JP6071632B2 - 鉄道車両の位置検知システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両において、車両の現在位置を検知する位置検知装置に関する。

従来の位置検知システムは、モータの速度発電機からのパルス（回転数）信号をタコジェネレータによって取得してキロ程を算出し、走行位置を検出するシステムが主流である。このキロ程とは、タコジェネレータから得られるパルスのパルス数と車輪径に基づいて算出した車両の走行距離を示す。また、トランスポンダを有する路線においては、上記に加え地上子・車上子間通信とデータベースから位置情報を取得し現在位置を検出している。

特開２０１０−２３４９７９号公報

上記の従来技術はキロ程を基に位置検知を行っているため、絶対位置という概念がなく、分岐がある路線においては、キロ程のみではどの路線にいるかを認識できない。つまり、起点からの走行距離情報に基づいて位置の検出を行っているため、同じ起点から出発して分岐点にて違う方面へ走行し、起点から同一キロ程に位置する場合、どちらの路線にいるか検知することが出来ず、車両が位置する場所を特定することができなかった。尚、この起点とは、車庫、始発駅、又は直前の出発駅等の位置である。

このように、行き先が分岐点を介して複数ある路線や相互乗り入れしている路線などの広範囲な路線で使用する鉄道車両において、従来のキロ程のみによる位置検知では、車両の位置を特定することが出来ない。

従って実施形態は、キロ程による位置検知に加えてＧＰＳによる絶対座標などを適用することで、分岐のある路線で車両の位置を特定することを目的とする。

一実施形態に係る鉄道車両の位置検知システムは、車輪の回転に応じて生成されるパルス信号と車輪径に基づいて、起点からの距離を演算する距離演算手段と、ＧＰＳを用いて経度緯度情報を取得する経度緯度取得手段と、前記距離演算手段にて演算された距離と、前記経度緯度取得手段にて取得された経度緯度情報に基づいて、自車両の現在位置を検知する検知手段とを具備する。

鉄道車両における位置検知システムの機器構成の実施形態を示す図である。 絶対座標（経度・緯度）を用いてデータベース化される位置検知用エリアの一例を示す図である。 線路、駅、車両の絶対座標を示す図である。 絶対座標の線路および車両への適用例を示す図である。 線路基準座標および線路基準ブロックを広範囲な領域で示す図である。 複数のエリアから構成される位置検知範囲の例を示す図である。 エリアと車両基準座標の位置関係を示す図である。 位置検知に列車の行き先／種別等を利用する場合の例を示す図である。 絶対座標および地図情報を使用した案内表示の画面例を示す図である。 地図情報を用いた案内表示を行う際の画像配置位置を決定する方法の一例を示す図である。

以下、実施形態に係る位置検知システムについて、図面を参照して説明する。

図１は、鉄道車両における絶対座標を用いた位置検知システムの機器構成の実施形態を示す図である。

ＧＰＳ受信部３は衛星からの電波をＧＰＳアンテナ２を介して受信し、車両１の位置を示す絶対座標（経度・緯度）を制御装置４に出力する。タコジェネレータ５は、車輪１０の回転に応じたパルスを発生し、制御装置４に出力する。データベース１１には、地図情報あるいは地形情報及び後述の絶対座標に対応する路線上の位置情報等の情報が予め記録されている。トランスポンダ車上子７は、トランスポンダ地上子６から例えば位置に関する情報を受信して、制御装置４に出力する。スピーカ１３は制御装置４に接続され、次停車駅などの車内案内の音声を発する。

制御装置４は後述するように、タコジェエレータ５からのパルス信号と、ＧＰＳ受信部３からの絶対座標及びデータベース１１からの情報に基づき、路線上の現在位置を決定する。制御装置４は後述するように、現在位置に対応する地図情報を車内案内表示器１２に表示したり、現在位置に対応する運転支援情報等を運転台８上に設けられた表示器９に表示する。また制御装置４は、トランスポンダ車上子からの位置に関する情報とデータベース１１からの情報に基づき、現在位置を判断することもできる。

