JP6846208B2 - 光ケーブルを利用した鉄道制御システム - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバセンシング技術を用いた列車等の位置検出技術に関し、特に軌道に沿って敷設された光ファイバケーブル（以下、単に光ケーブル）を使用して列車の位置を検出し鉄道関連設備（列車を含む）を制御する機能を備えた鉄道制御システムに利用して有効な技術に関する。

従来、鉄道軌道においては、信号機や転てつ機を制御したり列車と列車の距離を確保したりするため、ある一定の距離毎（数百ｍ〜数ｋｍ；駅構内は数１０ｍの場合もある）に区切られたレールに、検知電流を流して、列車の車軸によってレール間を短絡することで列車在線の有無を検出する技術がある。

また、近年、実用化されている無線列車制御システムは、もともと軌道回路が行なっていた列車の位置検出を列車自身が行うもので、列車側に車上制御装置を搭載すると共に、地上側に地上制御装置を設置して、速度発電機の信号を基に走行位置を計算しつつ、列車に設けた車上子が線路に設置された地上子のＩＤを読み取ることにより列車の現在位置を補正し、その位置情報を地上制御装置に送信する。

そして、地上制御装置は、各列車から送られてくる位置情報に基づいて各列車を管理すると共に、各列車の先行列車の位置情報と進路に基づく停止限界を示す情報を各列車の車上制御装置に送信する。すると、車上制御装置は、受信した情報に基づいてブレーキパターン信号を作成してブレーキ制御を行う。ブレーキパターン信号は、停止すべき位置までの距離に応じた速度制御特性を示すパターン信号であり、列車が先行列車に近づくと自動的にブレーキがかかって衝突を回避することができる。このような列車制御システムに関する発明としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

一方、光ファイバ振動センサを用いて物体の位置を検出する発明として、例えば特許文献２に記載されている発明がある。この発明は、光ファイバ侵入監視装置に関するもので、波長が異なる２つの光源と、この２つの光源に対応して光ファイバの干渉光を検出する２種類の受光部とを備えた光ファイバ振動センサ検出装置とを設けている。なお、この発明は、振動センサ用光ケーブルに光ケーブル切断検出用光ファイバを収容することで、振動センサ用光ケーブルの切断および切断位置を検出できるようにした点を特徴としている。

特開２００６−２３２２１１号公報 特開２００７−２２６４４０号公報

鉄道においては、１つの路線に編成長の異なる旅客列車及び貨物列車が走行することがある。また、貨物列車は車両の編成数が毎回異なる。そのため、このような路線では、列車の長さを考慮した制御が望ましい。しかし、上述した軌道回路装置によって列車在線の有無を検出する技術にあっては、軌道回路単位でしか検出することができない。また、保守用車等の絶縁走行作業用車両は左右の車輪間が絶縁されているため、走行位置を軌道回路装置では検出することができない。

これに対し、特許文献１に記載されている発明においては、車上子が地上子のＩＤを読み取り、車上制御装置はＩＤに基づいて線路地図データから現在位置を算出し、この位置情報に基づいて列車の速度情報（車輪の回転数）を積算した移動距離を補正して列車の走行に伴う先頭位置を算出する。また、特許文献１における無線列車制御システムは、この先頭位置に列車長を足した長さを走行中の列車の占有区間とし、これを列車の在線位置として管理するようにしており、列車長を考慮した制御を行うことが可能である。

ただし、列車長を考慮した制御が可能になるのは、列車長が固定されている場合（当該路線を走行するすべての列車の編成数が同一である場合）に限られる。また、無線列車制御システムは、軌道に沿って配設された地上装置およびそれぞれの列車に搭載された車上装置を必要とする非常に大掛かりなシステムであるため、既存路線に新たに展開する際には大幅なコストアップを招く。また、電磁ノイズに対する耐性が低いという課題がある。

