JP6210791B2 - 車上装置、及び、これを用いた列車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車上装置に関し、具体的には、地上装置と組み合わされて列車制御装置に用いられたとき、列車制御に係る振幅変調波信号（入力信号）に混入するノイズを除去する車上装置に関する。

入力信号に混入するノイズを除去するための装置について、従来より、種々の構造のものが提案され、実用に供されている。例えば、特許文献１に記載された雑音除去装置は、スペクトルを平滑化することにより、入力信号からノイズを抽出し、周波数軸上でノイズを入力信号から差し引くことにより、ノイズの抑制を図るものである。

ところで、列車制御において、車上側で受信する入力信号には、様々なノイズが混入する。このノイズは、可能な限り除去されなければならない。なぜならば、列車制御の分野では、入力信号の信号特性は、適切な列車制御、及び、列車運行の安全管理に直接影響するからである。

特に、この種の列車制御に係る入力信号には、可変電圧可変周波数制御（Variable Voltage Variable Frequency）を行うインバータ装置から受け取るノイズ（ＶＶＶＦノイズ）が混入することが知られている。このＶＶＶＦノイズは、列車の速度に応じてノイズの生じる周波数が変動するため、決められた周波数帯域のノイズを減衰させるバンドパスフィルタ等では充分に除去することができない。また、既に説明した特許文献１に記載された技術を用いても、上述した特徴を有するＶＶＶＦノイズを充分に除去することはできない。

そこで、従来の列車制御装置では、上述した入力信号に含まれるＶＶＶＦノイズの影響を小さくするため、地上側からの送信出力を大きくして、Ｓ／Ｎ比（signal-noise ratio）を稼ぐことが行われている。しかし、送信出力を大きくするには電流を増やさなければならず、その結果、消費電力の増大、列車制御装置の大容量化などの新たな問題が生じることとなる。

特開平１１−１０２１９７号公報

本発明の課題は、列車制御に係る振幅変調波信号（入力信号）に混入したノイズを除去しうる車上装置を提供することである。

本発明のもう１つの課題は、信号送信に要する電力消費を低減しうる車上装置を提供することである。

本発明のさらにもう１つの課題は、軌道回路長を長くし、機器数を減らしうる車上装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る車上装置は、信号判別部を含む。信号判別部は、入力信号に対応する出力信号を生じさせる。ここで、入力信号は、地上装置より供給される振幅変調波信号である。他方、出力信号は、入力信号から所定の時間幅で信号成分を取り出して周波数領域に変換し、変換して得られたスペクトルと、予め記憶された複数の変調波周波数のスペクトルとを対比して誤差をそれぞれ導出し、導出して得られた誤差が最も小さい変調波周波数である。

上述したように、本発明に係る車上装置を構成する信号判別部は、入力信号に対応する出力信号を生じさせるものであって、地上装置より供給される入力信号から所定の時間幅で信号成分を取り出して周波数領域に変換し、変換して得られた入力信号スペクトルと、予め記憶された複数の変調波周波数のスペクトルとを対比して誤差をそれぞれ導出し、導出して得られた誤差が最も小さい変調波周波数を出力信号とする。この構成によると、車上装置が地上装置と組み合わされて列車制御装置に用いられたとき、入力信号に、例えば、ＶＶＶＦノイズが混入したとしても、その影響を受けることなく、入力信号の変調波周波数を正確に判別し、出力することができる。従って、列車制御に係る振幅変調波信号（入力信号）に混入したノイズを除去こと、及び、ノイズの影響のない出力信号に基づいて、適切な列車制御を行うことができる。

本発明に係る車上装置を構成するノイズ抑制部は、誤差に基づいて入力信号の変調波周波数を判別することができるから、同一軌道回路長では、地上側の信号出力を抑え、信号送信に要する電力消費を低減することができる。また、同一送信出力では、軌道回路長を長くすることが可能になるとともに、地上側の機器数を減らすこと（地上側設備の効率化）が可能となる。

以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）列車制御に係る振幅変調波信号（入力信号）に混入したノイズを除去しうる車上装置を提供することができる。
（２）信号送信に要する電力消費を低減しうる車上装置を提供することができる。
（３）軌道回路長を長くし、機器数を減らしうる車上装置を提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。

