JP7846571B2 - Ground-based sensor detection device - Google Patents
Ground-based sensor detection deviceInfo
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Description
特許法第30条第2項適用 令和3年11月1日にウェブサイト掲載 令和3年11月1日に論文集CD発行Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act. Published on the website on November 1, 2021. Collection of papers on CD published on November 1, 2021.
本発明は、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出装置に関するものである。 This invention relates to a ground beacon detection device for detecting ground beacons having a resonant frequency at one of a plurality of predetermined frequencies from a moving railway vehicle.
例えば、鉄道の保安性向上のために使用されている自動列車停止装置(ATS)では、線路に沿って設置された地上子を検出するために、従来、変周式のものが多く採用されている。変周式のATSでは、車上側において、車上子(二重の巻線が疎結合されたコイル)によって帰還ループを構成した発振回路が常時発振しており、地上子(コイル+コンデンサ)と車上子とが近接したときに、電磁的な結合が生じる。この際、車上側の発振周波数が、地上子で定まる共振周波数へと変化する原理(変周)を用いて、停止現示などの情報として利用するものである。このような変周式の方法は、アナログ回路を多く用いていることから、部品供給性や設計再現性などに難があり、別の方法が模索されていた。 For example, in automatic train stop (ATS) systems used to improve railway safety, frequency-variable type systems have traditionally been employed to detect ground beacons installed along the tracks. In frequency-variable ATS systems, an oscillator circuit, consisting of a train-mounted beacon (a coil with loosely coupled double windings) forming a feedback loop, constantly oscillates. Electromagnetic coupling occurs when the ground beacon (coil + capacitor) and the train-mounted beacon are in close proximity. At this point, the oscillation frequency of the train-mounted beacon changes to a resonant frequency determined by the ground beacon (frequency variation), which is then used to generate information such as a stop indication. However, this frequency-variable method relies heavily on analog circuits, leading to difficulties in component supply and design reproducibility, and alternative methods have been sought.
そこで、特許文献1の装置は、デジタル化を図るために、スペクトラム信号を車上子より送信し、地上子から反射してくる周波数をFFT解析して、地上子の共振周波数を検知している。また、特許文献2の装置は、特許文献1の装置と類似した方法を採用し、消費電力を抑制しながら地上子の検知精度を向上させるものとなっている。更に、特許文献3の装置は、地上子の共振周波数近辺でスイープさせた送信波を一定周期で繰り返し送信し、その反射を受信する方法を用いており、特許文献4の装置は、検知対象の地上子周波数に加えて、それより低域側及び高域側の地上子周波数の複素相関値を算出することで、耐ノイズ性を高めた検知を行うものである。 Therefore, the device described in Patent Document 1, in order to achieve digitalization, transmits a spectrum signal from the on-board unit and detects the resonant frequency of the ground unit by performing FFT analysis on the frequency reflected from the ground unit. The device described in Patent Document 2 employs a method similar to that of Patent Document 1, improving the detection accuracy of ground units while suppressing power consumption. Furthermore, the device described in Patent Document 3 uses a method of repeatedly transmitting a swept transmission wave near the resonant frequency of the ground unit at a constant period and receiving the reflection. The device described in Patent Document 4 performs detection with enhanced noise immunity by calculating complex correlation values of ground unit frequencies at lower and higher frequencies in addition to the target ground unit frequency.
ここで、上述した特許文献1~3記載の発明は、何れも、地上子の周波数にのみ着目しているため、地上子の周波数と同一周波数のノイズまで誤って検知してしまい、信頼性に難がある。これに対し、特許文献4記載の発明は、耐ノイズ性を高めているものの、検知アルゴリズムが複雑化してしまう課題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡便なアルゴリズムを使用しながら、地上子検出の信頼性を高めることにある。
Here, the inventions described in Patent Documents 1 to 3 above all focus only on the frequency of the ground beacon, and therefore have reliability issues as they erroneously detect noise at the same frequency as the ground beacon. In contrast, the invention described in Patent Document 4 has improved noise immunity, but it has the problem of having a complex detection algorithm.
This invention was made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to improve the reliability of ground signal detection while using a simple algorithm.
(発明の態様)
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
(Aspects of the invention)
The following embodiments of the invention are illustrative of the configuration of the present invention and are described in separate sections to facilitate understanding of the diverse configurations of the present invention. Each section does not limit the technical scope of the present invention, and while taking into consideration the best mode for carrying out the invention, the technical scope of the present invention may also include modifications to some of the components of each section, such as substitution, deletion, or addition of other components.
(1)線路に沿って設置された、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出装置であって、互いに疎結合する1次コイル及び2次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子と、前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記1次コイルへ注入する送信処理部と、前記2次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出する周波数弁別部と、該周波数弁別部により抽出された前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出するスペクトル特徴抽出部と、前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出する地上子検出部と、を含む地上子検出装置。 (1) A ground beacon detection device for detecting a ground beacon installed along a railway track, having a resonant frequency of one of a plurality of predetermined frequencies, from a moving railway vehicle, comprising: a primary coil and a secondary coil that are loosely coupled to each other, and an on-board unit that electromagnetically couples with the ground beacon when in close proximity to the ground beacon; a transmission processing unit that injects a transmission wave of a discrete frequency spectrum containing a plurality of frequencies encompassing all of the plurality of predetermined frequencies at a frequency interval smaller than the frequency interval of the plurality of predetermined frequencies into the primary coil; a frequency discrimination unit that extracts the discrete frequency spectrum from a received wave received by the secondary coil; a spectral feature extraction unit that extracts a predetermined shape from a spectral waveform defined by the levels of each frequency component of the discrete frequency spectrum extracted by the frequency discrimination unit; and a ground beacon detection unit that detects the ground beacon according to the presence or absence of the predetermined shape.
本項に記載の地上子検出装置は、走行中の鉄道車両から地上子を検出するものであり、車上子、送信処理部、周波数弁別部、スペクトル特徴抽出部、及び地上子検出部を含んでいる。車上子は、互いに疎結合する1次コイル及び2次コイルを有してそれらの間で送受信を常時行っており、鉄道車両が走行しているときに、鉄道車両に取り付けられた車上子が線路近傍の地上子に近接すると、地上子と車上子とが電磁結合する。送信処理部は、離散周波数スペクトルを有する送信波を、車上子の1次コイルへと注入するものである。その送信波の離散周波数スペクトルは、検出対象の地上子が共振周波数として有している可能性のある複数の所定周波数の全てを包含する複数の周波数を、複数の所定周波数よりも小さい周波数間隔で含んでいる。 The ground beacon detection device described in this section detects ground beacons from a moving railway vehicle and includes a vehicle-mounted unit, a transmission processing unit, a frequency discrimination unit, a spectral feature extraction unit, and a ground beacon detection unit. The vehicle-mounted unit has a primary coil and a secondary coil that are loosely coupled to each other, and constantly transmits and receives signals between them. When the railway vehicle is in motion, if the vehicle-mounted unit approaches a ground beacon near the tracks, the ground beacon and the vehicle-mounted unit become electromagnetically coupled. The transmission processing unit injects a transmission wave having a discrete frequency spectrum into the primary coil of the vehicle-mounted unit. The discrete frequency spectrum of this transmission wave includes multiple frequencies that encompass all of the multiple predetermined frequencies that the ground beacon to be detected may have as its resonant frequency, at frequency intervals smaller than the multiple predetermined frequencies.
1次コイルへ注入される上記のような送信波は、1次コイルと疎結合している2次コイルにより受信される。周波数弁別部は、2次コイルが受信する受信波から、送信処理部により生成されたものと同じ周波数成分を有する離散周波数スペクトルを抽出する。また、スペクトル特徴抽出部は、そのようにして周波数弁別部により抽出された離散周波数スペクトルから、それらの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形を生成し、更にそのスペクトル波形から、予め定められた所定形状を抽出する。そして、地上子検出部は、スペクトル波形から抽出される所定形状の有無に応じて、地上子を検出するものである。 The transmission wave, as described above, injected into the primary coil is received by a secondary coil that is loosely coupled to the primary coil. The frequency discrimination unit extracts a discrete frequency spectrum from the received wave received by the secondary coil, containing the same frequency components as those generated by the transmission processing unit. The spectral feature extraction unit then generates a spectral waveform from the discrete frequency spectrum extracted by the frequency discrimination unit, defined by the levels of each frequency component, and further extracts a predetermined shape from this spectral waveform. Finally, the ground coil detection unit detects ground coils based on the presence or absence of the predetermined shape extracted from the spectral waveform.
ここで、上記のように地上子と車上子とが電磁結合すると、各地上子が情報として有する複数の所定周波数のうちの何れかの周波数が、共振周波数として車上子へと伝達される。すなわち、車上子の2次コイルで受信される受信波に共振周波数が影響して、受信波に基づいて生成されるスペクトル波形に、地上子の共振周波数と同じ周波数成分のレベルが大きくなる形状が現れることになる。そこで、スペクトル特徴抽出部によってスペクトル波形から抽出する所定形状として、共振周波数でレベルが大きくなるような形状が設定されることで、その共振周波数を有する地上子に対して車上子が電磁結合したことが検出されるものである。これにより、スペクトル波形に現れる共振周波数が、レベルの大きさではなく波形の形状によって抽出されるため、単にレベルが大きいノイズの誤検出や、様々な要因による絶対レベルの変動の影響などが抑制されるものとなり、地上子検出の信頼性が高められるものである。しかも、スペクトル波形からの所定形状の抽出は、処理データの単純化などの工夫によって、比較的簡便なアルゴリズムが用いられて実現されるものである。 Here, when the ground coil and the on-board coil electromagnetically couple as described above, one of the multiple predetermined frequencies that each on-board coil holds as information is transmitted to the on-board coil as the resonant frequency. That is, the resonant frequency affects the received wave received by the on-board coil's secondary coil, and a shape appears in the spectral waveform generated based on the received wave where the level of the frequency component at the same frequency as the ground coil's resonant frequency is increased. Therefore, by setting a predetermined shape that increases in level at the resonant frequency as the shape extracted from the spectral waveform by the spectral feature extraction unit, it is detected that the on-board coil has electromagnetically coupled to a ground coil having that resonant frequency. As a result, since the resonant frequency appearing in the spectral waveform is extracted by the waveform shape rather than the magnitude of the level, false detection of simply high-level noise and the influence of absolute level fluctuations due to various factors are suppressed, thereby increasing the reliability of ground coil detection. Moreover, the extraction of the predetermined shape from the spectral waveform is achieved using a relatively simple algorithm through measures such as simplifying the processing data.
(2)上記(1)項において、前記送信処理部は、前記送信波を一定の電圧で前記1次コイルへ注入し、前記周波数弁別部は、抽出した前記離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、送信処理部が車上子の1次コイルへ送信波を注入する際に、一定の電圧で送信波を注入するものである。そして、周波数弁別部は、2次コイルの受信波から抽出した離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換するものである。このため、スペクトル特徴抽出部は、周波数弁別部によってレベル変換された離散周波数スペクトルに基づいて生成されるスペクトル波形から、所定形状を抽出することになる。これにより、送信波には存在しなかった周波数成分間の電圧差が、地上子との電磁結合によって受信波に現れるようになり、更に所定のレベル変換操作によって電圧差が増大する。従って、そのような電圧差がレベルで反映されたスペクトル波形からの所定形状の抽出が容易になり、地上子の検出精度が向上するものである。
(2) In the above item (1), the transmission processing unit injects the transmitted wave into the primary coil at a constant voltage, and the frequency discrimination unit performs level conversion on the extracted discrete frequency spectrum based on the received voltage of each frequency component.
The ground-based coil detection device described in this section injects the transmitted wave into the primary coil of the on-board coil at a constant voltage when the transmission processing unit injects the transmitted wave. The frequency discrimination unit then performs level conversion on the discrete frequency spectrum extracted from the received wave of the secondary coil based on the received voltage of each frequency component. Therefore, the spectral feature extraction unit extracts a predetermined shape from the spectral waveform generated based on the discrete frequency spectrum level-converted by the frequency discrimination unit. As a result, voltage differences between frequency components that were not present in the transmitted wave appear in the received wave due to electromagnetic coupling with the ground coil, and these voltage differences are further increased by the predetermined level conversion operation. Consequently, it becomes easier to extract a predetermined shape from the spectral waveform in which such voltage differences are reflected in the level, thereby improving the detection accuracy of the ground coil.
(3)上記(1)項において、前記離散周波数スペクトルは、前記車上子と前記地上子との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、送信処理部によって生成される送信波の離散周波数スペクトルや、周波数弁別部によって抽出される離散周波数スペクトルが、車上子と地上子との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有するものである。反共振周波数は、車上子と地上子との電磁結合時に、共振周波数よりも低域側にレベルが小さくなる形状で現れるため、地上子が有し得る複数の所定周波数の全てについて、共振周波数(所定周波数)よりも低域側の上記のような領域がカバーされるように、離散周波数スペクトルの帯域幅が設定される。そして、スペクトル特徴抽出部によって抽出される所定形状に、電磁結合時の反共振周波数の影響が現れた形状が含められることで、地上子とノイズとの識別がより明確になるため、地上子検出の信頼性がより高められるものである。
(3) In item (1) above, the ground coil detection device wherein the discrete frequency spectrum has a bandwidth that includes the anti-resonance frequency of the combined impedance when the on-board coil and the ground coil are electromagnetically coupled.
The ground coil detection device described in this section has a bandwidth that includes the anti-resonant frequency of the combined impedance during electromagnetic coupling between the on-board coil and the ground coil, in the discrete frequency spectrum of the transmitted wave generated by the transmission processing unit and the discrete frequency spectrum extracted by the frequency discrimination unit. Since the anti-resonant frequency appears as a lower level than the resonant frequency during electromagnetic coupling between the on-board coil and the ground coil, the bandwidth of the discrete frequency spectrum is set so that the above-mentioned region below the resonant frequency (predetermined frequency) is covered for all of the multiple predetermined frequencies that the ground coil may have. Furthermore, by including the shape showing the effect of the anti-resonant frequency during electromagnetic coupling in the predetermined shape extracted by the spectral feature extraction unit, the distinction between the ground coil and noise becomes clearer, and the reliability of ground coil detection is further enhanced.
(4)上記(3)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記所定形状として、前記反共振周波数から周波数高域側へ向かって、前記車上子と前記地上子との電磁結合時の共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状を抽出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部によってスペクトル波形から抽出される所定形状が、以下のようにより具体的に特定されるものである。すなわち、所定形状として、比較的低レベルの反共振周波数から周波数高域側へ向かって、共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状が設定される。これにより、レベルが反共振周波数から共振周波数まで大きく上昇した後に下降するという、地上子との電磁結合時に現れる特徴的な形状が設定されるため、ノイズとの切り分けが益々容易になり、地上子がより精度よく検出されるものである。
(4) In the above item (3), the spectral feature extraction unit extracts a predetermined shape in which the level rises from the anti-resonance frequency toward the high-frequency side to the resonant frequency at the time of electromagnetic coupling between the on-board unit and the ground unit, and then the level falls toward the high-frequency side.
The ground coil detection device described in this section is characterized in that the predetermined shape extracted from the spectral waveform by the spectral feature extraction unit is more specifically identified as follows: The predetermined shape is set to one in which the level rises from a relatively low anti-resonant frequency towards the high-frequency side to the resonant frequency, and then the level decreases towards the high-frequency side. As a result, a characteristic shape that appears when electromagnetically coupled with a ground coil is set, in which the level rises significantly from the anti-resonant frequency to the resonant frequency and then decreases, making it easier to distinguish from noise and allowing ground coils to be detected with greater accuracy.
(5)上記(1)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記スペクトル波形を、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分と、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分と、前記正勾配線分及び前記負勾配線分の何れにも該当しない平坦線分との3種の線分のうち、任意の線分を組み合わせて折れ線状に近似する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、離散周波数スペクトルの周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形を、3種の線分のうち任意の線分を組み合わせて折れ線状に近似するものである。それら3種の線分は、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分と、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分と、正勾配線分及び負勾配線分の何れにも該当しない平坦線分とである。これにより、スペクトル波形がそのまま取り扱われる場合と比較して、後段で処理されるデータ量が圧縮されることになるため、後段処理のプログラム実装が容易になるものである。
(5) In the above item (1), the spectral feature extraction unit approximates the spectral waveform in a piecewise manner by combining any line segments from three types of line segments: positive gradient line segments whose level increases toward the higher frequency side, negative gradient line segments whose level decreases toward the higher frequency side, and flat line segments that do not fall under either the positive gradient line segments or the negative gradient line segments.
The ground-based signal detection device described in this section uses a spectral feature extraction unit to approximate the spectral waveform, defined by the levels of the frequency components of the discrete frequency spectrum, into a piecewise linear shape by combining arbitrary line segments from three types of line segments. These three types of line segments are positive gradient line segments whose level increases towards higher frequencies, negative gradient line segments whose level decreases towards higher frequencies, and flat line segments that do not fall under either positive or negative gradient line segments. As a result, the amount of data processed in subsequent stages is compressed compared to when the spectral waveform is handled directly, making it easier to implement programs for subsequent processing.
(6)上記(5)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形の各線分について、少なくとも、周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとを、線分1次属性群として算出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記(5)項に記載したように折れ線状に近似されたスペクトル波形の各線分について、線分1次属性群を算出するものである。この線分1次属性群には、少なくとも、各線分の周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、各線分の周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとが含まれている。これにより、各線分の特徴が、より処理し易いデータ群として表現されるものである。
(6) In the above item (5), the spectral feature extraction unit calculates, for each line segment of the polylinearly approximated spectral waveform, at least the frequency and level of the starting point which is the endpoint on the low-frequency side and the frequency and level of the ending point which is the endpoint on the high-frequency side as a line segment primary attribute group.
The ground-based signal detector described in this section uses a spectral feature extraction unit to calculate a primary attribute group for each line segment of the spectral waveform, which is approximated as a piecewise linear waveform as described in section (5) above. This primary attribute group includes at least the frequency and level of the starting point, which is the low-frequency endpoint of each line segment, and the frequency and level of the ending point, which is the high-frequency endpoint of each line segment. This allows the characteristics of each line segment to be represented as a data set that is easier to process.
(7)上記(6)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形の各線分について、少なくとも、前記始点と前記終点とのレベル差と、前記始点と前記終点との周波数の差である帯域幅とを、線分2次属性群として算出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記(5)項に記載したように折れ線状に近似されたスペクトル波形の各線分について、更に、上記(6)項に記載した線分1次属性群を利用して線分2次属性群を算出するものである。この線分2次属性群には、少なくとも、各線分の始点と終点とのレベル差と、各線分の始点と終点との周波数の差である帯域幅とが含まれている。これにより、各線分の特徴が、より一層処理し易いデータ群として表現されるものである。
(7) In the above item (6), the spectral feature extraction unit calculates, for each line segment of the polylinearly approximated spectral waveform, at least the level difference between the starting point and the ending point, and the bandwidth which is the frequency difference between the starting point and the ending point, as a group of quadratic line segment attributes.
