JP5254261B2

JP5254261B2 - 車上制御装置

Info

Publication number: JP5254261B2
Application number: JP2010026601A
Authority: JP
Inventors: 毅頼重; 由英永次; 潔越後; 直樹柴田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: JP2011162046A

Description

本発明は、自列車の位置を演算し、地上からの制御情報に基づいて算出した制限速度と自列車速度との速度照査を行ない、自列車速度が制限速度を超過した場合にブレーキ出力を行う車上制御装置の技術に関する。

従来のＡＴＣ（Automatic Train Control）装置は、特許文献１に示すように、軌道側から送信される周波数変調されたＡＴＣ信号を受信し、この信号の表わすＡＴＣ制御速度を判別する受信部と、この制限速度と速度発電機で検出された車両速度とを比較し、車両速度が制限速度を超過した際にＡＴＣブレーキ指令を発する速度照査部とから構成する。受信部、速度照査部ともに非同期方式２重系により、演算結果の比較照合を実施することでフェールセーフ装置を実現してきた。

さらにデジタルＡＴＣでは、地上から車上へ送信する信号をデジタル情報とする事で、停止する軌道回路を地上システムから列車に送信することを可能とする。デジタルＡＴＣの車上制御装置では、デジタル信号を受信可能とした受信部と速度照査部に加え、車両性能や路線条件をもとに停止点に停止する一段階のブレーキ曲線を作成する演算部を設けることで、列車の時隔短縮や乗り心地向上を図ってきた。

この演算部におけるソフトウェア処理には高信頼化・高安全化が求められており、演算部にバス照合同期方式２重系構成を採用することで、ソフトウェア演算の信頼性を上げている。

特公平４−４６０４４号公報

バス照合同期方式２重系の演算部と、非同期方式２重系の速度照査部で構成したＡＴＣ制御部において、演算部は速度算出を行い制限速度を導出する機能を有するため、演算部にクロックを供給する水晶発振器が異常となり速度認識を誤った場合、誤った制限速度を速度照査部に出力してしまい危険側事象となる。

一方、速度照査部にクロックを供給する水晶発振器が異常となり、誤った周波数から基準周波数の生成を行い速度照査に至った場合、こちらも危険側事象となる。

そこで、２重系演算部と２重系速度照査部にクロックを供給する各水晶発振器の故障を検出することが課題である。

本発明では、ＡＴＣ受信部とバス照合同期方式２重系の演算部と非同期方式２重系の速度照査部とを備えた車上制御装置において、前記バス照合同期方式２重系の演算部をマスタとし、前記非同期方式２重系の速度照査部をスレーブとし、前記演算部の両系演算部が各系速度照査部に周期的にかつ交互にアクセスすることで、前記バス照合同期方式２重系の演算部と前記非同期方式２重系の速度照査部とを同期させ、前記非同期方式２重系の速度照査部は、前記バス照合同期方式２重系の演算部からのアクセスの度に速度照査を行い、その結果に基づき故障検知交番信号を出力し、前記非同期方式２重系の速度照査部は、この故障検知交番信号をフィードバック取り込みし、前記バス照合同期方式２重系の演算部からの周波数範囲情報を基に基準周波数を生成し、交番信号のフィードバック信号の周波数が周波数範囲情報の範囲内にあるか否かの照査判定を行うことにより、前記バス照合同期方式２重系の演算部もしくは前記非同期方式２重系の速度照査部にクロック供給する各水晶発振器の周波数変動異常を検出する。

本発明によれば、演算部にクロック供給する水晶発振器が異常となり周波数変動した場合、演算部から速度照査部へのアクセス周期が変動するため、演算部から速度照査部へのアクセスに伴い出力される交番信号の周波数も変動する。速度照査部では、交番信号のフィードバックを取り込み、周波数が許容範囲内であることを周波数照査機能を用いチェックする。この時の基準周波数は、速度照査部にクロック供給する水晶発振器から生成されるため、演算部にクロック供給する水晶発振器とは別のクロックを基準とした周波数との周波数照査となり、演算部にクロック供給する水晶発振器の異常発振が検出できる。

