JP6881709B2 - 制御システム - Google Patents

Description

本発明は制御システムに関し、特に、搬送波に振幅変調を施して制御情報を送信し受信側装置で当該制御情報を取得して制御を行う列車制御装置等で、周波数多重化において多情報化を可能にした制御システムに関する。

制御システムの一例として、自動列車制御装置（以下「ＡＴＣ装置」と記す。）を説明する。ＡＴＣ装置では、地上装置から列車の車上装置へ速度制限情報（ＡＴＣ信号）をレール等を経由して伝送する。ＡＴＣ信号は、一般的に、速度制限情報に割り当てた変調波で搬送波を変調して作られる。変調波の数は、速度制限情報の数に対応しているが、いろいろな制約により多くの数を使用することができない。

従来のＡＴＣ装置において情報量を増加させるためには２つの搬送波を使用する方式がある。この方式では、２つの搬送波のうち、一方を主信号とし、他方を副信号とする。２つの搬送波のそれぞれに対して、情報としての変調波周波数を割り当て、主信号の変調波周波数と副信号の変調波周波数の組み合わせ方により、情報量を増すようにしていた。この方式では、情報量を増すことができるが、搬送波周波数帯域にノイズが混入した場合には、混入度合いに応じて影響を受けるという可能性があった。

また他方において、搬送波に振幅変調を施して情報を送信し車上装置で当該情報を取得して制御を行う従来のＡＴＣ装置で、ノイズに対する耐性を持たせるため、搬送波周波数を多重化する方式が、特許文献１に開示されている。

特許文献１はＡＴＣ装置等に適用される多重系装置を開示している。図４と図５を参照して、この多重系装置に基づくノイズ耐性を持たせるため構成を説明する。

図４は多重化された２つの信号Ａ，Ｂを示し、図５は当該多重化の信号を生成し利用するための装置構成を示している。２つの信号Ａ，Ｂは、共に、搬送波を変調波で振幅変調して作られたＡＴＣ信号である。信号Ａ，Ｂの波形図において、時間軸は同じであり、共通している。信号Ａは周波数ｆ１の搬送波Ｃ１を周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１で振幅変調して生成された信号であり、信号Ｂは周波数ｆ２の搬送波Ｃ２を周波数ｆｍ_０２の変調波Ｍ２で振幅変調した信号である。２つの信号Ａ，Ｂは、共に、時系列に生じる一連の振幅変調波から成る信号である。搬送波Ｃ１の周波数ｆ１は例えば３ｋＨｚであり、搬送波Ｃ２の周波数ｆ２は例えば５ｋＨｚである。変調波の周波数ｆｍ_０１，ｆｍ_０２は、原則的に同一の周波数であり、かつ１０〜１００Ｈｚの範囲の中で選択される周波数である。このため信号Ａにおける周期Ｔ（＝１／ｆｍ_０１）と信号Ｂにおける周期Ｔ（＝１／ｆｍ_０２）は同一の値となる。信号Ａ，Ｂでは、振幅変調された搬送波Ｃ１，Ｃ２の位相情報に基づいて制御情報が伝送される。信号Ａ，Ｂによって伝送される制御情報は両方とも同じである。

上記の信号Ａ，Ｂは、図５に示された装置構成の下で生成され、用いられる。図５において、１１は地上装置である送信側装置、１２は伝送路であるレール（軌道回路）、１３はレール１２上を移動する列車、１４は列車１３に搭載された受信側装置である。受信側装置１４は車上装置である。また１５は列車１３に装備された受電器であり、１６は列車１３に装備された制御器である。列車１３は、レール１２の上を、矢印１７の方向に進行している。