The ground-based signal detector described in this section uses a spectral feature extraction unit to calculate a secondary line segment attribute group for each line segment of the spectral waveform, which is approximated as a piecewise linear waveform as described in section (5) above, using the primary line segment attribute group described in section (6) above. This secondary line segment attribute group includes at least the level difference between the start and end points of each line segment and the bandwidth, which is the frequency difference between the start and end points of each line segment. As a result, the characteristics of each line segment are represented as a data set that is easier to process.
(8)上記(7)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から、周波数高域側へ向かって前記正勾配線分から前記負勾配線分へと変化する、及び/又は、周波数高域側へ向かって前記正勾配線分から微小帯域幅の前記平坦線分を経て前記負勾配線分へと変化する、ピーク形状を抽出する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記(5)項に記載したように折れ線状に近似されたスペクトル波形から、ピーク形状を抽出するものである。このピーク形状とは、周波数高域側へ向かって正勾配線分から負勾配線分へと変化する部分、及び/又は、周波数高域側へ向かって正勾配線分から微小帯域幅の平坦線分を経て負勾配線分へと変化する部分である。
(8) In the above item (7), the spectral feature extraction unit extracts a peak shape from the spectral waveform approximated as a piecewise linear shape, which changes from the positive gradient line segment to the negative gradient line segment toward the higher frequency side, and/or changes from the positive gradient line segment to the negative gradient line segment via the flat line segment of a small bandwidth toward the higher frequency side.
The ground-based signal detector described in this section uses a spectral feature extraction unit to extract peak shapes from a spectral waveform that has been approximated as a piecewise linear shape, as described in section (5) above. These peak shapes are the portion that changes from a positive gradient line segment to a negative gradient line segment towards the higher frequency side, and/or the portion that changes from a positive gradient line segment to a negative gradient line segment via a flat line segment with a small bandwidth towards the higher frequency side.
ここでの微小帯域幅の平坦線分とは、帯域幅が比較的小さい平坦線分であり、微小帯域幅の平坦線分であるか否かは、その前後の正勾配線分及び負勾配線分の帯域幅の大きさや、実験結果などが考慮されて判断される。このようなピーク形状が用いられて処理が行われることで、折れ線状に近似されたスペクトル波形の全体が取り扱われる場合と比較して、後段で処理されるデータ量が圧縮されることになるため、スペクトル特徴抽出部や地上子検出部などの処理を行うアルゴリズムの簡略化が図られ、CPUの負荷が低減されるものである。なお、スペクトル波形から抽出されるピーク形状の数は、ピーク形状に相当する部分がなければゼロであってもよく、ピーク形状に相当する部分が複数あれば複数であってもよい。 Here, a flat line segment with a small bandwidth refers to a flat line segment with a relatively small bandwidth. Whether or not a line segment has a small bandwidth is determined by considering the bandwidth of the preceding and succeeding positive and negative gradient line segments, as well as experimental results. By using such peak shapes for processing, the amount of data processed in subsequent stages is compressed compared to when the entire spectral waveform approximated as a piecewise linear waveform is handled. This simplifies the algorithms used for processing in the spectral feature extraction and ground signal detection units, thereby reducing the CPU load. The number of peak shapes extracted from the spectral waveform may be zero if there are no peak shapes, or multiple if there are multiple peak shapes.
(9)上記(8)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状を構成する前記正勾配線分をピーク正勾配線分とし、前記ピーク形状を構成する前記負勾配線分をピーク負勾配線分としたときに、前記ピーク形状の各々について、少なくとも、前記ピーク正勾配線分の前記レベル差の絶対値と前記ピーク負勾配線分の前記レベル差の絶対値との合計である正規化ピークレベルと、前記ピーク正勾配線分の前記帯域幅と前記ピーク負勾配線分の前記帯域幅との合計である正規化ピーク帯域幅と、前記ピーク正勾配線分の前記終点の周波数と前記ピーク負勾配線分の前記始点の周波数との平均である正規化ピーク周波数とを、正規化ピーク1次属性群として算出し、前記地上子検出部は、前記正規化ピーク1次属性群を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定する地上子検出装置。 (9) In the above item (8), the spectral feature extraction unit, when the positive gradient line segments constituting the peak shape are treated as peak positive gradient line segments and the negative gradient line segments constituting the peak shape are treated as peak negative gradient line segments, calculates for each of the peak shapes, at least the normalized peak level, which is the sum of the absolute value of the level difference of the peak positive gradient line segment and the absolute value of the level difference of the peak negative gradient line segment; the normalized peak bandwidth, which is the sum of the bandwidth of the peak positive gradient line segment and the bandwidth of the peak negative gradient line segment; and the normalized peak frequency, which is the average of the frequency of the endpoint of the peak positive gradient line segment and the frequency of the starting point of the peak negative gradient line segment, as a normalized peak primary attribute group. The ground coil detection unit then uses the normalized peak primary attribute group to determine whether or not the peak shape represents a ground coil.
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記(8)項に記載したように抽出されたピーク形状の各々について、ピーク形状を構成する正勾配線分をピーク正勾配線分とし、ピーク形状を構成する負勾配線分をピーク負勾配線分としたときに、以下のような正規化ピーク1次属性群を算出するものである。すなわち、正規化ピーク1次属性群には、少なくとも、正規化ピークレベル、正規化ピーク帯域幅、及び正規化ピーク周波数が含まれており、正規化ピークレベルとは、ピーク正勾配線分のレベル差の絶対値とピーク負勾配線分のレベル差の絶対値との合計である。また、正規化ピーク帯域幅とは、ピーク正勾配線分の帯域幅とピーク負勾配線分の帯域幅との合計であり、ピーク形状に微小帯域幅の平坦線分が含まれている場合はそれも加味して算出する。更に、正規化ピーク周波数とは、ピーク正勾配線分の終点の周波数とピーク負勾配線分の始点の周波数との平均である。 The ground-based signal detector described in this section calculates the following normalized peak primary attribute group for each peak shape extracted by the spectral feature extraction unit as described in section (8) above, by treating the positive gradient line segments constituting the peak shape as peak positive gradient line segments and the negative gradient line segments constituting the peak shape as peak negative gradient line segments. Specifically, the normalized peak primary attribute group includes at least the normalized peak level, normalized peak bandwidth, and normalized peak frequency. The normalized peak level is the sum of the absolute values of the level differences between the peak positive gradient line segments and the peak negative gradient line segments. The normalized peak bandwidth is the sum of the bandwidths of the peak positive gradient line segments and the peak negative gradient line segments, and if the peak shape includes flat line segments with small bandwidths, these are also taken into account in the calculation. Furthermore, the normalized peak frequency is the average of the frequency at the end point of the peak positive gradient line segment and the frequency at the beginning point of the peak negative gradient line segment.
そして、地上子検出部は、上記のような各ピーク形状の正規化ピーク1次属性群を利用して、そのピーク形状が地上子を示すものであるか否か、すなわち、地上子と車上子とが電磁結合して現れたピーク形状であるか否かを判定するものである。このように、正規化ピーク1次属性群が利用されることで、車上子と地上子との間の距離によって刻々と変化する、共振周波数及び反共振周波数を含む特徴的なピーク形状が、ソフトウェアなどで容易に抽出されるものとなる。また、正規化ピーク1次属性群に含まれる属性は何れも単純な指標であるから、地上子を示すピーク形状を判定するソフトウェア処理はシンプルであり、低速なCPUなどで処理されるものとなる。 The ground coil detection unit then uses the normalized primary peak attribute group of each peak shape described above to determine whether or not the peak shape represents a ground coil, that is, whether or not it is a peak shape that appears due to electromagnetic coupling between the ground coil and the on-board coil. By utilizing this normalized primary peak attribute group, characteristic peak shapes, including the resonant and anti-resonant frequencies, which change constantly depending on the distance between the on-board and ground coils, can be easily extracted using software. Furthermore, since all the attributes included in the normalized primary peak attribute group are simple indicators, the software processing for determining the peak shape representing a ground coil is simple and can be handled by a low-speed CPU.
更に、正規化ピーク1次属性群の1つである正規化ピークレベルは、正勾配線分と負勾配線分とが統合されて算出されるため、FFTなどの単純なスペクトル解析から検出された極大値のみの従来のピークレベルと比較して、大きなS/N比が得られる。これにより、耐ノイズ性に優れた信頼性の高い地上子の検出方式が実現されるものとなり、また、送信処理部で用いられる送信アンプの電力が従来方式より小さくて済むため、装置の小型化や低コスト化に寄与するものとなる。しかも、正規化ピークレベルは、正勾配線分のレベル差と負勾配線分のレベル差とが統合された相対レベルであるため、絶対レベルが相殺されており、絶対レベルの変動の要因である回路ゲイン、車上子結合度などの影響が表出しない。このため、地上子検出の信頼性がより一層向上するものである。 Furthermore, the normalized peak level, one of the primary attribute groups of the normalized peak, is calculated by integrating the positive and negative gradient line segments. This results in a significantly higher signal-to-noise ratio compared to conventional peak levels, which rely solely on maximum values detected from simple spectral analysis such as FFT. This enables a highly reliable ground tone detection method with superior noise immunity. Additionally, the power consumption of the transmitting amplifier used in the transmission processing unit is reduced compared to conventional methods, contributing to miniaturization and cost reduction of the equipment. Moreover, because the normalized peak level is a relative level that integrates the level differences of the positive and negative gradient line segments, the absolute levels cancel each other out, eliminating the influence of circuit gain, on-board tone coupling, and other factors that cause absolute level fluctuations. Therefore, the reliability of ground tone detection is further improved.
(10)上記(9)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状の各々について、前記正規化ピークレベルと前記正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配を、正規化ピーク2次属性群として算出し、前記地上子検出部は、前記正規化勾配を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、上記(8)項に記載したように抽出されたピーク形状の各々について、更に正規化ピーク2次属性群を算出するものであり、この正規化ピーク2次属性群には、正規化ピークレベルと正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配が含まれている。そして、地上子検出部は、スペクトル特徴抽出部により算出された各ピーク形状の正規化勾配を利用して、そのピーク形状が地上子を示すものであるか否かを判定するものである。
(10) In the above item (9), the spectral feature extraction unit calculates a normalization gradient, which is the ratio of the normalized peak level to the normalized peak bandwidth, for each of the peak shapes as a group of normalized peak secondary attributes, and the ground coil detection unit uses the normalization gradient to determine whether or not the peak shape indicates a ground coil.
The ground tonearm detection device described in this section has a spectral feature extraction unit that, for each of the peak shapes extracted as described in section (8) above, further calculates a normalized peak secondary attribute group. This normalized peak secondary attribute group includes a normalization gradient, which is the ratio of the normalized peak level to the normalized peak bandwidth. The ground tonearm detection unit then uses the normalization gradient of each peak shape calculated by the spectral feature extraction unit to determine whether or not that peak shape represents a ground tonearm.
すなわち、正規化ピークレベルと正規化ピーク帯域幅との比である正規化勾配は、例えば正規化ピークレベルを正規化ピーク帯域幅で除して算出すると、地上子結合の方が単一周波数ノイズよりも小さくなる(傾きが緩い)傾向にある。このため、ノイズ周波数と地上子周波数とが同一だとしても、正規化勾配が比較されたときの上記のような大きさの関係から、単一周波数ノイズが地上子であると誤検出されることなく、これによって地上子が精度よく検出されるものとなる。 In other words, the normalization gradient, which is the ratio of the normalized peak level to the normalized peak bandwidth, tends to be smaller (gentler slope) for ground benton coupling than for single-frequency noise when calculated, for example, by dividing the normalized peak level by the normalized peak bandwidth. Therefore, even if the noise frequency and ground benton frequency are the same, the above-mentioned relationship in the magnitude of the normalization gradients prevents single-frequency noise from being mistakenly detected as a ground benton, thus allowing for accurate detection of the ground benton.
(11)上記(10)項において、前記スペクトル特徴抽出部は、前記ピーク形状の各々について、前記ピーク正勾配線分の前記レベル差の絶対値と前記ピーク負勾配線分の前記レベル差の絶対値との比である正規化勾配レベル分配比を、更に前記正規化ピーク2次属性群として算出し、前記地上子検出部は、前記正規化勾配レベル分配比を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部が、ピーク形状の各々について、正規化ピーク2次属性群として更に正規化勾配レベル分配比を算出するものである。この正規化勾配レベル分配比は、ピーク正勾配線分のレベル差の絶対値とピーク負勾配線分のレベル差の絶対値との比である。そして、地上子検出部は、スペクトル特徴抽出部により算出された各ピーク形状の正規化勾配レベル分配比を利用して、そのピーク形状が地上子を示すものであるか否かを判定するものである。
(11) In the above item (10), the spectral feature extraction unit further calculates a normalized gradient level distribution ratio for each of the peak shapes, which is the ratio of the absolute value of the level difference of the peak positive gradient line segment to the absolute value of the level difference of the peak negative gradient line segment, as the normalized peak secondary attribute group, and the ground beacon detection unit determines whether or not the peak shape indicates a ground beacon using the normalized gradient level distribution ratio.
The ground-based transponder detection device described in this section has a spectral feature extraction unit that calculates a normalized gradient level distribution ratio for each peak shape as a normalized peak secondary attribute group. This normalized gradient level distribution ratio is the ratio of the absolute value of the level difference of the peak positive gradient line segment to the absolute value of the level difference of the peak negative gradient line segment. The ground-based transponder detection unit then uses the normalized gradient level distribution ratio of each peak shape calculated by the spectral feature extraction unit to determine whether or not that peak shape represents a ground-based transponder.
ここで、車上子と地上子との電磁結合時には、磁束の影響により、検出するべきメインローブの前後のタイミングで、検出するべきではないサイドローブが発生する。メインローブでは反共振周波数が共振周波数よりも小さくなるピーク形状が発生するのに対し、サイドローブでは反共振周波数が共振周波数よりも大きくなるピーク形状が発生する。すなわち、メインローブのピーク形状では、反共振周波数から共振周波数までの正勾配線分のレベル差の絶対値の方が、負勾配線分のレベル差の絶対値よりも大きくなる。これに対し、サイドローブのピーク形状では、正勾配線分のレベル差の絶対値よりも、共振周波数から反共振周波数までの負勾配線分のレベル差の絶対値の方が大きくなる。このため、正規化勾配レベル分配比が利用されて、ピーク正勾配線分のレベル差の絶対値とピーク負勾配線分のレベル差の絶対値との大小が比較されることで、不要なサイドローブの検出が安定的に抑制されるものである。 Here, during electromagnetic coupling between the on-board and ground coils, the influence of magnetic flux causes side lobes that should not be detected to be generated before and after the main lobe that should be detected. While the main lobe exhibits a peak shape where the anti-resonant frequency is lower than the resonant frequency, the side lobes exhibit a peak shape where the anti-resonant frequency is higher than the resonant frequency. That is, in the main lobe's peak shape, the absolute value of the level difference of the positive gradient line segment from the anti-resonant frequency to the resonant frequency is greater than the absolute value of the level difference of the negative gradient line segment. In contrast, in the side lobe's peak shape, the absolute value of the level difference of the negative gradient line segment from the resonant frequency to the anti-resonant frequency is greater than the absolute value of the level difference of the positive gradient line segment. Therefore, a normalized gradient level distribution ratio is used to compare the magnitudes of the absolute values of the level differences of the peak positive gradient line segment and the peak negative gradient line segment, thereby stably suppressing the detection of unnecessary side lobes.
(12)上記(8)項において、前記地上子検出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から同時に抽出された前記ピーク形状の数に応じて、前記地上子の有無を判定する地上子検出装置。
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部により折れ線状に近似されたスペクトル波形から同時に抽出されたピーク形状の数に応じて、地上子検出部が地上子の有無を判定するものである。ここで、車両機器や軌道回路機器からのノイズは一般的に電源系から生じるパルスノイズが多く、短時間ではあるが広帯域な成分が生じるため、このような場合にピーク形状が同時に複数抽出される。従って、ピーク形状の数が地上子の検出に利用されることで、ノイズがより効率よく排除されることになるため、CPUの処理負荷が軽減されつつ、地上子の検出精度が高められるものである。
(12) In item (8) above, the ground beacon detection unit is a ground beacon detection device that determines the presence or absence of the ground beacon according to the number of peak shapes extracted simultaneously from the spectral waveform which is approximated as a piecewise linear shape.
The ground beacon detection device described in this section determines the presence or absence of a ground beacon based on the number of peak shapes simultaneously extracted from the spectral waveform approximated as a piecewise linear waveform by the spectral feature extraction unit. Here, noise from vehicle equipment and track circuit equipment generally consists mostly of pulse noise originating from the power supply system, and although it is short-lived, it generates broadband components, so in such cases multiple peak shapes are extracted simultaneously. Therefore, by using the number of peak shapes for ground beacon detection, noise can be eliminated more efficiently, thereby reducing the CPU processing load while improving the accuracy of ground beacon detection.
(13)上記(11)項において、前記地上子検出部は、前記折れ線状に近似された前記スペクトル波形から同時に抽出された前記ピーク形状の数と、前記同時に抽出された前記ピーク形状の中から、前記正規化ピーク1次属性群及び前記正規化ピーク2次属性群を利用して判定される、前記地上子の候補としてカウントされた前記ピーク形状の数とに応じて、当該地上子検出装置の機器異常の発生及び環境異常の発生を推定する地上子検出装置。 (13) In the above item (11), the ground beacon detection unit estimates the occurrence of equipment malfunction and environmental abnormality in the ground beacon detection device according to the number of peak shapes simultaneously extracted from the spectral waveform approximated as a piecewise linear shape, and the number of peak shapes counted as candidates for the ground beacon, determined from the simultaneously extracted peak shapes using the normalized peak primary attribute group and the normalized peak secondary attribute group.
本項に記載の地上子検出装置は、スペクトル特徴抽出部により折れ線状に近似されたスペクトル波形から同時に抽出されたピーク形状の数と、そのように同時に抽出されたピーク形状の中から地上子の候補としてカウントされたピーク形状の数とに応じて、地上子検出部が機器異常及び環境異常を推定するものである。地上子の候補としてカウントされるピーク形状は、正規化ピーク1次属性群及び正規化ピーク2次属性群を利用して判定される。すなわち、スペクトル波形から複数のピーク形状が同時に抽出された場合は、上記(12)項に記載したようにノイズの影響である可能性が高いため、これが利用されてノイズなどの環境異常の推定が行われる。また、地上子の候補としてカウントされたピーク形状が複数ある場合は、地上子検出装置の機器異常である可能性が高いため、これが利用されて故障などの機器異常の推定が行われる。これにより、地上子の高精度な検出と共に、機器監視やノイズ監視が実現されるものである。 The ground-based transponder detection device described in this section estimates equipment and environmental abnormalities based on the number of peak shapes simultaneously extracted from the spectral waveform approximated as a piecewise linear shape by the spectral feature extraction unit, and the number of peak shapes counted as candidate transponders from among those simultaneously extracted peak shapes. The peak shapes counted as candidate transponders are determined using the normalized peak primary attribute group and the normalized peak secondary attribute group. That is, if multiple peak shapes are simultaneously extracted from the spectral waveform, it is highly likely that this is due to noise, as described in section (12) above, and this is used to estimate environmental abnormalities such as noise. Furthermore, if multiple peak shapes are counted as candidate transponders, it is highly likely that this indicates an equipment malfunction in the transponder detection device, and this is used to estimate equipment abnormalities such as failures. This enables high-precision detection of transponders, as well as equipment monitoring and noise monitoring.
