列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷

特集論文

列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷
伊丹事業所

技術第1部 システム開発課
瀬藤 誠、松本 拓也

図１．列車統合管理システム（TCMS）概念図（3）車両検査機能

１．まえがき車庫から出る前の点検など、車両の各機器の健全性確認試験を実施する。また、各機器から試験状況を収集し、三菱電機（株）伊丹製作所は1979年に鉄道車両向けモニタ表示・記録を行う。

装置を開発し、その後、市場ニーズに応じてシステムを進（4）車両制御機能化させてきた。様々な機能が追加され、現在では列車統合

運転士の操作に基づく指令を各車両の機器に伝送し、管理システム（Train Control and Monitoring System）

列車の走る・止まるを制御する。

（以下TCMS）と呼ばれている。当所は1983年の開設以来か（5）編成一括制御

ら現在に至るまで本システムの開発に深くかかわっている。

必要なブレーキ力を各車の情報に応じて配分するなど、客先提案、システム設計～ソフトウェア設計、製作、試験

列車編成全体で最適な制御を行う。

まですべての工程にかかわることで、高い信頼性が要求される本システム開発において中核的な役割を果たしている。
本稿ではTCMSの概要及びTCMSにおけるソフトウェア３．TCMSとソフトウェア構築技術の変遷

構築技術の変遷について紹介する。

本章ではTCMSの変遷と、ソフトウェア構築に深くかかわる伝送、CPU、OS、言語の変遷を紹介し、最後に車上情

２．列車統合管理システム（TCMS）の概要

報装置ミドルウェアの概要を述べる。

図1に示すように、TCMSは列車の状態を監視・制御する3.1システムであり、以下の機能を持つ。

モニタから統合管理へ

TCMSは顧客の要求や技術の進歩にともない今なお進化（1）モニタリング機能を繰り返しているが、図2に示すとおり大きく４つの世代にブレーキや空調装置など、車両に搭載されている様々分けることができる。

な機器の情報、故障の有無などをリアルタイムに運転台表示器に表示する。
（2）サービス機器制御機能
運転台表示器の操作により、空調装置などサービス機器の動作制御を行う。
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列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷

TCMS

第4世代

1995年頃

第2世代

アの重要な役割のひとつがこの情報のやりとりを安定して円滑に行うことである。ここでは車両内と車両間のそれぞ列車統合制御れで使われてきた伝送方式を紹介する。

車上試験などの車載機器の健全性検査

TIS
1990年頃

第1世代

得方法も大きく変化した。TCMSに搭載されるソフトウェ

自動検査・動態監視

TIMS

モニタ装置
1980年頃

搭載機器情報取得方法の変遷

TCMSの進化に伴い、列車に搭載された各機器の情報取乗務員支援機能の拡張

2015年頃

第3世代

3.2

地車間連携機能

力行・ﾌﾞﾚｰｷ指令、機器解放ﾘｾｯﾄ等の制御指令伝送

3.2.1 車両内伝送（機器伝送）

空調・照明・車内案内等のサービス機器制御（1）デジタルインプット/アナログインプット

車載機器の動作監視
故障記録等のﾓﾆﾀﾘﾝｸﾞ

TCMSの初期段階では、各機器や車両の情報取得は伝引通線による情報伝達

送ではなく、各装置と配線された信号を、デジタルインプットとアナログインプットで入手していた。

図２．TCMSの変遷

デジタル信号はDIカードに入力され、カード1枚当た（1）モニタ装置（第1世代）

り8点の信号を入手することができた。電流や電圧などの1980年代に登場したモニタ装置は「乗務員支援」、「機器アナログ信号は、AIカードに入力され、カード1枚当たりの保守」、「乗客サービスの向上」をコンセプトに開発した。

1データ、8bitデジタル値に変換し、入手していた。

主な特徴としては①乗務員への運転情報、車掌情報や異（2）カレントループ伝送常情報の提供、②乗客に対するサービス機器の制御及びカレントループによる接続例を図3に示す。

