自動列車制御

日本のATCキャブ信号表示器

自動列車制御（ATC ）は、鉄道における列車保護システムの一般的な分類であり、外部入力に応じて速度を制御するメカニズムを備えています。例えば、運転士が危険信号に反応しない場合、システムは緊急ブレーキをかけます。ATCシステムは、様々な車内信号技術を統合する傾向があり、従来の自動列車停止（ATS）技術に見られるような固定停止ではなく、よりきめ細かい減速パターンを採用しています。ATCは自動列車運転（ATO）と併用することもでき、通常、鉄道システムにおいて 安全性が極めて重要な部分と考えられています。

これまで「自動列車制御装置（ATC）」と呼ばれる安全システムは数多く存在してきました。最初の実験装置は、 1906年1月にグレート・ウェスタン鉄道によってヘンリー支線に設置されました。[ 1 ] [ 2 ]しかし、現在では運転士がブレーキ操作を完全に制御していたため、自動警報装置（AWS）と呼ばれています。この用語は特に日本で広く使用されており、ATCは全ての新幹線路線、そして一部の在来線や地下鉄路線でATSの代替として使用されています。

アフリカ

南アフリカ

2017年、ファーウェイは自動列車防護システムへの通信サービス提供の一環としてGSM-Rの導入を請け負った。 [ 3 ]

アジア

日本

ATC-10表示器を装備した東急電鉄の列車が通常運行中
ORP （オーバーランプロテクター）が作動しているATCカバーエリアの端近くで、前述のATC-10インジケータ

日本では、自動列車制御装置（ATC）は新幹線などの高速列車向けに開発されたシステムです。新幹線などの高速列車は非常に高速で走行するため、運転士は沿線信号を確認する時間がほとんどありません。ATCシステムは、軌道回路上の特定の線路区間の制限速度に関する情報を含むAF信号を送信します。車内でこれらの信号を受信すると、列車の現在の速度が制限速度と比較され、列車の速度が速すぎる場合は自動的にブレーキがかけられます。列車が制限速度を下回るとすぐにブレーキが解除されます。このシステムは安全性が高く、運転士のミスによる衝突を防ぐことができるため、東京の山手線や一部の地下鉄路線など、利用者の多い路線にも導入されています。[ 4 ]

ATCは列車速度が制限速度を超えると自動的にブレーキをかけますが、駅に進入する際のモーター出力や停止位置を制御することはできません。一方、 自動列車運転システム（ATO）は、駅からの出発、駅間の速度、駅内での停止位置を自動制御できます。一部の地下鉄に導入されています。[ 4 ]

しかし、ATCには3つの欠点がある。第一に、ある速度制限でブレーキを解除してから次の低速制限でブレーキをかけるまでの空走時間のため、列車間隔を長くすることができない。第二に、列車が最高速度に達した時点でブレーキをかけるため、乗り心地が悪くなる。第三に、運行事業者が路線でより高速な列車を運行したい場合、まず関連する地上設備と車上設備をすべて変更する必要がある。[ 4 ]

アナログATC

0 シリーズの運転室にある速度計。速度計の上に ATC 運転室のライトが表示されている。

以下のアナログ システムが使用されています。

  • ATC-1：ATC-1は1964年から東海道新幹線と山陽新幹線で使用されています。東海道新幹線で使用されているシステムは、ATC-1A、山陽新幹線ではATC-1Bに分類されます。当初は線路脇の速度制限が0、30、70、110、160、210 km/h（0、19、43、68、99、130 mph）であったが、両路線への新型車両の導入に伴い、0、30、70、120、170、220、230、255、270、275、285、300 km/h（0、19、43、75、106、137、143、158、168、171、177、186 mph）に改良された。派生型にはATC-1DとATC-1Wがあり、後者は山陽新幹線でのみ使用されている。 2006年より、東海道新幹線のATC-1AシステムはATC-NSに置き換えられました。
  • ATC-2：東北、上越、長野の各新幹線で使用されており、0、30、70、110、160、210、240 km/h（0、19、43、68、99、130、149 mph）の線路側速度制限が設けられていました。近年、ATC-2はデジタルDS-ATCに置き換えられました。日本のATC-2システムは、スウェーデンとノルウェーで使用されているアンサルドL10000 ATCシステム（ATC-2とも呼ばれる）とは別物です。アンサルドL10000 ATCシステムは、ヨーロッパの他の地域で使用されているEBICAB 700および900 ATCシステムに類似しています。アナログATC信号は安全性が実証されていますが、閉塞区間における最高速度しか提供できません。速度信号は、750～1000Hzの一次周波数帯域と、1200Hz付近の二次周波数帯域で構成されています。FSK変調周波数とそれに対応する許容速度は、以下の表に示されています。
主要な

