JP5373861B2

JP5373861B2 - 列車制御システム

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Publication number: JP5373861B2
Application number: JP2011158975A
Authority: JP
Inventors: 健二今本; 景示前川; 洋一杉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: IN2012DE02209A; RU2536271C2; JP2013023054A; CN102887150A; EP2548784A3; RU2012130863A; EP2548784A2; CN102887150B; EP2548784B1

Description

本発明は、各列車が算出した列車位置に基づいて列車制御を行うシステムとその方法に関する。

鉄道システムでは、列車同士が衝突しないように鉄道信号システムによって走行制御している。従来の軌道回路を用いた信号システムでは、１軌道回路に１列車の在線だけを許可することで、列車間の安全を確保している。このため、軌道回路の長短で通常運行の列車間隔が決まる。高密度運行を行うためには列車間隔を縮める必要がある事から、短い軌道回路を用いることになる。ただし、軌道回路は数１００ｍおきに設備を設置する必要があり、設備の導入・保守費用が高くなるという欠点を持っている。

また、信号システムを含む鉄道保安システムにおいては、コスト削減や列車制御の高機能化という観点から、軌道回路によらずに列車制御する方式として、無線信号方式が検討されている。無線信号方式では、一般に、車上に搭載された装置（以下、車上装置）で自列車位置を算出し、無線によって地上に設置された制御装置（以下、地上装置）に自列車位置を伝送し、地上装置はその列車が安全に進行できる限界地点を算出して列車に伝送する。この限界地点を停止目標とし、各列車は停止目標までに安全に停止できるように自列車を制御する。

その位置推定手法としては速度発電機を利用した手法が広く用いられるが、車輪の空転や車輪径の変化等に起因し、推定位置の誤差は列車走行距離が延びるに従って蓄積される。蓄積される位置検知誤差を補正するため、トランスポンダが利用される。トランスポンダは位置情報を車上装置へ送信する装置であり、線路に沿って設置されている。トランスポンダの設置間隔から発生しうる位置誤差の最悪値を想定して安全のための余裕距離を固定的に設定し、停止目標が算出される。

なお、トランスポンダの数が少なく間隔が広いと位置誤差が大きくなり、安全余裕距離も大きくなる。安全余裕距離が大きいと列車間隔の拡大による運行密度の低下などの課題が発生する。また、トランスポンダによる位置補正情報を車上装置が取りこぼした場合、位置誤差が大きくなり、設定された安全余裕距離では安全が保障されない。

そこで、取りこぼしを考慮して、予め安全余裕距離をトランスポンダ２個分の走行を許容する値に設定し、２個連続で取りこぼした場合は、緊急停車により安全を確保していた。そのため、必要以上に安全余裕距離を長く設定する必要があったり、トランスポンダの異常で列車が停車したり、安全余裕距離を短くするためにトランスポンダの設置数が増加してコスト増を招くという問題があった。

これを解決するための技術として、特許文献１に示すように、トランスポンダによる位置補正が行われなかった場合は安全余裕距離を一定量（次のトランスポンダ到着までに発生する誤差分）だけ増加させて走行する方式がある。

特開２０１０−１２０４８４号公報

ただし、速度発電機やＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）、加速度センサ、ドップラーレーダーなどの位置推定手法は、列車状態や周辺環境などによって推定精度が常に変化するため、走行前に適切な誤差を想定して安全余裕距離として設定する事が難しい。このため、過剰な安全余裕距離が設定される可能性がある。

また、ＧＰＳの場合、位置推定精度を向上するための方式が多数提案されているが、マルチパス（障害物による反射）や電離層での伝搬遅延などの影響によって誤差が大きくなる可能性があり、ＧＰＳの最大誤差が保証されない。鉄道信号システムなど、位置情報が安全性に直結するアプリケーションにおいては、最大誤差が保証されない位置情報の利用は致命的な障害に繋がりうる。

従来、ＧＰＳを用いた位置推定方式では４つのＧＰＳ衛星からＧＰＳデータを受信し、ＧＰＳデータの送信時刻と受信時刻の差を元に、受信箇所の３次元位置（緯度、経度、高度）およびＧＰＳ受信部の時刻誤差補正を行っている。マルチパスや電離層での伝搬遅延が発生した場合、位置推定結果に誤差が含まれるため、マップマッチングを適用することで位置誤差を補正する方式がある。しかし、遅延誤差が大きい場合、誤った位置に補正する可能性がある。

本発明の目的は、鉄道信号システムを適用対象とし、外部からのデータ（例えば、前記ＧＰＳからの時刻情報と位置情報）を用い列車在線範囲を算出して、安全な列車制御を可能とするシステムを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、列車と列車の外部との間で情報を送受信し、該受信した情報を元に列車の運行を制御する列車制御システムにおいて、前記列車の車上装置は、位置情報と該位置情報の送信時刻情報からなる位置時刻情報を外部より受信する送受信部と、前記位置時刻情報を受信した車上受信時刻情報を特定する時刻計測部と、前記位置時刻情報と前記車上受信時刻情報とに基づいて前記列車の在線範囲情報を算出する在線範囲算出部と、前記在線範囲情報により前記列車の走行を制御する走行制御部とを有し、前記在線範囲算出部は、前記位置情報から求められる中心座標を中心とする円の内部を在線範囲情報とし、前記円の半径を前記送信時刻情報と前記車上受信時刻情報とで求められる伝搬時間に前記位置時刻情報の送信速度を乗算して算出した距離に基づいて定める列車制御システムである。

