JP6917154B2 - 無線列車制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信により列車を制御する無線列車制御システムに関する。
近年、無線通信を使ったCBTC(Communication-Based Train Control)と呼ばれる列車制御システムが注目されている。CBTCは、軌道回路を使わずに高精度な列車位置の検知が可能であり、列車と地上間で双方向の連続した高速通信を行うことで列車制御を行う。このような無線通信技術を利用した列車制御システムでは、列車の移動に伴って地上の通信する無線基地局を順次切り替えるハンドオーバが必要になる。
例えば特許文献1には、列車の車上装置にデータベースを持たせ、車上データベース上において、アンテナの位置がハンドオーバ点を超えたときに無線基地局を切り替えることで、無線基地局数を削減する技術が開示されている。
特開2015−137079号公報
ところで、CBTCにおいては、低コスト化のために、国際的に規格化された汎用無線機が利用されることがある。一般的な汎用無線機は、RSSI(Received signal strength indication)値が低下した場合に、現在接続している相手よりも高いRSSI値の相手を見つけるとハンドオーバを行い、通信相手を切り替える。この切り替えには、汎用無線方式に起因する多くの煩雑な手順が必要になり、通信の確立までに時間を要する。
また、地上の無線基地局が故障した場合、その基地局に隣接した無線基地局が送信電力を上げて故障した基地局の送信エリアをカバーしているが、この方式はノイズやフェージングの影響を受けやすく、電波法により最大送信電力にも制限がある。
更に、送信エリアが重なっているような微妙なRSSI値の場所では、いわゆるピンポン現象(接続相手の無線機が頻繁に切り替わる現象)が発生し、システムの安定性と信頼性が低下する、という課題がある。
しかも、CBTCの通信方式には、CDMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)が用いられることが多いが、CDMA/CAは通信タイミングにランダム性を有しているため、列車制御に用いると、地上と車上間の同期が困難である。また、通信相手との接続の確立にも多くの時間を要し、通信方式も高速なハンドオーバを阻害する要因となっている。
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、汎用無線機を用い、ハンドオーバ時にシームレスな高速切り替えができる無線列車制御システムを提供することにある。
本発明の無線列車制御システムは、列車の軌道に沿った無線基地局と、列車に搭載された車上装置との間で無線通信を行って列車を制御するシステムであって、各無線基地局と車上装置に、異なる周波数で情報を送受信する複数の汎用無線機を設け、列車の移動によるハンドオーバを、前記汎用無線機間で通信を確立した状態で行い、通信を確立していない他系がアイドル中のときに切り替える、ことを特徴とする。
本発明によれば、車上装置の少なくとも一台の汎用無線機と、地上装置の少なくとも一台の汎用無線機との通信を確立した状態でハンドオーバを行うので、汎用無線機を用いても通信状態を維持しつつ無線通信のシームレスな切り替えができる。これによって、ハンドオーバ時にも安定性と信頼性の高い通信を行うことができる。しかも、通信が確立している汎用無線機とは異なる周波数の汎用無線機に予め切り替えの準備をしておき、待機状態から動作状態に切り替えてハンドオーバすることで、RSSI値を用いた通信相手の決定は不要であり、通信方式による影響も抑制して通信相手の切り替えを高速化できる。