送信側装置１１は、周波数ｆ１の搬送波Ｃ１を出力する発振器１０１と、周波数ｆ２の搬送波Ｃ２を出力する発振器１０２を備える。従って周波数の異なる２つの搬送波を用いている。周波数ｆ１の搬送波Ｃ１は変調器１１１に供給され、周波数ｆ２の搬送波Ｃ２は変調器１１２に供給される。さらに、制御情報を入力・設定する制御情報設定部１０３と、当該制御情報に対応する変調波Ｍ１，Ｍ２を生成し当該制御情報を発生する制御情報発生部１０４を備えている。変調波Ｍ１は変調部１１１に与えられ、変調部１１１において変調波Ｍ１によって搬送波Ｃ１を振幅変調する。これにより上述した信号Ａが生成される。また変調波Ｃ２は変調部１１２に与えられ、変調部１１２において変調波Ｍ２によって搬送波Ｃ２を振幅変調する。これにより上述した信号Ｂが生成される。生成された信号Ａと信号Ｂは、加算部１０５で加算（重畳）され、増幅器１０６を経由して送信側装置１１からレール１２に対して送信される、

レール１２に送信された信号Ａ，Ｂは、列車１３に装備された受電器１５で受信され、その後、受信側装置１４に供給される。受信側装置１４では、拡大して示したその内部構成図に示されるように、２つの検知ルートが設けられている。第１の検知ルートでは、バンドパスフィルタ１２１、検波器１２２、変調波周波数識別部１２３がシリーズで形成されている。バンドパスフィルタ１２１と検波器１２２によって、振幅変調波（変調波Ｍ１）を取り出す復調部が形成される。同様に、第２の検知ルートでは、バンドパスフィルタ１３１、検波器１３２、変調波周波数識別部１３３がシリーズで形成されている。さらに同様に、バンドパスフィルタ１３１と検波器１３２によって、振幅変調波（変調波Ｍ２）を取り出す復調部が形成される。受電器１５から受信側装置１４に供給された信号Ａ，Ｂは、２つの検知ルートの各バンドパスフィルタ１２１，１３１に入力される。第１の検知ルートでは、信号Ａから振幅変調波（Ｍ１）が取り出され、変調波周波数識別部１２３に供給される。第２の検知ルートでは信号Ｂから振幅変調波（Ｍ２）が取り出され、変調波周波数識別部１３３に供給される。変調波周波数識別部１２３では、変調波Ｍ１に関して、信号レベルの有無等を識別する。変調波周波数識別部１３３でも、同様に、変調波Ｍ２に関して、信号レベルの有無等を識別する。次の情報識別部１４０は、２つの変調波周波数識別部１２３，１３３の各識別結果を取り込み、制御情報を取り出す。制御情報の取り出しにおいて、ノイズ等の影響で変調波Ｍ１，Ｍ２が異なる場合には、下位優先の原理に従って、変調波Ｍ１，Ｍ２から得られる制御情報のうち下位の制御情報を選択する。なお、一方の変調波の出力がない場合には、出力のある変調波の出力情報を用いる。得られた制御情報は、列車１３の制御器１６へ与えられ、制御を実行する。

特許文献１に開示された多重系装置の構成によれば、送信側装置１１において制御情報を送信するための搬送波を２系統として信号Ａ，Ｂを生成し、受信側装置１４に送信する。受信側装置１４では、２系統の検知ルートのそれぞれで信号Ａ，Ｂの各々から制御情報を含む振幅変調波（Ｍ１，Ｍ２）を取り出し、当該変調波Ｍ１，Ｍ２から制御情報を取り出し、下位優先の原理に従って、制御情報を決定する。こうして、信号Ａ，Ｂについて、伝送途中にいずれか一方の搬送波周波数の帯域でノイズの影響を受けた場合にも、他方の搬送波から安全な制御情報を取り出すことができ、有効なノイズ耐性を持たせることができる。

特開平１１−１１５７５９号公報

特許文献１に開示された多重系装置では、ＡＴＣ装置におけるＡＴＣ信号の伝送でノイズ耐性を向上させることはできたが、伝送できる情報量を増すという観点で多情報化という要求を満たしていなかった。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ノイズに対する耐性を高く保ったまま、多情報化を達成し、伝送すべき情報量を増加できる制御システムを提供することにある。

