JP5750279B2

JP5750279B2 - 列車制御用信号受信装置

Info

Publication number: JP5750279B2
Application number: JP2011046314A
Authority: JP
Inventors: 和広田中; 忠宏林
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: JP2012186878A

Description

本発明は列車制御用信号受信装置に関し、特に、受信した信号が列車制御用の正規の信号であるか否かを判定する技術に関する。

従来、ＡＴＳやＡＴＣ等の列車制御装置は、列車に搭載された車上子と、軌道に沿って配置された地上子とを電磁結合させることにより、車上側から地上側に信号を送信し、地上側において所定の制御を行うと共に、地上側から車上側に信号を送信し車上側で所定の制御を行っている。そして、車上側の受信装置（以下、「列車制御用信号受信装置」と言う）は、一般的に、地上側からの信号を検出する方式として変周方式を用いていたが、近年、地上装置の受信装置としても使用可能な汎用性を確保すると共に地上子の共振周波数が変動しても確実に信号を受信することができるようにするために、信号送出の方式としてスペクトラム拡散方式を採用するようになったことに伴い、地上側からの信号を検出する方式は、変周方式から、スペクトラム拡散方式による信号に対応した方式に移行されている。

この種の、スペクトラム拡散方式による信号に対応した信号検出の方式を適用した列車制御用信号受信装置としては、例えば、特許文献１等に記載されたものがある。特許文献１に記載された車上側の列車制御用信号受信装置においては、列車が地上子上を通過すると車上子と地上子が電磁結合し、この際、車上子の二次側から送られる受信信号は、地上子の周波数に対応した周波数においてピーク性を有する周波数分布を示す。そして、この列車制御用信号受信装置は、ピーク周波数における受信レベルが一定のレベルを超えた場合に、地上子からの列車制御用信号を受信したものと判断するように構成されている。このように、従来の列車制御用信号受信装置は、受信レベルが所定のレベルを超えたか否かに基づいて、地上子との電磁結合による列車制御用信号の有無を検知する構成である。

特開２００７−２８８７７号公報

しかしながら、上述の特許文献１等に記載される従来の車上側に搭載される列車制御用信号受信装置おいて、例えば、地上子の共振周波数と同じ周波数又はそれに近似した周波数のインパルスノイズを受信した場合には、地上子の共振周波数近傍において受信信号の受信レベルが局所的に上昇してしまうことがある。また、軌道上の鉄板、又は軌道下の鉄筋コンクリート床（スラブ）内の鉄筋などの物体が存在していた場合には、列車の車上子がこの物体上を通過すると、受信信号の受信レベルが受信信号の全周波数にわたり全体的に上昇してしまうことがある。したがって、従来の列車制御用信号受信装置は、列車制御用信号の検知を単に受信レベルが所定のレベルを超えたか否かに基づいて行っているため、インパルスノイズや軌道上の鉄板等に起因して受信レベルが上昇してしまう場合、車上子と地上子とが電磁結合していないにもかかわらず、列車制御用の信号を受信したと判断してしまうおそれがあり、信号の誤検知を招いて不適当な制御を行う可能性があるという問題を有している。

本発明は前記問題点に着目してなされたもので、外部からのインパルスノイズや、軌道上の鉄板等に起因する受信レベルの上昇が発生する可能性がある環境においても、受信信号が正規の信号であるか否かを適正に判定することができ、信号の誤検知による不適当な制御を確実に防止することのできる列車制御用信号受信装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による列車制御用信号受信装置は、車上子と地上子との電磁結合により前記車上子の二次側に送られるスペクトラム拡散信号からなる受信信号のピーク周波数と、前記地上子の共振周波数との差が、予め定める許容値以下であり、且つ、前記受信信号のピーク周波数のＱ値が、予め定める上下限値の範囲内である場合に、前記受信信号は正規の信号であると判定し、前記差が前記許容値を超える場合、前記受信信号は異常な信号であると判定することを特徴とする。

このような構成により、車上子と地上子との電磁結合により車上子の二次側に送られるスペクトラム拡散信号からなる受信信号のピーク周波数と、前記地上子の共振周波数との差が、予め定める許容値以下であり、且つ、ピーク周波数のＱ値が予め定める上下限値の範囲内である場合に、受信信号は正規の信号であると判定し、前記差が前記許容値を超える場合、前記受信信号は異常な信号であると判定する。

