(57)【要約】【課題】複数系統の設備が電気的に接続された鉄道通信設備に対する対雷対策として、適切な接地構成の設計を効率的に実現するための支援技術を提供すること。【解決手段】鉄道通信設備についての接地パターン及び雷サージの侵入経路をシミュレーション条件とした雷サージシミュレーションを繰り返し実行することで、雷サージの影響が少ない接地パターン、つまり、全ての侵入経路についての雷サージシミュレーションにより算出された電流及び電圧が制約条件を満たした接地パターンを候補解として選択する。そして、これらの候補解のうち、接地数が最小であり、且つ、接地抵抗値が最大となる候補解を、対雷対策として適切な接地構成として選択する。【選択図】図１
2018042347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力・信号・通信のうちの２以上の系統の電気回路が接続された鉄道通信設備へ侵入する雷サージに対する耐雷対策として、共通接地を含む各系統の接地および接地抵抗に関する接地構成の設計をコンピュータに支援させるためのプログラムであって、
所与の接地構成とした場合に所与の系統から雷サージが侵入したことをシミュレーション条件として前記鉄道通信設備の各部に生じる電流および電圧を算出する雷サージシミュレーションを実行するシミュレーション処理手段、
前記雷サージシミュレーションにより算出された電流および電圧が、所定の制約条件を満たすか否かを判定する判定手段、
前記雷サージシミュレーションを実行させる接地構成の候補（以下「接地パターン」という）および雷サージの侵入系統を、過去に実行した前記雷サージシミュレーションに係る前記判定手段の判定結果に基づいて選択することで前記シミュレーション条件を設定することと、前記シミュレーション処理手段による前記雷サージシミュレーションおよび前記判定手段による判定を行わせることとを順次繰り返し、全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地パターンを提示する演算制御手段、
として前記コンピュータを機能させるためのプログラム。
【請求項２】
前記演算制御手段は、
過去に実行した前記雷サージシミュレーションに係る前記判定手段の判定結果を、雷サージの侵入系統別に統計演算することと、
同一の接地パターンについて、前記統計演算の結果に基づき前記制約条件を満たす可能性の低い順に雷サージの侵入系統を変えることで前記シミュレーション条件を設定して前記繰り返しの処理を実行し、当該繰り返しの間に前記制約条件を満たさないと判定された場合には、当該同一の接地パターンについての繰り返し処理を中止することと、
を実行する、
請求項１に記載のプログラム。
【請求項３】
前記演算制御手段は、
共通接地を多く構成することによる接地数の少ない順に前記シミュレーション条件を設定して前記繰り返しの処理を実行し、全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地数があらわれた場合に、当該接地数に係る前記繰り返しの処理をもって前記繰り返しの処理を中止する、
請求項１又は２に記載のプログラム。
【請求項４】
前記演算制御手段は、
同一の接地数の接地パターンのうち、接地抵抗の組み合わせが所定の最適化条件を満たす接地パターンを提示する、
請求項３に記載のプログラム。
【請求項５】
前記演算制御手段は、
全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地数があらわれた場合に、当該接地数に係る前記繰り返しの処理において、全ての侵入系統について前記制約条件を満たしたと判定された接地パターンに対して、前記最適化条件に基づく劣等解となる接地パターンについては前記シミュレーション条件の設定から除外して前記繰り返しの処理を続行する、
請求項４に記載のプログラム。
【請求項６】
電力・信号・通信のうちの２以上の系統の電気回路が接続された鉄道通信設備へ侵入する雷サージに対する耐雷対策として、共通接地を含む各系統の接地および接地抵抗に関する接地構成の設計を支援する接地構成設計支援装置であって、
所与の接地構成とした場合に所与の系統から雷サージが侵入したことをシミュレーション条件として前記鉄道通信設備の各部に生じる電流および電圧を算出する雷サージシミュレーションを実行するシミュレーション処理手段と、
前記雷サージシミュレーションにより算出された電流および電圧が、所定の制約条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
前記雷サージシミュレーションを実行させる接地構成の候補（以下「接地パターン」という）および雷サージの侵入系統を、過去に実行した前記雷サージシミュレーションに係る前記判定手段の判定結果に基づいて選択することで前記シミュレーション条件を設定することと、前記シミュレーション処理手段による前記雷サージシミュレーションおよび前記判定手段による判定を行わせることとを順次繰り返し、全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地パターンを提示する演算制御手段と、