本発明の実施形態に係る無線列車制御システムを示す概略構成図である。 図1に示した無線列車制御システムで用いられる無線機の概略構成図である。 図2の無線機におけるRFモジュールの構成例を示すブロック図である。 図1に示した無線列車制御システムのハンドオーバ時の動作を、列車の移動と共に順次示す模式図である。 図4に示したハンドオーバ時における車上装置の動作を示すフローチャートである。 図1に示した無線列車制御システムにおいて、沿線無線機に故障があった場合のハンドオーバ時の動作を、列車の移動と共に順次示す模式図である。 図6に続く動作を列車の移動と共に順次示す模式図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る無線列車制御システムを示しており、図1(a)はシステム全体の概略構成図、図1(b)は列車の構成図である。図1(a)に示すように、列車1の軌道2に沿って所定の間隔で沿線無線機(無線基地局)4−1,4−2,…,4−nが設けられており、アンテナ4−1a,4−2a,…,4−naを介して列車1との間で汎用無線通信によって情報の授受を行い、列車1の制御を行うようになっている。
各沿線無線機4−1,4−2,…,4−nは、有線または無線により地上装置5に接続されている。この地上装置5は、列車位置検知部5a、CBTC制御部5b及びデータベース5c等を備えている。
列車位置検知部5aでは、列車1に搭載された車上無線機と、各沿線無線機4−1,4−2,…,4−nとの通信状態により列車1の位置が検知される。列車位置情報は、車上装置から列車制御情報の1つとして頻繁に地上装置に送信されている。CBTC制御部5bでは、列車位置検知部5aで検知した列車位置に基づいて、列車1の運転速度や停止等の列車制御情報が生成される。更に、データベース5cには、各沿線無線機4−1,4−2,…,4−nと列車1に搭載された車上無線機のID(識別符号)、列車1の速度情報及び進路情報等が記憶されている。ここで、進路情報は、線路が分岐している場合に、位置情報だけでは近接の沿線無線機が設置された進路と進路方向が異なる場合があるので、線路の分岐への対策に用いる。
図1(b)に示すように、本例では、列車1の先頭車両1aに車上装置6、最後尾の車両1bに車上装置7が搭載されている。車上装置6には車上無線機8−1,8−2とデータベース9が設けられ、車上装置7には車上無線機8−3,8−4が設けられている。これら車上装置6と車上装置7は、互いにデータ通信を行うようになっており、データベース9を共有している。このデータベース9には、地上装置5のデータベース5cと同様なデータ、すなわち、各沿線無線機4−1,4−2,…,4−nと列車1に搭載された車上無線機のID(識別符号)、列車1の速度情報及び進路情報等が記憶されている。車上無線機8−1,8−2は、列車1の進行方向(前方)に向かって指向性を有するアンテナ8−1a,8−2aに接続され、車上無線機8−3,8−4は、列車1の進行方向と逆方向(後方)に向かって指向性を有するアンテナ8−3b,8−4bに接続される。そして、車上無線機8−1,8−2と列車1の前方の沿線無線機との間で汎用無線通信により情報の授受を行い、車上無線機8−3,8−4と列車1の後方の沿線無線機との間で汎用無線通信により情報の授受を行う。
車上無線機8−1〜8−4と沿線無線機4−1,4−2,…,4−nには、国際的に規格化された汎用の無線帯域である、例えばISM(Industry Science Medical band)バンドと呼ばれる2.4GHz帯を用いる汎用無線機が利用される。そして、各車上無線機8−1〜8−4と列車1に近接した沿線無線機とが1対1の関係で通信を確立し、情報の授受を行う。また、各車上無線機8−1〜8−4と各沿線無線機4−1,4−2,…,4−nはそれぞれ自己診断機能を有し、自己診断した無線機の状態情報、すなわち正常に動作しているか故障しているかの情報を、データベース5c,9に記憶することで、地上装置5と車上装置6,7間で共有している。
車上装置6,7は、列車1の移動に伴って各車上無線機8−1〜8−4と通信相手となる各沿線無線機4−1,4−2,…,4−nの通信状態を順次切り替えるハンドオーバを行う。ハンドオーバは、列車1の移動により各車上無線機8−1〜8−4が沿線無線機4−1,4−2,…,4−nに近接したときに、沿線無線機の位置で行う。この際、ハンドオーバは、車上装置6,7の少なくとも一台の車上無線機と、地上の少なくとも一台の沿線無線機との通信を確立した状態で行う。
