(57)【要約】      （修正有）【課題】限定的な通信障害を許容し、シームレスな縮退運転を行うことで、低コストかつ高いアベイラビリティを実現できる無線列車制御方法およびシステムを提供する。【解決手段】車上装置１ａ、１ｂに、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置１１と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置１２と、地上装置または他の車上装置から受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置１５と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する速度制御装置１６とを備え、自列車状態推定装置と他列車状態推定装置を、いずれもセンサ観測値を統計モデルと時系列フィルタによって自列車または他列車の位置・速度等の列車状態の推定を行い、安全側制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車上に位置・速度センサと車上無線局を備え、前記車上無線局により地上装置または地上無線局および地上装置を介して列車の列車状態に関する情報の授受を行い、前記列車状態に関する情報をもとに自列車状態と他列車状態を統計モデルと時系列フィルタによって推定し、各列車は推定された情報に基づいて安全側制御を行うことを特徴とする無線列車制御方法。
【請求項２】
車上装置に、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置または他の車上装置から受信した他列車のセンサ観測値に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、前記算出された自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて前記自列車を制御する速度制御装置とを有する無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置と前記他列車状態推定装置は、いずれも前記センサ観測値を統計モデルと時系列フィルタによって前記自列車または前記他列車のその時々の位置・速度等の列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。
【請求項３】
車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、前記地上装置から他列車の列車状態を受信する受信装置と、受信した前記他列車の列車状態に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて前記自列車を制御する速度制御装置とを備え、前記地上装置には、前記車上装置から前記センサ観測値を受信する受信装置と、受信した前記センサ観測値に基づいて各列車の列車状態を算出する列車状態推定装置と、算出された各列車の列車状態を前記車上装置に送信する送信装置とを備えた無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置、前記他列車状態推定装置および前記列車状態推定装置は、いずれも前記センサ観測値に基づいて統計モデルと時系列フィルタを用いて前記列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。
【請求項４】
車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、前記地上装置を経て他列車のセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した前記他列車のセンサ観測値に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて前記自列車を制御する速度制御装置とを備え、前記地上装置には、先行列車または後続列車の車上装置からセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した前記センサ観測値を前記後続列車または前記先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備えた無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置および前記他列車状態推定装置は、いずれも統計モデルと時系列フィルタを用いて前記列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。
【請求項５】
車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得された前記センサ観測値に基づいて前記自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態を地上装置に送信する送信装置と、前記地上装置を経て他列車の列車状態を受信する受信装置と、受信した前記他列車の列車状態に基づいて前記他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された前記自列車の列車状態および前記他列車の列車状態に基づいて自列車を制御する速度制御装置とを備え、地上装置には、先行列車または後続列車の前記車上装置から列車状態を受信する受信装置と、受信した列車状態を後続列車または先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備えた無線列車制御システムであって、前記自列車状態推定装置および他列車状態推定装置は、いずれも統計モデルと時系列フィルタを用いて列車状態を推定するものであることを特徴とする無線列車制御システム。
