(57)【要約】      （修正有）【課題】遠方の支障物及び広範囲にわたる支障物を確実に検出するとともに、小型化を図った前方監視装置を提供する。【解決手段】支障物衝突回避装置において、列車に搭載された前方監視装置４１の速度位置検出部３１は、列車の速度及び走行位置を検出し、必須領域設定部５２は、速度情報と列車の走行位置に対応する路線情報に基づいて設定された監視領域を立体的に監視する。画角設定部５３は、監視領域断面の形状と大きさに基づいて、監視領域の全てに対応する画像が撮像画像中において所定の大きさ以上となる様、ステレオカメラ２１の画角を設定する。画像取得部５５は、ステレオカメラ２１から列車の前方の画像を取得し、支障物検出部５７は、取得した画像に基づいて監視領域内の支障物の有無を判定する。支障物判定結果は、前方監視情報としてブレーキ指令算出部４２及び通知装置２０に出力される。【選択図】図２
2019181996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
列車に搭載される前方監視装置であって、
入力された前記列車の速度情報と前記列車の走行位置に対応する路線情報に基づいて前記列車の前方に立体的な監視領域を更新可能に設定する領域設定部と、
前記監視領域の全てに対応する画像が撮像画像中において所定の大きさ以上となるように列車の前方を撮像する撮像装置の画角を設定する画角設定部と、
前記撮像装置から前記列車の前方の画像を取得する画像取得部と、
前記画像に基づいて監視領域内の支障物の有無を判定する支障物判定部と、
を備えた前方監視装置。
【請求項２】
前記監視領域は、前記列車の実際の制動開始から停止に到るまでに必要とされる距離範囲に対応する必須領域を含む、
請求項１記載の前方監視装置。
【請求項３】
前記領域設定部は、前記速度情報に基づいて、前記必須領域の始端及び前記必須領域の終端までの距離を前記列車の前端からの距離としてそれぞれ設定する、
請求項２記載の前方監視装置。
【請求項４】
前記領域設定部は、前記列車の空走距離に基づいて前記必須領域の始端までの距離を設定する、
請求項２又は請求項３記載の前方監視装置。
【請求項５】
前記領域設定部は、前記列車の空走距離と制動距離とに基づいて前記必須領域の終端までの距離を設定する、
請求項２乃至請求項４のいずれか一項記載の前方監視装置。
【請求項６】
前記領域設定部は、鉄道車両の車両限界、建築限界を内包する平面形状に基づいて領域の水平方向の形状及び垂直方向の形状を設定している、
請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の前方監視装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の前方監視装置と、
前記前方監視装置により、前記支障物が前記監視領域内にあると判定された場合に、前記判定の結果に基づいて、ブレーキ指令を出力するブレーキ指令算出部と、
を備えた支障物衝突回避装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項記載の前方監視装置と、
前記列車の速度と位置を検出し、前記列車の速度情報及び位置情報を出力する速度・位置検出部と、
前方監視装置における支障物有無の判定結果に基づいて、前記列車を駆動あるいは制動するための制御指令を出力する制御指令部と、
を備えた列車制御装置。
【請求項９】
前記制御指令部は、前記前方監視装置において前記監視領域に含まれる前記列車の実際の制動開始から停止に到るまでに必要とされる距離範囲に対応する必須領域の終端に到るまでの範囲で前記支障物があると判定された場合に、非常ブレーキによる制動を行わせるための前記制御指令を出力する、
請求項８記載の列車制御装置。
【請求項１０】
前記制御指令部は、前記前方監視装置において前記監視領域に含まれる前記列車の実際の制動開始から停止に到るまでに必要とされる距離範囲に対応する必須領域の終端以遠において前記支障物があると判定された場合に、前記支障物の検出位置までに停止可能なブレーキによる制動を行わせるための前記制御指令を出力する、
請求項８又は請求項９記載の列車制御装置。
【請求項１１】
所定のブレーキで停止するまでの距離よりも遠方の支障物検出結果が得られた場合、制御指令算出部が制御指令としてブレーキ緩解を行わせるための前記制御指令を出力する、
請求項８乃至請求項１０のいずれか一項記載の列車制御装置。
【請求項１２】
前記制御指令部は、前記前方監視装置において前記監視領域に含まれる前記列車の実際の制動開始から停止に到るまでに必要とされる距離範囲に対応する必須領域の終端まで前記監視領域を設定できなかった場合に、制動力の発生しない程度の弱いブレーキによる制動を行わせるための前記制御指令を出力する、
請求項８乃至請求項１１のいずれか一項記載の列車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、前方監視装置、支障物衝突回避装置及び列車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、海外地下鉄や国内新交通システムで無人運転システムが導入され、海外では鉄輪路線でも普及しつつある。
