JP6913649B2 - 電子装置、車上装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、車上装置、地上装置及び無線通信方法に関する。

列車制御システムは、列車の運転における危険な状態の発生を防止して、列車が安全に走行できるようにする。危険な状態の例として、列車の運転士の信号見落とし等がある。先行列車との間隔に応じて列車のブレーキを自動的に動作させて、列車を停止する自動列車制御(ATS:Automatic Train Stop)システムが知られている。また、自動的に速度を信号現示以下に減速させる自動列車制御(ATC:Automatic Train Control)システムが知られている。

これらの列車制御システムでは、定められた閉塞区間内には２台の列車が同時に存在しないように制御を行う固定閉塞に基づく速度制御が行われる。そのため、先行列車との運転間隔を、最短でも閉塞区間長以上としない限り、列車はそれより先には進めないようになっている。しかしながら、安全面から、閉塞区間長はブレーキ性能が最も悪い車両に合わせて決定される。このため、ブレーキ性能が良い車両にとっては、本来の性能を活かした運転が出来ない。近年、高速及び高密度運行に対する要求が高いが、固定閉塞に基づく列車制御システムでは、多様な車両性能に対応できず、運転間隔の短縮も出来ない。このため、高速・高密度運行の実現は困難である。

そこで、従来の固定閉塞に基づく列車制御システムに代わり、無線通信を用いた移動閉塞に基づく列車制御システムが提案されている。無線通信を用いた移動閉塞式列車制御システムでは、先行列車の位置や速度制限区間の存在などによって定まる停止(又は減速)限界情報を、地上装置から列車に無線通信を利用して伝送する。列車ではこの情報に基づいて、列車の車両性能や線路勾配を考慮して独自のブレーキパターンを作成し、この作成したブレーキパターンに基づいて自列車の速度制御を行う。そのため、先行列車との間隔を必要以上にとる必要がなくなる。このため、ATSやATCに比べ、一層の高速・高密度運行が期待される。

無線通信を用いた列車制御システムにおいて、車上装置と、軌道（線路等）に沿って配置される地上装置間の無線通信の通信品質の信頼性を高める方法として、複数のアンテナの中から一番受信状態の良いものを選択する選択ダイバーシチや、同一の情報(電文)を複数回送信する時間ダイバーシチを用いることが提案されている。しかしながら、選択ダイバーシチではアンテナ本数が多くなり、設置上の制約やコストの観点から、設置可能なアンテナ本数には限りがある。また、時間ダイバーシチでは、無線通信におけるトラフィック量増大に繋がってしまう。

特開平１０−２９７４８８号公報 国際公開第２０１４／０４５８０６号

本発明の実施形態は、車上装置と地上装置との間で行われる無線通信の誤りに対するロバスト性を高める、車上装置、地上装置及び無線通信方法を提供する。

本発明の実施形態としての車上装置は、車両に搭載される車上装置であって、少なくとも１つの指向性可変アンテナと、演算部と、制御部と、車両無線部とを備える。前記演算部は、前記車両の走行位置を取得する。前記制御部は、通信対象となる地上装置の設置位置と、取得した前記走行位置とに基づき、前記指向性可変アンテナのアンテナパターンを決定する。前記車両無線部は、前記決定されたアンテナパターンを設定した前記指向性可変アンテナを介して、前記走行位置を含む車両情報を送信する、又は前記地上装置から車両制御情報を受信する。

本発明の実施形態の列車制御システムの全体ブロック図。 本発明の実施形態の地上装置及び車上装置のブロック図。 本発明の実施形態の車上装置が保持するデータベースの一例を示す図。 本発明の実施形態の車上装置が決定するアンテナパターンの例を示す図。 本発明の実施形態の車上装置が保持するデータベースの他の例を示す図。 複数のアンテナが、互いに異なる車両に設置された例を示す図。 車上装置が次の受信時の列車の走行位置を特定する例を示す図。 車上装置が送信タイミング時の列車の走行位置を算出する例を示す図。 本発明の実施形態の列車制御システムの処理の一例のフローチャート。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１に、本発明の実施形態の列車制御システムの全体ブロック図を示す。図１の列車制御システムは、複数の地上装置１２と、線路等の軌道１３を走行する列車に装備された車上装置１１とを備える。列車は１両又は複数の車両の連結により構成される。本実施形態では制御対象として列車の場合を扱うが、自動車など、他の車両に対しても同様の実施が可能である。また、制御対象は地上を移動する車両に限らず、ドローンなどの地上以外を移動する車両に対しても同様の実施が可能である。

軌道１３に沿って、複数の地上装置１２が配置されている。地上装置１２は例えば地面に立てられたポールの上部に設置されている。地上装置１２は、通信ネットワーク１６を介して、拠点装置２０１に接続されている。通信ネットワーク１６は、一例として有線ネットワークであるが、無線ネットワークでもよい。拠点装置２０１は、複数の地上装置１２の管理、並びに各列車の制御及び監視を行う。軌道１３上では、列車１５が、紙面に沿って左方向（前方方向）に走行している。列車１５には列車のブレーキ制御を行う車上装置１１が搭載されている。地上装置１２はアンテナ１２４を備え、車上装置１１はアンテナ１１７を備える。車上装置１１と地上装置１２はアンテナ１１７及びアンテナ１２４を介して、互いに情報をやりとりする。情報のやりとりには、任意の無線通信方式を用いることができる。本実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）が用いられる。つまり、各列車の車上装置１１や、各地上装置１２は、アクセス制御方式としてＣＳＭＡ／ＣＡ（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ／Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）方式に従って送信権を獲得した後に、情報を送信する。この場合、一例として、地上装置１２はアクセスポイント（ＡＰ）として動作し、車上装置１１はステーション（ＳＴＡ）として動作する。

図２に、車上装置１１と、地上装置１２とのブロック図を示す。ここでは地上装置１２を１台のみ示しているが、他の地上装置１２も同じ構成を有する。車上装置１１も１台のみ示しているが、他の列車の車上装置１１も同じ構成を有する。