本発明の実施形態に係る車上装置を用いた列車制御装置のブロック図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理のフロー図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理の波形図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理を波形図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理を波形図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理を波形図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理を波形図である。 本発明の実施形態に係る信号判別処理を模式的に示す図である。

図１乃至図８において、同一符号は、同一又は対応部分を示すものとする。本発明は、車上装置に関し、具体的には、地上装置と組み合わされて列車制御装置に用いられたとき、列車制御に係る振幅変調波信号（入力信号）にノイズが含まれるとしても、その変調波周波数を判別し、判別した変調波周波数を出力しうる車上装置に関する。図１の列車制御装置１は、地上装置２と、車上装置３とを含む。車上装置３は、レール４の上を、矢印Ｆ１の方向に走行する列車５に搭載されている。

地上装置２は、当該列車５と、先行列車との間隔、及び、進路の条件に応じて、列車５の許容運転速度など速度制限情報を含む列車制御信号電流（ＡＴＣ信号Ｓ１）を生成する。このＡＴＣ信号Ｓ１は、正弦波に振幅変調をかけたもの（振幅変調波）である。ＡＴＣ信号Ｓ１は、レール４、及び、各軌道回路（図示省略）を通じて車上装置３に供給される。

列車５は、車上装置３と、車上アンテナ５１と、インバータ装置５２と、ブレーキ装置５５とを含んでいる。車上アンテナ５１は、レール４に供給されているＡＴＣ信号Ｓ１を受信し、受信したＡＴＣ信号Ｓ１を車上装置３に送る。

インバータ装置５２は、可変電圧可変周波数制御（Variable Voltage Variable Frequency）を行うものであって、架線６からパンタグラフ７を通じて取り込んだ直流電流Ｗ１を交流電流Ｗ２に変換し、モータ５３に供給する。モータ５３に供給された交流電流Ｗ２は、モータ５３を経由した後に帰線電流Ｗ３となり、車輪５４を通じてレール４に流され、図示しない変電所に戻る。

車上装置３は、信号処理部３１を有し、信号処理部３１は、供給されたＡＴＣ信号（Ｓ１）と、速度検出器（図示しない）から供給される速度信号とを照査し、例えば速度超過の場合にブレーキ信号を生成し、ブレーキ装置５５にブレーキ制御を与える。

ここで、図１の列車制御装置１は、上述した従来の列車制御装置の基本構成に加え、信号判別部３０を有する点に特徴の一つがある。すなわち、この種の列車制御において、車上側で受信するＡＴＣ信号Ｓ１には、様々なノイズが混入する。このノイズは可能な限り除去されなければならない。なぜならば、列車制御の分野では、ＡＴＣ信号Ｓ１の信号特性（Ｓ／Ｎ比）は、適切な列車制御、及び、列車運行の安全管理に直接影響するからである。

特に、この種のＡＴＣ信号Ｓ１には、帰線電流Ｗ３に起因するノイズ（ＶＶＶＦノイズ）が、車上アンテナ５１に直接混入することが知られている。このＶＶＶＦノイズは、列車５の走行速度に応じてノイズの生じる周波数が変動するため、バンドパスフィルタ等の決められた周波数帯域のノイズを減衰させる信号処理のみでは充分に除去することができない。しかも、ＡＴＣ信号Ｓ１は、レベル変動が小さいから、ＡＴＣ信号Ｓ１に対し、レベル変動の大きなＶＶＶＦノイズが混入した場合、その影響を小さくするため、地上側からの送信出力を大きくして、Ｓ／Ｎ比を稼がざるを得ず、その結果、消費電力の増大、列車制御装置の大容量化などの新たな問題が生じることとなる。