を備えた接地構成設計支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道通信設備の対雷対策としての接地構成の設計を支援する接地構成設計支援装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物に対する雷サージ対策（対雷対策）として、複数の接地を共通化することによる接地電位の等電位化が知られていている。例えば、特許文献１には、建築物の一例として、発変電所などの電力設備について、付属設備を含む電力設備全体の接地を共通化した例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−３４８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
鉄道においては、従来、鉄道通信設備に電力・信号・通信といった複数の系統別の設備が設置されている場合、各設備は系統別に接地が設けられていた。このような鉄道通信設備についても、系統別の設置を共通化することで、雷サージの低減といった効果が得られる可能性がある。しかしながら、鉄道通信設備は、高圧設備である電力設備と、低圧設備である信号・通信設備とが混在して構成されており、接地を共通化することによってどのような効果や影響が生じるかの検討は進んでいない。また、接地の共通化によって生じる効果や影響は、鉄道通信設備の構成によっても大きく異なることが考えられる。雷サージが及ぼす電気的な影響をシミュレーションする技術はあるが、そのシミュレーションに係る計算量は膨大である。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数系統の設備が電気的に接続された鉄道通信設備に対する対雷対策として、適切な接地構成の設計を効率的に実現するための支援技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための第１の発明は、
電力・信号・通信のうちの２以上の系統の電気回路が接続された鉄道通信設備へ侵入する雷サージに対する耐雷対策として、共通接地を含む各系統の接地および接地抵抗に関する接地構成の設計をコンピュータに支援させるためのプログラムであって、
所与の接地構成とした場合に所与の系統から雷サージが侵入したことをシミュレーション条件として前記鉄道通信設備の各部に生じる電流および電圧を算出する雷サージシミュレーションを実行するシミュレーション処理手段（例えば、図８の雷サージＳＩＭ部２０４）、
前記雷サージシミュレーションにより算出された電流および電圧が、所定の制約条件を満たすか否かを判定する判定手段（例えば、図８の制約判定部２０６）、
前記雷サージシミュレーションを実行させる接地構成の候補（以下「接地パターン」という）および雷サージの侵入系統を、過去に実行した前記雷サージシミュレーションに係る前記判定手段の判定結果に基づいて選択することで前記シミュレーション条件を設定することと、前記シミュレーション処理手段による前記雷サージシミュレーションおよび前記判定手段による判定を行わせることとを順次繰り返し、全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地パターンを提示する演算制御手段（例えば、図８の最適解探索部２０８）、
として前記コンピュータを機能させるためのプログラムである。
【０００７】
また、他の発明として、
電力・信号・通信のうちの２以上の系統の電気回路が接続された鉄道通信設備へ侵入する雷サージに対する耐雷対策として、共通接地を含む各系統の接地および接地抵抗に関する接地構成の設計を支援する接地構成設計支援装置であって、
所与の接地構成とした場合に所与の系統から雷サージが侵入したことをシミュレーション条件として前記鉄道通信設備の各部に生じる電流および電圧を算出する雷サージシミュレーションを実行するシミュレーション処理手段と、
前記雷サージシミュレーションにより算出された電流および電圧が、所定の制約条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
前記雷サージシミュレーションを実行させる接地構成の候補（以下「接地パターン」という）および雷サージの侵入系統を、過去に実行した前記雷サージシミュレーションに係る前記判定手段の判定結果に基づいて選択することで前記シミュレーション条件を設定することと、前記シミュレーション処理手段による前記雷サージシミュレーションおよび前記判定手段による判定を行わせることとを順次繰り返し、全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地パターンを提示する演算制御手段と、
を備えた接地構成設計支援装置を構成しても良い。
【０００８】