ハンドオーバ時以外では、地上装置5は、列車1の車上無線機8−1〜8−4から無線送信された列車位置情報を、沿線無線機4−1,4−2,…,4−nのうち列車1に近接した四台の沿線無線機により4経路で取得し、列車位置検知部5aで列車位置を検知する。そして、検知した列車位置に基づき、CBTC制御部5bで列車制御情報を生成し、上述した4経路を介して四台の沿線無線機から各車上無線機8−1〜8−4に無線送信する。これら4経路で送信される電文は基本的には同一のもので、通信経路に冗長性を持たせている。車上装置6,7は、車上無線機8−1〜8−4で受信した列車制御情報に基づき列車1を制御する。先行列車と後続列車の列車位置情報を取得した場合には、地上装置5により先行列車の列車位置情報に基づいて後続列車の走行を制御し、両列車の間隔を移動閉塞方式によって制御する。
車上無線機8−1〜8−4及び沿線無線機4−1,4−2,…,4−nはそれぞれ、図2に無線機10で表すように、RFモジュール11と制御ボード12で構成されている。そして、RFモジュール11は、アンテナANTを介して異なる周波数で列車情報を送受信する複数台の汎用無線機(送受信回路)を備えている。
RFモジュール11は、図3に示すように、本例では異なる周波数チャネルの二台の汎用無線機13,14とFPGA(Field Programmable Gate Array)29で構成されている。汎用無線機13は送信機18と受信機19で構成され、汎用無線機14は送信機22と受信機23で構成される。また、汎用無線機13,14とアンテナANTとの間には、これらの汎用無線機13,14を選択的に切り替える切替回路(切替手段)26が設けられている。
上記二台の汎用無線機13,14は、FPGA29によってアクティブ状態(動作状態)とスタンバイ状態(待機状態)が制御される。スタンバイ状態の汎用無線機13または14には、ハンドオーバ先のIDや周波数が事前に設定され、アクティブ状態に切り替えられたときの準備をしている。切替回路26は、FPGA29の制御によって選択的に切り替えられる。これによって、ハンドオーバは、切替回路26による汎用無線機13,14の選択的な切り替えで実行できる。
スタンバイ状態の汎用無線機13または14は、自己診断を行うようになっており、自己診断した無線機の状態情報、すなわち正常に動作しているか故障しているかの情報を地上装置5と車上装置6,7間で共有するように定周期で送り合っている。この状態情報は、例えば車上装置で故障状態を集約して地上装置に送信される。例えば、車上装置と地上装置間において列車制御情報を定周期で送りあっているので、その中に自己診断した無線機の状態情報を入れるようにしても良い。
汎用無線機13の自己診断は、切替回路26により、送信機18から出力される電文(テスト信号)が受信機19に入力される状態に切り替えられて実行される。受信機19で受信されたテスト信号は、FPGA29に入力されて検証され、検証結果が無線機の状態情報として送信機18から定周期で送信される。
同様に、汎用無線機14の自己診断は、切替回路26により、送信機22から出力される電文(テスト信号)が受信機23に入力される状態に切り替えられて実行される。受信機23で受信されたテスト信号は、FPGA29に入力されて検証され、検証結果が無線機の状態情報として送信機22から定周期で送信される。
このように、自己診断時に、送信機18,22から出力されるテスト信号を受信機19,23で受信してFPGA29で検証することで、汎用無線機13,14が正常に動作しているか故障しているかを検査できる。この自己診断の際には、電文を外部に出力しないので、列車情報や状態情報の通信が妨害されることはない。
次に、上記のような構成において、図4の模式図によりハンドオーバ時の動作について説明する。
まず、図4(a)に示すように、車上無線機8−1と沿線無線機4−1、車上無線機8−2と沿線無線機4−2が通信を行っている状態から、列車1が矢印方向に移動するものと仮定する。車上無線機8−1と沿線無線機4−1は、例えば図3の汎用無線機13同士で通信を行い、車上無線機8−2と沿線無線機4−2は、例えば図3の汎用無線機14同士で、汎用無線機14とは異なる周波数で通信を行っているものとする。アクティブ状態の汎用無線機13または14による無線通信では、バックボーンからの電文を相手無線機へ送信し、相手無線機からの電文をバックボーンへ送信する。
