JP6247647B2 - 無線通信システムおよび無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タグを用いて無線通信を行う無線通信システムおよび無線通信装置に関する。

列車が安全に走行および停止するための代表的な保安装置として、自動列車停止装置（ＡＴＳ：Automatic Train Stop）や自動列車制御装置（ＡＴＣ：Automatic Train Control）が知られている。また、代表的な運転支援装置として、自動運転装置（ＡＴＯ：Automatic Train Operation）や定位置停止装置（ＴＡＳＣ：Train Automatic Stop-position Controller）が知られている。

従来の保安装置や運転支援装置は、トランスポンダや軌道回路を用いて車体の位置検知を行っており、トランスポンダや軌道回路を設置するのにコストがかかるという問題があった。

このような背景から、位置検知にＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）を用いることが検討されている。ＲＦＩＤとは、タグ内に記憶されている個体識別情報を無線でリーダが読み取る仕組みである。ＲＦＩＤは、トランスポンダや軌道回路を用いて位置検知を行うよりも、はるかに安価なコストで導入可能であり、保守費用も比較的低コストである。

ＲＦＩＤを用いて車体の位置検知を行う場合、車体側にリーダを設けて、地上側にタグを設けるのが望ましい。地上側のタグを電源不要のパッシブ型とすれば、タグの設置に伴う付帯設備が不要となり、地上側の設備コストを抑制できるためである。

タグとリーダによる無線通信は、タグとリーダとの距離が近いほど安定化するが、タグとリーダとの距離が近いと、無線通信範囲が狭くなり、列車が高速走行しているときに読み飛ばしが生じるおそれがある。逆に、タグとリーダとの距離が離れていると、無線通信範囲が広がるため、列車が高速走行しているときの読み飛ばしの頻度は低減するが、その一方で、列車が低速走行しているときに、位置精度が低下してしまう。

このように、タグとリーダとの距離が長い場合と短い場合で、それぞれ長所と短所があるため、できれば、リーダからの距離が異なる複数箇所にタグを設置するのが望ましい。

ところで、車体系システムでは、高い信頼性が要求され、何らかの事情で正常に無線通信ができない場合等を考慮に入れて、二重系システムにする必要がある。上述したように、軌道上と軌道脇にそれぞれタグを設ける場合、軌道上のタグと軌道脇のタグとのそれぞれについて、二重系システムにしたとすると、アンテナの数が増えてしまい、リーダ側の構成が複雑になってしまう。

一つのアンテナで異なる方向に指向性を持たせる場合、アンテナ素子のサイズを使用周波数の波長よりも大きくすることで、２方向への指向性を持たせることができる。しかしながら、９２０ＭＨｚ帯のＲＦＩＤでは波長が約３３ｃｍであり、外装を含めたアンテナのサイズが従来のトランスポンダ車上子のサイズよりも大きくなる可能性が高い。二重系システムでは、このサイズのアンテナ素子が２個必要となり、車体に設置するスペースを確保するのが困難になる。

また、軌道の中央部にタグを設ける場合、その直上の車体の底部にリーダのアンテナを設けたとすると、車体の底部には、モータなどの種々の床下機器が設置されており、アンテナからの電波がこれら床下機器で反射されてしまい、タグとの無線通信を安定的に行えなくなる。

特開２０１２−１７４１７６号公報

本発明が解決しようとする課題は、設備コストをかけることなく、列車と地上との間で安定に無線通信を行うことができる無線通信システムおよび無線通信装置を提供するものである。

本実施形態では、列車が走行する軌道よりも外側の地面上に設置され、無線で受信した電力にて駆動される第１のタグと、
走行方向に延びる前記列車の側面よりも外側で、かつ前記第１のタグよりも上方に設置され、無線で受信した電力にて駆動される第２のタグと、
前記列車に設置され、前記第１のタグおよび前記第２のタグとの間で無線通信を行う無線通信部と、
前記列車に設置され、前記第１のタグおよび前記第２のタグの方向への電波利得を有するアンテナと、を備える無線通信システムが提供される。