本発明の列車制御用信号受信装置によれば、受信信号のピーク周波数と、前記地上子の共振周波数との差が、予め定める許容値以下であり、且つ、ピーク周波数のＱ値が予め定める上下限値の範囲内である場合に、車上子の二次側に送られる受信信号が地上子と車上子との電磁結合による正規の信号であると判定することができる。したがって、正規の信号であると判定するためのＱ値の範囲を適切に設定しておくことにより、例えば、外部からのインパルスノイズ等に起因するＱ値の高い外乱や、地上側に敷設されている鉄板等に起因するＱ値の低い外乱が発生した場合においても、正規の信号を受信したと誤って判断することはない。このようにして、信号の誤検知を確実に防止することができ、適正な制御を行うことが可能な列車制御用信号受信装置を提供することができる。また、例えば、地上子が有する共振周波数と大きく異なる周波数のインパルスノイズが発生している場合においては、ピーク周波数と地上子の共振周波数との差が許容値を超えたことを検出し、Ｑ値を算出するまでもなく、受信信号は異常な信号であると判断することができる。

本発明に係る列車制御用信号受信装置の一実施形態を示す概略構成図である。本実施形態において、車上子と地上子との電磁結合により受信レベルが上昇した場合の、受信レベルの波形を示すグラフである。本実施形態において、インパルスノイズにより地上子の共振周波数近傍の受信レベルが上昇した場合の、受信レベルの波形を示すグラフである。本実施形態において、鉄板等により受信レベルが上昇した場合の、受信レベルの波形を示すグラフである。本実施形態に係る列車制御用信号受信装置の制御動作を示すフロー図である。

以下、本発明に係る列車制御用信号受信装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、前記列車制御用信号受信装置の実施形態を示す概略構成図である。
図１において、本実施形態の列車制御用信号受信装置は、スペクトラム拡散信号を出力する信号発生手段１と、前記スペクトラム拡散信号が供給される車上子２と、信号検出手段３と、判定手段４とを備えて構成されている。なお、本実施形態において、列車制御用信号受信装置は、列車５を制御する列車制御装置の車上装置１０を構成するものでもあり、また、信号発生手段１と車上子２は、一般的な車上装置１０における列車制御用信号送信装置を構成するものでもある。

前記信号発生手段１は、車上情報に基づいて所定の周波数信号を拡散変調して、スペクトラム拡散信号として出力するものであり、列車５に搭載された車上装置１０に設けられており、変調器６と信号発生回路７と第１接続トランス８とを備えて構成されている。

前記変調器６は、車上子２から列車の走行する軌道に沿って設けられた地上子９に送出するための車上情報を生成するものであり、信号発生回路７と接続されており、車上情報を信号発生回路７に出力する。

前記信号発生回路７は、変調器６から出力された車上情報に基づいて所定の周波数信号を拡散変調して、スペクトラム拡散信号を出力するものである。このスペクトラム拡散信号は、例えば、後述する図４に発信信号として示したように、地上子９が有する共振周波数ｆ（例えば、１０３ｋＨｚ）を中心として、列車制御に使用する周波数帯域を含むように広帯域に拡散された周波数特性を示す。

前記第１接続トランス８は、信号発生回路７と接続されており、信号発生回路７から出力されるスペクトラム拡散信号を車上子２へ出力するものである。

前記車上子２は、信号発生手段１からのスペクトラム拡散信号が供給されるものであり、一次側コイル２ａと二次側コイル２ｂとを備えて構成されており、列車５の先端下部に設けられている。車上子２の一次側コイル２ａは、第１接続トランス８を介して、信号発生回路７と接続されている。車上子２の二次側コイル２ｂは、後述する第２接続トランス１１の一次側と接続している。信号発生手段１で生成されたスペクトラム拡散信号は、車上子２の一次側コイル２ａを介して、地上側へ送出されると共に、二次側コイル２ｂにも送出される。列車５が地上子９上を通過すると車上子２と地上子９は電磁結合し、この際、車上子２の二次側コイル２ｂから第２接続トランス１１に送られる受信信号（スペクトラム拡散信号）は、地上子９の共振周波数に対応した周波数においてピーク性を有する周波数分布を示し、そのスペクトルエネルギー密度が変化する。

前記信号検出手段３は、車上子２と地上子９との電磁結合により車上子２の二次側コイル２ｂに送られる受信信号の受信レベルを検出するものであり、第２接続トランス１１とＡ／Ｄ変換回路１２とＦＦＴ演算処理部１３と信号検出部１４を備えて構成されている。

