JP3269635B2 - 無線による列車制御方法および無線列車制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、鉄道において安全に列車を運行させるため
の制御情報を無線で列車に伝送し、列車を制御する方法
に関する。

背景技術 従来、鉄道では列車の安全運行を確保するために、レ
ールを軌道回路として使用し、在線を検知することが行
われている。ところが、この軌道回路はレールを電気的
に切断し、各軌道回路の境界に設備を設置するため、設
備や保守の費用が高くなるという欠点を持っている。

このような背景から、軌道回路によらずに列車の位置
を検知し、列車に対して安全確保のための制御情報を伝
送する方式として、無線による列車制御が検討されてい
る。

無線を利用して、列車に対し運転規制条件等の情報を
伝送する技術を開示するものとしては、特開昭64−6912
9号公報および「鉄道と電気技術」1995.2 Vol.6 No.2
p.3〜p.9“次世代運転制御システム（CARAT）の間隔
制御の仕組みと伝送方式”がある。

しかし、上記従来技術においては、無線による列車制
御特有の問題点としての、 （１）伝搬経路の状態不良による信号の瞬時途絶 （２）妨害波による通信途絶 （３）いたずら信号電文による錯誤制御 （４）制御しなければならない列車の見落とし の対策について、十分な信頼性を確保できていない。

すなわち、無線を利用した列車制御方法では、信頼度
高く、確実に、通信状態や機器異常の判定をすることが
必要であるが、従来技術では通信状態や機器異常の判定
について、十分に考慮されていない。

さらに、無線を利用した列車制御方法では、妨害によ
る列車なりすまし信号の発信や列車抹消信号の発信およ
び緊急停止信号の発信，盗聴等を効果的に排除する必要
があるが、上記従来技術ではこれらの点についても考慮
していない。

また、特開平８−183453号公報には、軌道回路を用い
た列車検知にスペクトラム拡散通信方式を利用して耐ノ
イズ性を改善することが開示されている。しかし、この
従来技術は、スペクトラム拡散通信方式を列車制御の無
線通信に利用することは考慮しておらず、また上記無線
による列車制御特有の問題点をどのように解決するかに
ついては全く触れていない。

発明の開示 本発明の目的は、無線通信特有のノイズやフェージン
グに強い無線通信方式を効果的に利用し、通信路状況に
合わせて最適な運転制御ができ、かつ、機器故障も信頼
性高く判定できる列車制御方法を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、意図的な通信妨害に対し
て強く、地上と列車間で高い秘匿性を有する情報通信を
行う無線通信方式を利用した列車制御方法を提供するこ
とにある。

上記目的を達成するために、本発明は、無線基地局と
列車に搭載された無線移動局とで情報信号を交信し、こ
の情報信号によって列車の走行を制御する列車制御方法
において、前記無線基地局および前記無線移動局間でス
ペクトラム拡散通信を行い、前記無線基地局および前記
無線移動局の少なくとも一方で、無線帯域の受信信号電
力と、スペクトラム拡散パターンに同期した逆拡散処理
後の信号電力と、受信信号をフレーム化する際に検出し
たフレーム誤りパターンとを入力として、無線通信障害
があるのか、無線機器故障なのかを判定する。

すなわち、本発明では、スペクトラム拡散通信の同期
技術に着目して、短期的なノイズ等の外乱によって信号
エラーが発生したのか、それとも深刻な機器故障が発生
したのか切り分ける。これにより、通信路状況に合わせ
た最適な運転指示や、機器故障の判定を容易に実現でき
る通信システムが提供できる。

また、上記他の目的を達成するために、本発明は、無
線基地局および無線移動局のそれぞれに前記交信に関す
る複数の暗号化手段を備えておき、列車に搭載した前記
無線移動局の立ち上げ時および無線移動局が通信する無
線基地局を変更するハンドオーバー処理時に、無線移動
局と無線基地局との間で暗号方式の一致を図るプロトコ
ル通信を実行する。

電文そのものの秘匿性を向上させる方式としては、１
電文の送信に、１暗号化方式を使用するのではなく、複
数の鍵で暗号化した電文を適宜分割統合して送信するこ
とが望ましい。

また、複数の暗号キー管理は、複数の列車を制御しな
ければならない地上装置で管理するよりは、自列車の制
御のみにクローズされる車上側で管理するほうがシステ
ム全体として負荷が軽減されるので望ましい。

また、列車の緊急停止指令のごとき緊急情報は速やか
に各列車に通信しなければならないが、固定的に設定し
ておくと意図的な妨害に弱くなるという欠点がある。こ
のため、本発明では、列車に搭載した前記無線移動局の
立ち上げ時および無線移動局が通信する無線基地局を変
更するハンドオーバー処理時に、前記緊急コードの解読
コードを無線基地局から無線移動局に通信する。

また、登録された列車が、制御対象から外れる場合
は、安全運行の考え方から絶対的な信頼性が必要となる
が、例えば、妨害者が過去の通信結果を録音した信号で
妨害する場合でも拒絶できるように、本発明では、登録
時あるいはハンドオーバー時に動的に基地局側から登録
IDを付与し、該付与されたIDまで検査して、消滅させる
べき列車かどうか検証する。

以上の本発明の特徴により、通信路状況を的確に判断
でき、かつ部外者からの意図的な妨害に強い、より高信
頼な通信システムを構築できる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明を利用する無線移動局の一実施例の構
成を示すブロック図、第２図は本発明が適用されるシス
テム全体の概要図、第３図は通信状態判定に関するブロ
ック図、第４図は暗号化部の構成を示す図、第５図は運
転開始時の基本プロトコルを示す図、第６図は列車運転
終了時の基本プロトコルを示す図、第７図はハンドオー
バー時の基本プロトコルを示す図、第８図は送信暗号情
報の生成を説明する図、第９図は暗号解読部の構成を示
す図、第10図は受信暗号情報の復号を説明する図、第11
図は緊急コード通信時のシステムの状態を表す図、第12
図は本発明を利用する無線基地局の一実施例の構成を示
すブロック図、第13図は運転制御判定処理を表す処理フ
ロー図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の実施例を添付図面によって説明する。

