WO1997025234A1

WO1997025234A1 - Dispositif de commande de corps mobiles

Info

Publication number: WO1997025234A1
Application number: PCT/JP1997/000031
Authority: WO
Inventors: Koichi Futsuhara; Masayoshi Sakai
Original assignee: The Nippon Signal Co., Ltd.
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1997-01-09
Publication date: 1997-07-17
Also published as: JPH09188250A; EP0814008A1; US5903517A; EP0814008A4; JP3474344B2

Description

明糸田書

移動体制御装置

〔技術分野〕

本発明は、移動体問で超音波信号を送受して移動体の走行制御に必要な情報を生成して移動体の走行制御を行う移動体制御装置に関する。

〔背景技術〕

移動体の運行を管理する場合、移動体同志の追突や衝突或いは障害物と移動体の衝突が生じないように移動体の走行が制御される。移動体の追突や衝突を回避するために必要な情報は、移動体自身が追突や衝突の責任を負うものとすれば、移動体前方に存在する他の移動体との距離（移動体問距離）或いは移動体前方に存在する障害物（例えば移動体が軌道に沿って移動する場合には、軌道の終点や軌道の欠損も含まれる）との距離と、移動体の移動速度等である, 例えば、移動体として列車を例にとって説明すると、従来の列車の走行制御システムとしては、軌道を複数の閉塞区間に分割し、各閉塞区問毎に列車の存在の有無を検出し、前方列車と後方列車との車問距離（閉塞区問数）に応じて後方列車の速度を制限して追突を回避するようにした固定閉塞システムがある。

しかしながら、従来の固定閉塞システムでは、地上側で各列車の存在位 sを集中的に検知する中央集中方式である。このため、例えば、 1 つの閉塞区間の故障はこれを含む全線の障害となり易く、また、閉塞区間の設計変更は容易でない等、運行管理の柔軟性とシステムの保守性等に課題がある。

更に、従来の固定閉塞システムでは、列車の存在検知は閉塞区間の 2本のレールが車輪により電気的に短絡されることを利用しているため、例えば、レール表面が鳍びて抵抗値が大きくなると列車が存在しているにも拘らず車輪によるレール間短絡が不完全となり、列車の不在を検知する虞れがある等、本質的にレールと車輪の接触抵抗の値が安全管理上問題となる。また、閉塞区間毎に列車の走行レールに電気信号を伝達しており、隣接する閉塞区問から電気信号が流れ込まないよう互いに隣接する閉塞区問同志のレールを絶縁する必要がある。

また、移動体走行制御の他の方法として、通信衛星を利用して移動体自体でその存在位置を検知する G P S ( G 1 o b a 1 P o s i t i o n i n g S y s t e rn ) があるが、この G P Sの場合、他の移動体との距離（移動体問距離）を知るには、移動体間或いは移動体一地上問の通信システムを別途必要とする。また、通信衛星そのものの保守は不可能である。

尚、超音波信号を用いて移動体自体の位置及び速度を検出するようにしたものが、本出願人より先に提案されている（特開平 4 一 3 6 2 4 6 3号公報）。しかし、このものは、互いの移動体問で関連を持たせて、各移動体の走行を制御し、また、走行制御に必要な情報を生成するものではない。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、移動体間での超音波信号の授受によって地上侧を介在させずに移動体間だけで移動体走行制御用の情報を生成するようにした分散型制御システムとすることにより、運行管理の柔軟性とシステムの保守性に優れた移動体制御装置を提佻することを目的とする。

〔発明の開示〕

このため、本発明の移動体制御装置では、移動体問で金属体の伝送媒体を介して超音波又は振動の信号の授受を行い移動体の走行制御を行う移動体制御装置であって、前記伝送媒体に向けて超音波信号を放射する送波器を備えた超音波送信手段を一方の移動体に設け前記伝送媒体を介して超音波信号を受信する受波器を備えた超音波受信手段及び受信した超音波信号に基づいて移動体の走行制御に必要な情報を生成する情報生成手段を他方の移動体に設ける構成とした。

かかる構成によれば、一方の移動体から伝送媒体を介して送信された超音波信号を他方の移動体が受信すると、情報生成手段がこの受信した超音波信号を用いて移動体の走行制御に必要な情報を生成する。これにより、生成した情報で互いの移動体の走行を制御することで、地上側とは関係なく移動体だけで互いの走行を制御することが可能となる。

また、前記超音波送信手段の送波器及び前記超音波受信手段の受波器は、それぞれ、各移動体の前記伝送媒体と直接接触する金属体の機械要素に送波面及び受波而を直接当接して取付ける構成とするとよい。

かかる構成では、超音波の伝送経路が金属体で構成されるので、空中伝播に比べて超音波の伝送速度が速く、移動体問で送受信する超音波信号の感度の低下を防止できるようになる。また、伝送速度が速く制御情報の処理速度を速くなる。

また、前記超音波送信手段と超音波受信手段を互いに同期させる同期手段を備えるとよい。

かかる構成では、超音波の伝送時間を精度よく計測できる。

また、前記第 1 及び第 2 タイミング信号発生手段の各タイミング信号の同期ずれをそれぞれ校正する校正手段を備えるとよい。

かかる構成では、送信側と受信側の同期ずれを防止でき、生成した制御情報の精度が向上し信頼性を高めることができる。

また、前記情報生成手段は、前記距離算出手段の算出する移動体間距離の変化パターンに基づいて移動体問の相対速度を算出する相対速度算出手段を備える構成とするとよい。

かかる構成では、移動体問の距離情報及び相対速度情報を得ることができる。また、前記他方の移動体が、前記一方の移動体の超音波送信手段とは別の超音波送信手段を備え、前記情報生成手段は、前記別の超音波送信手段から超音波信号が送信されてから超音波受信手段で受信するまでの時問に ¾づいて受信側である前記他方の移動休の速度を算出する受信側速度算出手段を備え、該受信側速度算出手段の算出値と前記時問計測手段の計測値とに基づいて移動体問距離を算出する構成とするとよい。