逆に、速度照査部にクロック供給する水晶発振器が異常となり周波数変動した場合においても、フィードバック交番信号と照査するための速度照査部で生成する基準周波数が正しくないため、周波数上限値と下限値の間から、比較対照の演算部クロックを元に生成したフィードバック交番信号の周波数が外れてしまい、クロック異常が検出できる。

これにより、演算部と速度照査部のいづれかのクロック異常に伴う、危険側事象を防ぐことが可能となる。

図１は本発明の実施例１の車上ＡＴＣシステムを搭載した車両を示す図である。図２は本発明の実施例１のＡＴＣ演算部とＡＴＣ速度照査部を備えた車上ＡＴＣシステムの全体構成を示す図である。図３は本発明の実施例１のＡＴＣ演算部の構成を示す図である。図４は本発明の実施例１のＡＴＣ速度照査部の構成を示す図である。図５は本発明の実施例１のＡＴＣ演算部とＡＴＣ速度照査部の接続関係を示す図である。図６は本発明の実施例１の車上ＡＴＣシステムにおけるＡＴＣ演算部からＡＴＣ速度照査部へのアクセスフロー図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明の受信部、演算部、速度照査部で構成される車上ＡＴＣシステムについて、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施例１の車上ＡＴＣシステムを搭載した車両を示している。ＡＴＣ受信部１３は、ＡＴＣ送信部１１が軌道回路１８に送信するＡＴＣ信号を、受電器１９から受信し、ＡＴＣ信号から列車制御情報を抽出しＡＴＣ演算部１４へ出力する。

ＡＴＣ演算部１４は、列車制御情報に加え、車両性能や路線条件をもとに停止点に停止する一段階のブレーキ曲線を作成し、列車の現在位置に対する制限速度情報を算出し、ＡＴＣ速度照査部１５へ出力する。

ＡＴＣ速度照査部１５は、速度発電機１６から検出した列車速度と制限速度を比較し、列車速度が制限速度を超過する場合にブレーキ出力を行う。ＡＴＣ受信部１３、ＡＴＣ演算部１４、ＡＴＣ速度照査部１５のいづれかで故障検知をおこなった場合には、故障検知交番信号の交番出力が停止し、車上ＡＴＣシステムは安全側動作となる。

次に、本発明のＡＴＣ演算部２０２とＡＴＣ速度照査部２０３を含む車上ＡＴＣシステムの全体構成について、図２を用いて説明する。

図２において、ＡＴＣ演算部２０２は、ＡＴＣ受信部２０１からの列車制御情報に基づき制限速度を算出するバス照合同期方式２重系のマイコン２０９とバス照合同期方式２重系のマイコン２０９へクロックを供給する水晶発振器（ＸＬ１）２１１で構成する。

また、ＡＴＣ速度照査部２０３は、ＡＴＣ演算部２０２からの制限速度情報と列車速度を周波数照査する非同期方式２重系のＬＳＩ２１２と、非同期方式２重系のＬＳＩ２１２へクロックを供給する水晶発振器（ＸＬ２）２１７で構成する。

図３は、本発明の実施例１のＡＴＣ演算部２０２の構成を示す図である。図３において、ＡＴＣ演算部の２重系のマイコン２０９内部は、列車速度のパルス情報をカウントするタイマ_Ａ２０５ａ、タイマ_Ｂ２０５ｂ、データの一時格納に用いるＲＡＭ_Ａ２０６ａ、ＲＡＭ_Ｂ２０６ｂ、列車速度から位置を算出し、ＡＴＣ受信部２０１からの列車制御情報に基づき、制限速度を算出するＣＰＵ_Ａ２０７ａ、ＣＰＵ_Ｂ２０７ｂ、そして、Ａ系ローカルバス２１０ａ、Ｂ系ローカルバス２１０ｂ上のデータをバス照合するバス照合回路２０８によって構成する。

バス照合回路２０８で、バス照合不一致を検出した際には、ＣＰＵ_Ａ２０７ａ、ＣＰＵ_Ｂ２０７ｂにエラー信号を出力し、ＡＴＣ演算部２０２の２重系双方の演算処理を停止する。