上記目的を達成するため、本発明の第２の特徴は、列車と列車の外部との間で情報を送受信し、該受信した情報を元に列車の運行を制御する列車制御システムにおいて、前記列車の車上装置は、位置情報と該位置情報の送信時刻情報からなる位置時刻情報を外部より受信する送受信部と、前記位置時刻情報を受信した車上受信時刻情報を計測する時刻計測部と、前記位置時刻情報と前記車上受信時刻情報とに基づいて前記列車の在線範囲情報を算出する在線範囲算出部と、前記列車の走行を制御する走行制御部とを有し、前記在線範囲算出部は、前記位置情報から求められる中心座標を中心とする円の内部を在線範囲情報とし、前記円の半径を前記送信時刻情報と前記車上受信時刻情報とで求められる伝搬時間に前記位置時刻情報の送信速度を乗算して算出した距離に基づいて定め、前記在線範囲情報ないし前記位置時刻情報及び前記車上受信時刻情報を前記列車の外部に送信し、同一走行路を走行する各列車からの前記在線範囲情報ないし前記位置時刻情報及び前記車上受信時刻情報を地上装置で受信し、前記地上装置は、前記車上装置と情報を送受信する地上通信部と、前記在線範囲算出部と、受信した前記在線範囲情報から列車制御情報を算出する列車制御情報算出部とで構成され、前記地上装置は、前記列車制御情報を前記地上通信部から列車に送信し、列車の走行を制御する列車制御システムである。

本発明によれば、自列車や先行列車が受信する外部からのデータ受信時刻に遅延誤差が発生した場合でもその変化に追従し、列車の安全性・運行密度・省エネルギーの観点から最適な停止目標を算出可能な列車制御システムを実現できる。

本発明の第１の実施例である列車制御システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施例での車上装置２０における制御フローを示す図である。本発明の第１の実施例での地上装置３０における制御フローを示す図である。本発明の第１の実施例での在線範囲イメージを示す概念図である。本発明の第１の実施例での在線範囲算出方法を説明する図である。本発明の第１の実施例で、ＧＰＳデータとマップ情報での在線範囲算出を説明する図である。本発明の第１の実施例で、複数ＧＰＳ衛星の送信データを利用した在線範囲算出を説明する図である。本発明の第２の実施例である列車制御システムの構成を示す図である。本発明の第３の実施例で、正常時のモニタ表示を示す図である。本発明の第３の実施例で、異常検知時のモニタ表示を示す図である。本発明の第３の実施例である列車制御システムの構成を示す図である。

本発明を実施するための最良の形態例を説明する。

本発明の第１の実施形態について、図１ないし図７、図９を参照して説明する。図１に列車制御システムの構成を示す。図１で車上装置２０は、ＧＰＳ衛星１０ａが送信したＧＰＳデータ１１ａ（軌道情報、データ送信時刻情報）を受信するＧＰＳ受信部２１と、ＧＰＳデータの受信時刻２２１を特定する車上クロック２２と、ＧＰＳ受信部２１で受信したＧＰＳデータ２１１と受信時刻２２１とで自列車の在線範囲情報２３１を算出する在線範囲算出部２３を有する。

さらに、在線範囲情報２３１の地上装置３０への送信および地上装置３０から送信された停止目標情報３２１などの情報の受信を行う車上通信部２４と、受信した停止目標情報３２１により算出した速度制御信号２４１で列車の走行速度制御を行う速度制御部２５を有する。

また地上装置３０は、各列車から送信された在線範囲情報の受信および停止目標情報３２１を該列車への送信を実行する地上通信部３１と、同一走行路を走行する列車の在線範囲を元に各列車の停止目標を算出する停止目標算出部３２により構成される。

図２に車上装置２０による制御フローを、図３に地上装置３０による制御フローを示す。まず、車上装置２０は地上装置３０から停止目標が受信されたか確認する（ステップ９１００）。受信されてない場合（Ｎｏに分岐）には、ＧＰＳ受信部２１によりＧＰＳデータ１１ａを受信したか確認する（ステップ９１０２）。受信された場合（Ｙｅｓに分岐）は、ＧＰＳ受信部２１が該ＧＰＳデータ１１ａを受信した時刻（ＧＰＳデータ受信時刻２２１）を車上クロック２２より特定（ステップ９１０３）する。

次に、在線範囲算出部２３へ受信したＧＰＳデータ２１１とＧＰＳデータ受信時刻２２１を入力する（ステップ９１０４）。在線範囲算出部２３では、入力データで該列車の在線範囲情報２３１を算出（ステップ９１０５）し、車上通信部２４により地上装置３０へ送信する（ステップ９１０６）。