上述した鉄道信号に特有の問題を解決するため、図１の車上装置３は、信号判別部３０を有する。信号判別部３０は、端的に言えばＡＴＣ信号Ｓ１のノイズを除去するものであって、入力されたＡＴＣ信号Ｓ１に対応するＡＴＣ信号Ｓ２を生じさせ、出力する。ＡＴＣ信号Ｓ１は、地上装置より供給される振幅変調波信号である。ＡＴＣ信号Ｓ２は、ＡＴＣ信号Ｓ１から所定の時間幅で信号成分を取り出して周波数領域に変換し、変換して得られたスペクトルを、予め記憶された複数の変調波周波数のスペクトルと対比して誤差をそれぞれ導出し、導出して得られた誤差が最も小さい変調波周波数信号である。

ＡＴＣ信号Ｓ２は、信号処理部３１に供給される。信号処理部３１は、信号判別部３０からＡＴＣ信号Ｓ２と、速度検出器（図示しない）から供給される速度信号とを照査し、例えば速度超過の場合にブレーキ信号を生成し、ブレーキ装置５５にブレーキ制御を与える。

上述した信号判別部３０における具体的な信号判別処理について、さらに、図２乃至図８を参照し、より詳細に説明する。図２に示すように、信号判別部３０による信号判別処理は、信号受信ステップと、周波数帯域抽出ステップと、フレーム抽出ステップ（図３参照）と、フーリエ変換ステップ（図４参照）と、あてはめステップ（図５〜図７参照）と、誤差導出ステップ（図５〜図７参照）と、変調波周波数判別ステップ（図８参照）と、信号出力ステップとを含む。

まず、信号受信ステップは、地上装置２から各軌道回路、及び、レール４に供給されるＡＴＣ信号Ｓ１を車上アンテナ５１を通じて受信する。

次に、周波数帯域抽出ステップは、車上アンテナ５１で受信したＡＴＣ信号Ｓ１に対し、ＢＰＦ（Band-pass filter）処理を行うことにより、信号成分を含む周波数帯域を抽出する。

次に、フレーム抽出ステップは、周波数帯域抽出ステップにより得られた信号成分、及び、その時間軸の波形から所定の長さで、一定時間ごとに信号を抽出してフレームとする。ＢＰＦ処理された信号成分は、フレーム抽出ステップにおいて、変調波一波長分以上含む長さに分割される。図３に示すように、１フレームは、変調波の一波長分以上を一単位として含み、好ましくは変調波の一周期に基づいて設定される。

次に、図４に示すように、図３のフレーム抽出ステップにおいて抽出された１フレーム分の信号成分は、フーリエ変換ステップによって、時間領域から周波数領域へ変換されることにより、周波数スペクトル（入力信号スペクトル）とされ、図示しない記憶領域に記憶される。

誤差導出ステップは、記憶された周波数スペクトル上でノイズを除去する処理である。まず、信号判別部３０は、図示しない記憶領域に、列車制御に係るＡＴＣ信号（Ｓ１）の変調波周波数のスペクトルが、内部スペクトルとして予め記憶されている。この内部スペクトルは、後述する誤差の導出基準となるスペクトルであって、列車制御情報のコードに対応するスペクトルＦｍ１、Ｆｍ２…ＦｍＮ（Ｎは３以上の整数）で構成されている。具体的に、ＡＴＣ信号Ｓ１には、例えば、列車速度や、軌道ＩＤなど、コードとして用いられる変調周波数スペクトルが、予め決められており、内部スペクトルＦｍ１、Ｆｍ２…ＦｍＮ（Ｎは３以上の整数）は、前記コードに対応するものである。

誤差導出ステップは、フレーム抽出ステップにおいて得られた入力信号スペクトルと、予め記憶された複数の変調波周波数の内部スペクトル（Ｆｍ１、Ｆｍ２…ＦｍＮ）とを、それぞれ対比し、誤差（ｅ１、ｅ２…ｅＮ）を導出する。以下、図５を参照して具体的に説明する。

図５の誤差導出ステップは、入力信号スペクトルに近づくよう内部スペクトル（Ｆｍ１）を比較スペクトル（Ｆｍ１）に変形させて入力信号スペクトルにあてはめる処理と、前記あてはめ処理後、比較スペクトル（Ｆｍ１）と、入力信号スペクトルとの誤差（ｅ１）を導出する処理とを含む。