この第１の発明等によれば、鉄道通信設備についての接地パターン及び雷サージの侵入系統をシミュレーション条件とした雷サージシミュレーションを繰り返し実行し、全ての侵入系統について雷サージシミュレーションにより算出された電流及び電圧が制約条件を満たした接地パターン、つまり、全ての侵入系統からの雷サージの侵入に対する影響が少ない接地パターンを、対雷対策に適切な接地構成として提示することができる。
【０００９】
但し、あらゆる接地パターン及び雷サージのあらゆる侵入系統について、しらみつぶしに全てシミュレーションするわけではない。雷サージシミュレーションを実行させるシミュレーション条件（接地パターン及び雷サージの侵入系統）を、過去に実行した雷サージシミュレーションに係る判定結果に基づいて選択することで、全てのシミュレーション条件についての雷サージシミュレーションを実行することなく、対雷対策に適切な接地パターンを効率良く探索して提示することが可能となる。
【００１０】
また、第２の発明として、第１の発明のプログラムであって、
前記演算制御手段は、
過去に実行した前記雷サージシミュレーションに係る前記判定手段の判定結果を、雷サージの侵入系統別に統計演算することと、
同一の接地パターンについて、前記統計演算の結果に基づき前記制約条件を満たす可能性の低い順に雷サージの侵入系統を変えることで前記シミュレーション条件を設定して前記繰り返しの処理を実行し、当該繰り返しの間に前記制約条件を満たさないと判定された場合には、当該同一の接地パターンについての繰り返し処理を中止することと、
を実行する、
プログラムを構成しても良い。
【００１１】
この第２の発明によれば、雷サージの侵入系統によって鉄道通信設備の各部に対する雷サージの影響が異なることから、同一の接地パターンについて、制約条件を満たす可能性が低い順、すなわち、雷サージの影響が最も大きいと推定される侵入系統から順にシミュレーション条件を設定して、雷サージシミュレーションを実行する。これより、雷サージシミュレーションの実行回数を低減し、対雷対策に適切な接地パターンの探索を効率良く行うことができる。
【００１２】
第３の発明として、第１又は第２の発明のプログラムであって、
前記演算制御手段は、
共通接地を多く構成することによる接地数の少ない順に前記シミュレーション条件を設定して前記繰り返しの処理を実行し、全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地数があらわれた場合に、当該接地数に係る前記繰り返しの処理をもって前記繰り返しの処理を中止する、
プログラムを構成しても良い。
【００１３】
この第３の発明によれば、接地数が少ない接地パターンから順にシミュレーション条件として設定して、雷サージシミュレーションを実行する。これにより、接地数が最小となる接地パターンを、対雷対策として適切な接地パターンとして提示することができるとともに、対雷対策に適切な接地パターンの探索を効率良く行うことができる。
【００１４】
第４の発明として、第３の発明のプログラムであって、
前記演算制御手段は、
同一の接地数の接地パターンのうち、接地抵抗の組み合わせが所定の最適化条件を満たす接地パターンを提示する、
プログラムを構成しても良い。
【００１５】
この第４の発明によれば、接地数が最小となる接地パターンのうち、接地抵抗の組み合わせが所定の最適化条件を満たす接地パターンを、対雷対策として適切な接地パターンとして提示することができる。
【００１６】
第５の発明として、第４の発明のプログラムであって、
前記演算制御手段は、
全ての侵入系統について前記制約条件を満たした接地数があらわれた場合に、当該接地数に係る前記繰り返しの処理において、全ての侵入系統について前記制約条件を満たしたと判定された接地パターンに対して、前記最適化条件に基づく劣等解となる接地パターンについては前記シミュレーション条件の設定から除外して前記繰り返しの処理を続行する、
プログラムを構成しても良い。
【００１７】
この第５の発明によれば、全ての侵入系統について制約条件を満たす接地パターンに対して、接地抵抗の最適化条件に基づく劣等解となる接地パターンについては、シミュレーション条件の設定から除外する。これにより、雷サージシミュレーションの実行回数を低減し、対雷対策として適切な接地パターンの探索を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】鉄道通信設備の概略構成図。
【図２】鉄道通信設備に対する接地の共通化の一例。
【図３】接地パターンの一例。
【図４】パレート最適解の概要図。
【図５】鉄道通信設備に対する雷サージの侵入経路。
【図６】侵入経路別の選択確率の設定の説明図。
【図７】探索領域の設定の説明図。
【図８】接地構成設計支援装置の機能構成図。
【図９】探索領域の更新に応じた候補解の削除の一例。
【図１０】接地構成設計支援処理のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［原理］
本実施形態は、鉄道通信設備の雷サージ対策（対雷対策）として、各系統の接地の共通化やそれぞれの接地抵抗の最大化といった接地構成の適切な設計を支援するものである。