一方、図３に示すように地上装置３０は、車上装置２０の在線範囲算出部２３で算出した在線範囲情報２３１を受信した場合（ステップ９２００のＹｅｓに分岐）、同一走行路を走行する先行列車の在線範囲を考慮して該列車の停止目標情報３２１を算出（ステップ９２０１）し、地上通信部３１経由で車上装置２０へ送信する（ステップ９２０２）。次に、車上装置２０は停止目標情報を受信したので、図２のステップ９１００でＮｏに分岐し、ステップ９１０１の速度制御を実行し、自列車が停止目標へ安全に停止できるようにする。

次に、在線範囲算出部２３により在線範囲を算出するイメージを図４、図５に示す。以下、ＧＰＳ衛星１０ａから列車２の車上装置２０に搭載されるＧＰＳ受信部２１までの距離を受信距離と呼び、図４では符号１０１が該当する。本方式では、少なくとも１つのＧＰＳ衛星１０ａから受信したＧＰＳデータ１１ａに含まれるＧＰＳデータ送信時刻Ｔｓ（ＨＨ：ＭＭ：ＳＳ．ＳＳＳＳ）と、ＧＰＳ受信部２１が該ＧＰＳデータを受信した受信時刻Ｔｒとの差を伝搬遅延時間Ｔｔ１とするので、
〔数式１〕
伝搬遅延時間Ｔｔ１＝ＧＰＳデータ受信時刻Ｔｒ−ＧＰＳデータ送信時刻Ｔｓと表され、その受信距離１０１は
〔数式２〕
Ｌｎ１＝伝搬遅延時間Ｔｔ１×光速Ｃ
となる。

その受信距離１０１を半径とした球体が地球表面（地面）と重なる円周部分が該列車の在線範囲となる。その円周部分は、ＧＰＳ衛星１０ａから送信時刻情報Ｔｓと共に送信された軌道情報ＰＳ（Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ）から算出する。中心座標１４ａは（Ｐｘ、Ｐｙ）で、
〔数式３〕
Ｌｈｏｌ＿ｎ１＝√（Ｌｎ１２−Ｐｚ２）
なる半径（図５の２０３１）とした円２０３ａの内周部分が在線範囲となる。

しかしながら、高高度（数十Ｋｍ上空）を周回するＧＰＳ衛星１０ａからの送信データは、電離層の影響や障害物を経由しての受信であるマルチパスなどにより、更なる伝搬遅延時間Ｔｄが生じる。そのため、影響を考慮した伝搬遅延時間Ｔｔ２は
〔数式４〕
伝搬遅延時間Ｔｔ２＝伝搬遅延時間Ｔｔ１＋伝搬遅延時間Ｔｄ
となり、擬似的な受信距離（以下、擬似距離）１０２は、
〔数式５〕
Ｌｎ２＝伝搬遅延時間Ｔｔ２×光速Ｃ
となる。

その擬似距離１０２を半径とした球体が地球表面（地面）と重なる円周部分が該列車の在線範囲であり、その中心座標１４ａは（Ｐｘ、Ｐｙ）で、
〔数式６〕
Ｌｈｏｌ＿ｎ２＝√（Ｌｎ２^２−Ｐｚ^２）
なる半径（図５の２０４１）とした円２０４ａの内周部分が在線範囲となる。

次に、在線範囲２０４ａの外側に該列車が在線していないことを保証する根拠を説明する。ＧＰＳ衛星１０ａから受信したＧＰＳデータに含まれる情報（軌道情報、ＧＰＳデータ送信時刻など）は正しいとし、さらに、ＧＰＳ衛星１０ａが保持する時刻情報、車上装置２０のクロックが保持する時刻も正しいものとする。

マルチパスや電離層での伝搬遅延時間Ｔｄが発生しない場合、疑似距離１０２と受信距離１０１は等しくなる。一方、マルチパスや電離層での伝搬遅延Ｔｄが発生した場合、疑似距離１０２は受信距離１０１より大きくなる。これは、マルチパスや電離層での伝搬遅延Ｔｄが発生しなかった場合よりも、マルチパスや電離層において伝搬遅延した分だけ受信時刻が遅延することに起因する。

すなわち、マルチパスや電離層での伝搬遅延した場合、疑似距離は受信距離より大きくなるが、小さくなることは無い。すなわち、受信距離で求めた円周２０３ａより、擬似距離より求めた円周２０４ａの方が、２０５ａ分大きくなる。そのため、マルチパスや電離層などの伝搬遅延が発生したとしても、疑似距離より求めた円周の更に遠方に列車が在線していない、すなわち、必ず円周内に在線することが保証される。これは列車２だけでなく、同一線路６上を走行する他の列車５（ＧＰＳ衛星１０ａ以外のＧＰＳ衛星から受信する）でも受信距離で求めた円周５０３ａより、擬似距離より求めた円周５０４ａの方が、５０５ａ分大きくなる。

在線範囲算出部２３は、走行している線路６の２次元、もしくは３次元マップ情報を保持できる。また、列車２は線路６上のみを走行するという前提を元に、保持している該マップ情報を用いて、上記で算出した在線範囲内に含まれる線路上の範囲６１のみを在線範囲として扱ってことで、より正確な在線範囲を特定できる。ＧＰＳ衛星１０ａから受信したＧＰＳデータ、およびマップ情報より在線範囲６１を算出するイメージを図６に示す。ちなみに、マップ情報は地上装置３０から無線ないし有線３１経由で順次取り込んで走行状態の変化に追従できるようにすることも可能である。