(14)線路に沿って設置された、複数の所定周波数のうちの何れかの周波数を共振周波数として有する地上子を、走行中の鉄道車両から検出する地上子検出方法であって、互いに疎結合する1次コイル及び2次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子を、前記鉄道車両へ設置し、前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記1次コイルへ注入し、前記2次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出し、抽出した前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出し、前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出する地上子検出方法。
本項に記載の地上子検出方法は、上記(1)項の地上子検出装置により実行されることで、上記(1)項の地上子検出装置と同様の作用を奏するものである。
(14) A ground beacon detection method for detecting a ground beacon installed along a railway track, having a resonant frequency of one of a plurality of predetermined frequencies, from a moving railway vehicle, comprising: installing a vehicle-mounted beacon on the railway vehicle having a primary coil and a secondary coil that are loosely coupled to each other, and which electromagnetically couples with the ground beacon when it is close to the ground beacon; injecting a transmission wave of a discrete frequency spectrum containing a plurality of frequencies that encompass all of the plurality of predetermined frequencies at a frequency interval smaller than the frequency interval of the plurality of predetermined frequencies into the primary coil; extracting the discrete frequency spectrum from the received wave received by the secondary coil; extracting a predetermined shape from the spectral waveform defined by the level of each frequency component of the extracted discrete frequency spectrum; and detecting the ground beacon according to the presence or absence of the predetermined shape.
The ground beacon detection method described in this section is performed by the ground beacon detection device described in item (1) above, and thus performs the same function as the ground beacon detection device described in item (1) above.
本発明は上記のような構成であるため、簡便なアルゴリズムを使用しながら、地上子検出の信頼性を高めることが可能となる。 Because of the above-described configuration, this invention makes it possible to improve the reliability of ground signal detection while using a simple algorithm.
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面に基づいて説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略することとし、また、図面の全体にわたって、同一部分又は対応する部分は、同一符号で示している。
図1は、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10の構成の一例を、地上子検出装置10が自動列車停止装置(ATS)に用いられた場合を例にして概略的に示している。図示のように、地上子検出装置10は、鉄道車両86に設置される車上装置20及び車上子12を含み、鉄道車両86が走行して線路84の近傍に設置された地上子80に対して車上子12が近接したときに、地上子80を検出するものである。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described based on the attached drawings. Here, detailed descriptions of parts identical to or corresponding to those in the prior art will be omitted, and throughout the drawings, identical or corresponding parts are indicated by the same reference numerals.
Figure 1 schematically shows an example of the configuration of a ground beacon detection device 10 according to an embodiment of the present invention, with the ground beacon detection device 10 being used in an automatic train stop (ATS) system as an example. As shown in the figure, the ground beacon detection device 10 includes an on-board device 20 and an on-board beacon 12 installed on a railway vehicle 86, and detects a ground beacon 80 installed near the tracks 84 when the on-board beacon 12 approaches the ground beacon 80 as the railway vehicle 86 is moving.
車上装置20は、送信処理部22、受信処理部32、及び制御部70を含み、車上子12は、互いに疎結合する1次コイル14及び2次コイル16から構成され、それらの間で常に送受信を行うものであり、変周式のATSと同一のものが用いられてよい。1次コイル14及び2次コイル16は、これに限定されるものではないが、同一の断面積及び巻数を標準としている。詳しくは後述するが、車上子12の1次コイル14には、送信処理部22で生成された送信波が注入され、2次コイル16には車上子12周囲との電磁作用が反映された電圧が現れ、その電圧が受信波として受信処理部32に取り込まれる。なお、「1次コイル」及び「2次コイル」という名称は便宜上のものであり、それらの使用方法が上記と反対になっていてもよい。 The on-board unit 20 includes a transmission processing unit 22, a reception processing unit 32, and a control unit 70. The on-board unit 12 consists of a primary coil 14 and a secondary coil 16 that are loosely coupled to each other, and transmission and reception constantly occur between them. The same type as that used in a frequency-variable ATS may be used. The primary coil 14 and secondary coil 16 are not limited to these, but they are standardized to have the same cross-sectional area and number of turns. As will be described in detail later, the transmission wave generated by the transmission processing unit 22 is injected into the primary coil 14 of the on-board unit 12, and a voltage reflecting the electromagnetic interaction with the surroundings of the on-board unit 12 appears in the secondary coil 16. This voltage is then taken in as a received wave by the reception processing unit 32. Note that the names "primary coil" and "secondary coil" are for convenience, and their usage may be reversed from the above.
受信処理部32は、車上子12と電磁結合した地上子80の周波数の特定を行うものである。制御部70は、車上装置20の全体の制御を担うものであって、受信処理部32によって特定された地上子80の周波数に基づいて列車制御信号を送出したり、鉄道車両86の速度情報を受信したりする。また、制御部70は、受信した速度情報に基づいて速度超過などの判定を実施してもよい。なお、車両制御部78は、地上子検出装置10を構成するものではなく、鉄道車両86の走行を制御するものであり、制御部70から送出された列車制御信号などに基づいて、鉄道車両86のブレーキ、速度制御などを実施する。 The receiving processing unit 32 identifies the frequency of the ground beacon 80, which is electromagnetically coupled to the on-board beacon 12. The control unit 70 is responsible for the overall control of the on-board device 20. Based on the frequency of the ground beacon 80 identified by the receiving processing unit 32, it sends out train control signals and receives speed information of the railway vehicle 86. The control unit 70 may also perform speed limit checks based on the received speed information. The vehicle control unit 78 is not part of the ground beacon detection device 10, but controls the movement of the railway vehicle 86. Based on the train control signals sent from the control unit 70, it performs braking, speed control, etc., of the railway vehicle 86.
一方、地上子検出装置10が検出対象とする地上子80は、変周式のATSで使用されているものと同じ構造であり、ループコイルをインダクタとして、ループコイルに直列接続されたコンデンサと直列共振し、その共振周波数自体を情報として有している。共振周波数は、仕様として予め設定された複数の所定周波数のうちの何れかの周波数に一致するように、コンデンサの値が選定されている。また、地上子80において、複数の所定周波数のうちの2つ以上の周波数が、切り替え可能に共振周波数として設定されるようになっていてもよい。それら複数の所定周波数(例えば図3の上方に示されるf1~f8)の各々に対して、停止現示や速度現示などの諸情報が定義されており、その定義内容、利用される所定周波数の数、所定周波数の周波数値などは、鉄道事業者によって異なっている。 On the other hand, the ground beacon 80, which the ground beacon detection device 10 detects, has the same structure as those used in frequency-variable ATS systems. It uses a loop coil as an inductor, resonating in series with a capacitor connected in series with the loop coil, and possesses the resonant frequency itself as information. The capacitor value is selected so that the resonant frequency matches one of several predetermined frequencies set in advance as a specification. Furthermore, in the ground beacon 80, two or more of the multiple predetermined frequencies may be set as switchable resonant frequencies. For each of these multiple predetermined frequencies (for example, f1 to f8 shown at the top of Figure 3), various information such as stop indications and speed indications are defined. The definitions, the number of predetermined frequencies used, and the frequency values of the predetermined frequencies vary depending on the railway operator.
地上子80のインダクタ(ループコイル)とコンデンサとの間には、リレー82が挿入されている。このリレー82は、通常時は開放されており、上記のような情報を鉄道車両86へ通知する場合に、リレー82が動作して接点が構成されることで、LC共振回路が有効化される。リレー82の動作制御は、前方列車在線状態などを示す、地上子80の外部からの制御入力によって実施される。例えば、前方に列車が在線しておらずブレーキ指令が不要の場合は、地上子80のコイルがリレー82で開放され、車上子12が地上子80と近接しても電磁結合は発生しないため、車上にて停止現示が認識されることはない。 A relay 82 is inserted between the inductor (loop coil) and capacitor of the ground beacon 80. This relay 82 is normally open, and when the above-mentioned information is to be notified to the railway vehicle 86, the relay 82 operates, forming contacts and activating the LC resonant circuit. The operation of the relay 82 is controlled by an external control input to the ground beacon 80, indicating the presence of a train ahead. For example, if there is no train ahead and a brake command is not required, the coil of the ground beacon 80 is opened by the relay 82, and electromagnetic coupling does not occur even if the on-board beacon 12 is close to the ground beacon 80; therefore, a stop indication is not recognized on board the vehicle.
次に、図2には、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10の機能ブロック図を示しており、この機能ブロック図に沿って、地上子検出装置10による具体的な地上子検出方法について説明する。図1に示された送信処理部22及び車上子12が図2にも示されており、図2の前段処理部34、周波数弁別部40、スペクトル特徴抽出部52、及び地上子検出部60が、図1の受信処理部32を構成するものであって、図2の指令出力部72及び出力制御部74が、図1の制御部70を構成するものである。なお、図2の機能ブロック図の構成は一例であって、図2の機能ブロックの一部が変更、削除、分割された構成や、別の機能ブロックが追加された構成であってもよい。また、各機能ブロックを具体的に構成するハードウェア及びソフトウェアの構成は、図2を参照して下記で説明する構成に限定されるものではなく、各機能を実現できる範囲で任意の構成であってよい。 Next, Figure 2 shows a functional block diagram of the ground beacon detection device 10 according to an embodiment of the present invention. The specific ground beacon detection method using the ground beacon detection device 10 will be explained in accordance with this functional block diagram. The transmission processing unit 22 and on-board beacon 12 shown in Figure 1 are also shown in Figure 2. The pre-processing unit 34, frequency discrimination unit 40, spectral feature extraction unit 52, and ground beacon detection unit 60 in Figure 2 constitute the reception processing unit 32 in Figure 1, and the command output unit 72 and output control unit 74 in Figure 2 constitute the control unit 70 in Figure 1. Note that the configuration of the functional block diagram in Figure 2 is an example, and configurations with some of the functional blocks in Figure 2 changed, deleted, or divided, or with other functional blocks added, are also possible. Furthermore, the configuration of the hardware and software that specifically constitute each functional block is not limited to the configuration described below with reference to Figure 2, but may be any configuration within the scope of realizing each function.
まず、地上子検出装置10による地上子検出方法の基本概念を説明すると、地上子検出装置10では、車上子12の2次コイル16で受信した受信波から、後述するような離散周波数スペクトルを受信処理部32において抽出し、更に各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換して、離散周波数スペクトルの包絡線である図3のようなスペクトル波形SW(SW1、SW2)を得る。そしてそのようなスペクトル波形SWから、車上子12と地上子80とが電磁結合したときに共振周波数において極大値maxとなり反共振周波数において極小値minとなるような波形形状に着目して、その波形形状を含むような所定形状(ピーク形状PS)を抽出することで、地上子80及びその共振周波数を検出するものである。 First, to explain the basic concept of the ground coil detection method using the ground coil detection device 10, the ground coil detection device 10 extracts a discrete frequency spectrum from the received wave received by the secondary coil 16 of the on-board coil 12 in the receiving processing unit 32, as described later. Furthermore, it performs level conversion based on the received voltage of each frequency component to obtain a spectral waveform SW (SW1, SW2) as shown in Figure 3, which is the envelope of the discrete frequency spectrum. Then, focusing on the waveform shape that has a maximum value (max) at the resonant frequency and a minimum value (min) at the anti-resonant frequency when the on-board coil 12 and the ground coil 80 are electromagnetically coupled, the ground coil 80 and its resonant frequency are detected by extracting a predetermined shape (peak shape PS) that includes that waveform shape.
図2に戻り、送信処理部22は、波形テーブル24、D/A変換部26、及び電力増幅部28を含み、波形テーブル24は、複数の周波数が重畳した離散周波数スペクトルの送信波データを有している。その複数の周波数は、検出対象の地上子80が有し得る複数の所定周波数の全てを含むと共に、複数の所定周波数よりも小さい周波数間隔で設定されている。本実施形態では、複数の所定周波数として図3の上部に示されたf1~f8(73kHz、80kHz、85kHz、90kHz、95kHz、103kHz、120kHz、130kHz)を含むように、70kHz~139kHzの帯域で1kHz又は2kHz間隔の64波の周波数が、複数の周波数として設定される。このような波形テーブル24は、フラッシュメモリなどの各種メモリに格納される。なお、離散周波数スペクトルの帯域幅は、地上子80が有し得る共振周波数の全て(複数の所定周波数f1~f8)について、車上子12と地上子80との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数が含まれるように、特に周波数低域側に余裕を持って設定されてもよい。 Returning to Figure 2, the transmission processing unit 22 includes a waveform table 24, a D/A conversion unit 26, and a power amplification unit 28. The waveform table 24 holds transmission wave data of a discrete frequency spectrum in which multiple frequencies are superimposed. These multiple frequencies include all of the multiple predetermined frequencies that the ground beacon 80 to be detected may have, and are set at frequency intervals smaller than the multiple predetermined frequencies. In this embodiment, 64 frequencies with 1 kHz or 2 kHz intervals in the 70 kHz to 139 kHz band are set as multiple frequencies, including f1 to f8 (73 kHz, 80 kHz, 85 kHz, 90 kHz, 95 kHz, 103 kHz, 120 kHz, 130 kHz) shown at the top of Figure 3 as the multiple predetermined frequencies. Such a waveform table 24 is stored in various types of memory, such as flash memory. Furthermore, the bandwidth of the discrete frequency spectrum may be set with a margin particularly on the lower frequency side, so that it includes the anti-resonant frequency of the combined impedance during electromagnetic coupling between the on-board unit 12 and the ground unit 80 for all possible resonant frequencies (multiple predetermined frequencies f1 to f8) that the ground unit 80 may have.
波形テーブル24から読み出された送信波データは、D/A変換部26においてデジタルデータからアナログへと変換され、更に電力増幅部28において電力が増幅された状態で、送信波として車上子12の1次コイル14へ入力される。このとき、送信波の離散周波数スペクトルの各周波数成分は、一定の電圧レベルで入力されるようになっている。図4(a)には、そのような一定の電圧レベルで入力される、上記のような離散周波数スペクトルを有する送信波が、周波数低域側について示されており、図示の周波数帯域には複数の所定周波数f1~f8のうちf1及びf2が含まれている。なお、D/A変換部26には任意のD/Aコンバータが用いられ、電力増幅部28にはアンプなどの既知の増幅器が利用される。 The transmitted wave data read from the waveform table 24 is converted from digital data to analog in the D/A conversion unit 26, and then the power is amplified in the power amplification unit 28 before being input as a transmitted wave to the primary coil 14 of the on-board unit 12. At this time, each frequency component of the discrete frequency spectrum of the transmitted wave is input at a constant voltage level. Figure 4(a) shows a transmitted wave with such a discrete frequency spectrum, input at a constant voltage level, for the low-frequency side. The illustrated frequency band includes f1 and f2 among a plurality of predetermined frequencies f1 to f8. Note that any D/A converter is used in the D/A conversion unit 26, and a known amplifier such as an amplifier is used in the power amplification unit 28.
図4(a)に図示されている複数の周波数の周波数間隔Δfの大きさは、地上子80の周波数誤差Δeを含んだ共振周波数での極大値max(図3参照)を精度よく検出することや、受信処理部32での負荷などが考慮されて、適切な値に設定される。例えばΔfは、これに限定されるものではないが、「0.5Δe≦Δf≦Δe」の関係を目安として設定される。またΔfは、離散周波数スペクトル内で同一値である必要はなく、検出対象の各地上子80の周波数誤差Δeや、複数の所定周波数f1~f8の間隔などに応じて、任意の異なる値が設定されてもよい。これらに基づいて、本実施形態では周波数間隔Δfが、上述したように1kHz又は2kHzに設定されている。 The magnitude of the frequency interval Δf of the multiple frequencies illustrated in Figure 4(a) is set to an appropriate value considering factors such as accurately detecting the maximum value max (see Figure 3) at the resonant frequency including the frequency error Δe of the ground tonearm 80, and the load on the receiving processing unit 32. For example, Δf is not limited to this, but is set using the relationship "0.5Δe ≤ Δf ≤ Δe" as a guideline. Furthermore, Δf does not need to be the same value within the discrete frequency spectrum; any different value may be set depending on the frequency error Δe of each ground tonearm 80 to be detected, and the interval between multiple predetermined frequencies f1 to f8. Based on these factors, in this embodiment, the frequency interval Δf is set to 1 kHz or 2 kHz as described above.
図2に戻り、車上子12の2次コイル16は、上記のように送信波が入力される1次コイル14との電磁的疎結合の影響を含む、車上子12周囲との電磁作用が反映された受信波を受信し、その受信波が前段処理部34に取り込まれる。前段処理部34は、増幅器36及びA/D変換部38を含み、取り込まれた受信波が増幅器36において電力増幅され、更にA/D変換部38においてアナログ波形からデジタルデータへと変換される。前段処理部34で処理された受信波データは、周波数弁別部40へと送信される。なお、増幅器36にはアンプなどの任意の増幅器が利用され、A/D変換部38には任意のA/Dコンバータが用いられる。 Returning to Figure 2, the secondary coil 16 of the on-board unit 12 receives a received wave that reflects the electromagnetic interaction with the on-board unit 12, including the effect of loose electromagnetic coupling with the primary coil 14 to which the transmitted wave is input, as described above. This received wave is then taken into the pre-processing unit 34. The pre-processing unit 34 includes an amplifier 36 and an A/D conversion unit 38. The received wave is power-amplified in the amplifier 36 and further converted from an analog waveform to digital data in the A/D conversion unit 38. The received wave data processed in the pre-processing unit 34 is transmitted to the frequency discrimination unit 40. Note that any amplifier, such as a standard amplifier, can be used for the amplifier 36, and any A/D converter can be used for the A/D conversion unit 38.
周波数弁別部40は、直交同期検波部42及びdB極座標変換部44を含んでいる。そして、直交同期検波部42において、同期検波(直交検波)を利用して、前段処理部34で処理された受信波データから、送信処理部22の波形テーブル24に格納されている波形データと同じ離散周波数スペクトルを抽出する。すなわち、本実施形態では、70kHz~139kHzの帯域で周波数間隔Δfが1kHz又は2kHzである、64波の周波数成分を有する離散周波数スペクトルを抽出する。このとき、各周波数成分の平均電圧レベルと位相とが得られる。直交同期検波部42において抽出された離散周波数スペクトルの各周波数成分の電圧レベルは、更にdB極座標変換部44によってdB値へと変換される。このような処理を行う周波数弁別部40は、例えばFPGAなどで実現される。なお、周波数弁別部40では、同期検波とは別のFFTなどの手法を利用して離散周波数スペクトルを抽出してもよい。 The frequency discrimination unit 40 includes a quadrature synchronous detection unit 42 and a dB polar coordinate transformation unit 44. The quadrature synchronous detection unit 42 uses synchronous detection (quadrature detection) to extract a discrete frequency spectrum from the received wave data processed by the preceding processing unit 34, identical to the waveform data stored in the waveform table 24 of the transmission processing unit 22. Specifically, in this embodiment, a discrete frequency spectrum with 64 frequency components, where the frequency interval Δf is 1 kHz or 2 kHz, is extracted in the 70 kHz to 139 kHz band. At this time, the average voltage level and phase of each frequency component are obtained. The voltage levels of each frequency component of the discrete frequency spectrum extracted by the quadrature synchronous detection unit 42 are further converted to dB values by the dB polar coordinate transformation unit 44. The frequency discrimination unit 40, which performs such processing, can be implemented, for example, using an FPGA. Note that the frequency discrimination unit 40 may also use a method other than synchronous detection, such as FFT, to extract the discrete frequency spectrum.