【請求項６】
請求項４記載の無線列車制御システムにおいて、前記地上装置を備えずに、前記先行列車の送信装置と前記後続列車の受信装置との間および前記先行列車の受信装置と前記後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする無線列車制御システム。
【請求項７】
請求項５記載の無線列車制御システムにおいて、前記地上装置を備えずに、前記先行列車の送信装置と前記後続列車の受信装置との間および前記先行列車の受信装置と前記後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする分散型無線列車制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上に設けられた装置（地上装置）と車上に設けられた装置（車上装置）との間で無線通信により情報を授受して、同一線路上を走行する複数の列車を衝突させることなく安全に走行させるための制御を行う無線列車制御方法および無線列車制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
列車制御システムは、同一走行路を走行する複数の列車を衝突させることなく安全に走行させるために、走行速度や停車の制御を行うものであるが、これを実現するためには、各列車の在線位置と速度を検知しなければならない。
【０００３】
列車の在線位置検知方法には、地上検知方式と車上検知方式が存在し、前者の代表例として軌道回路を用いる方式、後者の代表例として列車に搭載されている速度発電機を用いる方式が挙げられる。
【０００４】
軌道回路を用いる地上検知方式においては、一定の長さを有する軌道回路が閉塞区間の最小単位となる。先行列車との衝突を防止するため、先行列車が在線する軌道回路に後続列車は進入できない。したがって、先行列車が軌道回路を通過する時間より運転時隔を短くすることができない。そのため、運行密度の向上の要請に応じるためには、軌道回路長を短くする必要があり、設備コストが増加する。
【０００５】
速度発電機を用いる車上検知方式においては、速度発電機が発生するパルスの数と車輪径をもとに在線位置と速度を推定している。したがって、軌道回路を用いる地上検知方式よりも高い検知精度が得られるので、移動閉塞が実現可能であり、運転時隔の短縮が可能である。しかし、車輪径の設定値との乖離または車輪の空転や滑走その他の環境条件により、位置推定値に誤差が蓄積するので、一例として位置補正用地上子を所定間隔ごとに設置して対応している。したがって、位置検知精度、ひいては運行密度の向上と設備コストの間にはトレードオフの関係が存在する。
【０００６】
また、鉄道システムでは、コスト削減や列車制御の高機能化の観点から、無線通信を用いる列車制御システムが開発され、一部実用化されている。無線列車制御システムにおいては、列車在線位置を無線によって管理する。その管理方法では、車上装置・地上装置間で制御に必要な情報をまとめた通信データが無線によって送受信される。すなわち、車上装置は地上装置に自列車位置情報を送信し、地上装置は受信した複数列車の位置情報をもとに各列車が走行可能な位置、速度のパターンを算出し、そのパターンを各列車の車上装置に送信する。あるいは地上装置から先行列車の位置情報を受信した車上装置において、その先行列車の位置情報をもとに列車制御を行う場合もある。いずれの場合にも、無線列車制御においては、安全な列車制御を行うため、列車の在線位置の高精度な検知が最も重要である。
【０００７】
従来の無線列車制御システムでは、安全性の確保のため、通信障害が一定時間以上継続したとき、あるいは通信障害が一定回数以上連続したときに、列車を非常停止させるものがある。
【０００８】
特許文献１には、ＧＰＳデータを用いて列車の在線範囲を算出することで、安全な列車制御を可能とするシステムが示されている。ただし、算出された在線範囲内においても列車の在線確率は一般的には均一ではないため、過剰な安全余裕距離が設定される可能性は残る。特許文献２には、位置推定に加え、位置推定精度を評価することで、最適な停止目標を算出する技術が示されている。ただし、最適な停止目標は、推定位置と位置推定精度だけでは必ずしも求まらない。実際、特許文献２には、先行列車もしくは自列車の位置推定精度が劣化すると、停止目標が以前の停止目標地点より後方に下がる場合について言及し、対策を示している。
【０００９】
無線列車制御システムのアベイラビリティ（稼働率）を向上させる手法として、特許文献３には、無線機能がシステムダウンしている最中の列車ＩＤおよび列車位置情報を蓄積することで、通常運転への移行時間を短縮する技術が示されている。しかし、この技術を用いても通信障害に起因する列車停止は回避できず、また、地上設備も必要となる。特許文献４には、位置情報または速度情報の連続性に基づき合理性をチェックすることにより、フェイルセーフかつ安全な列車運行を実現する無線列車制御技術が示されている。しかし、通信障害が発生し、情報が授受できない場合は、合理性チェックが行えない。
【００１０】