第１の実施形態による無線通信システム１の概略構成を示すブロック図。 ステー上に第２のタグを設置した例を示すブロック図。 プラットホーム下に第２のタグを設置した例を示すブロック図。 アンテナ５の電波利得パターンを立体的に模式化した一例を示す図。 アンテナ５が無指向性パターンを持っている例を示す図。 アンテナのビームの広がりを示す図。 第２の実施形態による無線通信システム１の概略構成を示すブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、無線通信システムおよび無線通信装置内の特徴的な構成および動作を中心に説明するが、無線通信システムおよび無線通信装置には以下の説明で省略した構成および動作が存在しうる。ただし、これらの省略した構成および動作も本実施形態の範囲に含まれるものである。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による無線通信システム１の概略構成を示すブロック図である。図１の無線通信システム１は、第１のタグ２と、第２のタグ３と、無線通信部４と、アンテナ５とを備えている。

第１のタグ２は、列車６が走行する軌道（線路）７よりも外側の地面８上に設置される。第１のタグ２は、均一または不均一な間隔で、地面８上に複数個設置されている。第１のタグ２は、地面８に接するように配置されていてもよいし、地面８から上方に延びるステー等に取り付けられてもよい。

第２のタグ３は、走行方向に延びる列車６の側面６ａよりも外側で、かつ第１のタグ２よりも上方に設置されている。第２のタグ３は、例えばプラットホーム９の側壁等に取り付けられてもよいし、図２に示すように地面８から上方に延びるステー１０等に取り付けられてもよい。さらに、図３に示すようにプラットホーム９から下方に延びるステー１０等で吊り下げて取り付けられてもよい。第２のタグ３も、均一または不均一な間隔で、複数個設置されている。

第１のタグ２と第２のタグ３は、無線通信部４から無線で受信した電力により駆動されるパッシブ型のタグである。第１のタグ２と第２のタグ３の内部には、個体識別情報を記憶する不図示の記憶部が設けられている。個体識別情報は、各タグを識別する情報であり、そのデータ形式は特に問わない。この記憶部には、個体識別情報以外の情報を記憶してもよい。

アンテナ５は、列車６の車体の底部６ｂに取り付けられている。無線通信部４は、アンテナ５と電気的に接続されている。無線通信部４は、第１のタグ２および第２のタグ３との間で無線通信を行う。無線通信部４は、第１のタグ２および第２のタグ３に記憶された個体識別情報を受信するリーダとしての機能だけを持っていてもよいし、これらタグに何らかの情報を書き込むライタとしての機能も合わせて持っていてもよい。

アンテナ５で受信された無線信号は無線通信部４に入力されて、復調処理が行われる。第１のタグ２と第２のタグ３はパッシブ型であるため、まずはアンテナ５から第１のタグ２と第２のタグ３に向けて電波を放射し、第１のタグ２と第２のタグ３は、受信した電波による電力を蓄積し、蓄積した電力を用いて、個体識別情報を含む電波を各タグのアンテナ５から放射する。無線通信部４のアンテナ５は、第１のタグ２と第２のタグ３から送信された電波を受信し、受信した電波による高周波信号がアンテナ５から無線通信部４に供給される。無線通信部４は、この高周波信号を復調して、個体識別情報を取得する。

アンテナ５は、例えば、第１のタグ２の上方に設置されている。より具体的には、アンテナ５は、列車６の底部６ｂのうち、底部６ｂの短手方向中央よりも第１のタグ２側の位置から第２のタグ３側の列車６の側面６ａの端部６ｃまでの範囲内に設置するのが望ましい。第１のタグ２は、軌道７よりも外側の地面８上に設置されていることから、アンテナ５は、列車６の底部６ｂの短手方向中央よりも外側に配置されることになる。列車６の底部６ｂの中央付近は、モータなどの種々の電気機器や列車６の車体を支える台車などの床下機器が設置されており、アンテナ５で送受される電波が乱反射を起こして、電波特性があまりよくない。列車６の底部６ｂの縁側はそれほど床下機器がないため、床下機器が少ない箇所にアンテナ５を設置することで、安定に電波を送受することができる。