かかる構成では、移動体問距離を算出するための速度情報を高精度で得ることができ、移動体問距離の検出精度も向上する。

前記情報生成手段は、前記相対速度算出手段で算出された相対速度と、前記受信側速度算出手段で算出された前記他方の移動体の速度とに基づいて送信侧である前記一方の移動体の速度を算出する送信側速度算出手段を備える構成とするとよい。

かかる構成では、相手側の移動速度情報を得ることができる。前記一方の移動体の超音波送信手段と前記他方の移動体の超音波受信手段が、非同期である構成とする。

具体的には、前記両移動体に、それぞれ、超音波送信手段と超音波受信手段を備え、前記一方の移動体側の超音波受信手段が前記他方の移動体側から送信された超音波信号を受信した時に遅延なく超音波信号を前記他方の移動体側に返信し、該返信信号を他方の移動体側の超音波受信手段で受信する構成であり、前記情報生成手段が他方の移動体側から超音波を送信してから当該他方の移動体側で前記返信信号を受信するまでの時間に基づいて移動体の走行制御に必要な情報を生成する構成とするとよい。

かかる構成では、最初に超音波信号を送信する側が、相手側の移動体からの返信信号を受信して送信から受信までの時間に基づいて情報を作成するので、相手側の移動体の処理動作に関係なく情報生成処理を実行できるので、各移動体の信号処理動作を非同期ですることができ、同期手段が不要となり装置を簡素化できる。

前記他方の移動体は、前記情報生成手段で生成した情報に基づいて相手側移動体に走行制御情報を送信する送信手段を備え、前記一方の移動体侧は、前記送信手段で送信された走行制御情報に基づいて走行制御指令を生成する制御手段を備える構成とするとよい。かかる構成では、超音波信号の受信側移動体によって、相手側の送信側移動体の走行状態を制御することができる。

前記移動体が列車であり、前記伝送媒体が列車の走行レールである請求項 1 記載の移動体制御装置。

かかる構成では、従来の固定閉塞式による集中型の列車制御システムに代えて、列車問の情報通信のみで各列車の走行を制御でき、列車遝行管理の柔軟性及び保守性に優れる分散型の列 ¾i制御システムを実現できる。

〔図面の簡単な説明〕

図 1 は、本発明の第 1 実施形態の制御装置の構成図で、（A ) は送信側装置の構成図、（ B ) は送信側装置の構成図である。

図 2は、同上実施形態の送信側タイミング信号発生回路の構成図である。

図 3 は、図 2の回路のタイムチヤ一トである。

図 4は、同上実施形態の受信側のタイミング信号発生回路及び信号処理回路の構成図である。

図 5は、信号処理回路の動作を説明するフローチヤ一トである。図 6は、第 1 実施形態の動作説明図である。

図 7は、送，受波器の取付け構造を示す図である。

図 8は、図 7の侧面側から見た場合の図である。

図 9 は、第 1 実施形態の信号の送受信動作のタイムチャートである。

図 1 0は、本実施形態と従来の送 · 受波器取付け構造との効果の差を説明するための図である。

図 1 1は、本実施形態と従来の送 · 受波器取付け構造との効果の差を説明するための図である。

図 12は、本発明の別実施形態の動作説明図である。

図 13は、同上実施形態の信号の送受信のタイムチャートである。図 14は、本発明の更に別の実施形態の装置構成図で、（A ) は受信側装置の構成図、（ B ) は送信側装置の構成図である。

図 1 5は、同上実施形態の動作説明図である。

図 16は、同上実施形態の信号の送受信のタイムチヤ一トである。図 1 7は、本発明の更に別の実施形態の装置構成図で、（A ) は受信側装置の構成図、（ B ) は送信側装置の構成図である。

図 18は、同上実施形態の動作を制御するタイムチヤ一トである。図 19は、送 · 受波器の別の取付け構造を示す図である。

図 20は、図 19の送受波器部分の拡大断面図である。

図 2 1は、図 20の Α _ Λ線矢視断面図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

以下に、本発明に係る移動体制御装置について添付図面に基づいて説明する。

図 1 〜図 8は本発明の第 1 実施形態を示し、列車の走行制御に適用した場合について説明する。

本実施形態の移動体制御装置は、一方の移動体に搭載する超音波送信側装置と他方の移動体に搭載する超音波受信側装置を備える。図 1 ( Α ) に送信側装置を示す。送信側装置は、超音波送信手段としての超音波送信装置 1 と、第 1 タイミング信号発生手段としての第 1 タイミング信号発生回路 2 と、該第 1 タイミング信号発生回路 2 と後述する第 2 タイミング信号発生回路 1 1の同期を周期的に校正するための校正信号を受信する校正信号受信回路 5 と、例えば地上側からの図示しない校正信号発生源からの前記校正信号を車上で受信して前記校正信号受信回路 5に入力するアンテナ 6 とを備えている。超音波送信装置 1 は、超音波発生回路 3及び送波器 4 で構成される。

前記第 1 タイミング信号発生回路 2は、超音波発生回路 3 からの超音波の発生タイミングを制御するものであり、例えば図 2に示すように構成される。

図 2において、第 1 タイミング信号発生回路 2は、カウンタ 2 Λ 複数の N O T回路 2 B、 A N D回路 2 C、エンコード回路 2 D及びク口ック信号発生器 2 Eを備えて構成される。