地上装置１２は、地上無線部１２１、在線管理部１２２、減速限界情報算出部１２３、アンテナ１２４、及びアンテナパターン制御部（制御部）１２５を備える。複数の地上装置１２における在線管理部１２２や減速限界情報算出部１２３の機能を拠点装置２０１に集約し、複数の地上装置１２における在線管理部１２２や減速限界情報算出部１２３を省略する構成も可能である。

車上装置１１は、演算部１１２、アンテナパターン制御部（制御部）１１３、車両無線部１１４、速度照査パターン生成部１１５、速度照査部１１６、アンテナ１１７、データベース（ＤＢ）１１８を備える。列車の車輪には速度発電機１１１が結合されている。

車上装置１１のアンテナ１１７は指向性可変なアンテナである。アンテナ１１７の本数は、１本でも複数本でも構わない。また、送信用アンテナと受信用アンテナと別々に構成されていても良いし、送受信共通のアンテナとして構成されていても良い。

アンテナパターン制御部１１３は、アンテナ１１７のアンテナパターンを制御する。アンテナパターン制御部１１３は、指向性の複数のアンテナパターンの中から最適又は好適なアンテナパターンを選択し、選択したアンテナパターンにて情報を送受信できるようにアンテナ１１７を制御する。

指向性可変アンテナの構成は、どのような構成でもかまわない。一例として、導体基板に複数のスロットを形成し、各スロットを短絡するかを切り換える複数のスイッチ素子を設けることによりアンテナを構成してもよい。例えばスロットが矩形の場合に、矩形のスロットの互いに対向する長辺間をスイッチ素子で接続する。スイッチ素子のオン・オフの組合せにより、アンテナの指向性を可変にできる。スロットを短絡とは、例えばスイッチをオンにすることで、スロットの互いに対向する長辺間を、スロットを介して接続することである。ここで述べた指向性可変アンテナの構成は一例に過ぎず、他の構成でもよい。

速度発電機１１１は車輪の回転数を検出し、速度パルスを生成する。

車上装置１１の演算部１１２は、速度発電機１１１から速度パルスを受信し、自列車の走行速度と、自列車の走行位置とを一定時間間隔で演算により算出する。ここでは自列車の走行速度と、自列車の走行位置との両方を算出しているが、走行位置のみを算出する構成も可能である。なお、走行速度と走行位置を算出する方法は速度発電機１１１を用いた方法に限らない。例えばＧＰＳを利用して算出するものであっても良い。軌道１３上に設置されている地上子を用いて、定期的に走行位置を補正してもよい。車輪の空転等により、速度発電機１１１からの速度パルスのみでは走行位置の誤差が生じる場合も、地上子を用いた補正を行うことで、高精度に走行位置を算出できる。このように演算部１１２は、速度発電機１１１又はＧＰＳなどを用いた任意の方法により、列車の走行位置、走行速度又はこれらの両方を取得する。

車両無線部１１４は、演算部１１２で得られた走行位置・走行速度の情報と、自列車の詳細情報とを含む列車情報（車両情報）を生成する。自列車の詳細情報の例として、車両長、アンテナ設置位置、列車の識別情報などがあるが、これらに限定されない。ここでは、情報の形式として、フレームを特定のフォーマットで生成する。車両無線部１１４は、生成したフレームに、変調処理、Ｄ／Ａ変換、及び所定周波数帯への周波数変換など必要な処理を施して無線信号を生成する。フレームの宛先アドレスはブロードキャストアドレス又はマルチキャストアドレスでもよいし、通信対象となる地上装置１２を特定できる場合は、ユニキャストアドレス（地上装置１２のＭＡＣアドレス）を用いてもよい。送信元アドレスは車上装置１１のＭＡＣアドレスである。車両無線部１１４は、生成した無線信号を、アンテナ１１７を介して地上装置１２へ送信する。アンテナパターン制御部１１３は、地上装置１２へ送信の都度、最適又は好適なアンテナパターンを選択し、車両無線部１１４は、選択されたアンテナパターンで無線信号を送信する。アンテナパターンの選択方法に関しては、後述する。

車両無線部１１４が地上装置１２へ列車情報又はフレームを送信するサイクル周期（例えば１秒毎、１０秒毎、１分毎など）は、システムとして事前に設定されている。各列車はこのサイクル周期に従い、情報を地上装置１２へ送信する。地上装置１２が状況に応じてサイクル周期を設定し、設定したサイクル周期を各列車に通知することで、サイクル周期を変更出来るようにしても良い。また、車上装置１１が自ら状況に応じてサイクル周期を都度変更して送信しても良い。

地上装置１２のアンテナ１２４は、車上装置１１と同様、指向性可変なアンテナである。アンテナ１２４の構成は、車上装置１１のアンテナ１１７と同様であるため説明を省略する。

地上装置１２のアンテナパターン制御部１２５は、アンテナ１２４のアンテナパターンを制御する。アンテナパターン制御部１２５は、一例として、指向性を有する複数のアンテナパターンの中から最適又は好適なアンテナパターンを選択し、選択したアンテナパターンにて情報を送受信できるようにアンテナ１２４を制御する。アンテナパターンの選択方法に関しては後述する。

地上装置１２の地上無線部１２１は、軌道１３に存在する各列車の車上装置１１からそれぞれ定められた周期で送信される無線信号を、アンテナ１２４を介して受信する。地上無線部１２１は、受信した無線信号に対して、ベースバンドへの周波数変換、及びＡ／Ｄ変換等の必要な処理を施した後、復調処理を行う。これにより、各列車の列車情報（走行位置・走行速度の情報など）を得る。地上無線部１２１は、各列車の列車情報を、在線管理部１２２に提供する。

地上装置１２の在線管理部１２２は、軌道１３上に存在している各列車の位置を管理（列車追跡）している。在線管理部１２２は、地上無線部１２１から各列車の新たな列車情報（走行位置・走行速度の情報等）を受け取る度に、該列車に関する走行位置・走行速度の情報等を更新する。