まず、あてはめ処理において、比較スペクトル（Ｆｍ１）を獲得するため、内部スペクトル（Ｆｍ１）に加えられる処理としては、例えば、以下の方法（ａ）乃至（ｅ）が考えられる。

（ａ）搬送波周波数のレベルが、入力信号スペクトルと一致するよう、内部スペクトル（Ｆｍ１）のレベルを定数倍する。
（ｂ）全周波数のレベルの合計値が、入力信号スペクトルと一致するよう、内部スペクトル（Ｆｍ１）のレベルを定数倍する。
（ｃ）前記（ｂ）において、合計する周波数を、信号成分の含まれる周波数帯域に限定する。
（ｄ）入力信号スペクトルとの誤差が最小となるよう、内部スペクトル（Ｆｍ１）のレベルを定数倍する。
（ｅ）入力信号スペクトルとの誤差が最小となるよう、内部スペクトル（Ｆｍ１）のレベルを定数倍し、さらに全周波数に定数項を加える。

次に、誤差導出処理において、あてはめ処理により得られた比較スペクトル（Ｆｍ１）と、入力信号スペクトルとの誤差（ｅ１）を求める方法として、例えば、以下の方法（ｆ）乃至（ｉ）が考えられる。

（ｆ）周波数ごとに比較スペクトル（Ｆｍ１）と、入力信号スペクトルとのレベル差を求め、全周波数のレベル差を合計する。
（ｇ）前記（ｆ）の方法において、合計する周波数を信号成分の含まれる周波数帯域に限定する。
（ｈ）周波数ごとに内部スペクトル（Ｆｍ１）と、入力信号スペクトルとのレベル差の二乗を求め、全周波数のレベル差を合計する。
（ｉ）前記（ｈ）の方法において、合計する周波数を信号成分の含まれる周波数帯域に限定する。

図６及び図７は、図５を参照して説明した誤差（ｅ１）導出処理と同様、内部スペクトル（Ｆｍ２…ＦｍＮ）を基準とする入力信号スペクトルの誤差（ｅ２…ｅＮ）導出処理を行うことにより、比較スペクトル（Ｆｍ２…ＦｍＮ）のそれぞれと、入力信号スペクトルの誤差（ｅ２…ｅＮ）を導出する。

図８は、変調波周波数判別ステップであって、図５乃至図７の誤差導出ステップで導出された誤差（ｅ１、ｅ２…ｅＮ）のそれぞれから、誤差（ｅ）が最も小さいものを判別し、誤差が最も小さいスペクトルの変調波周波数を入力信号の変調波と識別する。図８の変調波周波数判別ステップでは、入力信号スペクトルと内部スペクトルＦｍ２との誤差（ｅ２）が最も小さいから、信号判別部３０は、入力信号Ｓ１の変調波周波数が、内部スペクトルＦｍ２に基づく変調波周波数であると判別し、判別した内部スペクトルＦｍ２に基づく変調波周波数を、ＡＴＣ信号Ｓ２として、例えば、信号処理部３１に出力する。信号処理部３１は、ＡＴＣ信号Ｓ２に基づいて列車制御を行う。図８により出力されるＡＴＣ信号Ｓ２は、予め記憶された内部スペクトルＦｍ２に基づく変調波周波数であるから、ＶＶＶＦノイズなどは含まれていない。

図１乃至図８を参照して説明したように、本発明に係る車上装置を構成する信号判別部３０は、入力信号（Ｓ１）に対応する出力信号（Ｓ２）を生じさせるものであって、地上装置２より供給されるＡＴＣ信号Ｓ１から変調波一波長分以上を１フレームとして取り出してフーリエ変換し、ＡＴＣ信号Ｓ１のスペクトルと、予め記憶された複数の変調波周波数のスペクトル（Ｆｍ１、Ｆｍ２…ＦｍＮ）とを対比して誤差（ｅ１、ｅ２…ｅＮ）をそれぞれ導出し、導出して得られた誤差が最も小さい変調波周波数（Ｆｍ２）を出力信号（Ｓ２）とする。