その動作は、図 3 に示すタイムチャートのように、クロック信号発生器 2 Eからのクロック信号は、カウンタ 2 Λで分周され、該カゥンタ 2 Aは、 6つの分周出力信号〜Q_e を発生する。そして第 1 タイミング信号は、 Q , = Q ₂ = Q 3 = Q ₄ = 0の時、校正信号の入力がない条件で A N D回路 2 Cから発生して超音波送信装置 1 に出力される。即ち、分周出力信号 Q₄ の周期で第 1 タイミング信号が発生し超音波信号が送信される。また、分周出力信号 Q _S， Q, は、送信した超音波信号の順番を示す送信信号番号 N_s (図 3 中 0 1 、 2、 3 、 · ' で示す）を付けるための信号で、エンコード回路 2 Dで符号化されて第 1 タイミング信号（図 2中の出力指令）の入力よつて送信される。後述する受信側との同期ずれの校正は、同図に示すように、校正信号受信回路 5から校正信号が入力した時に（校正信号の立ち上がりエッジで）前記 6つの分周出力信号 Q , 〜Q , が全て強制的に 0にリセットされ、その後、校正信号の入力がなくなった時に（校正信号の立ち下がりエッジで）計数動作を再開することで行われる。

尚、本実施形態では、分周出力信号はクロック信号の 1 Z 2 分周信号となっているが、必ずしもクロック信号の 1 Z 2分周である必要はない。図 1 ( B ) に受信側装置を示す。受信側装置は、超音波受信手段としての超音波受信装置 10と、前記第 1 タイミング信号発生回路 2 と共に同期手段を構成する第 2 タイミング信号発生手段としての第 2 タイミング信号発生回路 11と、超音波送信手段としての超音波送信装匱 12と、受信した超音波信号に基づいて移動体の走行制御に必要な情報を生成する情報生成手段としての信号処理回路 13と、前記第 2 タイミング信号発生回路 11と送信側の第 1 タイミング信号発生回路 2の同期を周期的に校正するための校正信号を受信する校正信号受信回路 19と、前述の校正信号発生源からの校正信号を車上で受信して校正信号受信回路 19に出力するアンテナ 20とを備えている。前記超音波受信装置 10は、受波器 14、増幅器 15及び受信ゲート回路 16とを備えて構成される。また、超音波送信装^ 12は、超音波発生回路 17及び送波器 18で構成される。前記第 2 タイミング信号発生回路 11は、送信侧装の第 1 タイミング信号発生回路 2 と同期して第 2 タイミング信号を、受信ゲート回路 16、超音波発生回路 17及び信号処理回路 13に出力する。受信ゲート回路 16は第 2 タイミング信号の入力でゲートを開き、必要とする送信波の受信時以外のノイズの影響を防止している。信号処理回路 13は、入力する第 2 タイミング信号に基づいて、後述するように超音波の伝送時間を計測し、受信側移動体自体の速度及び送信側と受信側の移動体間距離を算出するもので、時問計測手段、距離算出手段及び受信側速度算出手段の機能を備えている。また、校正信号発生源、アンテナ 6， 20及び校正信号受信回路 5， 19により校正手段を構成している。

図 4に、第 2 タイミング信号発生回路 11と信号処理回路 13の回路構成を示す。

図 4 において、第 2タイミング信号発生回路 11は、略第 1 タイミング信号発生回路 2 と同様の構成で、カウンタ 11A、複数の N O T 回路 11B、 A N Dゲ一ト 11 C及ぴク口ック信号発生器 11Dを備えて構成される。

カウンタ 11Aの動作は、第 1 タイミング信号発生回路 2のカウンタ 2 Aと同じであるので説明は省略する。尚、カウンタ 11Aの出力信号 Q ₅ ， Q は受信信号に受信信号番号 N_R を付けるためのものである。第 2 タイミング信号発生回路 11では、カウンタ 11 Aの分周出力信号 Q , 〜Q ₄ を、送信された超音波の受信時問とする。

信号処理回路 13は、超音波受信装置 10で受信された信信号のデ —タをデコ一ド回路 13Aを介して C P U 13Bで読み込み、超音波の伝送時問を計測してこの計測値を用いて後述するように、列車走行制御に必要な情報を生成する。

信号処理回路 13の動作を図 5のフローチヤ一トを参照して説明する。

S 1 では、リセットされたか否かを、第 2 タイミング信号が入力したか否により判定する。リセット状態になければ、 S 2でデータが読み込まれたか否かを判定する。データが読み込まれたならば、 S 3 において、分周出力信号 Q , 〜Q₄ を読み計測時間を求め、且つ、受信側で付けた受信信号番号データと送信された送信信号番号データを、それぞれ N_R ， N_s とし、 S 4で、 N_R = N_s か否かを判定する。ここで、 N_R = Ns の時は、 S 5で計測時間 Tのデータは有効とし、 S 7で計測時間データに基づいて列車走行制御に必要な情報の演算を実行する。

もし、送信側と受信側とで極端な同期ずれが生じた場合、計測される時問に大きなずれが生じる。このような場合、受信側で受信される送信信号番号 Ns は、受信側で期待される受信信号番号 N_R と異なる。従って、 N_R ≠ N s となり、 S 4での判定が N Oとなり、 S 6に進み計測時問を無効とするようにしている。これにより、伝送時間の計測の信頼性が向上する。

図 1 ( A ) に示す前記送信側装置は図 6に示すように一方の移動体である後方の列車 Aの最先端部に配置され、図 1 ( B ) に示す受信側装置は図 6 に示すように他方の移動体である前方の列車 Bの最後部に配置される。尚、送信側装置を前方列車 B側の最後部に搭載し、受信側装置を後方列車 Aの最先端部に搭載するようにしてもよい o

また、各送波器 1 8及び受波器 14は、図 7及び図 8 に示すように各列車 A , Bに取付けられる（図 7、図 8は送 · 受波器の取付けの例を示している）。即ち、前記列車 Λ， Βが走行する伝送媒体としてのレール 30上を輪転する車輪 31問を速結する車軸 32は、略コ字状の車軸支持部材 33により軸支されており、送波器 18と受波器 14は、前記車軸支持部材 33の略中央上而に超音波送信而、受信面をそれぞれ当接して直接取付けられている。前記車軸 32及び車軸支持部材 33は, 金属体であり車輪 3 1に音が直結する機械要素を構成する。従って、超音波送波器 18と超音波受波器 14は、金属体からなる機械要素を介して超音波をレール 30に送信又はレール 30から受信する。