【００２０】
図１は、本実施形態における接地構成の設計対象となる鉄道通信設備の概略構成図である。図１に示すように、鉄道通信設備では、高圧設備である電力系統と、低圧設備である信号系統及び通信系統との三系統の電気回路が電気的に接続されており、図１では一つの機器室で接続されているとして示している。また、図１では、系統別に各設備が接地されている状態を示している。
【００２１】
このような鉄道通信設備に対して、雷サージに対する適切な接地構成の設計案を算出する。具体的には、雷サージの影響が少ない、つまり雷サージの侵入時の鉄道通信設備における各部の電流及び電圧が制限値を満たす範囲で、接地数が最小となり、且つ、接地抵抗値が最大となる接地構成を、雷サージに対する適切な接地構成として算出する。
【００２２】
図２は、図１の鉄道通信設備に対する接地構成例である。図２（ａ）は、鉄道通信設備に対して、一部の接地を共通化した例である。すなわち、３つの接地ｂ〜ｄを共通化した接地構成であり、接地数は「３」である。図２（ｂ）は、鉄道通信設備に対して、全ての接地を共通化した接地構成の例である。すなわち、５つの接地ａ〜ｅの全てを共通化した接地構成であり、接地数は「１」である。
【００２３】
このように、鉄道通信設備に対する接地の共通化は様々な組み合わせが考えられ、更に、各組み合わせにおける接地抵抗値についても様々な組み合わせが考えられる。つまり、共通化する接地の組み合わせと各接地の接地抵抗値の組み合わせとして取り得る接地パターンは多数存在する。
【００２４】
図３は、図１の鉄道通信設備に対する接地パターンの一例である。鉄道通信設備には５つの接地ａ〜ｅが設けられていることから、取り得る接地数の最大値は「５」である。図３においては、接地抵抗値を、５０Ω、及び、１００Ω、の２種類として、接地数別に、共通化する接地の組み合わせ、及び、その組み合わせを構成する各接地の接地抵抗値の組み合わせでなる接地パターンの一覧を示している。
【００２５】
鉄道通信設備について考えられる各接地パターンに対する雷サージシミュレーションを行い、そのシミュレーションの結果に基づき、雷サージに対して適切な接地パターンを探索する。雷サージシミュレーションとは、鉄道通信設備を構成する各部を等価回路で表現し、雷サージの侵入時に各部に生じる電圧及び電流を計算する電気回路シミュレーションである。
【００２６】
具体的には、各接地パターンに対する雷サージシミュレーションによって得られる雷サージ侵入時の鉄道通信設備の各部の電圧及び電流が、「所定の電圧制限値及び電流制限値未満」という制約条件を満たす接地パターンを候補解として抽出し、更に、これらの候補解のうちから、接地数が最小であり、且つ、接地抵抗値が最大となる接地パターンを、雷サージに対して適切な接地構成（最適解）として選択する。より詳細には、接地パターンを１つずつ順に選択し、雷サージシミュレーションを行って、候補解となるかを判定し、接地数が最小となる候補解のうちから、接地抵抗値が最大となる候補解を最適解として選択する。
【００２７】
ここで、接地抵抗値が最大とは、各接地の接地抵抗値が最大であることであり、複数の接地抵抗値を同時に最大化するという多目的最適化となる。多目的最適化では、単目的最適化とは異なり優劣の付けられない解が複数存在する可能性がある。例えば、接地１と接地２という二つの接地の接地抵抗値の最大化を考える場合、接地１が５０Ωで接地２が1１００Ω、接地１が１００Ωで接地２が５０Ωという２つのパターンでは、お互いに片方の接地抵抗値は優れているが、もう片方の接地抵抗値は劣っているという関係になり、優劣を付けることができない。このため、接地抵抗値が最大となる候補解の選択では、各接地の接地抵抗値を最大化するという観点でより優れた解が存在しない候補解（パレート最適解）の集合を求めていくこととする。従って、最適解としては複数の解が存在することになる。より詳細には、接地数が最小である候補解について、共通化する接地の組み合わせ毎に、各接地の接地抵抗値の最大化の観点でのパレート最適解の集合を最適解として選択する。
【００２８】
パレート最適解とは、互いに優劣がつけられない解の集合であり、図４に示すように、複数の目的関数値の何れかを改善させようとした場合、他の目的関数値が改悪されてしまうような状態の解のことである。図４は、パレート最適解の概要図であり、接地抵抗値に関する二つの目的関数１，２を二軸とする座標平面に、複数の接地パターンをプロットした様子を示している。目的関数値を小さくする方向が最適化の方向（すなわち、接地抵抗値を大きくする方向）に相当する。接地パターンＡ〜Ｄは、それぞれ、破線で示すように当該接地パターンＡ〜Ｄよりも目的関数１，２の目的関数値の両方が小さいものがないため、パレート最適解となる。一方、接地パターンＥ，Ｆは、例えば接地パターンＥよりも接地パターンＢが、接地パターンＦよりも接地パターンＣが、目的関数値の両方が小さい値を取るため、非パレート最適解である。
【００２９】