なお、この通信状態では、車上無線機8−1と沿線無線機4−1の汎用無線機14はスタンバイ状態にあり、車上無線機8−2と沿線無線機4−2の汎用無線機13もスタンバイ状態にある。これらスタンバイ状態の車上無線機8−1,8−2と沿線無線機4−1,4−2の汎用無線機14,13には、次にハンドオーバする、あるいはハンドオーバしてくる相手無線機のIDと周波数チャネルを予め設定しておく。設定の指示は、バックボーンの装置(沿線無線機の場合には地上装置、車上無線機の場合には車上装置)から受信する。
図4(b)に示すように、列車1が移動して沿線無線機4−1,4−2間の区間A1に進入すると、破線で示すように車上無線機8−1が沿線無線機4−3にハンドオーバし、車上無線機8−3が沿線無線機4−1にハンドオーバする。これによって、車上無線機8−1と沿線無線機4−3、及び車上無線機8−3と沿線無線機4−1が通信を確立する。この際、実線で示すように車上無線機8−2と沿線無線機4−2は通信を確立した状態を維持している。
図4(c)に示すように、列車1が移動して沿線無線機4−2,4−3間の区間A2に進入すると、破線で示すように車上無線機8−2が沿線無線機4−4にハンドオーバし、車上無線機8−4が沿線無線機4−2にハンドオーバする。これによって、車上無線機8−2と沿線無線機4−4、及び車上無線機8−4と沿線無線機4−2が通信を確立する。この際、実線で示すように車上無線機8−1と沿線無線機4−3、及び車上無線機8−3と沿線無線機4−1は通信を確立した状態を維持している。
以後は、列車1の移動に伴って、次の区間A3,…に進入する毎に、図4(c)と同様なハンドオーバを繰り返す。
このように、列車1の移動によるハンドオーバを、車上無線機の少なくとも一台(通常は二台)と沿線無線機の少なくとも一台(通常は二台)との通信を確立した状態で行うことで、通信状態を維持しつつ無線通信のシームレスな切り替えができ、安定性と信頼性の高い通信を行うことができる。
次に、上述した図4のハンドオーバ時の動作について、図5のフローチャートにより詳しく説明する。図5では、車上装置側の動作を示しているが、地上装置側でも同様な動作が行われる。まず、列車1の位置情報と速度プロファイルから列車の位置が算出され(ステップS1)、列車1がハンドオーバ位置(地上装置)に接近したか否かが判定される(ステップS2)。ハンドオーバ位置に接近したことが検知されるとハンドオーバの準備が行われる(ステップS3)。ステップS2でハンドオーバ位置に接近したことが検知されない場合には、検知されるまで待機する。
ハンドオーバの準備では、車上装置6,7は同じ側(先頭車両か最後尾の車両か)の他系(周波数が異なる)の車上無線機、例えば車上無線機8−1の場合には車上無線機8−2、車上無線機8−2の場合には車上無線機8−1、車上無線機8−3の場合には車上無線機8−4、車上無線機8−4の場合には車上無線機8−3がハンドオーバ中でないか否かが確認される(ステップS4)。ハンドオーバ中の場合にはハンドオーバが終了するまで待機し、ハンドオーバ中でなければ車上装置6,7はハンドオーバを行う側の車上無線機8−1または8−2と、車上無線機8−3または8−4に沿線無線機のIDと周波数チャネルを通知する(ステップS5)。
通知を受けた車上無線機は、スタンバイ状態の汎用無線機へ、沿線無線機のIDと周波数チャネルを設定する(ステップS6)。
次に、列車1がハンドオーバ位置を通過したか否か判定し(ステップS7)、ハンドオーバ位置を通過したことを検知すると車上装置は車上無線機に汎用無線機13,14の切り替え指示を出してハンドオーバを行う(ステップS8)。
切り替え指示を受けた車上無線機は、アクティブ状態の汎用無線機がアイドル(通信をしていない状態)しているか否かを確認する(ステップS9)。そして、アイドルでない(通信をしている)場合には、アイドルになるまで待機する。
アクティブ状態の汎用無線機がアイドルしている場合、もしくは待機後に、車上無線機はアクティブ状態の汎用無線機をスタンバイ状態に、スタンバイ状態の汎用無線機をアクティブ状態に切り替える(ステップS10)。