まず、第２図に、本発明が適用されるシステム全体の
概要の一例を示す。

無線信号方式では、第２図に示すように、車上で検知
した自列車位置を無線によって地上側制御装置に伝送
し、地上側では、その列車が安全に進行できる目標地点
を求め列車に伝送する。目標地点を受け取った列車は、
その目標地点までに安全に停止できるよう、自列車の制
御を行う。前方列車の進行に合わせて目標地点も前方に
移動するので、前方列車に接近したりしない限り、支障
なく前進することが可能となるわけである。

ここで、列車上に無線通信設備を設けた端末装置を
「移動局」と呼び、列車との通信を行うために地上側に
無線設備を設けた端末装置を「基地局」と呼ぶ。

本実施例では、沿線に数キロメートルおきに複数の基
地局を配置して、全線を隅なく手分けして被う。全ての
移動局は何れかの基地局の無線到達範囲に必ず含まれる
ような設計である。移動局が、基地局の境界に近づく
と、隣の基地局へ移動局を受け渡す「手渡し制御（ハン
ドオーバー処理）」が行われる。このようにして、移動
局は、進行するにつれて次々と基地局を渡り歩くことに
なる。

移動局は、次々に基地局を渡り歩きながら、常に通信
を行う。通信がある一定時間以上途絶した場合には、緊
急ブレーキを作用させる。

第２図について以下詳細に説明する。第２図に示すシ
ステムでは、軌道45上の列車で検出した在線位置や列車
速度，列車番号等、列車走行情報を、移動局42や43から
基地局40や41に送信する。列車の在線位置は列車自身で
検出し、在線位置を検出する手法としては、GPSや速度
発電機と走行時間から求める手法などがある。基地局4
0,41では、送信された列車走行情報を基に、隣接基地局
間で、ネットワーク44を通して情報を交換して、適切な
速度指示や、進路開通キロ程等の運転制御情報を、制御
対象である列車の移動局42あるいは移動局43に送信す
る。すなわち、列車走行情報と運転制御情報が無線を通
して通信されることになる。

基地局40,41は、沿線の例えば架線の支持ポールの上
などにアンテナを設置して、沿線の数キロメートルおき
に設置され、無線の到達範囲が隣の基地局と軌道45上で
重なるように設置される。

移動局は、一編成車両に少なくとも一台ずつ設置さ
れ、受信アンテナは編成車両のルーフ上に少なくとも１
つ設置される。

次に、第１図に移動局のブロック構成の例を示す。移
動局は、第12図で示す基地局の構成と列車通信制御に関
して殆ど同じ構成となっているため、基地局機能につい
ての移動局との差異を後ほど説明することとし、ここで
は移動局の構成について説明を進める。

第１図は、本発明の移動局通信装置と列車制御装置の
一実施例を表すブロック図である。本発明のシステムで
は、無線通信方式の中でも、本質的に電磁ノイズやフェ
ージングに強いスペクトル拡散通信方式を利用する。

送信部１に示すように、通常の情報変調部７に加え
て、拡散符号発生部10を伴った拡散変調部６でスペクト
ル拡散された信号が、周波数変換部５で無線周波数（Ra
dio Flequency:RF）帯域に変換されて、RF送信部４で適
切に電力調整され、アンテナ28を通して送信される。該
スペクトル拡散通信方式を利用した送信部の構成は、一
般的に実現されている直接拡散方式の構成である。該ス
ペクトル拡散通信方式を利用して、列車運行制御に必要
な情報を通信する。スペクトル拡散通信は、直接拡散方
式以外にも周波数ホッピング方式があり、周波数ホッピ
ング方式を採用することも可能である。

第１図に示すブロック構成で通信構成を構成するにあ
たり、後述する機能を達成するための、符号化部8,暗号
化部9,暗号キー選択部12,送信プロトコル管理部13,複数
暗号キー管理部11は、ゲートアレーのようなハード部品
で構成するよりも、処理のバリエーションが多くなる部
分であり、マイクロプロセッサを用いたソフト処理で実
現する方がコストや造り易さの点で有利である。但し、
ハードウエアを用いても実現できることは明らかであ
り、特にソフトウエア処理に限定するものではない。情
報変換部7,拡散変調部6,拡散符号発生部10,周波数変換
部５は、処理が固定的なシリアルシーケンスであるこ
と、周波数が比較的高くなりソフト処理というよりもゲ
ートアレー等のハード処理に向いていることからハード
ウエアを用いた処理が適している。RF送信部４は電波を
送出する部分であり、アナログハードで実現する。いず
れにせよ符号４〜７と符号10の部分は、SS通信機の機能
として一般的に実現されているものが利用できる。

受信側の構造も同様であり、RF受信部14,周波数変換
部15,拡散復調部16,情報復調部17,拡散符号同期部21,拡
散符号発生部22は一般的にハードウエアで構成でき、一
般的に実現されているSS通信機の機能が利用できる。復
号化部18,暗号解読部19,同期監視部20,誤り検出部23,誤
り監視部24,復号キー同期化部25,複数暗号復号キー管理
部26,受信プロトコル管理部27は、マイクロプロセッサ
によるソフトウエア処理構成が適している。但し、上述
のようにハードウエアを用いても実現できることは明ら
かであり、特にソフトウエア処理に限定するものではな
い。

