JP6270107B2 - 自動列車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、地上装置から送信されるＡＴＣ（Automatic Train Control）信号を車上装置で受信し、このＡＴＣ信号に基づいて列車制御を行う自動列車制御装置に関し、詳しくは、ＡＴＣ信号について周波数スペクトルを用いた復調処理により、Ｓ／Ｎ比が低下した場合でも車上装置でＡＴＣ信号を正確に受信可能とする自動列車制御装置に係るものである。

自動列車制御装置は、軌道回路にＡＴＣ信号を送信する地上装置と、列車に搭載され、前記軌道回路に流れるＡＴＣ信号を受信する車上装置とを備え、前記受信したＡＴＣ信号に基づいて列車制御を行うもので、従来の装置は、例えば特許文献１に記載されているように、先行列車の位置情報を含むＡＴＣ信号を地上装置から受信した車上装置が、自列車と先行列車との離間間隔に応じて列車の許容運転速度を算出して速度パターンを作成し、速度パターンと実速度とを比較照査することにより自列車の速度制御を自動的に行うようになっていた。

特開２００３−２２６２４０号公報

従来の自動列車制御装置においては、例えば駅に設置された地上装置からＡＴＣ信号を軌道回路を介して列車の車上装置に送信しているが、ＡＴＣ信号の送受信ケーブルの長さは約１０kmである。ここで、ＡＴＣ信号を伝送できる距離は、ノイズに対する信号のレベル（Ｓ／Ｎ比）によって決まる。ＡＴＣ信号を車上装置で受信する際の信号レベルにより、ＡＴＣ信号の伝送距離が制限される。駅間の距離が大きい（例えば、２０kmを超える）場合には、両端のどちらの駅からもＡＴＣ信号が届かないことがあり、そのため、駅間に地上装置を設置する必要がある。このように、駅間に地上装置を設置すると、その地上装置が故障した場合の修理、保守等が困難になることがあった。

従来装置において、例えば、東海道新幹線で用いられているデジタルＡＴＣ信号は、最小偏移（Minimum Shift Keying；以下“ＭＳＫ”と略称する）変調方式を採用している。このＭＳＫ変調は、周波数変調の一種で、２種類の周波数にビットデータを対応させる。具体的には、中心周波数と、これに対する周波数偏移を定め、デジタル信号のうち、「中心周波数＋周波数偏移」を情報「０」に対応させ、「中心周波数−周波数偏移」を情報「１」に対応させて、例えば速度情報を表したビット列を１フレームとして繰り返した波形を送信するようになっている。

ここで、ＭＳＫ変調方式で変調されたＡＴＣ信号の復調方式としては、周波数検波が用いられている。この周波数検波においては、抽出帯域の異なる２個の帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）を用いることにより、前記「０」、「１」の情報を割り当てられた周波数成分を抽出し、ＢＰＦで抽出後のレベルによりビットデータを判別していた。このような復調方式に関連する先行技術として、特開２０１０−５０５４６号公報に記載された、周波数偏移変調された信号を復調する復調手段がある。

前記周波数検波では、中心周波数はノイズの少ないところを選んでいるが、適宜に選択した中心周波数によってはノイズが出る場合があり、前記２種類の周波数の波形を判別する際に、ＢＰＦを通過するノイズの影響により、他方の周波数の波形をノイズとして含んで出力することがある。その結果、「０」、「１」の情報を正確に判別できないことがあった。

このように、前記周波数検波によるＡＴＣ信号の復調方式では、ＢＰＦを通過するノイズの影響により、「０」、「１」の情報を正確に判別できないことがあり、車上装置のＡＴＣ信号の受信距離が制限されていた。したがって、前述のように、駅間の距離が大きい場合には、駅間に地上装置を設置する必要があった。そして、駅間に地上装置を設置すると、その地上装置が故障した場合の修理、保守等が困難になることがあった。

そこで、このような問題点に対処し、本発明が解決しようとする課題は、ＡＴＣ信号について周波数スペクトルを用いた復調処理により、Ｓ／Ｎ比が低下した場合でも車上装置でＡＴＣ信号を正確に受信可能とする自動列車制御装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明による自動列車制御装置は、地上装置から軌道回路に送信されたＡＴＣ信号を車上装置で受信し、この受信したＡＴＣ信号に基づいて列車制御を行う自動列車制御装置であって、前記車上装置は、前記受信したＡＴＣ信号の波形の中心周波数がゼロになるようにシフトし、シフトされた信号波形を所定区間で抽出し、その信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別する復調処理手段を備えたものである。

また、前記復調処理手段は、受信したＡＴＣ信号の入力部と、該入力したＡＴＣ信号の波形の中心周波数がゼロになるようにシフトする周波数シフト部と、シフトされた信号波形を所定区間で抽出する信号抽出部と、その信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求めるフーリエ変換部と、周波数スペクトル上で信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別する信号判別部と、を有するものとしてもよい。