ところで、鉄道通信設備における雷サージの侵入経路は、系統別に検討する必要がある。侵入経路によって鉄道通信設備に対する雷サージの影響が異なるからである。図５は、鉄道通信設備に対する雷サージの侵入経路を示す図である。図５に示すように、鉄道通信設備に対する雷サージの侵入経路として、通信系統からの侵入経路α，βと、信号系統からの侵入経路γと、電力系統からの侵入経路δと、の４通りの侵入経路がある。信号系統については、鉄道通信設備に与える雷サージの影響が異なることから、信号ケーブルの被覆からの侵入経路αと、芯線からの侵入経路βとの２種類がある。
【００３０】
従って、１つの接地パターンについて、４通りの侵入経路それぞれから雷サージが侵入した場合の雷サージシミュレーションを行い、その全てについてのシミュレーション結果が制約条件を満たす場合に、当該接地パターンは候補解となる。つまり、１つでも制約条件を満たさない侵入経路がある場合には候補解とならない。
【００３１】
上述のように、鉄道通信設備に対して考えられる接地パターンは多数多様であり、各接地パターンそれぞれについて、４通りの侵入経路についての雷サージシミュレーションを行うことは、一層の演算量の増加（演算負荷の増大）となり不効率である。そこで、本実施形態では、次の２つの手法によって、雷サージシミュレーションの実行回数を減らし、雷サージに対して適切な接地構成（最適解）の探索を効率良く行うことで、適切な接地構成（最適解）の設計支援を効率的に実現する。
【００３２】
（Ａ）侵入経路の選択確率
上述のように、鉄道通信設備に対する雷サージの侵入経路は複数あるが、侵入経路によって鉄道通信設備の各部に発生する雷サージの影響が異なる。また、１つの接地パターンについて、１つでも雷サージシミュレーションのシミュレーション結果が制約条件を満たさない侵入経路がある場合には、当該接地パターンは候補解とならない。
【００３３】
このため、雷サージの影響が大きい、すなわち制約条件を満たす可能性が低い侵入経路を優先して雷サージシミュレーションを行うことで、最適解の探索の効率化を図る。具体的には、過去に実行した雷サージシミュレーションのシミュレーション結果に基づいて、侵入経路別の選択確率を設定し、この選択確率に従った侵入経路の順序で、雷サージシミュレーションを行う。
【００３４】
図６は、侵入経路別の選択確率の決定の説明図である。図６に示すように、先ず、複数（ｎ個）の接地パターンをランダムに選択し、これらの接地パターンそれぞれについて、全ての侵入経路についての雷サージシミュレーションを行って、制約条件を満たすかを判定する。つまり、接地パターン（ｎ個）及び侵入経路（４種類）の組み合わせが異なるｎ×４回の雷サージシミュレーションを行うことになる。そして、この雷サージシミュレーションの結果が制約条件を満たさない回数をもとに、侵入経路別の選択確率を設定する。すなわち、ある侵入経路の選択確率を、全ての侵入経路の制約条件を満たさない回数Ｘに対する当該侵入経路の制約条件を満たさない回数Ｙの割合（＝Ｙ／Ｘ）として設定する。
【００３５】
図６では、６つ（ｎ＝６）の接地パターンを選択しており、２４（＝６×４）回の雷サージシミュレーションを行った例を示している。そして、２４回の雷サージシミュレーションのうち、シミュレーション結果が制約条件を満たさない回数は１１回であり、侵入経路別の内訳は、侵入経路αが１回、侵入経路βが５回、侵入経路γが４回、侵入経路δが１回、である。従って、侵入経路α〜δそれぞれの選択確率は、それぞれ、１／１１，５／１１，４／１１，１／１１、となる。
【００３６】
以降は、各接地パターンについて、このように設定した侵入経路別の選択確率に従った順序で、侵入経路それぞれについての雷サージシミュレーションを行う。つまり、１つの接地パターンをランダムに選択し、侵入経路別の選択確率に従った順序（選択確率の高い順）で、侵入経路それぞれについての雷サージシミュレーションを行うが、シミュレーション結果が制約条件を満たさない時点で、当該接地パターンは候補解となり得ないため、未実行の侵入経路についての雷サージシミュレーションを行わない。そして、シミュレーション結果が制約条件を満たさなかった侵入経路の回数を１回加算して、侵入経路別の選択確率を更新する。全ての侵入経路についての雷サージシミュレーションのシミュレーション結果が制約条件を満たすならば、当該接地パターンを候補解とする。その後、次の接地パターンを選択して同様の処理を行う。
【００３７】
（Ｂ）探索領域
上述のように、接地数が最小である候補解のうちから、各接地の接地抵抗値を最大化するパレート最適解を最適解として選択する。このため、探索した候補解に基づく探索領域を設定し、以降は、設定した探索領域内の接地パターンを探索の対象として雷サージシミュレーションを行うことで、最適解の探索の効率化を図る。
【００３８】
図７は、探索領域の設定を説明する図である。図７（ａ）に示すように、候補解Ｇを探索すると、この候補解Ｇに優位な解が存在する範囲を探索領域として設定する。つまり、接地抵抗値に基づく２つの目的関数を二軸とする座標平面において、少なくとも１つの目的関数値が、探索した候補解Ｇのそれ以下となる範囲（領域）である。以降は、設定した探索領域外の接地パターンを探索の対象から除外する。つまり、探索領域外の接地パターンは、候補解に対する劣等解であり、新たな候補解になり得ないとして雷サージシミュレーションを行わない。