本発明に係る制御システムは、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の制御システム（請求項１に対応）は、多重化される異なる周波数の搬送波の各々で同一の特定周波数の変調波を用いて作った振幅変調波を利用して制御情報を伝送する制御システムであり、多重化された搬送波の各々において対応する振幅変調波の変調波位相差を利用して制御情報を割り当てることによって構成される。

上記の制御システムでは、異なる周波数の搬送波を利用し各搬送波を変調波により振幅変調して成る多重系構成を有する制御システムにおいて、ノイズ耐性を高く維持できると共に、変調波の間に位相差を設定し、当該位相差の情報に制御情報を対応づけるように構成したため、伝送可能な情報量を増加することを可能にする。

第２の制御システム（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、変調波の特定周波数は１以上用意されることを特徴とする。

第３の制御システム（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、変調波位相差の個数は１以上で設定されることを特徴とする。

第４の制御システム（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、変調波位相差が存在しないときには安全側に制御する制御情報が設定されることを特徴とする。

第５の制御システム（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、制御情報は、速度制限情報であり、制御を指示する送信側の地上装置から、制御対象を備えた受信側の車上装置に送信されることを特徴とする。

本発明によれば、搬送波に対して変調波を用いて振幅変調を施し、当該変調内容に基づき制御情報を送信し受信側で当該制御情報を取得して制御を行う列車制御装置等において、異なる周波数の搬送波を利用した周波数多重化によってノイズ耐性を高く維持すると共に、加えて各系統の変調波の間に位相差を設定し当該位相差を利用して制御情報を伝送するようにしたため、更なる多情報化を実現することができる。

本発明に係る制御システムでのＡＴＣ信号の多重化と多情報化を説明する信号波形図である。 本発明に係る制御システムにおける搬送波周波数を多重化しさらに多情報化するための構成を具体的に示す機能ブロック図である。 制御情報の処理プロセスを示すフローチャートである。 従来システムでのＡＴＣ信号の多重化を説明する信号波形図である。 従来システムにおける搬送波周波数を多重化するための構成を示す機能ブロック図である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して本発明に係る制御システムの代表的な実施形態を説明する。この制御システムでも、多重系装置としての装置構成を有する。図１は先に説明した図４に対応する図であり、図２は先に説明した図５に対応する図である。図１の説明において、信号Ａ，Ｂに関して、搬送波Ｃ１，Ｃ２、変調波Ｍ１，Ｍ２、Ｍ１，Ｍ２のそれぞれに対応した周波数ｆｍ_０１，ｆｍ_０２については同一の符号を付して説明を行う。また図２の説明において、送信側装置１１、レール１２、列車１３、受信側装置１４、受電器１５、制御器１６、列車１３の進行方向１７については同一の符号を付して説明を行う。

図１は本発明の特徴的な多重化が施された２つの信号Ａ，Ｂを示し、図２は当該多重化の信号Ａ，Ｂを生成して伝送し受信側で検知し取り出すための装置構成を示している。２つの信号Ａ，Ｂは、共に、搬送波を変調波で振幅変調して作られた例えばＡＴＣ信号である。本実施形態に係る制御システムの説明では、代表的にＡＴＣ装置に適用した例で説明するが、これに限定されるものではない。

図１に示した信号Ａ，Ｂの波形図において、時間軸は同じであり、共通している。信号Ａは周波数ｆ１の搬送波Ｃ１を周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１で振幅変調して生成された信号である。信号Ｂは周波数ｆ２の搬送波Ｃ２を周波数ｆｍ_０２の変調波Ｍ２で振幅変調した信号である。２つの信号Ａ，Ｂは、共に、時系列に生じる一連の振幅変調波から成る信号である。搬送波Ｃ１の周波数ｆ１は例えば３ｋＨｚであり、搬送波Ｃ２の周波数ｆ２は例えば５ｋＨｚである。また変調波の周波数ｆｍ_０１，ｆｍ_０２については、本実施形態の場合には、同一の周波数に設定されており、かつ１０〜１００Ｈｚの範囲の中から適宜に選択される周波数である。変調波の周波数としては、複数の周波数が適宜に選択される。変調波の周波数ｆｍ_０１，ｆｍ_０２は同一であるため、信号Ａにおける周期Ｔ（＝１／ｆｍ_０１）と信号Ｂにおける周期Ｔ（＝１／ｆｍ_０２）とは同一の値となる。