また、図１に示すように、第１のタグ２と第２のタグ３との直線距離が比較的近い場合には、両方のタグとも、列車６側の共通のアンテナ５との間で安定して無線通信を行えるようになる。よって、列車６側に各タグ専用の複数のアンテナ５素子を設けなくて済み、列車６側のＲＦＩＤの設備コストを削減できる。

図１の例では、第１のタグ２の設置面の法線方向と第２のタグ３の設置面の法線方向とが直交する例を示している。この場合、アンテナ５は、例えば両方のタグの法線方向に対して傾けて配置されている。

アンテナ５は、例えば矩形状の基板上に形成された非対称構造の平面アンテナ５である。図４はアンテナ５の電波利得パターンを立体的に模式化した一例を示す図である。図４のアンテナ５は、第１のタグ２の方向と第２のタグ３の方向により大きな電波利得を持っている。図４の例では、アンテナ５から第１のタグ２までの距離よりも、アンテナ５から第２のタグ３までの距離が短い場合を示している。この場合、アンテナ５から第１のタグ２の方向への電波利得よりも、アンテナ５から第２のタグ３の方向への電波利得を小さくしている。図４のような電波利得パターンを持つアンテナ５を作製するには、平面アンテナ５を構成するアンテナパターンの形状、サイズおよび給電点の位置などを調整することで、実現可能となる。図４の平面アンテナ５は、アンテナパターンが形成される平板と、グランドのベタパターンが形成される平板とを積層した構造を有する。

なお、アンテナ５の矩形状の基板の長手方向の長さは、使用周波数の波長よりも小さなサイズにするのが小型化のためには望ましい。アンテナ５の形状を小さくすることは、アンテナパターンを逆Ｌ形状あるいは逆Ｆ形状にするなどして実現可能である。

このように、図１および図４のアンテナ５は、第１および第２のタグ２，３の方向により大きな電波利得を持つ電波利得パターンを備えているが、図５に示すように、無指向性パターンに近い電波利得を持っているアンテナ５であっても、第１および第２のタグ２，３と安定に無線通信を行うことが可能な場合もありうる。

無線通信部４が取得した個体識別情報は、例えば列車６の位置検知に利用される。列車６の位置検知を行う場合、例えば列車６内に位置検知部１１と、タグＩＤ照合データベース１２とを設ければよい。タグＩＤ照合データベース１２は、各タグの個体識別情報と、各タグの設置場所情報との対応関係を記憶している。位置検知部１１は、第１および第２のタグ２，３から受信した個体識別情報を用いてタグＩＤ照合データベース１２を参照し、対応する設置場所情報を読み出して、列車６の現在位置を検知する。

なお、第１および第２のタグ２，３に記憶されている個体識別情報は、列車６の位置検知以外の目的で使用されてもよい。例えば、所定時間以内に通過した個体識別情報の情報を取得することで、列車６の速度検知を行うことも可能である。あるいは、第１および第２のタグ２，３に記憶されている個体識別情報を列車６から有線または無線で不図示の列車運行管理センタに送信して、各列車６の運行管理を行ってもよい。

列車６が高速で走行中でも、低速で走行中でも、第１および第２のタグ２，３を利用した位置検出ができるようにするのが望ましい。従来のトランスポンダ車上子と地上子との間隔は約２５ｃｍであり、時速１６０ｋｍ／ｈにおいて８電文を連続で受信できる能力があると言われている。

一方、ＲＦＩＤにて１フレームの受信に要する時間を５ｍｓとすると、時速１６０ｋｍ／ｈでの８フレーム分の移動距離は、１．７８ｍとなる。このため、タグの読み取り可能な範囲は、１０％の余裕を見て、１．９６ｍである。列車６側のアンテナ５とタグとの距離を仮に３０ｃｍとすると、アンテナ５とタグのサイズを無視すると、アンテナ５のビームの広がりは、図６に示すように最低でも１４８°が必要となる。この場合、列車６進行方向に対する位置検知誤差は、±９８ｃｍである。