尚、車輪 31だけが回転し、車軸 32が回転しない構造の場合には、送波器、受波器を車軸 32に取付けてもよい。

図 7及び図 8では列車 Β側について示したが、列車 Α側の送波器 4 についても同様に、列車 Aの車軸支持部材に直接取付けられる。次に本実施形態における列車 A， B間の距離の計測動作について説明する。

列車 A側において第 1 タイミング信号発生回路 2から第 1 タイミング信号が超音波発生回路 3 に入力すると、超音波発生回路 3から超音波信号が発生し、列 Φ Aの最先端部から送波器 4 を介してレール 30に伝達される。レール 30に伝達された超音波信号 ω A は、図 6 に点線で示すように前方の列車 Bの最後部の受波器 14で受信され增幅器 15で増幅される。第 1 タイミング信号の発生に同期して第 2 タイミング信号発生回路 1 1からは前述したように第 2 タイミング信号が第 1 タイミング信号の発生と同時に発生して受信ゲート回路 16のゲートは開状態にあるので、增幅された超音波信号は、受信ゲート回路 16を介して信号処理回路 13に入力する。

また、第 1 タイミング信号と同時に発生した第 2 タイミング信号により、列市 B側の超音波発 ill回路 17からも超音波信号が発生され送波器 18を介してレール 30に伝達される。図 6の一点鎖線で示すこの超音波信号 ω _Β も受波器 14で受信されて増幅器 15、受信ゲート回路 16を介して信号処理回路 13に入力する。超音波信号 ω_Α , ω _Β の受信のタイムチヤ一トを図 9 に示す。

信号処理回路 13では、第 2タイミング信号発生回路 11の第 2 タイミング信号に基づいて、前記 2つの超音波信号 ω_Α ， ) Β が送信されてから受信されるまでの時問が、前述したように計測され、この計測時間が有効であれば列車の走行制御に必要な情報として列車 A , B問の距離及び列車 Bの速度を演算する。

以下に、信号処理回路 13で実行される演算処理について説明する ₍ まず、列車 Bの速度 v _B を超音波信号 ω _Β の伝送時間 Τ。から求める。

超音波信号 ω _Β の伝送時問丁。は次式で与えられる。

To = [(し。一 v _B - T o) / C ] + [(X ₁ + X ₂) / C ' ] · · (1) ここで、し。は列車 B侧の受波器 14と送波器 18の取付け距離、 X, は送波器 18とレール 30間の距離（車軸支持部材 33→車軸 32→車輪 31 → レール 30までの距離）、 X ₂ は受波器 14とレール 30問の距離（レ —ル 30→車輪 31→車軸 32→車軸支持部材 33までの距離）、 Cはレール 30における超音波信号の伝播速度、 ' は送波器 18及び受波器 14 の支持部材における超音波信号の伝播速度である。

伝播速度 C， C は、共に金属体を介した伝播速度であり略等しく、距離 L。と距離 X _t ， X ₂ との関係が L。》 X ₁ ， X ₂ であれば、（1) 式は次の（2) 式で近似できる。 T o - ( L o - v „ - T o ) / C · · · (2) ここで、伝播速度 Cは、金属体、例えばレール 30や車軸支持部材 33等に使用される鉄の場合は、横波で約 3 km/s (電気学会編，電気工学ポケットブック，オーム社， 1 9 8 7年）である。

従って、距離し。及び伝播速度 Cは既知であるので、伝送時問 T_c を計測することで、その計測値から、次の（3) 式により列車 Bの速度 v _B を求めることができる。

v _B - ( L o - T o - C ) /Ύ ₀ · · · (3)

尚、本実施形態と逆に、送信側装置を前方の列車 Bに搭載し、受信側装置を後方の列車 Aに搭載する場合は、列車 Aでは受波器 14を図 6の送波器 4の位置（列車先端部）に配置し、送波器 18は後方の車輪 31 (図 6 に示すように前方の車輪 31と距離 L。離れているものとする）に配置される。そして、列車 A側で速度を計測する場合は, 列車 Aの速度を v _A とすると、

V A ^ T O ' C — L O ) /丁。 · · · （3) '

となる。

次に、列車 Aからの超音波信号 ω _A の伝送時間 T t は、送 . 受波器とレール間の距離 X , ， X 2 が、列車 A， B問の距離 L , に比べて極めて短いとして、送 · 受波器とレール間の伝送時間を無視すれば、次の（4) 式で与えられる。

T , = ( ν _Β · Τ , -t- L i ) / C · · · (4)

ここで、 L i は列 Aから超音波信号 ω _A の送信が開始された時の列車 A， B問の距離である。

従って、距離し，は次の（5) 式のようになる。

L 1 = T , ( C - V B ) · · · (5)

列車 Bの速度 v _B は、上記（3) 式から算出することができるので伝送時間 T , を計測することで、列車 A， B間の钜離を計測できる尚、列車 Bの速度 v _B は、速度計で検出した値を用いるようにしてもよい。この場合には、列車 B側の超音波送信装置 12を省略することができる。但し、例えばタコジェネレ一タを用いる速度検出器では、 Ι|ΐ輪とレール問ですベりを生じると差を生じる廣れがあるのに対し、本実施形態のように超音波の伝揺時問から列車速度を算出する場合は、車輪とレール問のすべり等に起因する誤差の発生の心配はない。

以上のように、後方の列車 Αから前方の列車 Βに対して超音波信号を送信し、又は、その逆に前方の列車 Bから後方の列車 Aに対して超音波信号を送信し、その受信信号から伝送時問を計測し、この計測値に基づいて受信側の列車速度及び列車 A， B問の距離を計測することができ、この速度及び距離情報に基づいて列車の走行制御が可能となる。例えば、前方の列車から後方の列車に超音波を送信するようにすれば、後方の列車側で前方列車との距離を直接知ることができ、前方列琅との距離を確認しながら、後方列車自体の走行を制御できるようになる。

