JP7024035B1

JP7024035B1 - 車上装置

Info

Publication number: JP7024035B1
Application number: JP2020178538A
Authority: JP
Inventors: 淳史關
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: JP2022069732A

Abstract

【課題】地上子を検出する車上装置において、地上子とノイズとの判別性を高める新たな技術を提供すること。【解決手段】車上装置１０は、受信回路２４の受信信号の振幅周波数特性を解析するＦＦＴ部２０２と、振幅周波数特性に基づき、各周波数成分の振幅の平均値とＱ値との比率から同一周波数ノイズを受信したことを示す第１指標値の算出、及び、各周波数成分の振幅の標準偏差からランダム周波数ノイズを受信したことを示す第２指標値の算出を行う統計処理部２０８と、第１指標値が否定値であり、且つ、第２指標値が否定値であることに基づいて、地上子３０の検出を判定する地上子検出部２１０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、地上子を検出する車上装置に関する。

自動列車停止装置（ＡＴＳ：Automatic Train Stop装置）は、車上側が地上子を検出して列車制御を行う装置である。ＡＴＳ装置は、おおまかに、変周式及びトランスポンダ式の２種類に分類される。変周式ＡＴＳ装置は、車上子から所定の周波数の信号を送信し、車上子が地上子と電磁結合したときにこの周波数が地上子の共振周波数に変周される現象を利用して地上子を検出する。変周式ＡＴＳ装置には、地上子がとり得る複数の共振周波数でなる合成波信号を用いることで同時に複数の共振周波数を検出可能とし、地上から取得する情報量を増やした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４７２３３８２号公報

ＡＴＳ装置は、き電や車両機器等からの多くの電磁ノイズに曝されている環境の中で確実に地上子を検出することが求められている。変周式ＡＴＳ装置の車上装置における地上子の検出は、通常、受信信号の周波数スペクトルにおけるピークを検出することで行っている。

複数の共振周波数の合成波信号を利用するＡＴＳ装置の場合、１つの共振周波数当たりの出力パワーが弱くなることから、周波数スペクトルにおけるピークが、地上子との電磁結合によるものか受信信号に混入したノイズによるものかの判別が難しく、地上子検出の信頼性が低くなるという問題があった。合成波信号の出力パワーを増加させる方策も考えられるが、装置が大型化すること、近年求められている省エネに対して逆行すること等の理由から、好ましい方策ではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、地上子を検出する車上装置において、地上子とノイズとの判別性を高める新たな技術を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
合成波信号を送信する送信回路と、所定の共振回路を有する地上子に接近した場合に当該共振回路に応じた信号が誘起される受信回路とを備え、前記受信回路の受信信号に基づいて前記地上子を検出する車上装置であって、
前記受信信号の振幅周波数特性を解析する解析手段（例えば、図１のＦＦＴ部２０２）と、
前記振幅周波数特性に基づく同一周波数ノイズを受信したことを示す第１指標値の算出と、前記振幅周波数特性に基づくランダム周波数ノイズを受信したことを示す第２指標値の算出とを行う統計処理手段（例えば、図１の統計処理部２０８）と、
前記第１指標値が否定値であり、且つ、前記第２指標値が否定値であることに基づいて、地上子の検出を判定する検出手段（例えば、図１の地上子検出部２１０）と、
を備える車上装置である。

第１の発明によれば、地上子を検出する車上装置において、地上子とノイズとの判別性を高め、地上子の検出の信頼性を高めることができる。つまり、詳細を後述するように、車上装置が地上子に接近したときに車上子の受信回路に誘起される受信信号と、ノイズを受信したときに受信回路に誘起される受信信号とは、その振幅周波数特性（周波数スペクトル）が異なる。このことを利用して、受信信号の振幅周波数特性に基づいてノイズを受信したことを示す指標値を算出し、その指標値に基づいて地上子に接近したのかノイズを受信したのかを判別することにより、車上装置における地上子の検出の信頼性を高め、その結果、ＡＴＳ装置の安全性を高めることができる。