無人運転化を図るためには、列車走行の自動化だけでなく、線路上の人、自動車、落下物等の支障物に対応する機能が必要とされる。
【０００３】
既存の無人運転路線では、トンネルや高架軌道の利用と駅へのホームドア設置等により、人や車が線路内に立ち入らないようにしている。しかし、落下物や係員の立ち入りなどについては、別途対応が必要である。
【０００４】
このため、一部の無人運転路線では、列車先頭の排障装置への衝撃を検知して非常ブレーキ指令を出力する方法が実用化されている。しかし、この方法では支障物への衝突を回避できない。
【０００５】
ところで、自動車向けには、車体前面のカメラやレーダで前方支障物を検出すると自動で減速して衝突の回避や衝撃軽減を図るシステムが普及しつつある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。しかし、自動車では１００ｍ程度先までの支障物を検出できれば十分なのに対し、制動距離の長い鉄道では、衝突を回避するためには数百ｍ先の支障物を検出する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−０５０６５１号公報
【特許文献２】特開２０１７−１４７４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、遠方の支障物を検出する為に望遠カメラを用いることが考えられるが、望遠カメラは画角が狭いため、例えば駅構内進入時に線路が分岐する部分では、分岐した線路の先は画面から外れてしまって支障物を検出できない虞があった。
また高画素センサを採用することで、広角及び望遠の双方に同時に対応することも考えられるが、カメラのサイズが大きくなり、高コストとなる虞があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、遠方の支障物及び広範囲にわたる支障物を確実に検出するとともに、装置の小型化を図ることが可能な前方監視装置、支障物衝突回避装置及び列車制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の前方監視装置は、列車に搭載され、入力された列車の速度情報と列車の走行位置に対応する路線情報に基づいて前記列車の前方に立体的な監視領域を更新可能に設定する領域設定部と、監視領域の全てに対応する画像が撮像画像中において所定の大きさ以上となるように列車の前方を撮像する撮像装置の画角を設定する画角設定部と、撮像装置から列車の前方の画像を取得する画像取得部と、画像に基づいて監視領域内の支障物の有無を判定する支障物判定部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態の列車制御システムの概要構成ブロック図である。
【図２】図２は、支障物衝突回避装置の機能構成ブロック図である。
【図３】図３は、必須領域及び監視領域の説明図（その１）である。
【図４】図４は、必須領域及び監視領域の説明図（その２）である。
【図５】図５は、画角設定の説明図である。
【図６】図６は、列車の前方において軌道の分岐が存在している場合の画角の設定の説明図である。
【図７】図７は、列車速度と必須領域及び監視領域との関係説明図である。
【図８】図８は、実施形態の動作フローチャートである。
【図９】図９は、支障物が必須領域の終端よりも手前にある状態の説明図である。
【図１０】図１０は、支障物が必須領域の終端よりも奥にあり、かつ、列車の前端位置に空走距離、所定の常用ブレーキで減速した場合の制動距離及び余裕距離を加えた位置の手前にある状態の説明図である。
【図１１】図１１は、支障物が必須領域の終端よりも奥にあり、かつ、列車の前端位置に空走距離、所定の常用ブレーキで減速した場合の制動距離及び余裕距離を加えた位置以上奥にある状態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に図面を参照して実施形態の列車制御装置を備えた列車制御システムについて説明する。
図１は、実施形態の列車制御システムの概要構成ブロック図である。
列車制御システム１０を構成する列車１１は、前方監視情報、力行指令あるいはブレーキ（制動）指令を出力して列車１１の制御を行う列車制御装置１２と、運転士が各種操作を行うことにより力行指令あるいはブレーキ指令を出力する主幹制御器１３と、列車制御装置１２あるいは主幹制御器１３が出力した力行指令あるいはブレーキ指令を伝送する制御伝送装置１４と、を備えている。
【００１２】
また、列車１１は、制御伝送装置１４を介して伝送された列車制御装置１２あるいは主幹制御器１３からの力行指令、ブレーキ指令等に基づいてモータ１５、ブレーキ装置１６等を制御する駆動／制動制御装置１７と、速度発電機（ＴＧ）１８と、地上子検知情報を出力する車上子１９と、列車制御装置１２が出力した前方監視情報に基づいて前方監視結果を通知する通知装置２０と、を備えている。