位置推定技術として、パーティクルフィルタ（粒子フィルタ）やカルマンフィルタ等の時系列フィルタを用いる位置推定方法が提案されている。たとえば、特許文献５には、パーティクルフィルタを用いることで移動体の高精度な位置推定を行うことが可能な手法が示されている。ただし、時系列フィルタを用いる既知の位置推定方法の多くの応用例においては、いかに真の値に近い推定値を得るかに重点が置かれている。このため、時系列フィルタによって算出される確率分布の平均値、中央値または最頻値に重要な意味を持たせている。しかし、列車の間隔制御を考えた場合、先行列車の推定位置より真の列車位置が手前にあった場合に追突のリスクが生じるため、安全余裕距離を設けなければならない。したがって、時系列フィルタを用いて高精度に位置推定を行う方法であっても、推定位置を平均値、中央値または最頻値によって得る方式では、確保される安全余裕距離が実際の必要距離よりも過剰になる可能性が残っている。
【００１１】
高密度線区でのダイヤ乱れの早期回復、運転時隔短縮、エネルギー消費低減を実現する手段として、先行する列車の運行状況に応じて列車を制御する予測制御という技術が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。この予測制御においては、予測情報は確定的に与えられており、予測情報の不確実さ、誤差については十分な検討がなされていない。予測制御の効果を発揮するためには正確な予測情報の生成が不可欠であり、実用には技術的困難さ、および設備コストの増大が伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第５３７３８６１号公報
【特許文献２】特開２０１２-１４４０６８号公報
【特許文献３】特許第５３７３８６１号公報
【特許文献４】特開２０１３-２３１０４号公報
【特許文献５】特許第５３７０１２２号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】平栗・富井・長谷、「予測制御による列車制御方式」、鉄道総研報告、２００３年６月、第１７巻第６号、ｐ．２９−３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
列車に通信障害が発生したときであっても、先行列車および自列車の位置・速度によっては、直ちに非常停止をせずとも、追突等の危険が回避可能な場合がある。したがって、通信障害が一定時間以上継続すると列車を非常停止させる従来の無線列車制御システムにおいては、アベイラビリティ（稼働率）が不必要に低下する可能性がある。また、無線通信が不能となる不感地帯の排除および無線基地局間の連続的なハンドオーバーの実現のために、無線基地局数を増やしたり、機器の要求性能を高めたりすると、設備が高コストになる。
【００１５】
本発明は、上記問題点に鑑み、限定的な通信障害を許容し、シームレスな縮退運転を行うことで、低コストかつ高アベイラビリティを実現することができる無線列車制御方法および無線列車制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の無線列車制御方法は、上記目的を達成するため、車上に位置・速度センサと、車上無線局を備え、車上無線局は、地上装置または地上無線局および地上装置を介して、列車の列車状態に関する情報の授受を行う。そして、列車状態に関する情報をもとに統計モデルと時系列フィルタによって自列車の列車状態と他列車の列車状態について確率分布の全体形状を維持して推定を行い、各列車は、推定された情報に基づいて安全側制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
上記安全側制御においては、前後の２列車が衝突する可能性の有無ばかりでなく、どの程度の確率で衝突する可能性があるかまで分かる。そして、衝突確率が閾値（たとえば１０−９／ｈ）を超えないことを担保したうえで減速率または停止位置の制御をすることができる。したがって、安全余裕距離の短縮が可能である。また、通信障害により一部の列車の情報の一部または全てが欠落した場合は、情報が欠落したという観測条件で、条件付き事後周辺分布を求める。情報が欠落した際は、多くの場合、在線位置の確率密度分布の幅や裾が広がり、平坦に近づく。このため、たとえば、列車間隔をより大きくとる安全側制御にシームレスに移行する。
【００１８】
また、本発明の無線列車制御システムは、上記目的を達成するため、車上装置に、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置または他の車上装置から受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを有し、自列車状態推定装置と他列車状態推定装置は、いずれもセンサ観測値を用いた時系列フィルタ(たとえばパーティクルフィルタ)による分析により自列車および他列車のその時々ならびに今後の位置・速度等の列車状態の確率分布推定を行うものであり、その確率分布の全体形状を用いて、先行列車の在線位置の確率密度分布と自列車の在線位置の確率密度分布の積、あるいはその積分値が閾値よりも大きいか小さいかにより列車の走行速度を制御することを特徴とする。
【００１９】
確率分布を利用しない従来手法では、一定の範囲に列車が「絶対」在線していないという想定のもとで列車の走行速度を制御するので、「絶対」を担保するために過剰な安全余裕距離を確保する必要があった。これに対して、本発明では、先行列車の在線位置の確率密度分布と自列車の在線位置の確率密度分布の積が将来にわたって小さい条件において、速度を低下させることなく運転を続行することができる。
【００２０】