この位置検知システムでは、タコジェネレータ５からのパルス信号を基に得られるキロ程情報と、ＧＰＳより取得する絶対座標の情報を利用して、路線上の現在位置を検知する。これらキロ程と絶対座標のデータを併用することにより、分岐のある路線において、同じキロ程位置でも互いに異なる路線にいることを検知することが可能となる。

本システムにおいては、図２に示すような線路に沿った範囲を検知用エリアとし、このような範囲の絶対座標（経度・緯度）をデータベース化して使用する。

次に、線路に沿った範囲の絶対座標のデータベース化及びデータベース利用方法について図３〜図８を用いて説明する。

図３は線路、駅、車両の絶対座標を示す図である。図３に示すように線路の絶対座標を（Ｘｒ，Ｙｒ）として事前に取得し、この絶対座標（Ｘｒ，Ｙｒ）を「線路基準座標」（図４（ａ））としてデータベースを作成しデータベース１１に格納しておく。

この線路基準座標を広範囲な領域で示すと図５（ａ）のようになる。この線路基準座標は、計測車両が線路上を走行してデータベースを作成中に、例えば１秒ごとにＧＰＳから得られる経度緯度情報である。
また、ＧＰＳ受信部３により、実際の走行中に都度取得される自車両の座標値は図４（ｂ）に示すように（Ｘｔ，Ｙｔ）とする。

ＧＰＳは、データ取得時の条件により多少の誤差があるため、これを考慮する必要がある。この誤差を考慮して本システムでは、線路基準座標（Ｘｒ，Ｙｒ）を例えば中心として図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように線路のレール方向又は東西方向に±α、枕木方向又は南北方向に±βの範囲を「線路基準ブロック」として生成する。つまり、線路基準座標（Ｘｒ，Ｙｒ）及びα、βの情報をデータベースとして記録する。このように生成される線路基準ブロックを広範囲な領域で示すと図５（ｂ）のようになる。

尚、この線路基準ブロックは一般に、同一線路において互いに重なり合っている。また、この線路基準ブロックのαとβは使用する場所や条件により可変とする。例えば、複数の線路が接近して平行に配置され、どの線路上を走行しているか区別する必要がある場合、隣り合う線路の線路基準ブロックが重ならないように、βを単線区間に比べ小さくする。また、プラス方向のβの値とマイナス方向のβの値、あるいはプラス方向のαの値とマイナス方向のαの値を、必要に応じてそれぞれ異なる値としてもよい。

この線路基準ブロックを複数個連結した範囲を、位置検知等に使用する線路範囲エリア（以下、主にエリアという）として生成する。つまり、複数個連結した線路基準ブロックの複数の線路基準座標と対応するαおよびβの値が１つのエリアの情報としてデータベース化される。線路基準ブロックの連結数は場所や用途によって可変とする。例えば、複数の線路が配置された駅を走行中あるいは停止中であることをのみを検出するので良ければ、駅周辺の多数の線路基準ブロックが連結され１つのエリアとしてデータベース化される。また、どの線路を走行中あるいは停止中であるかを検知する必要がある場合には、１つのエリアにおいて枕木方向の連結数を１、すなわち枕木方向には線路基準ブロックを連結しない。

以下の説明においては次の４つをエリア設定の条件（エリアの種類）として説明する。これらの条件は、使用する路線や場所などに応じて適宜設定する。

[１]単線エリア
[２]複線エリア
[３]複数の線路が平行している多路線エリア
[４]トンネル／地下などＧＰＳ使用不可エリア
位置検知は、車両に搭載されているＧＰＳ３から得られるデータを「車両基準座標」（図４（ｂ）参照）として使用する。この車両基準座標がデータベース１１中のどの線路基準ブロック中に含まれる座標であるか判断し、車両がどの線路基準ブロック上に位置しているか、あるいは当該ブロックを含むエリア内に位置しているか判断する。線路基準ブロック及びエリアそれぞれにＩＤが付されている場合は、線路基準ブロックＩＤあるいはエリアＩＤにより現在位置を特定できる。また、現在位置は当該線路基準ブロックの線路基準座標によっても特定できる。