地上装置１２の減速限界情報算出部１２３は、各列車からの信号（走行位置・走行速度の情報等）を受け取るごとに、該列車に対する減速目標速度と、その減速目標速度に達するまでに許容する減速目標位置もしくは減速目標距離を算出する。以降、減速目標速度と、減速目標位置もしくは減速目標距離とを合わせて、“減速限界情報”と呼ぶ。

具体的には、減速限界情報算出部１２３は、対象となる列車について、在線管理部１２２で管理している先行列車の最後尾位置と、該対象となる列車の位置ならびに速度制限値などに基づき、該対象となる列車が少なくともどの位置（地点）までに、減速目標速度に達する必要があるかを演算することにより、減速限界情報を算出する。減速目標速度には、しばしば０ｋｍ／ｈが用いられる。

減速限界情報は、列車の速度を制御するための列車制御情報（車両制御情報）の一例である。本実施形態では列車の速度を制御するために減速限界情報を用いるが、列車制御情報は、その他の情報でもかまわない。例えば、列車制御情報は、列車に対する減速目標速度と、その減速目標速度に達するまでに許容される時間とを表した情報でもよい。

地上装置１２の地上無線部１２１は、減速限界情報算出部１２３で算出された減速限界情報を含むフレームを特定のフォーマットで生成する。地上無線部１２１は、生成したフレームに、変調処理、Ｄ／Ａ変換及び所定周波数帯への周波数変換など必要な処理を施して無線信号を生成し、生成した無線信号を、アンテナ１２４を介して、該列車へ送信する。アンテナパターン制御部１２５は、各列車の車上装置１１へ送信の都度、最適又は好適なアンテナパターンを選択し、地上無線部１２１は、選択されたアンテナパターンで無線信号を送信する。アンテナパターンの選択方法に関しては、後述する。このように、地上装置１２では、各列車の車上装置１１との間で、それぞれサイクル周期毎に、列車情報（走行位置・走行速度の情報など）の受信と、減速限界情報の送信とを繰り返すことになる。

車上装置１１は、地上装置１２に対して列車情報（走行位置・走行速度の情報など）を送信した後、アンテナ１１７及び車両無線部１１４を介して、地上装置１２から自列車の減速限界情報を受信する。なお、車上装置１１では、アンテナパターン制御部１１３により選択される最適又は好適なアンテナパターンで、地上装置１２からの信号を受信する。アンテナパターンの選択方法に関して、後述する。

車上装置１１の速度照査パターン生成部１１５は、自列車の車両性能（例えばブレーキ性能）を考慮して、地上装置１２から通知された減速目標位置を超えずに減速目標速度まで速度を低下させる制御（減速制御）を行うための速度照査パターンを作成する。速度照査パターンは、減速目標位置までに段階的に減速目標速度まで速度を低下させるための速度の制御パターンである。速度照査パターンは、一例として、減速目標位置までの残り距離と、その時点での許容される上限速度とを対応づけたグラフとして構成される。残り距離が短くなるほど、許容される上限速度も低くなる。あるいは、速度照査パターンは、目標位置までの区間を複数に分割し、各分割した位置ごとに段階的に低下する速度（それ時点で許容される上限速度）を定めたものとして構成してもよい。速度照査パターン生成部１１５は、自列車の車両性能以外に、走行路線の区間毎の勾配などを含んだデータベースを追加で用いて、速度照査パターンを算出しても良い。これにより、精度の高い速度照査パターンの作成が可能となる。

速度照査部１１６は、作成された速度照査パターンと、自列車の現在の走行位置及び走行速度とに基づき、走行速度が速度照査パターンで許容される速度（上限速度）を超えているかを判断する。このような判断を行うことを速度照査と呼ぶ。速度照査パターンで許容される速度を越えている場合には、速度照査部１１６は、図示しないブレーキ制御部へブレーキ指令を出力する。ブレーキ指令に従って、ブレーキ制御部によりブレーキ制御が行われる。

速度照査パターンに従ってブレーキ制御を行うことで、各列車では減速目標位置を越えずに（すなわち減速目標位置に達するまでに）、減速目標速度まで速度を低下させる速度制御が可能となる。

本実施形態では車上装置１１が速度照査パターンを算出しているが、地上装置１２が各列車の速度照査パターンを算出してもよい。この場合、地上装置１２に各列車の車両性能を記憶する記憶部と速度照査パターン生成部とを設け、速度照査パターン生成部が、各列車の車両性能を利用して、各列車の速度照査パターンを算出する。地上装置１２は、算出した各速度照査パターンを、各列車の車上装置１１に無線送信する。各列車の車上装置１１の車両無線部１１４は、地上装置１２から受信した速度照査パターンに基づき速度照査を行う。

このように、各列車について、定められたサイクル周期毎に、各列車の走行位置に基づいて速度照査パターンを更新し、更新されたブレーキパターンに従って速度制御を行う。

（車上装置１１におけるアンテナパターン制御）
次に、車上装置１１におけるアンテナ１１７のアンテナパターン制御について記載する。基本的に、アンテナパターン制御部１１３は、演算部１１２で算出される自列車の走行位置に応じてアンテナパターンを決定する。より具体的には、自列車の走行位置から、通信を行う地上装置１２の方向に最もアンテナ利得が高いアンテナパターン（すなわち指向性の方向が最も地上装置１２の方向にマッチするアンテナパターン）を決定する。列車の走行位置は時間に応じて変化するため、その時々で適切なアンテナパターンを選択する。以下、アンテナパターン制御部１１３でのアンテナパターンの決定方法について、より詳細に記載する。

データベース１１８は、アンテナパターンを決定するために必要な情報を保持している。一例として、データベース１１８は、軌道１３に沿って配置される各地上装置１２の設置位置の情報を保持する。図３にデータベース１１８の一例を示す。地上装置１、地上装置２、・・・地上装置ｎに対してそれぞれの位置（ａ，ｂ）、（ｃ，ｄ）、（ｙ，ｚ）が保持されている。ここでは位置は２次元によって表されているが、高さを考慮して、３次元によって表してもよい。データベース１１８への情報の格納は、出荷時など事前に行っても良いし、車上装置１１が各地上装置１２からそれぞれの設置位置の情報を受信し、受信した設置位置の情報を、データベース１１８に格納してもよい。また、他の方法によって各地上装置１２の設置位置の情報を取得し、取得した設置位置の情報をデータベース１１８に格納しても構わない。