上記目的を達成し得る無線列車制御システムには、集中型と分散型がある。
集中型の無線列車制御システムは、各列車のセンサの観測値を地上装置に集中させ、地上装置において全列車の列車状態の推定を行うものである。この場合は、車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置から他列車のセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを備える。また、地上装置には、車上装置からセンサ観測値を受信する受信装置と、受信したセンサ観測値に基づいて各列車の列車状態を算出する列車状態推定装置と、算出された各列車の列車状態を車上装置に送信する送信装置とを備える。そして、自列車状態推定装置、他列車状態推定装置および列車状態推定装置は、いずれもセンサ観測値に基づいて時系列フィルタを用いて列車状態を算出するものであることを特徴とする。
【００２１】
分散型の無線列車制御システムは、全列車の列車状態の推定を地上装置で集中的に行うことをせずに、センサ観測値または列車状態情報を先行列車と後続列車の間で直接的に授受して、各列車に分散して他列車の列車状態の推定を行うものである。この分散型には、次の４つの形態が可能である。
【００２２】
第１形態の分散型無線列車制御システムでは、車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値を地上装置に送信する送信装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、地上装置を経て他列車のセンサ観測値を受信する受信装置と、受信した他列車のセンサ観測値に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを備える。また、地上装置には、先行列車または後続列車の車上装置からセンサ観測値を受信する受信装置と、受信したセンサ観測値を後続列車または先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備える。そして、自列車状態推定装置および他列車状態推定装置は、いずれも時系列フィルタを用いて列車状態を算出するものであることを特徴とする。
【００２３】
第２形態の分散型無線列車制御システムでは、車上装置には、自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値を取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値に基づいて自列車の列車状態を算出する自列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態を地上装置に送信する送信装置と、地上装置を経て他列車の列車状態を受信する受信装置と、受信した他列車の列車状態に基づいて他列車の列車状態を算出する他列車状態推定装置と、算出された自列車の列車状態と他列車の列車状態とに基づいて自列車を制御する列車制御装置とを備える。また、地上装置には、先行列車または後続列車の車上装置から列車状態を受信する受信装置と、受信した列車状態を後続列車または先行列車の車上装置に送信する送信装置とを備える。そして、自列車状態推定装置および他列車状態推定装置は、いずれも時系列フィルタを用いて列車状態を算出するものであることを特徴とする。
【００２４】
第３形態の分散型無線列車制御システムは、第１形態における地上装置を用いずに、先行列車の送信装置と後続列車の受信装置との間および先行列車の受信装置と後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする。
【００２５】
第４形態の分散型無線列車制御システムは、第２形態における地上装置を用いずに、先行列車の送信装置と後続列車の受信装置との間および先行列車の受信装置と後続列車の送信装置との間でそれぞれ直接通信するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、通信障害が発生しても直ちに非常停止にならないので、アベイラビリティが向上する。また、急減速の発生頻度が低下することで、列車内の乗員・貨物等の転倒の危険が軽減される。また、機能とコストのトレードオフの関係を設計の柔軟性として取り入れられる。無線不感地帯の発生を許容したり、ハンドオーバー処理による大きな遅延を許容したりといった、機能への制約を設けることで、従来では不可能であった水準まで設備コストを低減する設計も可能となる。さらに、時系列フィルタにおける尤度計算が、合理性チェックの機能を持つ。合理的に設計されたシステムでは、非合理的な状態の尤度は低くなる。結果的に、非合理的な状態が制御に主体的に作用することが避けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る無線列車制御システムのうち、集中型無線列車制御システムの構成を示す図である。
【図２】図１の集中型無線列車制御システムの車上装置の制御フローを示す図である。
【図３】図１の集中型無線列車制御システムの地上装置の制御フローを示す図である。
【図４】パーティクルフィルタにおいて用いられる鎖錠状態構造のグラフィカルモデルでの漸化式による条件付き事後周辺分布計算を示す図である。
【図５Ａ】パーティクルフィルタによる位置・速度推定シミュレータの初期状態における出力画面の例を示す図である。
【図５Ｂ】同じく走行開始時の出力画面の例を示す図である。
【図５Ｃ】同じく地上子検知前における出力画面の例を示す図である。