一方、特許文献２に記載されている侵入監視装置等で使用されているような光ファイバ振動センサを利用して、列車長を含んで列車の位置を検出することも考えられるが、鉄道軌道は監視範囲が非常に広く、数１０ｋｍにも及ぶ。このような広範囲に光ファイバ振動センサを敷設して列車位置を検出する場合、単に軌道に沿って光ケーブルを敷設する従来の一般的な光ケーブル敷設方法では、数ｍ（例えば５ｍ〜１０ｍ）程度の検出誤差が生じてしまうという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、大幅なコストアップを招くことなく、列車長を含んで列車の位置を検出することができるとともに電磁ノイズに対する耐性の高い鉄道制御システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、踏切制御に影響を与えることなく、絶縁走行作業用車両の位置を検出することができる列車位置検出技術を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、既存のシステムにはない機能を備え精度の高い運行制御を行えるとともに電磁ノイズに対する耐性の高い鉄道制御システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、既存の転てつ機等の鉄道設備に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付けることなく、鉄道設備の異常を検知することができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本出願に係る発明は、
鉄道軌道に沿って敷設された光ケーブルと、
前記光ケーブルに接続され該光ケーブルに対してレーザ光を出射する光源および前記光ケーブル内の散乱光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段が検出した光信号を周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析手段からの信号に基づいて列車位置を検出し鉄道関連設備を制御する制御手段と、を備えた鉄道制御システムであって、
前記光ケーブルは、前記鉄道軌道において列車の通過を検出したい２つの地点において、当該光ケーブルの分解能に関連して決まるいずれかの区分が軌道を横切るようにループ状に配設され、
さらに、前記２つの地点における列車の通過タイミングに基づいて前記鉄道軌道上を走行する先行列車と後続列車との距離および後続列車の速度を算出し、前記後続列車に制御情報を送信する制御装置を備えることを特徴とする。

上記のように構成された鉄道制御システムによれば、列車の位置を検出したい地点で光ケーブルの分解能に対応する区分が軌道と交差するよう配設されているため、光ケーブルの分解能に基づく誤差があったとしても、その誤差に関係なく列車の位置（列車が通過したこと）を検出することができる。また、光ケーブルは比較的安価に入手できるので、大幅なコストアップを招くことなく、列車の位置を正確に検出することができるシステムを構築することができる。しかも、電気信号を用いないので電磁ノイズに対する耐性を高めることができる。
さらに、振動を検知して列車位置を検出する方式であり、列車の位置を検出するために、軌道回路やＡＴＣ制御システムのようにレールに電流を流す必要がないとともに、レール間を車軸等で短絡する必要もないので、踏切制御に影響を与えることなく絶縁走行作業用車両の位置を検出することができる。

上記のような構成によれば、１つのループが２箇所で軌道を横切ることになるため、１箇所で軌道を横切る場合に比べて、当該箇所を通過する列車やループの内側に存在する鉄道設備の振動をより正確に検出することができる。
また、ループの内側に鉄道設備の機器が存在するようにループを設定することで、列車が鉄道設備の機器に近づいていることや遠ざかること、および鉄道設備の機器に異常が生じているか否かを検出することができる。さらに、転てつ機等の鉄道設備に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付けることなく、鉄道設備の異常を検知することができる。

かかる構成によれば、２つの地点でそれぞれ列車が通過していることを高精度に検出できるので、走行している列車の速度を把握することができる。

また、かかる構成によれば、所定の地点を通過している列車の長さを算出することができるため、先行列車の最後尾と後続列車の先頭との距離を把握した上で、後続列車に適切な制御情報を送信することができるため、先行列車と後続列車が異常に接近しないようにより正確な制御を行うことができる。

本発明によれば、大幅なコストアップを招くことなく列車の位置を検出することができるとともに、電磁ノイズに対する耐性の高い鉄道制御システムを実現することができる。 また、踏切制御に影響を与えることなく、絶縁走行作業用車両の位置を検出することできる。 さらに、既存の転てつ機等の鉄道設備に電磁ノイズや浸水に弱いセンサを取り付けることなく、鉄道設備の異常を検知することができる。また、列車長を含んで列車の位置を検出することができるという既存のシステムにはない機能を備えるため、精度の高い運行制御を行えるという効果がある。