従って、地上側において各列車相互の走行状態を把握して集中制御することなく、走行中の互いの列車問の信号の授受だけで列車の走行制御ができるので、 1 つの列車においてシステムの故障が発生した場合でも、全線の列車に対しての影響は従来の固定閉塞システムに比べて少なく、また、従来の閉塞区問の変更等に比らベれば保守も容易である。従って、列車の運行管理の面で柔軟性に優れ、保守性にも優れている。また、従来の固定閉塞システムのような閉塞区間を設定する必要がなく、閉塞区間毎のレール 30の絶縁処理をする必要はない。また、車輪とレールとの接触抵抗には関係ないので. レール表面の锖等で接触抵抗値が大きくなつても、確実に列車を検知することができる。

また、本実施形態では、送波器 4， 18及び受波器 14を、車輪 31に直結する金属体である車軸支持部材 33に直接取付けている。このため、前述の特開平 4 — 3 6 2 4 6 3号公報に示した超音波送受信装置のように、送波器及び受波器をレールに向けて車両の底部に取付け、超音波を空気中を介してレールに放射する場合に比べて、超音波信号の伝揺時問を利用して距離計測する際の感度の低下を防止できる。また、音が空中伝播する場合に比べて風の影響を避けることができる。

以下に、この理由について説明する。

例えば、図 10に示すように、列車 41に送波器 42と受波器 43が取付けられ、レール 44に向けて超音波信号を空中に放射するものとする _c この場合、レール 44と送波器 42，受波器 43との距離 X , ' , X ₂ ' が大きくなると、この問の伝送損失が大きくなつて超音波の伝送距離が短くなる。また、鉄（レール 44) の音の伝播速度は約 3 km/sであり、空気中の伝播速度は鉄の約 1 Z10で遅いため、例え、レール 44を伝播する距離が空気中の伝播距離（X , ' ， X ₂ ' ) の 10倍であっても、送受信に要する約半分の時問が空気中の伝播に費やされる。即ち、伝播時間を利用して送信点から受信点までの距離を計測する際の感度が約半分に低下してしまう。

即ち、送波器 42，受波器 43とレール 44との間の距離を、それぞれ X！ ' ， X ' とし、送波器一受波器問の距離をしとする。この場合、超音波の伝播経路は、送波器 42—空気（X , ' ) —レール 44→ 空気（Χ ₂ ' ) —受波器 43である。

送信開始から受信するまでの伝送時問を Τとすると、伝送時問 Τ は、次のようになる。

T = [(V . T + L ) / C ] + [ (X _l ' + X 2 ' ) / C o] - - (6) ここで、 Vは列車 41の移動速度、 Cはレール中の超音波信号の伝播速度、 C。は空気中の超音波信号の伝播速度である。

また、列車問の距離を計測する場合、送信側の列車 41と受信側の列車 45が共に停止しているものとして、図 11に示すように距離 L , を計測する場合、その感度は次の（7) 式で与えられる。

A T/T = [(L ,/C)/( A + ( L ,/C))] X (厶 L i/L , )

• · · (7)

ここで、 A = ( X , ' + X 2 ' ) ZC。であり、空気中の伝播時間を示す。

従って、伝播時問 Aがレール 44中の伝播時間（ L , / C) に等しい場合、（7) 式は、次の（8) 式のようになる。

A T /T = ( L , / L , ) / 2 · · · (8) 従って、感度（ Δ ΤΖΤ) は 50%低下することになる。

また、図 10に示すような取付け構造では、超音波の送受信に要する時問が長くなり、超音波を送信してから走行制御に必要な情報を入手するまでに時問がかかり、情報の通信速度が制約される欠点もある。

一方、本実施形態の場合は、前記伝播時問 Aに相当する時間が無視できるようになるので、 Δ Τ/Τ = ( Δ L , / L , ) であり、感度の低下はない。

本実施形態では、例えば地上側に設置した校正信号発生源から一定の周期で発生する校正信号を、アンテナ 6 , 20でそれぞれ同時に受信し、校正信号受信回路 5， 19から両タイミング信号発生回路 2 11に校正信号を出力する。これにより、カウンタ 2 Α, 11 Αの分周出力信号〜Q _e が全てリセッ卜され、その後、校正信号の立ち下がりエッジにより、カウンタ 2 A， 11Aが同時にカウントを再開する。このようにして、第 1 及び第 2 タイミング信号発生回路 2， 11の同期ずれを補正するようにしている。

従って、列車問における超音波の送信側と受信側のタイミングの同期精度の信頼性を向上でき、超音波の伝播時問の計測精度を向上できる効果を有する。

尚、超音波の送信側と受信側にそれぞれ時計を設け、送信側で送信時刻情報を送信し、受信側でこの送信時刻情報とその受信時刻情報とを用いて伝送時問を計測する方式としてもよい。この場合は、校正信号発生源から出力される校正信号は、標準時刻信号を意味し、この標準時刻信号を、送信側と受信側が受信した時にそれぞれの時計の時刻を修正して同期ずれ補正を行うようにすればよい。また、前記校正信号発生源は送信側列車と受信側列車のどちらか一方に設置してもよい。ただし、上述のいずれの場合も、校正信号は超音波の送信側と受信側とで同時に受信するものとする。

次に、本発明の第 2実施形態について説明する。

本実施形態は、列車の走行制御に必要な情報として列車 A， Bの相対速度を計測し、この相対速度に基づいて超音波送信侧の列車 A の速度を算出するものである。尚、第 2実施形態の回路構成は第 1 実施形態と同様であり、信号処理回路 13の演算処理動作が異なるだけであり、相対速度算出手段及び送信側速度算出手段の機能がソフトゥエア的に付加される。