２つの信号Ａ，Ｂでは、振幅変調された異なる周波数の搬送波Ｃ１，Ｃ２の各々で、振幅変調波に基づいて制御情報が伝送される。この場合、信号Ａ，Ｂによって伝送される制御情報は両方とも同じである。

さらに、２つの信号Ａ，Ｂの間において、対応する２つの振幅変調波の間において、変調波Ｍ１，Ｍ２との間の位相差θｉを生じさせている。当該位相差θｉにはさらに他の制御情報が対応付けられている。搬送波と変調波の組み合わせは図４で説明した内容と同じであり、加えて２つの信号Ａ，Ｂにおいて対応する２つの振幅変調波すなわち変調波Ｍ１，Ｍ２との間の位相差θｉを情報として利用する点に特徴を有している。

当該変調波Ｍ１，Ｍ２との間の位相差θｉに対して、例えば、６０°毎を設定し、０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°とすれば、６つの情報を追加することができる。６つの位相差のそれぞれに情報を対応させることができる。下記の表１で位相差のそれぞれに対応付ける情報の例を示す。

上記の表１において変調波Ｍ１，Ｍ２の周波数は例えば１６Ｈｚ、２３Ｈｚ等である。そして、各変調波周波数に対して、当該変調波Ｍ１，Ｍ２との間の位相差θｉについて０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°の位相差を設定し、各位相差に異なる速度制限情報（ｋｍ／ｈ）を対応付けている。変調波が１６Ｈｚの場合、３００°の速度制限情報は８０ｋｍ／ｈ、２４０°の速度制限情報は７８ｋｍ／ｈ、１８０°の速度制限情報は７６ｋｍ／ｈ、１２０°の速度制限情報は７４ｋｍ／ｈ、６０°の速度制限情報は７２ｋｍ／ｈ、０°の速度制限情報は７０ｋｍ／ｈである。位相差０°は、位相情報がない状態を示している。位相差０°の状態について、具体的に、「識別した位相差が０°」の場合、「位相差を識別できない」場合、さらには、「位相差識別のために予め設定された範囲に対して当該範囲の内外の基準に基づき位相差無しと判定された」場合等の態様が存在する。従って、「位相情報がない」という場合は、位相差情報を取得できない場合となるので、低速度に係る速度制限情報、すなわち、安全側に制御する制御情報が設定される。変調波が２３Ｈｚの場合にも、同様に、各位相差θｉに対して速度制限情報が設定されている。

上記の位相差θｉについて、さらに設定角度を小さい値（例えば４５°毎、３０°毎等）にすれば、さらに情報量を増すことができる。このように、信号Ａ，Ｂの各ＡＴＣ信号について、設定した変調波（Ｍ１，Ｍ２）間の位相差θｉの種類分だけ、情報を増加させることができる。さらに、信号Ａ，Ｂの各搬送波Ｃ１，Ｃ２の搬送波周波数ｆ１，ｆ２の帯域がノイズにより影響を受け、２つの変調波Ｍ１，Ｍ２の間の位相差θｉを識別できない場合には、縮退モードとして該当する変調波に割り当てられている制限速度情報を使用すれば、従来通りのＡＴＣ情報として制御することもできる。

上記の通り、本実施形態に係る制御システムの多重化された信号Ａ，Ｂの構成によれば、ノイズに対する高い耐性を維持しつつ、変調波位相差を利用して情報量を増加させることができる。

図２を参照して、上記の信号Ａ，Ｂの生成する装置構成、および振幅変調波を検知し、変調波の位相情報を取り出しまたは抽出する装置構成を説明する。

図２において、前述した通り、１１は地上装置である送信側装置、１２はレール（軌道回路）、１３は列車、１４は車上装置である受信側装置である。１５は列車１３に装備された受電器であり、１６は列車１３に装備された制御器である。列車１３は、レール１２の上を、矢印１７の方向に進行している。