指令、③故障解析データの記録や出庫/月検査レベルの各機器動作試験の実施などがあげられる。
（2）車両情報制御システム（第2世代）
TIS（Train control information management system）と呼ばれる本システムは「制御指令の伝送化」、「モニタ機能の充実」をコンセプトに開発した。主な特徴としては①伝送の高速化に伴う力行（注1）やブレーキ指令の伝達に使われていた複数の引き通し線（注2）の削減、②主要機器との伝送による情報収集及び機器集中監視などモニタ機能の充図３．カレントループによる接続例

実、③力行・ブレーキ指令伝送を利用した自動検査による保守費用削減などがあげられる。

カレントループは入力信号によりLEDを発光させ、フォ（3）車両情報統合管理システム（第3世代）

トカプラで読み取る耐ノイズ性・絶縁性のある通信方式でTIMS（Train Integrated Management System）と呼ある。初期のTCMSでは各車両に搭載された伝送端末装ばれる本システムは「車両システムの統合と最適化」をコ置が機器の情報を取得するためこのカレントループ方式

ンセプトに開発した。主な特徴としては①引き通し線及を採用していた。

び車両内配線の伝送化による配線数の削減、②列車の機（3）RS485伝送

能統合による車両システムの簡素化及び信頼性の向上、

RS485は2本の信号線が逆極性であり、グランドに対し③自動検査・動態監視による保守費用の削減などがあげらて平衡になっているため耐ノイズ性があり、比較的高速れる。

な通信が可能である。RS485による接続例を図4に示す。

（4）列車統合管理システム（第4世代）
現在TCMSと呼ばれている本システムは「メンテナンス体系革新」、「安全・安定輸送に貢献する乗務員支援の提供」、「消費電力量の削減」をコンセプトに開発した。主な特徴
としては①100Mbpsイーサネット伝送適用による大容量伝送化の実現、②地上基地などとの伝送による各種機能の連携、③走行中検査等車両モニタリング保全機能、省エネルギー運転アシスト機能の実現などがあげられる。

（注１）自動車のアクセルに相当するもので列車を加速させる指令のこと。
（注２）車両間を渡って列車全体を繋ぐ電気配線のこと。

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列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷への移行が行われた。ARCNETはトークンパッシング式のネットワークプロトコルである。ノード数が決まればノード間通信のリアルタイム性が保証される。通信速度は2.5Mbpsから10Mbpsまで出せるようになり、車両間でより多くの情報をリアルタイムでやりとりすることが可能となった。
またリング型やラダー（はしご）型を採用することで可用性を向上させることができた。図6にラダー型による冗図４．RS485による接続例

長性確保のイメージを示す。

1995年頃から車両内通信についてはカレントループからRS485に移行を行い、通信速度は最大で1Mbpsの通信も可能となった。
（4）Ethernet伝送
現在のTCMSでは機器との接続により高速な100MbpsのEthernetを広く採用している。Ethernetを使ったIP通信を採用することでネットワークに多彩な製品を容易に接続できるようになり、設計の自由度が高まった。個々

図６．ラダー型による冗長性確保の機器は各車両に設置されたコミュニケーションノード（以下CN）とスター型で接続するのが一般的である。

イメージ図（3）Ethernet伝送
最新のTCMSではより高速な伝送を実現するため、車3.2.2

両間伝送も100MbpsのEthernetを採用している。同じ

車両間伝送

各車両の端末装置で収集した情報を先頭車両の中央装置

Ethernetで構築された車両内ネットワークと車両間ネッに送り、運転台からの制御指令を各車両に伝える役割を果

トワークをIP層で結び、パケットの中継を行うことで余たすのが車両間伝送である。

計なプロトコル変換が不要となり、従来よりシンプルな（1）マルチドロップバス構成でリアルタイム性を確保することができた。冗長性については図7に示すようなVLANを活用した二重リング