また、該マップ情報の精度に応じて、在線範囲を変更することも可能である。例えば、該マップ情報が一定の位置誤差を含む場合、その誤差を含む範囲を在線範囲として適用する。これにより、例えば、詳細なマップ情報を利用することで在線範囲を狭めることができ、高い運行密度が実現できる。一方、低密度な線区においては、詳細なマップが不要となるため、マップ作成の際の地形調査等に掛かるコストが低減できる。

図１の在線範囲算出部２３により列車在線範囲を算出する場合、例えば軌道回路、加速度センサ、ジャイロセンサ、速度発電機、トランスポンダ、バリス、無線ＬＡＮの電波情報、超音波センサ、ドップラーレーダー、カメラ、赤外線センサ、車軸検知器（アクセルカウンター）のいずれかの装置を併用して算出することで、より正確な在線範囲を特定できる。在線範囲算出部２３は、上記装置のうち１種類の装置を用いても、複数種類の装置を組み合わせて用いても良い。また、走行地点によって使用する装置を適宜使い分けことも可能である。さらに、従来の列車制御システムやカーナビゲーションシステムなどで幅広く利用されている位置特定技術を用いても良い。

在線範囲算出部２３において、ＧＰＳ以外の装置を併用して在線範囲を算出する場合の一例として、速度発電機を併用した場合の処理を説明する。速度発電機は走行距離を測定するために用いられる装置であるが、走行中の滑走や車輪径の誤差等を要因とし、走行距離に比例して誤差が増加する。そのため、走行距離の数パーセント程度を誤差範囲として考慮し、在線範囲を算出する。ＧＰＳデータを用いて算出された在線範囲と、該速度発電機を用いて算出された在線範囲とが重複している範囲を在線範囲として算出することにより正確な在線範囲を把握できる。これにより、例えばトンネル内などの環境において、ＧＰＳデータの受信が困難な区域においても、速度発電機などの装置を併用して在線範囲を算出することで、在線範囲の急激な拡大を防止でき、列車運行の信頼性を確保できる。

図１の速度制御部２５により走行速度を制御する場合、列車の在線範囲、走行速度、停止目標までの距離、地形情報（走行路の曲率、勾配など）、車両性能（モータ性能、ブレーキ性能、重量など）のうち、少なくとも一つを用いて算出する。安全性を確保しつつ、運行密度や省エネルギーを考慮して走行速度を算出する方法として、駅間の速度制限を考慮した省エネルギー運転曲線を作成するものがある。

停止目標算出部３２により停止目標を算出する場合、例えば、図５のように同一走行路６を走行する先行列車５の在線範囲５０４ａを算出し、自列車２の在線範囲２０４ａから最も近い地点２０６を停止目標とする。本制御により、地上装置３０は各列車の在線範囲の変化に応じた停止目標を設定する事ができ、要求される安全性を満たしつつ、各列車の在線範囲算出部２３の性能に応じた列車制御が可能となる。また、地上装置３０を介さずに、直接列車同士（例えば、図５の列車２と列車５）で在線範囲をやりとりして各列車の運行を制御することも可能である。

前記手法により停止目標を算出する場合、周辺環境の変化等により、先行列車もしくは自列車におけるＧＰＳデータの伝搬遅延誤差が増加すると、以前の停止目標の地点より、停止目標が進行方向に対して後方に下がる場合がある。この場合、状況によっては自列車が停止目標までに止まれず、非常ブレーキが掛かって乗り心地や省エネルギー性が著しく悪化する事が想定される。

そのため、例えば、ＧＰＳデータの伝搬遅延誤差が増加して停止目標が現時点の停止目標より後方の地点を算出した場合、停止目標は更新せず、現時点の停止目標を引き続き使用する。例えばトンネル内など、ＧＰＳの受信環境が極端に劣化した場合、トンネル通過中はトンネル入り口近辺に停止目標が固定され、トンネル通過した時点でトンネル出口近辺に停止目標が移動する事となる。なお、先行列車が後退する可能性がある場合、後退する可能性のある距離を差し引いた地点を停止目標とすることで対応できる。

また、図９のように前記車上装置２０もしくは前記地上装置３０はモニタ４を備え、前記各装置の処理状況を表示する、もしくは音声にて処理状況を知らせる手段を備えることも可能である。上記では、地上装置３０が停止目標情報を車上装置２０へ送信するが、停止目標の代わりに各地点における該列車の制限速度を車上装置２０へ送信しても良い。

本実施例の構成では車上装置２０が在線範囲算出部２３を備えているが、在線範囲算出部２３を地上装置３０が備えても良い。その場合、車上装置２０はＧＰＳ受信部２１がＧＰＳデータ１１ａを受信した後、該ＧＰＳデータ１１ａと該ＧＰＳ受信部２１による受信時刻情報２２１を地上装置３０へ送信する。ＧＰＳ以外の装置（例えば、上述した速度発電機、トランスポンダ等）を併用し、それらの装置より得られた情報も含め地上装置３０へ送信して在線範囲を算出することも可能である。