送信側装置１１は、周波数ｆ１の搬送波Ｃ１を出力する発振器２１と、周波数ｆ２の搬送波Ｃ２を出力する発振器２２を備える。従って周波数の異なる２つの搬送波Ｃ１，Ｃ２を用い、２系統を有している。周波数ｆ１の搬送波Ｃ１は変調器３１に供給され、周波数ｆ２の搬送波Ｃ２は変調器３２に供給される。さらに、制御情報を入力・設定する制御情報設定部２３と、当該制御情報を発生する制御情報発生部２４と、当該制御情報に対応する周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１を生成する変調波発生部２５と、当該制御情報に対応する周波数ｆｍ_０２の変調波Ｍ２を生成する変調波発生部２６とを備えている。

周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１は変調部３１に与えられ、変調部３１において変調波Ｍ１によって搬送波Ｃ１を振幅変調する。これにより上述した信号Ａが生成される。また周波数ｆｍ_０２の変調波Ｃ２は変調部３２に与えられ、変調部３２において変調波Ｍ２によって搬送波Ｃ２を振幅変調する。これにより上述した信号Ｂが生成される。生成された信号Ａと信号Ｂは、加算部２７で加算（重畳）され、増幅器２８を経由して送信側装置１１からレール１２に対して送信される、

レール１２に送信された信号Ａ，Ｂは、列車１３に装備された受電器１５で受信され、その後、受信側装置１４に供給される。受信側装置１４では、拡大して示したその内部構成図に示されるように、２つの検知ルートと、中間的処理を行う変調波位相差識別部６１が設けられている。第１の検知ルートでは、バンドパスフィルタ４１、検波器４２、変調波周波数識別部４３がシリーズに接続されている。バンドパスフィルタ４１と検波器４２によって、信号Ａの各振幅変調波、すなわち周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１を取り出す復調部が形成される。同様に、第２の検知ルートでは、バンドパスフィルタ５１、検波器５２、変調波周波数識別部５３がシリーズに接続されている。さらに同様に、バンドパスフィルタ５１と検波器５２によって、信号Ｂの各振幅変調波、すなわち周波数ｆｍ_０２の変調波Ｍ２を取り出す復調部が形成される。受電器１５から受信側装置１４に供給された信号Ａ，Ｂは、２つの検知ルートの各バンドパスフィルタ４１，５１に入力される。第１の検知ルートでは、信号Ａから変調波Ｍ１が取り出され、変調波周波数識別部４３と変調波位相差識別部６１に供給される。第２の検知ルートでは信号Ｂから変調波Ｍ２が取り出され、変調波周波数識別部５３と変調波位相差識別部６１に供給される。変調波周波数識別部４３では、周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１に関して、変調波成分のレベルの有無等を識別する。変調波周波数識別部５３においても、同様にして、周波数ｆｍ_０２の変調波Ｍ２に関して、変調波成分のレベルの有無等を識別する。

次いで、変調波位相差識別部６１では、入力された周波数ｆｍ_０１の変調波Ｍ１と周波数ｆｍ_０２の変調波Ｍ２に基づいて、対応する２つの振幅変調波の変調波間の位相差θｉを検知し識別する。なお、制御上、有意義な変調波位相差θｉを検出するため、前述した通り、変調波Ｍ１の周波数ｆｍ_０１と変調波Ｍ２の周波数ｆｍ_０２は同一であることが前提である。

次段の情報識別部６２には、２つの変調波周波数識別部４３，５３の各識別結果、および変調波位相差識別部６１の識別結果が入力される。情報処理部６２では、信号Ａ，Ｂの間の対応する振幅変調波の変調波間の位相差θｉに基づいて対応する制御情報を取り出す。制御情報の取り出しにおいて、ノイズ等の影響で変調波Ｍ１，Ｍ２が異なる場合には、下位優先の原理に従って、変調波Ｍ１，Ｍ２から得られる制御情報のうち下位の制御情報が選択される。なお、一方の変調波の出力がない場合には、出力のある変調波の出力情報を用いる。また変調波間の位相差に対応する制御情報は、予め設定された制御情報が抽出される。得られた制御情報は、列車１３の制御器１６へ与えられ、制御を実行する。