尚、ＧＰＳ３から得られる絶対座標（車両基準座標）の精度は場所によって大きく異なる。さらに線路基準座標に対して、車両基準座標は一般にずれて検出される。従って、車両基準座標のみで現在走行中の線路基準ブロックを必ず特定できるわけではない。しかし車両基準座標から現在走行中のエリアは一般に特定できる。従って分岐のある線路において、先ずＧＰＳ３から得られる車両基準座標から現在走行中のエリアを特定し、起点あるいは直前に出発した駅からのキロ程に基づき、正確な現在位置を特定することが可能である。
図６は本実施形態における位置検知範囲を示し、この位置検知範囲は複数のエリア（線路範囲エリア）から構成されている。図中の［３］多路線エリアに示すように、複数の線路が接近及び平行して敷いてある場合、走行している線路のエリアと隣の線路のエリアが重ならいために、［１］の単線エリアより枕木方向の幅を狭くする。このような場合、ＧＰＳの誤差によって車両基準座標が隣接している隣の線路上になってしまう場合が想定される。このような場所においては、位置検知の条件として当該列車の行き先や種別などの情報を合わせて利用することによって位置検知を行う。ここで種別とは、急行、各駅停車等の列車種類を示し、急行と各駅停車の走行する線路が違う場合に、その違いを利用して、当該車両が走行している線路基準ブロックあるいはエリアを決定することができる。

図６（ａ）中の［４］はトンネルであり、図６（ｂ）中の［４］は例えば地下区間である。このようにトンネルや地下区間などのＧＰＳを利用できない区間については、ＧＰＳ信号が受信できなくなる数個手前から、ＧＰＳ信号再受信が可能となってから数個の線路基準ブロックまでを［４］ＧＰＳ利用不可エリアとして設定する。従って、ＧＰＳ利用不可能エリアに入ったこと、及び抜け出たことを検知できる。ＧＰＳ利用不可エリアに入ったことを検知して、利用可能エリアに入るまでは、従来のキロ程による位置検知を行っていく。つまり、パルスジェネレータからのパルス信号のパルス数に基づく走行距離に応じた位置を、データベースから判断することで、現在位置を検知できる。また、ＧＰＳが受信できない区間の前後に位置する数ブロック分に関しては、キロ程による検知と絶対座標による検知を併用する。

図７はエリアと車両基準座標の位置関係を示している。図７（ａ）は線路範囲エリアとしてエリア１およびエリア２と、予め計測してデータベース化してある線路基準座標を示している。ＧＰＳには誤差が発生するため、図７（ｂ）に示すように車両基準座標が正しく車両の位置を示す場合と、図７（ｃ）に示すようにずれた位置を示す場合がある。これを考慮して、例えばこの誤差を含むようにエリアの設定を行う。このようにエリアを設定することにより、図７（ｃ）の場合でも、車両がエリア１内にいることが検出できる。７（ｄ）は、次エリアに車両が動いた時を示している。

図８は複数の線路が平行して配置されている場所を車両が走行する場合に、列車の行き先／種別等を利用して位置検知する様子を示す図である。図８（ａ）は、ＧＰＳが正しい車両基準座標を示している場合を示している。図８（ｂ）は誤差が生じた場合を示している。

このような場所においてはエリア設定を図６中の［３］多路線エリアの設定とし、当該列車の行き先や列車種別などの情報を合わせて使用して位置の検知を行う。すなわち、図８（ｂ）に示すようにＹ駅行きの車両は決められた線路上を走行するため、行き先情報と車両基準座標を併用し、当該車両がＡ線用エリア内にいると判断し位置検知を行う。