車上装置１１のアンテナパターン制御部１１３は、保持している各地上装置の設置位置と自列車の走行位置とから、通信を行う対象の地上装置１２を特定し、該地上装置１２の方向に直接最も高い利得が得られるアンテナパターンを決定する。通信を行う対象の地上装置１２は、例えば走行位置から最も距離が近い地上装置である。あるいは、走行位置ごとに事前に通信対象となる地上装置を定義したデータベースを用意し、走行位置とデータベースとに基づき、通信対象となる地上装置を特定してもよい。

図４にアンテナパターン選択の具体例を示す。図４（ａ）は、列車が地上装置１２の真横を走行している例を示す。車上装置１１のアンテナパターン制御部１１３は、このタイミング（走行位置）で地上装置１２との通信に用いるアンテナパターンを、自列車の走行位置と、地上装置１２の設置位置との関係に基づき決定する。具体的には、車上装置１１は、複数のアンテナパターンの中から地上装置１２に対する指向性が最も高いアンテナパターンを選択する。ここでは、図に示すアンテナパターン３０１が選択されている。

アンテナパターン制御部１１３は、アンテナ１１７のアンテナパターンを、選択したアンテナパターン３０１に切替える。車両無線部１１４は、切り替え後のアンテナパターンで、地上装置１２と送受信（列車情報の送信や、減速限界情報の受信など）を行う。

図４（ｂ）は、地上装置１２が列車の斜め後ろに位置する場合を示す。車上装置１１は、図４（ａ）の場合と同様にして、地上装置１２に対する指向性が最も高いアンテナパターンを選択する。ここでは、図に示すアンテナパターン３０２が選択されている。車上装置１１は、アンテナ１１７のアンテナパターンを、選択したアンテナパターン３０２に切り替える。車上装置１１は、切り替え後のアンテナパターン３０２で、地上装置１２と送受信を行う。

このように、車上装置１１は、自列車の走行位置と、データベース１１８で保持している地上装置１２の位置との位置関係により、通信の都度、アンテナパターンを切り替える。これにより、地上装置１２の方向に最もアンテナ利得が高いアンテナパターンで通信できる。

変形例として、各地上装置の設置位置から、各走行位置に応じたアンテナパターンを事前に算出して、各走行位置に対応したアンテナパターンをデータベース１１８に保持しておいてもよい。車上装置１１は、このデータベース１１８を用いて、走行位置からアンテナパターンを決定してもよい。

図５は、各走行位置に対応してアンテナパターンを保持するデータベース１１８の例を示す。走行位置ａ、走行位置ｂ、・・・、走行位置ｚに対して、それぞれ最も高いアンテナ利得が得られるアンテナパターン１、アンテナパターン２及びアンテナパターンｎが保持されている。アンテナパターン制御部１１３は、地上装置１２と通信する際、自列車の走行位置に対応するアンテナパターンをデータベース１１８から選択する。具体的な動作例として、自列車の走行位置に一致もしくは最も近い走行位置を選択し、選択した走行位置に対応するアンテナパターンを選択する。

アンテナ１１７の本数が複数の場合、アンテナ１１７が前方車両と後方車両に搭載されていてもよい。

図６に、２本のアンテナ１１７が前方車両と後方車両に搭載された例を示す。この例では、前方車両は、先頭車両であり、後方車両は最後尾の車両である。ただし、前方車両はでも先頭より後の車両（例えば２両目の車両）でもよく、後方車両は最後尾の車両より前の車両（例えば最後尾から２両目の車両）でもよい。前方車両と後方車両にアンテナ１１７が設置される場合、アンテナパターン制御部１１３は、前方車両と後方車両に設置された各アンテナ１１７のアンテナパターンを制御する。アンテナパターン制御部１１３は、両アンテナ１１７が設置された場所を表す情報を予め保持している。この情報がアンテナパターン制御部１１３からアクセス可能なメモリ等の記憶部に格納されていてもよいし、アンテナパターン制御部１１３の内部バッファに格納されていてもよい。車両無線部１１４は各アンテナ１１７から信号が入出力されるように共通に設けられていてもよいし、各アンテナの配置に合わせて、前方車両と後方車両のそれぞれに車両無線部１１４が搭載されていてもよい。

アンテナパターン制御部１１３は、演算部１１２で得られた列車の走行位置の情報に基づき、両アンテナ１１７の位置（走行位置）を特定する。アンテナパターン制御部１１３は、特定した両アンテナ１１７の位置（走行位置）に応じて、上記に述べたポリシーにより各アンテナのアンテナパターンを決定する。前方車両と後方車両のアンテナ１１７は地上装置１２との位置関係がそれぞれ異なるため、適用するアンテナパターンも互いに異なる場合もある。特に、車両長が長く、前方車両と後方車両の間隔が大きい場合などは、このようなケースが発生し易い。また、前方車両と後方車両以外の箇所にもアンテナ１１７が設置されてもよい。この場合も、同様の考えで、各アンテナのアンテナパターンを制御できる。

また、アンテナ１１７が１カ所にのみ設置される場合であっても、演算部１１２で算出する走行位置と、アンテナ１１７の設置位置とが大きく異なる場合には、列車の走行位置を、アンテナ１１７の設置位置に応じて補正し、補正後の走行位置に基づき、アンテナパターンの決定を行えばよい。例えば走行位置を速度発電機１１１の位置又は先頭車両を基準として算出し、アンテナ１１７が後方車両に配置されている場合などがある。