【図５Ｄ】同じく地上子検知後における出力画面の例を示す図である。
【図６】図１の速度制御装置による列車位置検知の確率分布を利用する速度制御の機能を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る無線列車制御システムのうち、分散型無線列車制御システムの一例の構成を示す図である。
【図８】分散型無線列車制御システムの他の例の構成を示す図である。
【図９】分散型無線列車制御システムのさらに他の例の構成を示す図である。
【図１０】分散型無線列車制御システムのさらに他の例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。本発明の無線列車制御システムは、集中型と分散型のいずれでも実現が可能である。また、分散型には４つの形態があり得る。以下、これらについて順次説明する。
【００２９】
［集中型無線列車制御システム］
図１は、集中型無線列車制御システムの構成の一例を示す。集中型無線列車制御システムＡは、各列車の列車状態（たとえば、位置、走行速度）の推定を地上装置２において集中的に行う形態である。
【００３０】
集中型無線列車制御システムＡは、各列車Ｔａ、Ｔｂに設けられた車上装置１ａ、１ｂと地上に設置された地上装置２とを有する。車上装置１ａ、１ｂは同一の構成を有する。すなわち、センサ観測装置1１と、自列車状態推定装置１２と、送信装置１３と、受信装置１４と、速度制御装置１５と、他列車状態推定装置１６とを有する。また、地上装置２は、受信装置２１と、列車状態推定装置２２と、送信装置２３とを有する。
【００３１】
車上装置１ａ、１ｂの送信装置１３および受信装置１４は、車上アンテナ１７および地上アンテナ２４を介して地上装置２の受信装置２１および送信装置２３との間で無線通信により所定の情報の授受を行う。
【００３２】
車上装置１ａ、１ｂにおいては、図２に示すように、センサ観測装置１１が自列車の列車状態の推定に必要なセンサの観測値（たとえば、速度発電機の車輪回転パルス数、地上子受信情報、ノッチ状態など）を取得する（ステップ１１。以下、ステップをＳと記す。）。取得したセンサの観測値は、一方では、送信装置１３から地上装置２の受信装置２１へ送信される(Ｓ１２)。取得したセンサの観測値は、他方では、自列車状態推定装置１２に入力され、自列車状態推定装置１２において自列車の列車状態が算出される(Ｓ１３)。
【００３３】
受信装置１４が地上装置２から他列車の列車状態を入力すると(Ｓ１４)、そのデータは他列車状態推定装置１５に与えられる。他列車状態推定装置１５はそのデータが有効な場合（Ｓ１５においてＹｅｓのとき）、そのデータを他列車の列車状態として保持する。そのデータが無効の場合（Ｓ１５においてＮｏのとき）、保持している列車状態に基づいて他列車の列車状態を算出（予測）する(Ｓ１６)。Ｓ１２において算出された自列車の列車状態およびＳ１４で受信した、またはＳ１６において算出された他列車の列車状態は、速度制御装置１６に入力される。したがって、速度制御装置１６は、入力された自列車の列車状態および他列車の列車状態から、規定の安全性を確保する照査速度パターンを生成し(Ｓ１７)、自列車に対して最適な速度制御を行う(Ｓ１８)。Ｓ１８の処理が終了した後は、Ｓ１１に戻る。
【００３４】
地上装置２においては、受信装置２１ が車上装置１ａまたは１ｂの送信装置１３からセンサ観測値を受信したとき（Ｓ２１においてＹｅｓのとき)は、そのセンサ観測値を列車状態推定装置２２に入力するので、列車状態推定装置２２はそのセンサ観測値に基づいて各列車の列車状態を算出する(Ｓ２２)。その算出された列車状態は送信装置２３により各列車の受信装置１４に送信される(Ｓ２３)。Ｓ２３の処理が終了した後は、Ｓ２１に戻る。
【００３５】
上記自列車状態推定装置１２、他列車状態推定装置１５および列車状態推定装置２２による列車状態の算出には、統計モデルと時系列フィルタ、中でも最も好ましいパーティクルフィルタが用いられる。パーティクルフィルタの代わりに、たとえばカルマンフィルタ等を用いることもできる。
【００３６】
図４はパーティクルフィルタによる列車状態（位置、速度の分布）の算出に用いられる、鎖錠状態構造のグラフィカルモデルでの漸化式による条件付き事後周辺分布計算の過程を示す。図４の縦軸は観測データ（観測値）の数を示し、横軸は状態ベクトルの時刻を示す。そして、図４において、ｘは各列車の位置、速度、車輪径等の集合体である状態ベクトル、ｙは各列車の車軸回転パルスカウント、地上子検知有無等の集合体である観測ベクトルである。また、p（ｘｊ｜ｙ１：ｉ）は事後周辺分布（ｙ１、ｙ２、…、ｙｉが所与のもとのｘｉの条件付き分布）を意味する。
【００３７】
図４の塗りつぶし矢印は、正常に観測データが得られた場合の自列車状態推定装置１２による計算経路の一例である。具体的にどのような経路を進むかは、入力した観測データの数と、その時の状態ベクトルの時刻による。また、図４の白抜き矢印は、通信障害等で観測データが得られなかった場合（図２のＳ１５においてＮｏのとき）の計算経路の一例である。なお、当然、現在時刻より未来の観測データは得られない。未来の状態を推定する場合も、白抜き矢印と同様の計算経路となる。ここでは、簡単のために、観測データが完全に得られるか、一切得られないかのいずれかの状態を取る前提に説明したが、実際には、特定の観測データだけ得られない状況も生じうる。その場合は、観測ベクトルの一部を空（無効）として扱えばよい。
【００３８】