【００１３】
さらに、列車１１は、列車制御装置１２が出力した調整信号に基づいて列車１１の前方の撮影を行って（ステレオ）画像情報を出力するステレオカメラ２１と、軌道回路を構成しているレールＲＬを介してＡＴＣ（Automatic  Train  Control）信号を受電する受電器２２と、を備えている。
【００１４】
上記構成において、列車制御装置１２は、列車１１の速度及び走行位置を検出する速度位置検出部３１と、列車１１の自動速度制御を行うＡＴＣ車上装置３２と、列車１１の自動運転を行うＡＴＯ（Automatic  Train  Operation）装置３３と、路線条件、運行条件、車両性能等を記憶した記憶部３４と、ステレオカメラ２１の出力した画像情報に基づいて画像処理を行い、記憶部３４に記憶されている路線情報、運行情報あるいは車両情報に基づいて列車１１の進行方向前方に支障物が存在するか否かを判別し、支障物が存在する場合に支障物への衝突回避制御を行うとともに、前方監視情報を生成して通知装置２０に出力する支障物衝突回避装置３５と、を備えている。
【００１５】
上記構成において、速度位置検出部３１は、速度発電機（ＴＧ）１８の出力したＴＧパルスや、地上子ＧＴから車上子１９を介して受信する地上子検知情報に基づいて、列車の速度と位置を検出し、速度位置情報としてＡＴＣ車上装置３２及びＡＴＯ装置３３に出力する。  
【００１６】
また、ＡＴＣ車上装置３２は、速度位置検出部３１からの速度位置情報と、レールＲＬ及び受電器２２を介して入力されたＡＴＣ地上装置ＡＥの送信したＡＴＣ信号とに基づいて列車１１を先行列車１１Ａとの間の距離を確保し、走行速度を制限するために、ＡＴＣ信号に基づく制限速度と、速度位置検出部３１の出力した速度位置情報に対応する列車１１の速度を比較する。そしてＡＴＣ車上装置３２は、列車１１の速度が制限速度を超過している場合に、駆動／制動制御装置にブレーキ指令を出力する。ここで、ＡＴＣ地上装置ＡＥは、軌道回路を構成しているレールＲＬを介して各閉塞区間の列車在線有無を検知し、在線状況に応じて各閉塞区間のＡＴＣ信号（信号現示）を決定し、レールＲＬを介してＡＴＣ信号をＡＴＣ車上装置３２に送信している。
【００１７】
ＡＴＯ装置３３は、列車１１を次駅まで走行させるための力行／ブレーキ指令を制御伝送装置１４を介して駆動／制動制御装置１７に出力する。
また、ＡＴＯ装置３３は、速度位置検出部３１が出力した速度位置情報と、記憶部２４から読み出した路線情報、運行情報及び車両情報と、ＡＴＣ車上装置３２の受信したＡＴＣ信号（信号現示）とに基づいて、列車１１が所定の時刻に次駅の所定の位置に到着するように走行計画を算出し、これに基づいて力行／ブレーキ指令を出力する。  
【００１８】
記憶部２４は、路線情報として、各駅の停止目標位置、路線の勾配と曲線（曲率半径）、各閉塞区間の制限速度情報と閉塞長（閉塞区間の距離）、線形情報（閉塞区間の並び、各駅の各番線と分岐位置・分岐位置での旋回方向・閉塞区間との対応、番線ごとの停止位置までの走行距離と基準となる番線の停止位置までの走行距離との差）を記憶している。また記憶部２４は、運行情報として、運転種別ごとの停車駅と、各駅の発着予定時刻と到着予定番線を記憶している。さらに記憶部２４は、車両情報として、自列車の列車長と、力行／ブレーキ指令に対応した加速度／減速度の特性を記憶している。
【００１９】
ここで、支障物衝突回避装置３５について詳細に説明する。
図２は、支障物衝突回避装置の機能構成ブロック図である。
支障物衝突回避装置３５は、前方監視を行う前方監視装置４１と、前方監視の結果に基づいてブレーキ指令を決定し、制御伝送装置を介して駆動/制動制御装置に出力するブレーキ指令算出部４２と、を備えている。
【００２０】
前方監視装置４１は、大別すると、監視領域設定情報記憶部５１と、必須領域設定部５２と、画角設定部５３と、カメラ調整部５４と、画像取得部５５と、監視領域設定部５６と、支障物検出部５７と、を備えている。
【００２１】
監視領域設定情報記憶部５１は、３次元的な広がりを有する空間として定義された監視領域における列車１１の進行方向に交差する監視領域断面の形状と大きさを予め記憶している。
【００２２】
この場合において、監視領域断面の形状は、鉄道車両の車両限界、建築限界を内包する平面形状に基づいて監視領域断面の水平方向及び垂直方向の形状が予め設定されている。
したがって、監視領域全体の形状も、鉄道車両の車両限界、建築限界を内包する平面形状に基づいて設定されることとなる。
【００２３】
必須領域設定部５２は、速度位置検出部からの列車速度位置情報、記憶部からの路線情報、監視領域設定情報記憶部からの監視領域断面の形状と大きさに基づいて、立体的な必須領域を設定する。
【００２４】
すなわち、必須領域断面の形状も、鉄道車両の車両限界、建築限界を内包する平面形状に基づいて必須領域断面の水平方向及び垂直方向の形状が予め設定され、必須領域全体の形状も、鉄道車両の車両限界、建築限界を内包する平面形状に基づいて設定されることとなる。
【００２５】