第２の発明は、第１の発明において、
前記解析手段により解析された振幅周波数特性にローパスフィルタ処理を施すフィルタ処理手段（例えば、図１のフィルタ部２０４）、
を更に備え、
前記統計処理手段は、前記ローパスフィルタ処理後の前記振幅周波数特性に基づいて前記第１指標値の算出および前記第２指標値の算出を行う、
車上装置である。

第２の発明によれば、ローパスフィルタ処理を施すことで、ランダム周波数ノイズの受信時の振幅周波数特性における各周波数成分の振幅の時間変動を抑制することができる。

第３の発明は、第２の発明において、
前記振幅周波数特性に基づいてＱ値を算出する手段（例えば、図１のＱ値算出部２０６）、
を更に備え、
前記統計処理手段は、前記振幅周波数特性に基づく各周波数成分の振幅の平均値と、前記Ｑ値との比率から前記第１指標値を算出する、
車上装置である。

第３の発明によれば、第１指標値を、各周波数成分の振幅の平均値とＱ値との比率から算出することができる。つまり、地上子への接近時と同一周波数ノイズの受信時とのそれぞれの振幅周波数特性を比較すると、各周波数成分の振幅の平均値は地上子への接近時のほうが大きく、Ｑ値は同一周波数ノイズの受信時のほうが大きい。従って、例えば、各周波数成分の振幅の平均値に対するＱ値の比率は、同一周波数ノイズの受信時には、地上子への接近時に比較して小さくなる。このように、地上子への接近時を基準として、各周波数成分の振幅の平均値とＱ値との比率から、同一周波数ノイズを受信したことを示す第１の指標値を算出することができる。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、
前記統計処理手段は、前記振幅周波数特性に基づく各周波数成分の振幅の標準偏差から前記第２指標値を算出する、
車上装置である。

第４の発明によれば、第２指標値を、振幅周波数特性に基づく各周波数成分の振幅の標準偏差から算出することができる。つまり、ランダム周波数ノイズの受信時の振幅周波数特性における各周波数成分の振幅は時間変動するが、ローパスフィルタ処理を施してその時間変動を抑制した上で、地上子への接近時とランダム周波数ノイズの受信時とのそれぞれの振幅周波数特性を比較すると、各周波数成分の振幅の標準偏差は、ランダム周波数ノイズの受信時のほうが小さくなる。このように、地上子への接近時を基準として、各周波数成分の振幅の標準偏差から、ランダム周波数ノイズを受信したことを示す第２の指標値を算出することができる。

車上装置の構成例。地上子接近時の受信信号の振幅周波数特性の一例。同一周波数ノイズの受信時の振幅周波数特性の一例。ランダム周波数ノイズの受信時の振幅周波数特性の一例。統計処理の説明図。判定テーブルの一例。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態の一例について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。

図１は、本実施形態の車上装置１０の構成を示すブロック図である。この車上装置１０は、変周式ＡＴＳ装置の車上装置であり、地上子３０に接近したときに車上子２０で受信された受信信号に基づいて地上子３０を検出する。地上子３０は、所定の共振周波数で共振する共振回路を有する。この共振回路を構成するインダクタＬやコンデンサＣを切り替えることで、地上子３０の共振周波数を切り替えることができる。これらの共振周波数それぞれには、列車制御情報（停止現示や進行現示等）が対応付けて定められている。

車上装置１０は、車上子２０と、合成波生成部１００と、ＦＦＴ部２０２と、フィルタ部２０４と、Ｑ値算出部２０６と、統計処理部２０８と、地上子検出部２１０とを有し、データとして判定テーブル２１２を記憶して構成されている。

車上子２０は、送信コイルを有する送信回路２２と、受信コイルを有する受信回路２４とを備える。送信コイル及び受信コイルは、互いに弱く電磁結合した状態となるように配置されている。