（アンテナパターン制御の変形例）
［１］基本的には、上記の通り、地上装置１２の方向に最も指向性の高い（アンテナ利得が高い）アンテナパターンを選択することで、通信性能が最も向上する。しかしながら、電波の反射等により、必ずしも地上装置１２の方向に最も指向性が高いアンテナパターンが、最も良い特性になるとは限らない。そのため、事前にサーベイ評価により、各走行位置で最も特性の良くなるアンテナパターンを測定により特定し、特定したパターンを各走行位置に対応づけてデータベースに保持しておく。アンテナパターン制御部１１３は、このデータベースから、走行位置に応じたアンテナパターンを選択する。例えば、現在の走行位置と同じもしくは最も近い走行位置に対応するアンテナパターンを、データベースから選択する。

［２］また、通勤ラッシュ時又は昼間の時間帯など運行時間によって人の混雑具合が異なり、それによって無線電波環境（電波の反射状況）も異なってくる場所もある。例えば、駅ホーム周辺などがこれに該当する。また入学シーズンや夏休みといった運行時期によっても無線電波環境が変わる可能性もある。さらに、晴天か雨天かといった気象によって無線電波環境が変わる可能性もある。そのため、運行条件（運行時間帯、運行時期、気象など）ごとに、上記［１］で記載したデータベースを複数用意してもよい。この場合、運行条件に応じて、使用するデータベースを切り替えればよい。

［３］自列車の走行位置と、地上装置１２の設置位置の位置関係とからアンテナパターンを決定する場合（図３参照）においても、地上装置１２の方向に最もアンテナ利得が高くなるアンテナパターンが最も特性が良くなるアンテナパターンになるとは限らない。そこで、評価サーベイにより、座標関係（走行位置と設置位置）と、最も特性が良くなるアンテナパターンと、運行条件との組をサンプルとして取得する。複数のサンプルから、座標関係と運行条件とを入力パラメータとし、最も特性が良くなるアンテナパターンを出力するモデルを機械学習等により生成する。生成したモデルを用いてアンテナパターンを決定する。モデルは、重回帰モデルでも、ニューラルネットワークでも、決定木など、何でも良い。

［４］アンテナパターン制御部１１３は、地上装置１２から送信される無線信号を受信した際の受信電力又はパケット誤り率などの通信品質情報に応じて、次回以降に同一位置又は同一範囲（例えば予め軌道を複数の区間に分割した場合の同じ区間）内の位置を走行時に適用するアンテナパターンを補正する方法も可能である。例えば、受信電力値が閾値を下回る場合には、指向性の方向が一定量隣（時計方向又は反時計方向）にずれたアンテナパターンを、上記の方法で選択したアンテナパターンを補正することで得るなど、事前にルールを作成しておき、このルールに従ってアンテナパターンを補正することができる。なお、通信品質情報は、受信電力及びパケット誤り率に限られず、通信品質に関連する情報であれば何でもよい。

車上装置１１は、地上装置１２に対して送信した情報に対する通信品質情報をフィードバックしてもらい、フィードバックされた通信品質情報も用いて、アンテナパターンの補正を行うことも可能である。通信品質情報のフィードバックは、例えば、地上装置１２が車上装置１１に情報（例えば減速限界情報）をフィードバックする際に、これと併せて行ってもよい。

（地上装置１２におけるアンテナパターン制御）
地上装置１２におけるアンテナ１２４のアンテナパターン制御について記載する。列車の走行位置と地上装置１２との位置関係に応じて、アンテナパターンを決定するという基本的な動作は、車上装置１１と同じである。大きく異なる点として、車上装置１１では、演算部１１２により自列車の走行位置を把握しているのに対し、地上装置１２では各列車が随時移動するため、各列車の走行位置を通知してもらう必要があることがある。したがって、地上装置１２のアンテナパターン制御部１２５では、自地上装置１２の設置位置と、各列車から通知される走行位置とに応じて、各列車の方向に最も高い利得が得られるアンテナパターンを決定し、決定したアンテナパターンをアンテナ１２４に適用して、各列車との無線通信（送受信）を行う。

車上装置１１と同様に、列車の走行位置に応じて、予め最適又は好適なアンテナパターンをデータベース（図５参照）により保持しておいてもよい。また、各列車の運行条件（例えば、運行時間、運行時期、気象など）や、各列車の車上装置からの通信品質（例えば受信電力やパケット誤り率）に応じて、アンテナパターンの補正を行うことも、車上装置１１の場合と同様に可能である。また、通信品質に応じてアンテナパターンの補正を行う際、ある列車との通信における通信品質を、次以降の同一の列車又は他の列車が同一位置又は同一範囲（例えば予め軌道を複数の区間に分割した場合の同じ区間）内の位置を走行するときの通信に利用するアンテナパターンを補正するために用いることも可能である。

アンテナパターン制御部１２５は、上述の通り、車上装置１１からの車両情報に基づき、列車の走行位置を特定し、アンテナパターンを決定する。このため、車上装置１１からの車両情報を受信する際は、（該情報の受信前のため）まだ列車の走行位置を特定できない。したがって、該車両情報を受信する際に、どのアンテナパターンを用いて良いかが決定出来ない。そのため、アンテナパターン制御部１２５は、前回に受信した列車の車両情報に対し、列車の走行速度を用いて、次の車両情報の受信時までに列車が移動（進行）する距離を算出する。そして算出した距離を、現在の位置に加算することで、次の受信時における列車の走行位置を特定することも可能である。これにより、次の受信時におけるアンテナパターンを決定することが可能となる。図７に、地上装置１２が次の受信時における列車の走行位置を特定する例を示す。受信（Ｓ０１）から次の受信（Ｓ０２）までに、列車が距離Ｄ１だけ移動している。地上装置１２は、この距離Ｄ１を、列車から受信した車両情報に含まれる走行位置と、列車の走行速度とから算出する。当該走行位置に距離Ｄ１を加算しすることで、次の受信時の列車の走行位置を特定する。