図４は、本発明の実施例１のＡＴＣ速度照査部の構成を示す図である。図４において、ＡＴＣ速度照査部２０３は、ＡＴＣ演算部２０２からの制限速度と列車速度を周波数照査する非同期方式２重系のＬＳＩ２１２と、ＬＳＩ２１２へクロックを供給する水晶発振器（ＸＬ２）２１７で構成する。

２重系のＬＳＩ２１２内部は、ＡＴＣ演算部２０２からの制限速度情報データを一時格納するＤＰＲＡＭ_Ａ２１３ａ、ＤＰＲＡＭ_Ｂ２１３ｂ、制限速度情報から照査用のパルス（基準周波数）を発生するパルス発生回路_Ａ２１４ａ、パルス発生回路_Ｂ２１４ｂ、列車速度のパルス周波数と基準周波数を比較照査しブレーキ出力を判定する周波数照査回路_Ａ２１５ａ、周波数照査回路_Ｂ２１５ｂ、そして２重系周波数照査回路の照査結果を照合する照合出力回路２１６によって構成する。照合出力回路２１６にて、２重系出力の結果が比較不一致となる場合は、故障検知交番信号の交番を停止する。

ここで、バス照合同期方式２重系のＡＴＣ演算部２０２と非同期方式２重系のＡＴＣ速度照査部２０３の同期方法について説明する。

図５に示すように、ＡＴＣ演算部２０２とＡＴＣ速度照査部２０３の接続は、ＡＴＣ演算部２０２の各系ローカルバスに、ＡＴＣ速度照査部２０３の各系ＤＰＲＡＭを接続するが、ＡＴＣ演算部２０２のＣＰＵが独立して各系のＤＰＲＡＭにアクセスすると、ＡＴＣ速度照査部２０３が非同期方式２重系であるがゆえに、ＡＴＣ演算部２０２からＡＴＣ速度照査部２０３の各系ＤＰＲＡＭへのアクセスの際に、ＡＴＣ演算部２０２のバス照合回路２０８においてバス照合不一致となり動作することができない。

そこで、ＡＴＣ演算部２０２をマスタ、ＡＴＣ速度照査部２０３をスレーブとしたうえで、ＡＴＣ演算部２０２の両系ＣＰＵのソフトウェア処理が、ＡＴＣ速度照査部２０３の各系ＤＰＲＡＭに交互にアクセスする方式により、バス照合同期方式２重系のＡＴＣ演算部２０２と非同期方式２重系のＡＴＣ速度照査部２０３の同期をとる。

ＡＴＣ速度照査部２０３の各系は、ＡＴＣ演算部２０２からのデータ更新に合わせ、速度照査を行う。各系の速度照査結果であるブレーキ出力は、速度照査部の照合出力回路２１６にて照合される。この時、速度照査を行なうと、故障検知交番信号の交番を反転させる。ＡＴＣ演算部２０２からＡＴＣ速度照査部２０３へのアクセスは、ＡＴＣ演算部２０２の内部カウンタによってカウントしたタイミングにより一定周期で行うことにより、ＡＴＣ速度照査部２０３からの故障検知交番信号は一定周波数の交番信号を出力する。

この交番信号は、マスタであるＡＴＣ演算部２０２からスレーブであるＡＴＣ速度照査部２０３へのアクセス周期により、周波数が決まる。

上記、ＡＴＣ演算部２０２とＡＴＣ速度照査部２０３の同期処理により、ＡＴＣ演算部２０２のバス照合回路２０８にてバス照合不一致を検出した際には、バス照合回路２０８からＣＰＵ_Ａ２０７ａとＣＰＵ_Ｂ２０７ｂにエラー信号が送信され演算動作を停止する。

この時、ＡＴＣ速度照査部２０３への周期アクセスが停止するため、ＡＴＣ速度照査部２０３からの故障検知交番信号が停止し、車上ＡＴＣシステムは安全側動作に至る。また、ＡＴＣ速度照査部２０３において、照合出力回路２１６にて、周波数照査結果の比較照合不一致が検出された場合においても、照合出力回路２１６から出力される故障検知交番信号の交番が停止することにより、安全側動作に至る。