前記第２接続トランス１１は、前述したように車上子２の二次側コイル２ｂと接続しており、車上子２の二次側コイル２ｂからの信号をＡ／Ｄ変換回路１２に出力する。

前記Ａ／Ｄ変換回路１２は、第２接続トランス１１の二次側に接続されており、第２接続トランス１１の二次側から得られるアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。

前記ＦＦＴ演算処理部１３は、Ａ／Ｄ変換回路１２によってデジタル信号に変換された受信信号を一定時間毎にサンプリングして周波数分析を行い、周波数毎の受信レベルを演算し、信号検出部１４へ出力する。

前記信号検出部１４は、従来と同様に地上からの受信信号の有無を検出するしきい値としての最小動作レベルを予め設定し、ＦＦＴ演算処理部１３の出力信号内に最小動作レベルを超える受信レベルの信号が有るか否かを検出する。信号検出部１４は、判定手段４と接続しており、最小動作レベル以上の受信レベルを検出すると、ＦＦＴ演算処理部１３からの周波数毎の受信レベルの信号を判定手段４に出力する。

前記判定手段４は、最小動作レベル（しきい値）以上の受信レベルが信号検出手段３により検出された場合に、受信信号のピーク周波数ｆ０のＱ値を算出し、このＱ値が予め定める上下限値の範囲内である場合に、受信信号は地上子９と車上子２との電磁結合による正規の信号であると判定するものである。具体的には、判定手段４は、例えば、ＣＰＵによって構成されており、信号検出部１４から出力される信号に基づきピーク周波数ｆ０を検出し、該ピーク周波数ｆ０のＱ値を算出する。ピーク周波数ｆ０は、ＦＦＴ演算処理部１３により演算される受信信号の周波数毎の受信レベルのうち最大の受信レベルを示す周波数であり、地上子９が有する共振周波数ｆ（例えば、１０３ｋＨｚ）と一致する。なお、地上子９の共振周波数ｆは地上子９の経年変化等によりわずかに変動することがあるため、ピーク周波数ｆ０もその変動に応じてわずかに変動する。また、判定手段４は、例えば、検出したピーク周波数ｆ０と、予め記憶した地上子９の共振周波数ｆとの差を演算し、この差が前述した地上子９の共振周波数ｆのわずかな変動等を考慮して定める許容値内であるか否かを判定するように構成されている。判定手段４は、例えば、予め記憶した地上子９の共振周波数ｆとの差が、許容値以下である場合は、前述したようにＱ値の算出をし、許容値を超える場合は、Ｑ値を算出するこのなくノイズを受信したものと判定するように構成されている。

ここで、Ｑ値とは、ピーク周波数ｆ０の尖鋭度を示す値であり、Ｑ値が大きいほど尖鋭度が高く、Ｑ値が小さいほど尖鋭度は低い。Ｑ値は、ピーク周波数ｆ０の受信レベルから３ｄＢｖ下がった受信レベルに対応する周波数ｆ１，ｆ２（ピーク周波数ｆ０の上下近傍の周波数）とピーク周波数ｆ０に基づいて一般的に定義される値とし、以下の式で表されるものである。
Ｑ＝ｆ０／（ｆ２−ｆ１）・・・・・・式（１）
また、Ｑ値の下限値Ｑminは、軌道上の鉄板等に起因する尖鋭度の低い外乱に対応して適切に設定され、また、Ｑ値の上限値Ｑmaxはインパルスノイズ等に起因する尖鋭度の高い外乱に対応して適切に設定されている。

本実施形態において、判定手段４は、前記式（１）に基づく一般的な方法によってＱ値を直接算出するのではなく、データテーブルに基づいてＱ値を算出する構成である。具体的には、判定手段４は、図２に示すように、ピーク周波数ｆ０における受信レベルとピーク周波数ｆ０から予め定める周波数ｄｆだけ隔てた上下近傍の周波数（ｆ１，ｆ２）における受信レベルとの差分値（α、β）をそれぞれ算出すると共に、Ｑ値と差分値との対応関係を示すデータを予め保存するデータテーブル内のデータに基づいて算出した差分値に対応するＱ値を求めるように構成されている。ここで、予め定める周波数ｄｆは、ＦＦＴ演算処理部１３等の周波数分解能に応じて任意に設定することができ、例えば、１ｋＨｚに設定されている。このような構成により、本実施形態における判定手段４は、ピーク周波数ｆ０における受信レベルと周波数ｆ１における受信レベルとの差分値αと、ピーク周波数ｆ０における受信レベルと周波数ｆ２における受信レベルとの差分値βとを求め、求めた各差分値を加算し、その加算値（α＋β）と対応付けられたＱ値をデータテーブルより読み出すことによりＱ値を求める。