別の方法として、前回に受信した列車の車両情報から次の受信時の列車の走行位置を予測し、予測した走行位置と、地上装置１２の設置位置との関係からアンテナパターンを決定しても構わない。例えば、評価サーベイにより、前回の受信時の走行位置と、次の受信時の走行位置との組をサンプルとして取得する。複数のサンプルから、前回の受信時の走行位置を入力とし、次の走行位置を出力するモデルを生成する。このモデルを用いて次の受信時の走行位置を予測する。モデルの例としては、前述した各種のものがある。

地上装置１２から情報を送信する際は、直前に受信した車両情報が示す走行位置から列車はある程度距離を進んでいる。そのため、車上装置１１からの通知された列車の走行位置と、列車に対して送信するタイミング時の列車の（最新の）走行位置とは異なる。そのため、地上装置１２は、列車の走行速度を用いて、車両情報の受信タイミングから、上記の送信タイミングまでに列車が移動する距離を算出し、算出した距離に基づき、送信タイミング時の列車の走行位置を特定してもよい。これにより、地上装置１２は、送信に用いるアンテナパターンを、より精度よく決定できる。なお、地上装置１２は、列車の走行速度を、車上装置１１から走行速度を含む車両情報を受信することで把握してもよいし、車上装置１１から通知される複数の走行位置の差分から、列車の走行速度を算出してもよい。図８に、車上装置１１が送信タイミング時の列車の走行位置を算出する例を示す。受信（Ｓ１１）から送信（Ｓ１２）までに、列車が距離Ｄ２だけ移動している。地上装置１２は、この距離Ｄ２を、列車から受信（Ｓ１２）した車両情報に含まれる走行位置と、列車の走行速度とから算出する。そして、当該走行位置に距離Ｄ２を加算して、送信タイミング時の列車の走行位置を算出する。

また、車上装置１１は、地上装置１２に送信する列車情報に、アンテナ１１７が列車のどこに設置されているかを表すアンテナ設置位置の情報を含めてもよい。アンテナ設置位置の情報は、アンテナ１１７の設置位置が一意に特定出来る情報であれば、どのようなものであっても構わない。例えば「先頭車両」のような車両を特定する情報でもよいし、座標などで具体的な位置を特定する情報でもよいし、先頭車両の先頭位置から「〜ｍ」のように基準点から距離を表す情報でもよい。ここで述べた以外の方法でアンテナの位置を特定してもよい。これにより地上装置１２は、列車の走行位置のみでなく、列車におけるアンテナの設置位置を把握できる。よって、列車の走行位置と、アンテナの設置位置とが一致しない場合も、アンテナの位置（走行位置）を正確に把握して、アンテナパターンを適切に決定出来る。例えば、列車の走行位置が速度発電機１１１の位置に対応し、アンテナが後方車両に配置されている場合は、列車の走行位置と、アンテナの設置位置とが一致しないが、上記の方法によりアンテナの位置（走行位置）を特定できるため、最適又は好適なアンテナパターンを決定できる。また、複数のアンテナ１１７が異なる車両に設置されている場合も、各アンテナのアンテナ設置位置の情報から、各アンテナの位置（走行位置）を把握できるため、アンテナごとに適したアンテナパターンを決定できる。

地上装置１２のアンテナ１２４は、各車上装置１１へ送信する場合のみ指向性可変のアンテナパターンにし、車上装置１１から受信する際は、通常のオムニパターン（全方位パターン）としてもよい。この場合、アンテナ１２４は、送信アンテナと受信アンテナとして別に配置及び設計してもよいし、送信と受信とで共通のアンテナを用い、アンテナパターン制御方法を送信と受信とで切り換えてもよい。無線ＬＡＮでは、アクセス方式としてＣＳＭＡ／ＣＡが用いられ、いわゆるランダムアクセス制御となるため、各車上装置１１からどのタイミングで送信されるか分からない。そのため、地上装置１２としては、どの列車からどのタイミングで送信されても受信できるように、オムニパターンを適用して受信待ち受けを行う。

ただし、ＣＳＭＡ／ＣＡのようなランダムアクセスに基づく通信方式を用いる場合でも、各地上装置１２の通信対象となる列車が瞬時的には必ず１台のみであり、通信対象の列車を特定できる場合もある。その場合は、アンテナパターン制御部１２５は、対象の列車の走行位置に応じて、該列車に対して指向性のアンテナパターンを適用して、信号を受信することができる。

図９に、本発明の実施形態に係る列車制御システムにおける車上装置１１と地上装置１２の処理の一例のフローチャートを示す。図９に示すフローは、各列車でそれぞれサイクル周期毎に開始される。

車上装置１１内の演算部１１２は、速度発電機１１１から速度パルスを受信し、自列車の速度（走行速度）と、自列車の走行位置とを演算により算出する（Ｓ２１）。

車両無線部１１４は、演算部１１２で得られた走行位置・走行速度の情報と、自列車の詳細情報とを含む列車情報を、アンテナ１１７を介して地上装置１２へ送信する（Ｓ２２）。この際、アンテナパターン制御部１１３により最適又は好適なアンテナパターンを選択し、選択したパターンをアンテナ１１７に設定する。選択方法として、前述した各種のポリシーを用いることができる。

地上装置１２の地上無線部１２１は、軌道１３を走行している各列車の車上装置１１から、アンテナ１２４を介して、列車情報（走行位置・走行速度の情報や、自列車の詳細情報など）を受信する（Ｓ２３）。地上装置１２において、受信の際、オムニパターンをアンテナ１２４に設定してもよいし、通信対象となる列車を特定出来る場合は、列車に対する指向性を有するアンテナパターンを適用することも可能である。地上無線部１２１は、各列車の列車情報（走行位置・走行速度の情報等）を、在線管理部１２２に提供する。在線管理部１２２は、内部で管理している各列車の走行位置・走行速度の情報等を、提供された列車情報に基づき更新する。

地上装置１２の減速限界情報算出部１２３は、各列車からの列車情報（走行位置・走行速度の情報等）を受け取るごとに、減速限界情報を算出する（Ｓ２４）。減速限界情報は、上述したように、減速目標速度と、減速目標位置もしくは減速目標距離とを意味する。