また、列車６側のアンテナ５とタグとの距離を１０ｃｍとすると、アンテナ５のビーム広がりが同じ１４８°とすると、タグの読み取り可能範囲は６５ｃｍとなり、位置検知誤差は、±３２．５ｃｍである。読み取り可能範囲が６５ｃｍのときに８フレーム連続で読み取り可能となる最高速度は５８．５ｋｍ／ｈであり、５８．５ｋｍ／ｈ以下の速度であれば、位置検知精度を向上させることが可能となる。

このように、列車６の最高速度と位置検知精度によって、列車６側のアンテナ５（例えばリーダアンテナ５）とタグとの最適な距離が異なる。一般に、列車６は、プラットホーム９に近接して走行しており、列車６の側面６ａとプラットホーム９との距離は、列車６の車体底部６ｂとその下の地面８との距離よりも短縮できる。そこで、本実施形態では、軌道７の外側の地面８に第１のタグ２を設けるとともに、プラットホーム９の側面６ａ等に第２のタグ３を設け、第１のタグ２とアンテナ５との距離を、第２のタグ３とアンテナ５との距離よりも大きくし、高速走行時には第１のタグ２の個体識別情報をアンテナ５で受信して高速での読み取り特性を向上させ、低速走行時には第２のタグ３の個体識別情報をアンテナ５で受信して低速での位置検知精度を向上させている。

このように、第１の実施形態では、列車６の軌道７よりも外側の地面８上に第１のタグ２を設置するとともに、列車６の側面６ａ側に第２のタグ３を設置し、列車６の底部６ｂ側に設けたアンテナ５にて、第１および第２のタグ２，３と安定に無線通信ができるようにするため、設備コストをかけることなく、第１および第２のタグ２，３に記憶された個体識別情報を列車６側のアンテナ５で受信でき、ＲＦＩＤを用いて列車６の位置検知が可能となる。従来のように、トランスポンダや軌道回路を用いるよりも、はるかに安価な設備コストで済む。

また、例えば、第１のタグ２からアンテナ５までの距離を、第２のタグ３からアンテナ５までの距離よりも長くすることで、列車６の高速走行時の位置検知は第１のタグ２を用いて確実に行うことができ、また、列車６の低速走行時の位置検知は第２のタグ３を用いて精度よく行うことができる。

さらに、第１のタグ２の方向と第２のタグ３の方向に電波利得が大きくなるように、アンテナ５の電波利得パターンを調整することで、一つのアンテナ５だけで第１および第２のタグ２，３と無線通信を行うことが可能となり、列車６側のＲＦＩＤ設備コストを削減できる。

また、本実施形態では、第１のタグ２を軌道７の外側の地面８上に設置するため、第１のタグ２と第２のタグ３とを近くに配置でき、また、アンテナ５の設置場所も、列車６の底部６ｂの縁側に配置できる。これにより、列車６の底部６ｂに配置される種々の床下機器からの電波干渉が少ない箇所にアンテナ５を設置でき、電波干渉が少ない状態でアンテナ５は第１および第２のタグ２，３と無線通信を行うことができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、列車６側に、各タグに対応づけて、別個のアンテナ素子を設けるものである。但し、２個のアンテナ素子につき１個の無線通信部４が接続しており、２個のアンテナ素子により１個のアンテナとして機能するものである。

図７は第２の実施形態による無線通信システム１の概略構成を示すブロック図である。図７の無線通信システム１は、列車６の底部６ｂの縁側に設けられるアンテナ５の構成が第１の実施形態と異なる他は共通する。

図７のアンテナ５は、第１のアンテナ部５ａと第２のアンテナ部５ｂとを有する。第１のアンテナ部５ａは、第１のタグ２の方向に指向性を有し、第２のタグ３の方向には指向性を有していない。第１のアンテナ部５ａは、第１のタグ２との無線通信専用に用いられる。第２のアンテナ部５ｂは、第２のタグ３の方向に指向性を有し、第１のタグ２の方向には指向性を有していない。第２のアンテナ部５ｂは、第２のタグ３との無線通信専用に用いられる。