ここで、図4(b)及び(c)には、周波数弁別部40で処理された離散周波数スペクトルの例が示されており、図4(b)が地上子80との結合が発生していない状態、図4(c)が地上子80との結合が発生している状態である。なお、図4(b)及び(c)では、一部の周波数成分の図示を省略している。図4(b)を参照すると、周波数が大きくなるにつれてレベルが単調に直線的に増加していることが分かり、これは、非結合レベル包絡線UEに準じた単調増加特性のためである。そして、離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形SWは、非結合レベル包絡線UEに沿った、主に車上子12のコイルのインピーダンス周波数特性が主体となった形状となる。但し、非結合レベル包絡線UEやスペクトル波形SWの全体的なレベルには、静的要因(回路ゲイン、車上子12の結合度、車上子12までのケーブル)と、鉄道車両86の走行時に発生する動的要因(線路84間の金属構造物など)とが合わさって影響する。このため、非結合レベル包絡線UEやスペクトル波形SWの全体的なレベル変動は、図4(b)に矢印で示されているように、およそ45dBにもなる。 Here, Figures 4(b) and (c) show examples of discrete frequency spectra processed by the frequency discrimination unit 40. Figure 4(b) shows the state where coupling with the ground coil 80 does not occur, and Figure 4(c) shows the state where coupling with the ground coil 80 occurs. Note that in Figures 4(b) and (c), some frequency components are omitted from the illustration. Referring to Figure 4(b), it can be seen that the level increases monotonically and linearly as the frequency increases, which is due to the monotonically increasing characteristic corresponding to the uncoupled level envelope UE. The spectral waveform SW, which is defined by the level of each frequency component of the discrete frequency spectrum, has a shape that is mainly based on the impedance frequency characteristics of the coil of the on-board unit 12, along the uncoupled level envelope UE. However, the overall levels of the uncoupled level envelope UE and spectral waveform SW are influenced by a combination of static factors (circuit gain, degree of coupling of the on-board unit 12, and cables to the on-board unit 12) and dynamic factors that occur during the operation of the railway vehicle 86 (such as metal structures between the tracks 84). Therefore, the overall level fluctuations of the uncoupled level envelope UE and spectral waveform SW can reach approximately 45 dB, as indicated by the arrows in Figure 4(b).
一方、図4(c)を参照すると、離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形SWが、図3に示したスペクトル波形SW2と類似した形状で、非結合レベル包絡線UEに準じたレベルで現れていることが分かる。すなわち、車上子12と地上子80とが電磁結合すると、等価回路上、車上子コイルと地上子コイルとの直・並列回路となり、スペクトル波形SWが図示のような特徴を持った形状となる。具体的には、地上子80の発振周波数を共振点(極大点max)として、それよりも低域側の反共振点(極小点min)を有する電圧スペクトルが発生する。このとき、車上子12と地上子80との結合が強いほど、共振点(極大点max)のレベル値は増大するが、周波数は一定のままである。これに対し、反共振点(極小点min)は、車上子12と地上子80との結合が強いほど、レベルがより小さくなると同時に低域側にシフトする。このような様子が、図3において、スペクトル波形SW1とスペクトル波形SW2との間の矢印で示されている。 On the other hand, referring to Figure 4(c), it can be seen that the spectral waveform SW, defined by the levels of each frequency component of the discrete frequency spectrum, has a shape similar to the spectral waveform SW2 shown in Figure 3, and appears at a level corresponding to the uncoupled level envelope UE. That is, when the on-board unit 12 and the ground unit 80 are electromagnetically coupled, the equivalent circuit becomes a series-parallel circuit of the on-board unit coil and the ground unit coil, and the spectral waveform SW takes on a shape with the characteristics shown in the figure. Specifically, a voltage spectrum is generated with the oscillation frequency of the ground unit 80 as the resonance point (maximum point max), and an anti-resonance point (minimum point min) at a lower frequency. At this time, the stronger the coupling between the on-board unit 12 and the ground unit 80, the greater the level value of the resonance point (maximum point max), but the frequency remains constant. In contrast, the anti-resonance point (minimum point min) becomes smaller and shifts to the lower frequency side as the coupling between the on-board unit 12 and the ground unit 80 becomes stronger. This is illustrated in Figure 3 by the arrow between spectral waveform SW1 and spectral waveform SW2.
なお、図4(b)を参照して説明した非結合レベル包絡線UEやスペクトル波形SWの全体的なレベル変動は、図4(c)の地上子80との結合状態でも発生し得るものである。例えば、図3には3本の非結合レベル包絡線UEが示されており、このように非結合レベル包絡線UEのレベルが変動することで、スペクトル波形SWの全体レベルも変動する。図3のスペクトル波形SW1、SW2は、3本のうちの真ん中の非結合レベル包絡線UEに準じたものである。更に図12にも、最大で45dB程度のレベル変動が発生する様子が図示されている。 Furthermore, the overall level fluctuations of the uncoupled level envelope UE and spectral waveform SW, as explained with reference to Figure 4(b), can also occur in the coupled state with the ground unit 80 shown in Figure 4(c). For example, Figure 3 shows three uncoupled level envelopes UE, and fluctuations in the level of these uncoupled level envelopes UE cause fluctuations in the overall level of the spectral waveform SW. Spectral waveforms SW1 and SW2 in Figure 3 correspond to the middle of the three uncoupled level envelopes UE. Figure 12 also illustrates how level fluctuations of up to approximately 45 dB can occur.
図2に戻り、周波数弁別部40で処理された離散周波数スペクトルのデータは、スペクトル特徴抽出部52へ伝達される。本実施形態では、受信処理部32の一部であるスペクトル特徴抽出部52及び地上子検出部60と、制御部70の一部である指令出力部72及び出力制御部74とが、CPU50により実行されるソフトウェアで実現される。ここで、CPU50での処理時間単位は、CPU50の処理負荷などが考慮されて、周波数弁別部40までの処理時間単位より大きくてもよい。この場合は、CPU50の1回の処理時間単位の間に、周波数弁別部40で処理された複数の離散周波数スペクトルのデータが、1度に読み込まれてCPU50で処理されることになる。 Returning to Figure 2, the discrete frequency spectrum data processed by the frequency discrimination unit 40 is transmitted to the spectral feature extraction unit 52. In this embodiment, the spectral feature extraction unit 52 and the ground signal detection unit 60, which are part of the receiving processing unit 32, and the command output unit 72 and the output control unit 74, which are part of the control unit 70, are implemented by software executed by the CPU 50. Here, the processing time unit of the CPU 50 may be larger than the processing time unit up to the frequency discrimination unit 40, taking into consideration the processing load of the CPU 50. In this case, during one processing time unit of the CPU 50, the data of multiple discrete frequency spectra processed by the frequency discrimination unit 40 will be read at once and processed by the CPU 50.
スペクトル特徴抽出部52は、スペクトル形状認識部54とピーク正規化部56とから構成される。スペクトル形状認識部54は、周波数弁別部40から得た離散周波数スペクトルのスペクトル波形SWを、正勾配線分と負勾配線分と平坦線分との3種の線分を用いて、折れ線状に近似する。例えば図5には、図4(c)のスペクトル波形SWと類似した形状のスペクトル波形SWを、折れ線状のスペクトル波形SW´へと近似する様子が示されている。すなわち、正勾配線分Pとは、高域側(図中右側)へ向かってレベルが上昇する線分であり、負勾配線分Mとは、高域側へ向かってレベルが下降する線分であり、平坦線分Fとは、正勾配線分Pや負勾配線分Mに該当しない比較的水平に近い線分である。 The spectral feature extraction unit 52 consists of a spectral shape recognition unit 54 and a peak normalization unit 56. The spectral shape recognition unit 54 approximates the spectral waveform SW of the discrete frequency spectrum obtained from the frequency discrimination unit 40 into a piecewise linear shape using three types of line segments: positive gradient line segments, negative gradient line segments, and flat line segments. For example, Figure 5 shows how a spectral waveform SW similar in shape to the spectral waveform SW in Figure 4(c) is approximated into a piecewise linear spectral waveform SW'. That is, a positive gradient line segment P is a line segment whose level increases toward the high-frequency side (right side in the figure), a negative gradient line segment M is a line segment whose level decreases toward the high-frequency side, and a flat line segment F is a relatively nearly horizontal line segment that does not correspond to a positive gradient line segment P or a negative gradient line segment M.
図5では、スペクトル波形SWが点D1~点D8の間の7本の線分で近似されており、64波の周波数成分を有する離散周波数スペクトルから規定されるスペクトル波形SWの状態と比較して、データ量が圧縮されている。なお、スペクトル波形SWの近似に用いられる線分の種類や線分の数などは、スペクトル波形SWの形状や非結合レベル包絡線UEの単調増加特性などが考慮されて決定される。また、図5や、後述する図6、図9上部の図、図10(b)及び(c)、図11、図12では、縦軸及び横軸の図示を省略しているが、それらは何れも、縦軸がレベル(上側へ向かって大)であり、横軸が周波数(右側へ向かって高域)である。 In Figure 5, the spectral waveform SW is approximated by seven line segments between points D1 and D8. Compared to the spectral waveform SW defined from a discrete frequency spectrum with 64 frequency components, the amount of data is compressed. The type and number of line segments used in approximating the spectral waveform SW are determined considering factors such as the shape of the spectral waveform SW and the monotonically increasing characteristics of the uncoupled level envelope UE. Furthermore, while the vertical and horizontal axes are omitted in Figure 5, and in Figures 6, the upper part of Figure 9, Figures 10(b) and (c), 11, and 12 (described later), in all of these, the vertical axis represents level (higher towards the top) and the horizontal axis represents frequency (higher towards the right).
また、スペクトル形状認識部54は、折れ線状のスペクトル波形SW´を構成する全ての線分(図5の例では7本の線分)の各々について、線分1次属性群を算出する。本実施形態の線分1次属性群には、各線分の始点(周波数低域側の端点)の周波数、レベル、及び位相と、各線分の終点(周波数高域側の端点)の周波数、レベル、及び位相とが含まれている。周波数及びレベルは、各線分の始点又は終点が位置している周波数及びレベルであり、位相は、周波数弁別部40において離散周波数スペクトルを抽出する際に得られた、各線分の始点又は終点の周波数成分における位相である。例えば、図5の左から3本目に位置する正勾配線分Pは、始点がD3で終点がD4であって、その始点D3の周波数、レベル、及び位相と、その終点D4の周波数、レベル、及び位相とが、上記のように算出される。 Furthermore, the spectral shape recognition unit 54 calculates a primary attribute group for each of the line segments (seven line segments in the example of Figure 5) that constitute the piecewise spectral waveform SW'. The primary attribute group for each line segment in this embodiment includes the frequency, level, and phase of the starting point (the endpoint on the low-frequency side) of each line segment, and the frequency, level, and phase of the ending point (the endpoint on the high-frequency side) of each line segment. The frequency and level are the frequency and level at which the starting or ending point of each line segment is located, and the phase is the phase in the frequency component of the starting or ending point of each line segment obtained when the discrete frequency spectrum is extracted by the frequency discrimination unit 40. For example, the positive gradient line segment P, located third from the left in Figure 5, has its starting point D3 and ending point D4, and its frequency, level, and phase at the starting point D3 and its ending point D4 are calculated as described above.
更に、スペクトル形状認識部54は、折れ線状のスペクトル波形SW´を構成する全ての線分の各々について、線分1次属性群を利用して線分2次属性群を算出する。本実施形態の線分2次属性群には、レベル差、帯域幅、及び位相差が含まれており、レベル差とは、各線分の始点のレベルと終点のレベルとの差である。また、帯域幅とは、各線分の始点の周波数と終点の周波数との差であり、位相差とは、各線分の始点の位相と終点の位相との差である。例えば、図5の右から2本目に位置する負勾配線分Mについては、終点D7のレベルから始点D6のレベルが減算されてレベル差が算出され、終点D7の周波数から始点D6の周波数が減算されて帯域幅が算出され、終点D7の位相から始点D6の位相が減算されて位相差が算出される。スペクトル形状認識部54で算出された各属性は、以降の処理などのために保持される。 Furthermore, the spectral shape recognition unit 54 calculates a secondary line segment attribute group for each of the line segments constituting the piecewise spectral waveform SW' using the primary line segment attribute group. The secondary line segment attribute group in this embodiment includes level difference, bandwidth, and phase difference. Level difference is the difference between the level at the starting point and the level at the ending point of each line segment. Bandwidth is the difference between the frequency at the starting point and the frequency at the ending point of each line segment, and phase difference is the difference between the phase at the starting point and the phase at the ending point of each line segment. For example, for the negative gradient line segment M located second from the right in Figure 5, the level difference is calculated by subtracting the level at the starting point D6 from the level at the ending point D7; the bandwidth is calculated by subtracting the frequency at the starting point D6 from the frequency at the ending point D7; and the phase difference is calculated by subtracting the phase at the starting point D6 from the phase at the ending point D7. Each attribute calculated by the spectral shape recognition unit 54 is retained for subsequent processing.
続いて、ピーク正規化部56は、スペクトル形状認識部54で折れ線状に近似されたスペクトル波形SW´を読み取って、図6に示されるようなピーク形状PSを抽出する。すなわち、ピーク形状PSとは、図6(a)に示されるように、周波数高域側(図中右側)へ向かって正勾配線分Pから負勾配線分Mへと変化する部分である。更に、ピーク形状PSは、図6(b)に示されるように、周波数高域側(図中右側)へ向かって正勾配線分Pから平坦線分Fを経て負勾配線分Mへと変化する部分であって、その平坦線分Fの帯域幅(図中左右方向の長さ)が比較的小さい微小帯域幅となっている部分であってもよい。なお、ピーク形状PSとは、図3を参照して言及した所定形状の候補と見なせるものである。 Next, the peak normalization unit 56 reads the spectral waveform SW' approximated as a piecewise linear shape by the spectral shape recognition unit 54 and extracts the peak shape PS as shown in Figure 6. That is, the peak shape PS is the portion where the waveform changes from a positive gradient line segment P to a negative gradient line segment M towards the higher frequency side (right side in the figure), as shown in Figure 6(a). Furthermore, the peak shape PS may also be the portion where the waveform changes from a positive gradient line segment P to a flat line segment F and then to a negative gradient line segment M towards the higher frequency side (right side in the figure), as shown in Figure 6(b), and where the bandwidth (length in the left-right direction in the figure) of the flat line segment F is a relatively small bandwidth. Note that the peak shape PS can be considered a candidate for the predetermined shape mentioned with reference to Figure 3.
また、上記のようなピーク形状PSの抽出に先立ち、折れ線状に近似されたスペクトル波形SW´に、正勾配線分Pと正勾配線分Pとの間に帯域幅が比較的小さい(微小帯域幅)平坦線分Fが含まれている部分が存在する場合は、それら2本の正勾配線分Pと平坦線分Fとを統合して1本の正勾配線分Pとして扱ってもよい。同様に、負勾配線分Mと負勾配線分Mとの間に帯域幅が比較的小さい(微小帯域幅)平坦線分Fが含まれている部分が存在する場合は、それら2本の負勾配線分Mと平坦線分Fとを統合して1本の負勾配線分Mとして扱ってもよい。 Furthermore, prior to extracting the peak shape PS as described above, if the piecewise approximated spectral waveform SW' contains a portion where a relatively small bandwidth (very small bandwidth) flat line segment F is present between two positive gradient line segments P, these two positive gradient line segments P and flat line segment F may be integrated and treated as a single positive gradient line segment P. Similarly, if a portion contains a relatively small bandwidth (very small bandwidth) flat line segment F between two negative gradient line segments M, these two negative gradient line segments M and flat line segment F may be integrated and treated as a single negative gradient line segment M.
例えば図5の例では、左から4本目の平坦線分Fの帯域幅が比較的小さいものとして、点D3から点D6までを1本の正勾配線分Pとして統合して、点D3から点D7までをピーク形状PSとして抽出する。図6(b)のようなピーク形状PSに含めるために微小帯域幅とする平坦線分Fの判断や、2本の正勾配線分P或いは2本の負勾配線分Mと統合するために微小帯域幅とする平坦線分Fの判断は、実験結果などに応じたパラメータを使用して行うものとする。なお、折れ線状のスペクトル波形SW´から、複数のピーク形状PSが同時に抽出されてもよく、条件が満たされなければピーク形状PSが抽出されなくてもよい。折れ線状のスペクトル波形SW´から抽出されたピーク形状PSの数は、後段の処理のために保持される。 For example, in the example in Figure 5, assuming that the bandwidth of the fourth flat line segment F from the left is relatively small, points D3 to D6 are integrated as a single positive gradient line segment P, and points D3 to D7 are extracted as the peak shape PS. The determination of which flat line segments F should have a small bandwidth to be included in the peak shape PS as shown in Figure 6(b), or which flat line segments F should have a small bandwidth to be integrated with two positive gradient line segments P or two negative gradient line segments M, should be performed using parameters based on experimental results. Note that multiple peak shapes PS may be extracted simultaneously from the piecewise spectral waveform SW', and if the conditions are not met, no peak shape PS may be extracted. The number of peak shapes PS extracted from the piecewise spectral waveform SW' is retained for subsequent processing.
また、ピーク正規化部56は、折れ線状のスペクトル波形SW´から抽出された全てのピーク形状PSの各々について、正規化ピーク1次属性群を算出する。本実施形態の正規化ピーク1次属性群には、正規化ピークレベル、正規化ピーク帯域幅、正規化ピーク周波数、正規化ピーク絶対レベル、及び正規化ピーク位相差が含まれている。図6に示されるように、正規化ピークレベルNLは、各ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pのレベル差の絶対値と、各ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mのレベル差の絶対値との合計である。図6(a)では、理解を容易にするために、点D11から点D12までの負勾配線分Mの正負を反転(絶対値のため)して、点D11から点D12´までの負勾配線分M´として破線で示しており、点D10から点D12´までのレベルが正規化ピークレベルNLに相当する。同様に、図6(b)では、点D17から点D18までの負勾配線分Mの正負を反転したものを、点D17から点D18´までの負勾配線分M´として破線で示しており、点D15から点D18´までのレベルが正規化ピークレベルNLに相当する。 Furthermore, the peak normalization unit 56 calculates a group of normalized peak primary attributes for each of the peak shapes PS extracted from the piecewise spectral waveform SW'. The group of normalized peak primary attributes in this embodiment includes the normalized peak level, normalized peak bandwidth, normalized peak frequency, normalized peak absolute level, and normalized peak phase difference. As shown in Figure 6, the normalized peak level NL is the sum of the absolute value of the level difference of the positive gradient line segment P that constitutes each peak shape PS and the absolute value of the level difference of the negative gradient line segment M that constitutes each peak shape PS. In Figure 6(a), for ease of understanding, the sign of the negative gradient line segment M from point D11 to point D12 is reversed (because it is an absolute value) and shown as a dashed line as the negative gradient line segment M' from point D11 to point D12', and the level from point D10 to point D12' corresponds to the normalized peak level NL. Similarly, in Figure 6(b), the negative gradient line segment M from point D17 to point D18 is reversed in sign and shown as a dashed line as the negative gradient line segment M' from point D17 to point D18'. The level from point D15 to point D18' corresponds to the normalized peak level NL.