マルチドロップバスは1対の電線上に複数の装置を接続型ネットワークを採用することで確保した。

する形態である。送信するデータにアドレスを付加することで複数の装置があっても通信が可能である。各車両に設置した端末装置間をマルチドロップバスで接続する

CN

CN

CN

CN

で通信速度は9.6kbpsであったが、後に符号化ベースバン

機器

機器

機器

機器

ド方式を採用し38.4kbpsまで高速化された。また当初一1 号車

2 号車

3 号車

4 号車

機器

機器

機器

機器

CN

CN

CN

CN

ことで車両間配線の削減を行った。当初はFSK変調方式重系バス型であったが、冗長性確保のため後に制御系では二重系バス型が採用されるようになった。図5にマルチドロップバスの形態を示す。

VLAN1 系
VLAN2 系

図７．二重リング型ネットワークの形態
また、さらに編成同士の多様な併結パターンへの対応や、無線技術などを用いて車両基地などの地上装置と接続することも求められている。Ethernetとその上位層で

図５．マルチドロップバスの形態

あるIPプロトコル通信を採用することで、このような要望にもスピーディーに対応できるようになった。

（2）ARCNET伝送
TCMSの進化に伴いより高速な通信が求められるようになり、車両間伝送はマルチドロップバスからARCNET
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列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷

3.3（4）第4世代CPU

ソフトウェア実行環境と開発基盤の変遷

近年、故障発生時の障害要因分析などの目的で、より大量かつ高サンプリング周期で各種データを記録するこ

図8はTCMSにおけるソフトウェア実行環境と開発基盤のとが求められるようになった。データを効率良く記録す変遷を表したものである。詳細を以下に記載する。

るためにはデータ形式の変換や圧縮などを行う必要があ
3.3.1

る。これらの要求を満たすため、より高性能なCPUの適CPUの変遷

用を開始している。

（1）第1世代CPU
モニタ装置と呼ばれる初期のTCMSには、当時8ビットマイコンと呼ばれていたCPUが採用された。データバス

3.3.2

は8bit、アドレスバスは16bitしかなく一度にアクセスで（1）第1世代OS

OSの変遷

黎明期のモニタ装置はOSを使わないシンプルなソフトきる領域が64KBと小さいため、大きいデータを扱う際はウェア構成であった。しかし、システムの多機能化にとバンク切り替えなどのテクニックが必要であった。

もない、リアルタイム性を確保するための割り込み処理（2）第2世代CPU次に採用したCPUはデータバスが16bit、アドレスバなどが複雑化し、ソフトウェア開発の難易度が高くなっスは24bitと拡張され、大きいデータの扱いが容易になった。そこで、機能ごとに分割した複数のタスクを容易にた。第1世代CPUと比べCPUの速度も大幅に向上し、よ扱えるリアルタイムOSを内製することで、この問題を解り効率的にデータを処理できるようになった。

消した。このOSは多くのモニタ装置、TISに採用され、信頼性の高いシステムの実現に貢献した。当初第1世代（3）第3世代CPUCPU向けに開発され、のちに第2世代CPU向けに移植がTCMSに求められる機能も多岐にわたり、より高い性行われた。

能が求められるようになったため、新しいアーキテクチャをベースに製品化されたCPUに移行することになった。
このCPUは第2世代CPUとは命令に互換性がなかったものの、エンディアン（注3）が同じであること、内蔵する通信（注３）エンディアンとは複数バイトのデータをメモリに格納する順序の種類で、上位バイトから並べるビッグエンディアン、下位バイトから並べるリトルエンディアンがある。

プロセッサに互換性があったことなどから比較的移行は容易であった。

図８．ソフトウェア実行環境と開発基盤の変遷

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列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷（2）第2世代OS
市販OSの使用が要件となる工事が出てきたこともあり、

3.4

車上情報装置ミドルウェアの概要

内製OSから別部門で既に実績のあった市販OSに移行し第1世代、第2世代のソフトウェア構成にはミドルウェアた。このOSはUNIXライクながら組み込み用途も想定しは含まれず、共通サブルーチン、マクロを活用しアプリケーて開発されており、開発環境や伝送まわりのドライバなションプログラムを製作していた。

ども充実していた。

第3世代のTIMS開発にあたって、ソフトウェア生産性の向上を目的として、データ管理、伝送管理、タスク管理、ファ（3）第3世代OS（監視、記録系）
現在、当社が開発するTCMSでは、オープンソースのイル管理、ログ管理、メモリ管理など様々な機能をミドルUNIX系OSを、当社産業機器向けに最適化したものを採ウェアとして整備した。本ミドルウェアの構成を図9に示す。