送信すべき情報は、列車制御処理部３で生成され、本
発明で特徴とする暗号化部９に入力される。列車は、第
２図に示すように基地局側に在線位置やスピード等を申
告しなければならない。第１図では図示していないが、
在線位置や速度検知器からの情報が、列車制御処理部３
が経由して暗号化部９に入力され、暗号化される。暗号
化方式は、後に第４図を用いて詳しく説明するのでここ
では概要だけ簡単に説明する。

暗号化は、送信側と受信側で方式を一致させなければ
ならない。送信側と受信側で機能を一致させるために、
送信プロトコル管理部13を配置している。送信プロトコ
ルの一例は、後ほど第５図〜第７図を用いて詳しく説明
する。

該送信プロトコル管理部13の主要機能は、通信すべき
基地局から通信チャネルをまず割り当ててもらうため
に、通信確立用の信号を生成したり、暗号化方式の一致
を図るためのプロトコル信号の生成や暗号化方式の選定
等の制御機能を実行することである。即ち、列車の基地
局側に登録したり、通信すべき基地局を替えなければな
らない地点に来たことを列車制御処理部３から送信プロ
トコル管理部13が知らされると、第５図〜第７図で後ほ
ど説明するプロトコル信号を発生させ、列車制御処理部
３に返信する。さらに、プロトコル信号を通して、暗号
化方式が決定されると、暗号化キー選択部12に対して、
列車が在線しているエリアの暗号化方式を通知する。該
プロトコルを通して選定された暗号化方式で、暗号化部
９では送信すべき情報信号を暗号に変換することになる
が、本発明では、単一の暗号化方式だけではなく、複数
の暗号化方式をサポートすることも特徴としているの
で、暗号化キー選択部12で、プロトコル信号を通して取
り決めた方式を、複数暗号キー選択部11にも通知して、
複数暗号キー管理部11から選択して使用する方式になっ
ている。

通常の制御データ通信中はこのように複数の暗号化方
式を用いて秘匿性を向上させており、列車制御処理部３
の下、前述したように本発明の特徴であるプロトコル信
号を用いて動的に暗号方式を変えることができ、かつ列
車毎に異なる組合せで通信できるので、固定的に暗号を
用いる方式に比較して、格段に秘匿性が高められてい
る。

また、送信プロトコル管理部13の特徴として、後ほど
第５図を用いて機能的に詳しく説明するが、列車の基地
局側への登録プロトコル通信において、無線基地局制御
側から配信されたIDコードを蓄積する機能を持ってい
る。当該列車の運行が終了し電源を落としたり、他の列
車制御システムに移動する場合、固定的に定められる列
車番号に加えて、該登録時の特定IDコードを、基地局側
に発信するプロトコルもサポートしている。詳しくは、
第５図の説明の部分で述べる。

符号化部８では無線通信で取り決められた符号に変換
し、情報変調部７で変調した後、スペクトル拡散変調処
理を実施する。スペクトル拡散通信そのものにも情報秘
匿機能があることが知られているが、拡散変調部６から
RF送信部４までは、既に述べたようにデジタル集積回路
やパワーアンプ等のアナログハード部品を用いて構成す
るものである。アプリケーションで秘匿機能を実現する
には、拡散する前に暗号化する必要があり、本方式で
は、プロトコル通信を使用して、最終ユーザが独自の秘
匿機能を容易に実現できるようにしている。

移動する列車に設置された移動局が送信側であれば、
受信側は第２図に示す基地局40や41である。しかし、通
信機は基地局，移動局共に送受信機能を装備しているの
で、ここでは、受信機能についても第１図の移動局のブ
ロック図を用いて説明する。

受信動作は、送信された無線信号を、アンテナ28を通
して受信することから開始される。受信されたRF信号
は、RF受信部14で適切なフィルタリングやレベル調整等
を受ける。周波数変換部15で、拡散符号の同期を取りや
すい周波数帯域に信号の周波数帯域を変換し、拡散復調
部16で、拡散送信される前の情報変調波を再現する。拡
散復調部16で変調情報波を再現するには、変調送信側の
拡散信号と正確に拡散復調用符号パターンを同期させる
必要がある。そのために、拡散符号同期部21と拡散符号
発生部22が具備されている。同期監視部20では、拡散符
号の同期状態を監視して、同期外れが発生した場合は、
初期引込みのやり直しを指示したり、さらに、監視結果
が列車制御処理部３へ出力され、後述する誤り監視部24
からの出力と共に送信側の装置異常や、自装置の故障検
知に利用する。該機能は、後ほど第３図を用いて詳しく
説明する。

逆拡散された信号は、情報復調部17に入力される。情
報復調された信号は、復号化部18でハイレベルデータリ
ンクコントロール（HDLC）方式などのフォーマットでフ
レーミング化された信号から、情報信号のみを正しく復
元する。復号化は、差動符号化された信号を元の情報に
戻したり、誤り検出したり、送信側と取り決めた信号処
理方式で正しく行う。本実施例では、通信誤りパターン
を受信側で観測する必要があるので、HDLC等のフォーマ
ットでの誤り検出は必須である。本方式は、ローカルエ
リアネットワーク（LAN）通信やファクシミリ通信で一
般的に実施されている方式でもある。本システムでも、
これらの方式に準拠して誤り検出できるものとしてい
る。この誤り検出は、誤り検出部23で実行し、誤り監視
部24で、誤り状況を監視する。該出力は、列車制御処理
部３へ出力され、スペクトル拡散復調の同期監視部から
の出力と共に、送信側の装置異常や、自装置の故障検知
に利用される。