ここで、列車状態の算出（状態ベクトルの推定）に用いられるパーティクルフィルタについて、パーティクルフィルタによる位置・速度推定シミュレーションモデルを用いて説明する。
【００３９】
［シミュレーションモデル］
（１）前提
ここでは、速度発電機の車輪回転パルスと位置補正用地上子のみの簡易なモデルを前提とする。定周期処理を想定し、時間変化量ΔＴは一定とする。当面の観測値は、速度発電機のパルスカウント（前回トリガタイミングからの変化量）と、地上子受信の有無とする。
【００４０】
（２）車上機器のシミュレーションモデル
速度発電機モデル
車上機器のシミュレーションモデルの一つである速度発電機モデルでは、車輪径、歯数、偏心率、歯の位置精度をパラメータとしている。入力として与えられる真の車両情報のうち、位置の変化（変位）から、車輪角度を求め、前回の車輪角度との間に含まれる歯の数をカウントし、出力する。速度発電機では空転・滑走が誤差要因となりうるが、簡単のため空転・滑走は考慮しない。また、システムモデルに車輪径を取り込んでいるため、車輪径誤差は観測ノイズには含まれない。
【００４１】
地上子モデル
地上子モデル（車上機器としては車上子のモデル）では、地上子の真の位置の一覧をパラメータとしている。入力として与えられる真の車両情報の位置が、一覧中のいずれかの地上子位置の近傍となった際に、「検知あり」と出力し、それ以外では「検知なし」と出力する。実際には地上子の個体差や環境、車両速度等によって「検知あり」となる範囲は変動するが、簡単のため考慮しない。
【００４２】
（３）システムモデルとシステムノイズ
各時点の間は、加速度をステップ変化とする。よって、速度は線形補間となり、位置は２次スプライン補間となる。もっとも、時間変化量ΔＴが小さければ、
【数１】
2015189361.tif 000003
は十分小さいと考えられるため、全てステップ変化とした場合と大きな差異は生じないはずである。
【００４３】
状態ベクトルの要素である状態変数について、位置をｘｔ、速度をＶｔ、加速度をａｔ、車輪径をＤｔとすると、システムモデルは次のような式で表される。
【数２】
2015189361.tif 000004
【００４４】
システムノイズ  Ｒａｎｄｘ、Ｒａｎｄｖは、理論的には不要（ゼロ）であるが、モデル自体が持つ不正確さを考慮して、適当な乱数を適用する。これは、粒子の縮退を防ぐという便宜上の意味も持つ。加速度ａｔは、勾配等を考慮した最大減速度ａｍｉｎと最大加速度ａｍａｘの範囲で変動する。加速度ａｔが変化する主な時点は、ノッチ操作時、勾配変化時である。ここでは、ノッチ・勾配情報は不明であるとする。一番簡易なモデルとして、最大減速度ａｍｉｎから最大加速度ａｍａｘの間の一様分布を考える。ただし、たとえば加加速度の制約を与えることによりモデルの高度化が図れる。同様に、車輪径Ｄｔは、最小車輪径Ｄｍｉｎと最大車輪径Ｄｍａｘの範囲で変動する。
【００４５】
【数３】
2015189361.tif 000005
この車輪径のモデルは、前回車輪径にノイズＲａｎｄＤを加え、最小車輪径Ｄｍｉｎから最大車輪径Ｄｍａｘの間にクリッピングしたものである。ＲａｎｄＤは一様分布を適用する。もっとも、分岐箇所等を除けば、車輪径が急激に時間変化することはないと考えられるので、ＲａｎｄＤはゼロにピークを持つ分布にすることで、より高い精度で推定が行えると考える。
【００４６】
（４）観測モデル
観測ベクトルは、速度発電機の車輪回転パルスカウントｃｔと、地上子検知有無ｂｔの２要素からなり、次の式で表される。
【数４】
2015189361.tif 000006
ｋは、速度発電機の歯の数で決まる係数である。Ｒａｎｄｃは、サンプリングタイミングによるカウントの揺らぎに相当するノイズで、［０、１］の一様分布である。厳密には、過去のサンプリングタイミングとの相関があるため、一様分布ではないが、ここではマルコフ過程で近似する。ｆｂ（ｘｔ）は、地上子モデルと同様に、地上子位置近傍となった際に「検知あり」とし、地上子位置近傍以外では「検知なし」とする。地上子位置は車上データベースに記録されていると想定して、既知（地上子モデルの真の地上子位置一覧と同一）としている。
【００４７】
（５）尤度
パーティクルフィルタのフィルタリングの過程において、各粒子(パーティクル)の重みづけを行う。重みづけは尤度に基づいて行う。過去の列車状態から予想される車輪回転パルスカウントに相当する値を
【数５】
2015189361.tif 000007
としたとき、観測された車輪回転パルスカウントＣｔの尤度Ｌｃは
【数６】
2015189361.tif 000008
となる。
【００４８】
たとえば、予測されるｃ’ｔ＝２．３のとき、観測値ｃｔ＝２ならば、尤度は０．７となり、ｃｔ＝３ならば、尤度は０．３となる。一方、地上子に関する尤度Ｌｂは、以下の表１によって求める。
【００４９】
【表１】
2015189361.tif 000009
【００５０】
ここで、０≦ｌｂ１≦１、０≦ｌｂ２≦１０である。ｌｂ１とｌｂ２の値は、実際のセンサ・判定部の特性による。また、その特性（誤検知が生じやすい、検知抜けが生じやすい等）は、フェイルセーフの設計に依存する。モデル全体の尤度は、Ｌｃ×Ｌｂで求める。これは、システムが想定どおりの動作をする条件の下の尤度である。実際には、モデルの前提を満たさない事象が生じうるため、実際的な尤度密度関数はより平坦となる。
【００５１】