上述した構成によると、例えば、列車５の走行速度に応じて発生周波数が変動するＶＶＶＦノイズがＡＴＣ信号Ｓ１に混入したとしても、これを除去し、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能となる。従って、ＡＴＣ信号Ｓ１の信号特性、耐ノイズ性を向上しうる車上装置３、及び、これを用いた列車制御装置１を提供することができる。

また、違う観点から説明すれば、信号判別部３０は、ＡＴＣ信号Ｓ１に混入したノイズを除去し、Ｓ／Ｎ比を改善することができるから、同一軌道回路長では、地上側の信号出力を抑え、信号送信に要する電力消費を低減することができる。また、同一送信出力では、軌道回路長を長くすることが可能になるとともに、地上側の機器数を減らすこと（地上側設備の効率化）が可能となる。

図１乃至図８の列車制御装置１は、鉄道におけるＡＴＣ信号Ｓ１の特徴を念頭に置いたノイズ除去処理を行うものである。すなわち、鉄道においては、変動の小さいＡＴＣ信号Ｓ１に対して、ＶＶＶＦノイズのような広帯域に発生する変動の大きいノイズが発生するから、その特徴をいかしてノイズ除去処理を行う必要がある。しかも、列車制御に係るＡＴＣ信号Ｓ１には、列車速度や、軌道ＩＤなど、コードとして用いられる変調周波数スペクトルが、予め決められている、との特徴もある。この点、図１乃至図８の列車制御装置１は、上述したＡＴＣ信号Ｓ１の特徴を念頭に、誤差導出ステップ、及び、変調波周波数判別ステップを行うことにより、既知の内部スペクトル（Ｆｍ１、Ｆｍ２…ＦｍＮ）に基づいて誤差（ｅ）を導出するから、ノイズの影響を受けることなく、ＡＴＣ信号Ｓ１の変調波周波数を正確に判別し、効率よく出力することができる。従って、耐ノイズ性を向上しうる車上装置３、及び、これを用いた列車制御装置１を提供することができる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。例えば、変調波周波数判別ステップにおいて、「誤差の最も小さいものを入力信号Ｓ１の変調波とするのではなく、定数倍した値がもっとも大きいものを入力信号Ｓ１の変調波とする、としてもよい。

１ 列車制御装置
２ 地上装置
３ 車上装置
Ｆｍ１、Ｆｍ２…ＦｍＮ 内部スペクトル（比較スペクトル）
ｅ１、ｅ２…ｅＮ 誤差
３０ 信号判別部
Ｓ１ 入力信号
Ｓ２ 出力信号

Claims (5)

1. 複数の変調波周波数を内部スペクトルとして記憶する信号判別部を備え、
   前記信号判別部は、前記複数の変調波周波数が設定されている地上装置より供給される振幅変調波信号から所定の時間幅で信号成分を取り出して周波数領域に変換し、前記変換して得られた入力信号スペクトルと、前記内部スペクトルとをそれぞれ対比し、前記対比ごとの誤差を導出し、前記入力信号スペクトルの前記変調波周波数は、前記誤差が前記複数の変調波周波数の内最も小さい前記内部スペクトルに基づく前記変調波周波数であると判別する、車上装置。
2. 請求項１に記載された車上装置であって、
   前記所定の時間幅は、変調波一波長分以上を含む範囲を１フレームとする、
   車上装置。
3. 請求項１又は２に記載された車上装置であって、
   前記信号判別部における前記対比は、全周波数のレベルの合計値が、前記変換して得られたスペクトルと一致するよう、前記予め記憶された複数の変調波周波数のスペクトルのレベルを定数倍して行われる、
   車上装置。
4. 請求項３に記載された車上装置であって、
   前記信号判別部における前記誤差の導出は、前記変換して得られたスペクトルと、前記予め記憶された複数の変調波周波数のスペクトルとのレベル差を周波数ごとに求め、全周波数のレベル差を合計して行われる、
   車上装置。
5. 車上装置と、地上装置とを含む列車制御装置であって、
   前記車上装置は、請求項１乃至４の何れかに記載されたものでなり、
   前記地上装置は、前記車上装置に前記振幅変調波信号を供給する、
   列車制御装置。
   
   

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