誤りなく復号された信号は、暗号解読部19に送られ、
平文信号に変換される。送信側の機能説明で記述したよ
うに、本発明の方式では、複数の暗号化方式を使用する
ことを前提としているので、複数暗号復号キー管理部26
から復号キーを選定し、復号キー同期化部25で、正しく
復号キーを同期化させ、暗号解読部19で平文情報に変換
して、列車制御処理部３に出力する。暗号化方式の一致
を図るためのプロトコル信号の管理や、通信すべき基地
局との通信チャネルの管理等をするために、受信プロト
コル管理部27が設けられている。該プロトコルを通して
選定された暗号化方式で、暗号解読部19では解読処理を
実行することになる。

また、受信プロトコル管理部27の機能としては、後ほ
ど第５図を用いて詳しく説明するが、地上側システム
が、緊急に制御対象の各列車に一斉通信したいときに用
いるコードの管理も行う。通常の制御データの通信は、
列車毎に暗号化方式が異なるので、基地局側から一斉に
データを流したい場合は、共通に認識できる信号を設定
する必要がある。該緊急用共通の信号は、基地局側で設
定するが、この緊急信号が固定的であると、意図的な妨
害者に容易になりすまされ妨害される危険性が高い。こ
の危険性を小さくするために、立ち上げプロトコル信号
上に、基地局側から動的に緊急情報を解読するための解
読コードの通信も設定している。当然であるが、ハンド
オーバーして、隣接無線基地局通信エリアに入る場合
は、ハンドオーバープロトコルを通して渡り先のエリア
の緊急情報コード解読キーを受け取ることになる。この
ように、通信エリアに列車が登録される最初のプロトコ
ル信号だけに、緊急信号通信用のコード解読キー情報を
載せることで、情報の漏洩の危険性を極力小さくしてい
る。

さらに、列車の登録では、一般的な手法である互いの
パスワードを交換することで、お互いの認証をとって登
録が正しいことは確認できるが、列車特有の条件で、制
御の切り離しは最も注意しなければならない。列車が存
在するにも係わらず、基地局側で存在しないものとして
制御してしまうことは、危険側の制御となってしまうの
で、切り離しには、妨害では列車を切り離すことができ
ない確実な手法が要求される。本発明では、列車側で動
的に指定する暗号のスクランブルで情報の秘匿が図られ
ているので、それだけでも殆どなりすまし的な妨害はな
いといえるが、制御からの消滅は最も高い保安度が要求
されるところであり、登録時に基地局側から列車に対し
て固有のIDを付与しておいて、消滅時には列車番号に加
えて該IDの一致がなければ、消滅を許可しないことにす
る。該無線基地局から指定されるIDの取得も、受信プロ
トコル管理部27の機能である。該取得したIDは、列車制
御処理部３を経由して、送信プロトコル管理部13に渡さ
れ、列車の運行が終了し、列車側から消滅要求を発信
し、基地局側で制御対象からの抹消処理が完了するま
で、ここで保持管理される。列車の登録，ハンドオーバ
ー，制御対象からの消滅プロトコルに関しては、後に第
５図，第６図および第７図を用いて詳しく説明する。

次に、第３図について、詳しく説明する。

第３図は、同期監視部20,誤り監視部24および列車制
御処理部３の内部の詳細を、通信路の悪化や通信機故障
を正しく判定するための機能部分について示したもので
ある。ブロック構成を第３図（１）に示している。判定
するために検査する信号は、RF受信部14の出力であるRF
受信信号，拡散復調部16の出力である拡散復調信号，誤
り検出部23の出力であるフレーム誤り判定フラグであ
る。前記３つの検査信号の信号処理について、ブロック
図を用いて、各々説明する。

RF受信信号は、電力算出部50でRF帯域内の電力が求め
られる。無線信号は、電磁雑音やフェージング等の影響
で瞬時変動が大きいので、安定した電力検出ができるよ
うに、平滑化フィルタ51を次に通して、RF帯域電力検出
基準値記憶部52の基準値と比較される。大小判定部53で
比較された結果は、RF受信電力あり又は電力なしとして
列車制御装置３内の通信状態判定部62に入力される。通
信状態判定処理部62の処理は、第３図（２）に示す判定
表に従って実行される。他の検査信号の説明後に、該表
の説明は述べる。

拡散復調信号は、逆拡散されて狭帯域信号に変換され
た信号であり、この信号帯域の電力だけを抜き出して電
力算出部55で算出できるように、始めにバンドパスフィ
ルタ（BPF）54で、不要帯域の信号を抑圧する。もし、
所望の変調波の受信が無かったり、逆拡散が送信側の位
相と同期していない場合には、BPFの通過帯域内に電力
の集中は生じず、広帯域に拡散されたままであるので、
BPF通過後の電力は小さいままである。即ち、この電力
を監視することで、所望の受信波が着信しているかどう
か判定できる。但し、無線通信であるので、RF帯域の電
力監視と同じで、瞬時変動は避けることができないた
め、平滑化フィルタ56を通した後、情報変調帯域電力検
出基準値記憶部57の基準値と比較する。大小判定部58で
比較された結果は、前段の大小判定部53の出力と同様に
列車制御装置３内の通信状態判定部62に入力される。

フレーム誤り判定フラグは、誤り監視部24内の連続誤
りフレーム計数部59に入力される。ここで何フレーム連
続して誤ったかが計数される。誤り検出は、誤り検出部
23で、HDLCフレーミングの誤りチェックシーケンスを用
いて検出できる。この検出結果のフラグを定期的に検査
し、誤りがあれば連続誤りカウンタを１増加させ、誤り
がないフレームが受信されたら、カウンタを０リセット
する。この計数値を予め設定しておいた連続誤り検出基
準値記憶部60の基準値と大小判定部61で比較する。比較
結果は、前述の大小判定部58の出力と同様に、列車制御
装置３内の通信状態判定部62に入力される。

