JP5055955B2 - 鉄道車両用伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、列車内の制御，表示装置間でデータの送受信を行うネットワーク上での鉄道車両用伝送装置に係わり、特に車両間での通信信頼性を向上するのに好適な鉄道車両用伝送装置に関する。

運転制御のための情報や、乗客への情報提供のための表示情報等を通信するため、列車内には種々の通信装置が利用されている。異なる情報ごとに信号線を敷設すると信号線の量が増大するため、〔特許文献１〕に記載のように、ネットワーク化して配線を削減している。

又、列車内をネットワーク化する場合に、車両間を接続する線として通信専用線を使用すると、高価なものとなり自動連結が難しいため、従来の引き通し線が用いられる。伝送速度が高速となると通信周波数も高くなるため、引き通し線の減衰増加やノイズ混入が問題となる。このため、〔特許文献２〕に記載のように、車両内の通信信号電圧より車両間の信号電圧レベルを上げて通信する例もある。

又、複数の車両が接続されて１編成列車となるが、車両の連結，切り離し時にもスムーズなネットワーク構築が可能なように、〔特許文献３〕に記載のように、情報の通信方向を制御可能な伝送中継器が検討されている。

特許第３７３００８０号公報 特許第３７２０３２６号公報 特開２００５−１６８１２６号公報

列車運転制御，乗客サービスの高機能化に伴い通信すべき情報量は増加しており、〔特許文献１〕に記載のように、ネットワーク化して配線を削減する必要がある。車両内の通信線は同軸ケーブルや光ケーブルも敷設可能ではあるが、車両連結部にこれらのケーブルを使用するのはコスト，作業性の面で困難である。そこで、〔特許文献２〕に記載のように、列車で利用されている引き通し線を通信線として使用する場合には、信号減衰を補償するため信号電圧を大きくする方法もあるが、通信線以外に複数の引き通し線が束ねられており他の線に干渉してノイズとなる可能性があるという問題がある。

また、〔特許文献３〕に記載のように、車両間を伝送中継器にて伝送する場合に、伝送プロトコルとして広く普及しているイーサネット（登録商標）を採用すると、ＣＤＭＡ／ＣＤ(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) 方式であるためデータ衝突の監視が必要であり、引き通し線では減衰が大きくノイズの混入も有るため、衝突検出が困難であるという問題がある。すなわち、列車内の通信として使われるイーサネットやＲＳ４２２は、デジタルデータを信号電圧に変換して通信するベースバンド通信である。電圧レベルによりデータの０または１を判定するためノイズや車両間の信号線連結部からの反射や信号減衰の周波数特性による波形歪により、データを誤判定する恐れがある。

本発明の目的は、列車内で情報ネットワークを構築する場合に問題となる車両間の信号減衰，ノイズに対して、高い通信性能を有する鉄道車両用伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の鉄道車両用伝送装置は、デジタルデータを特定の周波数で変調して送信し、受信側では上記周波数で復調しているものである。又、変調方式としてＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）を採用し、反射や減衰の大きな周波数領域を避けて通信することにより通信安定性を向上できる。

又、隣接する伝送装置との１対１通信で行い、その送信タイミングは相手の送信終了後に実施するピンポン伝送であり、送信すべきデータが存在しない場合にも交互に送信するようにしたものである。

又、車両内ネットワークの伝送フレームを、他の車両のネットワークに接続された端末に送る場合にのみ、伝送フレームを変調して隣接する伝送装置に送信するようにしたものである。

本発明によれば、１対１通信で、データを変調して送信しているため、信号減衰やノイズに対して強く、列車間の車両間の信号線である引き通し線においても通信の安定性を向上できる。又、車両間伝送時にデータ衝突が発生しないので、待ち時間が少なく、効率的な伝送が可能であり、車両の分離，連結にも容易に対応可能である。

本発明の一実施例を図１から図４を用いて説明する。図１は、本実施例の鉄道車両用伝送装置の構成を示している。

図１に示すように、制御装置，センサ，表示装置等である端末２は、ＬＡＮ通信線６によりハブ１と接続されており、１つの車両５内でネットワークが構成される。ハブ１は、ＬＡＮ通信線６を介して中継装置３に接続され、中継装置３は隣接の車両の中継装置３と引き通し線４で接続されている。