地上装置３０は車上装置２０から受け取った情報を在線範囲算出部３３へ入力して在線範囲３３１を算出し、同一走行路を走行する先行列車の在線範囲を考慮して該列車の停止目標３２１を算出し、車上装置２０へ送信する。以降の処理は上記構成における処理と同様とする。上記構成では、車上装置２０は在線範囲算出部２３を持つ必要がないので、車上装置２０の構成を簡素化できる。

地上装置３０が在線範囲算出部３３を有し、車上装置２０では在線範囲算出部２３を持たない構成では、地上装置３０が車上装置２０から送信された情報を使用して在線範囲を把握している。しかしながら、地上装置３０が車上装置２０から送信された情報以外の情報を使用して在線範囲を算出することも可能である。

その構成は、車上装置２０を経由せずに地上装置３０へ直接、情報が入力される構成であり、その例示として、軌道回路やアクセルカウンターなどの地上側に設置された装置からの情報入力が挙げられる。本構成では、地上装置３０は各列車の車上装置２０から入力される情報以外にも、地上側に設置された上記装置により取得した情報を元に、在線範囲を算出し運行を制御する。

以上、説明した列車制御システムでは米国のＧＰＳを用いた場合を適用例として挙げているが、これ以外の全地域測位システム（例えば、欧州のＧａｌｉｌｅｏ、ロシアの
ＧＬＯＮＡＳＳ、中国の北斗等）にも適用可能である。

本実施例の構成では地上装置３０が停止目標を算出しているが、車上装置２０が停止目標を算出する構成としても良い。本構成では、例えば車上装置２０は在線範囲算出部２３、および停止目標算出部３２を備える。本構成では、車上装置２０は、在線範囲算出部２３より自列車の在線範囲を算出し、同一走行路６を走行する他列車５に対して自列車の在線範囲２０４ａを送信する。また同一走行路６を走行する他列車５より在線範囲５０４ａを受信する。他列車５より在線範囲５０４ａを受信した場合、自列車２の在線範囲２０４ａから最も近い地点２０６を停止目標として算出し、自列車２の走行速度を制御する。

本実施例の構成では車上装置２０はＧＰＳ受信部２１を１台備えて、１個以上のＧＰＳ衛星からのデータを受信できるようにしているが、複数のＧＰＳ受信部２１を備えて各ＧＰＳ受信部２１が各ＧＰＳ衛星に１対１で対応しデータを受信しても良い。また、ＧＰＳ受信部２１を１台備える車上装置２０を列車車両１台毎に設け、その列車車両を複数連結して編成する列車２としても良い。

また、在線範囲算出部２３は、複数台のＧＰＳ受信部２１が受信したＧＰＳデータを元に在線範囲を算出することも可能である。それは、複数のＧＰＳ受信部２１のＧＰＳデータを元に在線範囲を算出する場合、各ＧＰＳ受信部２１の設置位置を事前に測定しておき、在線範囲を算出する際に相対位置関係をオフセットとして用いることで達成できる。

例えば、編成長１００メートルの列車の先端と後端にＧＰＳ受信部２１を１台ずつ設置した場合、後端のＧＰＳ受信部２１が受信したＧＰＳデータより算出された在線範囲を、走行している線路の進行方向に沿って１００メートル前方へ移動し、先端のＧＰＳ受信部２１が受信したＧＰＳデータより算出された在線範囲とを比較して重複部分を、該列車の先端が在線している範囲とすることも可能である。

また、複数のＧＰＳ衛星からＧＰＳデータを受信した場合、受信距離（ないしは擬似距離）による球体が地球地面と重複した円周部分をＧＰＳ衛星毎に算出して、その円周が全て重なり合う部分を在線範囲とする。複数のＧＰＳ衛星１から受信したＧＰＳデータより在線範囲を算出するイメージを図７に示す。このように複数のＧＰＳ衛星から、軌道情報（位置情報）と時刻情報を受信することにより、より精度の高い在線範囲を特定できる。なお、列車２の外部から受信する情報を発信するものとして、ＧＰＳ衛星としているがこれに限定されるものではない。

第１の実施例では、在線範囲算出部２３は現時点で受信しているＧＰＳデータを元に走行制御しており、これから先の走行における誤差変化は考慮していない。例えば、先行列車がトンネル内を通過する際はＧＰＳデータ受信環境が急激に劣化するため、在線範囲が拡大し、後方の列車は急な減速が必要となる場合が考えられる。逆に、先行列車がトンネルを通過した際は、ＧＰＳデータ受信環境が急激に改善されて在線範囲が狭まることから、運行密度を上げるためには急な加速が必要となる。

そこで、第２の実施例の構成では車上装置２０もしくは地上装置３０に、各列車の在線範囲の変化を予測する在線範囲予測部３４を備える。図８に、地上装置３０が在線範囲予測部３４を備えた場合の構成を示す。地上装置３０は在線範囲予測部３４により予測した予測在線範囲を用い、未来のある時点における該列車の在線範囲を予測する。そして、同一時点において同一走行路を走行する先行列車の予測在線範囲を考慮して該列車の予測停止目標を算出し、車上装置２０へ送信する。