（Ａ）は本発明に係る光ケーブルを使用した列車位置検出システム全体の構成を示すシステム構成図、（Ｂ）は（Ａ）における一部を拡大して示すループ構成説明図、（Ｃ）は光ケーブルのループを分岐器の部分に形成する場合の構成例を示すループ構成説明図である。 （Ａ）は図１（Ａ）の列車位置検出システムにより検出した列車位置情報を利用した鉄道制御システムの構成の一例を示すシステム構成図、（Ｂ）は駅設備に適用した制御システムの構成例を示すシステム構成図である。 （Ａ）は図１（Ａ）の列車位置検出システムにより検出した列車位置情報を利用した鉄道制御システムの他の構成例を示すシステム構成図、（Ｂ）は鉄道設備としての駅設備の制御システムの他の例を示すシステム構成図である。 本発明に係る光ケーブルを使用した列車位置検出機能を備えた鉄道制御システムの第２の実施形態を示すもので、（Ａ）は全体のシステム構成図、（Ｂ）は第２の実施形態の要部の構成図、（Ｃ）は第２の実施形態における光ケーブルの他の配設例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光ケーブルを使用した列車位置検出機能を有する鉄道制御システムの実施の形態について説明する。
図１（Ａ）は光ケーブルを使用した列車位置検出機能を実現するためのシステムの構成例を示すシステム構成図である。
本実施形態における列車位置検出のためのシステムにおいては、図１（Ａ）に示すように、複数の駅１０Ａ−１０Ｂ−１０Ｃに渡って、１本の光ケーブル１１が軌道１２に沿って敷設されているとともに、光ケーブル１１は特に列車の通過を検知したい箇所にてループ１１ａ，１１ｂ……を形成しながら敷設されている。具体的には、例えば図１（Ｂ）に示すように、分岐器１３の転てつ機や信号機１４ａ，１４ｂ……等、連動装置によって制御されていた機器の近傍にて局所的なループ１１ａ，１１ｂ……を形成するように敷設されている。

そして、光ケーブル１１の一方の端部には、図１（Ａ）に示すように、光ケーブル１１を構成する光ファイバのコアに対してレーザ光を出射する光源およびコア内の散乱光を検出する光学的時間領域反射計（ＯＴＤＲ）のような光検出器を備えた光学装置（光デバイス）２１が接続されている。本実施形態では、光ファイバ内のレイリー散乱光を検出可能なＯＴＤＲが光検出器として使用されており、振動が印加されると微小な変形（歪み）を生じそれによって散乱光が変化する現象を検知する振動センサとして光ファイバを利用し、検出した光信号を周波数解析部２２で処理することで、光ファイバにより検出した振動が列車の通過あるいは転てつ機等の機器の異常に基づく振動であるか否か判定するように構成されている。

上記のように、列車の通過を検知したい箇所にてループをなすように光ケーブル１１を敷設しているのは、光ファイバの振動に伴う散乱光の変化を検出する方式の場合、光ファイバの長さや太さ、検出器の性能等にもよるが概ね数ｍ単位で振動が発生している距離を測定することができる、つまり分解能が数ｍとなるためである。
本実施形態では、光ケーブル１１を長さ方向に沿って、上記分解能に相当する長さで光ケーブルを区分し、いずれかの区分を、列車の通過を検出したい地点（キロ程）において軌道をほぼ直交する方向に横切るように配設し、少し戻った地点で軌道を逆方向へ横切るように光ケーブルを配設してループを形成する。具体的には、上記区分の長さがＮで軌道の幅がＭ（Ｍ＜Ｎ）の場合、図１（Ｂ）に示すように、１区分の範囲で軌道を横切り、軌道の途中で区分が替わらないように調整しながら配設すれば良い。

本発明者らが選択した検出方式および解析方法を適用した場合について検討した結果によれば、光ケーブルの全長が数ｋｍ〜数１０ｋｍの場合、分解能すなわち１区分の長さＮは５ｍ〜１０ｍ程度であった。一方、軌道の幅は複線区間でも平均５ｍ以下であり、上記のような光ケーブルの横断配設は充分に可能である。なお、使用する光ケーブルが決まれば、分解能すなわち１区分の長さＮも一義的に決まるので、光ケーブルを配設した時点で、どの区分がどの地点で軌道を横切っているかを示すテーブル（対応表）を作成することができ、このテーブルを使用することで、振動の解析結果および振動を検出した区分の情報から列車の通過を判断することができる。