正規化ピーク帯域幅NBは、図6(a)に示されるように、各ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pの帯域幅と、各ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mの帯域幅との合計である。また、ピーク形状PSに微小帯域幅の平坦線分Fが含まれる場合は、正規化ピーク帯域幅NBは、図6(b)に示されるように、正勾配線分Pの帯域幅と平坦線分Fの帯域幅と負勾配線分Mの帯域幅との合計である。正規化ピーク周波数NFは、各ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pの終点の周波数と、各ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mの始点の周波数との平均であり、例えばそれら2つの周波数を合計して2で除した数値である。 The normalized peak bandwidth NB is the sum of the bandwidths of the positive gradient line segments P and the negative gradient line segments M that constitute each peak shape PS, as shown in Figure 6(a). Furthermore, if the peak shape PS includes a flat line segment F with a small bandwidth, the normalized peak bandwidth NB is the sum of the bandwidths of the positive gradient line segment P, the flat line segment F, and the negative gradient line segment M, as shown in Figure 6(b). The normalized peak frequency NF is the average of the endpoint frequency of the positive gradient line segment P and the starting frequency of the negative gradient line segment M that constitutes each peak shape PS; for example, it is the sum of these two frequencies divided by 2.
正規化ピーク絶対レベルNALは、各ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pの終点のレベルと、各ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mの始点のレベルとの平均であり、例えばそれら2つのレベルを合計して2で除した数値である。正規化ピーク位相差は、各ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pの位相差と、各ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mの位相差との合計である。また、図6(b)のようにピーク形状PSに微小帯域幅の平坦線分Fが含まれる場合は、正規化ピーク位相差は、正勾配線分Pの位相差と平坦線分Fの位相差と負勾配線分Mの位相差との合計である。 The normalized peak absolute level (NAL) is the average of the levels at the endpoints of the positive gradient line segments P that constitute each peak shape PS and the levels at the starting points of the negative gradient line segments M that constitute each peak shape PS. For example, it is the sum of these two levels divided by 2. The normalized peak phase difference is the sum of the phase differences of the positive gradient line segments P that constitute each peak shape PS and the phase differences of the negative gradient line segments M that constitute each peak shape PS. Furthermore, if the peak shape PS includes a flat line segment F with a small bandwidth, as shown in Figure 6(b), the normalized peak phase difference is the sum of the phase differences of the positive gradient line segment P, the flat line segment F, and the negative gradient line segment M.
例えば図5の例において、点D3~点D7までがピーク形状PSとして抽出された場合は、このピーク形状PSについて、上記のように正規化ピーク1次属性群の各属性を算出する。なお、正規化ピークレベルNLの算出で使用される各線分のレベル差と、正規化ピーク帯域幅NBの算出で使用される各線分の帯域幅と、正規化ピーク位相差の算出で使用される各線分の位相差とは、スペクトル形状認識部54で算出された線分2次属性群に含まれている。また、正規化ピーク周波数NFの算出で使用される、正勾配線分Pの終点の周波数及び負勾配線分Mの始点の周波数と、正規化ピーク絶対レベルNALの算出で使用される、正勾配線分Pの終点のレベル及び負勾配線分Mの始点のレベルとは、スペクトル形状認識部54で算出された線分1次属性群に含まれている。 For example, in the example in Figure 5, if points D3 to D7 are extracted as the peak shape PS, then each attribute of the normalized peak primary attribute group is calculated for this peak shape PS as described above. Note that the level difference of each line segment used in calculating the normalized peak level NL, the bandwidth of each line segment used in calculating the normalized peak bandwidth NB, and the phase difference of each line segment used in calculating the normalized peak phase difference are included in the line segment secondary attribute group calculated by the spectral shape recognition unit 54. Furthermore, the frequency of the endpoint of the positive gradient line segment P and the frequency of the starting point of the negative gradient line segment M, used in calculating the normalized peak frequency NF, and the level of the endpoint of the positive gradient line segment P and the level of the starting point of the negative gradient line segment M, used in calculating the normalized peak absolute level NAL, are included in the line segment primary attribute group calculated by the spectral shape recognition unit 54.
更に、ピーク正規化部56は、折れ線状のスペクトル波形SW´から抽出された全てのピーク形状PSの各々について、正規化ピーク2次属性群を算出する。本実施形態の正規化ピーク2次属性群には、正規化勾配及び正規化勾配レベル分配比が含まれている。正規化勾配NSは、正規化ピーク1次属性群に含まれる正規化ピークレベルNLと正規化ピーク帯域幅NBとの比であって、例えば正規化ピークレベルNLを正規化ピーク帯域幅NBで除した値が算出される(図9の下部参照)。正規化勾配レベル分配比は、各ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pのレベル差の絶対値PL(図10(b)及び(c)参照)と、各ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mのレベル差の絶対値ML(図10(b)及び(c)参照)との比であって、各線分のレベル差は、スペクトル形状認識部54で算出された線分2次属性群に含まれている。例えば正規化勾配レベル分配比は、正勾配線分Pのレベル差の絶対値を、正勾配線分Pのレベル差の絶対値と負勾配線分Mのレベル差の絶対値との合計で除して算出される。 Furthermore, the peak normalization unit 56 calculates a normalized peak secondary attribute group for each of the peak shapes PS extracted from the piecewise spectral waveform SW'. The normalized peak secondary attribute group in this embodiment includes the normalization gradient and the normalization gradient level distribution ratio. The normalization gradient NS is the ratio of the normalized peak level NL and the normalized peak bandwidth NB included in the normalized peak primary attribute group, and is calculated, for example, by dividing the normalized peak level NL by the normalized peak bandwidth NB (see the bottom of Figure 9). The normalization gradient level distribution ratio is the ratio of the absolute value PL of the level difference of the positive gradient line segment P constituting each peak shape PS (see Figures 10(b) and (c)) to the absolute value ML of the level difference of the negative gradient line segment M constituting each peak shape PS (see Figures 10(b) and (c)), and the level difference of each line segment is included in the line segment secondary attribute group calculated by the spectral shape recognition unit 54. For example, the normalized gradient level distribution ratio is calculated by dividing the absolute value of the level difference of a positive gradient line segment P by the sum of the absolute values of the level differences of the positive gradient line segment P and the negative gradient line segment M.
図2を参照して、上記のようにスペクトル特徴抽出部52で算出された正規化ピーク1次属性群及び正規化ピーク2次属性群は、地上子検出部60へ伝達される。地上子検出部60は、車上子12が地上子80と電磁結合したこと、及び電磁結合した地上子80の共振周波数を検出するものであって、地上子候補判定部62及び地上子最終判定部64を含んでいる。地上子候補判定部62は、スペクトル特徴抽出部52で抽出されたピーク形状PSから、地上子80との結合が発生したことを示すピーク形状PSの候補を選定するものである。また、地上子最終判定部64は、地上子80との結合を示す候補として選定されたピーク形状PSが、本当に地上子80との結合を示すものであるか否かの最終判定と、機器異常や環境異常が発生しているか否かの推定とを行うものである。 Referring to Figure 2, the normalized peak primary attribute group and normalized peak secondary attribute group calculated by the spectral feature extraction unit 52 as described above are transmitted to the ground beacon detection unit 60. The ground beacon detection unit 60 detects that the on-board unit 12 has electromagnetically coupled with the ground beacon 80, and the resonant frequency of the electromagnetically coupled ground beacon 80. It includes a ground beacon candidate determination unit 62 and a ground beacon final determination unit 64. The ground beacon candidate determination unit 62 selects candidate peak shapes PS from the peak shapes PS extracted by the spectral feature extraction unit 52 that indicate coupling with the ground beacon 80 has occurred. The ground beacon final determination unit 64 performs a final determination of whether the peak shape PS selected as a candidate indicating coupling with the ground beacon 80 truly indicates coupling with the ground beacon 80, and estimates whether equipment or environmental abnormalities have occurred.
図7には、地上子候補判定部62の具体的な動作を示すフロー図が示され、図8には、地上子最終判定部64の具体的な動作を示すフロー図が示されており、ここからはこれらのフロー図に沿って説明する。なお、図7及び図8に示すフロー図は、具体的な動作の一例を示したものであって、地上子候補判定部62及び地上子最終判定部64の動作を限定するものではない。従って、例えば地上子検出装置10の構成や状況などに応じて、図7及び図8に示したステップの一部が削除、変更、ないし適宜追加されたフローであってもよいものである。 Figure 7 shows a flowchart illustrating the specific operation of the ground beacon candidate determination unit 62, and Figure 8 shows a flowchart illustrating the specific operation of the ground beacon final determination unit 64. The following explanation will follow these flowcharts. Note that the flowcharts shown in Figures 7 and 8 are examples of specific operations and do not limit the operation of the ground beacon candidate determination unit 62 and the ground beacon final determination unit 64. Therefore, depending on the configuration and circumstances of the ground beacon detection device 10, for example, some of the steps shown in Figures 7 and 8 may be deleted, modified, or added as appropriate.
まずは図7を参照して、地上子候補判定部62の動作について説明する。
S10(データ取得):ピーク正規化部56において抽出されたピーク形状PSの数と、各ピーク形状PSの正規化ピーク1次属性群及び正規化ピーク2次属性群とを、ピーク正規化部56から取得する。
S20(カウンタリセット):地上子80との結合が発生したことを示すピーク形状PSの候補をカウントするための地上子候補カウンタと、後述する地上子判定処理を繰り返した回数をカウントするための処理カウンタとをリセットする。ここでは、地上子候補カウンタをWCC、処理カウンタをiとして地上子候補カウンタWCCにゼロを代入し、処理カウンタiに1を代入する。
First, with reference to Figure 7, the operation of the ground tonearm candidate determination unit 62 will be explained.
S10 (Data acquisition): The number of peak shapes PS extracted by the peak normalization unit 56, and the normalized peak primary attribute group and normalized peak secondary attribute group for each peak shape PS are acquired from the peak normalization unit 56.
S20 (Counter Reset): Resets the ground beacon candidate counter, which counts the number of candidates for peak shape PS indicating that coupling with ground beacon 80 has occurred, and the processing counter, which counts the number of times the ground beacon determination process described later has been repeated. Here, the ground beacon candidate counter is WCC and the processing counter is i, and zero is assigned to the ground beacon candidate counter WCC and 1 is assigned to the processing counter i.
S30(処理カウンタ判定):処理カウンタiがピーク形状PSの数以下であるか否かを判定する。その結果、処理カウンタiがピーク形状PSの数以下であると判定した場合(YES)は、後述する地上子判定処理が行われていないピーク形状PSが残っているため、S40へ移行する。また、処理カウンタiがピーク形状PSの数以下でないと判定した場合(NO)は、抽出された全てのピーク形状PSについて後述する地上子判定処理が終わっている、或いはピーク形状PSが抽出されていないため、地上子候補判定部62による処理が終了となる。 S30 (Processing Counter Determination): The process determines whether the processing counter i is less than or equal to the number of peak shape PSs. If the process determines that the processing counter i is less than or equal to the number of peak shape PSs (YES), then there are still peak shape PSs for which the ground coil determination process described later has not been performed, and the process proceeds to S40. If the process determines that the processing counter i is not less than or equal to the number of peak shape PSs (NO), then the process by the ground coil candidate determination unit 62 ends because the ground coil determination process described later has been completed for all extracted peak shape PSs, or no peak shape PSs have been extracted.
S40(正規化ピークレベル判定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSの正規化ピークレベルNLが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子80との電磁結合により発生したピーク形状PSの正規化ピークレベルNLが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化ピークレベルNLが所定の範囲内であると判定した場合(YES)は、地上子候補の判定を続行するためにS50へ移行し、正規化ピークレベルNLが所定の範囲内でないと判定した場合(NO)はS110へ移行する。 S40 (Normalized Peak Level Determination): The normalized peak level NL of the i-th peak shape PS among the extracted peak shapes PS is determined to be within a predetermined range. This predetermined range is the appropriate range that the normalized peak level NL of the peak shape PS generated by electromagnetic coupling with the ground beacon 80 can take, and is determined based on experimental results, etc. If it is determined that the normalized peak level NL is within the predetermined range (YES), the process proceeds to S50 to continue the ground beacon candidate determination. If it is determined that the normalized peak level NL is not within the predetermined range (NO), the process proceeds to S110.
S50(正規化ピーク帯域幅判定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSの正規化ピーク帯域幅NBが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子80との電磁結合により発生したピーク形状PSの正規化ピーク帯域幅NBが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化ピーク帯域幅NBが所定の範囲内であると判定した場合(YES)は、地上子候補の判定を続行するためにS60へ移行し、正規化ピーク帯域幅NBが所定の範囲内でないと判定した場合(NO)はS110へ移行する。 S50 (Normalized Peak Bandwidth Determination): The normalized peak bandwidth NB of the i-th peak shape PS among the extracted peak shapes PS is determined to be within a predetermined range. This predetermined range is the appropriate range that the normalized peak bandwidth NB of the peak shape PS generated by electromagnetic coupling with the ground beacon 80 can take, and is determined based on experimental results, etc. If it is determined that the normalized peak bandwidth NB is within the predetermined range (YES), the process proceeds to S60 to continue the ground beacon candidate determination. If it is determined that the normalized peak bandwidth NB is not within the predetermined range (NO), the process proceeds to S110.
S60(正規化勾配判定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSの正規化勾配NSが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子80との電磁結合により発生したピーク形状PSの正規化勾配NSが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化勾配NSが所定の範囲内であると判定した場合(YES)は、地上子候補の判定を続行するためにS70へ移行し、正規化勾配NSが所定の範囲内でないと判定した場合(NO)はS110へ移行する。 S60 (Normalization Gradient Determination): This step determines whether the normalization gradient NS of the i-th peak shape PS among the extracted peak shapes PS falls within a predetermined range. This predetermined range is the appropriate range that the normalization gradient NS of the peak shape PS generated by electromagnetic coupling with the ground beacon 80 can take, and is determined based on experimental results, etc. If it is determined that the normalization gradient NS is within the predetermined range (YES), the process proceeds to S70 to continue the ground beacon candidate determination. If it is determined that the normalization gradient NS is not within the predetermined range (NO), the process proceeds to S110.
ここで、図9を参照すると、図9の上部の波形には、左側にノイズが要因のピーク形状PSが図示され、右側に地上子結合によるピーク形状PSが図示されている。これによれば、ノイズによるピーク形状PSの正規化ピーク絶対レベルNALの方が、地上子結合によるピーク形状PSの正規化ピーク絶対レベルNALよりも、大きくなっていることが分かる。このように、ノイズによるピーク形状PSの方が地上子結合によるピーク形状PSよりも、レベルの絶対値が大きくなることも考えられる。そこで、図9の下部に示されるように、双方のピーク形状PSの正規化ピークレベルNL、正規化ピーク帯域幅NB、及び正規化勾配NSを比較する。ここでの正規化勾配NSは、正規化ピークレベルNLを正規化ピーク帯域幅NBで除したものである。すると、ノイズによる正規化ピークレベルNL及び正規化ピーク帯域幅NBよりも、地上子結合による正規化ピークレベルNL及び正規化ピーク帯域幅NBの方が大きくなっている。更に、正規化勾配NSについては、ノイズの方が地上子結合よりも大きくなっており、地上子結合の方がノイズよりも傾きが緩くなっている。上記のS40、S50、S60では、このような関係を利用して、ノイズなどと地上子結合との切り分けを行なうものである。 Referring to Figure 9, the waveform at the top of Figure 9 shows the peak shape PS caused by noise on the left and the peak shape PS caused by ground beacon coupling on the right. From this, it can be seen that the normalized absolute peak level NAL of the peak shape PS caused by noise is greater than the normalized absolute peak level NAL of the peak shape PS caused by ground beacon coupling. Thus, it is conceivable that the absolute value of the level of the peak shape PS caused by noise may be greater than that of the peak shape PS caused by ground beacon coupling. Therefore, as shown at the bottom of Figure 9, we compare the normalized peak level NL, normalized peak bandwidth NB, and normalized gradient NS of both peak shapes PS. Here, the normalized gradient NS is obtained by dividing the normalized peak level NL by the normalized peak bandwidth NB. As a result, the normalized peak level NL and normalized peak bandwidth NB are greater for the ground beacon coupling than for the noise. Furthermore, the normalized gradient NS is greater for noise than for ground beacon coupling, and the slope is gentler for ground beacon coupling than for noise. In steps S40, S50, and S60 above, this relationship is used to differentiate between noise and ground-level signal coupling.
S70(正規化勾配レベル分配比判定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSの正規化勾配レベル分配比が、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子80との電磁結合により発生したピーク形状PSの正規化勾配レベル分配比が取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化勾配レベル分配比が所定の範囲内であると判定した場合(YES)は、地上子候補の判定を続行するためにS80へ移行し、正規化勾配レベル分配比が所定の範囲内でないと判定した場合(NO)はS110へ移行する。 S70 (Normalized Gradient Level Distribution Ratio Determination): This step determines whether the normalized gradient level distribution ratio of the i-th peak shape PS among the extracted peak shapes PS falls within a predetermined range. This predetermined range is the appropriate range that the normalized gradient level distribution ratio of the peak shapes PS generated by electromagnetic coupling with the ground beacon 80 can take, and is determined based on experimental results, etc. If it is determined that the normalized gradient level distribution ratio is within the predetermined range (YES), the process proceeds to S80 to continue the ground beacon candidate determination. If it is determined that the normalized gradient level distribution ratio is not within the predetermined range (NO), the process proceeds to S110.
