできる。

[第２の実施形態]
次に、第２の実施形態について説明を行う。第２の実施形態では、鉄道の架線として、トロリ線１０３の左右方向の偏移ではなく、ちょう架線１０４の上下方向の偏移を利用して、移動体の速度を算出する。
トロリ線１０３の左右方向が、偏差が小さい、または、偏差がない場合、トロリ線１０３から車両１０１の速度を求めることが難しい場合がある。そこで、第２の実施形態では、センシング部１０８によって観測する対象を、トロリ線１０３でなく、ちょう架線１０４とする。

第２の実施形態の車両速度認識システム１００の機能構成は、図１で示した場合と同様である。即ち、第１の実施形態と同様に、列車制御システム１は、車両速度認識システム１００と、制御部１１５とを備える。そして、車両速度認識システム１００は、センシング部１０８と、架線認識部１０９と、レール面認識部１１０と、架線位置算出部１１１と、架線軌跡算出部１１２－１～１１２－Ｎと、架線軌跡マッチング部１１３と、推定速度決定部１１４とを備える。

図８（ａ）～（ｂ）、図９は、ちょう架線１０４を用いたときの車両１０１の速度を算出する場合について示した図である。
このうち、センシング部１０８は、図８（ａ）～（ｂ）は、図６（ｂ）～（ｃ）と同様の方向から車両１０１等を見た図である。この場合、Ｙ方向に沿って車両１０１、レール１０２およびちょう架線１０４を見た場合を示している。
そして、スキャン面Ｒで、左右のレール１０２上面との距離を計測し、レール平面Ｈｒを抽出するために使用されるのは、第１の実施形態と同様である。一方、スキャン面Ａ、Ｂは、ちょう架線１０４を計測し、２通りの距離にあるちょう架線１０４の、レール平面Ｈｒを基準とした上下方向（Ｚ方向）の位置を計測する。
ちょう架線１０４は、図示するように上下方向（Ｚ方向）にたわむように架設される。つまり、ちょう架線１０４は、車両１０１が進行するに従い、上下方向（Ｚ方向）に偏移するように架設されている。よって、車両１０１から見たときには、ちょう架線１０４は、その位置が、上下方向に変化する。ちょう架線１０４の位置は、車両１０１から見たときに、上下方向に規則的に変化する。

車両１０１が走行するとき、スキャン面Ａで観測した点群の進行方向に垂直な方向の位置は、図９のグラフの曲線Ａのように変動する。同様に、スキャン面Ｂで観測した点群の位置は、曲線Ｂのように変動する。図９で横軸は、時間Ｔを表し、縦軸は、レール平面Ｈｒとちょう架線１０４との距離Ｚｃを表す。

また、第１の実施形態と同様に、架線軌跡算出部１１２は、最小二乗法等の既知の方法を用いて、フィッティングを行い、軌跡を算出するようにしてもよい。その結果、レール平面Ｈｒとちょう架線１０４との距離Ｚｃを、より正確に把握することができる。

以下は、トロリ線１０３をちょう架線１０４に言い換えるとともに、距離Ｙｃを距離Ｚｃに言い換えることで、第１の実施形態とほぼ同様になる。
つまり、スキャン面Ａとスキャン面Ｂがちょう架線１０４と横切る箇所は、車両１０１からほぼ一定の距離にあり、その距離を、Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂとする。そして、図９のグラフの曲線Ａは、センシング部１０８と距離Ｌ_Ａ離れた箇所での、レール１０２を基準としたちょう架線１０４の位置である距離Ｚｃを表し、その軌跡として捉えることができる。距離Ｌ_Ａでの距離Ｚｃの位置は、軌道を基準とした対象物の位置である第１の位置の一例である。また、図９のグラフの曲線Ｂは、センシング部１０８と距離Ｌ_Ｂ離れた箇所での、レール１０２を基準としたちょう架線１０４の位置である距離Ｚｃを表し、その軌跡として捉えることができる。距離Ｌ_Ｂでの距離Ｚｃの位置は、軌道を基準とした対象物の位置である第２の位置の一例である。

