自動列車運転装置
自動列車運転装置(じどうれっしゃうんてんそうち、ATO : Automatic Train Operation)とは、列車の運転を自動化する運転保安システムである。主に、人に対する安全性が確保しやすい地下鉄や新交通システムに使われている。
自動列車運転装置は、地上側で地点情報を発信する地上子、地上子から地点情報を受信する車上子、車両側で力行・惰行・ブレーキの制御を行う車上装置という3種の装置から構成されている。地上子は、有電源のトランスポンダである定位置停止地上子(P4地上子)と、3つの無電源地上子(P1-P3地上子)の2種類に分けられる。定位置停止地上子は各駅の停車位置に設置されており、列車が定位置に停止したかどうか確認するため、また停止した後諸機器を動作させるために必要となる。P4地上子が車上側のATO車上子の位置を一定の範囲内で検知すると、車上子との間でホームドアの開閉指令やホームドアの開閉状態の情報、運行管理情報がやり取りされる。その手前に設置されているのが無電源地上子で、駅で決められた位置に停車するために必要となるものである。列車が無電源地上子を通過すると、地上子に組み込まれた固定位置情報が車両側のATO車上子を介して車上装置に送信される。この情報をもとに、列車は停止位置までの距離を把握することになる。P1地上子は、列車側にブレーキ制御用パターンを生成させる地点に設置される。P2・P3地上子は、P4地上子とP1地上子との間に設置され、後述する車上装置に停車位置までの距離を伝達する。車両側に設置された車上装置は、列車が停止位置に止まるために必要なブレーキ出力を決定して指令する役割を担っている。車上装置には各駅間の距離情報と運転パターンが予め記録されており、地上側での位置補正用地上子から受信された地点情報と列車からの速度情報とを照合して適切なブレーキ出力を演算することにより、運転士の操作を必要としない定位置への停車を可能にしている。
列車が停車駅に接近すると、車上子がP1地上子から停止位置までの距離情報を受信する。それをもとに、車上装置が停止目標位置までの停止制御用パターンを生成する。列車側がP2・P3地上子から残りの距離情報を受信すると、列車が記録している残りの距離情報の食い違いの補正を行い、列車速度と正確な残距離に合わせてフィードバックによるブレーキ制御を行い、停車目標位置までに列車を自動的に減速させる。列車が停車目標位置にあるP4地上子の位置に停車した後は、列車の停止位置がショートかジャストかオーバーかを判断する停止位置測定を行い、許容範囲以上に位置がずれた場合には、インチングにより列車位置の修正を行う。目標位置に停車したことが確認されると、車両側で転動防止ブレーキを掛ける。また、車上側から地上側に列車の運行番号・行き先などの情報が送信され、地上側の運行管理システムが送信されたこれらの情報を基に列車の運行管理を行う。その後、車上側からの指令で地上側のホームドアが開けられると、車上側に車両ドア開情報が送信されて、車両側のドアが開けられる。停車中においては、運行管理システムが停車時間の管理を行い、出発時には、運行管理システムからの出発指示情報・ホームドア閉・車両側のドア閉などの条件が揃えば、列車は駅から出発できるようになっている。また、ホームドアまたは車両のドアの開閉は、車両側の運転席にあるドア開閉ボタンを操作することにより行う。
地上子は鉄輪式リニアモーターカー方式の地下鉄(例 : 都営地下鉄大江戸線)では軌条間にリアクションプレートがあり、通常形地上子の設置ができないことからループコイル方式を採用している。これは2本の軌条の外側に「8の字形」のループコイルを設置し、撚架点(ねんかてん)を設けることで地上子としての機能を持たせているが、最近ではリアクションプレートの横に地上子を設置する方式もある。
また、地上子を設置した方式の場合には導入の手間が大きくなることから、東京メトロ千代田線北綾瀬支線(旧式の5000系・6000系ハイフン車)では地上子を使用しない方式を採用している。これは2駅間の折返し運転という性格上、両駅に設置しているATC装置の過走防護信号 (ORP・Over Run Protector) を基にして、地上子の代わりに残存距離の補正を行っている。ただし、2014年度より同線に導入された05系改修車では地上子・車上子方式となっている。
乗務員(路線により呼び方は異なる)が乗務するタイプと、無人運転のタイプとに大きく分けられる。出発条件の成立後、自動的に目標速度まで加速した後に定速運転を行い、次駅に接近すれば自動的に停止位置に停止させるという基本機能は変わらない。またATOは、ATCに自動運転装置としての機能が付加されたものでなければならないので、目標速度の設定及び保安確保のため、閉塞にATCを使用するケースがほとんどである。