従って、以下では、相対速度及び送信側列車速度の演算処理動作についてのみ、図 1 2及び図 13を参照しながら説明する。

時刻 t _t において、突-線で示す位置に存在する列車 Aから送信された超音波信号 P , は、時間後に実線で示す位置に存在する列車 Bで受信されるものとする。同様に、時刻 t , から時間 T _s 経過後の時刻 t ₂ において、点線で示す位置.に存在する列車 Λから送信された超音波信号 P ₂ は、時間 T ₂ 後に点線で示す位置に存在する列車 Βで受信されるものとする。

時刻 t i における列車 A， B問の距離 L , は列車 Bの速度を V _B とすると次の（9) 式での表される。

次の送信時刻 t ₂ における両者の距離 L ₂ は列車 Aの速度を V A とすると次の（10)、 ( 1 1 ) 式で表される。

J;;^+TS V_B(t)dt- VA(t)dt · · · (10)

L₂十] ^^+Γ2 ν_Β(ί) =C ' T₂ · · · (

信号 P , の送受信の間の列車 Bの平均速度を _{V B 1}、信号 P ₂ の送受信の問の列車 Bの平均速度を v _{B 2}、とすると、信号 P , の送受信時問と信号 Ρ ₂ の送受信時問 Τ ₂ との差は、（9) 〜（11)式から次の（12)式で表される。 τ₂— T {L₂十 S ⁷² B(t)dt- - ;;^+ri VB(t)dt) j;;^+rs v_B(t)dt- J;;^+Ts v_A(t)dt

+ I " B( rfi-Li- S ^ B(i)rfi}

+ T2VB2-TiVBl}

. . . （12)

ここで、 V _A ， V _B は信号 P , の送信から信号 P ₂ の送信の間の列車 A, Bの平均速度を示す。

従って、 V _B - V _a は、列車 Α， Βの平均相対速度を意味し、次の（13)式で計算される。

V _B - V _A = [ T ₂ ( C - V _B2) - T , (C - V _B1)] / T s · - (13) ここで、 C》 V _B i， V B ₂の時、次のように近似計算される。

V _B 一 V_A ^ C · ( T ₂ - T , ) / T _S · · · (14)

(14)式から、列車の走行制御に必要な情報として列車 A , Bの平均相対速度が、超音波の送受信時間 T , ， T ₂ を計測することで知ることができる。

また、列車 Α， Βが接近しているか否かだけを判定する場合は、次のように信号 Ρ ₂ の送受信時問 Τ ₂ と信号 Ρ , の送受信時問 T , との差（T ₂ - Τ , ) の変化によって判定することができる。

即ち、 Τ ₂ - Τ ₁ > 0の場合は、列車 Αは列車 Βから離れている _c

T 2 - T , = 0の場合は、列車 Aと列車 Bの距離は変化しない。 T₂ - T！ < 0の場合は、列車 Λは列車 Βに接近している。

また、列車 Βの平均速度 V_B は、前記 v _{B 1}， v _B2の平均値（（ v _{B 1} + v _B2)/2 ) として計算することができるので、超音波信号を送信する列車 Aの平均速度 V _A を、受信側の列車 Bにおいて、次の（15) 式で計算することができる。

V _A = V_B - C - ( T ₂ - T , ) / T s · · . (15) 以上のように、本実施形態では、列車 Λ， Bの走行制御に必要な情報として列車 A， B問の平均相対速度及び送信側の列車平均速度を超音波受信側において演算することができる。

次に、超音波の送受信動作を、送信側と受信側とで同期をとらなくともよい場合の実施形態について説明する。

図 14 ( A) 、 ( B ) に本実施形態のハード構成を示す。

図 14において、列車 A側には、同図（A) に示すように後述する列車 Bからの超音波信号を受信する超音波受信装置 50と、該超音波受信装置 50からの出力により超音波信号を発信する超音波送信装置 51が搭載されている。超音波受信装置 50は、受波器 50及び増幅器 50 Bからなる。超音波送信装置 51は、前記増幅器 50Bからの出力により超音波信号を発生する超音波発生回路 51A及び送波器 51Bからなる。

—方列車 B側には、同図（B ) に示すように、超音波送信装置 60. 超音波受信装匱 6しタイミング信号発生回路 62及び信号処理回路 63 が搭載されている。

超音波送信装置 60は、タイミング信号発生回路 62からのタィミング信号により超音波信号を発生する超音波信号発生回路 60 A及び送波器 60Bからなる。超音波受信装置 61は、超音波信号を受信する受波器 61 A、増幅器 61 B及びタイミング信号発生回路 62からのタイミング信号によりゲ一トを開く受信ゲート回路 61 Cからなる。信号処理回路 63は、タイミング信号発生回路 62からのタイミング信号と超音波受信装置 61からの受信信号に基づいて、列車走行制御に必要な情報を生成する。これら各装置及び回路の基本動作は、第 1 実施形態のものと略同様であるのでここでは詳細な説明を省略する。

次に本実施形態の超音波信号の送受動作について図 15及び図 16を参照しながら説明する。

本実施形態の場合、例えば速度 V _B で走行する前方の列車 B側から速度 v _A で走行する後方の列車 Aに対してレール 30を介して超音波送信装置 60の送波器 60Bから超音波信号を送信する（図中、実線で示す経路 d ) 。この超音波 ί言号を列車 A側が受波器 50 Aで受信すると、これを増幅器 50 Bで増幅して超音波送信装置 51の超音波発生回路 51 Aに出力する。これにより、超音波信号を受信してから時間遅れなく送波器 51 Bから超音波信号をレール 30に介して列萆 B側に返信する（図中、破線で示す経路 d ' ) 。列車 B側では、この返信された超音波信号を受波器 61 Aで受信し、増幅器 61 Bで増幅した後タイミング信号によりゲ一トが閗している受信ゲ一ト回路 61 Cを介して信号処理回路 63に入力する。信号処理回路 63では、この超音波信号の伝送時問 T (図 16参照）を計測し、走行制御に必要な情報を生成する。