合成波生成部１００は、複数の共振周波数に対応した周波数の信号を合成（重畳）した合成波信号を生成し、生成した合成波信号を車上子２０の送信回路２２へ出力する。つまり、共振周波数が異なる複数の地上子３０がレールに沿って設けられており、これらの各地上子３０の共振周波数が変周可能な周波数帯域を含む広い周波数帯域の信号を、合成波信号として生成する。送信回路２２の送信コイルと受信回路２４の受信コイルとは弱く電磁結合している状態であるから、列車が地上子３０に接近していないときは、受信回路２４には、送信回路２２が送信する合成波信号の周波数成分に応じた信号が誘起され、合成波信号の一部が受信信号として受信される。そして、列車が地上子３０に接近して車上子２０が地上子３０と電磁結合すると、地上子３０の共振周波数に応じた信号が受信回路２４に誘起されて受信信号として受信される。

ＦＦＴ部２０２は、車上子２０の受信回路２４で受信された受信信号に対するＦＦＴ演算処理を行って、受信信号の振幅（レベル）についての周波数特性である振幅周波数特性（周波数スペクトル）を解析する。フィルタ部２０４は、ＦＦＴ部２０２により解析された振幅周波数特性にローパスフィルタ処理を施す。Ｑ値算出部２０６は、フィルタ部２０４を介して入力される、ＦＦＴ部２０２による振幅周波数特性の解析結果に基づいてＱ値を算出する。統計処理部２０８は、フィルタ部２０４を介して入力される、ＦＦＴ部２０２による振幅周波数特性の解析結果に対する統計処理を行い、その結果及びＱ値算出部２０６により算出されたＱ値に基づきノイズを受信したことを示す指標値を算出する。地上子検出部２１０は、統計処理部２０８により算出された指標値に基づき、地上子３０の検出を判定する。

車上装置１０は、車上子２０が地上子３０と電磁結合していないときは送信信号の一部を受信信号として受信しており、地上子３０との電磁結合による受信信号の変化（例えば、レベルや周波数の変化）から地上子３０を検出する。しかし、受信信号には、き電や車両機器からの様々な電磁ノイズが混入し得る。本実施形態では、受信信号のＱ値及び統計処理の結果に基づくことで、受信信号の変化が、地上子３０への接近によるものかノイズの混入によるものかを判別して、地上子３０を検出することができる。

詳細に説明する。先ず、ＦＦＴ部２０２により解析される受信信号の振幅周波数特性の一例を図２～図４に示す。

図２は、地上子３０に接近して車上子２０と地上子３０とが電磁結合している状態における受信信号の振幅周波数特性の一例である。なお、受信信号はノイズが混入していない理想的な信号であるとする。横軸は周波数ｆ、縦軸は振幅Ｖである。図２に示すように、振幅周波数特性は、地上子３０の共振周波数ｆ_０において振幅が最大（ピーク）となり、共振周波数ｆ_０から離れるに従って徐々に減少する形状となる。この共振周波数ｆ_０における最大振幅Ｖ_０から３ｄＢ小さい振幅（＝Ｖ_０／√２）での周波数（遮断周波数）ｆ_ｄ１，ｆ_ｄ２から、次式（１）に基づいてＱ値が求められる。
Ｑ＝ｆ_０／（ｆ_ｄ２－ｆ_ｄ１）・・（１）

なお、ＦＦＴ部２０２が行うＦＦＴ演算処理は離散フーリエ変換であり、且つ、受信信号のサンプリング間隔等の影響もあるため、ＦＦＴ演算処理の結果として得られる周波数特性は、周波数分解能ｆ_Ｒに応じた離散値となる。

受信信号に混入するノイズには、振幅周波数特性に現れる特徴の違いから、次の２種類に大別される。１つ目は、特定の周波数にピークが現れる同一周波数ノイズであり、２つ目は、ランダムにピークが現れるランダム周波数ノイズである。