【００３９】
そして、新たな候補解を探索すると、図７（ｂ）に示すように、その候補解に基づいて探索領域を更新する。図７（ｂ）は、複数（３つ）の候補解Ｇ，Ｈ，Ｉが探索された時点における探索領域を示している。探索された全ての候補解Ｇ，Ｈ，Ｉに対して優位な解が存在する範囲が、探索領域となる。
【００４０】
［機能構成］
図８は、接地構成設計支援装置１の機能構成図である。図８によれば、接地構成設計支援装置１は、操作入力部１０２と、表示部１０４と、音声出力部１０６と、通信部１０８と、処理部２００と、記憶部３００とを備えて構成されるコンピュータシステムであり、与えられた鉄道通信設備へ侵入する雷サージに対する適切な接地構成を求めて出力する。
【００４１】
操作入力部１０２は、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、各種スイッチ等の入力装置で実現され、なされた操作入力に応じた操作信号を処理部２００に出力する。表示部１０４は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置で実現され、処理部２００からの表示信号に基づく各種表示を行う。音声出力部１０６は、例えばスピーカ等の音出力装置で実現され、処理部２００からの音声信号に基づく各種音声出力を行う。通信部１０８は、例えば無線通信モジュールやルータ、モデム、有線用の通信ケーブルのジャックや制御回路等で実現される通信装置であり、外部装置とのデータ通信を行う。
【００４２】
処理部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の演算装置や演算回路で実現され、記憶部３００に記憶されたプログラムやデータ、各センサの計測データ等にもとづいて、接地構成設計支援装置１の全体制御を行う。また、処理部２００は、機能的な処理ブロックとして、接地パターン生成部２０２と、雷サージＳＩＭ部２０４と、制約判定部２０６と、最適解探索部２０８と、を有する。接地パターン生成部２０２、雷サージＳＩＭ部２０４、制約判定部２０６、及び、最適解探索部２０８は、処理部２００がプログラムを実行することでソフトウェア的に実現することも、専用の演算回路で実現することも可能である。本実施形態では前者のソフトウェア的に実現することとして説明する。
【００４３】
接地パターン生成部２０２は、設計対象とする鉄道通信設備（より具体的には鉄道通信設備の電気回路）について、共通化する接地の組み合わせ、及び、各接地の接地抵抗値の組み合わせとして取り得る全ての接地パターンを生成する。ここで、接地抵抗値は、与えられた複数の接地抵抗値（例えば、５０Ω、及び、１００Ω）の何れかを取るものとする。また、対象となる鉄道通信設備をあらわす電気回路の情報は、鉄道通信設備情報３０４として記憶されている。そして、生成した接地パターンについての情報は、接地パターン情報３０８として記憶される。
【００４４】
雷サージＳＩＭ部２０４は、接地構成とする接地パターンや雷サージの侵入経路をシミュレーション条件として、鉄道通信設備の各部に生じる電圧及び電流を算出する雷サージシミュレーションを行う。雷サージシミュレーション自体は、公知の電気回路シミュレーションの技術を適用することで実現できる。雷サージシミュレーションの結果は、シミュレーション条件とした接地パターンや侵入経路等と対応付けて、ＳＩＭ結果情報３１０として記憶される。
【００４５】
制約判定部２０６は、雷サージＳＩＭ部２０４による雷サージシミュレーションの結果が、制約条件を満たすかを判定する。制約条件となる鉄道通信設備の各部の電圧制限値及び電流制限値は、制約条件情報３０６として記憶されている。
【００４６】
最適解探索部２０８は、接地パターン生成部２０２によって生成された接地パターンのうちから、鉄道通信設備における雷サージに対して最適解となる接地パターンを探索する。すなわち、接地パターンを１つずつ順に選択し、雷サージシミュレーションの結果に基づいて、候補解となるかを判定する。そして、候補解とした接地パターンのうちから、接地数が最小であり、且つ、接地抵抗値が最大となる接地パターンを、鉄道通信設備の雷サージに対する適切な接地構成（最適解）とする。
【００４７】
選択した接地パターンが候補解となるかの判定は、鉄道通信設備に対する系統別の侵入経路（本実施形態では４つの侵入経路）それぞれについての雷サージシミュレーションを行い、全ての侵入経路についてのシミュレーション結果が制約条件を満たす場合に、当該接地パターンを候補解とする。１つの接地パターンについての侵入経路別の雷サージシミュレーションは、それまでに実行した侵入経路別の雷サージシミュレーションの結果（詳細には、制約条件を満たさない回数）に基づき、制約条件を満たさない確率が低いほど高くなるように設定された侵入経路別の選択確率に従った順序で行い、何れかの侵入経路についてのシミュレーション結果が制約条件を満たさない時点で、当該接地パターンは候補解でないと判定し、残りの侵入経路についての雷サージシミュレーションは行わない。