地上装置１２の地上無線部１２１は、減速限界情報算出部１２３で得られた減速限界情報を含む列車制御情報（車両制御情報）を、アンテナ１２４を介して、該列車へ送信する（Ｓ２５）。この際、アンテナパターン制御部１２５により最適又は好適なアンテナパターンを選択し、選択したパターンをアンテナ１２４に設定する。選択方法として、前述した各種のポリシーを用いることができる。

車上装置１１は、地上装置１２に対しステップＳ２２で列車情報（走行位置・走行速度の情報等）を送信した後、アンテナ１１７及び車両無線部１１４を介して、自列車の列車制御情報（減速限界情報）を受信する（Ｓ２６）。この際、車上装置１１では、アンテナパターン制御部１１３により選択される最適又は好適なアンテナパターンをアンテナ１１７に設定する。

車上装置１１の速度照査パターン生成部１１５は、自列車の車両性能（例えばブレーキ性能）に基づき地上装置１２から通知された減速目標位置を超えずに減速目標速度まで速度を低下させる制御（減速制御）を行うための速度照査パターンを作成する（Ｓ２７）。

速度照査部１１６は、作成された速度照査パターンと、自列車の現在走行位置及び速度とに基づき、列車速度が速度照査パターンで示される速度を超えているかを判断（速度照査）する。越えている場合には、速度照査部１１６は、図示しないブレーキ制御部へブレーキ指令を出力する。ブレーキ指令に従って、ブレーキ制御部によりブレーキ制御が行われる（Ｓ２８）。

以上のように、本発明の実施形態では、移動する列車の走行位置を高精度に特定し、指向性のアンテナパターンを用いて通信することで、移動する列車の車上装置と、地上装置との間の無線通信の信頼性を向上させることが可能となる。また、本発明の実施形態は、関連技術の複数のアンテナを用いた選択ダイバーシチ、又は複数回のデータ送信を行う時間ダイバーシチ手法とも組み合わせることが可能である。その場合、更なる信頼性の向上を図ることもできる。

本発明の実施形態では列車制御システムを例に説明したが、車両と地上装置間の無線通信を伴うものであれば、列車制御以外の用途・システムに対しても本発明の実施が可能である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１：車上装置
１２：地上装置
１３：軌道
１５：列車（車両）
１６：通信ネットワーク
１１１：速度発電機
１１２：演算部
１１３：アンテナパターン制御部
１１４：車両無線部
１１５：速度照査パターン生成部
１１６：速度照査部
１１７：アンテナ
１１８：データベース
１２１：地上無線部
１２２：在線管理部
１２３：減速限界情報算出部
１２４：アンテナ
１２５：アンテナパターン制御部
２０１：拠点装置

Claims (19)