上記パーティクルフィルタの推定理論を位置・速度推定シミュレーションに適用した場合の具体例について説明する。図５Ａは開発中のシミュレータの出力画面に示された位置・速度グラフであり、列車走行前の初期状態を示す。横軸は位置、縦軸は速度である。実際は５０ｍの位置に停止中（速度０）であるが、列車状態推定装置は図５Ａの粒子(パーティクル)で示されるように、２５〜７５ｍの間に停止していると初期条件を与えている。図５Ａにおいて粒子が濃密であるほど高確率であることを意味する。
【００５２】
図５Ｂは、列車が走行を開始したときの出力画面である。列車状態推定装置は、センサ観測装置から得られる観測値（速度発電機モデルが出力する車輪回転パルスカウント）により速度を推定する。位置は、まだ曖昧であり、最頻値も真値と異なる。図５Ｂの実線による曲線は真の位置・速度である。
【００５３】
図５Ｃは、センサ観測装置が地上子を検知する前の状態を示す。地上子は１００ｍ位置に存在するが、まだ地上子モデルは「受信あり」を出力していない。パーティクルフィルタによる推定（地上子検知に関する尤度評価）により列車は１００ｍ位置の手前に存在する確率が高くなる。
【００５４】
図５Ｄは、地上子モデルが「受信あり」を出力し、センサ観測装置が地上子を検知した後の状態を示す。１００ｍ位置の地上子を検知したことにより、列車状態推定装置による位置・速度の推定が真値近傍に収束する。
【００５５】
このように、本発明が実行するパーティクルフィルタにおいては、確率分布の最頻値、中央値、または平均値を参照することによって、高い精度で列車位置・速度を推定することができる。同時に、安全側制御に不可欠な確率分布形状の情報を得ることができる。
【００５６】
上述したように、車上のセンサ観測装置１１により取得された観測値は、自列車状態推定装置１２により時系列フィルタを用いて分析され、自列車の列車状態が算出される。他方、車上の受信装置２１で受信した各列車のセンサ観測値は、列車状態推定装置２２に入力され、ここでも時系列フィルタを用いて各列車の列車状態が算出される。
【００５７】
特許文献２においては、先行列車と後続列車においてそれぞれ位置推定および位置推定精度評価をした後に在線確率を算出している。しかし、位置推定結果と位置精度評価結果から得られるのは、算出時の在線確率である。特に、算出時より先の在線確率を高精度に予測するには情報が不足しており、予測は困難である。本発明においては、位置に限定せず、各列車の状態を算出し、保持するので、位置・速度の推定が真値に近づくばかりでなく、将来の列車状態のより高精度な予測が可能である。
【００５８】
自列車状態推定装置１２と列車状態推定装置２２の列車状態の算出モデルは、基本的には同一である。ただし、前者は単一の列車を対象とし、無線通信障害による情報の欠落や変質を考慮しないが、後者は複数の列車を対象とし、無線通信障害を考慮する点において違いがある。
【００５９】
列車状態推定装置２２で算出された列車状態の情報は、送信装置２３から全列車または関係し得る特定の列車の受信装置１４へ送信される。
【００６０】
各列車では、受信装置１４で受信した列車状態の情報に基づいて、他列車状態推定装置１５により関係し得る列車の列車状態を改めて推定する。他列車状態推定装置１５による推定は、無線通信障害を考慮するとともに、現在時刻より先の時刻の列車状態に対しても行う。ただし、現在時刻より先の時刻の列車状態の推定は、他列車状態推定装置１５に代えて、列車状態推定装置２２で行って、各列車に送信しても良い。
【００６１】
各列車の速度制御装置１６は、自列車状態推定装置１２および他列車状態推定装置１５から得られる現在の列車状態および現在時刻より先の時刻の列車状態に基づいて、安全な照査速度パターンを決定し、自列車の速度が算出した安全な速度以下となるように制御を行う。
【００６２】
速度制御装置１６についてさらに説明する。図６は、速度制御装置１６による列車位置検知の確率分布を利用する速度制御の機能を説明する図である。縦軸は確率、横軸はキロ程（位置）であり、Ｃ１は、自列車状態推定装置１２から速度制御装置１６に入力した、特定の時刻における自列車位置検知の確率分布を示す曲線、Ｃ２は、他列車列車状態推定装置１５から速度制御装置１６に入力した、同時刻の他列車位置検知の確率分布を示す曲線である。各曲線Ｃ１, Ｃ２の形状は、それまでのセンサ観測値により異なり、時間とともに変化する。たとえば、位置補正地上子を検知した直後は急峻な曲線となりうる。あるいは、通信障害により他列車の状態が受信できない場合は、緩慢な曲線となりうる。そして、曲線Ｃ１, Ｃ２が重なり合っている部分の曲線Ｃ３は２つの列車が同一位置に在線する確率分布、すなわち、衝突する（衝突している）確率分布を示す。その確率分布Ｃ３は二つの確率分布Ｃ１,Ｃ２の積により得られる。ある位置範囲で衝突する（衝突している）確率は、その位置範囲でのＣ３積分値となる。
【００６３】
照査速度パターンの決定方法はいくつか考えられるが、ここでは一例を示す。車上装置は既定の照査速度パターンが適用されており、自列車状態推定装置１２は、その照査速度パターンを超えた場合はブレーキが作用する条件で、自列車の今後の在線位置の確率分布Ｃ１を求める。他列車状態推定装置１５は、先行列車について今後の在線位置の確率分布Ｃ２を求める。その際、先行列車に適用されている照査速度パターンは不明という条件とする。ただし、列車状態に照査速度パターンに関する情報を含めている場合は、その情報を条件に適用してもよい。速度制御装置１６には、確率分布Ｃ３に関して閾値が設定されており、現時刻から一定の時間範囲において、いずれかの時刻の確率分布Ｃ３の最頻値がその閾値を超えた場合は、その超えた程度に応じて照査速度パターンを更新し、減速させる。逆に確率分布Ｃ３の最頻値がその閾値未満の場合は、照査速度パターンを更新し、ブレーキの作用開始点を遅らせるか、減速度を小さくする。