乗務員が乗務するタイプには、ATOをあくまでも運転支援装置と捉え、ATO運転中であっても運転士の運転操作が優先するよう設計されたものと、ATO運転モードでは緊急停止以外の運転操作ができない、無人運転に近い設計のものが存在するが、いずれの場合も、一般に、戸閉後にハンドル付近に設置された出発ボタンを押すことで、次駅までの自動運転が開始される。出発ボタンは、多くが誤操作防止のため、2つを同時に押すことにより作動するようになっている。
また、無人運転に近い設計の方の列車には、出発ボタンは存在せず、代わりに「扉閉抑止」ボタンがついているものもある。この様な列車の場合、駅に到着後は扉が自動で開くものの、このボタンを押さないままにしておくと、出発時刻になると自動で扉が閉まり、ひとりでに発車してしまう。しかし、このボタンを押しておくと、駅に到着して自動で扉が開いた後は、このボタンを再度押して解除しないと、出発時刻になっても扉は閉まらず、発車しなくなる。再度押して解除することで、扉が閉まり、扉が正常に閉まった場合(ホームドアが設置されている路線ではホームドアも)には、自動で発車することになる。またこの様な列車の場合、扉閉抑止を解除して一旦ドアが閉まった後に、再度ドアを開けることは出来ないため、戸ばさみからの復帰や駆け込み乗車をした乗客を乗せる場合、あるいは降り損ねそうになった乗客からの再開閉の依頼などで、発車せずにドアを再開閉する必要がある場合には、一旦ATOを解除した後マスコンキーを回して手動運転に切り替えた後、手動にてドアを再開閉してから、再度自動運転に戻す必要がある。この方式は、福岡市地下鉄七隈線などで採用されている。
なお、ATO装置は駅停車制御機能のみを使用することでTASC装置としても使用することができる。東京メトロ南北線及び都営地下鉄三田線各車両のATO装置は東急目黒線内ではTASCモードに切り換わり、駅発車時の力行操作と駅間の速度制御は運転士が行い、駅停車時の停止操作はATO装置の駅停車制御機能(TASC機能)を使用している。
一例として東京メトロ南北線のATO装置のシステム構成について示す。同線用のATO装置は以下の装置と連動して車両を制御する。
ATO出発ボタン(2個一組で配置され、2個同時に押さないと発車出来ない)
運転切換スイッチ(手動運転 - ATO運転)
ATO運転モード切換スイッチ(平常運転 - 回復運転 - 遅速運転)
ATC装置(ATC信号判別器・ATC論理照査器)
ATO送受信器(トランスポンダ)からの地点情報(車上子 - 地上子)
ATOには列車速度の調整用に運転モードがある。東京メトロ南北線では「平常」・「回復」・「遅速」の3つのモードがあり、平常運転モードではATC制限速度の5km/h下の速度で走行、回復運転モード(列車遅れを回復させる場合)には平常運転より+2km/hで走行(ATC制限速度の3km/h下)、遅速(列車を遅らせる場合)には平常運転より-10km/hで走行(ATC制限速度の15km/h下)させることができる。
以下はOsaka Metro千日前線での例である。
安全のため、以下の条件が成立した場合のみ、列車を出発させることができる。
「戸閉」「戸閉保安」「母線引通」「非常ユルメ」「断流器入」点灯。「非常ユルメ」は停止後も点灯。「可動柵開」は駅停止後、ホーム柵と車両の扉が開いてから点灯。出発時は消灯。「定点停止」は停止後点灯、出発時消灯。「ATO」は常時点灯。ATOは千日前線では回送、手動のハンドル訓練時は消灯し、手動が点灯する。
ブレーキ圧力0:車両速度0km/h
始発駅では、運転士は乗務員室の扉の鍵を開け、マスコンハンドルを非常ブレーキ位置にした状態で運転キーを差し込む。続いてレバーサ(逆転器)を"前"位置にし、非常ブレーキ位置からブレーキ動作確認してNブレーキ位置へ戻した後、直予備ブレーキを一旦引いて、押してからブレーキ圧力を確認する。前照灯スイッチON・尾灯スイッチOFFにしてから方向幕・前照灯点灯・尾灯消灯を確認し、戸閉操作へ移行する。
発車サイン音が鳴り次第、車両の扉とホーム柵を閉める。車両の扉とホーム柵が閉まったことを確認したら、出発指示合図表示器の指差確認喚呼をした後、ATO出発ボタンを押して列車を出発させる。
ATO出発ボタンを2個同時に押すと出発できるが、出発ボタンを1つずつ押した場合はエラーが発生する。「戸閉」は車両の扉とホーム柵が閉まったら点灯、続いて「可動柵開」が消灯後、列車出発後すぐに「戸閉保安」「断流器入」「非常ユルメ」「母線引通」「ATO」が点灯する。ATO出発ボタンを2個同時に押してブレーキを緩解してから出発まで時間がかかる。