上記の受信側装置１４での制御情報の検知および取り出し・抽出の処理の流れを図３に示す。
最初のステップＳ１１では、受電器１５を経由して受信した信号Ａ，Ｂの各々から変調波Ｍ１，Ｍ２の取り出しが行われる。ステップＳ１１で取り出された各変調波Ｍ１，Ｍ２は、次の２つのステップＳ１２，Ｓ１３に供給される。ステップＳ１２では各変調波Ｍ１，Ｍ２の周波数成分（ｆｍ_０１，ｆｍ_０２）を抽出し、ステップＳ１３では２つの変調波Ｍ１，Ｍ２の間の位相差を抽出する。
ステップＳ１２の後には、各変調波Ｍ１，Ｍ２のレベルが規格値以上か否かが判断され（判断ステップＳ１４）、判断ステップＳ１４でＹＥＳの場合には次のステップＳ１６に移行し、ＮＯの場合にはステップＳ１１に戻る。ステップＳ１６では、各変調波（周波数成分ｆｍ_０１のＭ１、周波数成分ｆｍ_０２のＭ２）のレベルが規格値以上であることを条件にして、変調波Ｍ１，Ｍ２のレベルに応じて３つの処理のうちいずれかが実行される。第１に、変調波Ｍ１，Ｍ２のレベルが同一の場合には当該変調波が採用される。第２に、変調波Ｍ１，Ｍ２のレベルが異なる場合には下位優先論理で下位側の変調波が採用される。変調波のうちどちらか一方しか存在しない場合には当該変調波が採用される。
ステップＳ１３の後には、変調波Ｍ１，Ｍ２の間の位相差θｉが設定された範囲にあるか否かが判断され（判断ステップＳ１５）、判断ステップＳ１５でＹＥＳの場合には次のステップＳ１７に移行し、ＮＯの場合にはステップＳ１８に移行する。ステップＳ１７では、位相差θｉが含まれる位相差範囲を検出し、当該位相差θｉを採用する。次に、ステップＳ１８では、位相差が検出できない状態であるので、位相差０°を採用する。
次のステップＳ１９では、処理ステップＳ１６による採用結果、および処理ステップＳ１７による採用結果または処理ステップＳ１８による採用結果が提供され、採用された「変調波周波数」および「変調波間位相差」に基づいて、その組合わせにより列車１３の運行制御のための最終現示を決定する。最後のステップＳ２０では、制御情報に係る最終現示は制御器１６へ提供される。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ、および配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る制御システムは、例えば自動列車制御装置（ＡＴＣ装置）に利用され、制御情報等の伝送における多情報化に利用される。

１１ 送信側装置
１２ レール
１３ 列車
１４ 受信側装置
１５ 受電器
１６ 制御器
Ｃ１，Ｃ２ 搬送波
Ｍ１，Ｍ２ 変調波

Claims (5)

1. 多重化される異なる周波数の搬送波の各々で同一の特定周波数の変調波を用いて作った振幅変調波を利用して制御情報を伝送する制御システムであり、多重化された前記搬送波の各々において対応する前記振幅変調波の変調波位相差を利用して前記制御情報を割り当てることを特徴とする制御システム。
2. 前記変調波の前記特定周波数は１以上用意されることを特徴とする請求項１記載の制御システム。
3. 前記変調波位相差の個数は１以上で設定されることを特徴とする請求項１または２記載の制御システム。
4. 前記変調波位相差が存在しないときには安全側に制御する制御情報が設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御システム。
5. 前記制御情報は、速度制限情報であり、制御を指示する送信側の地上装置から、制御対象を備えた受信側の車上装置に送信されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御システム。

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