【００４８】
また、候補解を探索すると、この時点までに候補解として探索した各接地パターンの接地抵抗値の組み合わせを最大化するパレート最適解として優位な解が存在する範囲を探索領域として設定する。以降は、この探索領域外の接地パターンを、候補解の探索の対象としない。すなわち、探索領域内の接地パターンのうちから、候補解となり得るかの判定対象とする次の接地パターンを選択する。
【００４９】
このとき、探索領域の設定によって、既に探索した候補解が探索領域外となる場合がある。このような場合には、探索領域外となった候補解を、候補解から削除する。具体的には、図９（ａ）に示すように、既に探索された３つの候補解Ｊ，Ｋ，Ｌに基づく探索領域が設定されているとする。この状態において、図９（ｂ）に示すように、新たな候補解Ｍが探索され、この候補解Ｍに基づいて探索領域が更新されると、その結果、探索領域外となった候補解Ｋが除外される。
【００５０】
また、候補解となるかの判定対象とする接地パターンの選択は、接地数の小さい順に行う。すなわち、候補解とする接地パターンを探索したならば、当該接地数の全ての接地パターンを対象とした判定を終了した時点で、候補解の探索を終了する。そして、候補解として得られた接地パターンを、鉄道通信設備についての雷サージに最適な接地構成とする。
【００５１】
最適解探索部２０８による最適解の探索において、候補解と判定した接地パターンについては候補解情報３１２として記憶され、最適解とした接地パターンについては最適解情報３１４として記憶される。
【００５２】
記憶部３００は、ＲＯＭやＲＡＭ等のＩＣメモリや、ハードディスク等の記憶装置で実現され、処理部２００が接地構成設計支援装置１を統合的に制御するためのプログラムやデータ等を記憶しているとともに、処理部２００の作業領域として用いられ、処理部２００が実行した演算結果や、通信部１０８からの受信データ等が一時的に格納される。また、記憶部３００には、接地構成設計支援プログラム３０２と、鉄道通信設備情報３０４と、制約条件情報３０６と、接地パターン情報３０８と、ＳＩＭ結果情報３１０と、候補解情報３１２と、最適解情報３１４と、が記憶される。
【００５３】
［処理の流れ］
図１０は、接地構成設計支援処理の流れを説明するフローチャートである。この処理は、処理部２００が、接地構成設計支援プログラム３０２を実行することで実現される。
【００５４】
先ず、接地パターン生成部２０２が、設計支援の対象とする鉄道通信設備について、共通接地とする組み合わせ、及び、各接地の接地抵抗値の組み合わせとして取り得る全ての接地パターンを生成する（ステップＳ１）。その後、最適解探索部２０８が、生成された接地パターンのうちから、鉄道通信設備について雷サージに対して適切な接地構成となる接地パターンを探索する。
【００５５】
すなわち、探索対象とする接地数Ｓを、初期値「１」に設定する（ステップＳ３）。次いで、接地数Ｓの接地パターンのうちから、ｎ個（ｎ＜ｍ：ｍは、接地数Ｓの接地パターンの総数）の接地パターンを、例えばランダムに選択する（ステップＳ５）。そして、選択した接地パターンそれぞれについて、侵入経路別の雷サージシミュレーションを行い、これらのシミュレーション結果が制約条件を満たさない回数に基づいて、侵入経路別の選択確率を設定する（ステップＳ７）。
【００５６】
続いて、選択したｎ個の接地パターンのうち、全ての侵入経路についてのシミュレーション結果が制約条件を満たす接地パターンが有るかを判断し、有るならば（ステップＳ９：ＹＥＳ）、その接地パターンを候補解とする（ステップＳ１１）。次いで、これらの候補解の接地抵抗値の組み合わせに優位な解が存在する領域を探索領域として設定し、設定した探索領域外の候補解が有るならば、その候補解を除外する（ステップＳ１３）。
【００５７】
その後、接地数Ｓの接地パターンのうちから未選択の１つの接地パターンを、候補解であるかの判定対象として、例えばランダムに選択する（ステップＳ１５）。次いで、選択した接地パターンの接地抵抗値の組み合わせが、設定した探索領域内の解であるかを判断する。探索領域内の解ならば（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、設定した侵入経路別の選択確率に従って１つの侵入経路を選択し（ステップＳ１９）、選択した接地パターン及び侵入経路をシミュレーション条件とした雷サージシミュレーションを行い（ステップＳ２１）、シミュレーション結果が制約条件を満たすかを判定する。
【００５８】
制約条件を満たすならば（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、選択した接地パターンについて未選択の侵入経路があるかを判断する。未選択の侵入経路があるならば（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、ステップＳ１９に戻り、未選択の侵入経路のうちから侵入経路別の選択確率に従って次の侵入経路を選択し、同様の処理を繰り返す。