判定手段４は、図２に示すように、算出したＱ値が下限値Ｑminと上限値Ｑmaxの範囲内である場合には、正規の信号が入力されたと判定し、例えば、図示省略の出力制御部に判定結果を出力する。そして、この出力制御部は、判定手段４から得られた判定結果に基づいて列車の駆動モータやブレーキ等の所定の機器に対する制御信号を出力する。

また、判定手段４は、図３に示すように、算出したＱ値が上限値Ｑmaxより大きい場合は、外部から地上子９の共振周波数（スペクトラム拡散信号の中心周波数）と同じ周波数又はそれに近似した周波数のインパルスノイズを受信し、受信信号の受信レベルがそのインパルスノイズによって上昇してしまったと判定し、受信信号は異常な信号であると判断する。この場合、例えば、前述した出力制御部への受信信号の出力を行わないようにして、異常信号による不適切な列車の制御を防止する。また、図示しないが、地上子９が有する共振周波数ｆと大きく異なる周波数のインパルスノイズが発生している場合においては、判定手段４は、前述したように検出したピーク周波数ｆ０と予め記憶した地上子９の共振周波数ｆとの差が許容値を超えたことを検出し、Ｑ値を算出するまでもなく、受信信号は異常な信号であると判断する。

そして、判定手段４は、図４に示すように、算出したＱ値が下限値Ｑminより小さい場合は、軌道上の鉄板等の地上子９以外の物体により受信レベルが全体的に高くなったものと判定し、受信信号は異常な信号であると判断し、Ｑ値が上限値Ｑmaxより大きい場合と同様にして、不適切な列車の制御を防止する。

また、軌道に沿って設けられた前述した地上子９は、軌道の所定箇所に所定の間隔を保って複数個設けられるものである。地上子９は、車上子２と電磁結合したときに車上装置１０の信号発生手段１で生成されたスペクトラム拡散信号を地上装置２０に出力できるように構成されている。地上装置２０は、信号発生回路７から出力されたスペクトラム拡散信号に基づいて車上情報を認識し、この車上情報は、各種列車５の制御に利用される。また、地上子９は、共振回路により構成されている。このように構成することにより、地上子９と車上子２が電磁結合した際に、車上子２の二次側コイル２ｂから第２接続トランスに送られる受信信号（スペクトラム拡散信号）のスペクトルエネルギー密度を、地上子９の共振周波数に対応して変化させている。車上装置１０は、車上子２の二次側コイル２ｂより受信されたスペクトラム拡散信号に基づいて地上子９からの信号を認識し、この地上子９からの信号は、前述した出力制御部へ出力されて、列車５の駆動モータやブレーキ等の所定の機器制御に利用される。

次に、本実施形態に係る列車制御用信号受信装置の制御動作について図５に示すフローチャートを参照して説明する。なお、以下の説明において、インパルスノイズの周波数と地上子９の共振周波数ｆとの差は、前述した地上子９の共振周波数ｆのわずかな変動等を考慮して定める許容値内であるものとして説明する。