画角設定部５３は、必須領域設定部５２により設定された必須領域がステレオカメラ２１の撮像画面に収まるような最小の画角を算出し、設定する。
カメラ調整部５４は、画角設定部５３により設定された画角に基づいてステレオカメラ２１の画角条件を調整し、対応する調整信号をステレオカメラ２１に出力する。
【００２６】
画像取得部５５は、ステレオカメラ２１の撮像画像を距離画像に変換する。
監視領域設定部５６は、監視領域設定情報記憶部５１からの監視領域断面の形状と大きさと、画像内のレール位置に基づいて、画像内で立体的な監視領域を設定する。
支障物検出部５７は、画像から監視領域内の支障物候補を抽出、検出し、支障物か否かを判定して、支障物判定結果を前方監視情報としてブレーキ指令算出部４２及び通知装置２０に出力する。
【００２７】
一方、ブレーキ指令算出部４２は、支障物検出部５７による支障物判定結果に基づいて、支障物との衝突を回避するためのブレーキ指令を、衝突が回避できない場合は衝撃を軽減するためのブレーキ指令を決定し、制御伝送装置１４を介して駆動/制動制御装置１７に出力する。
【００２８】
次に上述した必須領域及び監視領域の設定について説明する。
図３は、必須領域及び監視領域の説明図（その１）である。
図３（ａ）は、列車１１の進行方向前端からの必須領域ＡＲＩ及び監視領域ＡＲＯの設定に用いる各種距離の説明図であり、図３（ｂ）は、必須領域及び監視領域の設定例の説明図（平面図）である。
【００２９】
必須領域ＡＲＩは、列車１１の速度に対応して定まる空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２及び余裕距離Ｌ３により求められる。ここで、空走距離Ｌ１及び制動距離Ｌ２は、非常ブレーキで減速したときの値であり、余裕距離Ｌ３は、支障物までの距離の検出誤差などを考慮して安全側に設定されている。
【００３０】
まず必須領域ＡＲＩの設定について説明する。
列車１１の進行方向前端から必須領域ＡＲＩの始端までの距離が空走距離Ｌ１となるように必須領域ＡＲＩの始端位置が設定される。
【００３１】
そして必須領域ＡＲＩの始端から制動距離Ｌ２と余裕距離Ｌ３との和を加えた位置が必須領域ＡＲＩの終端位置として設定される。すなわち列車１１の進行方向前端に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２及び余裕距離Ｌ３を加えた距離に相当する位置が必須領域ＡＲＩの終端位置として設定される。
また必須領域ＡＲＩの幅Ｗ及び高さＨは、後述する監視領域ＡＲＯの幅Ｗ及び高さＨと同じとされている。
【００３２】
次に監視領域ＡＲＯの設定について説明する。
監視領域ＡＲＯの始端は、列車１１の進行方向前端と同じ位置とされる。
また、監視領域ＡＲＯの終端は、必須領域の終端位置から所定距離前方の位置とされる。
【００３３】
さらに監視領域ＡＲＯの幅は、列車１１を構成している鉄道車両が安全に通行可能な幅に基づいて設定される、監視領域ＡＲＯの高さは、列車１１を構成している鉄道車両が安全に通行可能な高さに基づいて設定される。
【００３４】
図４は、必須領域及び監視領域の説明図（その２）である。
図４（ａ）は、進行方向前方に軌道の分岐が存在しているときの列車１１の進行方向前端からの必須領域ＡＲＩ及び監視領域ＡＲＯの設定に用いる各種距離の説明図であり、図４（ｂ）は、進行方向前方に軌道の高低差があるときの必須領域及び監視領域の設定例の説明図である。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、列車１１の前方において軌道の分岐が存在している場合には、必須領域設定部５２は、各軌道について図３の場合と同様に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２及び余裕距離Ｌ３を用い、必須領域ＡＲＩ１及び必須領域ＡＲＩ２を求め、必須領域ＡＲＩ１及び必須領域ＡＲＩ２の全体を必須領域ＡＲＩとして取り扱う。
【００３６】
同様に、図４（ａ）に示すように、監視領域設定部５６は、各軌道について図３の場合と同様に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２及び余裕距離Ｌ３を用い、監視領域ＡＲＯ１及び監視領域ＡＲＯ２を求め、監視領域ＡＲＯ１及び監視領域ＡＲＯ２の全体を監視領域ＡＲＯとして取り扱う。
【００３７】
また、図４（ｂ）に示すように、軌道の高さが変化する場合には、必須領域設定部５２は必須領域ＡＲＩ３を軌道の変化に沿って設定し、監視領域設定部５６は監視領域ＡＲＯ３を軌道の変化に沿って設定する。
【００３８】
次に画角設定部５３における画角設定方法について説明する。
図５は、画角設定の説明図である。
図５（ａ）に示すように、監視領域ＡＲＯの高さに基づく高さ方向の画角θＶは、理論的には、空走距離Ｌ１に基づいて式（１）のように定まる。
【００３９】
【数１】
2019181996.tif 000003
【００４０】
同様に、図５（ｃ）に示すように、監視領域ＡＲＯの幅に基づく水平方向の画角θＨは、理論的には、空走距離Ｌ１に基づいて式（２）のように定まる。