その後、車上無線機から車上装置に汎用無線機の切り替え完了を通知する(ステップS11)。
図6及び図7はそれぞれ、地上装置3−3(沿線無線機4−3)が故障していた場合のハンドオーバ時の動作を示している。
図6(a)に示すように、車上無線機8−1と沿線無線機4−1、車上無線機8−2と沿線無線機4−2が通信を行っている状態から、列車1が矢印方向に移動するものと仮定する。車上無線機8−1と沿線無線機4−1は、例えば図3の汎用無線機13同士で通信を行い、車上無線機8−2と沿線無線機4−2は、例えば図3の汎用無線機14同士で、汎用無線機14とは異なる周波数で通信を行っているものとする。アクティブ状態の汎用無線機13または14による無線通信では、バックボーンからの電文を相手無線機へ送信し、相手無線機からの電文をバックボーンへ送信する。この列車位置では、車上無線機8−1と沿線無線機4−1の汎用無線機14はスタンバイ状態にあり、車上無線機8−2と沿線無線機4−2の汎用無線機13もスタンバイ状態にある。
次に、図6(b)に示すように、列車1が移動して沿線無線機4−1,4−2間の区間A1に進入すると、車上無線機8−1がハンドオーバする。この際、自己診断によって検出された沿線無線機4−3の故障がデータベース5c,9に記憶されているので、地上装置5のCBTC制御部5bでは、沿線無線機4−3の故障をデータベース5cにより検知し、破線で示すように車上無線機8−1のハンドオーバ先を、より遠方に配置された沿線無線機4−4に設定する。また、破線で示すように車上無線機8−3をハンドオーバし、車上無線機8−3と沿線無線機4−1の通信を確立する。この際、実線で示すように車上無線機8−2と沿線無線機4−2は通信を確立した状態を維持している。
図7(a)に示すように、列車1が移動して沿線無線機4−2,4−3間の区間A2に進入すると、破線で示すように車上無線機8−2,8−4がハンドオーバし、車上無線機8−2と沿線無線機4−5、及び車上無線機8−4と沿線無線機4−2が通信を確立する。この際、実線で示すように車上無線機8−1と沿線無線機4−4、及び車上無線機8−3と沿線無線機4−1は通信を確立した状態を維持している。
続いて、図7(b)に示すように、列車1が移動して沿線無線機4−3,4−4間の区間A3に進入すると、ハンドオーバせずに車上無線機8−1と沿線無線機4−4、車上無線機8−2と沿線無線機4−5、車上無線機8−3と沿線無線機4−1、及び車上無線機8−4と沿線無線機4−2の通信状態を維持する。
以後は、列車1の移動に伴って、図4で説明したのと同様なハンドオーバを繰り返し、沿線無線機が故障していた場合には図6及び図7で説明したのと同様に、故障した沿線無線機を飛び越してハンドオーバを行う。
このように、沿線無線機が故障していた場合にも、列車1の移動によるハンドオーバを、車上無線機の少なくとも一台(通常は二台)と沿線無線機の少なくとも一台(通常は二台)との通信を確立した状態で行うことができる。この結果、通信状態を維持しつつ無線通信のシームレスな切り替えができ、安定性と信頼性の高い通信を行うことができる。
上記のような構成によれば、列車位置をハンドオーバのトリガにして、列車位置によってハンドオーバを制御し、地上と車上で列車位置を共有することで、ハンドオーバのタイミングが一意に決まり、ピンポン現象の対策となる。また、速度情報を地上と車上で共有することで、位置情報の更新が中断しても位置を推定可能である。
更に、データベースに全ての無線機(車上無線機と沿線無線機)のIDを記憶しておき、ハンドオーバ後に通信を行う無線機の情報を沿線無線機と車上無線機共に事前に設定することで、ハンドオーバにかかる時間を短縮することができる。すなわち、データベースにハンドオーバに必要な全通信相手の諸情報を格納しておくことで、地上−車上間での通信の確立を高速化できる。加えて、速度情報を地上と車上で共有することで、無線機IDを事前に設定するタイミングを計ることが可能である。しかも、ハンドオーバ位置でハンドオーバさせる車上無線機の数を最小限に抑えることができる。
なお、上記実施形態では、一台の沿線無線機が故障した場合のハンドオーバの動作について説明したが、車上無線機との間で通信を確立できれば、複数台の沿線無線機が連続して故障している場合にも同様な切り替えが実行できる。