さらに、本発明のバス照合同期方式２重系のＡＴＣ演算部２０２と非同期方式２重系のＡＴＣ速度照査部２０３の同期方法について、詳細を図６のＡＴＣ演算部からＡＴＣ速度照査部へのアクセスフロー図に基づき説明する。

（１）ステップＳ６０１において、ＡＴＣ演算部２０２のＣＰＵ_Ａ２０７ａ、ＣＰＵ_Ｂ２０７ｂは、算出した制限速度情報をＡＴＣ速度照査部２０３のＤＰＲＡＭ_Ａ２１３ａに出力する。この時、ＣＰＵ_Ａ２０７ａ、ＣＰＵ_Ｂ２０７ｂの出力はバス照合回路２０８で照合される。照合不一致の場合は、ＡＴＣ速度照査部２０３への出力は停止されるため、ＡＴＣ速度照査部２０３からの故障検知交番信号が停止する。

（２）ステップＳ６０２において、ＡＴＣ速度照査部２０３のＡ系は、水晶発振器（ＸＬ２）２１７からＬＳＩに供給されるクロックを用いて、パルス発生回路_Ａ２１４ａにて制限速度情報から基準周波数を生成する。

（３）ステップＳ６０３において、ＡＴＣ速度照査部２０３のＡ系は、周波数照査回路_Ａ２１５ａで列車速度周波数と基準周波数を照査し、ブレーキ出力を行う。

（４）ステップＳ６０４において、ＡＴＣ速度照査部２０３のＡ系の周波数照査回路_Ａ２１５ａは、速度照査を終えると、故障検知交番信号の交番を反転する。

（５）ステップＳ６０５において、ＡＴＣ演算部２０２のＣＰＵ_Ａ２０７ａ、ＣＰＵ_Ｂ２０７ｂは、算出した制限速度情報をＡＴＣ速度照査部２０３のＤＰＲＡＭ_Ｂ２１３ｂに出力する。この時、ＣＰＵ_Ａ２０７ａ、ＣＰＵ_Ｂ２０７ｂの出力はバス照合回路２０８で照合される。照合不一致の場合は、ＡＴＣ速度照査部２０３への出力は停止されるため、ＡＴＣ速度照査部２０３からの故障検知交番信号が停止する。

（６）ステップＳ６０６において、ＡＴＣ速度照査部２０３のＢ系は、水晶発振器（ＸＬ２）２１７からＬＳＩに供給されるクロックを用いて、パルス発生回路_Ｂ２１４ｂにて制限速度情報から基準周波数を生成する。

（７）ステップＳ６０７において、ＡＴＣ速度照査部２０３のＢ系は、周波数照査回路_Ｂ２１５ｂで列車速度周波数と基準周波数を照査し、ブレーキ出力を行う。

（８）ステップＳ６０８において、ＡＴＣ速度照査部２０３のＢ系の周波数照査回路_Ｂ２１５ｂは、速度照査を終えると、故障検知交番信号の交番を反転する。

（９）ステップＳ６０９において、ＡＴＣ速度照査部２０３の照合出力回路２１６では、Ａ系とＢ系の出力結果を比較照合し、ブレーキ出力を行う。不一致の際には、ＡＴＣ速度照査部２０３からの故障検知交番信号を停止する。

（１０）ステップＳ６１０において、ＡＴＣ速度照査部２０３は、故障検知交番信号のフィードバックを取り込み、交番信号の周波数が、上限値と下限値の範囲内であることを両系の周波数照査回路２１５ａ、２１５ｂにて周波数照査によりチェックする。範囲外である場合は、故障検知交番信号の交番を停止する。

上記（１）のステップＳ６０１の処理と（５）のステップＳ６０５の処理を、水晶発振器（ＸＬ１）２１１のクロックから生成したタイミングに従い一定周期で実行し、かつ（１）のステップＳ６０1〜（１０）のステップＳ６１０の処理を繰り返すことにより、車上ＡＴＣシステムはＡＴＣ信号に基づく制限速度と列車速度の速度照査を実行する。

この時、ＡＴＣ演算部２０２、ＡＴＣ速度照査部２０３ともに故障が発生しなければ、故障検知交番信号は交番出力となり、この交番信号の周期は、ＡＴＣ演算部２０２からのＡＴＣ速度照査部２０３のアクセス周期に依存する。