列車５の運転開始により車上装置１０の電源が投入されると（ＳＴＥＰ１；Ｙｅｓ）、変調器６は、所定の車上情報を生成して信号発生回路７に出力する。信号発生回路７は、変調器６からの車上情報に基づいて、所定の周波数信号を拡散変調させたスペクトラム拡散信号を生成し（ＳＴＥＰ２）、第１接続トランス８を介して車上子２に出力する（ＳＴＥＰ３）。そして、列車５の走行により車上子２が地上子９に電磁結合されると、スペクトラム拡散信号がその地上子９で受信され、受信されたスペクトラム拡散信号は、地上装置２０に出力され、地上装置２０における列車制御用の車上情報として用いられる。また、車上子２の二次側コイル２ｂから受信信号が入力されると、受信信号は、第２接続トランス１１を介してＡ／Ｄ変換回路１２に出力され、Ａ／Ｄ変換回路１２によりデジタル信号に変換される。そして、デジタル変換された受信信号は、ＦＦＴ演算処理部１３により一定時間毎にサンプリングして周波数の分析処理が行われ、信号検出部１４により、このＦＦＴ演算処理部１３の出力が検波され、受信レベルがしきい値以上である場合（ＳＴＥＰ４；Ｙｅｓ）は、ＦＦＴ演算処理部１３からの周波数毎の受信レベルの信号が判定手段４に出力される。次に、判定手段４は、ピーク周波数ｆ０を検出し、検出したピーク周波数ｆ０における受信レベルと、ピーク周波数ｆ０から予め定める周波数ｄｆだけ隔てた上下近傍の周波数（ｆ１，ｆ２）における受信レベルとの差分値（α、β）をそれぞれ算出し、各差分値（α、β）を加算し、その加算して算出した差分値（α＋β）に対応するＱ値をデータテーブル内のデータに基づいて算出する（ＳＴＥＰ５）。そして、このＱ値が下限値Ｑmin以上の場合（ＳＴＥＰ６；Ｙｅｓ）は、次のステップへ進み、ＳＴＥＰ７において、Ｑ値が上限値Ｑmax以下の場合（ＳＴＥＰ７；Ｙｅｓ）は、受信信号は地上子と車上子との電磁結合による正規の信号であると判定し（ＳＴＥＰ８）、受信信号に基づき車上側の制御を行うように前述した出力制御部へ信号を出力する（ＳＴＥＰ９）。そして、車上装置１０の電源が遮断されていない場合はＳＴＥＰ２に戻り（ＳＴＥＰ１０；Ｎｏ）、車上装置１０の電源が遮断されると制御動作は終了する（ＳＴＥＰ１０；Ｙｅｓ）。また、ＳＴＥＰ６においてＱ値が下限値Ｑminより小さい場合（ＳＴＥＰ６；Ｎｏ）は、軌道上の鉄板等に起因する信号誤検知と判定し（ＳＴＥＰ１１）、ＳＴＥＰ７においてＱ値が上限値Ｑmaxより大きい場合（ＳＴＥＰ７；Ｎｏ）は、外部からのインパルスノイズに起因する信号誤検知と判定し（ＳＴＥＰ１２）、いずれの場合（ＳＴＥＰ６；Ｎｏ、及びＳＴＥＰ７；Ｎｏ）も受信信号は地上子と車上子との電磁結合による正規の信号ではないと判定し（ＳＴＥＰ１３）、ＳＴＥＰ１０へ進む。なお、ＳＴＥＰ４において受信レベルがしきい値未満である場合（ＳＴＥＰ４；Ｎｏ）も、上記同様、受信信号は地上子と車上子との電磁結合による正規の信号ではないと判定し（ＳＴＥＰ１３）、ＳＴＥＰ１０へ進む。

なお、本実施形態のように、判定手段４をデータテーブルに基づいてＱ値を間接的に算出する構成にすることにより、ＦＦＴ演算処理部１３の周波数分解性能が低く、ピーク周波数ｆ０の受信レベルから３ｄＢｖ下がった受信レベルに対応する周波数を算出できない場合であっても、インパルスノイズのように極めて高いＱ値を算出することができる。このように、本実施形態における列車制御用信号受信装置は、比較的コストの低い低分解能のＦＦＴ演算処理部１３を用いることができるため、コストを高めることなく極めて高いＱ値をも算出することができる。

以上全ての説明において、判定手段４は、データテーブルに基づいてＱ値を間接的に算出する構成で説明したが、これに限らず、ピーク周波数ｆ０の受信レベルから３ｄＢｖ下がった受信レベルに対応する周波数を算出可能な高分解能のＦＦＴ演算処理部１３を用いて、Ｑ値を直接前記式（１）に基づいて算出する構成であってもよい。

１信号発生手段
２車上子
２ｂ車上子の二次側（車上子の二次側コイル）
３信号検出手段
４判定手段
５列車
９地上子

Claims

車上子と地上子との電磁結合により前記車上子の二次側に送られるスペクトラム拡散信号からなる受信信号のピーク周波数と、前記地上子の共振周波数との差が、予め定める許容値以下であり、且つ、前記受信信号のピーク周波数のＱ値が、予め定める上下限値の範囲内である場合に、前記受信信号は正規の信号であると判定し、
前記差が前記許容値を超える場合、前記受信信号は異常な信号であると判定する列車制御用信号受信装置。
前記ピーク周波数における受信レベルと前記ピーク周波数から予め定める周波数だけ隔てた周波数における受信レベルとの差分値を算出すると共に、Ｑ値と差分値との対応関係を示すデータを予め保存するデータテーブル内の前記データに基づいて前記算出した差分値に対応するＱ値を求めることを特徴とする請求項１に記載の列車制御用信号受信装置。