さらに、図９のグラフの曲線Ｂを、ある時刻間隔ΔＴｎだけずらすと曲線Ａとおおよそ一致する。これは、時刻間隔ΔＴｎだけずれて、ちょう架線１０４の同じ位置を計測していることを意味する。つまり、図８（ａ）で示す箇所にあった車両１０１が、スキャン面Ａにてちょう架線１０４の位置Ｐを計測する。そして、時刻間隔ΔＴｎが経過し、車両１０１が、図８（ｂ）で示す箇所に進行したときに、スキャン面Ｂにてちょう架線１０４の同じ位置Ｐを計測する。この時刻間隔ΔＴｎは、架線軌跡マッチング部１１３が、曲線Ａと曲線Ｂとでマッチングをとることにより求めることができる。つまり、曲線Ａおよび曲線Ｂの何れか一方を時間方向にずらし、他方と一致したときのずらし量を時刻間隔ΔＴｎとする。
そして、推定速度決定部１１４は、車両１０１の速度Ｖを、これらの距離Ｌ_Ａ、Ｌ_Ｂ、ΔＴｎから、Ｖ＝ΔＤｎ／ΔＴｎの式によって求める。

以上説明した形態によれば、第１の実施形態では、車両１０１上方に展開された給電用の電路設備Ｄとして、トロリ線１０３の３次元形状を用いることで、レール１０２を走行する車両１０１の速度を高い信頼性をもって認識できる。また、第２の実施形態では、車両１０１上方に展開された給電用の電路設備Ｄとして、ちょう架線１０４の３次元形状を用いることで、レール１０２を走行する車両１０１の速度を高い信頼性をもって認識できる。
本実施の形態では、車輪の回転パルスを使用する場合に比較して、車輪の空転・滑走などの影響を受けないため、より正確な速度が算出できる。また、レーザ光又はマイクロ波を用いたドップラー速度計や空間フィルタ式速度計を用いる方法と比較すると、レール平面Ｈｒを基準とし、距離Ｙｃや距離Ｚｃの位置を利用することで、センシング部１０８と架線等の対象物との距離が変動しても、その影響を受けにくく、より正確な速度が算出できる。また、これらの軌跡を基に車両１０１の速度を算出することで、さらに正確な速度が算出できる。さらに、同様の理由で、車両１０１の振動等の影響も受けにくい。よって、本実施の形態では、ロバストな速度検知が可能となる。
また、トロリ線１０３やちょう架線１０４を利用する場合、他の地上設備を使用する場合に比較して、環境変化の影響を受けにくい。例えば、電路設備Ｄを利用する場合、積雪の影響を受けにくい。また、この場合、ＧＰＳ（Global Positioning System）や地図情報などに依存する必要もない。

以上詳述した例では、距離を計測する対象物として鉄道の架線を使用した。そして、架線は、トロリ線１０３およびちょう架線１０４の少なくとも一方である場合について説明を行った。しかし、架線としては、これに限られるものではない。例えば、ハンガ１０５、支持具１０６、絶縁具１０７を、距離を計測する対象物としてもよい。また、架線に限らず、移動体の近隣に設置された地上設備を、距離を計測する対象物としてもよい。