ここで、超音波信号の伝送速度が列車 A， Bの速度 v _A ， v _B に比べて充分大きい場合、列車 A— B問の距離 Lは、次の（16)式で表される。

L = C - Ύ / 2 · · . (16)

ここで、 Tは、列車 B側が超音波信号を送信してから受信するまでの伝送時問である。

また、列班八， Βの速度を考する場合、超音波信号の伝送の問の列車 Λ， Βの速度 ν _Α ， V B は変わらないものとすれば、列車 B が超音波信号を送信した時刻における距離 Lは、次の（17〉式で表される。 2 L = ( C - ( v _B - V _a ) ) T · · · ( 1 7 ) v B - v _A は列車 A , Bの相対速度であり、この相対速度（ v _B 一 V _A ) は、前述したようにして計測することができる。

以上のように、一方の列車 B側から超音波信号を送信し、他方の列車 A側でこれを受信して遅延なく超音波信号を返信し、列車 B側でこれを受信し、その伝送時間 Tに基づいて演算処理する構成とすれば、列車 A側と列車 B側とで超音波信号の送受信動作において互いに同期をとる必要がなく、回路構成が簡素化できる等の利点がある。

次に、図 1 7に別の実施形態を示す。

図 1 7は、計測結果に基づいて相手側の列車の走行制御を行う例である。

図 1 7において、本実施形態は、列本 A側には、図 17 ( A ) に示すように、図 Mに示す榊成に加えて列帘. B侧から送信される制御信号に基づいて列車 Aの走行制御を実行する制御回路 52が設けられる。また、列車 B側には、図 1 7 ( B ) に示すように、図 14に示す構成と略同様である力信号処理回路 63 ' に、演算処理結果に基づいて列車 A側の制御信号を生成する機能を付加し、この制御信号を超音波送信装置 60から送信する構成とした。従って、前記信号処理回路 63 ' 力相手側移動体に制御信号を送信する送信手段の機能を備える。次に、図 18のタイムチヤ一トを参照して動作を説明する。

列車 B側は、前回の計測 · 演算結果に基づいて列車 A側の走行を制御する指令コード（例えば、走行速度、加速、減速或いは停止等の指令）として制御信号をレール 30を介して送信する。列車 A側はこれを受信すると遅延なく返信すると共に、制御信号を制御回路 52 に入力してデコードし指令コ一ドを解読し、その指令に応じて各機器に制御出力を発して走行状態を制御する。列車 B側では、列車 A 側からの返信信号を受信し、送信から受信までの伝送時問の計測及びこの計測結果に基づいて列車 Aの走行制御に必要な次の制御指令用の情報を生成し、再び列車 A側に制御信号を送信する。この動作を繰り返すことにより、列車 B側で列車 Aの走行を制御する。

以上のように構成すれば、計測を行う列車側が前方の列車であれば、前方の列車で、相手侧である後方の列車を制御して追突回避制御や追尾制御を行うことができる。

尚、前述した各実施形態では、前方の列車が列車走行制御に必要な情報を生成する構成としたが、後方の列車側で列車走行制御に必要な情報を生成して前方の列車の走行を制御する構成としてもよいことは言うまでもない。また、移動体としては列車に限るものではない。また、送波器及び受波器の設置位置としては、送波器の場合. 例えば前方移動体に信号を送信する場合は最先端部に、後方移動体に送信する場合は最後部に、また、受波器の場合、前方移動体から信号を受信する場合は最先端部に、後方移動体から受信する場合は最後部に、それぞれ配置するのが望ましい。これは、例えば移動体が列車等の場合、超音波信号の伝送経路に自身の車輪等が存在すると、送信或いは受信する超音波が、存在する車輪等により減衰する虞れがある。

以上説明したように発明によれば、地上側と通信することなく移動体間での通信だけで移動体の走行制御をすることができる。これにより、地上を介在させることなく、移動体単位で直接制御することが可能となり、移動体の運行管理の柔軟性と制御システムの保守性が向上する。そして、送波器の送波而及び受波器の受波而を移動体の金属体からなる機械要素に直接当接させるよう取り付けることで、超音波の伝送経路における伝送損失を低減でき、計測感度の低下を防止できる。

列車の運行管理に適用することにより、従来の列車制御における固定閉塞システムのような集中型制御方式ではなく列車単位による分散型制御方式が可能となり、列車の運行管理の柔軟性と制御システムの保守性が向上する。また、従来の閉塞システムのように、レ —ル問の絶縁処理が不要であり、また、レールと車輪との接触抵抗は関係なく、接触不良等に起因する問題の心配が全くないので、制御システムの信頼性を向上できる。

尚、送波器及び受波器の取付け構造としては、図 19〜図 21に示すような構造も考えられる。この取付け構造について送波器を例に以下に説明するが受波器についても同じである。

図において、車軸 100 にベアリング 101 を介して取付けられる車輪 102 の側面に送波器 103 を取付ける。この場合、送波器 103 は、例えば、図 20に示すような構造とする。

即ち、送波器本体 103aを、車輪 102 の側面にその送波面を直接当接させ、取付けフランジ 103rを介してボルト等で固定する。絶縁物 103bは送波器本体 103a及び取付けフランジ 103rと隙間を有し送波器本体 103a及び取付けフランジ 103rを覆っている。送波器本体 103aに取付けた軸 103cには、 2個の金属製の円板部材 103d， 103eが問隔を設けて互いに絶縁されて設けられる。前記円板部材 103d， 103eは、軸 103cに沿つて設けたリード線 103f， 103gを介してそれぞれ送波器本体 103aと電気的に接続される。前記円板部材 103d, 103eは、それぞれの摺動子 103h， 103iを介して図 21に示すように略環状の外側電極 103j及び内側電極 103kとそれぞれ接触する。外側電極 103jと内側電極 103kは、絶縁物 1031によって互いに絶縁される。軸 103cは、絶縁物 1031, 103mに軸受 103n， 103οを介して軸支される。そして、絶緣物 103b， 1031, 103m及び両電極 103j, 103k側は、近傍の固定体（図示せず）に困定されている。従って、送波器本体 103a、軸 103c及び金屈製の円板部材 103d， 103eは、絶緣物 103b， 1031 , 103m及び両電極 103j， 103k側に対して軸受 103η， 103οを介して回転可能で車輪 102 と一体に回転する。図中、 103p， 103qは、外側及び内側電極 10 3 j， 103kと接続する電源供給用のリード線を示す。