さらに、前記周波数シフト部と信号抽出部との間に、サンプリング周波数を低くする間引きを行うデシメーション部を設けてもよい。

さらにまた、前記信号抽出部で抽出する信号波形の所定区間は、１ビットとしてもよい。

また、前記信号抽出部で抽出された１ビットの信号波形は、その１ビットを前半と後半とに分けてその後の処理を行うようにしてもよい。

本発明による自動列車制御装置によれば、車上装置に設けられた復調処理手段により、受信したＡＴＣ信号の波形の中心周波数がゼロになるようにシフトし、シフトされた信号波形を所定区間で抽出し、その信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別することができる。この場合、前記フーリエ変換して周波数スペクトルを求めた状態で、信号周波数ちょうどにおいてピークを示す波形で信号出力を判別することが可能となり、従来の周波数検波に比べノイズの影響を小さくすることができ、Ｓ／Ｎ比が低下した場合でも車上装置でＡＴＣ信号を正確に受信可能となる。したがって、地上装置から伸びるＡＴＣ信号の送受信ケーブルの長さを従来よりも長くする（例えば、１０km以上の長さ）ことができ、駅間に設置する地上装置を不要とするか、又は少なくすることができる。これにより、駅間の地上装置に対する修理、保守等を容易又は省力化することができる。

本発明による自動列車制御装置の実施形態を示す全体概要図である。 前記自動列車制御装置の車上装置の内部構成を示すブロック図である。 前記車上装置の復調処理手段の内部構成を示すブロック図である。 前記復調処理手段の信号入力部に入力する、ＭＳＫ変調されたＡＴＣ信号の波形を示す説明図である。 前記入力したＡＴＣ信号の中心周波数をシフトした波形を示す図で、フーリエ変換した後の波形として示すグラフである。 前記中心周波数をシフトした波形についてデータの間引きを行った状態を示す図で、フーリエ変換した後の波形として示すグラフである。 前記ＡＴＣ信号の波形を所定区間で抽出した状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による自動列車制御装置の実施形態を示す全体概要図である。この自動列車制御装置は、地上装置から送信されるＡＴＣ信号を車上装置で受信し、このＡＴＣ信号に基づいて列車制御を行うもので、図１に示すように、地上装置１と、車上装置２とを備えている。なお、この実施形態では、デジタルＡＴＣ信号を使用して地上装置１と車上装置２間の多情報通信を行うデジタルＡＴＣ装置の例について説明する。

前記地上装置１は、軌道回路Ｔ（Ｔ₁，Ｔ₂；Ｔ₃，Ｔ₄）に、最小偏移（ＭＳＫ）変調方式で変調されたＡＴＣ信号を送信するもので、列車３が走行する軌道（レール）４に沿って適当な間隔で建設された駅５（Ａ駅、Ｂ駅）にそれぞれ設置されている。なお、駅５，５間の距離が大きい（例えば、２０kmを超える）場合には、駅５，５の間に地上装置１を１個又は複数個設置することがある。地上装置１の内部構成は、例えば特開２００３−２２６２４０号公報に記載された、従来公知のものと同様である。

前記列車３には、車上装置２が搭載されている。この車上装置２は、前記軌道回路Ｔに流れるＡＴＣ信号を受信するもので、列車３の例えば先端下部に設けられた受信コイル６を介して、列車在線中の軌道回路Ｔに流れるＡＴＣ信号（ＭＳＫ変調）を受信する。そして、前記受信したＡＴＣ信号に基づいて列車制御を行うようになっている。

図２は、前記車上装置２の内部構成を示すブロック図である。この車上装置２は、前記受信コイル６で受信したＡＴＣ信号（ＭＳＫ変調）のうち或る周波数より高い部分を通過させる高域通過フィルタ（ＨＰＦ）１０と、そのＨＰＦ１０を通過した信号について、中心周波数の前後に或る範囲を有する周波数帯域の信号成分を抽出してノイズを除去する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１１と、そのＢＰＦ１１で抽出された信号を直流に直す整流回路１２と、その整流回路１２の出力信号のうち或る周波数より低い部分を通過させる低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１３と、前記ＢＰＦ１１で抽出された信号について復調処理を行う復調回路１４と、所定の周期のクロック信号を発生するクロック発生器１５と、前記復調回路１４で復調処理された結果を前記クロック発生器１５のクロック周期に同期させて出力する同期回路１６とを有している。そして、前記ＬＰＦ１３の出力は、列車の在線の有無を判断するデジタルＡＴＣ信号の受信レベルであり、前記同期回路１６の出力は、デジタルＡＴＣ信号に含まれる一連の情報である電文信号である。