通信判定処理部62の内部処理について第３図（２）お
よび第13図を用いて説明する。

通常の周数変調方式や角度変調方式等を用いた通信で
は、通信帯域内の電力を復調の拠り所としているが、ス
ペクトル拡散通信方式を使用することで、第３図（１）
の説明で記述したように検査信号が増加し、より正確に
無線通信路の状態や通信機器の状態までも、第３図
（２）の表の判定欄に列挙するように判定可能である。
No.1では、電波状態も良好であり連続誤りも発生してお
らず、列車運行に支障はない状態である。但し、単発誤
りが発生している可能性はある。該単発誤りも情報とし
て欲しい場合には、フレーム誤り判定フラグを直接通信
状態判定部62に入力して、運転士などに知らせることが
できる。No.2は、拡散同期も取れて、RF帯域の電力も検
出されているが、データだけが連続して誤っている。こ
のことから許容値以上の雑音等が混入している通信障害
が発生していると判断する。No.3は、RF電力は観測さ
れ、まだ連続フレーム誤りは検出されていないが、同期
ズレが発生していると考えられ、通信障害や妨害の前兆
があると判断する。No.4は、RF帯域の電力はあるが、拡
散符号の同期は取れていないし、誤りも連続して発生し
ているので、受信機故障か妨害波を受信していると判定
できる。No.5は、RF帯域の電力は消失したが、他は良好
であるのでフェージングや送信機異常による障害が発生
する前兆と判断できる。No.6は、受信機内で発生した異
常な信号に拡散復調がロックしていると判断できるの
で、受信機故障と判断する。No.7は、受信波が徐々に消
失していく過渡状態ととらえることができるので、通信
障害発生の前兆と判定する。No.8は、受信波を受けるべ
きところで全く機能していないことになるので、送信機
あるいは受信機故障と判断する。当然、受信波の到来が
ないところでは、この状態となり、機器異常から除外す
ることは言うまでもない。

以上第３図（２）の表のように判断することで、通信
障害なのか、機器異常なのかまで容易に判断できる。

尚、信号処理手法としては、メモリに、第３図（２）
の表をデータとして蓄積しておき表検索処理を行っても
良いし、処理装置63に組み込むマイクロプログラムで判
定させることも容易にできる。

第３図（２）の表で示すように、通信状態判定後は、
該判定にしたがって通常運転，縮退運転，注意運転，緊
急停止制御を処理装置63で実行する。送信機あるいは受
信機の機器異常と判定した場合は、他の列車の運行に対
する安全性確保，自列車の安全運転確保の観点から緊急
停止制御とする。

第13図は、前述した判定処理をフローチャートで示し
たものである。図中の判定処理結果の各項目の右肩に添
付したNo.は、第３図（２）の判定表のNo.に各々対応し
ている。本処理は、マイクロプロセッサ等にソフトウエ
ア処理をさせることで容易に判定できる。

処理装置63は、通信状態判定以外にも、運転制御部64
で行う処理等、他の制御のための様々な処理を実行す
る。例えば、速度発電機と時間との積から列車位置を検
出したり、受信した運転制御情報47に従ってブレーキを
コントロールしたり、運転台に様々な情報を表示したり
する。本機能を達成する処理部に関しては、特に細かく
図示しない。

次に、第４図以降を用いて、本発明の秘匿通信性を高
めるポイントと、列車運転の信頼性の確保技術について
説明する。

第４図から第８図までは、本発明が提案する秘匿性の
高い暗号通信方式と通信プロトコルを用いて列車追跡に
おける保安度の向上方式のポイントを示している。

第４図に暗号化部９の詳細を示す。列車制御処理部３
の出力である送信平文情報74が、暗号化部９に入力され
るが、暗号化部９では、暗号キー選択部12の出力に従っ
て、受信側と取り決められた暗号化鍵０で暗号化機a70,
暗号化鍵１で暗号化機b71,暗号化鍵２で暗号化機c72を
動作させて暗号化する。

暗号化方式の送信側と受信側の取り決めは、後ほど第
５図を用いて説明する。

暗号化機で行う暗号化処理は、一般的に周知の暗号化
方式であるDES（Data Encryption Standerd）方式等で
暗号の種を変更したものや、その他、使用者がビットを
並べ替えるために独自に多項式演算を利用したもの等が
用いられる。これらが独立して平文情報74を第８図に示
す暗号情報のように、暗号化機a70の出力であるビット
列暗号情報a75,暗号化機b71の出力であるビット列暗号
情報b76,暗号化機c72の出力であるビット列暗号情報c77
として出力する。各出力は、やはり送受信間で取り決め
られた合成鍵に従って、合成機73で第８図に示すように
部分的に切り取られ合成される。該合成機73の出力が、
送信暗号情報78として符号化部８に出力される。合成さ
れた送信暗号情報78は、３つの独立した暗号方式で暗号
化され、かつプロトコル信号で取り決められた任意の長
さで部分合成されており、解読に対する耐性が大きく向
上した暗号信号となって送信されることになる。

ここでは、暗号化機が３機の場合を示したが、暗号化
機が３機である必要はなく、数に制約はない。制御に使
用するプロセッサの信号処理性能上の制約と、要求コス
トから適切な個数を設定すればよい。また、全ての出力
を常に使用する必要もなく、幾つかの出力は使用しない
方式でも秘匿性は確保できる。即ち、内蔵暗号化機の組
合せ方にそれだけ選択肢が増加するので、妨害者にとっ
ては困難さが増加する結果となる。尚、第８図中の各信
号の0,1パターンは、説明のために形式的に示したパタ
ーンであり、特別意味のあるパターンではない。また、
アスタリスク（＊）は、使用しない暗号情報を単に示し
ているものである。