【００４１】
【数２】
2019181996.tif 000004
【００４２】
しかしながら、実際的には、高さ方向の画角θＶ及び水平方向の画角θＨは、図５（ｂ）に示すように、ステレオカメラ２１の撮像画面の縦横比（ｈ：ｗ）により、式（３）及び式（４）に示すように制限を受けることとなる。
【００４３】
【数３】
2019181996.tif 000005
【００４４】
これらの結果、ステレオカメラ２１の撮像画像中において、監視領域ＡＲＯの全体を含む画像が可能な限り大きくなるように、すなわち、より好ましくは最大の大きさとなるように高さ方向の画角θＶ及び水平方向の画角θＨが設定されることとなる。
【００４５】
換言すれば、ステレオカメラ２１の撮像画像中において、監視領域ＡＲＯの全体を含む画像が所定の大きさ（監視領域ＡＲＯの全体を含む画像の撮像画像中における高さあるいは幅のいずれか一方が、撮像画像の高さあるいは撮像画像の幅の、例えば、９５％の大きさ）より大きくなるように（最大１００％）、高さ方向の画角θＶ及び水平方向の画角θＨが設定されることとなる。
【００４６】
図６は、列車の前方において軌道の分岐が存在している場合の画角の設定の説明図である。
列車１１の前方に図６（ａ）に示すように、列車１１の前方において軌道の分岐が存在している場合には、必須領域ＡＲＩ１、ＡＲＩ２の始端（列車１１の前端から距離Ｌ１かの地点）から必須領域終端（列車１１の前端から距離Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３の位置）までの監視領域ＡＲＯ１及び監視領域ＡＲＯ２の双方の断面が、図６（ｂ）に示すように、ステレオカメラ２１の撮像画面２１Ｄからはみ出さない最小の画角θＨを設定することとなる。
【００４７】
図７は、列車速度と必須領域及び監視領域との関係説明図である。
図７（ａ）は、列車１１の低速走行時における進行方向前端からの必須領域ＡＲＩＬの設定に用いる各種距離並びに列車１１の高速走行時における進行方向前端からの必須領域ＡＲＩＨの設定に用いる各種距離の説明図である。
【００４８】
また図７（ｂ）は、列車１１の低速走行時における必須領域ＡＲＩＬの設定例及び列車１１の高速走行時における必須領域ＡＲＩＨの設定例の説明図である。
さらに図７（ｃ）は、列車１１の高速走行時における必須領域ＡＲＩＨを列車１１の低速走行時における画角θＶＬとしたステレオカメラ２１の撮像画面２１ＤＬに表示したとした場合の参考説明図である。
【００４９】
さらにまた、図７（ｄ）は、列車１１の高速走行時における必須領域ＡＲＩＨを列車１１の高速走行時における画角θＶＨとしたステレオカメラ２１の撮像画面２１ＤＨに表示したとした場合の表示例の説明図である。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、列車１１の低速走行時には、必須領域設定部５２は、空走距離Ｌ１Ｌ、制動距離Ｌ２Ｌ及び余裕距離Ｌ３Ｌを用い、図７（ｂ）に示す必須領域ＡＲＩＬを設定する。
【００５１】
同様に列車１１の高速走行時には、必須領域設定部５２は、空走距離Ｌ１Ｈ（＞Ｌ１Ｌ）、制動距離Ｌ２Ｈ（＞Ｌ２Ｌ）及び余裕距離Ｌ３Ｈ（＞Ｌ３Ｌ）を用い、図７（ｂ）に示す必須領域ＡＲＩＨを設定する。
【００５２】
したがって、列車１１の低速走行時の画角θＶＬは、列車１１の高速走行時の画角θＶＨよりも大きくなる。すなわち、θＶＨ＜θＶＬとなるので、列車１１の高速走行時における必須領域ＡＲＩＨを列車１１の低速走行時における画角θＶＬとしたステレオカメラ２１の撮像画面２１ＤＬに表示したとした場合には、図７（ｃ）に示すように、列車１１の高速走行時の必須領域ＡＲＩＨは、撮像画面２１ＤＬにおいては、小さく表示されることとなり、支障物の検出が困難となり得る。
【００５３】
そこで、本実施形態においては、図７（ｄ）に示すように、列車１１の高速走行時の必須領域ＡＲＩＨの撮像の際には、低速走行時よりも画角θＶＨを小さくすることで、より望遠側で撮像した撮像画面２１ＤＨを用いるので、必須領域ＡＲＩＨを大きく表示させることができ、遠くに位置する支障物の早期の検出を容易としている。
【００５４】
次に実施形態の動作を説明する。
図８は、実施形態の動作フローチャートである。
まず支障物衝突回避装置３５の必須領域設定部５２は、速度位置検出部３１が出力した速度位置情報に対応する列車１１の速度に基づいて図３（ｂ）に示した必須領域ＡＲＩの始端までの距離（列車１１の前端から列車１１の速度に対応する空走距離Ｌ１）及び必須領域ＡＲＩの終端までの距離（列車１１の前端から列車１１の速度に対応する空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２及び余裕距離Ｌ３の和に相当する距離）を監視領域設定情報記憶部５１から読み出して設定する（ステップＳ１１）。
【００５５】
この場合において、支障物までの距離が空走距離＋制動距離＋余裕距離のときにブレーキを掛ければ、支障物との衝突を回避することができることとなる。
【００５６】