次に、本実施形態に係る案内システムについて説明する。

制御装置４は、上記したようにして検知した線路基準ブロックあるいは線路範囲エリアの情報を基に、現在停車している駅、次停車駅または乗換え情報などの案内情報を、停車時、発車後の次駅付近など、適切なエリアに入ったことを検知した時に、車内案内表示器１２に表示し、および／またはスピーカ１３を用いて音声で放送する。

図９は、絶対座標および地図情報を使用した案内表示の画面例を示す図である。制御装置４は、上記したようにして検知した線路基準ブロックあるいは線路範囲エリアの絶対座標情報に基づいて、図９に示すように車両の現在位置を、沿線情報（施設や観光名所など）を含む地図情報に重ね合わせて表示する。また制御装置４は、画面の中央に車両位置を固定し、背景の地図情報が車両基準座標に基づいて変化（スクロール）するように表示を行う。

図１０は、地図情報を用いた案内表示を行う際の画像配置位置を決定する方法の一例を示す図である。データベース１１には、主な施設や観光名所、学校などの沿線情報の絶対座標が格納されており、制御装置４はデータベース１１を参照して沿線情報を車内案内表示器１２に表示する。表示する施設等の座標は施設座標（Ｘｓ，Ｙｓ）とする。制御装置４は、この案内表示において、常に車両が画面の中央に位置するように表示し、線路は常に直線として表示する。制御装置４は、車両基準座標を基に施設等の沿線情報をデータベース１１から取得し、車両基準座標と施設座標との座標値の差に基づいて、各施設等を表示する。

次に、制御装置４の他の様々な機能について説明する。

制御装置４は、主要駅等に設けられた運行管理装置等の地上側設備との通信を行い、自車両の車両番号や位置情報（線路基準ブロックあるいは線路範囲エリア）を配信し、地上側設備による運行状況の管理を支援する。このように制御装置４に地上側との通信機器を持たせることにより、地上側設備はどの車両（編成列車）が絶対座標上の例えばどのエリアにいるかを把握することができる。このようなシステムは特に機関車など広範囲に使用される鉄道車両に搭載することで、運行管理を容易に行うことが可能となる。

次に制御装置４は、ＧＰＳ３から得た絶対座標（車両基準座標）と、データベースから得られるエリア情報に基づいて判断される現在位置情報（現在走行中のエリア）に対応させて、車両の走行速度や消費電力などの走行状況をデータベース１１に記録する。データベース１１には、各エリアを走行する際の例えば標準的な消費電力が記録されている。この標準的な消費電力と、実際に各エリアを走行した際の消費電力とを比較することにより、運転の経済性を判断できる。また、走行中に、各エリアの標準的な消費電力と、実際の消費電力とを、運転台８の表示器９に表示し、運転士に経済的な運転の支援をすることができる。

またデータベース１１には、各エリアのカーブの度合い及び勾配等の地形情報が記録されている。制御装置４は、例えば急カーブとなっているエリアの手前のエリアを走行中であることを検知すると、ノッチ（トルク指令）を下げる等の運転支援を行う。また制御装置４は、例えば上り急勾配となっているエリアの手前のエリアを走行中であることを検知すると、ノッチを上げる等の運転支援を行う。

またデータベース１１には、各エリアのカーブの度合い及び勾配等の地形情報に基づいて算出された省エネを考慮した経済速度が記録されている。制御装置４は、この経済速度を参照し、現在走行しているエリアでの速度が経済速度に一致するよう、運転支援を行う。あるいは制御装置４は、この経済速度を運転台８の表示器９に表示して運転支援を行う。尚、この経済速度は、ＧＰＳから得られる各エリアの標高データに基づくエリアの高度変化を用いて算出した速度でもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、従来のキロ程による位置検知に絶対座標という概念を加えることにより、路線が複数に分岐している場合、同じキロ程でも、どの路線を車両が走行しているか等を区別することができる。また、車両における位置検知だけではなく、案内表示や自動放送、運行管理、運転支援などに、検知した位置情報を活用することができる。