車上装置２０は予測停止目標を受信した場合、自列車が上記時点において、予測停止目標へ安全かつ省エネルギー性を考慮して停止できるように走行速度を制御する。本構成により、ＧＰＳデータの受信環境が劣化することが事前に予測できる区域を先行列車が走行する場合、車上装置２０は予測停止目標を元に速度を制御して走行することで、無駄な加減速を抑えた走行が可能となる。これにより、地上装置３０は各車上装置２０の在線範囲の将来の変化にも対応して停止目標を設定する事ができ、より安全性・運行密度・省エネルギー性を向上した列車制御が可能となる。

様々な情報を元に逐次変化するデータの傾向を予測する方法は多くの手法が提案されており、例えばカルマンフィルターは、センサ情報を元に過去、現在、未来の各時点における目標物の位置を算出することにも用いられる。これらの方法を適用する事で、位置算出精度、および在線確率を向上する事が可能となる。

在線範囲予測部３４は、過去の走行時に取得した在線範囲の変化データを元に、将来の在線範囲を予測することもできる。なお、地上装置３０に過去の走行において収集した各列車の在線範囲情報を記録するデータベースを備え、記録した該情報を元に在線範囲の変化を予測する前記在線範囲予測部３４を備えても同様な効果が得られる。

在線範囲予測部３４に図６のようなマップ情報（トンネル位置、勾配、曲がり率など）を持たせ、そのマップ情報からＧＰＳ受信環境の変化を予測することも可能である。なお、地上装置３０に走行路の地形データ、トランスポンダの設置位置データ、周辺の構造物データ（トンネル位置など）、走行ダイヤ、車両性能データ、ＧＰＳ衛星データ、天候データのうち、少なくとも１つを記録するデータベースを備え、記録した該情報を元に在線範囲の変化を予測する前記在線範囲予測部３４を備えても、前述と同様な予測効果が得られる。

省エネルギーを考慮した列車走行を行う場合、無駄な加減速を減らし、惰行運転を増やす事が重要となる。在線範囲算出精度の変化により停止目標が大きく変動する環境では、停止目標に追従して速度を変更すると無駄な加減速が増え、省エネルギー性が低下する原因となる。前記在線範囲予測部３４を用いることにより、停止目標の変動を予測する事が可能となるため、将来の停止目標の変動まで考慮して最適な走行速度を算出できる。

第１の実施例および第２の実施例では、ＧＰＳ衛星１ａが受信したＧＰＳデータの軌道情報（位置情報）と送信時刻情報および車上装置２０の車上クロックが特定する受信時刻情報は正しいものとして説明した。しかしながら、情報が誤っている可能性も考慮しなければならない。

そこで、第３の実施例では車上装置２０もしくは地上装置３０にＧＰＳ衛星が送信するＧＰＳデータを監視するＧＰＳ監視部２６を備え、該ＧＰＳデータに含まれる情報（軌道情報、ＧＰＳデータ送信時刻など）に誤りが含まれている場合、車上装置２０へ警報を出力する。車上装置２０は警報を受信した場合、その誤りに応じて停止目標、在線範囲、制限速度のうち少なくとも1つを修正し、地上装置３０への通知、および列車制御を実行する。

車上装置２０がＧＰＳ監視部２６を備えた場合の構成を図１１に示す。ＧＰＳ監視部２６が誤りを検知する方法として、例えば正確なクロックをもち座標のわかっている固定局を設置し、ＧＰＳ受信データから計算した位置と固定局の位置の差から精度を上げる仕組みであるＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＧＰＳ（以下ＤＧＰS）や、静止衛星型衛星航法補強システム（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ−ｂａｓｅｄＡｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）などを利用する。

車上クロック２２の時刻誤差を補正する方法として、４つのＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳデータを用いて時刻補正する方式が一般的に採用される。しかし、マルチパス等の伝搬遅延誤差が含まれるため、ＧＰＳデータによる時刻補正では十分な安全性が保証できない可能性がある。そこで、本発明では、受信したＧＰＳデータより在線範囲を算出する際、車上装置２０は正確な地上クロック３５を保持する地上装置３０と通信し、その受信した正確なクロック情報２２２で車上クロック２２の時刻誤差を補正する。

なお、地上装置３０は前記ＤＧＰＳや図６のようにネットワーク７０への接続機器が持つ時計を正確な時刻へ同期させる通信プロトコルであるＮＴＰ（ＮｅｔｗｏｒｋＴｉｍｅＰｒｏｔｏｃｏｌ）などで正確なクロックを保持する。

時刻を補正しても時間経過で、再度、車上クロック２２の時刻に誤差が生じてくる。そこで、本発明での在線範囲算出部２３は該車上クロック２２のメーカーの公称誤差を保持して、時刻補正した時刻とＧＰＳデータ受信時刻の差で拡大した在線範囲を算出することも可能である。

例えば、公称誤差が±１ｐｐｍの車上クロック２２を用い、ＧＰＳデータを受信してから２００ミリ秒後に時刻補正した場合、車上クロック２２は２００ミリ秒の間に最大５００万分の１秒ずれる。電波は５００万分の１秒間で約６０メートル進むため、在線範囲算出部２３は疑似距離を６０メートル拡大したもので在線範囲を算出する。