続いて、必須領域設定部５２は、図４に示したように、必須領域ＡＲＩの左右方向（幅方向）及び上下方向（高さ方向）の範囲を、記憶部３４から読み出した路線情報（路線の線形情報）に基づいて設定し、必須領域情報として画角設定部５３に出力する（ステップＳ１２）。
【００５７】
この結果、画角設定部５３は、必須領域ＡＲＩがステレオカメラ２１の撮像画像に収まるような最小の画角を、ステレオカメラ２１の画角として算出し、設定し、画角条件としてカメラ調整部５４に出力する（ステップＳ１３）。
【００５８】
この場合において、列車１１の前端から必須領域ＡＲＩの終端までの軌道が平坦であり直線である場合は、図５に示したように、必須領域始端での監視領域断面が画面からはみ出さない最小の画角を設定することになる。
【００５９】
また、列車１１の前端から必須領域ＡＲＩの終端までにおいて軌道が分岐している場合には、図６に示したように、分岐全体について監視領域断面が画面からはみ出さない最小の画角を設定することとなる。
【００６０】
これらの結果、列車１１の高速走行時に制動距離が長くなっても必須領域ＡＲＩ１の終端における監視領域ＡＲＯ断面の画素数が極端に低下することがなく、支障物を見落とす可能性を大きく低減できる。
【００６１】
逆に、分岐部や急カーブなどでは画角が広く設定されるので、分岐したレールの先が画面から外れてしまうことはない。この場合には、遠方の監視領域断面の画素数は低下するが、分岐部や急カーブでは速度制限により走行速度が低くなるので、空走距離、制動距離とも短くなり、必須領域終端での画素数が極端に低下することはない。
【００６２】
続いて画角条件が入力されたカメラ調整部５４は、設定された画角条件に対応する調整信号をステレオカメラ２１に出力し、ステレオカメラ２１の画角を所望の値（広角端と望遠端との間のいずれかに相当する画角）に調整する（ステップＳ１４）。
【００６３】
これにより、ステレオカメラ２１は、調整された画角に対応する画像情報を支障物衝突回避装置３５の画像取得部５５に出力する。
画像取得部５５は、入力されたステレオカメラ２１からの画像情報に対応する画像を距離画像に変換する（ステップＳ１５）。ここで、距離画像とは、ステレオカメラ２１の左右画像の視差に基づいて、撮像画像中に移っている各部（例えば、支障物、枕木、標識など）までの距離を算出した画像である。
【００６４】
続いて、監視領域設定部５６は、監視領域設定情報記憶部５１から読み出した監視領域断面の形状と大きさと、画像内の軌道位置（レール位置）に基づいて、図３に示したように、画像内で立体的な監視領域ＡＲＯを設定する（ステップＳ１６）。すなわち、画像内での軌道位置（レール位置）を認識し、距離ごとにレール上の監視領域断面の範囲を抽出することを、レールが見えなくなるところまで繰り返す。画像内のレール位置の認識には、既存の画像処理技術を利用することができる。
【００６５】
続いて、支障物検出部５７は、画像から監視領域ＡＲＯ内の支障物候補を検知し、抽出する（ステップＳ１７）。
支障物候補の抽出については、既存の画像処理技術を利用することができる。
続いて支障物検出部５７は、ステップＳ１７の処理において検知した監視領域ＡＲＯ内の支障物候補が支障物であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。
【００６６】
ステップＳ１８の判定において、監視領域ＡＲＯ内の支障物であると判定した場合には（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、監視領域ＡＲＯ内の支障物であると判定した支障物が必須領域ＡＲＩの終端よりも手前にあるか否かを判定する（ステップＳ１９）。
【００６７】
図９は、支障物が必須領域の終端よりも手前にある状態の説明図である。
ステップＳ１９の判別において、図９に示すように、支障物が必須領域ＡＲＩの終端よりも手前にあると判定された場合には（ステップＳ１９；Ｙｅｓ）、支障物検出部５７は、前方監視情報として、支障物が必須領域ＡＲＩの終端よりも手前にある旨をブレーキ指令算出部４２に通知する。
【００６８】
この結果、ブレーキ指令算出部４２は、非常ブレーキ指令を制御伝送装置１４に出力して処理を終了する（ステップＳ２０）。
この結果、列車１１が接近する前からあった支障物であれば列車１１の進行により必須領域ＡＲＩの終端が支障物位置に到達した時点で支障物を検出するので、支障物の直前までに停止することができ、支障物との衝突を回避できる。
【００６９】
また、支障物の移動等により、必須領域ＡＲＩ中に突然発生した（位置することになった）支障物であっても、減速することで衝撃を低減することができる。
【００７０】
図１０は、支障物が必須領域の終端よりも奥にあり、かつ、列車の前端位置に空走距離、所定の常用ブレーキで減速した場合の制動距離及び余裕距離を加えた位置の手前にある状態の説明図である。
【００７１】