ここで、図10(a)を参照すると、鉄道車両86の走行に伴って車上子12が地上子80に接近するとき、それらの位置関係に応じた磁束の影響でメインローブ90及びサイドローブ92が発生する。メインローブ90は、地上子80との結合を検出するために検知すべきものであって、このときに発生するピーク形状PSは、図10(b)に示すように、極大点maxとなる共振周波数よりも低域側に、極小点minとなる反共振周波数が位置している。このため、図示のように、正勾配線分Pのレベル差の絶対値PLの方が、負勾配線分Mのレベル差の絶対値MLよりも大きくなる。従って、それらの2値の比である正規化勾配レベル分配比は、「PL/(PL+ML)」により算出すると、0.5よりも大きくなる。 Referring to Figure 10(a), as the on-board unit 12 approaches the ground unit 80 due to the movement of the railway vehicle 86, a main lobe 90 and side lobes 92 are generated due to the influence of magnetic flux corresponding to their relative positions. The main lobe 90 is to be detected in order to detect coupling with the ground unit 80. As shown in Figure 10(b), the peak shape PS generated at this time has its anti-resonant frequency (minimum) located lower than the resonant frequency (maximum). Therefore, as shown in the figure, the absolute value PL of the level difference of the positive gradient line segment P is greater than the absolute value ML of the level difference of the negative gradient line segment M. Consequently, the normalized gradient level distribution ratio, which is the ratio of these two values, is greater than 0.5 when calculated using "PL / (PL + ML)".
一方、サイドローブ92は、メインローブ90の前後のタイミングで2回発生するが、地上子80との結合として検知すべきものではない。サイドローブ92で発生するピーク形状PSは、図10(c)に示すように、極大点maxとなる共振周波数よりも高域側に、極小点minとなる反共振周波数が位置しており、磁束の向きの影響で、共振周波数と反共振周波数との大小関係がメインローブ90と逆になっている。このため、図示のように、正勾配線分Pのレベル差の絶対値PLよりも、負勾配線分Mのレベル差の絶対値MLの方が大きくなる。従って、それらの2値の比である正規化勾配レベル分配比は、「PL/(PL+ML)」により算出すると、0.5以下になる。上記のS70では、このような正規化勾配レベル分配比の特性を利用して、メインローブ90とサイドローブ92との切り分けなどを行なうものである。 On the other hand, the side lobe 92 occurs twice, before and after the main lobe 90, but it should not be detected as a coupling with the ground sensor 80. As shown in Figure 10(c), the peak shape PS generated by the side lobe 92 has its minimum point (min) at a higher frequency than the maximum point (max) at the resonant frequency. Due to the influence of the magnetic flux direction, the relative magnitudes of the resonant and anti-resonant frequencies are reversed compared to the main lobe 90. Therefore, as shown in the figure, the absolute value ML of the level difference of the negative gradient line segment M is greater than the absolute value PL of the level difference of the positive gradient line segment P. Consequently, the normalized gradient level distribution ratio, which is the ratio of these two values, is less than or equal to 0.5 when calculated using "PL / (PL + ML)". In the above-described S70, this characteristic of the normalized gradient level distribution ratio is used to separate the main lobe 90 from the side lobe 92.
S80(正規化ピーク周波数判定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSの正規化ピーク周波数NFが、予め設定された所定の範囲内の値であるか否かを判定する。ここでの所定の範囲とは、地上子80との電磁結合により発生したピーク形状PSの正規化ピーク周波数NFが取り得る適切な範囲であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、正規化ピーク周波数NFが所定の範囲内であると判定した場合(YES)は、図7のフロー図での地上子判定処理を全て満たしたものとしてS90へ移行し、正規化ピーク周波数NFが所定の範囲内でないと判定した場合(NO)はS110へ移行する。 S80 (Normalized Peak Frequency Determination): This step determines whether the normalized peak frequency NF of the i-th peak shape PS among the extracted peak shapes PS falls within a predetermined range. This predetermined range is the appropriate range that the normalized peak frequency NF of the peak shape PS generated by electromagnetic coupling with the ground beacon 80 can take, and is determined based on experimental results, etc. If it is determined that the normalized peak frequency NF is within the predetermined range (YES), the process proceeds to S90, as all the ground beacon determination processes in the flowchart of Figure 7 have been satisfied. If it is determined that the normalized peak frequency NF is not within the predetermined range (NO), the process proceeds to S110.
S90(地上子候補決定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSが地上子80との結合を示す候補であると判定し、i番目のピーク形状PSにそのようなフラグをセットする。
S100(地上子候補カウンタインクリメント):地上子候補カウンタWCCをインクリメントして1増加させる。
S110(地上子候補否定):抽出されたピーク形状PSのうち、i番目のピーク形状PSが地上子80との結合を示す候補ではないと判定する。
S120(処理カウンタインクリメント):処理カウンタiをインクリメントして1増加させる。そして、地上子判定処理の続行を判断するために上記S30へ復帰する。すなわち、検出された全てのピーク形状PSについての判定処理が終了するまで、上記S40~S120を繰り返し実行する。
S90 (Ground coil candidate determination): Of the extracted peak shapes PS, the i-th peak shape PS is determined to be a candidate indicating a connection with ground coil 80, and a flag is set to the i-th peak shape PS.
S100 (Ground coil candidate counter increment): Increment the ground coil candidate counter WCC by 1.
S110 (Rejection of Ground Coil Candidate): It is determined that the i-th peak shape PS among the extracted peak shapes PS is not a candidate indicating a connection with Ground Coil 80.
S120 (Processing counter increment): The processing counter i is incremented by 1. Then, the process returns to S30 to determine whether to continue the ground signal determination process. In other words, steps S40 to S120 are repeatedly executed until the determination process for all detected peak shapes PS is completed.
次に図8を参照して、地上子最終判定部64の動作について説明する。
S200(ピーク形状数判定):図7のS10で取得したピーク形状PSの数が、予め設定された所定の数以上であるか否かを判定する。ここでの所定の数とは、複数のピーク形状PSを同時に発生させるノイズと地上子結合との切り分けを行なうための適切な値であり、実験の結果などに基づいて定められるものである。そして、ピーク形状PSの数が所定の数以上であると判定した場合(YES)はS210へ移行し、ピーク形状PSの数が所定の数より小さいと判定した場合(NO)はS220へ移行する。
Next, with reference to Figure 8, the operation of the ground tone final determination unit 64 will be explained.
S200 (Peak Shape Count Determination): This step determines whether the number of peak shapes PS obtained in S10 of Figure 7 is equal to or greater than a predetermined number. The predetermined number is an appropriate value for distinguishing between noise that generates multiple peak shapes PS simultaneously and ground-level coupling, and is determined based on experimental results, etc. If it is determined that the number of peak shapes PS is equal to or greater than the predetermined number (YES), the process proceeds to S210. If it is determined that the number of peak shapes PS is less than the predetermined number (NO), the process proceeds to S220.
ここで、図11には、ノイズが原因と考えられる複数のピーク形状PSが例示されている。特に電源系から生じるパルスノイズは、短時間ながらも広帯域で発生する傾向にあるため、図示のように複数のピーク形状PSが同時に抽出される。その中で、例えば左から2番目のピーク形状PSのように、地上子結合時と類似した形状のピーク形状PSが得られる可能性もある。しかしながら、それと同時に他の周波数で複数のピーク形状PSが抽出された場合は、同時に抽出された全てのピーク形状PSがノイズに起因するものである確率が高く、地上子候補の排除対象と見なせる。上記のS200では、これを利用してノイズと地上子結合との切り分けを行なうものである。 Figure 11 illustrates several peak shapes PS that are thought to be caused by noise. Pulse noise originating from the power supply system, in particular, tends to occur over a wide bandwidth, albeit for a short duration, resulting in the simultaneous extraction of multiple peak shapes PS as shown in the figure. Among these, it is possible to obtain a peak shape PS similar in shape to that observed during ground coil coupling, such as the second peak shape PS from the left. However, if multiple peak shapes PS are extracted at other frequencies simultaneously, there is a high probability that all simultaneously extracted peak shapes PS are due to noise, and they can be considered candidates for ground coil exclusion. In S200 described above, this is used to differentiate between noise and ground coil coupling.
S210(地上子無し及び環境異常有り):上記S200において、ノイズが要因と考えられる数以上の複数のピーク形状PSが同時に抽出されたと判定されたため、抽出されたピーク形状PSに地上子結合を示すものはないと判定する。また、ノイズが発生しているため、環境異常有りと判定する。
S220(地上子候補カウンタ第1判定):地上子候補カウンタWCCが3以上であるか否かを判定する。そして、地上子候補カウンタWCCが3以上である場合(YES)はS230へ移行し、地上子候補カウンタWCCが2以下である場合(NO)はS260へ移行する。
S210 (No ground coils and abnormal environmental conditions): In S200, it was determined that more than the number of peak shapes PS that could be attributed to noise were extracted simultaneously. Therefore, it is determined that none of the extracted peak shapes PS indicate ground coil coupling. Furthermore, since noise is present, it is determined that there is an abnormal environmental condition.
S220 (First determination of ground coil candidate counter): Determine whether the ground coil candidate counter WCC is 3 or greater. If the ground coil candidate counter WCC is 3 or greater (YES), proceed to S230; if the ground coil candidate counter WCC is 2 or less (NO), proceed to S260.
S230(地上子候補カウンタ第2判定):地上子候補カウンタWCCが3以上である状態が、長時間継続しているか否かを判定する。ここでの長時間継続とは、受信処理部32において車上子12の2次コイル16から新たな受信波を読み取り、そこから離散周波数スペクトルやピーク形状PSなどを抽出する処理を、何回か行っているにも関わらず、その間に地上子候補カウンタWCCが3以上の状態がずっと続いている状況を示している。この判定に用いられる時間(処理回数)は、実験などに基づいて設定される。そして、上記の状態が長時間継続していると判定された場合(YES)はS240へ移行し、長時間継続していないと判定された場合(NO)はS250へ移行する。なお、上記S220や本ステップS230で地上子候補カウンタWCCの判定に用いている「3」という値は一例であって、別の値であってもよい。 S230 (Ground Tone Candidate Counter Second Determination): This step determines whether the ground tonenea candidate counter WCC has remained at 3 or higher for an extended period. "Extended period" here refers to a situation where, despite the receiving processing unit 32 repeatedly reading new received waves from the secondary coil 16 of the on-board tonenea 12 and extracting discrete frequency spectra and peak shape PS, the ground tonenea candidate counter WCC remains at 3 or higher throughout this process. The time (number of processing cycles) used for this determination is set based on experiments, etc. If it is determined that the above state has continued for an extended period (YES), the process proceeds to S240; if it is determined that it has not continued for an extended period (NO), the process proceeds to S250. Note that the value "3" used in the determination of the ground tonenea candidate counter WCC in S220 and this step S230 is just an example, and other values may be used.
S240(地上子無し及び機器異常有り):地上子候補カウンタWCCが3以上の状態が長時間継続しているため、これは地上子検出装置10の何れかの部位で故障などが発生していることが原因と推定し、機器異常が発生していると判定する。また、地上子候補カウンタWCCでのカウント結果は、機器異常によるものであり、地上子結合を示すピーク形状PSによるものではないと判断して、地上子結合はないと判定する。
S250(地上子無し及び環境異常有り):地上子候補カウンタWCCが3以上の状態が長時間継続してはいないものの、地上子結合の候補とされるピーク形状PSが3つ以上あるのは、異常であると判断する。このため、ノイズなどの環境異常が発生していると判定し、また、地上子結合は検出されていないと判定する。
S240 (No ground beacon and equipment malfunction): Since the ground beacon candidate counter WCC has remained at 3 or higher for an extended period, it is presumed that this is due to a malfunction or other issue in one of the parts of the ground beacon detection device 10, and therefore an equipment malfunction is detected. Furthermore, the count result of the ground beacon candidate counter WCC is determined to be due to an equipment malfunction and not to the peak shape PS indicating ground beacon coupling, and therefore no ground beacon coupling is detected.
S250 (No ground beacon and environmental anomaly present): Although the ground beacon candidate counter WCC has not remained at 3 or higher for an extended period, the presence of three or more peak shapes PS, which are considered candidates for ground beacon coupling, is judged to be an anomaly. Therefore, it is determined that environmental anomalies such as noise are occurring, and that ground beacon coupling has not been detected.
S260(地上子候補カウンタ第3判定):地上子候補カウンタWCCが2であるか否かを判定する。そして、地上子候補カウンタWCCが2である場合(YES)はS270へ移行し、地上子候補カウンタWCCが1以下である場合(NO)はS280へ移行する。
S270(地上子検出):図7のS90において地上子結合を示す候補としてのフラグがセットされた2つのピーク形状PSのうち、正規化ピークレベルNLが大きい方のピーク形状PSを、地上子80との結合を示すものであると判定する。
S260 (Ground coil candidate counter third determination): Determine whether the ground coil candidate counter WCC is 2 or not. If the ground coil candidate counter WCC is 2 (YES), proceed to S270; if the ground coil candidate counter WCC is 1 or less (NO), proceed to S280.
S270 (Ground coil detection): Of the two peak shapes PS that were flagged as candidates indicating ground coil coupling in S90 of Figure 7, the peak shape PS with the larger normalized peak level NL is determined to indicate coupling with ground coil 80.
S280(地上子候補カウンタ第4判定):地上子候補カウンタWCCが1であるか否かを判定する。そして、地上子候補カウンタWCCが1である場合(YES)はS290へ移行し、地上子候補カウンタWCCが1ではない、すなわちゼロである場合(NO)はS300へ移行する。
S290(地上子検出):図7のS90において地上子結合を示す候補としてのフラグがセットされた1つのピーク形状PSを、地上子80との結合を示すものであると判定する。
S280 (Ground coil candidate counter 4th determination): Determine whether the ground coil candidate counter WCC is 1 or not. If the ground coil candidate counter WCC is 1 (YES), proceed to S290; if the ground coil candidate counter WCC is not 1, i.e., zero (NO), proceed to S300.
S290 (Ground coil detection): In S90 of Figure 7, one peak shape PS that has been flagged as a candidate indicating ground coil coupling is determined to indicate coupling with ground coil 80.
S300(地上子無し):図7のS90において地上子結合を示す候補としてフラグがセットされたピーク形状PSが存在しないため、地上子80は検出されなかったと判定する。
S310(情報送信):本ステップに至る1つ前のステップで判定された内容を、制御部70へ送信する。すなわち、地上子80が検出されたこと或いは検出されなかったこと、検出された場合はその地上子80の所定周波数、環境異常の有無、機器異常の有無、各ピーク形状PS(特にノイズや機器異常によるものとされたピーク形状PS)の正規化ピーク1次属性群や正規化ピーク2次属性群などを送信する。ここまでの処理により、地上子最終判定部64による処理が終了となる。
S300 (No ground beacon): In S90 of Figure 7, there is no peak shape PS that has been flagged as a candidate indicating ground beacon coupling, so it is determined that ground beacon 80 was not detected.
S310 (Information Transmission): The information determined in the step immediately preceding this step is transmitted to the control unit 70. Specifically, it is transmitted whether or not the ground beacon 80 was detected, if detected, the predetermined frequency of that ground beacon 80, whether or not there is an environmental abnormality, whether or not there is an equipment abnormality, and the normalized peak primary attribute group and normalized peak secondary attribute group for each peak shape PS (especially peak shapes PS that are attributed to noise or equipment abnormalities). With this processing complete, the processing by the ground beacon final determination unit 64 is finished.
再度図2へと戻り、制御部70の指令出力部72は、地上子検出部60から取得した情報や速度照査などに基づいて、出力制御部74へ列車制御情報を出力する。すなわち、地上子検出部60から地上子80が検出されたことが通知された場合は、検出された地上子80の共振周波数を取得し、その共振周波数が示す情報(停止現示や速度現示など)を特定して、列車制御情報へ反映する。また、出力制御部74は、指令出力部72からの列車制御情報に基づいて、車両制御部78(図1参照)による具体的なブレーキ制御や速度制御を行なうための制御信号を、I/F回路76へと出力する。 Returning to Figure 2, the command output unit 72 of the control unit 70 outputs train control information to the output control unit 74 based on information acquired from the ground beacon detection unit 60 and speed checks. Specifically, when the ground beacon detection unit 60 notifies that a ground beacon 80 has been detected, it acquires the resonant frequency of the detected ground beacon 80, identifies the information indicated by that resonant frequency (such as a stop indication or speed indication), and reflects it in the train control information. Furthermore, the output control unit 74 outputs control signals to the I/F circuit 76 for specific brake control and speed control by the vehicle control unit 78 (see Figure 1) based on the train control information from the command output unit 72.
なお、制御部70は、スペクトル特徴抽出部52で算出された各種の属性、すなわち、線分1次属性群、線分2次属性群、正規化ピーク1次属性群、及び正規化ピーク2次属性群に含まれる属性や、抽出されたピーク形状PSの数、地上子候補としてカウントされたピーク形状PSの数などを利用して、既存の機能の補助や高機能化などを目的とした任意の処理を行ってもよい。例えば、制御部70は、図8のS210及びS250でノイズによるものと判定されたピーク形状PSの、正規化ピーク1次属性群及び正規化ピーク2次属性群などを利用して、ノイズの解析を行ってもよい。同様に、制御部70は、図8のS240で機器異常が発生していると判定されたときの各種の属性を利用して、機器異常の解析を行ってもよい。 Furthermore, the control unit 70 may perform arbitrary processing for the purpose of assisting existing functions or enhancing functionality, using various attributes calculated by the spectral feature extraction unit 52, namely, attributes included in the line segment primary attribute group, line segment secondary attribute group, normalized peak primary attribute group, and normalized peak secondary attribute group, as well as the number of extracted peak shapes PS and the number of peak shapes PS counted as ground tone candidates. For example, the control unit 70 may perform noise analysis using the normalized peak primary attribute group and normalized peak secondary attribute group of the peak shapes PS determined to be due to noise in S210 and S250 of Figure 8. Similarly, the control unit 70 may perform equipment malfunction analysis using various attributes when equipment malfunction is determined to have occurred in S240 of Figure 8.
ここで、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、図1~図12に示された構成に限定されるものではなく、別の構成であってもよい。例えば、地上子検出装置10は、ATSの地上子80に限定されず、他の鉄道装置の地上子80を検出するものであってよい。また、地上子80が共振周波数として有し得る複数の所定周波数は、図3のf1~f8に限定されるものではなく、別の周波数、より多くの周波数、より少ない周波数であってもよい。それに応じて、送信処理部22で発生する送信波の離散周波数スペクトルも、70kHz~139kHzの帯域、1kHz又は2kHzの周波数間隔、及び64波の周波数に限定されるものではなく、別の帯域、別の周波数間隔、及び別の数の周波数であってよい。更に、線分1次属性群、線分2次属性群、正規化ピーク1次属性群、及び正規化ピーク2次属性群の各々の構成は、上述したものに限定されることはなく、上述の何れかの属性が含まれない構成や、別の属性が含まれる構成であってもよい。また、各属性の算出方法が、上記と異なっていてもよい。 Herein, the ground coil detection device 10 according to the embodiment of the present invention is not limited to the configuration shown in Figures 1 to 12, but may have a different configuration. For example, the ground coil detection device 10 is not limited to the ground coil 80 of the ATS, but may detect ground coils 80 of other railway equipment. Also, the multiple predetermined frequencies that the ground coil 80 may have as resonant frequencies are not limited to f1 to f8 in Figure 3, but may be other frequencies, more frequencies, or fewer frequencies. Accordingly, the discrete frequency spectrum of the transmitted wave generated by the transmission processing unit 22 is not limited to a bandwidth of 70 kHz to 139 kHz, a frequency interval of 1 kHz or 2 kHz, and 64 frequencies, but may be a different bandwidth, a different frequency interval, and a different number of frequencies. Furthermore, the configurations of the line segment primary attribute group, line segment secondary attribute group, normalized peak primary attribute group, and normalized peak secondary attribute group are not limited to those described above, and may be configurations that do not include any of the above-described attributes, or configurations that include other attributes. Also, the calculation method for each attribute may differ from that described above.
さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、図1及び図2に示すように、走行中の鉄道車両86から地上子80を検出するものであって、車上子12、送信処理部22、前段処理部34、周波数弁別部40、スペクトル特徴抽出部52、及び地上子検出部60を含んでいる。車上子12は、互いに疎結合する1次コイル14及び2次コイル16を有してそれらの間で送受信を常時行っており、鉄道車両86が走行しているときに、鉄道車両86に取り付けられた車上子12が線路84近傍の地上子80に近接すると、地上子80と車上子12とが電磁結合する。送信処理部22は、離散周波数スペクトルを有する送信波を、車上子12の1次コイル14へと注入するものである。その送信波の離散周波数スペクトルは、検出対象の地上子80が共振周波数として有している可能性のある複数の所定周波数(例えば図3のf1~f8)の全てを包含する複数の周波数を、複数の所定周波数よりも小さい周波数間隔Δf(図4(a)参照)で含んでいる。 Now, according to the embodiment of the present invention having the above configuration, the following effects can be obtained. That is, as shown in Figures 1 and 2, the ground beacon detection device 10 according to the embodiment of the present invention detects a ground beacon 80 from a moving railway vehicle 86, and includes an on-board unit 12, a transmission processing unit 22, a pre-processing unit 34, a frequency discrimination unit 40, a spectral feature extraction unit 52, and a ground beacon detection unit 60. The on-board unit 12 has a primary coil 14 and a secondary coil 16 that are loosely coupled to each other and constantly transmit and receive signals between them. When the railway vehicle 86 is moving, if the on-board unit 12 attached to the railway vehicle 86 approaches a ground beacon 80 near the track 84, the ground beacon 80 and the on-board unit 12 are electromagnetically coupled. The transmission processing unit 22 injects a transmission wave having a discrete frequency spectrum into the primary coil 14 of the on-board unit 12. The discrete frequency spectrum of the transmitted wave includes multiple frequencies that encompass all of the multiple predetermined frequencies (e.g., f1 to f8 in Figure 3) that the detected ground tonearm 80 may have as its resonant frequency, with a frequency interval Δf smaller than the multiple predetermined frequencies (see Figure 4(a)).
1次コイル14へ注入される上記のような送信波は、1次コイル14と疎結合している2次コイル16により受信される。周波数弁別部40は、2次コイル16が受信して前段処理部34で前処理された受信波から、送信処理部22により生成されたものと同じ周波数成分を有する離散周波数スペクトルを抽出する。また、スペクトル特徴抽出部52は、そのようにして周波数弁別部40により抽出された離散周波数スペクトルから、それらの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形SW(図3及び図4参照)を生成し、更にそのスペクトル波形SWから、予め定められた所定形状を抽出する。そして、地上子検出部60は、スペクトル波形SWから抽出される所定形状の有無に応じて、地上子80を検出するものである。 The transmission wave, as described above, injected into the primary coil 14 is received by the secondary coil 16, which is loosely coupled to the primary coil 14. The frequency discrimination unit 40 extracts a discrete frequency spectrum from the received wave, which has the same frequency components as the one generated by the transmission processing unit 22, after it has been received by the secondary coil 16 and pre-processed by the pre-processing unit 34. The spectral feature extraction unit 52 then generates a spectral waveform SW (see Figures 3 and 4) from the discrete frequency spectrum extracted by the frequency discrimination unit 40, defined by the levels of each of those frequency components, and further extracts a predetermined shape from the spectral waveform SW. The ground coil detection unit 60 then detects the ground coil 80 depending on the presence or absence of the predetermined shape extracted from the spectral waveform SW.
ここで、上記のように地上子80と車上子12とが電磁結合すると、各地上子80が情報として有する複数の所定周波数のうちの何れかの周波数が、共振周波数として車上子12へと伝達される。すなわち、車上子12の2次コイル16で受信される受信波に共振周波数が影響して、受信波に基づいて生成されるスペクトル波形SWに、地上子80の共振周波数と同じ周波数成分のレベルが大きくなる形状が現れることになる。そこで、スペクトル特徴抽出部52によってスペクトル波形SWから抽出する所定形状として、共振周波数でレベルが大きくなるような形状を設定することで、その共振周波数を有する地上子80に対して車上子12が電磁結合したことを検出することができる。これにより、スペクトル波形SWに現れる共振周波数を、レベルの大きさではなく波形の形状によって抽出することができるため、単にレベルが大きいノイズの誤検出や、様々な要因による絶対レベルの変動の影響(図12参照)などを抑制することができ、地上子検出の信頼性を高めることが可能となる。しかも、スペクトル波形SWからの所定形状の抽出は、処理データの単純化などの工夫によって、比較的簡便なアルゴリズムを用いて実現することが可能なものである。 Here, when the ground coil 80 and the on-board coil 12 are electromagnetically coupled as described above, one of the multiple predetermined frequencies that each on-board coil 80 possesses as information is transmitted to the on-board coil 12 as the resonant frequency. That is, the resonant frequency affects the received wave received by the secondary coil 16 of the on-board coil 12, and a shape appears in the spectral waveform SW generated based on the received wave in which the level of the frequency component with the same frequency as the resonant frequency of the ground coil 80 becomes large. Therefore, by setting a predetermined shape that the level becomes large at the resonant frequency as the shape extracted from the spectral waveform SW by the spectral feature extraction unit 52, it is possible to detect that the on-board coil 12 has been electromagnetically coupled to the ground coil 80 having that resonant frequency. As a result, the resonant frequency appearing in the spectral waveform SW can be extracted by the shape of the waveform rather than the magnitude of the level, so it is possible to suppress false detection of simply large noise levels and the effects of absolute level fluctuations due to various factors (see Figure 12), thereby improving the reliability of ground coil detection. Furthermore, extracting a predetermined shape from the spectral waveform SW can be achieved using a relatively simple algorithm by simplifying the processing data and employing other techniques.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、送信処理部22が車上子12の1次コイル14へ送信波を注入する際に、一定の電圧で送信波を注入するものである。そして、周波数弁別部40は、2次コイル16の受信波から抽出した離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換するものである。このため、スペクトル特徴抽出部52は、周波数弁別部40によってレベル変換された離散周波数スペクトルに基づいて生成されるスペクトル波形から、所定形状を抽出することになる。これにより、送信波には存在しなかった周波数成分間の電圧差が、地上子80との電磁結合によって受信波に現れるようになり、更にそれを所定のレベル変換操作によって増大させることができる。従って、そのような電圧差がレベルで反映されたスペクトル波形からの所定形状の抽出が容易になり、地上子80の検出精度を向上させることができる。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground coil detection device 10 injects the transmitted wave into the primary coil 14 of the on-board coil 12 at a constant voltage when the transmission processing unit 22 injects the transmitted wave. The frequency discrimination unit 40 then performs level conversion on the discrete frequency spectrum extracted from the received wave of the secondary coil 16 based on the received voltage of each frequency component. Therefore, the spectral feature extraction unit 52 extracts a predetermined shape from the spectral waveform generated based on the discrete frequency spectrum level-converted by the frequency discrimination unit 40. As a result, voltage differences between frequency components that were not present in the transmitted wave appear in the received wave due to electromagnetic coupling with the ground coil 80, and these can be further amplified by a predetermined level conversion operation. Therefore, it becomes easier to extract a predetermined shape from the spectral waveform in which such voltage differences are reflected in the level, thereby improving the detection accuracy of the ground coil 80.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、送信処理部22によって生成される送信波の離散周波数スペクトルや、周波数弁別部40によって抽出される離散周波数スペクトルが、車上子12と地上子80との電磁結合時の合成インピーダンスの反共振周波数を包含する帯域幅を有するものである。反共振周波数は、車上子12と地上子80との電磁結合時に、共振周波数よりも低域側にレベルが小さくなる形状で現れるため、地上子80が有し得る複数の所定周波数の全てについて、共振周波数(所定周波数)よりも低域側の上記のような領域がカバーされるように、離散周波数スペクトルの帯域幅が設定される。図3の例では、f1(73kHz)~f8(130kHz)の共振周波数に対応する反共振周波数を包含するように、帯域幅が設定される。そして、スペクトル特徴抽出部52によって抽出される所定形状に、電磁結合時の反共振周波数の影響が現れた形状を含めることで、地上子80とノイズとの識別がより明確になるため、地上子検出の信頼性をより高めることができる。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground coil detection device 10 has a bandwidth that includes the anti-resonant frequency of the combined impedance during electromagnetic coupling between the on-board coil 12 and the ground coil 80, in the discrete frequency spectrum of the transmitted wave generated by the transmission processing unit 22 and the discrete frequency spectrum extracted by the frequency discrimination unit 40. Since the anti-resonant frequency appears as a shape where the level is lower than the resonant frequency during electromagnetic coupling between the on-board coil 12 and the ground coil 80, the bandwidth of the discrete frequency spectrum is set so that the above-mentioned region below the resonant frequency (predetermined frequency) is covered for all of the multiple predetermined frequencies that the ground coil 80 may have. In the example in Figure 3, the bandwidth is set to include the anti-resonant frequencies corresponding to the resonant frequencies from f1 (73 kHz) to f8 (130 kHz). By including the shape showing the effect of the anti-resonant frequency during electromagnetic coupling in the predetermined shape extracted by the spectral feature extraction unit 52, the distinction between the ground coil 80 and noise becomes clearer, thus further improving the reliability of ground coil detection.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52によってスペクトル波形SWから抽出する所定形状を、以下のようにより具体的に特定するものである。すなわち、所定形状として、図3にピーク形状PSとして示されるような、比較的低レベルの反共振周波数から周波数高域側へ向かって、共振周波数までレベルが上昇した後、周波数高域側へ向かってレベルが下降する形状を設定する。これにより、レベルが反共振周波数から共振周波数まで大きく上昇した後に下降するという、地上子80との電磁結合時に現れる特徴的な形状を設定することができるため、ノイズとの切り分けを益々容易にすることができ、地上子80をより精度よく検出することが可能となる。 Furthermore, the ground coil detection device 10 according to the embodiment of the present invention more specifically identifies the predetermined shape extracted from the spectral waveform SW by the spectral feature extraction unit 52 as follows. That is, the predetermined shape is set to a shape like the peak shape PS shown in Figure 3, where the level rises from a relatively low anti-resonant frequency towards the resonant frequency, and then decreases towards the resonant frequency. This allows for the setting of a characteristic shape that appears during electromagnetic coupling with the ground coil 80, where the level rises significantly from the anti-resonant frequency to the resonant frequency before decreasing. This makes it even easier to distinguish between noise and the ground coil, and enables more accurate detection of the ground coil 80.
更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52が、図5に示すように、離散周波数スペクトルの周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形SWを、3種の線分のうち任意の線分を組み合わせて折れ線状のスペクトル波形SW´へと近似するものである。それら3種の線分は、周波数高域側へ向かってレベルが上昇する正勾配線分Pと、周波数高域側へ向かってレベルが下降する負勾配線分Mと、正勾配線分P及び負勾配線分Mの何れにも該当しない平坦線分Fとである。これにより、スペクトル波形SWをそのまま取り扱う場合と比較して、後段で処理するデータ量を圧縮することができるため、後段処理のプログラム実装を容易にすることができる。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground signal detection device 10, as shown in Figure 5, has a spectral feature extraction unit 52 that approximates the spectral waveform SW, defined by the levels of the frequency components of the discrete frequency spectrum, into a piecewise spectral waveform SW' by combining arbitrary line segments from three types of line segments. These three types of line segments are a positive gradient line segment P whose level increases towards higher frequencies, a negative gradient line segment M whose level decreases towards higher frequencies, and a flat line segment F that does not fall under either the positive gradient line segment P or the negative gradient line segment M. This allows for a reduction in the amount of data processed in subsequent stages compared to directly handling the spectral waveform SW, thus simplifying the implementation of programs for subsequent processing.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52が、折れ線状に近似したスペクトル波形SW´の各線分について、線分1次属性群及び線分2次属性群を算出するものである。線分1次属性群には、少なくとも、各線分の周波数低域側の端点である始点の周波数及びレベルと、各線分の周波数高域側の端点である終点の周波数及びレベルとが含まれている。また、線分2次属性群には、少なくとも、各線分の始点と終点とのレベル差と、各線分の始点と終点との周波数の差である帯域幅とが含まれている。これにより、各線分の特徴を、より処理し易いデータ群として表現することができる。 Furthermore, in the ground signal detection device 10 according to the embodiment of the present invention, the spectral feature extraction unit 52 calculates a primary attribute group and a secondary attribute group for each line segment of the polylinearly approximated spectral waveform SW'. The primary attribute group includes at least the frequency and level of the starting point, which is the low-frequency endpoint of each line segment, and the frequency and level of the ending point, which is the high-frequency endpoint of each line segment. The secondary attribute group includes at least the level difference between the starting point and the ending point of each line segment, and the bandwidth, which is the frequency difference between the starting point and the ending point of each line segment. This allows the characteristics of each line segment to be represented as a more easily processed data set.
更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52が、折れ線状に近似されたスペクトル波形SW´から、図6に示すようなピーク形状PSを抽出するものである。このピーク形状PSとは、図6(a)のように、周波数高域側へ向かって正勾配線分Pから負勾配線分Mへと変化する部分、及び/又は、図6(b)のように、周波数高域側へ向かって正勾配線分Pから微小帯域幅の平坦線分Fを経て負勾配線分Mへと変化する部分である。ここでの微小帯域幅の平坦線分Fとは、帯域幅が比較的小さい平坦線分Fであり、微小帯域幅の平坦線分Fであるか否かは、その前後の正勾配線分P及び負勾配線分Mの帯域幅の大きさや、実験結果などが考慮されて判断される。このようなピーク形状PSを用いて処理を行うことで、折れ線状に近似されたスペクトル波形SW´の全体を取り扱う場合と比較して、後段で処理するデータ量を圧縮することができるため、スペクトル特徴抽出部52や地上子検出部60などの処理を行うアルゴリズムの簡略化を図ることができ、CPU50の負荷を低減することが可能となる。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground signal detection device 10 has a spectral feature extraction unit 52 that extracts a peak shape PS as shown in Figure 6 from the piecewise approximated spectral waveform SW'. This peak shape PS is the portion that changes from a positive gradient line segment P to a negative gradient line segment M toward the higher frequency side, as shown in Figure 6(a), and/or the portion that changes from a positive gradient line segment P to a negative gradient line segment M via a flat line segment F with a small bandwidth toward the higher frequency side, as shown in Figure 6(b). The flat line segment F with a small bandwidth here is a flat line segment F with a relatively small bandwidth, and whether or not it is a flat line segment F with a small bandwidth is determined by considering the bandwidth of the positive gradient line segment P and the negative gradient line segment M before and after it, as well as experimental results. By processing using this peak shape PS, the amount of data processed in subsequent stages can be compressed compared to handling the entire spectral waveform SW' which is approximated as a piecewise linear waveform. This simplifies the algorithms used in processing by the spectral feature extraction unit 52 and the ground signal detection unit 60, thereby reducing the load on the CPU 50.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52が、抽出されたピーク形状PSの各々について、ピーク形状PSを構成する正勾配線分Pをピーク正勾配線分Pとし、ピーク形状PSを構成する負勾配線分Mをピーク負勾配線分Mとしたときに、以下のような正規化ピーク1次属性群を算出するものである。すなわち、正規化ピーク1次属性群には、少なくとも、図6に示すように、正規化ピークレベルNL、正規化ピーク帯域幅NB、及び正規化ピーク周波数NFが含まれており、正規化ピークレベルNLとは、ピーク正勾配線分Pのレベル差の絶対値とピーク負勾配線分Mのレベル差の絶対値との合計である。また、正規化ピーク帯域幅NBとは、ピーク正勾配線分Pの帯域幅とピーク負勾配線分Mの帯域幅との合計であり、ピーク形状PSに微小帯域幅の平坦線分Fが含まれている場合はそれも加味して算出する。更に、正規化ピーク周波数NFとは、ピーク正勾配線分Pの終点の周波数とピーク負勾配線分Mの始点の周波数との平均である。 Furthermore, in the ground signal detection device 10 according to the embodiment of the present invention, the spectral feature extraction unit 52 calculates the following normalized peak primary attribute group for each extracted peak shape PS, when the positive gradient line segment P constituting the peak shape PS is defined as the peak positive gradient line segment P, and the negative gradient line segment M constituting the peak shape PS is defined as the peak negative gradient line segment M. That is, the normalized peak primary attribute group includes at least the normalized peak level NL, the normalized peak bandwidth NB, and the normalized peak frequency NF, as shown in Figure 6. The normalized peak level NL is the sum of the absolute value of the level difference between the peak positive gradient line segment P and the absolute value of the level difference between the peak negative gradient line segment M. The normalized peak bandwidth NB is the sum of the bandwidth of the peak positive gradient line segment P and the bandwidth of the peak negative gradient line segment M, and if the peak shape PS includes a flat line segment F with a small bandwidth, it is also taken into account in the calculation. Furthermore, the normalized peak frequency NF is the average of the frequency at the end point of the peak positive gradient line segment P and the frequency at the start point of the peak negative gradient line segment M.
そして、地上子検出部60は、上記のような各ピーク形状PSの正規化ピーク1次属性群を利用して、そのピーク形状PSが地上子80を示すものであるか否か、すなわち、地上子80と車上子12とが電磁結合して現れたピーク形状PSであるか否かを判定するものである(図7のS40、S50、S80参照)。このように、正規化ピーク1次属性群を利用することで、車上子12と地上子80との間の距離によって刻々と変化する、共振周波数及び反共振周波数を含む特徴的なピーク形状PSを、ソフトウェアなどで容易に抽出することが可能となる。また、正規化ピーク1次属性群に含まれる属性は何れも単純な指標であるから、地上子80を示すピーク形状PSを判定するソフトウェア処理はシンプルであり、低速なCPU50などで処理することができる。 The ground coil detection unit 60 then uses the normalized primary peak attribute group of each peak shape PS described above to determine whether the peak shape PS represents the ground coil 80, that is, whether the peak shape PS appears due to electromagnetic coupling between the ground coil 80 and the on-board coil 12 (see S40, S50, and S80 in Figure 7). By using the normalized primary peak attribute group in this way, characteristic peak shapes PS, including the resonant and anti-resonant frequencies that change moment by moment depending on the distance between the on-board coil 12 and the ground coil 80, can be easily extracted using software. Furthermore, since all the attributes included in the normalized primary peak attribute group are simple indicators, the software processing for determining the peak shape PS representing the ground coil 80 is simple and can be processed by a low-speed CPU 50.