図３は、車上子２０が地上子３０に接近しておらず、同一周波数ノイズが混入した受信信号の振幅周波数特性の一例である。横軸は周波数ｆ、縦軸は振幅Ｖである。図３に示すように、同一周波数ノイズが混入した受信信号の振幅周波数特性は、特定周波数（図３では、周波数ｆ_Ｎ１、ｆ_Ｎ２の二つ）に振幅のピークが現れ、特定周波数以外の周波数では小さい振幅となる。そのピークは、地上子３０への接近時の振幅周波数特性（図２参照）と比較して鋭いピークとなる。また、ピークが発生する特定周波数は、そのノイズの発生源によって決まり、一時的であるもののある程度の時間連続してピークが現れる。この同一周波数ノイズが混入した受信信号においても、同様にＱ値を算出することができる。複数のピークが現れる場合には、例えば、Ｑ値算出部２０６は、振幅が最も大きいピークについてＱ値を算出する。

図４は、車上子２０が地上子３０に接近しておらず、ランダム周波数ノイズが混入した受信信号の振幅周波数特性の一例である。分かり易くするために図４の振幅を拡大して示している。図４の左側はある時刻ｔ１における振幅周波数特性を示し、図４の右側は時刻ｔ１の直後の別の時刻ｔ２における振幅周波数特性を示している。時間断面における振幅周波数特性を示しているが、実際には、ホワイトノイズのように時間変化を平均すると各周波数の信号振幅は略均等になる振幅である。何れも、横軸は周波数ｆ、縦軸は振幅Ｖである。図４に示すように、ランダム周波数ノイズが混入した受信信号の振幅周波数特性は、各周波数成分の振幅は比較的小さい振幅であるものの時間経過に応じて変動する要素がある。従って、受信信号の振幅周波数特性に対してフィルタ部２０４によるローパスフィルタ処理を施すことで、各周波数成分の振幅値の時間変動が抑制された振幅周波数特性が得られる。その振幅周波数特性は、地上子への接近時の振幅周波数特性（図２参照）と比較して、鈍いピークが現れることとなる。このランダム周波数ノイズが混入した受信信号においても、同様にＱ値を算出することができる。例えば、Ｑ値算出部２０６は、最も大きい振幅をピークとみなしてＱ値を算出する。

次に、統計処理部２０８による統計処理を説明する。図５は、振幅周波数特性に対する統計処理を説明する図である。図５では、振幅周波数特性として、地上子３０への接近時の振幅周波数特性を例示している。図５に示すように、各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの平均値Ｘ、及び、標準偏差σを算出する。そして、算出した平均値ＸとＱ値算出部２０６により算出されるＱ値との比率（Ｘ／Ｑ）を第１指標値とし、算出した標準偏差σを第２指標値とする。

つまり、統計処理部２０８は、フィルタ部２０４によるローパスフィルタ処理後の振幅周波数特性に基づいて、振幅周波数特性に基づく同一周波数ノイズを受信したことを示す第１指標値を、振幅周波数特性に基づく各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘの平均値ＸとＱ値との比率（Ｘ／Ｑ）から算出し、振幅周波数特性に基づくランダム周波数ノイズを受信したことを示す第２指標値を、振幅周波数特性に基づく各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの標準偏差σから算出する。

すなわち、地上子３０への接近時の受信信号の振幅周波数特性（図２参照）と、同一周波数ノイズが混入した受信信号の振幅周波数特性（図３参照）とを比較すると、各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの平均値Ｘは、地上子３０への接近時のほうが大きく、Ｑ値は、同一周波数ノイズの混入時のほうが大きい。また、各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの標準偏差σは、ほぼ同程度となる。

また、地上子３０への接近時の受信信号の振幅周波数特性（図２参照）と、ランダム周波数ノイズが混入した受信信号の振幅周波数特性（図４参照）とを比較すると、各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの平均値Ｘは、ランダム周波数ノイズの混入時のほうが大きく、Ｑ値は、地上子３０への接近時のほうが大きい。また、各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの標準偏差σは、地上子３０との結合時のほうが大きい。

従って、平均値ＸとＱ値との比率（Ｘ／Ｑ）は、地上子３０への接近時を基準とすると、同一周波数ノイズの混入時は小さくなり、ランダム周波数ノイズの混入時は小さいか同程度となることから、小さい場合には同一周波数ノイズを受信したことを示す第１指標値となる。また、標準偏差σは、地上子３０への接近時を基準とすると、同一周波数ノイズの混入時は同程度であり、ランダム周波数ノイズの混入時は小さくなることから、これは、小さい場合にはランダム周波数ノイズを受信したことを示す第２指標値となる。