ステップＳ１９の判別において、図１０に示すように、支障物が必須領域の終端あるいは終端よりも奥にあると判定された場合には（ステップＳ１９；Ｎｏ）、列車１１の前端から所定の常用ブレーキで減速した場合に列車の前端位置に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２Ｎ及び余裕距離Ｌ３を加えた距離が、列車１１の前端から支障物までの距離よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１）。
【００７２】
ここで、所定の常用ブレーキとは、例えば、常用最大ブレーキの８割の制動力で減速したときのことをいう。
そして、所定の常用ブレーキで減速したときの空走距離Ｌ１＋制動距離Ｌ２Ｎ＋余裕距離Ｌ３は、列車１１の速度、勾配・曲線などの路線情報、所定の常用ブレーキに対応する減速度や空走時間などの車両情報から算出できる。
【００７３】
ステップＳ２１の判定において、列車１１の前端から所定の常用ブレーキで減速した場合に列車の前端位置に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２Ｎ及び余裕距離Ｌ３を加えた距離が、列車１１の前端から支障物までの距離よりも大きいと判定された場合には（ステップＳ２１；Ｙｅｓ）、支障物検出部５７は、前方監視情報として、支障物が、支障物が必須領域の終端あるいは終端よりも奥にあり、かつ、列車１１の前端から所定の常用ブレーキで減速した場合に列車の前端位置に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２Ｎ及び余裕距離Ｌ３を加えた距離が、列車１１の前端から支障物までの距離よりも大きい旨をブレーキ指令算出部４２に通知する。
【００７４】
この結果、ブレーキ指令算出部４２は、所定の常用ブレーキあるいは非常ブレーキのうち、支障物の検出位置までに停止可能なブレーキに対応するブレーキ指令を制御伝送装置１４に出力して処理を終了する（ステップＳ２２）。
【００７５】
この場合において、非常ブレーキと所定の常用ブレーキの間で選択可能なブレーキのうち、停止位置が支障物までの距離を超えないうちで最も弱いブレーキを、ブレーキ指令として選択するようにすれば、支障物への衝突を回避しつつ、急ブレーキによる乗り心地の悪化を軽減することができる。
【００７６】
図１１は、支障物が必須領域の終端よりも奥にあり、かつ、列車の前端位置に空走距離、所定の常用ブレーキで減速した場合の制動距離及び余裕距離を加えた位置以上奥にある状態の説明図である。
【００７７】
ステップＳ２１の判定において、列車１１の前端から所定の常用ブレーキで減速した場合に列車の前端位置に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２Ｎ及び余裕距離Ｌ３を加えた距離が、列車１１の前端から支障物までの距離以下であると判定された場合には（ステップＳ２１；Ｎｏ）、支障物検出部５７は、前方監視情報として、支障物が、支障物が必須領域の終端あるいは終端よりも奥にあり、かつ、列車１１の前端から所定の常用ブレーキで減速した場合に列車の前端位置に空走距離Ｌ１、制動距離Ｌ２Ｎ及び余裕距離Ｌ３を加えた距離が、列車１１の前端から支障物までの距離以下である旨をブレーキ指令算出部４２に通知する。
【００７８】
この結果、ブレーキ指令算出部４２は、ブレーキ緩解指令を制御伝送装置１４に出力して処理を終了する（ステップＳ２２）。
すなわち、列車１１の速度に比べて支障物までの距離が十分に大きいときは、常用ブレーキで衝突回避可能な距離になるまでブレーキ指令を控えることで、支障物が移動などして支障物ではなくなったとしても、ブレーキ指令が無駄になる事態を回避することができ、ブレーキのオン／オフによる乗り心地の悪化も回避できる。
【００７９】
一方、ステップＳ１８の判定において、監視領域ＡＲＯ内に支障物が無いと判定した場合には（ステップＳ１８；Ｎｏ）、必須領域ＡＲＩの終端位置よりも手前でレールが見えなくなっている状態であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。
【００８０】
ステップＳ２４の判定において、必須領域ＡＲＩの終端位置よりも手前でレールが見えなくなっている状態であると判定された場合には、（ステップＳ２４；Ｙｅｓ）、支障物検出部５７は、必須領域ＡＲＩの終端位置よりも手前でレールが見えなくなっている状態である旨をブレーキ指令算出部４２に通知する。
【００８１】
この結果、ブレーキ指令算出部４２は、制動力の発生しない程度の弱いブレーキ指令令を制御伝送装置１４に出力して処理を終了する（ステップＳ２５）。
これは、実効的な空走距離Ｌ１＝０として、ブレーキ指令の出力後、直ちに制動がかかるようにしておくためである。
【００８２】
これにより、分岐した軌道（線路）の先がホームの陰になって見えない部分や、上り坂の向こう側が見通せない部分に支障物があった場合でも、空走距離を短縮して支障物との衝突時の速度を低減し、衝突による衝撃を軽減することができる。
【００８３】
ステップＳ２４の判定において、必須領域ＡＲＩの終端位置よりも奥までレールが見えている状態であると判定された場合には、（ステップＳ２４；Ｎｏ）、支障物検出部５７は、必須領域ＡＲＩの終端位置よりも必須領域ＡＲＩの終端位置よりも奥までレールが見えている状態である旨をブレーキ指令算出部４２に通知する。