ただし、対象物は、車両１０１の移動に従い、連続的に位置が偏移するものであることが好ましい。つまり、対象物として、トロリ線１０３やちょう架線１０４のように、連続的に位置が偏移し、連続的に位置を計測できることが好ましい。この場合、距離を測定する計測点がより多くなり、これにより計測誤差を低減し、対象物の位置を、より正確に計測できる。また、車両１０１の速度が変化した場合でも、速度をより正確に算出できる。つまり、連続的に位置を計測できることで、いわばリアルタイムに、車両１０１の速度を算出できる。またこれは、車両１０１の速度を算出する際の応答性がよい、と言うこともできる。これが、ハンガ１０５、支持具１０６、絶縁具１０７等を対象物とすると、これらは所定の距離だけ離れて離散的に設置がされる。そのため、車両１０１の速度は算出できるものの、車両１０１の速度が変化した場合、車両１０１の速度を応答性よく算出できるとは限らない。例えば、支持具１０６は、上述の通り大きく、センシング部１０８で捉えやすいという利点もあるが、例えば、数百ｍの間隔で建てられているため、これを基に車両１０１の速度を算出した場合、車両１０１の速度を応答性よく算出できるとは限らない。

なお、以上詳述した例では、トロリ線１０３やちょう架線１０４は、規則的に偏移する場合について説明したが、これに限られるものではなく、不規則的に偏移してもよい。
また、第１の実施の形態では、トロリ線１０３は、中心線１０２ｍを中心として左右方向に偏移する場合について説明したが、中心線１０２ｍを中心として偏移しなくてもよい。

また、以上詳述した例では、車両１０１が移動するときに使用する、レール１０２や架線を使用して距離を計測し、車両１０１の速度を算出したが、これに限られるものでない。
例えば、軌道が、複数あった場合、距離を計測するのに使用する軌道および架線を、車両１０１が移動するときに使用するものとは異なるようにしてもよい。つまり、複線区間において、隣を走る車両（この場合、対向列車）が走行する隣の軌道およびその軌道に対し架設された架線を使用することもできる。例えば、図４では、図中左側に位置する左右のレール１０２上を車両１０１が走行しているが、図中右側に位置する左右のレール１０２およびその上の架線を使用する場合がこれに該当する。なお、これは、複々線、複々々線等の場合でも適用できるのはもちろんである。

＜速度算出方法の説明＞
ここで、速度認識システム１００が行う処理は、トロリ線１０３やちょう架線１０４等の対象物との距離を計測し、レール１０２上を移動する車両１０１に設置されるセンシング部１０８の計測結果により、センシング部１０８と距離Ｌ_Ａ離れた箇所での、レール１０２を基準とした対象物の位置である第１の位置と、センシング部１０８と距離Ｌ_Ｂ離れた箇所での、レール１０２を基準とした対象物の位置である第２の位置と、を求め、距離Ｌ_Ａと距離Ｌ_Ｂとの差分（距離間隔ΔＤｎ）、および第１の位置と第２の位置とが一致する時刻の差分（時刻間隔ΔＴｎ）に基づき、車両１０１の速度を算出する、速度算出方法であると捉えることができる。

以上、本実施の形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、種々の変更または改良を加えたものも、本発明の技術的範囲に含まれることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１…列車制御システム、１００…速度認識システム、１０１…車両、１０２…レール、１０３…トロリ線、１０４…ちょう架線、１０８…センシング部、１０９…架線認識部、１１０…レール面認識部、１１１…架線位置算出部、１１２－１～１１２－Ｎ…架線軌跡算出部、１１３…架線軌跡マッチング部、１１４…推定速度決定部、１１５…制御部、Ｄ…電路設備、Ｈｒ…レール平面

Claims (15)