地上子検出部２１０は、統計処理部２０８により算出された指標値に基づいて、地上子３０を検出する。つまり、判定テーブル２１２に従って、第１指標値である各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの平均値ＸとＱ値の比率（Ｘ／Ｑ）が、同一周波数ノイズを受信したことを示すか否かを判定する。また、第２指標値である各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの標準偏差σが、ランダム周波数ノイズを受信したことを示すか否かを判定する。そして、第１指標値が同一周波数ノイズを受信していないことを示す否定値であり、且つ、第２指標値がランダム周波数ノイズを受信していないことを示す否定値である場合に、地上子の検出を判定する。

図６に、判定テーブル２１２の一例を示す。同図に示すように、判定テーブル２１２では、第１指標値を所定の閾値と比較することによって、同一周波数ノイズを受信したことを示すか否かを定めているとともに、第２指標値を所定の閾値と比較することによって、ランダム周波数ノイズを受信したことを示すか否かを定めている。これらの閾値は、地上子３０への接近時の受信信号の振幅周波数特性から求められるＱ値、各周波数成分ｆ_ｉの振幅ｘ_ｉの平均値Ｘ及び標準偏差σに基づいて予め定められる。

［作用効果］
このように、本実施形態によれば、地上子３０を検出する車上装置１０において、地上子３０とノイズとの判別性を高め、地上子３０の検出の信頼性を高めることができる。つまり、車上装置１０が地上子３０に接近したときに車上子２０の受信回路２４に誘起される受信信号と、ノイズが混入した信号を受信したときに受信回路２４に誘起される受信信号とは、その振幅周波数特性（周波数スペクトル）が異なる。このことを利用して、受信信号の振幅周波数特性に基づいてノイズを受信したことを示す指標値を算出し、その指標値に基づいて地上子３０に接近したのかノイズを受信したのかを判別することにより、車上装置１０における地上子３０の検出の信頼性を高め、その結果、ＡＴＳ装置の安全性を高めることができる。

［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

１０…車上装置
１００…合成波生成部
２０２…ＦＦＴ部
２０４…フィルタ部
２０６…Ｑ値算出部
２０８…統計処理部
２１０…地上子検出部
２０…車上子
２２…送信回路
２４…受信回路
３０…地上子

Claims

合成波信号を送信する送信回路と、所定の共振回路を有する地上子に接近した場合に当該共振回路に応じた信号が誘起される受信回路とを備え、前記受信回路の受信信号に基づいて前記地上子を検出する車上装置であって、
前記受信信号の振幅周波数特性を解析する解析手段と、
連続的に同一周波数に振幅のピークが表れるノイズである前記振幅周波数特性に基づく同一周波数ノイズを受信したことを示す第１指標値の算出と、各周波数の振幅が変動するホワイトノイズに模したノイズである前記振幅周波数特性に基づくランダム周波数ノイズを受信したことを示す第２指標値の算出とを行う統計処理手段と、
前記第１指標値が否定値であり、且つ、前記第２指標値が否定値であることに基づいて、地上子の検出を判定する検出手段と、
を備える車上装置。
前記解析手段により解析された振幅周波数特性にローパスフィルタ処理を施すフィルタ処理手段、
を更に備え、
前記統計処理手段は、前記ローパスフィルタ処理後の前記振幅周波数特性に基づいて前記第１指標値の算出および前記第２指標値の算出を行う、
請求項１に記載の車上装置。
前記振幅周波数特性に基づいてＱ値を算出する手段、
を更に備え、
前記統計処理手段は、前記振幅周波数特性に基づく各周波数成分の振幅の平均値と、前記Ｑ値との比率から前記第１指標値を算出する、
請求項２に記載の車上装置。
前記統計処理手段は、前記振幅周波数特性に基づく各周波数成分の振幅の標準偏差から前記第２指標値を算出する、
請求項２又は３に記載の車上装置。