しかも、正規化ピーク1次属性群の1つである正規化ピークレベルNLを、正勾配線分Pと負勾配線分Mとを統合して算出するため、FFTなどの単純なスペクトル解析から検出された極大値のみの従来のピークレベルと比較して、大きなS/N比を得ることができる。これにより、耐ノイズ性に優れた信頼性の高い地上子80の検出方式を実現することができ、また、送信処理部22で用いる電力増幅部28の電力を従来方式より小さくすることができるため、装置の小型化や低コスト化に寄与することができる。更に、正規化ピークレベルNLは、正勾配線分Pのレベル差と負勾配線分Mのレベル差とを統合した相対レベルであるため、絶対レベルが相殺されており、絶対レベルの変動の要因である回路ゲイン、車上子結合度などの影響が表出しない(図12参照)。このため、地上子検出の信頼性をより一層向上させることが可能となる。 Furthermore, since the normalized peak level NL, one of the normalized peak primary attribute groups, is calculated by integrating the positive gradient line segment P and the negative gradient line segment M, a larger signal-to-noise ratio can be obtained compared to conventional peak levels that only use the maximum value detected from simple spectral analysis such as FFT. This enables a highly reliable detection method for the ground transponder 80 with excellent noise immunity, and also allows for lower power consumption in the power amplification unit 28 used in the transmission processing unit 22 compared to conventional methods, contributing to miniaturization and cost reduction of the device. Moreover, because the normalized peak level NL is a relative level that integrates the level difference of the positive gradient line segment P and the level difference of the negative gradient line segment M, the absolute levels cancel each other out, and the effects of circuit gain, on-board transponder coupling degree, and other factors that cause fluctuations in the absolute level do not appear (see Figure 12). Therefore, the reliability of ground transponder detection can be further improved.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52が、抽出されたピーク形状PSの各々について、更に正規化ピーク2次属性群を算出するものであり、この正規化ピーク2次属性群には、正規化ピークレベルNLと正規化ピーク帯域幅NBとの比である正規化勾配NS(図9参照)が含まれている。そして、地上子検出部60は、スペクトル特徴抽出部52により算出された各ピーク形状PSの正規化勾配NSを利用して、そのピーク形状PSが地上子80を示すものであるか否かを判定するものである(図7のS60参照)。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground coil detection device 10 has a spectral feature extraction unit 52 that calculates a normalized peak secondary attribute group for each extracted peak shape PS. This normalized peak secondary attribute group includes a normalization gradient NS (see Figure 9), which is the ratio of the normalized peak level NL to the normalized peak bandwidth NB. The ground coil detection unit 60 then uses the normalization gradient NS of each peak shape PS calculated by the spectral feature extraction unit 52 to determine whether or not that peak shape PS represents a ground coil 80 (see S60 in Figure 7).
すなわち、図9に示すように、正規化ピークレベルNLと正規化ピーク帯域幅NBとの比である正規化勾配NSは、正規化ピークレベルNLを正規化ピーク帯域幅NBで除して算出すると、地上子結合の方が単一周波数ノイズよりも小さくなる(傾きが緩い)傾向にある。このため、ノイズ周波数と地上子周波数とが同一だとしても、正規化勾配NSを比較したときの上記のような大きさの関係から、単一周波数ノイズを地上子80であると誤検出することなく、これによって地上子80を精度よく検出することができる。 In other words, as shown in Figure 9, the normalization gradient NS, which is the ratio of the normalized peak level NL to the normalized peak bandwidth NB, tends to be smaller (gentler slope) for ground benton coupling than for single-frequency noise when calculated by dividing the normalized peak level NL by the normalized peak bandwidth NB. Therefore, even if the noise frequency and the ground benton frequency are the same, the above-mentioned relationship in the magnitude of the normalization gradient NS allows for accurate detection of the ground benton 80 without misidentifying single-frequency noise as the ground benton 80.
更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52が、ピーク形状PSの各々について、正規化ピーク2次属性群として更に正規化勾配レベル分配比を算出するものである。この正規化勾配レベル分配比は、図10(b)及び(c)に示されるような、ピーク正勾配線分Pのレベル差の絶対値PLとピーク負勾配線分Mのレベル差の絶対値MLとの比である。そして、地上子検出部60は、スペクトル特徴抽出部52により算出された各ピーク形状PSの正規化勾配レベル分配比を利用して、そのピーク形状PSが地上子80を示すものであるか否かを判定するものである(図7のS70参照)。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground coil detection device 10 has a spectral feature extraction unit 52 that calculates a normalized gradient level distribution ratio for each peak shape PS as a normalized peak secondary attribute group. This normalized gradient level distribution ratio is the ratio of the absolute value PL of the level difference of the peak positive gradient line segment P to the absolute value ML of the level difference of the peak negative gradient line segment M, as shown in Figures 10(b) and (c). The ground coil detection unit 60 then uses the normalized gradient level distribution ratio of each peak shape PS calculated by the spectral feature extraction unit 52 to determine whether or not that peak shape PS represents a ground coil 80 (see S70 in Figure 7).
ここで、車上子12と地上子80との電磁結合時には、図10(a)に示すように、磁束の影響により、検出するべきメインローブ90の前後のタイミングで、検出するべきではないサイドローブ92が発生する。図10(b)に示すようにメインローブ90では、反共振周波数が共振周波数よりも小さくなるピーク形状PSが発生するのに対し、図10(c)に示すようにサイドローブ92では、反共振周波数が共振周波数よりも大きくなるピーク形状PSが発生する。すなわち、メインローブ90のピーク形状PSでは、反共振周波数から共振周波数までの正勾配線分Pのレベル差の絶対値PLの方が、負勾配線分Mのレベル差の絶対値MLよりも大きくなる。これに対し、サイドローブ92のピーク形状PSでは、正勾配線分Pのレベル差の絶対値PLよりも、共振周波数から反共振周波数までの負勾配線分Mのレベル差の絶対値MLの方が大きくなる。このため、正規化勾配レベル分配比を利用して、ピーク正勾配線分Pのレベル差の絶対値PLとピーク負勾配線分Mのレベル差の絶対値MLとの大小を比較することで、不要なサイドローブ92の検出を安定的に抑制することが可能となる。 Here, when the on-board unit 12 and the ground unit 80 are electromagnetically coupled, as shown in Figure 10(a), due to the influence of magnetic flux, side lobes 92 that should not be detected are generated before and after the main lobe 90 that should be detected. As shown in Figure 10(b), in the main lobe 90, a peak shape PS is generated in which the anti-resonant frequency is smaller than the resonant frequency, whereas in the side lobe 92, a peak shape PS is generated in which the anti-resonant frequency is larger than the resonant frequency, as shown in Figure 10(c). That is, in the peak shape PS of the main lobe 90, the absolute value PL of the level difference of the positive slope line segment P from the anti-resonant frequency to the resonant frequency is larger than the absolute value ML of the level difference of the negative slope line segment M. In contrast, in the peak shape PS of the side lobe 92, the absolute value ML of the level difference of the negative slope line segment M from the resonant frequency to the anti-resonant frequency is larger than the absolute value PL of the level difference of the positive slope line segment P. Therefore, by using the normalized gradient level distribution ratio and comparing the absolute value PL of the level difference of the peak positive gradient line segment P with the absolute value ML of the level difference of the peak negative gradient line segment M, it becomes possible to reliably suppress the detection of unnecessary side lobes 92.
また、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52により折れ線状に近似されたスペクトル波形SW´から同時に抽出されたピーク形状PSの数に応じて、地上子検出部60が地上子80の有無を判定するものである(図8のS200参照)。ここで、車両機器や軌道回路機器からのノイズは一般的に電源系から生じるパルスノイズが多く、短時間ではあるが広帯域な成分が生じるため、このような場合に図11に示すようにピーク形状PSが同時に複数抽出される。従って、ピーク形状PSの数を地上子80の検出に利用することで、ノイズをより効率よく排除することができるため、CPU50の処理負荷を軽減しつつ、地上子80の検出精度を高めることが可能となる。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground beacon detection device 10 determines the presence or absence of a ground beacon 80 based on the number of peak shapes PS simultaneously extracted from the spectral waveform SW' approximated as a piecewise linear waveform by the spectral feature extraction unit 52 (see S200 in Figure 8). Here, noise from vehicle equipment and track circuit equipment generally consists mostly of pulse noise originating from the power supply system, and although short in duration, it generates broadband components. Therefore, in such cases, multiple peak shapes PS are extracted simultaneously, as shown in Figure 11. Consequently, by utilizing the number of peak shapes PS for ground beacon 80 detection, noise can be eliminated more efficiently, thereby reducing the processing load on the CPU 50 while improving the detection accuracy of the ground beacon 80.
更に、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、スペクトル特徴抽出部52により折れ線状に近似されたスペクトル波形SW´から同時に抽出されたピーク形状PSの数と、そのように同時に抽出されたピーク形状PSの中から地上子80の候補としてカウントされたピーク形状PSの数とに応じて、地上子検出部60が機器異常及び環境異常を推定するものである(図8のS200~S250参照)。地上子80の候補としてカウントされるピーク形状PSは、正規化ピーク1次属性群及び正規化ピーク2次属性群を利用して判定される(図7のS30~S110参照)。すなわち、スペクトル波形SW´から複数のピーク形状PSが同時に抽出された場合は、上述したようにノイズの影響である可能性が高いため、これを利用してノイズなどの環境異常を推定することができる。また、地上子80の候補としてカウントされたピーク形状PSが複数ある場合は、地上子検出装置10の機器異常である可能性が高いため、これを利用して故障などの機器異常を推定することができる。これにより、地上子80の高精度な検出と共に、機器監視やノイズ監視を実現することが可能となる。 Furthermore, in the embodiment of the present invention, the ground beacon detection device 10 estimates equipment and environmental abnormalities based on the number of peak shapes PS simultaneously extracted from the spectral waveform SW' approximated as a piecewise linear shape by the spectral feature extraction unit 52, and the number of peak shapes PS counted as candidates for ground beacon 80 from among those simultaneously extracted (see S200-S250 in Figure 8). The peak shapes PS counted as candidates for ground beacon 80 are determined using the normalized peak primary attribute group and the normalized peak secondary attribute group (see S30-S110 in Figure 7). That is, if multiple peak shapes PS are simultaneously extracted from the spectral waveform SW', there is a high probability that this is due to noise, as described above, and this can be used to estimate environmental abnormalities such as noise. Also, if there are multiple peak shapes PS counted as candidates for ground beacon 80, there is a high probability that this is an equipment abnormality in the ground beacon detection device 10, and this can be used to estimate equipment abnormalities such as failures. This makes it possible to achieve high-precision detection of ground beacon 80, as well as equipment monitoring and noise monitoring.
しかも、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10は、従来の変周式のATSなどと異なり、図2に示された周波数弁別部40以降の処理を、汎用的なデジタル回路及びソフトウェアによるデジタル信号処理をベースとして実現することができる。また、スペクトル特徴抽出部52で算出する各種の属性は、スペクトル分析で実施する一般的な指標を含むものであるため、スペクトル分析や様々な判定に使用することができ、そのためにスペクトル特徴抽出部52で実行する正規化ピーク処理は汎用性の高い技術である。更に、正規化ピーク処理によって情報量が圧縮されるため、正規化ピークのみを記録することとすれば、スペクトルでの記録よりもデータ量を低減することができ、ログ記録装置などを低コスト化することが可能となる。
なお、本発明の実施の形態に係る地上子検出方法は、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10により実行されることで、本発明の実施の形態に係る地上子検出装置10と同様の作用効果を奏することができる。
Moreover, unlike conventional frequency-shifting ATS systems, the ground signal detection device 10 according to the embodiment of the present invention can implement the processing from the frequency discrimination unit 40 onward shown in Figure 2 based on digital signal processing using general-purpose digital circuits and software. Furthermore, the various attributes calculated by the spectral feature extraction unit 52 include general indicators used in spectral analysis, and can therefore be used for spectral analysis and various judgments. For this reason, the normalized peak processing performed by the spectral feature extraction unit 52 is a highly versatile technique. In addition, since the amount of information is compressed by the normalized peak processing, if only the normalized peak is recorded, the amount of data can be reduced compared to spectral recording, making it possible to reduce the cost of log recording devices, etc.
Furthermore, the ground beacon detection method according to the embodiment of the present invention can be performed by the ground beacon detection device 10 according to the embodiment of the present invention, thereby achieving the same effects and advantages as the ground beacon detection device 10 according to the embodiment of the present invention.
10:地上子検出装置、12:車上子、14:1次コイル、16:2次コイル、22:送信処理部、40:周波数弁別部、52:スペクトル特徴抽出部、60:地上子検出部、80:地上子、84:線路、86:鉄道車両、f1~f8:複数の所定周波数、Δf:周波数間隔、SW(SW1、SW2):スペクトル波形、SW´:折れ線状に近似されたスペクトル波形、PS:ピーク形状、P:正勾配線分、M:負勾配線分、F:平坦線分、NL:正規化ピークレベル、NB:正規化ピーク帯域幅、NF:正規化ピーク周波数、NS:正規化勾配、PL:正勾配線分のレベル差の絶対値、ML:負勾配線分のレベル差の絶対値
10: Ground coil detection device, 12: On-board coil, 14: Primary coil, 16: Secondary coil, 22: Transmission processing unit, 40: Frequency discrimination unit, 52: Spectral feature extraction unit, 60: Ground coil detection unit, 80: Ground coil, 84: Track, 86: Railway vehicle, f1 to f8: Multiple predetermined frequencies, Δf: Frequency interval, SW (SW1, SW2): Spectral waveform, SW': Spectral waveform approximated as a piecewise linear shape, PS: Peak shape, P: Positive gradient line segment, M: Negative gradient line segment, F: Flat line segment, NL: Normalized peak level, NB: Normalized peak bandwidth, NF: Normalized peak frequency, NS: Normalized gradient, PL: Absolute value of the level difference of the positive gradient line segment, ML: Absolute value of the level difference of the negative gradient line segment
Claims (14)
互いに疎結合する1次コイル及び2次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子と、
前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記1次コイルへ注入する送信処理部と、
前記2次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出する周波数弁別部と、
該周波数弁別部により抽出された前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出するスペクトル特徴抽出部と、
前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出する地上子検出部と、を含むことを特徴とする地上子検出装置。 A ground beacon detection device for detecting ground beacons installed along railway tracks, each having one of a plurality of predetermined frequencies as its resonant frequency, from a moving railway vehicle,
A vehicle-mounted coil having a primary coil and a secondary coil that are loosely coupled to each other, and which electromagnetically couples with the ground coil when it is close to the ground coil,
A transmission processing unit that injects into the primary coil a transmission wave of a discrete frequency spectrum that includes multiple frequencies encompassing all of the above-mentioned predetermined frequencies , with frequency intervals smaller than the frequency intervals of the above-mentioned predetermined frequencies,
A frequency discrimination unit that extracts the discrete frequency spectrum from the received wave received by the secondary coil,
A spectral feature extraction unit extracts a predetermined shape from a spectral waveform defined by the levels of each frequency component of the discrete frequency spectrum extracted by the frequency discrimination unit,
A ground beacon detection device characterized by including a ground beacon detection unit that detects the ground beacon according to the presence or absence of the predetermined shape.
前記周波数弁別部は、抽出した前記離散周波数スペクトルを、各周波数成分の受信電圧に基づいてレベル変換することを特徴とする請求項1記載の地上子検出装置。 The transmission processing unit injects the transmission wave into the primary coil at a constant voltage.
The ground signal detection device according to claim 1, characterized in that the frequency discrimination unit performs level conversion on the extracted discrete frequency spectrum based on the received voltage of each frequency component.
前記地上子検出部は、前記正規化ピーク1次属性群を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定することを特徴とする請求項8記載の地上子検出装置。 The spectral feature extraction unit, when the positive gradient line segments constituting the peak shape are treated as peak positive gradient line segments and the negative gradient line segments constituting the peak shape are treated as peak negative gradient line segments, calculates for each of the peak shapes, at least the normalized peak level, which is the sum of the absolute value of the level difference of the peak positive gradient line segment and the absolute value of the level difference of the peak negative gradient line segment; the normalized peak bandwidth, which is the sum of the bandwidth of the peak positive gradient line segment and the bandwidth of the peak negative gradient line segment; and the normalized peak frequency, which is the average of the frequency of the endpoint of the peak positive gradient line segment and the frequency of the starting point of the peak negative gradient line segment, as a normalized peak primary attribute group.
The ground tone detection device according to claim 8, characterized in that the ground tone detection unit determines whether or not the peak shape indicates the ground tone using the normalized peak primary attribute group.
前記地上子検出部は、前記正規化勾配を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定することを特徴とする請求項9記載の地上子検出装置。 The spectral feature extraction unit calculates a normalization gradient, which is the ratio of the normalized peak level to the normalized peak bandwidth, for each of the peak shapes as a group of normalized peak secondary attributes.
The ground beacon detection device according to claim 9, characterized in that the ground beacon detection unit determines whether or not the peak shape indicates the ground beacon using the normalization gradient.
前記地上子検出部は、前記正規化勾配レベル分配比を利用して、前記ピーク形状が前記地上子を示すものであるか否かを判定することを特徴とする請求項10記載の地上子検出装置。 The spectral feature extraction unit further calculates a normalized gradient level distribution ratio for each of the peak shapes, which is the ratio of the absolute value of the level difference of the positive gradient line segment of the peak to the absolute value of the level difference of the negative gradient line segment of the peak, as the normalized peak secondary attribute group.
The ground beacon detection device according to claim 10, characterized in that the ground beacon detection unit determines whether or not the peak shape indicates the ground beacon using the normalized gradient level distribution ratio.
互いに疎結合する1次コイル及び2次コイルを有し、前記地上子に近接したときに前記地上子と電磁結合する車上子を、前記鉄道車両へ設置し、
前記複数の所定周波数を全て包含する複数の周波数を、前記複数の所定周波数の周波数間隔よりも小さい周波数間隔で含む離散周波数スペクトルの送信波を、前記1次コイルへ注入し、
前記2次コイルが受信する受信波から前記離散周波数スペクトルを抽出し、
抽出した前記離散周波数スペクトルの各周波数成分のレベルによって規定されるスペクトル波形から、所定形状を抽出し、
前記所定形状の有無に応じて前記地上子を検出することを特徴とする地上子検出方法。 A ground beacon detection method for detecting ground beacons installed along railway tracks, which have one of a plurality of predetermined frequencies as their resonant frequency, from a moving railway vehicle,
A train-mounted device having a primary coil and a secondary coil that are loosely coupled to each other, and which electromagnetically couples with the ground beacon when it is close to the ground beacon, is installed on the railway vehicle.
A transmission wave with a discrete frequency spectrum that includes multiple frequencies encompassing all of the above-mentioned predetermined frequencies , with a frequency interval smaller than the frequency interval of the above-mentioned predetermined frequencies, is injected into the primary coil.
The discrete frequency spectrum is extracted from the received wave received by the secondary coil.
From the spectral waveform defined by the levels of each frequency component of the extracted discrete frequency spectrum, a predetermined shape is extracted.
A ground beacon detection method characterized by detecting the ground beacon according to the presence or absence of the predetermined shape.
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