第１のアンテナ部５ａと第２のアンテナ部５ｂは、互いに分離して配置されている。すなわち、第１のアンテナ部５ａと第２のアンテナ部５ｂは、互いに無関係に電波を送受信可能である。第１のアンテナ部５ａと第２のアンテナ部５ｂは、共通の基板上に、それぞれ異なるアンテナパターンを用いて形成されてもよいし、別個の基板上に形成されてもよい。図７では、模式的に第１のアンテナ部５ａと第２のアンテナ部５ｂを別個の基板上に形成する例を示しているが、これは一例にすぎない。

第１のアンテナ部５ａと第２のアンテナ部５ｂは、それぞれ一方向のみに指向性を持たせればよいため、第１の実施形態のように、二方向に指向性を持たせるアンテナ５よりも、アンテナ５の設計は容易になる。

ただし、第１のタグ２と第１のアンテナ部５ａとの距離が、第２のタグ３と第２のアンテナ部５ｂとの距離よりも大きい場合には、第１のアンテナ部５ａの方が、第２のアンテナ部５ｂよりも大きなアンテナ利得を持たせる必要がある。

このように、第２の実施形態では、第１のタグ２には第１のアンテナ部５ａを対応づけ、第２のタグ３には第２のアンテナ部５ｂを対応づけるため、第１のタグ２と第２のタグ３がそれぞれ異なる方向に設けられていたとしても、最適な電波利得で各タグとの無線通信を行うことができ、例えば位置検知精度を向上できる。

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。

１ 無線通信システム、２ 第１のタグ、３ 第２のタグ、４ 無線通信部、５ アンテナ、５ａ 第１のアンテナ部、５ｂ 第２のアンテナ部、６ 列車、７ 軌道、８ 地面、９ プラットホーム、１０ ステー、１１ 位置検出部、１２ タグＩＤ照合データベース

Claims (8)

1. 列車が走行する軌道よりも外側の地面上に設置され、無線で受信した電力にて駆動される第１のタグと、
   走行方向に延びる前記列車の側面よりも外側で、かつ前記第１のタグよりも上方に設置され、無線で受信した電力にて駆動される第２のタグと、
   前記列車に設置され、前記第１のタグおよび前記第２のタグとの間で無線通信を行う無線通信部と、
   前記列車に設置され、前記第１のタグおよび前記第２のタグの方向への電波利得を有するアンテナと、を備える無線通信システム。
2. 前記アンテナは、列車の底部短手方向の中央より前記第１のタグ側の位置から前記第２のタグ側の列車の側面端部までの範囲内に設置される請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記アンテナから前記第１のタグまでの距離は、前記アンテナから前記第２のタグまでの距離よりも長い請求項１または２に記載の無線通信システム。
4. 前記アンテナは、前記第２のタグよりも前記第１のタグへの電波利得が大きい平面アンテナを有する請求項３に記載の無線通信システム。
5. 前記平面アンテナは、電波を放射する主面の法線方向よりも、前記第１のタグの方向と前記第２のタグの方向とに対して、より大きな電波利得を有する請求項４に記載の無線通信システム。
6. 前記アンテナは、
   前記第１のタグの方向に指向性を有する第１のアンテナ部と、
   前記第１のアンテナ部とは分離して配置され、前記第２のタグの方向に指向性を有する第２のアンテナ部と、を有し、
   前記無線通信部は、前記第１のアンテナ部および前記第２のアンテナ部に接続されている請求項１乃至３のいずれかに記載の無線通信システム。
7. 前記無線通信部は、前記第１のタグおよび前記第２のタグに記録された情報を読み出すリーダを有する請求項１乃至６のいずれかに記載の無線通信システム。
8. 列車が走行する軌道よりも外側の地面上に設置される第１のタグと無線通信を行うとともに、走行方向に延びる前記列車の側面よりも外側でかつ前記第１のタグよりも上方に設置される第２のタグと無線通信を行う無線通信部と、
   前記第２のタグよりも前記第１のタグへの電波利得が大きい少なくとも一つのアンテナと、を備える無線通信装置。