上記のように光ケーブルを配設することによって、センサの分解能が数ｍであり単に光ケーブルを軌道に沿って敷設しただけでは数ｍの誤差が生じるのに対して、本実施形態によれば列車が通過したことすなわち列車の位置を、１ｍ以下（数ｃｍ〜数１０ｃｍ）の精度で検出することができるようになる。
また、列車の通過を検出したい地点が２か所あり、２地点間が比較的近い場合には、それぞれの地点で軌道をほぼ直交する方向に横切るように光ケーブル１１を配設することでループ１１ａを形成すると良い。これにより、１つのループ１１ａまたは１１ｂによってそれぞれ２地点での列車の通過を検出することができる。

分岐器の箇所では、分岐器１３の前後で光ケーブル１１が軌道１２を横切り、分岐器を囲むループを形成するように配設しても良い。これにより、分岐器が動作したことを検出することが可能となり、分岐器の異常も検出することが可能となる。列車の通過か分岐器の異常かは、振動が継続する時間の違いや振動パターンの違いから判別することができる。
さらに、分岐器１３の設置箇所では、図１（Ｃ）に示すように、転てつ機１５ａを含む転てつ機部１５およびてっさ部１６を、別々に囲むように、２つのループ１１ａ，１１ｂを形成するように光ケーブル１１を配設しても良い。これにより、転てつ機１５ａの異常とてっさ部１６の異常を区別して検出することができる。

次に、上記光ファイバセンサを使用した列車位置検出機能を利用した鉄道制御システムについて、図２を用いて説明する。
本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、周波数解析部２２に制御部３０が接続されており、制御部３０は、周波数解析部２２からの信号に基づいて列車の位置を判定し、従来の連動装置に代わって、図２（Ｂ）に示すように、分岐器１３の転てつ機１５ａや信号機１４ａ，１４ｂ……を駆動制御するように構成されている。
周波数解析部２２は、プログラムと該プログラムを実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置とによって構築することができる。制御部３０は、図示しないが、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置や、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）やＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等のデータ記憶装置などから構成される。

また、転てつ機や信号機等の制御部３０が、図３（Ａ）に示すように、駅ごとに駅制御装置３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ……として設けられている場合には、例えば駅制御装置３０Ａに設けられている周波数解析部２２からの信号に基づく列車位置検出情報を、列車運行管理装置のような上位制御装置４０へ渡して、上位制御装置４０から駅制御装置３０Ｂ，３０Ｃ……へ伝送するように構成することができる。
なお、上位制御装置４０を介さずに、駅制御装置３０Ａが直接他の駅制御装置３０Ｂ，３０Ｃ……へ列車位置検出情報を伝えるように構成しても良い。駅制御装置３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ……は、図３（Ｂ）に示すように、受信した列車位置検出情報に基づいて、自己の制御下の転てつ機や信号機をそれぞれ制御する。

次に、本発明の他の実施形態について、図４を用いて説明する。この実施形態は、上述したセンシング技術を用いて検出した列車位置情報に基づいて列車を制御するシステムに適用したものである。
本実施形態では、図４（Ａ）に示すように、複数の駅間に渡って１本の光ケーブル１１が軌道１２に沿って敷設されているとともに、光ケーブル１１は特に列車の通過を検知したい箇所にてループ１１ａ，１１ｂを形成しながら敷設されている。また、図４（Ｂ）に示すように、所定距離Ｌ１だけ離れた２つの地点Ａ，Ｂで光ケーブル１１がそれぞれ軌道を横切ることで局所的なループ１１ｃを形成するように敷設されている。

また、列車５０には、列車運行管理装置４０’との間で無線によってデータの送受信を行う無線通信部５１と、列車の速度等の制御を行う制御部５２とを備えた車上制御装置が搭載されている。列車運行管理装置４０’は、光ケーブル１１および光学装置、周波数解析部からなる列車位置検出装置からの列車位置情報に基づいて列車間の距離を把握し、例えば後続列車が先行列車に近づき過ぎたような場合には、停止指令（停止進路情報を含む）を後続の列車５０へ送信して制御部５２が停止制御を行うようになっている。列車運行管理装置４０’は、列車側の無線通信部５１と通信可能な無線通信部４１を備える。