複数台の沿線無線機が連続して故障して通信を確立できない場合には、少なくとも一台の車上無線機と、少なくとも一台の沿線無線機との通信を確立した状態でハンドオーバを行う動作は中止し、複数台の車上無線機で通信可能な沿線無線機を探して通信するようにしても良い。
また、列車の先頭と最後尾の車両に二台ずつの車上無線機を設ける例について説明したが、列車の先頭と最後尾の車両に限られないのは勿論であり、列車の前方の車両にのみ二台の車上無線機を設けてもよく、後方の車両にのみ二台の車上無線機を設けてもよい。また、列車の前後に一台ずつ車上無線機を設けても、一方の車上無線機と一台の沿線無線機との通信を確立した状態でハンドオーバを行うことで同様な作用効果が得られる。
更に、列車の先頭車両と最後尾の車両の少なくとも一方に三台以上の車上無線機をそれぞれ設け、これらの車上無線機を順次切り替えて使ってもよい。この場合にも、一方の車上無線機と一台の沿線無線機との通信を確立した状態でハンドオーバを行うことで、同様な作用効果が得られる。勿論、一台を故障時の予備に用いるようにしてもよい。
以上の実施形態で説明された回路構成や動作手順等については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。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。
1…列車、2…軌道、4−1〜4−n…沿線無線機(無線基地局)、5…地上装置、5a…列車位置検知部、5b…CBTC制御部、5c…データベース、6,7…車上装置、8−1〜8−4…車上無線機、9…データベース、11…RFモジュール、12…制御ボード、13,14…汎用無線機、26…切替回路(切替手段)

Claims (7)

  1. 列車の軌道に沿った無線基地局と、列車に搭載された車上装置との間で無線通信を行って列車を制御するシステムであって、
    各無線基地局と車上装置に、異なる周波数で情報を送受信する複数の汎用無線機を設け、
    列車の移動によるハンドオーバを、前記汎用無線機間で通信を確立した状態で行い、通信を確立していない他系がアイドル中のときに切り替える、無線列車制御システム。
  2. 前記複数の汎用無線機を選択的に切り替える切替手段を更に具備し、前記車上装置における待機状態の汎用無線機をハンドオーバさせて通信を行う場合に、前記切替手段により当該待機状態の汎用無線機を動作状態、動作状態の汎用無線機を待機状態に切り替える、ことを特徴とする請求項1に記載の無線列車制御システム。
  3. 前記列車の移動によるハンドオーバが、前記車上装置の汎用無線機と通信状態にある前記無線基地局に近接した、別の無線基地局の少なくとも一台の汎用無線機と通信を確立するものである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の無線列車制御システム。
  4. 前記近接した無線基地局の少なくとも一台の汎用無線機との通信が確立できない場合に、より遠方に配置された無線基地局の少なくとも一台の汎用無線機と通信を行う、ことを特徴とする請求項3に記載の無線列車制御システム。
  5. 前記車上装置における待機状態の汎用無線機をハンドオーバさせて通信を行う場合に、列車の位置をトリガにしてハンドオーバを制御する、ことを特徴とする請求項1乃至4いずれか1つの項に記載の無線列車制御システム。
  6. 前記車上装置における待機状態の汎用無線機をハンドオーバさせて通信を行う場合に、汎用無線機に列車の位置情報、進路情報及び速度情報の少なくともいずれか1つを与えて車上装置と各無線基地局で情報を共有する、ことを特徴とする請求項1乃至5いずれか1つの項に記載の無線列車制御システム。
  7. 前記無線基地局と前記車上装置にそれぞれ設けた複数の汎用無線機の識別符号を記憶したデータベースを更に具備する、ことを特徴とする請求項1乃至6いずれか1つの項に記載の無線列車制御システム。
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