車上クロック２２の時刻誤差を補正する方法として、従来から一般的に採用されているＧＰＳ衛星から受信したＧＰＳデータを用いて時刻補正する方式を採用しても良い。ＧＰＳ衛星を用いた場合、受信地点の座標値および補正時刻が算出される。そのマルチパス等の伝搬遅延誤差による時刻補正誤りを防ぐため、ＧＰＳデータより算出された受信地点の座標値と速度発電機など別の位置推定方式で求めた在線地点の座標値とを比較し、そのずれを元に時刻補正の信頼性を検証する。

また、ＧＰＳデータに含まれる情報（軌道情報、ＧＰＳデータ送信時刻など）は誤っていない、かつＧＰＳ衛星が保持する時刻情報、および車上装置２０のクロックが特定する受信時刻が正しい前提では、ＧＰＳデータより得られた在線範囲内に該列車が在線する。そのため、図７のように、複数のＧＰＳ衛星より同一時間帯に受信したＧＰＳデータを用いて在線範囲を算出する場合、該ＧＰＳデータより算出された在線範囲が全て重複する箇所が必ず存在する。

しかし、前記前提が成立しなくなった場合、在線範囲が一部重複しない箇所が発生する可能性がある。これは、車上クロック２２が正常なクロックよりも早く動作し、疑似距離が受信距離より短くなることで発生する。

そこで、前記ＧＰＳ監視部２６は、各ＧＰＳデータからの受信データ２１１より算出された在線範囲２６３を比較し、該ＧＰＳデータより算出された在線範囲が全て重複する箇所（例えば、図７の２０４ｃ）が存在することを確認する。重複しない箇所が１つでも存在する場合、ＧＰＳデータの誤り、もしくは車上クロック２２の異常と判断し、警報情報２６２として車上装置２０ないし地上装置３０へ出力する。本構成により、ＧＰＳの異常を即座に検知できる。

同時に速度制御情報２６１を速度制御部２５に出力し、列車２の減速（走行速度を図９の４１ａから図１０の４１ｂへ変更し、同じく走行パターンも４４ａから４４ｂへ変更）、停止目標地点の変更（４６ａから４６ｂへ２００ｍ手前に設け、走行可能距離も４５ａの１９００ｍから４５ｂの１７００ｍとする）ないし緊急停止を実行する。

また、ＧＰＳ監視部２６はＧＰＳ受信部２１で受信した受信情報２１２（受信衛星数、受信感度など）を監視する。例えば、図９の４７ａのように、正常時に捕捉しているＧＰＳ衛星数は５個であるのに対し、異常時は図１０の４７ｂのように３個しか捕捉できていない場合である。この場合でも前述のように異常通知ないし運行制御が可能である。
さらに、前記車上装置２０もしくは前記地上装置３０はモニタ４で状態を把握できるので、その原因特定や手動での列車運行制御（減速、停止目標の変更など）が可能となる。

以上の実施例では列車制御システムを対象として説明したが、同様な構成で航空機運行制御、自動車制御、エレベータ制御などの移動体制御システムにおいても、本発明を適用可能である。

１０ａ、１０ｂＧＰＳ衛星
１０１受信距離
１０２擬似距離
２、５列車
２０車上装置
２１ＧＰＳ受信部
２２車上クロック部
２３在線範囲算出部
２４車上通信部
２５速度制御部
２６ＧＰＳ監視部
２７マップ情報部
２０４ａ、２０４ｂ、２０３ｃ、５０４ａ在線範囲
３０地上装置
３１地上通信部
３２停止目標算出部
３３在線範囲算出部
３４在線範囲予測部
３５地上クロック部
４モニタ
６線路
６１在線範囲