二次

12.0 Hz 16.5 Hz 21.0 Hz 27.0 Hz 32.0 Hz 38.5 Hz
10.0 Hz 時速240キロ 信号の切り替え 時速210キロ 時速0キロ
15.0 Hz 時速160キロ
22.0 Hz 時速110キロ
29.0 Hz 時速70キロ
36.0 Hz 時速30キロ
41.5 Hz 時速0キロ

ATC-2の大きな弱点は、帯域幅と変調方式の制限により、ブレーキ性能の異なる列車に異なる指示を出すことができないことです。ブレーキ性能の優れた列車は、早期に減速を指示される可能性があり、その結果、旧式列車が退役するまでの間、新型列車の優れた効率性と高性能が無駄になってしまいます。[ 5 ]

デジタルATC

E233系電車に搭載されているD-ATC表示器

デジタルATCシステムは、軌道回路を用いて区間内の列車の存在を検知し、軌道回路番号、前方の列車までの空区間（軌道回路）数、列車が到着するホームに関する情報を地上装置から列車へデジタルデータとして送信する。受信データは、列車の車上メモリに保存されている軌道回路番号データと比較され、前方の列車までの距離が算出される。車上メモリには、線路勾配、カーブやポイントにおける速度制限データも保存されている。これらのデータはすべて、ATCがサービスブレーキを制御して列車を停止させる際の判断材料となる。[ 4 ]

デジタルATCシステムでは、走行パターンに基づいてブレーキ曲線が決定され、列車が次の線路区間に入る前に停止します。列車がブレーキパターンに近づくと警報が鳴り、ブレーキパターンを超えるとブレーキが作動します。ブレーキは乗り心地を確保するために最初は軽く効き、その後、最適な減速度に達するまで強く効きます。列車の速度が制限速度を下回ると、ブレーキはさらに弱くなります。このようにブレーキ力を調整することで、乗り心地を確保しながら、ブレーキパターンに沿って減速することができます。[ 4 ]

通常のブレーキパターン以外にも緊急ブレーキパターンがあり、列車の速度がこの緊急ブレーキパターンを超えた場合、ATCシステムは緊急ブレーキをかける。[ 4 ]

デジタル ATC システムには、次のような多くの利点があります。

  • ワンステップブレーキ制御の採用により、中間速度制限段階でのブレーキ解除間の操作遅れによる空運転時間がなくなり、高密度運転が可能になります。
  • 地上機器から得られる前方列車までの距離情報に基づき、あらゆる車両に最適なブレーキパターンを自動生成できるため、早期減速を必要とせず、最適な速度で走行できます。これにより、同一線路上での急行列車、普通列車、貨物列車の混走運転を最適な速度で実現します。
  • 将来、より高速な列車を運行する場合でも、沿線のATC設備を変更する必要はない。[ 4 ]
  • 最新の DSP ソフトウェアおよびハードウェア テクノロジを活用した高速データ転送速度により、複数のデータをオンブロード コンピュータに転送できます。

中国国鉄のTVM430標準信号方式で使用されている復調システムを示すブロック図から、DSPシステムはバンドパスフィルタ、FFT、そしてスペクトル内のピークと高調波の探索で構成されていることがわかります。全体のフローは、データのサンプリング、ハミング窓の適用、FFT（高速フーリエ変換）、パワースペクトルの計算、そしてスペクトル全体の探索によって送信信号シーケンスを生成することから始まります。[ 6 ]