次に、列車追跡における保安度の向上方式について説
明する。保安に関して最も重要なことは、全ての列車位
置を漏れなく基地局側で正確に把握することである。本
発明のシステムで制御される各列車は、基地局との通信
で取り決められたプロトコルに従って、規定の手続きを
踏まなければならない。

第５図は、運転開始時の基本プロトコル信号の授受を
示している。各局の下の縦線方向に時間が進行し、矢印
で示す情報が授受される。まず、列車の運転開始時に、
基地局側装置に運転を開始するための登録要求と、前段
で説明したように、本発明の特徴である通常通信の暗号
化方式の通知を、第１図で示した送信プロトコル管理部
13の指示により、アンテナ28を通して、列車である移動
局側が出力する。次に、悪戯による登録要求を排除する
ために、基地局側は認証要求信号を出力する。次に、移
動局側の送信プロトコル管理部13の管理の下送信された
証明信号が期待値と一致すれば、登録を承認したこと、
及び、本発明の特徴である緊急通信の解読コードと、登
録毎に異なる登録IDを基地局側が送信し、登録プロトコ
ルは終了する。

尚、基地局側から送信されるこれらのプロトコル信号
は、後ほど第12図を用いて説明する基地局側の送信プロ
トコル管理部101の指示で、信号が生成され出力される
ものである。

初期登録時の通信プロトコルについても秘匿性を高め
ようとすれば、システムでデフォルトの暗号化方式を用
いればよいし、さらに秘匿性を高めるためには、デフォ
ルトの暗号化方式も、日時等で変更できるように取り決
めておけば、さらに秘匿性を高めることができる。

登録IDを受信した移動局側は、第４図に示す送信プロ
トコル管理部13の機能であるプロトコル信号管理部90で
管理されている列車登録ID保管部91に、登録IDを保管す
る。

第６図は、列車運転終了時の基本プロトコル信号の授
受を示すものである。該保管したIDは、第６図に示す列
車運転終了時に、プロトコル信号管理部90からの指令で
列車を制御対象から除外する消滅要求プロトコル信号
に、固定的に割り付けられる列車番号と共に、自分を証
明するさらなる保証として付加される。該消滅要求プロ
トコル信号を受信した基地局側装置は、第12図で示す受
信プロトコル管理部103でプロトコル信号を判断し、送
信プロトコル信号管理部101の指示で第６図に示す消滅
許可信号を送出する。前記登録IDは、列車の運転開始時
に、基地値局側から動的に割り付けられるものであり、
妨害者が列車を装って登録から外そうとしても、該列車
番号に割り付けられたIDを知りえることは不可能に近
く、妨害される可能性はないに等しいので、高い保安度
で運転終了処理を行える。なお、後述のように、登録ID
はハンドオーバー時に基地局から移動局に新たに付与さ
れた登録IDを用いることもできる。この場合、消滅要求
時に用いる登録IDは、列車運転中に移動局に付与された
どの登録IDを用いても良い。

第７図は、移動局が通信する基地局を変更しなければ
ならない場合、即ちハンドオーバー処理時の基本プロト
コルを示している。第２図に示した例で、列車42が右に
進行し、基地局40から基地局41へと通信基地局を変更す
る場合を示している。システム全域を１つの無線基地局
でカバーできれば、ハンドオーバー処理はシステム構成
上必須となる処理ではない。しかし、通信ゾーンを区切
りチャネルを繰り返し使用する方式は、制御エリアを効
率よく広げることができ、無線電波資源の有効利用の観
点から、携帯電話等のシステムで用いられている。この
通信しながらゾーン渡りを行う動作が、ハンドオーバー
である。

列車上の移動局42は、ハンドオーバー領域に来ると、
第１図で示した送信プロトコル管理部13の指示でハンド
オーバープロトコルを起動し、現在通信中の基地局40に
対して、ハンドオーバー要求を出力する。ハンドオーバ
ー要求を受けた基地局40は、第２図に示すように有線あ
るいは無線で基地局相互に結ばれた通信回線を通して、
隣接する基地局である基地局41に、移動局42を搭載した
列車が基地局41の通信領域に進入することを列車番号と
登録IDで知らせ、かつ通信チャネル確保要求を出力す
る。該要求を受けた基地局41は、チャネルを確保し、該
チャネルを基地局40に通知する。この基地局相互の通信
に関する構成は、図示していないが、基地局40,41内の
第12図に示す基地局制御部104による制御の下、基地局
間で情報を授受している。基地局40は、基地局41で通信
チャネルが確保できたことを基地局制御部104が認識す
ると、送信プロトコル管理部101の制御により列車上の
移動局42に通知する。

続いて、受信側となる列車では、第１図に示す移動局
側の通信装置内の受信プロトコル管理部27で、該応答信
号を受信したことを検知すると、送信プロトコル管理部
13を起動し暗号化方式と、列車番号と登録IDを送信す
る。基地局側では、該送信されてきた信号内の列車番号
と登録を、既に基地局間通信で基地局41に通知されてい
た列車番号と登録IDを用いて第12図に示す受信プロトコ
ル管理部103で照合して、一致したことを確認して緊急
通信解読コードを移動局に送信する。さらに、基地局41
は、以上のようなプロトコルで列車が自ゾーンにハンド
オーバーされたことを確認した後、第12図の基地局制御
部104の制御に基づいて、列車が在線していた前の基地
局である基地局40にハンドオーバーが完了したことを通
知して、ハンドオーバープロトコル信号の授受を終了す
る。