【００８４】
この結果、ブレーキ指令算出部４２は、ブレーキ緩解指令を制御伝送装置１４に出力して処理を終了する（ステップＳ２６）。
【００８５】
以上の説明のように、本実施形態によれば、上記の処理を所定周期ごとに繰り返すことにより、前方監視による支障物の検出と衝突回避及び衝突を回避できなかった場合でも衝撃低減が可能となる。
【００８６】
また、列車速度と路線の線形に基づいてステレオカメラの画角を調整することにより、高速走行時に遠方の支障物を検出可能な解像度と分岐部での画角確保を両立できるので、制動距離の長い鉄道において、機械的な駆動機構や特殊なセンサを利用することなく、前方監視による衝突の回避や衝撃軽減が可能となる。
【００８７】
以上の説明においては、ブレーキ指令算出部４２を支障物衝突回避装置３５が備える場合について説明したが、ＡＴＯ装置３３に備えるように構成することも可能である。
また、支障物検出部５７の出力する前方監視情報は、ブレーキ指令算出部４２に出力するだけでなく、乗務員や乗客向けの通知装置(表示装置、音声案内装置、等)に出力するようにすることも可能である。
【００８８】
また、列車がＡＴＯ装置３３が力行指令及びブレーキ指令を出力しない手動運転モードで制御されている場合は、ブレーキ指令算出部４２からブレーキ指令を出力しないようにし、運転士が通知装置２０を介して通知される前方監視情報に基づいてブレーキ操作を行うようにしてもよい。この場合、必須領域終端までの距離は、運転士の反応遅れによる空走距離を追加して設定するようにしてもよい。
【００８９】
以上の説明においては、カメラとして距離情報が容易に取得可能なステレオカメラを用いていたが、単眼カメラであっても、画像内の寸法、あるいは、距離が既知の被写体（標識、レール幅、枕木等）に基づいて支障物までの距離を算出するように既存の手法を用いて構成することも可能である。
【００９０】
本実施形態の前方監視装置あるいは支障物衝突回避装置は、ＭＰＵ、ＧＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤ、ＣＤドライブ装置などの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、各種入力装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。
【００９１】
本実施形態の前方監視装置あるいは支障物衝突回避装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）、ＵＳＢメモリ等の半導体記憶装置等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
【００９２】
また、本実施形態の前方監視装置あるいは支障物衝突回避装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の前方監視装置あるいは支障物衝突回避装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供又は配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の前方監視装置あるいは支障物衝突回避装置のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９４】
１０    列車制御システム
１１    列車
１２    列車制御装置
１３    主幹制御器
１４    制御伝送装置
１５    制動制御装置
１５    モータ
１６    ブレーキ装置
１７    制動制御装置
１９    車上子
２０    通知装置
２１    ステレオカメラ
２１Ｄ、２１ＤＨ、２１ＤＬ  撮像画面
２２    受電器
２４    記憶部
３１    速度位置検出部
３２    ＡＴＣ車上装置
３３    ＡＴＯ装置
３４    記憶部
３５    支障物衝突回避装置
４１    前方監視装置
４２    ブレーキ指令算出部
５１    監視領域設定情報記憶部
５２    必須領域設定部
５３    画角設定部
５４    カメラ調整部
５５    画像取得部
５６    監視領域設定部
５７    支障物検出部
ＡＥ    ＡＴＣ地上装置
ＡＲＩ、ＡＲＩ１、ＡＲＩ２、ＡＲＩ３  必須領域
ＡＲＯ、ＡＲＯ１、ＡＲＯ２、ＡＲＯ３  監視領域
Ｌ１、Ｌ１Ｈ、Ｌ１Ｌ  空走距離
Ｌ２、Ｌ２Ｈ、Ｌ２Ｌ、Ｌ２Ｎ  制動距離
Ｌ３、Ｌ３Ｈ、Ｌ３Ｌ  余裕距離
θＨ、θＶ、θＶＨ、θＶＬ  画角
【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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【図１１】
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