車両５ａの端末２ａから端末２ｂにデータを伝送する場合は、ハブ１ａを介して伝送される。端末２ａから他の車両５ｂの端末２ｄに伝送する場合は、ハブ１ａ，中継装置３ａ，中継装置３ｂ，ハブ１ｂを介して伝送される。各端末間の伝送には、イーサネットや
ＲＳ４２２等の広く普及されている通信プロトコルが採用されるが、中継装置３間の伝送は、１対１通信により、ハブ１からの通信フレームデータを変復調して行う。

図２は、本実施例の中継装置の構成図である。ＬＡＮ通信線６には、ＩＦ回路７（インターフェイス回路７の略）が接続され、ＩＦ回路７には、アドレス選択受信バッファ８と送信バッファ１７が接続されている。アドレス選択受信バッファ８には変調器９，切替回路１１，送信アンプ１２が順次接続され、送信バッファ１７には、復調器１６，受信アンプ１４が順次接続されている。切替回路１１には、メモリ１０，変調器９及び復調器１６に接続された送受信制御回路１８が接続されている。送受信制御回路１８は、同期検出回路１５を介して復調器１６と受信アンプ１４との間に接続線に接続されている。送信アンプ１２及び受信アンプ１４は、結合器１３に接続されている。

このように構成された中継装置３で、車両間の端末２間で通信を行う場合について説明する。

端末２からハブ１，ＬＡＮ通信線６を介して伝送される通信フレームデータは、ハブ１を介して中継装置３のＩＦ回路７により受信される。受信データはアドレス選択受信バッファ８により識別され、受信データの宛先アドレスから中継すべきデータと判断されればアドレス選択受信バッファ８に格納される。

図３は、本実施例のＬＡＮ通信線６上の通信フレーム、及び引き通し線４上の通信フレームの構成図である。

図３の（ｂ）で示す通信フレーム構成が、ＬＡＮ通信線６上のフレーム構成を示しており、通信制御情報であるヘッダと端末で使用するデータを送受信するペイロードで構成されている。ヘッダは、図３の（ａ）に示すように送信アドレス，宛先アドレス及びフレームの長さを示す情報などが格納されている。宛先アドレス情報を用いて中継装置３のアドレス選択受信バッファ８では、中継装置３で伝送すべきデータであるか否かを判断する。

図３の（ｃ）で示す通信フレーム構成が、引き通し線４上の通信フレーム構成を示しており、ヘッダの前に変調通信時にデータの先頭を示す同期信号が付加された構成となっている。１対１通信であるため、ヘッダ情報には宛先アドレスは不要で、送信アドレス及びフレーム長さの情報が格納されている。

アドレス選択受信バッファ８に格納された受信データは、送受信制御回路１８により切替回路１１が制御され、メモリ１０に記憶されている同期信号を切替回路１１，送信アンプ１２，結合器１３，引き通し線４を介して隣接車両の中継装置３に送信し、次に送受信制御回路１８で生成したヘッダ情報を変調器９で変調し、切替回路１１を切替えて変調されたヘッダ情報を切替回路１１，送信アンプ１２，結合器１３，引き通し線４を介して隣接車両の中継装置３に送信する。最後にアドレス選択受信バッファ８に格納された受信データを変調器９で変調し、切替回路１１を切替えて特定の周波数に変調された受信データを切替回路１１，送信アンプ１２，結合器１３，引き通し線４を介して隣接車両の中継装置３に送信する。

隣接車両の中継装置３から引き通し線４を介してデータを受信する場合には、結合器
１３，受信アンプ１４を介して受信される信号を同期検出回路１５で同期信号が含まれていないか検出する。同期信号を検出した場合には、送受信制御回路１８に通知し、同期信号に続いて順次ヘッダ及びデータ等の変調された信号が受信されるため、復調器１６にて復調し送信バッファ１７にデータを出力する。ＩＦ回路７は、送信バッファ１７記憶されているデータを適宜なタイミングにてＬＡＮ通信線６に送信する。