次に、本発明のバス照合同期方式２重系のＡＴＣ演算部２０２と非同期方式２重系のＡＴＣ速度照査部２０３の同期方式によって可能となった、ＡＴＣ演算部２０２とＡＴＣ速度照査部２０３にクロック供給する各水晶発振器（ＸＬ１、ＸＬ２）の故障検出方法について説明する。

上記で説明したように、ＡＴＣ演算部２０２は、水晶発振器（ＸＬ１）２１１からのクロックから生成したタイミングでＡＴＣ速度照査部２０３のＤＰＲＡＭへ書込みを行う。つまり、ＡＴＣ速度照査部２０３からの故障検知交番信号の周期は、ＡＴＣ演算部２０２からＡＴＣ速度照査部２０３の各系ＤＰＲＡＭへの書込みタイミングによって決まり、これはＡＴＣ演算部２０２にクロック供給する水晶発振器（ＸＬ１）２１１に依存するといえる。

以上より、水晶発振器（ＸＬ１）２１１の発振周波数が変動した場合、ＡＴＣ演算部２０２からＡＴＣ速度照査部２０３への書込み周期が変動することから、故障検知交番信号の交番周期が定常周期より変動する。

そこで、図６の（１０）のステップＳ６１０の処理を行なうことにより、水晶発振器（ＸＬ１）２１１と水晶発振器（ＸＬ２）２１７のいづれかが異常周波数を出力する事象に至った場合の、故障検知を可能とする。以下に、各水晶発振器が故障した際の影響と故障検知方法について説明する。

（ａ）水晶発振器（ＸＬ１）の発振周波数が変動した場合
水晶発振器（ＸＬ１）２１１からのクロック発振周波数が高くなった場合、ＡＴＣ演算部２０２からＡＴＣ速度照査部２０３への書込み周期が速くなる。また、水晶発振器（ＸＬ１）２１１からのクロック発振周波数が低くなった場合、ＡＴＣ演算部２０２からＡＴＣ速度照査部２０３への書込み周期が遅くなる。

ＡＴＣ速度照査部２０３では、故障検知交番出力の周波数異常について検出できるように、故障検知交番信号のフィードバック交番信号を取り込み、速度照査を行なう周波数照査回路２１５ａ、２１５ｂにて、フィードバック交番信号の周波数照査を行う。

これにより、ＡＴＣ速度照査部２０３では、フィードバック交番信号とＡＴＣ演算部２０２から予め設定した周波数上限／下限値との周波数照査を行うことで、水晶発振器（ＸＬ１）２１１の変動に伴う故障検知交番信号の周波数変動をチェックする。

周波数が規定範囲外となった場合は、故障検知交番信号の交番を停止し、車上ＡＴＣシステムとして安全側制御となる。

（ｂ）水晶発振器（ＸＬ２）の発振周波数が変動した場合
水晶発振器（ＸＬ２）２１７の発振周波数が変動した場合、ＡＴＣ速度照査部２０３における基準周波数が、システムで想定した通りの周波数とならない。これは、ＡＴＣ速度照査部のＬＳＩ２１２で生成する照査用基準周波数が水晶発振器（ＸＬ２）２１７の発振周波数を元に生成されるためである。

このとき、図６の（１０）のステップＳ６１０の処理において、フィードバック交番信号の周波数照査を行なう際に、周波数上限／下限値の基準周波数が想定値より変わってしまうため、フィードバック交番信号が周波数上限／下限値の範囲外となってしまう。これに伴い、故障検知交番信号の交番は停止し、車上ＡＴＣシステムとして安全側制御となる。

以上より、ＡＴＣ演算部２０２とＡＴＣ速度照査部２０３の同期方式において、故障検知交番信号のフィードバック交番信号をＡＴＣ速度照査部２０３で、周波数照査による周波数範囲のチェックを行なうことにより、ＡＴＣ演算部２０２もしくはＡＴＣ速度照査部２０３にクロックを供給する水晶発振器（ＸＬ１、ＸＬ２）のいずれか一方の発振周波数が異常発振に陥った場合、車上ＡＴＣシステムは安全側動作を確保することが可能である。