Claims

列車と列車の外部との間で情報を送受信し、該受信した情報を元に列車の運行を制御する列車制御システムにおいて、
前記列車の車上装置は、
位置情報と該位置情報の送信時刻情報からなる位置時刻情報を外部より受信する送受信部と、
前記位置時刻情報を受信した車上受信時刻情報を特定する時刻計測部と、
前記位置時刻情報と前記車上受信時刻情報とに基づいて前記列車の在線範囲情報を算出する在線範囲算出部と、
前記在線範囲情報により前記列車の走行を制御する走行制御部とを有し、
前記在線範囲算出部は、前記位置情報から求められる中心座標を中心とする円の内部を在線範囲情報とし、前記円の半径を前記送信時刻情報と前記車上受信時刻情報とで求められる伝搬時間に前記位置時刻情報の送信速度を乗算して算出した距離に基づいて定める
ことを特徴とする列車制御システム。
列車と列車の外部との間で情報を送受信し、該受信した情報を元に列車の運行を制御する列車制御システムにおいて、
前記列車の車上装置は、
位置情報と該位置情報の送信時刻情報からなる位置時刻情報を外部より受信する送受信部と、
前記位置時刻情報を受信した車上受信時刻情報を計測する時刻計測部と、
前記位置時刻情報と前記車上受信時刻情報とに基づいて前記列車の在線範囲情報を算出する在線範囲算出部と、
前記列車の走行を制御する走行制御部とを有し、
前記在線範囲算出部は、前記位置情報から求められる中心座標を中心とする円の内部を在線範囲情報とし、前記円の半径を前記送信時刻情報と前記車上受信時刻情報とで求められる伝搬時間に前記位置時刻情報の送信速度を乗算して算出した距離に基づいて定め、
前記在線範囲情報ないし前記位置時刻情報及び前記車上受信時刻情報を前記列車の外部に送信し、
同一走行路を走行する各列車からの前記在線範囲情報ないし前記位置時刻情報及び前記車上受信時刻情報を地上装置で受信し、
前記地上装置は、前記車上装置と情報を送受信する地上通信部と、前記在線範囲算出部と、受信した前記在線範囲情報から列車制御情報を算出する列車制御情報算出部とで構成され、
前記地上装置は、前記列車制御情報を前記地上通信部から列車に送信し、列車の走行を制御することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置の在線範囲算出部は、前記列車の走行路の２次元もしくは３次元の位置情報、位置精度情報のうち、少なくとも１つの情報を含むマップ情報を記録し、該マップ情報を元に在線範囲情報を補正することを特徴とする列車制御システム。
請求項１記載の列車制御システムにおいて、前記在線範囲算出部は、軌道回路、加速度センサ、ジャイロセンサ、速度発電機、トランスポンダ、バリス、無線ＬＡＮの電波情報、超音波センサ、ドップラーレーダー、カメラ、赤外線センサ、車軸検知器のうち、少なくとも１つの装置を用いて取得した情報と、前記位置時刻情報とを併用して、在線範囲情報を算出することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置または地上装置は、更に前記在線範囲情報より停止目標を算出する停止目標算出部を備え、該停止目標算出部は、先行列車もしくは自列車の停止目標が前回算出時点よりも進行方向に対して後方に下がった場合もしくは先行列車が後退する可能性がある場合は、後退距離ないし推測後退距離を本来の停止目標から差し引いた地点を停止目標とすることを特徴とする列車制御システム。
請求項２記載の列車制御システムにおいて、前記地上装置の在線範囲算出部は、前記車上装置から受信した位置時刻情報の位置情報のＸ座標及びＹ座標を中心座標とし、前記送信時刻情報と前記車上受信時刻情報とで求められる伝搬時間に前記位置時刻情報の送信速度を乗算して算出した距離と、前記中心座標と前記位置情報のＺ座標との距離とで算出した半径とする円の内部を在線範囲情報とすることを特徴とする列車制御システム。
請求項２記載の列車制御システムにおいて、前記地上装置の在線範囲算出部は、軌道回路、超音波センサ、ドップラーレーダー、カメラ、赤外線センサ、車軸検知器のうち、少なくとも１つの地上側に設置された装置を用いて取得した情報と、前記位置時刻情報及び前記受信した車上受信時刻情報とを併用して、在線範囲情報を算出することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置もしくは地上装置は、各装置の処理状況を表示するモニタ、もしくは音声にて処理状況を知らせる手段を備えることを特徴とする列車制御システム。
請求項２記載の列車制御システムにおいて、前記地上装置は停止目標または／及び各地点における列車の制限速度を車上装置へ送信することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置は前記在線範囲算出部および停止目標算出部を備え、前記在線範囲算出部より自列車の在線範囲を算出し、同一走行路を走行する他列車と在線範囲を送受信し、前記停止目標算出部は自列車及び他列車の在線範囲を元に停止目標を算出し、列車の走行速度を制御することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、車上装置は、複数の送受信部を備え、前記在線範囲算出部は前記受信部の設置位置情報で在線範囲を補正することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置もしくは地上装置は在線範囲予測部を備え、該在線範囲予測部は過去の走行データより未来のある時点における各列車の在線範囲を予測し、同一時点において同一走行路を走行する先行列車の在線範囲と自列車の在線範囲とを考慮して該自列車の予測停止目標を算出することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置もしくは地上装置は、外部から受信する情報を監視する外部情報監視部を備え、前記地上装置はクロックを備え、かつ該地上装置の設置位置を記録しておき、前記外部情報監視部は前記送受信部が受信した位置時刻情報の位置情報または位置情報の送信時刻情報の少なくとも１つの情報の誤りを検知する手段を備え、位置時刻情報の誤りを検知した場合には前記車上装置へ警報を出力することを特徴とする列車制御システム。
請求項１または２記載の列車制御システムにおいて、前記車上装置の時刻計測部での時刻誤差を前記位置時刻情報で補正し、前記位置時刻情報より算出された受信地点の座標値と、軌道回路、加速度センサ、ジャイロセンサ、速度発電機、トランスポンダ、バリス、無線ＬＡＮの電波情報、超音波センサ、ドップラーレーダー、カメラ、赤外線センサ、車軸検知器のうち、少なくとも１つの装置を用いて取得した情報より算出した受信地点の座標値とを比較し、そのずれを元に前記補正した時刻の信頼性を検証することを特徴とする列車制御システム。
請求項１３記載の列車制御システムにおいて、前記外部情報監視部は前記位置時刻情報より算出された在線範囲を比較し、前記位置時刻情報より算出された在線範囲が全て重複する箇所が存在することを確認し、全て重複する箇所が存在しない場合、前記位置時刻情報の位置情報または位置情報の送信時刻情報の少なくとも１つの情報の誤り、もしくは前記時刻計測部の異常と判断し、前記車上装置へ警報を出力することを特徴とする列車制御システム。