駅でホーム柵に手や物を入れて支障物センサーの赤外線が反応すると、全列車に自動ブレーキがかかり、列車が駅到着前の列車はトンネル出る付近でブレーキがかかり、トンネルを出る付近で停止、それ以外は駅かまたはトンネルの中で指令から解除が出るまで停止する。
ATCからの制限速度信号とATO運転モード切換スイッチの条件から、目標速度を設定し、力行とブレーキ操作を行い列車を運転する。
走行中は必要に応じて惰行制御を行い、無駄な力行操作を抑制する。また、駅間に曲線部があり、減速を必要とする場合には車両側にある駅間走行パターンに基づき、事前に減速操作を行うことで乗り心地の低下を防止する。
地上子からの地点情報を元に、車上パターンを発生させ、所定停止位置に停止させる。停止を検知すると列車の転動を防止するため、常用ブレーキを出力し、転動防止ブレーキをかける。
特にATO運転時には頻繁なノッチ操作を行うと乗り心地が低下してしまうため、力行ノッチ・常用ブレーキ操作は手動運転時よりもステップ分割を行うようにした車両が大多数である。
日本で初めてATOを設置したのは、名古屋市営地下鉄東山線の名古屋 - 栄町間で、1960年(昭和35年)10月21日に本格的にテストを開始したが、1962年(昭和37年)5月に終了した。同年から帝都高速度交通営団(営団地下鉄、現在の東京地下鉄)日比谷線でも長期にわたって試験が行われたが、2編成のみのあくまでも限定的な導入であった。その後も大阪市営地下鉄千日前線や都営地下鉄三田線で試験が行われたものの、いずれも当時は実用化されなかった(三田線は2000年〈平成12年〉、千日前線は2014年〈平成26年〉、東山線は2015年〈平成27年〉、日比谷線は2020年〈令和2年〉に導入)。催事会場内の輸送ではあるが、1970年(昭和45年)の日本万国博覧会においてのモノレールが世界初の実用運転とされている。
地下鉄での営業列車への全面採用は、1976年(昭和51年)6月10日に開業した札幌市営地下鉄東西線(車掌も乗務)で、西28丁目駅と西車両基地の間では無人自動回送運転も行われていた。1982年(昭和57年)3月21日に白石駅 - 新さっぽろ駅間 (7.4km) の延伸開業に伴い、ひばりが丘駅と東車両基地の間も当初から無人自動回送運転に対応している。1990年(平成2年)頃、同線に於いて当時の主流だった6000形の営業車両に限りATOによる自動運転を終了しており、2008年9月1日に現在の主流である8000形でATOによる自動運転を開始するまでの約18年間は営業列車は手動運転(ATC)、ひばりが丘駅と東車両基地の出入庫線のみ無人自動回送運転となっていた。次いで神戸市営地下鉄西神線で1977年(昭和52年)から採用している。
その後は、1981年(昭和56年)に開業した福岡市地下鉄空港線をはじめ、ワンマン運転を実施する路線において、乗務員の負担軽減のためにATOを採用する事例が増えた。さらに、旅客の安全対策としてホームドア(或いはホームゲート)が設置されるケースが相次いでいることに伴い、これらを採用した路線では、駅停車時にホームドア(ホームゲート)と車両のドアの位置を正確に合わせる必要があるため、ATOを採用する事例が増えている。
なお、ATOを採用した路線においても、地下鉄等在来型の鉄道においては、緊急時における運転士の技能低下を防止するため、1日数回、または一定時間に限り、手動運転を実施している路線が多い。
一方、1981年(昭和56年)に開業した神戸新交通ポートアイランド線(ポートライナー)をはじめとする新交通システムは、一部の例外を除き、無人運転を前提として設計されており、監視要員が乗務する路線・区間はあるものの、手動運転訓練や自動運転が継続できなくなった場合を除き、手動運転が行われることはない。
また、北九州高速鉄道小倉線のように、ATOを採用しながら、後に取りやめて全て手動運転(ATC)に切り替えた例も存在する。
2010年代後半から、JRの地上在来線で一般的なATSを用いた自動運転の研究が開始されており、JR九州では2019年(令和元年)12月下旬 - 2020年(令和2年)2月中旬(予定)に、香椎線 西戸崎 - 香椎間においてATS-DK形を使用した走行試験を開始した。
神戸新交通ポートアイランド線(ポートライナー)(安全確認のため始発のみ乗務員が同乗する)
神戸新交通六甲アイランド線(六甲ライナー)(安全確認のため始発のみ乗務員が同乗する)