本発明は、鉄道における速度照査を行って列車制御を行う車上制御装置に適用可能である。

１１ＡＴＣ送信部
１２列車
１３車上ＡＴＣシステムにおけるＡＴＣ受信部
１４車上ＡＴＣシステムにおけるＡＴＣ演算部
１５車上ＡＴＣシステムにおけるＡＴＣ速度照査部
１６速度発電機
１７車輪
１８軌道回路
１９受電器
２０１ＡＴＣ受信部
２０２ＡＴＣ演算部
２０３ＡＴＣ速度照査部
２０４ａＡ系ＤＳＰ
２０４ｂＢ系ＤＳＰ
２０５ａＡ系タイマ
２０５ｂＢ系タイマ
２０６ａＡ系ＲＡＭ
２０６ｂＢ系ＲＡＭ
２０７ａＡ系ＣＰＵ
２０７ｂＢ系ＣＰＵ
２０８バス照合回路
２０９マイコン
２１０ａＡ系ローカルバス
２１０ｂＢ系ローカルバス
２１１マイコン用水晶発振器（ＸＬ１）
２１２ＬＳＩ
２１３ａＡ系ＤＰＲＡＭ
２１３ｂＢ系ＤＰＲＡＭ
２１４ａＡ系パルス発生回路
２１４ｂＢ系パルス発生回路
２１５ａＡ系周波数照査回路
２１５ｂＢ系周波数照査回路
２１６照合出力回路
２１７ＬＳＩ用水晶発振器（ＸＬ２）

Claims

ＡＴＣ受信部とバス照合同期方式２重系の演算部と非同期方式２重系の速度照査部とを備えた車上制御装置において、前記バス照合同期方式２重系の演算部をマスタとし、前記非同期方式２重系の速度照査部をスレーブとし、前記演算部の両系演算部が各系速度照査部に周期的にかつ交互にアクセスすることで、前記バス照合同期方式２重系の演算部と前記非同期方式２重系の速度照査部とを同期させ、前記非同期方式２重系の速度照査部は、前記バス照合同期方式２重系の演算部からのアクセスの度に速度照査を行い、その結果に基づき故障検知交番信号を出力し、前記非同期方式２重系の速度照査部は、この故障検知交番信号をフィードバック取り込みし、前記バス照合同期方式２重系の演算部からの周波数範囲情報を基に基準周波数を生成し、交番信号のフィードバック信号の周波数が周波数範囲情報の範囲内にあるか否かの照査判定を行うことにより、前記バス照合同期方式２重系の演算部もしくは前記非同期方式２重系の速度照査部にクロック供給する各水晶発振器の周波数変動異常を検出することを特徴とする車上制御装置。
請求項１に記載の車上制御装置において、地上システムから受信したＡＴＣ信号情報と入力される速度情報から算出した位置情報に基づき列車の制限速度情報を算出する演算部と、この演算部から受け取った制限速度情報から基準周波数を生成し、この基準周波数と入力される列車速度の周波数照査を行い、速度が制限速度を超過した場合にブレーキ出力を行う速度照査部とから構成されることを特徴とする車上制御装置。
請求項１に記載の車上制御装置において、前記バス照合同期方式２重系の演算部はバス照合同期方式のＡ系／Ｂ系の２重系で構成し、各系ＣＰＵのソフトウェア処理は同一動作を行ない、前記ソフトウェアからのバス出力結果をクロック単位の周期でバス照合することにより、２重化デバイスのいずれかが故障した場合におけるソフトウェア処理の誤りを検出することが可能であることを特徴とする車上制御装置。
請求項１に記載の車上制御装置において、前記非同期方式２重系の速度照査部は、速度周波数が制限速度範囲内にある場合は、交番信号を出力しブレーキが緩解となり、速度周波数が制限速度範囲外となると交番信号は停止しブレーキ出力となる機構を有し、かつ複数の周波数照査機能を有した非同期方式２重系であり、２重系出力結果が不一致の場合には、交番出力が停止しブレーキ出力となることを特徴とする車上制御装置。