【００５９】
選択した接地パターンについて未選択の侵入経路が無いならば（ステップＳ２５：ＮＯ）、全ての侵入経路が制約条件を満たすので、接地した接地パターンを、新たな候補解として追加する（ステップＳ２７）。次いで、候補解に基づいて探索領域を更新し、探索領域外の候補解があるならば、その候補解を除外する（ステップＳ２９）。
【００６０】
一方、シミュレーション結果が制約条件を満たさないならば（ステップＳ２３：ＮＯ）、選択した侵入経路について制約条件を満たさない回数が１回増えたとして、侵入経路別の選択確率を更新する（ステップＳ３１）。
【００６１】
その後、接地数Ｓの接地パターンに未選択の接地パターンがあるかを判断し、未選択の接地パターンが有るならば（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、ステップＳ１５に戻り、同様の処理を繰り返す。未選択の接地パターンが無いならば（ステップＳ３３：ＮＯ）、接地数Ｓの全ての接地パターンについて候補解であるかを判定したことになり、接地数Ｓの接地パターンに候補解として判定された接地パターンが有るかを判断する。
【００６２】
候補解が有るならば（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、その候補解を、鉄道通信設備の雷サージに対する適切な接地構成（最適解）として、例えば表示部１０４に表示出力するといった出力処理を行った後（ステップＳ３７）、本処理を終了する。
【００６３】
候補解が無いならば（ステップＳ３５：ＮＯ）、判定対象とした接地数Ｓが最大接地数Ｓｍに一致するかを判断する。最大接地数Ｓｍは、生成された接地パターンの接地数の最大数であり、対象の鉄道通信システムに設けられている接地数に等しい。接地数Ｓが最大接地数に一致しないならば（ステップＳ３９：ＮＯ）、判定対象とする接地数Ｓを「１」加算した値に更新した後（ステップＳ４１）、ステップＳ５に戻り、同様の処理を繰り返す。接地数Ｓが最大接地数Ｓｍに一致するならば（ステップＳ３９：ＹＥＳ）、全ての接地パターンについて候補解であるかを判定したことになり、鉄道通信設備の雷サージに最適な接地構成は“無し”として、例えば表示部１０４に表示出力するといった出力処理を行った後（ステップＳ４３）、本処理を終了する。
【００６４】
［作用効果］
このように、本実施形態によれば、鉄道通信設備についての接地パターン及び雷サージの侵入経路をシミュレーション条件とした雷サージシミュレーションを繰り返し実行することで、雷サージの影響が少ない、つまり雷サージの侵入時の鉄道通信設備における各部の電流及び電圧が制限値を満たす範囲で、接地数が最小となり、且つ、接地抵抗値が最大となる接地構成を、雷サージに対する適切な接地構成として求めることができる。
【００６５】
具体的には、接地パターンを１つずつ順に選択し、侵入経路別の雷サージシミュレーションを行って候補解であるかを判定するが、このとき、雷サージの影響が大きい、すなわち制約条件を満たす可能性が低い侵入経路を優先して行うことで、最適解の探索を効率良く行う。すなわち、過去に実行した雷サージシミュレーションのシミュレーション結果に基づいて、制約条件を満たさない回数が多いほど高くなるように侵入経路別の選択確率を設定し、この選択確率に従った侵入経路の順序で、雷サージシミュレーションを行う。
【００６６】
また、接地数が最小である候補解のうちから、各接地の接地抵抗値を最大化するパレート最適解を最適解として選択するが、このとき、探索した候補解に基づく探索領域を設定し、以降は、設定した探索領域内の接地パターンを探索の対象として雷サージシミュレーションを行うことで、最適解の探索の効率化を図る。
【００６７】
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００６８】
例えば、上述の実施形態では、鉄道通信設備を、電力・信号・通信の３つの系統の電気回路が接続された構成としたが、電力・信号・通信のうちの２以上の系統の電気回路が接続された鉄道通信設備を対象とすることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  接地構成設計支援装置
１０２  操作入力部、１０４  表示部、１０６  音声出力部、１０８  通信部
２００  処理部
２０２  接地パターン生成部、２０４  雷サージＳＩＭ部
２０６  制約判定部、２０８  最適解探索部
３００  記憶部
３０２  接地構成設計支援プログラム
３０４  鉄道通信設備情報、３０６  制約条件情報
３０８  接地パターン情報、３１０  ＳＩＭ結果情報
３１２  候補解情報、３１４  最適解情報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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