1. 移動体に設けられる電子装置であって、
   前記移動体の第１位置に設けられた第１指向性可変アンテナと、
   前記移動体の前記第１位置と異なる第２位置に設けられた第２指向性可変アンテナと、
   前記移動体の移動位置を取得し、前記移動位置と前記第１位置とに基づき、通信対象となる地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置を決定し、前記移動位置と前記第２位置とに基づき前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置を決定する演算部と、
   前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第１指向性可変アンテナの第１アンテナパターンを決定し、
   前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第２指向性可変アンテナの第２アンテナパターンを決定する、制御部と、
   前記第１指向性可変アンテナの前記第１アンテナパターンと、前記第２指向性可変アンテナの前記第２アンテナパターンとを少なくとも部分的に同時に用いて、前記移動位置を含む位置情報を送信する、又は前記地上装置から前記移動体を制御する制御情報を受信する、無線部と、
   を備えた電子装置。
2. 複数の位置と、複数のアンテナパターンとを対応づけたデータベースを備え、
   前記制御部は、前記第１指向性可変アンテナ及び前記第２指向性可変アンテナの少なくとも一方に対して、取得した前記移動位置に対応するアンテナパターンを前記データベースから選択し、選択したアンテナパターンを前記第１アンテナパターン又は前記第２アンテナパターンとする
   請求項１に記載の電子装置。
3. 前記制御部は、複数のアンテナパターンのうち、最もアンテナ利得が高くなるアンテナパターンを前記第１アンテナパターン又は前記第２アンテナパターンとして選択する 請求項１又は２に記載の電子装置。
4. 前記制御部は、移動体の運行条件に基づいて、前記選択したアンテナパターンを別のアンテナパターンに補正する
   請求項３に記載の電子装置。
5. 前記運行条件は、前記移動体の運行時間、運行時期及び気象のうち少なくとも１つに関する条件である
   請求項４に記載の電子装置。
6. 前記第１アンテナパターン又は前記第２アンテナパターンで前記地上装置と行った送信、受信、又はこれらの両方の通信品質情報を取得し、前記移動位置と同一範囲内の位置又は同一の移動位置に対して、前記通信品質情報を用いて前記第１指向性可変アンテナ又は前記第２指向性可変アンテナのアンテナパターンを決定する
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電子装置。
7. 車両に設けられる車上装置であって、
   前記車両の第１位置に設けられた第１指向性可変アンテナと、
   前記車両の前記第１位置と異なる第２位置に設けられた第２指向性可変アンテナと、
   前記車両の走行位置を取得し、前記走行位置と前記第１位置とに基づき、通信対象となる地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置を決定し、前記走行位置と前記第２位置とに基づき前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置を決定する演算部と、
   前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第１指向性可変アンテナの第１アンテナパターンを決定し、
   前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第２指向性可変アンテナの第２アンテナパターンを決定する、制御部と、
   前記第１指向性可変アンテナの前記第１アンテナパターンと、前記第２指向性可変アンテナの前記第２アンテナパターンとを少なくとも部分的に同時に用いて、前記走行位置を含む車両情報を送信する、又は前記地上装置から前記車両を制御する制御情報を受信する、無線部と、
   を備え、
   前記車両は、複数の車両を含む列車であり、
   前記第１指向性可変アンテナ及び前記第２指向性可変アンテナは、前記列車の異なる車両に設置されている
   車上装置。
8. 移動体に設けられた電子装置と無線通信可能な地上装置であって、
   少なくとも１つの指向性可変アンテナと、
   前記指向性可変アンテナを介して、前記電子装置から、前記移動体の移動位置に応じて定まるものであって、前記移動体における第１位置に設けられた第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置と、前記移動体における前記第１位置と異なる第２位置に設けられた第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置とを含む位置情報を受信する地上無線部と、
   前記第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置と、前記第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置と、前記地上装置の設置位置とに基づいて、前記指向性可変アンテナのアンテナパターンを決定する制御部と、を備え、
   前記地上無線部は、前記制御部により決定された前記指向性可変アンテナの前記アンテナパターンを用いて、前記電子装置から前記位置情報を受信、又は前記電子装置に前記移動体を制御する制御情報を送信する
   地上装置。
9. 複数の位置と、複数のアンテナパターンとを対応づけたデータベースを備え、
   前記制御部は、前記第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置及び前記第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置に対応するアンテナパターンを前記データベースから選択し、選択したアンテナパターンを前記指向性可変アンテナのアンテナパターンに決定する
   請求項８に記載の地上装置。
10. 前記制御部は、複数のアンテナパターンのうち、最もアンテナ利得が高くなるアンテナパターンを選択する
    請求項８又は９に記載の地上装置。
11. 前記制御部は、前記移動体の運行条件に基づいて、前記選択したアンテナパターンを別のアンテナパターンに補正する
    請求項１０に記載の地上装置。
12. 前記運行条件は、前記移動体の運行時間、運行時期及び気象のうち少なくとも１つに関する条件である
    請求項１１に記載の地上装置。
13. 前記決定したアンテナパターンで前記移動体と行った送信、受信又はこれらの両方の通信品質情報を取得し、前記移動位置と同一範囲内の位置又は同一の移動位置に対して前記アンテナパターンを決定する場合に、前記通信品質情報を用いて前記アンテナパターンの決定を行う
    請求項８ないし１２のいずれか一項に記載の地上装置。
14. 前記制御部は、前記移動位置と、前記移動体の移動速度とに基づき、前記電子装置から次に前記位置情報が送信されるまでに前記移動体が移動する距離を算出し、
    前記制御部は、算出した距離と、前記移動位置とに基づき、前記電子装置から次に前記位置情報が送信される位置を算出し、算出した位置に応じた前記第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置及び前記第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置に基づき、前記アンテナパターンを決定する
    請求項８ないし１３のいずれか一項に記載の地上装置。
15. 前記制御部は、前記移動位置と、前記移動体の走行速度とに基づき、前記制御情報を送信するまでに前記移動体が移動する距離を算出し、
    前記制御部は、算出した距離と、前記移動位置に基づき、前記制御情報を送信するときの前記移動体の位置を算出し、算出した位置に応じた前記第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置及び前記第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置に基づき、前記アンテナパターンを決定する
    請求項８ないし１３いずれか一項に記載の地上装置。
16. 前記位置情報は、前記移動体の移動速度を含む
    請求項１４ないし１５のいずれか一項に記載の地上装置。
17. 移動体に設けられた電子装置によって実行される無線通信方法であって、
    前記移動体の移動位置を取得し、
    前記移動体の移動位置を取得し、前記移動位置と前記移動体において第１指向性可変アンテナが設けられた第１位置とに基づき、通信対象となる地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置を決定し、前記移動位置と前記移動体において第２指向性可変アンテナが設けられた第２位置とに基づき前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置を決定し、前記第２位置は前記第１位置と異なり、
    前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第１指向性可変アンテナの第１アンテナパターンを決定し、
    前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第２指向性可変アンテナの第２アンテナパターンを決定し、
    前記第１指向性可変アンテナの前記第１アンテナパターンと、前記第２指向性可変アンテナの前記第２アンテナパターンとを少なくとも部分的に同時に用いて、前記移動位置を含む位置情報を送信する、又は前記地上装置から前記移動体を制御する制御情報を受信する
    無線通信方法。
18. 車両に設けられる車上装置により実行される無線通信方法であって、
    前記車両の走行位置を取得し、
    前記走行位置と、前記車両において第１指向性可変アンテナが設けられた第１位置とに基づいて、通信対象となる地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置を決定し、
    前記走行位置と、前記車両において第２指向性可変アンテナが設けられた第２位置とに基づいて、前記地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置を決定し、、前記第２位置は前記第１位置と異なり、
    前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第１指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第１指向性可変アンテナの第１アンテナパターンを決定し、
    前記地上装置の設置位置と、前記地上装置に対する前記第２指向性可変アンテナの位置とに基づいて、前記第２指向性可変アンテナの第２アンテナパターンを決定する、制御部と、
    前記第１指向性可変アンテナの前記第１アンテナパターンと、前記第２指向性可変アンテナの前記第２アンテナパターンとを少なくとも部分的に同時に用いて、前記走行位置を含む車両情報を送信、又は前記地上装置から前記車両を制御する制御情報を受信し、前記車両は、複数の車両を含む列車であり、
    前記第１指向性可変アンテナ及び前記第２指向性可変アンテナは、前記列車の異なる車両に設置されている
    無線通信方法。
19. 移動体に設けられた電子装置と無線通信可能な地上装置によって実行される無線通信方法であって、
    少なくとも１つの指向性可変アンテナを介して、前記電子装置から、前記移動体の移動位置に応じて定まるものであって、前記移動体における第１位置に設けられた第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置と、前記移動体における第２位置に設けられた第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置とを含む位置情報を受信し、前記第２位置は前記第１位置と異なり、
    前記第１指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置及び前記第２指向性可変アンテナの前記地上装置に対する位置と、前記地上装置の設置位置とに基づいて、前記指向性可変アンテナのアンテナパターンを決定し、
    決定された前記指向性可変アンテナの前記アンテナパターンを用いて、前記電子装置から前記位置情報を受信、又は前記電子装置に前記移動体を制御する制御情報を送信する、
    無線通信方法。

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