Osaka Metro南港ポートタウン線(ニュートラム)(ごく稀に平日朝ラッシュ時等に乗務員の運転訓練のため手動運転)
ゆりかもめ東京臨海新交通臨海線(ゆりかもめ)(早朝・深夜時間帯やハンドル訓練時は乗務員が同乗し手動運転を実施)
横浜シーサイドライン金沢シーサイドライン(ごく稀にハンドル訓練のため手動運転)
令和元年6月1日20時15分頃発生した新杉田駅逆走事故以降、しばらくの間は全列車において終日手動運転を行なっていた。
東京都交通局日暮里・舎人ライナー(ごく稀に平日朝ラッシュ時等に乗務員の運転訓練のため手動運転)
舞浜リゾートラインディズニーリゾートライン(完全な無人運転を行うのは入庫時と出庫時のみであり、それ以外はコンダクター(車掌)のみが乗務し、ドア扱い・発車合図を行う)
ウイングシャトル(関西国際空港内の旅客輸送施設。国土交通省管轄の鉄道には含まれない)
愛知高速交通東部丘陵線(リニモ)(藤が丘 - はなみずき通間の地下区間の車内監視・前方確認のためだけに乗務員が同乗するが、ごくまれに教習生が教官と一緒に運転することがある。)
札幌市営地下鉄東西線(東車両基地 - ひばりが丘間の出入庫線のみ)
東西線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転 1976年6月 - 1990年頃、2008年9月 -)
南北線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転 2012年6月-)
東豊線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転 2016年7月-)
南北線(毎日各運転士1回のみ手動運転を実施)
東西線(毎月各運転士1回以上手動運転を実施)
丸ノ内線(毎日各運転士1回手動運転訓練(通称ハンドル訓練)を実施)
日比谷線(営団3000系の3編成を営業運転に用いた試験の後、自動運転装置を撤去し、長期に渡り手動運転を実施していたが、2020年に復活、本導入、車掌乗務。)
千代田線  (一部車両除く・毎日各運転士1回手動運転訓練(通称ハンドル訓練)を実施、車掌乗務。)
南北線(毎日各運転士1回手動運転訓練(通称ハンドル訓練)を実施)
三田線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転)
大江戸線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転)
多摩都市モノレール線(毎日各運転士1回のみ手動運転を実施)
(計画)東海道新幹線(2028年予定)
つくばエクスプレス(毎日各運転士1回のみ手動運転を実施、最高運転速度は日本ATO区間最速の127km/h・将来160km/h)
埼玉高速鉄道線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転)
ブルーライン・グリーンライン(週1回の各運転士の訓練時や回送電車運転時に手動運転)
東西線(各運転士の判断により手動運転を実施)
(計画)烏丸線 (新型車両20系の導入と、既存車両(10系第10編成以降と、近鉄車両)の改造により、令和10年度までの運用開始を目指している)
千日前線(回送車及び手動のハンドル研修時は手動運転モードに切り替え、それ以外の全列車は運転モードをATOに設定)
西神・山手線・北神線(平日10-17時・土休日11-17時は手動運転)
海岸線(各運転士あたり週に1度程度手動運転)
空港線・箱崎線(ごくまれにハンドル訓練のため手動運転)
七隈線(将来の無人運転に対応しているが、当面は全列車運転士が乗務。ごくまれにハンドル訓練のために手動運転)
都市高速鉄道(ラピッド・トランジット、メトロ)
シンガポールのMRT全線(昔はMRT北東線、MRT環状線のみ)
香港の地下鉄 (MTR) の迪士尼線
パリの地下鉄(メトロ)1号線、14号線
サンフランシスコのバート(ドアの開閉、車内放送などを行う乗務員が乗務する。運転士の乗務しない鉄道では最速の130 km/h運転を行う)
新盆唐線(ただし、運転士資格をもった乗務員が同乗する)
釜山交通公社4号線(ゴムタイヤ式鉄道)
中量軌道システム(鉄輪式鉄道)
ロンドンのドックランズ・ライト・レイルウェイ (DLR)
リール、トゥールーズ、レンヌのメトロ
香港の鉄路 (MTR) 各線(迪士尼線は除く)
台北捷運の各線(文山線、内湖線は除く)
ソウル交通公社5~8号線
2019年 - 金沢シーサイドライン新杉田駅逆走事故。原因は、ケーブルの断線によるもの。
2021年 - マレーシア、ラピドKLクラナ・ジャヤ線で発生した正面衝突事故。