現在、以下のデジタル ATC システムが使用されています。

  • D-ATC ：東日本旅客鉄道（JR東日本）の一部路線の非高速路線で使用されています。デジタルATCの略です。従来のアナログATC技術との主な違いは、地上ベースの制御から列車ベースの制御への移行です。これにより、各列車の能力を反映したブレーキ制御が可能になり、快適性と安全性が向上します。また、速度を上げ、より密なダイヤを組めるため、日本の混雑した鉄道にとっては重要です。最初のD-ATCは、2003年12月21日に京浜東北線の鶴見駅から南浦和駅までの区間で、209系電車がD-ATCに対応できるように改造されたことで導入されました。山手線でも、2005年4月に旧型の205系車両がすべて新しいD-ATC対応のE231系電車に置き換えられたことで、D-ATCが導入されました。京浜東北線の残りの区間と根岸線にもD-ATCを導入する計画があり、車上および地上システムの改修が待たれています。2005年5月14日から運用されている都営新宿線のATCシステムは、D-ATCと非常によく似ています。2006年3月18日以降、東海道新幹線（ JR東海が所有する最初の新幹線）でもデジタルATCが導入され、従来のアナログATCシステムが置き換えられました。D-ATCは、 2007年1月初旬に開業した台湾高速鉄道向けに製造されたTHSR 700Tで使用されています。
  • DS-ATC：JR東日本が運営する新幹線路線で導入されている。Digital communication & control for Shinkansen-ATCの略。東北新幹線、北海道新幹線、上越新幹線、北陸新幹線で使用されている。DS-ATCは、直通軌道回路によって先行列車までの距離または速度制限の開始点と閉塞識別番号を含む列車メッセージを送信することにより、ATC-2の弱点を改善するように提案された。東北、北海道、上越、北陸新幹線の新しいシステムはDS-ATCと名付けられている。古いATCと比較して、DS-ATCは速度コマンドを列車の運転士に直接表示せず、車上のコンピュータが先行列車との距離、ブレーキ性能、勾配、位置、および指令所からのコマンドを評価します。

DS-ATCの信号伝送には、575Hzと625Hzの2つの搬送周波数とMSK変調が選択されます。線路の各閉塞区間には、列車の有無を検出し、変調信号を列車に送信するTDAT（列車検知・ATC信号送信機）が設置されています。送信機は列車の進行方向に向かって閉塞区間の端に設置され、受信機は反対側の端に設置されます。MSK信号は干渉に強く、帯域幅をほとんど必要としないため、送信される電報はMSK変調されます。同時に、TDATは閉塞区間の反対側で復調された送信信号と受信信号を比較することで列車の位置を検出します。

変調周波数は575±8Hzと625±8Hzであるため、主周波数チャネルと副周波数チャネルの両方の占有帯域幅は16Hzとなり、最大64bit/sのデータ伝送速度を実現します。TDATは軌道回路に信号を送り、列車は線路の磁界から誘導電流を発生させる一対のピックアップコイルで信号を受信します。列車に送信される電報は5種類あります。各電報の項目とシーケンス長は下表のとおりです。

タイプ アイテム 長さ（ビット）
1 ブロックセクションのエッジを識別するビットシーケンス 24
2 閉塞区間のID番号、制限速度、閉塞解除区間数など。 64
3 ブロックされていないセクションの数の増加 34
4 ブロックされていないセクションの数が減少しました 34
5 ブロック内の許容速度、長さ、平均勾配 44

例えば、5060Bを呼び出している列車が閉塞区間に入ると、タイプ1の電報を受信し、列車はその瞬間を閉塞区間の端と認識します。列車が閉塞区間に入ってから車載コンピュータがタイプ1の電報を復調するまでの時間遅延は、1990年代後半に新潟近郊で行われた試験走行に基づくガウス分布を示します。平均値と標準偏差はそれぞれ514msと29.2msであり、最高運行速度275km/hで走行する場合の平均端検出誤差は39.26mとなります。TDATは5060Bの閉塞区間への進入を検知すると、タイプ2の電報の送信を開始します。5060Bが閉塞区間を出る前は、閉塞解除区間の数が変化しない限り、TDATはタイプ2の電報を送信し続けます。