また、ハンドオーバー時においても、登録時と同様に
基地局が登録IDを新たに移動局に付与するようにしても
よい。

このように、ゾーン渡りが必要な場合も、列車番号と
登録IDを通信して、列車になりすまして登録を行おうと
する妨害者を排除する処理を組み込んでいる。このよう
に基地局渡りでも、使用する暗号化方式を移動局からゾ
ーン渡り先の基地局に通知し、動的に暗号化方式を設定
できるので、ハンドオーバー毎に暗号化方式を変更でき
ることになり、秘匿性が高くなっている。さらに、緊急
通信解読コードも、基地局装置毎に任意に設定できる緊
急通信解読コードが渡されるため、このコードも結果的
に動的に変更されることになり、悪戯等で妨害される危
険性は少なくなっている。

第９図は、暗号化された信号を復号化機のブロック構
成を示している。復号化部18の出力である受信暗号情報
85が、暗号解読部19に入力されるが、暗号解読部19で
は、復号キー同期化部25の出力に従って、送信側と取り
決められた復号鍵０で復号化機a80,復号鍵１で復号化機
b81,復号鍵２で復号化機c82を動作させて復号化する。
即ち、受信暗号情報85は、第10図に示すように、復号化
機a80の出力であるビット列復号化情報a86,復号化機b81
の出力であるビット列復号化情報b87,復号化機c72の出
力であるビット列復号化情報c88を出力する。これらの
出力は、各々復号すべき平文の一部分のみの信号である
ので、正しく整列させる必要がある。この整列する処理
が、整列機83で実行される。即ち、各出力は、やはり送
受信間で取り決められた整列鍵に従って、整列機83で第
10図の暗号情報のように、部分的に切り取られ整列され
る。該整列切83の出力が、復号平文情報89として列車制
御処理部３に出力される。ここでは、復号化機が３機の
場合を示したが、特に３機に限る必要はなく、数に制約
はないが、送信側で具備する暗号化機の数と合わせて装
備すればよい。送信側と同じく、性能やコストを考えて
装備することになる。尚、図中の各信号の0,1パターン
では、説明のために形式的に示したパターンであり、特
別意味のあるパターンではない。また、アスタリスク
（＊）は、使用しない暗号情報を単に示しているもので
ある。

また、第８図および第10図では部分的な暗号が、順序
立てて区切られている場合のみ示したが、必ずしもその
必要はなく、１つの暗号化方式が、平文の中で離散的に
用いられても構わない。これらの取り決めは、全て前述
したプロトコル信号の中で取り決められる。

暗号解読部19では、本発明の特徴となるもう１つ重要
な機能を実現している。それは、緊急コードの解読であ
る。ここで緊急コードとは、たとえば列車を緊急に停止
させるための、列車に緊急に送信する必要がある指令コ
ードである。解読するためには、緊急コード解読鍵が必
要である。鍵の取得は、第５図で示したプロトコル信号
の中で、基地局40から送られる緊急通信解読コードを受
信プロトコル管理部27で認識し、該解読コードを緊急コ
ード解読鍵登録部95に登録することで行っている。該登
録された鍵を用いて、緊急コード解読部96で、受信した
情報を解読する。緊急コード解読鍵は、固定的に与えら
れているのではなく、第５図および第７図で示すよう
に、列車の運転開始時やハンドオーバー処理時に設定さ
れ、それ以外の通常の運転制御情報通信を傍受しても、
妨害者は知ることができないので、妨害者に緊急コード
が漏洩する機会は殆どなく、妨害信号を作り出せる確率
は殆どないに等しいシステムとなっている。

第11図は、緊急コード通信時のシステムの状態を模擬
的に示した図である。即ち、基地局40の制御下にある列
車の移動局42,43は、緊急コードａを受信するように設
定され、基地局41の管理下にある列車の移動局48は、緊
急コードｂを受信するように設定される。これらの緊急
コードの設定が、立ち上げ時、及びハンドオーバー時に
基地局側から、プロトコル信号を通して第５図および第
７図に示すように列車側に伝達されるわけである。

次に、基地局通信装置の一実施例を表すブロック図を
第12図に示す。第１図と同じ符号を付した部分は、第１
図と同じ構成となっている。基地局側の送信部100と受
信部102は、概ね第１図に示した移動局の送信部１及び
受信部２と同じであるが、送信プロトコル管理部101
と、受信プロトコル管理部103の機能の内容が、各々送
信プロトコル管理部13,受信プロトコル管理部27と若干
異なる。第５図〜第７図で示したように、基地局側で送
受信するプロトコル信号と、移動局側で送受信するプロ
トコル信号が異なるためである。このプロトコル処理の
違いが、送信プロトコル管理部101と、受信プロトコル
管理部103の機能の内容と、第１図に示す送信プロトコ
ル管理部13と、受信プロトコル管理部27との差異であ
る。また、基地局側は、該基地局がカバーするエリア内
に複数の列車が存在する場合もありえるので、多チャネ
ルをサポートする必要があるが、ここでは多重化制御は
特に詳細に説明しない。多重化方式は、時分割，周波数
分割，符号分割の各多重化方式で充分に実現可能であ
る。システム構成上の問題であるが、前述のように基地
局装置は複数列車と交信する必要があるので、初期通信
の確立要求，ハンドオーバー要求、さらに暗号化方式や
鍵の決定を促すプロトコル信号の最初のトリガ信号の発
信は、移動局から始める方が、基地局制御負荷が低減
し、負荷バランスがよい。

以上述べた実施例によれば、スペクトラム拡散通信技
術等を効果的に使用し、より確実，高信頼に通信状態や
機器異常の判定ができるので、通信状態に合わせて列車
の適切な制御が、容易かつ確実に実現できる効果があ
る。

さらに、暗号化技術を鉄道通信の高い保安性に合わせ
て堅牢な方式としているので、部外者からの妨害に強
く、高信頼な無線通信列車制御システムを実現できる。

緊急情報の解読や、列車の登録抹消などを、動的に設
定できる方式としているので、無線通信を利用しても妨
害に強く高い保安度で、安定した列車運行を実現できる
効果がある。