用している。このOSはスーパーコンピュータからスマートフォンまで世の中に幅広く普及しており、オープンソースであるため世界中の技術者によって様々な機能や高い信頼性が実現されている。応答時間が保障されるリアルタイムOSではないため制御系以外の監視系、記録系で使われている。
（4）第3世代OS（制御系）
現在、制御系では第1世代OSを改良したリアルタイムOSを使用している。本OSはタスクの制御方式が改善され、イベント通知などの機能も追加されている。
3.3.3

開発言語の変遷

図９．車上情報装置ミドルウェア構成図（1）アセンブリ言語
初期のモニタ装置ではアセンブリ言語が使われていた。

図に示すミドルウェアの各機能は、案件共通部として汎CPUが直接実行できる機械語に対応したニーモニックと用的に使える設計とし、適用した各工事のカスタマイズをオペランド、マクロなどを使ってプログラミングを行う。

最小限に抑え、ソフトウェア変更量を少なくすることに貢機械語への変換はアセンブラによって行う。アセンブリ

献した。

言語によるプログラミングはCPUの命令セット、レジス

また、省エネルギー支援機能や遠隔保守支援システムなタを意識する必要があるため開発には時間がかかった。

どの地車間連携機能を実現したり、より高品質で効率の良いアプリケーション開発を可能とするため、現在もミドル（2）C言語/C++言語
C言語は人間が理解しやすい制御構文を持ちながら、アウェアの改良を行っている。

センブリ言語のようにハードウェアレベルの制御も可能な柔軟性を持つ言語である。必要メモリや実行速度につ４．むすびいてもアセンブリ言語と比べて遜色はなかったため、C言語への移行は比較的スムーズに行われた。TCMSソフト

現在も進化を続けているTCMSの技術変遷を、主にソフウェア開発に求められる要件を満たすのに適しており現トウェア開発の視点から紹介した。今後も当所は蓄積して在でも主としてこのC言語を利用している。また、信号きた経験、技術を活かし、TCMSの開発を通じて三菱電機

データを扱うミドルウェアの一部や運転台に設置される（株）とともに鉄道の安全、安定輸送に貢献していきたいと表示装置の開発についてはデータの抽象化に優れ、画面考えている。

開発ライブラリも充実しているC++言語も使用している。

最後に本論文の執筆に当たって貴重な御意見、御指導を頂いた三菱電機（株）及び関係会社の方々に深く感謝申し上（3）PLC（Programmable Logic Controller）
ツール

（注4）

げる。

主に海外案件であるが近年のＴＣＭＳ案件では鉄道事業主自身でソフトウェアメンテナンスしたいという要望がある。そのため従来のプログラム言語の代わりに、ラダー言語が使えるPLCツールを導入した。このPLCツー
ルを使うことで、ラダー回路で表現される車両制御論理や故障検知論理をソフトウェアロジックで簡単に実現す（注４）従来ハードウェアで行っていた制御ロジックをソフトウェアで実現し、開発、実行、メンテナンスを容易に行えるようにしたツール。

ることが可能となり、変更も容易となった。
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列車統合管理システムにおけるソフトウェア構築技術の変遷（参考文献）（1）甲村哲朗, 安東永昇, 岡田万基, 瀧川義史：列車統合管理システムの最新技術と今後の展望, 三菱電機技報 90,
No.9, 505～508, 2016（2）甲村哲朗：列車統合管理システム（TCMS）の最新技術と今後の展望, JREA, 60, No.3, 37～40, 2017

執筆者紹介
瀬藤誠

セトウマコト

1989年入社。主に電鉄システムのネットワーク関連ソフトウェア開発に従事。
現在、伊丹事業所技術第1部システム開発課。
松本拓也

マツモトタクヤ

2004年入社。主に電鉄システムのシステム設計、ソフトウェア開発に従事。現在、伊丹事業所技術第1部システム開発課。

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