このように、中継装置３では、ＬＡＮ通信線６にて伝送される通信フレームデータを変復調して伝送するため、ノイズや信号減衰に対して通信エラーの発生する確率が低下し、信頼性を向上できる。変調方式に、シングルキャリアを適用することで信頼性を向上できるが、マルチキャリ方式であるＯＦＤＭ変調を適用すると、広い周波数帯域を用いてデータを通信ができるため、次のような効果がある。第１点目は、周波数帯域幅が広いために、単位周波数当たりの送信電圧を低く出来、他の機器への電磁的な干渉を低減できる。第２点目は、安定した通信が可能となる。すなわち、引き通し線は車両間の連結部ではコネクタにより接続されているため、この接続部分のインピーダンスが異なり、反射減衰が発生する恐れがあるが、ＯＦＤＭでは帯域内の複数キャリアにデータを割当て送信するので、特定のキャリアの信号が反射減衰によって減衰した場合は、そのキャリアにデータを割当てるのを避けることが可能であり、反射減衰の影響を受けず安定した通信が可能となる。

図４は、中継装置間の変調された信号の送信状況を模式的に示した図であり、同期信号やヘッダの上に記載している符号３ａ，３ｂは、それらのデータが送信された中継装置を示す。図４に示すように、中継装置３ａ，３ｂからは、交互に同期信号，ヘッダ情報を送信する。送信時に送信すべきデータが存在しない場合には、ペイロードが無く同期信号及びヘッダのみを送信する。この場合にはヘッダの長さを０にすることで、受信側の中継装置はペイロードが存在しないことを知ることが出来る。

イーサネット等で採用されているＣＤＭＡ／ＣＤは、送信データが発生した時点で送信する方式であるが、この場合には両方の中継装置で同時に送信した場合にはデータが衝突し通信できなくなる恐れがあるため、送信前に他の装置が送信していないことを確認（キャリアセンス）し、さらに送信したデータが衝突していないかを常に監視する必要がある。一定期間キャリアセンスする必要があるため、送信の間の休止期間が長くなり効率が低下する。又、引き通し線では減衰が大きいため、受信信号レベルが低下すると、送信側で送信信号と受信信号の検出が困難であり、従来方式では衝突を見逃す恐れがある。

これに対して、本実施例では、交互に伝送するため、キャリアセンスの必要が無く、休止期間を短く出来、効率が向上する。

図１に示す例を用いて、車両５ｃが駅などで切り離された場合の動作について説明する。

図１では、３台の車両を連結した例を示しており、中央の車両の中継装置３ｂは左右の車両の中継装置３ａと中継装置３ｃに接続されている。中継装置３ｃと中継装置３ｄは、図４に示すように、ハブ１からの送信データが存在しない場合にでも、交互に送信している。

このような状態で、車両５ｃが切り離されると、中継装置３ａには中継装置３ｄからのデータが受信されないため、中継装置３ａは中継装置３ｄが切り離されたか、あるいは故障して送信できない状態であることを知ることができる。このように送信データの有無に拠らず中継装置間で交互に送信しているので、車両が切り離された場合でも相手側の中継装置の存在，状態を知ることが出来る。

又、設定された期間経過後に相手側の中継装置からデータが送信されない場合に、再度、中継装置３ａから送信するようにすることにより、車両５ｃが連結された場合には、中継装置３ｄからの送信があるため、中継装置３ａは連結されたことを知ることが出来る。なお、連結される車両が新たな車両であっても、本実施例の中継装置は１対１通信で送信アドレスに関係なく受信しているため、問題なく通信することができる。

以上、本実施例によれば、隣接する中継装置は１対１通信で、交互に送信し、相手側からの送信が設定された期間内にない場合に再び送信するため、車両の連結，切り離しに容易に対応できる。

又、車両内での通信はハブを介したスター型ネットワーク構成であり、中継装置がハブに接続される例で説明したが、図５や図６に示すように車両内のネットワーク構成がバス型，リング型であってもよく、ネットワークに中継装置を接続することにより、列車全体のネットワーク化を容易に構成できる。

本実施例では、デジタルデータを特定の周波数で変調して送信し、受信側では上記周波数で復調するためノイズに対する影響を軽減できる。又、変調方式としてＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）を採用し、反射や減衰の大きな周波数領域を避けて通信することにより通信安定性を向上できる。ＯＦＤＭでは送信スペクトルは周波数に対して平坦であるため、ベースバンド通信の信号電圧を昇圧して送信する従来方式に比べ、周波数当たりの送信電圧を小さく出来るため、他の信号線への干渉を軽減できる。