1. 対象物との距離を計測し、軌道上を移動する移動体に設置される距離センサの計測結果により、前記距離センサと第１の距離離れた箇所での、前記軌道を基準とした前記対象物の位置である第１の位置と、前記距離センサと第２の距離離れた箇所での、前記軌道を基準とした前記対象物の位置である第２の位置と、を求める位置算出部と、
   前記第１の距離と前記第２の距離との差分、および前記第１の位置と前記第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、前記移動体の速度を算出する速度算出部と、
   を備える速度算出装置。
2. 前記対象物は、前記移動体の移動に従い、連続的に位置が偏移するものである請求項１に記載の速度算出装置。
3. 連続的に位置が偏移する前記対象物は、鉄道の架線である請求項２に記載の速度算出装置。
4. 前記架線は、トロリ線およびちょう架線の少なくとも一方である請求項３に記載の速度算出装置。
5. 前記位置算出部は、前記移動体の移動に応じ前記トロリ線が左右方向に偏移することで変化する、前記第１の位置および前記第２の位置を求める請求項４に記載の速度算出装置。
6. 前記位置算出部は、列車の移動に応じ前記ちょう架線が上下方向に偏移することで変化する、前記第１の位置および前記第２の位置を求める請求項４に記載の速度算出装置。
7. 前記軌道は、複数あり、前記第１の位置および前記第２の位置を求めるための前記軌道および前記架線は、前記移動体が移動するときに使用するものとは異なる請求項３に記載の速度算出装置。
8. 前記第１の位置および前記第２の位置のそれぞれの軌跡を求める軌跡算出部をさらに備え、
   前記速度算出部は、前記軌跡を基に前記移動体の速度を算出する請求項１に記載の速度算出装置。
9. 前記第１の位置および前記第２の位置のそれぞれの前記軌跡のマッチングをとることで、前記時刻の差分を求める軌跡マッチング部をさらに備える請求項８に記載の速度算出装置。
10. 前記距離センサにより距離が計測される複数の点として、前記軌道に対応する第１の点群を抽出する軌道認識部をさらに備え、
    前記位置算出部は、前記第１の点群を含む平面である軌道平面を基準として前記第１の位置および前記第２の位置を求める請求項１に記載の速度算出装置。
11. 前記距離センサにより距離が計測される複数の点として、前記第１の位置および前記第２の位置における前記対象物に対応する第２の点群を抽出する対象物認識部をさらに備え、
    前記位置算出部は、前記第２の点群を距離別に分類し、前記軌道平面を基準として座標系変換することで、前記第１の距離および前記第２の位置を算出する請求項１０に記載の速度算出装置。
12. 前記距離センサは、前記移動体の移動方向に対し交差する面として、少なくとも３つの距離にある面上の距離を計測し、
    前記軌道認識部は、３つの距離の中の一の距離にある面上の計測結果より、前記第１の点群を抽出し、少なくとも３つの距離の中の前記一の距離以外の他の距離にある面上の計測結果より前記第２の点群を抽出する請求項１１に記載の速度算出装置。
13. 前記複数の点は、前記移動体の移動方向に対し交差する面上の上下方向の中心線よりも車両の側面側に取り付けられた前記距離センサから取得されたものである請求項１０または１１に記載の速度算出装置。
14. 対象物との距離を計測し、軌道上を移動する移動体に設置される距離センサの計測結果により、前記距離センサと第１の距離離れた箇所での、前記軌道を基準とした前記対象物の位置である第１の位置と、前記距離センサと第２の距離離れた箇所での、前記軌道を基準とした前記対象物の位置である第２の位置と、を求め、
    前記第１の距離と前記第２の距離との差分、および前記第１の位置と前記第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、前記移動体の速度を算出する、
    速度算出方法。
15. 軌道上を移動する移動体の速度を算出する速度算出装置と、
    算出された速度に基づき前記移動体の移動を制御する制御装置と、
    備え、
    前記速度算出装置は、
    対象物との距離を計測し、前記移動体に設置される距離センサの計測結果により、前記距離センサと第１の距離離れた箇所での、前記軌道を基準とした前記対象物の位置である第１の位置と、前記距離センサと第２の距離離れた箇所での、前記軌道を基準とした前記対象物の位置である第２の位置と、を求める位置算出部と、
    前記第１の距離と前記第２の距離との差分、および前記第１の位置と前記第２の位置とが一致する時刻の差分に基づき、前記移動体の速度を算出する速度算出部と、
    を備える移動体制御システム。
    
    

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