また、システム全体としての負荷バランスも考慮して
システム構成しているので、コストパフォーマンスよく
システムを実現できる効果もある。

さらに、列車運行が無線を使用しても保安性高く実現
できることから、従来に劣らないシステムを路側機器を
少なく、低コストで実現できる効果がある。さらに、路
側機器が少ないので、メンテナンス費用も少なく実現で
きる効果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−350503（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−95654（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−203540（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−164640（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−316899（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B61L 23/14 B61L 3/12 H04B 1/69 H04L 29/06 H04Q 9/00 311

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無線基地局と列車に搭載された無線移動局
   とで情報信号を交信し、この情報信号によって列車の走
   行を制御する列車制御方法において、 前記無線基地局および前記無線移動局間でスペクトラム
   拡散通信を行い、 前記無線基地局および前記無線移動局の少なくとも一方
   で、無線帯域の受信信号電力と、スペクトラム拡散パタ
   ーンに同期した逆拡散処理後の信号電力と、受信信号を
   フレーム化する際に検出したフレーム誤りパターンとを
   入力として、無線通信正常，無線通信障害，無線機器故
   障のいずれの状態であるかを判定することを特徴とする
   無線による列車制御方法。
2. 【請求項２】請求の範囲１に記載の列車制御方法におい
   て、前記判定で無線機器故障と判定した場合には、列車
   を緊急停止させるよう制御することを特徴とする無線に
   よる列車制御方法。
3. 【請求項３】ある通信エリアをカバーする複数の無線基
   地局と列車に搭載された無線移動局とで情報信号を交信
   し、この情報信号によって列車の走行を制御する無線に
   よる列車制御方法において、 前記無線基地局および前記無線移動局のそれぞれに前記
   交信に関する複数の暗号化手段を備えておき、列車に搭
   載した前記無線移動局の立ち上げ時および無線移動局が
   通信する無線基地局を変更するハンドオーバー処理時
   に、無線移動局と無線基地局との間で暗号方式の一致を
   図るプロトコル通信を実行することを特徴とする無線に
   よる列車制御方法。
4. 【請求項４】請求の範囲３に記載の列車制御方法におい
   て、列車に搭載する無線移動局が無線移動局と無線基地
   局との間で使用する暗号方式を決定し、列車に搭載する
   無線移動局が送受信間で暗号処理の一致を図るプロトコ
   ル通信の最初のトリガ信号を発することを特徴とする無
   線による列車制御方法。
5. 【請求項５】ある通信エリアをカバーする複数の無線基
   地局と列車に搭載された無線移動局とで情報信号を交信
   し、この情報信号によって列車の走行を制御する列車制
   御方法であって、列車の緊急停止情報を緊急コードとし
   て前記無線基地局から前記無線移動局に通信するものに
   おいて、 列車に搭載した前記無線移動局の立ち上げ時および無線
   移動局が通信する無線基地局を変更するハンドオーバー
   処理時に、前記緊急コードの解読コードを無線基地局か
   ら無線移動局に通信することを特徴とする無線による列
   車制御方法。
6. 【請求項６】無線基地局と列車に搭載された無線移動局
   とで情報信号を交信し、この情報信号によって列車の走
   行を制御する無線による列車制御方法において、 列車の運転開始登録時に、前記無線基地局から前記無線
   移動局に運転開始登録毎に異なる登録IDを送信して付与
   し、 列車の運転終了時に、前記登録IDを前記無線移動局から
   前記無線基地局に送信して、 運転終了の列車について運転終了時の登録IDと運転開始
   登録時の登録IDとが一致したとき、当該列車を確認列車
   の制御対象から抹消することを特徴とする無線による列
   車制御方法。
7. 【請求項７】ある通信エリアをカバーする複数の無線基
   地局と列車に搭載された無線移動局とで情報信号を交信
   し、この情報信号によって列車の走行を制御する無線に
   よる列車制御方法において、 列車に搭載した前記無線移動局の立ち上げ時および無線
   移動局が通信する無線基地局を変更するハンドオーバー
   処理時に、前記無線基地局から前記無線移動局に毎回異
   なる登録IDを送信して付与し、 列車の運転終了時に、付与された前記登録IDのうちの少
   なくとも一つを前記無線移動局から前記無線基地局に送
   信して、 運転終了の列車について運転終了時の登録IDと前記少な
   くとも一つの登録IDとが一致したとき、当該列車の確認
   列車の制御対象から抹消することを特徴とする無線によ
   る列車制御方法。
8. 【請求項８】無線基地局と、列車に搭載され前記無線基
   地局と交信を行う無線移動局と、列車に搭載され前記無
   線移動局で受信した信号に基づいて列車の走行を制御す
   る列車制御部とを有する無線列車制御システムにおい
   て、 前記無線基地局および前記無線移動局は、スペクトラム
   拡散通信を行う制御部を有し、 前記無線基地局および前記無線移動局の少なくとも一方
   に、無線帯域の受信信号電力と、スペクトラム拡散パタ
   ーンに同期した逆拡散処理後の信号電力と、受信信号を
   フレーム化する際に検出したフレーム誤りパターンとを
   入力して、無線通信正常，無線通信障害，無線機器故障
   のいずれの状態であるかを判定する判定手段を備えたこ
   とを特徴とする無線列車制御システム。
9. 【請求項９】請求の範囲８に記載の無線列車制御システ
   ムにおいて、前記判定手段が無線機器故障を判定した場
   合には、前記判定手段は前記列車制御部へ列車緊急停止
   の信号を出力することを特徴とする無線列車制御システ
   ム。