【００６４】
上記方法では、通信障害等により各列車から、あるいは地上装置からの情報に一時的な欠落が生じても、照査速度パターンを決定できる。通信障害の時間が短時間であれば、情報取得前後の確率分布の乖離はわずかであり、照査速度パターンの変化、すなわち列車運行に与える影響は少ない。通信障害の時間が長時間となっても、照査速度パターンに従っている限り、想定外の事象、すなわち統計モデルで考慮されていない事象が生じない前提のもと、所定の安全性が担保される。
【００６５】
特許文献２の無線列車制御システムと本発明による無線列車制御システムとの大きな違いは、送受信を行う情報の内容が、前者では［停止目標］であるのに対し、後者では［時系列フィルタを用いて算出される列車状態］である点にある。このような列車状態を送受信することにより、通信障害が発生しても、当面、周辺列車の状態を推定することが可能である。その推定値は、情報が欠落した分、不確かさが増加する（分布が平坦に近づく）が、その不確かさも含めて、安全な速度を算出するため、通信障害発生に基づいて緊急停止を必ずしも行うことなく、安全に運行を継続することが可能である。
【００６６】
［分散型無線列車制御システム  第１形態］
図７に示すように、第１形態の分散型無線列車制御システムＢ１は、車上装置１ａ、１ｂが集中型の場合とほぼ同じ構成を有するのに対し、地上装置２は受信装置２１と送信装置２３のみで構成されている。したがって、地上装置２は、各列車間でのセンサの観測値の授受の中継としての機能のみを有する。そして、集中型構成における地上装置の列車状態推定装置２２の機能を各車上装置１ａ、１ｂの他列車状態推定装置１５で実現する。この分散型無線列車制御システムＢ１においても、通信障害発生に対し耐性を有し、安全な運行を行うことができる。
【００６７】
［分散型無線列車制御システム  第２形態］
図８に示すように、第２形態の分散型無線列車制御システムＢ２は、第１形態におけるセンサの観測値の授受を列車状態の授受に変更したものである。すなわち、第１形態においては、センサ観測装置１１が送信装置１３に接続されていたが、第２形態においては、自列車状態推定装置１２が送信装置１３に接続されている。
【００６８】
［分散型無線列車制御システム  第３形態］
図９に示すように、第３形態の分散型無線列車制御システムＢ３は、第１形態における車上装置１ａの送信装置１３および受信装置１４を車上装置１ｂの受信装置１４および送信装置１３に直接接続して、第１形態におけるセンサの観測値の授受を車車間通信により実現し、地上装置を無くしたものである。
【００６９】
［分散型無線列車制御システム  第４形態］
図１０に示すように、第４形態の分散型無線列車制御システムＢ４は、第２形態における車上装置１ａの送信装置１３および受信装置１４を車上装置１ｂの受信装置１４および送信装置１３に直接接続して、第２形態における列車状態の授受を車車間通信により実現し、地上装置を無くしたものである。
【００７０】
上述した構成の中で、少なくとも、各列車にセンサデータを集約する機能、無線通信機能、速度制御機能は必要であるが、各機能の装置への実装方法に制約はない。たとえば車上装置の送信装置１３と受信装置１４の機能を一つの装置として実装してもよい。また、自列車状態推定装置１２と他列車状態推定装置１５の機能を一つの装置として実装してもよい。さらに、通信系を含めて統計モデルを作成可能であるため、通信経路に制約はない。たとえば、送受信アンテナ２４と受信装置２１および送信装置２３の間に、有線または無線を用いた通信中継装置があってもよい。
【００７１】
また、すべての情報を同じ品質、頻度で送受信する必要はない。たとえば、列車長は通常、駅間で変化することはないため、駅間走行中に列車長の情報を送信する必要はない。このように、動的な変化の少ない情報は、たとえば駅停車時に情報の授受を行う等の方法により、通信回線の能力に対して、列車制御の能力を向上させることが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
Ａ          無線列車制御システム（集中型) 
Ｂ１〜Ｂ４  無線列車制御システム（分散型）
１ａ、１ｂ  車上装置
１１        センサ観測装置
１２        自列車状態推定装置
１３        送信装置
１４        受信装置
１５        他列車状態推定装置
１６        速度制御装置
１７        送受信アンテナ
２          地上装置
２１        受信装置
２２        列車状態推定装置
２３        送信装置
２４        送受信アンテナ
【図１】
2015189361.tif 000010
【図２】
2015189361.tif 000011
【図３】
2015189361.tif 000012
【図４】
2015189361.tif 000013
【図５Ａ】
2015189361.tif 000014
【図５Ｂ】
2015189361.tif 000015
【図５Ｃ】
2015189361.tif 000016
【図５Ｄ】
2015189361.tif 000017
【図６】
2015189361.tif 000018
【図７】
2015189361.tif 000019
【図８】
2015189361.tif 000020
【図９】
2015189361.tif 000021
【図１０】
2015189361.tif 000022