さらに、本実施形態では、図４（Ｂ）に示す光ケーブルのループ１１ｃを利用して検出した、２地点間距離Ｌ１を列車が通過するのに要した時間に基づいて、列車運行管理装置４０’が列車の速度を算出して、停止指令を送る場合の停止進路情報を作成することができるようになっている。
また、列車運行管理装置４０’は、ループ１１ｃを利用して検出した２地点間距離Ｌ１を列車が通過するのに要した時間といずれか一方の地点での振動継続時間とから、列車の速度および列車の長さＬ２を算出して、先行列車（最後尾）と後続列車（先頭）との距離を正確に把握して、停止指令を送る場合の停止進路情報を作成するようにしている。

従来の無線列車制御システムでは、列車の長さを把握する手段がなかったため、列車の長さを一律に扱って列車間距離を算出し制御を行なっていたが、本実施形態によれば、列車の長さを把握できるので、より正確な停止進路情報を作成して列車制御を行うことができるようになる。
なお、上記説明では、所定の地点に設けた光ケーブル１１のループによって、列車の位置を検出するとしたが、既存の列車の中には速度発電機（タコジェネレータ）が設けられているものがあるで、そのような列車に関しては、速度発電機からの信号に基づいて列車が走行距離を算出して列車運行管理装置４０’へ送信することで、列車運行管理装置４０’が受信した走行距離と、図４（Ｂ）に示すループを利用して検出した時間および速度とから、列車の位置を把握するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、複数の駅間にわたって１本の光ケーブルを、途中でループを形成しながら軌道に沿って敷設した形態について説明したが、ループを形成せずに、図４（Ｃ）に示すように、所定の地点Ａ，Ｂで光ケーブル１１が軌道１２を直交方向に横切るようにして、蛇行しながら軌道に沿って一方向へ延びるように敷設しても良い。この際、前述したように、光ケーブルの１区分のみが軌道（レール）を横切るように配設すれば、列車の位置（列車が所定の地点を通過したこと）を高精度に検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、光ケーブルを軌道に沿って敷設する際に、予め光ケーブルの所定部位（区分）が軌道を所定地点で横切るように敷設する代わりに、先ず光ケーブルの区分を気にせずに光ケーブルを敷設し、その後に、計測を行なって、光ケーブルの各区分と横断地点の距離との関係を取得して、制御部３０で使用するテーブル（対応表）を作成するようにしても良い。
さらに、上記実施形態では、光ケーブルが軌道をほぼ直交する方向に横切るように配設すると説明したが、許容される誤差との関係で、４５度（以下例えば３０度）のような角度で軌道と交差して横切るように配設しても良い。

１０ 駅
１１ 光ケーブル
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ループ
１２ 軌道
１３ 分岐器
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 信号機
１５ 転てつ機部
１６ てっさ部
２１ 光学装置（光源および光検出手段）
２２ 周波数解析部
３０ 制御部
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 駅制御装置
４０ 上位制御装置（列車運行管理装置）
５０ 列車

Claims (2)

1. 鉄道軌道に沿って敷設された光ケーブルと、
   前記光ケーブルに接続され該光ケーブルに対してレーザ光を出射する光源および前記光ケーブル内の散乱光を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段が検出した光信号を周波数解析する周波数解析手段と、
   前記周波数解析手段からの信号に基づいて列車位置を検出し鉄道関連設備を制御する制御手段と、を備えた鉄道制御システムであって、
   前記光ケーブルは、前記鉄道軌道において列車の通過を検出したい２つの地点において、当該光ケーブルの分解能に関連して決まるいずれかの区分が軌道を横切るようにループ状に配設され、
   さらに、前記２つの地点における列車の通過タイミングに基づいて前記鉄道軌道上を走行する先行列車と後続列車との距離および後続列車の速度を算出し、前記後続列車に制御情報を送信する制御装置を備えることを特徴とする鉄道制御システム。
2. 前記制御装置は、前記２つの地点における列車の通過タイミングに基づいて前記鉄道軌道上を走行する列車の長さを算出し、先行列車の最後尾と後続列車の先頭との距離および後続列車の速度を算出し、前記後続列車に制御情報を送信する機能を備えることを特徴とする請求項１に記載の鉄道制御システム。

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