このような送波器及び受波器の取付け構造によれば、車軸 1 00 と車輪 1 02 との問のベアンリグ部を介さずに、レール側との間の超音波伝送を行うことができる。

尚、速度計測の情報を多く得るには、超音波送受の使用周波数を異ならせて冗長構成とすればよいことは自明である。また、複数の列車問の干渉を避ける目的で、超音波の使用周波数を異ならせることも自明である。また、列車問の情報等の信号の送受信に、アンテナとしてコイルを利用してレールを介して行う方法も考えられる。〔産業上の利用可能性〕

本発明は、地上側を介さずに移動体問で走行制御に必要な情報の授受が可能となり、移動体の運行管理システムの柔軟性及び保守性を向上でき、産業上の利用可能性が大である。

Claims

言青求の範囲

( 1 ) 移動体問で金属体の伝送媒体を介して超音波信号の授受を行い移動体の走行制御を行う移動体制御装置であって、前記伝送媒体に向けて超音波信号を放射する送波器を備えた超音波送信手段を一方の移動体に設け、前記伝送媒体を介して超音波信号を受信する受波器を備えた超音波受信手段及び受信した超音波信号に基づいて移動体の走行制御に必要な情報を生成する情報生成手段を他方の移動体に設けたことを特徴とする移動体制御装置。

( 2 ) 前記超音波送信手段の送波器及び前記超音波受信手段の受波器は、それぞれ、各移動体の前記伝送媒体と直接接触する金属体の機械要素に送波面及び受波而を直接当接して取付ける構成である請求項 1 記載の移動体制御装置。

( 3 ) 前記超音波送信手段と超音波受信手段を互いに同期させる同期手段を備えた請求項 1 記載の移動体制御装置。

( ) 前記同期手段は、前記一方の移動体側に設けられた前記超音波送信手段の送信タイミングを制御する第 1 タイミング信号を発生する第 1 タイミング信号発生手段と、前記他方の移動体側に設けられた前記超音波受信手段の受信タイミングを制御する第 2 タイミング信号を前記第 1 タイミング信号に同期して発生する第 2 タイミング信号発生手段とを備えた請求項 3記載の移動体制御装置。

( 5 ) 前記第 1 及び第 2 タイミング信号発生手段の各タィミング信号の同期ずれをそれぞれ校正する校正手段を備えた請求項 4記載の移動体制御装置。

( 6 ) 前記第 1及び節 2 タイミング信号発生手段は、それぞれ、クロック信号発生器と、該クロック信号発生器のクロック信号を分周し複数の分周出力を発生するカウンタと、前記複数の分周出力をそれぞれ否定演算する N O T回路と、各 N O T回路の出力を論理積演算して前記タイミング信号を生成する A N D回路とを備えて構成され、前記校正手段は、それぞれ、校正信号発生源からの校正信号を受信するアンテナと、該アンテナで受信した校正信号の入力により前記各カウンタを強制的にリセッ卜するリセッ卜信号を出力する校正信号受信回路とを備えた請求项 5記載の移動体制御装置。

( 7 ) 前記情報生成手段は、超音波信号が送信されてから受信されるまでの時問を計測する時問計測手段と、該時問計測手段の計測値に基づいて前記走行制御に必要な情報として移動体問距離を算出する距離算出手段とを備えた請求項 1 記載の移動体制御装置。

( 8 ) 前記情報生成手段は、前記距離算出手段の算出する移動体間距離の変化パターンに基づいて移動体間の相対速度を算出する相対速度算出手段を備えた請求項 7記載の移動体制御装置。

( 9 ) 前記他方の移動体が、前記一方の移動体の超音波送信手段とは別の超音波送信手段を備え、前記情報生成手段は、前記別の超音波送信手段から超音波信号が送信されてから超音波受信手段で受信するまでの時間に基づいて受信側である前記他方の移動体の速度を算出する受信側速度算出手段を備え、該受信側速度算出手段の算出値と前記時問計測手段の計測値とに基づいて移動体問距離を算出する構成である請求项 7記載の移動体制御装置。

( 10 ) 前記情報生成手段は、前記相対速度算出手段で算出された相対速度と、前記受信側速度算出手段で算出された前記他方の移動体の速度とに基づいて送信側である前記一方の移動体の速度を算出する送信側速度算出手段を備えた請求項 9記載の移動体制御装置。

( 1 1 ) 前記一方の移動体の超音波送信手段と前記他方の移動体の超音波受信手段が、非同期である請求項 1記載の移動体制御装置。

( 1 2 ) 前記両移動体に、それぞれ、超音波送信手段と超音波受信手段を備え、前記一方の移動体側の超音波受信手段が前記他方の移動体側から送信された超音波信号を受信した時に遅延なく超音波信号を前記他方の移動体側に返信し、該返信信号を他方の移動体側の超音波受信手段で受信する構成であり、前記情報生成手段が、他方の移動体側から超音波を送信してから当該他方の移動体側で前記返信信号を受信するまでの時問に基づいて移動体の走行制御に必要な情報を生成する構成である請求項 1 1記載の移動体制御装置。

( 13 ) 前記他方の移動体は、前記情報生成手段で生成した情報に基づいて相手側移動体に走行制御情報を送信すろ送信手段を備え、前記一方の移動体側は、前記送信手段で送信された走行制御情報に基づいて走行制御指令を生成する制御手段を備えた請求項 1 記載の移動体制御装置。

( 14 ) 前記移動体が列車であり、前記伝送媒体が列車の走行レールである請求項 1 記載の移動体制御装置。