また、線路の存在しているところ全てを絶対座標（ブロック、エリア）のデータとして持つことで、相互乗り入れしている路線を走行したり、広範囲に稼動している機関車などにも本実施形態は適用でき、主要駅の運行管理装置にて一括して運行管理することも可能となる。さらに、例外的な列車種別や行き先の変更による走行路線の変更時等にも、絶対座標を用いることで起点からのキロ程のみによる位置検知に比べて、容易に位置検知が可能となる。

また、線路基準座標を基にブロックが生成（データベース化）され、これらを連結してエリアが生成される。使用箇所や用途に応じてブロックの幅や連結数を変化させてエリアを生成することで、複数の線路が接近して平行して配置されている箇所や、車庫や引き込み線などにおいても容易に位置検知が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (8)

1. 車輪の回転に応じて生成されるパルス信号と車輪径に基づいて、起点からの距離を演算する距離演算手段と、
   ＧＰＳを用いて経度緯度情報を取得する経度緯度取得手段と、
   前記距離演算手段にて演算された距離と、前記経度緯度取得手段にて取得された経度緯度情報に基づいて、自車両の現在位置を検知する検知手段と、
   複数の分岐点を含む線路の２本のレール間で、該レールと平行に間隔をおいて連続する点の経度緯度を線路基準座標とし、前記線路基準座標をそれぞれ含むブロックを前記線路基準座標に対応させて定義し、該ブロックを複数連結した範囲をエリアとして定義した情報を含むデータベースと、を具備し、
   前記経度緯度取得手段は、前記ＧＰＳから得られる経度緯度を車両基準座標とし、前記データベースを検索して前記車両基準座標に対応するエリアを判断する判断手段を具備し、
   前記検知手段は、前記判断手段にて判断されたエリア内に自車両が存在すると判定し、当該エリアの情報及び前記演算された起点からの距離に基づいて自車両の位置を決定する位置決定手段を具備する鉄道車両の位置検知システム。
2. 複数の線路が平行して存在している区間においては、前記データベースにおいて前記ブロックの枕木方向の幅は単線区間より狭く設定され、前記位置決定手段は、自車両の種別又は行き先を利用して、自車両が存在するエリアを決定する請求項１記載の位置検知システム。
3. 前記データベースは、地下及びトンネル内を含むＧＰＳ利用不可能エリアの情報を有し、
   前記位置決定手段は、前記ＧＰＳ利用不可能エリア内においては、前記距離演算手段にて演算された距離を基に位置を決定する請求項１又は２記載の位置検知システム。
4. 車内案内表示器を具備し、
   前記データベースは、線路周辺の地図情報を有し、
   前記車内案内表示器に、車両位置を中心として、前記ＧＰＳから得られる車両基準座標を基に、地図情報を自車両の位置と共に表示する表示手段を具備する請求項１又は２記載の位置検知システム。
5. 自車両の走行エリアと共に、自車両の走行速度及び消費電力を含む走行状況を前記データベースに記録する手段を具備する請求項１又は２記載の位置検知システム。
6. 前記データベースは、各エリアにおけるカーブの度合いおよび勾配を含む地形情報を有し、
   前記地形情報を用いて車両の運転支援を行う手段を具備する請求項１又は２記載の位置検知システム。
7. 前記データベースは、各エリアにおけるカーブの度合いおよび勾配を含む地形情報に基づいて算出された経済速度情報を有し、
   前記経済速度情報を参照し、現在走行しているエリアでの速度が経済速度に一致するよう、運転支援を行う手段を具備する請求項１又は２記載の位置検知システム。
8. 前記地形情報は、前記ＧＰＳから得られる各エリアの標高データに基づくエリアの高度変化情報を含む請求項７記載の位置検知システム。

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