従来の信号機と比較したATCの課題は、牽引電流と雷雨です。牽引電流は架線から列車に供給され、線路を通って変電所に戻ります。つまり、線路には1000A程度の大きな交流電流が流れていることになります。高架線の場合、線路付近への落雷も電磁干渉（EMI）の発生源となります。これら2つは、軌道回路に大きな相互変調歪みを引き起こす可能性があります。

デジタル符号化ATCは信号検査車で容易に検査できます。DSPチップを搭載することで、ATC信号伝送を検査車で収集し、復調された時間領域信号を車内で保存・解析し、データベース内の理想電文と受信電文を比較することができます。[ 7 ]

  • RS-ATC：東北、北海道、北陸、上越新幹線でDS-ATCの代替として使用されています。RS-ATCは、他のATCが沿線に設置するビーコンやトランスポンダーとは異なり、無線信号を用いて列車の速度制限を制御するという点で、GSM -Rと原理的に類似しています。
  • ATC-NS：2006年から東海道新幹線で初めて導入されたATC-NS（ATC-New Systemの略）は、DS-ATCをベースとしたデジタルATCシステムです。台湾高速鉄道や山陽新幹線でも使用されています。
  • KS-ATC： 2004年から九州新幹線で使用されています。Kyōkyō Shinkansen-ATCの略です。

アタックス

ATACSはCBTCに似た移動閉塞ATCシステムで、鉄道総研が開発し、JR東日本が2011年に仙石線に初めて導入し、続いて2017年に埼京線[ 8 ]、2020年に小海線[ 9 ]に導入された。これは日本のETCSレベル3に相当すると考えられている。[ 10 ]

韓国

韓国のいくつかの地下鉄路線では ATC が使用されており、場合によっては ATO が強化されています。

釜山

全路線ATCを使用しています。全路線にATOが導入されています。

ソウル

1号線・2号線（MELCO車のみ）を除く全線でATCを採用しています。2号線（VVVF車）、5号線、6号線、7号線、8号線はATCシステムにATOが付加されています。

ヨーロッパ

デンマーク

デンマークのATCシステム（正式名称はZUB 123）は、近隣諸国のシステムとは異なっている。[ 11 ] 1978年から1987年まで、スウェーデンのATCシステムがデンマークで試験的に導入され、1986年から1988年にかけて、シーメンス設計の新しいATCシステムが導入された。1988年4月に発生したソロ鉄道事故を受けて、1990年代初頭以降、新しいシステムはデンマークの主要路線すべてに段階的に導入された。一部の列車（エーレスンドスタッグサービスで使用されている列車や一部のX 2000列車など）にはデンマークとスウェーデンの両方のシステムが搭載されているが、[ 11 ]その他の列車（ ICE-TD列車の10両など）にはデンマークとドイツの両方のシステムが搭載されている。 ZUB 123 システムは現在、デンマークの鉄道インフラ会社Banedanmarkによって時代遅れとみなされており、2030 年までにデンマークの鉄道網全体が ETCS レベル 2 に移行する予定です。

しかし、ZUB 123システムは、 1975年から2022年までHKT （da:Hastighedskontrol og togstop）と呼ばれる互換性のない別の安全システムが使用されていたコペンハーゲンSトレイン通勤ネットワークでは使用されていません。また、 2000年に導入されたはるかに簡素化されたATPシステムを使用するホーンベック線でも使用されていません。前述のシステムはすべて、2026年以降、現代的で世界的なCBTC信号規格に徐々に置き換えられています。[ 12 ]

ノルウェー

ノルウェー政府の鉄道インフラ機関であるBane NORは、スウェーデンのATCシステムを採用している。そのため、列車は通常、特別な改造をすることなく国境を越えることができる。 [ 13 ]しかし、スウェーデンとは異なり、ノルウェーで使用されているATCシステムは、赤信号を通過するたびに列車が停止することを保証する部分ATC（delvis ATC、DATC）と、赤信号の通過を防ぐだけでなく、列車が最高速度を超えないことを保証する完全ATC（FATC）を区別している。ノルウェーの鉄道路線では、DATCまたはFATCのいずれか一方を導入できるが、両方を同時に導入することはできない。