又、隣接する伝送装置との１対１通信であり、その送信タイミングは相手の送信終了後に実施するピンポン伝送であり、送信すべきデータが存在しない場合にも交互に送信する。このため、データの衝突は発生せず、車両内ネットワークの伝送フレームを変調して隣接する伝送装置に送信する場合には、最短の待ち時間により通信することが出来る。

又、車両内ネットワークの伝送フレームを、他の車両のネットワークに接続された端末に送る場合にのみ、伝送フレームを変調して隣接する伝送装置に送信するため、伝送装置間で不要なデータを送受信することが無いため、伝送路の利用効率が高い。又、隣接する伝送装置との１対１通信であるため、複数車両の分割，連結に対しては、容易に対応できる。

本発明の鉄道車両用伝送装置は、ネットワーク間の伝送路の減衰が大きくノイズ混入がある場合に、ネットワーク間を中継する用途に応用することが可能である。

本発明の一実施例である鉄道車両用伝送装置の構成図。 本実施例の中継装置の構成図。 本実施例のＬＡＮ通信線上の通信フレーム、及び引き通し線上の通信フレームの構成図。 本実施例の中継装置間の変調された信号の送信状況を模式的に示した図。 本実施例の車両内ネットワークにバス型を用いる鉄道車両用伝送装置の構成図。 本実施例の車両内ネットワークにバス型を用いる鉄道車両用伝送装置の構成図。

符号の説明

１ ハブ
２ 端末
３ 中継装置
４ 引き通し線
５ 車両
６ ＬＡＮ通信線
７ ＩＦ回路
８ アドレス選択受信バッファ
９ 変調器
１０ メモリ
１１ 切替回路
１２ 送信アンプ
１３ 結合器
１４ 受信アンプ
１５ 同期検出回路
１６ 復調器
１７ 送信バッファ
１８ 送受信制御回路

Claims (7)

1. 連結された複数車両のそれぞれに設置された中継装置と、
   該中継装置とネットワークを介して接続された各車両内の端末と、
   隣接する車両間の中継装置を接続する引き通し線とを備え、
   前記中継装置は、ヘッダの後ろに付加されるデータであって、前記車両内の端末からの中継すべきデータを通信信号に含むか否かに係わらず、
   隣接する車両に搭載された中継装置との間で１対１通信によって前記通信信号を交互に送受信する鉄道車両用伝送装置。
2. 連結された複数車両のそれぞれに設置された中継装置と、
   該中継装置とネットワークを介して接続された各車両内の端末と、
   隣接する車両間の中継装置を接続する引き通し線とを備え、
   前記中継装置は、宛先アドレスを含むヘッダの後ろに付加されるデータであって、前記各車両内の端末で使用するデータを通信信号に含むか否かに係わらず、
   隣接する車両に搭載された中継装置との間で１対１通信によって前記通信信号を交互に送受信する鉄道車両用伝送装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の鉄道車両用伝送装置において、
   前記中継装置は、送信を行った前記隣接する車両に搭載された中継装置からの前記通信信号を設定された期間内に受信しない場合には再び送信することを特徴とする鉄道車両用伝送装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の鉄道車両用伝送装置において、
   前記通信信号は、少なくとも同期信号を含むことを特徴とする鉄道車両用伝送装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の鉄道車両用伝送装置において、
   前記中継装置は、前記通信信号を特定の周波数で変調して送信し、
   前記変調された通信信号を受信して復調することを特徴とする鉄道車両用伝送装置。
6. 請求項５に記載の鉄道車両用伝送装置において、
   前記変調がＯＦＤＭを含むマルチキャリア方式であることを特徴とする鉄道車両用伝送装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の鉄道車両用伝送装置において、
   前記中継装置は、受信した前記通信信号に含まれる宛先アドレスが前記中継装置のネットワークに接続された前記車両内の端末以外の場合にのみ前記通信信号を前記引き通し線で接続された中継装置へ送信することを特徴とする鉄道車両用伝送装置。

Images