ここで、本発明においては、前記車上装置２の復調回路１４が、前記受信したＡＴＣ信号の波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別する復調処理手段とされている。この復調回路１４は、図３に示すように、信号入力部２０と、周波数シフト部２１と、デシメーション部２２と、信号抽出部２３と、フーリエ変換部２４と、信号判別部２５とを有して成っている。

前記信号入力部２０は、図２に示すＢＰＦ１１で抽出されたＡＴＣ信号（ＭＳＫ変調）を入力する入力部となるものである。周波数シフト部２１は、前記入力したＡＴＣ信号の波形の中心周波数がゼロになるようにシフトするものである。デシメーション部２２は、前記シフトされた信号波形についてサンプリング周波数を低くする（整数分の１に下げる）間引きを行うもので、例えば間引きフィルタから成る。信号抽出部２３は、前記シフトされ、間引きされた信号波形を所定区間で抽出するもので、例えば１ビットちょうどの区間の波形を抽出するようになっている。フーリエ変換部２４は、前記抽出された信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求めるもので、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路から成る。信号判別部２５は、前記求められた周波数スペクトル上で信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別するものである。

次に、このように構成された復調回路１４の動作について、図４〜図７を参照して説明する。図４は、復調回路１４の信号入力部２０（図３参照）に入力する、ＭＳＫ変調されたＡＴＣ信号の波形を示す。ＭＳＫ変調は、周波数変調の一種で、２種類の周波数にビットデータを対応させる。具体的には、或る周波数（ｍを任意の整数としてｍHz）からなる中心周波数と、これに対する周波数偏移（ｎを任意の整数としてｎHz）を定め、デジタル信号のうち、「中心周波数＋周波数偏移」（ｍ＋ｎ）Hzに情報「０」を割り当て、「中心周波数−周波数偏移」（ｍ−ｎ）Hzに情報「１」を割り当てて、例えば速度情報を表したビット列を１フレームとして繰り返した波形を送信するようになっている。図４では、横軸を時刻とし縦軸を振幅として、ＭＳＫ変調方式で周波数変調されて入力した波形を示しており、その下部にＭＳＫ変調されたＡＴＣ信号の中に含まれる電文信号のビット列を示している。

前記のように入力したＡＴＣ信号は、図３の信号入力部２０から周波数シフト部２１へ送られる。図５は、周波数シフト部２１へ入力したＡＴＣ信号の中心周波数をシフトした波形を示す図で、周波数シフトの状態を説明する便宜上、後段のフーリエ変換部２４でフーリエ変換した後の波形として示す。この周波数シフトは、周波数シフト部２１へ送られた、「中心周波数＋周波数偏移」のＡＴＣ信号、及び「中心周波数−周波数偏移」のＡＴＣ信号について、「中心周波数」がゼロ（０Hz）になるようにシフトするものである。ここで、「周波数偏移」を前記のｎHzとすると、「中心周波数＋周波数偏移」のＡＴＣ信号は「＋ｎHz」に情報「０」が割り当てられ、「中心周波数−周波数偏移」のＡＴＣ信号は「−ｎHz」に情報「１」が割り当てられる。この場合は、周波数分解能が１HzでなくともｎHzであれば、フーリエ変換した後の波形上で信号のレベルを求めることができる。ただし、図５の状態では、サンプリング点（図中の黒丸）が少ないため、「＋ｎHz」又は「−ｎHz」ちょうどにおいてピークを示す信号レベルを求めることはできない。

前記のように周波数シフトされたＡＴＣ信号は、図３のデシメーション部２２へ送られる。図６は、前記中心周波数を０Hzにシフトした波形について、デシメーション部２２でデータの間引きを行った状態を示す図で、間引きの状態を説明する便宜上、後段のフーリエ変換部２４でフーリエ変換した後の波形として示す。このデータの間引きは、デシメーション部２２へ送られたＡＴＣ信号についてサンプリング周波数を低くするもので、サンプリング点（図中の黒丸）が多くなる。これにより、図５に示す状態に比べ周波数分解能が上がり、情報「０」、「１」が割り当てられた周波数ちょうどである「＋ｎHz」又は「−ｎHz」においてピークを示す信号レベルを求めることができる。

前記のようにデータの間引きが行われたＡＴＣ信号は、図３の信号抽出部２３へ送られる。この信号抽出部２３では、前記シフトされ、間引きされた信号波形が所定区間で抽出される。図４に示すＡＴＣ信号の波形において、符号Ｆで示すように、例えば１ビットちょうどの区間の波形を抽出する。ここでは、電文信号のうち情報「１」の部分を抽出している。この所定区間（１ビット）で抽出した波形を、図７に示す。この場合、１ビット当たりの区間が短いため、波形の末尾に振幅「０」を加えた状態で、後段のフーリエ変換部２４でフーリエ変換を行う。

前記のように所定区間で抽出されたＡＴＣ信号は、図３のフーリエ変換部２４へ送られる。このフーリエ変換部２４では、前記抽出された信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求める。図５で示したＡＴＣ信号の中心周波数を０Hzにシフトした波形の図、及び図６で示した前記中心周波数をシフトした波形についてデータの間引きを行った状態の図、は実際にはこの段階で前記フーリエ変換部２４にてフーリエ変換したもので、この段階になって図５、図６に示す周波数スペクトルが得られる。

前記のようにフーリエ変換して周波数スペクトルが求められたＡＴＣ信号は、図３の信号判別部２５へ送られる。この信号判別部２５では、前記求められた周波数スペクトル上で信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別する。例えば、図６において、実線の波形Ｃにおいて、「＋ｎHz」の信号レベルと「−ｎHz」の信号レベルとを比較（Ｅ）して、「−ｎHz」の信号レベルが高い場合は情報「１」であると判別して「１」を出力する。また、破線の波形Ｄにおいて、「＋ｎHz」の信号レベルと「−ｎHz」の信号レベルとを比較（Ｅ）して、「＋ｎHz」の信号レベルが高い場合は情報「０」であると判別して「０」を出力する。

前記信号判別部２５で判別された情報「０」、「１」の信号は、図２に示す同期回路１６へ送られる。そして、その同期回路１６から電文信号として出力され、列車３の列車制御を行う。この場合、情報「０」、「１」が割り当てられた周波数ちょうどである「＋ｎHz」又は「−ｎHz」においてピークを示す信号レベルを求めることができるので、ノイズの影響を小さくすることができ（例えば、３dB程度改善）、ビット誤り率（ＢＥＲ）を改善することができる。したがって、Ｓ／Ｎ比が低下した場合でも車上装置２でＡＴＣ信号を正確に受信可能とする。これにより、地上装置１から伸びるＡＴＣ信号の送受信ケーブルの長さＬ（図１参照）を従来よりも長くする（例えば１０km以上の長さ）ことができる。

なお、図４及び図７では、図３に示す信号抽出部２３で抽出する信号波形の所定区間は１ビットとしてその後の処理を行うものとしたが、図７に示すように、その１ビットを前半Ｇ₁と後半Ｇ₂とに分けてその後の処理を行うようにしてもよい。この場合は、信号波形の１ビットの前半Ｇ₁又は後半Ｇ₂のどちらかにノイズが入ったときに、ノイズが入っていない方だけを用いてその後の処理を行うことで、前述の情報「０」、「１」を判別する精度を向上することができる。これにより、ビット誤り率（ＢＥＲ）を更に改善することができる。

また、図３に示す周波数シフト部２１で、図５に示すようにＡＴＣ信号の中心周波数をシフトした状態で、サンプリング点（図中の黒丸）が情報「０」、「１」の割り当てられた周波数「＋ｎHz」又は「−ｎHz」ちょうどに当たる場合は、周波数シフト部２１と信号抽出部２３との間のデシメーション部２２は設けなくてもよい。この場合は、復調回路１４の構成を簡単とすることができる。

１…地上装置
２…車上装置
３…列車
４…軌道（レール）
６…受信コイル
１４…復調回路（復調処理手段）
２０…信号入力部
２１…周波数シフト部
２２…デシメーション部
２３…信号抽出部
２４…フーリエ変換部
２５…信号判別部
Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄…軌道回路

Claims (5)

1. 地上装置から軌道回路に送信されたＡＴＣ信号を車上装置で受信し、この受信したＡＴＣ信号に基づいて列車制御を行う自動列車制御装置であって、
   前記車上装置は、前記受信したＡＴＣ信号の波形の中心周波数がゼロになるようにシフトし、シフトされた信号波形を所定区間で抽出し、その信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求め、信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別する復調処理手段を備えたことを特徴とする自動列車制御装置。
2. 前記復調処理手段は、受信したＡＴＣ信号の入力部と、該入力したＡＴＣ信号の波形の中心周波数がゼロになるようにシフトする周波数シフト部と、シフトされた信号波形を所定区間で抽出する信号抽出部と、その信号波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを求めるフーリエ変換部と、周波数スペクトル上で信号レベルのピークを示す波形で信号出力を判別する信号判別部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の自動列車制御装置。
3. 前記周波数シフト部と信号抽出部との間に、サンプリング周波数を低くする間引きを行うデシメーション部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の自動列車制御装置。
4. 前記信号抽出部で抽出する信号波形の所定区間は、１ビットであることを特徴とする請求項２又は３に記載の自動列車制御装置。
5. 前記信号抽出部で抽出された１ビットの信号波形は、その１ビットを前半と後半とに分けてその後の処理を行うことを特徴とする請求項４に記載の自動列車制御装置。