ノルウェーでは、信号無視（SPAD）によるトレッテン列車事故が4年前に発生した後、1979年にATCが初めて試験導入されました。DATCは1983年から1994年にかけてオスロS - ドンボース - トロンハイム - グロン区間で初めて導入され、FATCは1993年にオーフォート線で初めて導入されました。高速鉄道のガーデモエン線には、1998年の開通以来FATCが導入されています。 2000年にオースタ事故が発生した後、ローロス線でのDATCの導入が加速され、2001年に運用が開始されました。

スウェーデン

スウェーデンでは、ATCの開発は1960年代に始まり（ATC-1）、1980年代初頭に高速列車（ATC-2/アンサルドL10000）とともに正式に導入されました。[ 14 ] 2008年現在、鉄道インフラを担当するスウェーデン運輸局が管理する11,904kmの線路のうち9,831kmにATC-2が設置されています。[ 15 ]しかし、ATC-2は一般にERTMS / ETCSと互換性がないため（ERTMS/ETCSを排他的に使用するスウェーデン初の鉄道路線であるボスニア線の場合など）、Trafikverketでは今後数十年かけてATC-2をERTMS/ETCSに置き換えることを目指し、ATC-2とERTMS/ETCSを自動的に切り替える特殊伝送モジュール（STM）が開発されました。

イギリス

1906年、英国のグレート・ウェスタン鉄道は「自動列車制御（ATC）」として知られるシステムを開発しました。現代の用語では、 GWR ATCは自動警報システム（AWS）に分類されます。これは、走行レールの間、かつ走行レールよりも高い位置に、通電（または非通電）されたレールを配置する、間欠的な列車保護システムでした。このレールは両端が傾斜しており、ATCランプと呼ばれ、通過する機関車の下面にあるシューと接触します。

ランプは遠方信号機に設置されていました。停止信号機での使用を想定した設計の開発は実現しませんでした。

ランプに関連付けられた信号が注意信号の場合、ランプは通電されません。ランプは通過する機関車のシューを持ち上げ、タイマーシーケンスを開始すると同時に、フットプレート上のホーンを鳴らします。運転士が設定時間内にこの警告に気づかなかった場合、列車にブレーキがかかります。試験において、グレート・ウェスタン鉄道はこのシステムの有効性を実証するために、急行列車を全速力で遠くの注意信号を通過しさせました。列車はホーム信号に到達する前に安全に停止しました。

ランプに関連付けられた信号がクリアであれば、ランプは通電されます。通電されたランプは通過する機関車のシューを持ち上げ、フットプレート上のベルを鳴らします。

システムが故障した場合、シューは通電されず、注意状態のままになります。したがって、これは安全装置の基本要件である「安全装置が故障」となります。 [ 16 ]

このシステムは1908年までにパディントンからレディングまでを含むGWR本線すべてに導入された。[ 16 ]このシステムは1970年代まで使用され、その後イギリス国鉄自動警報システム（AWS）に取って代わられた。

北米

カナダ

トロント交通委員会は2017年より、5億6,230万ドルの費用をかけて、ライン1のヤング・ユニバーシティ間にATCの導入を開始した。2009年にアルストムに契約を授与したTTCは、ライン1のラッシュアワー時の列車の運行間隔を短縮し、ライン1で運行する列車の数を増やすことができるようになる。[ 17 ]しかし、ATCと互換性のある真新しい列車が納入され、新しいシステムと互換性のない古い車両が退役するまで作業は開始されない。ATCは段階的に導入され、2017年11月4日のデュポン駅とヨークデール駅間の通常運行時にテストが行​​われた。ATCは、2017年12月17日のトロント–ヨーク スパダイナ地下鉄延伸線のヴォーン駅とシェパードウェスト駅間で開通した際に初めて恒久的に導入された。[ 18 ] [ 19 ]システムの残りの路線への導入は、週末の運休や地下鉄が運休する夜間工事中に行われた。プロジェクトには遅れが生じ、1号線の完全転換の期限は2022年まで何度も延期された。[ 20 ] ATCへの転換は2022年9月24日にフィンチ駅まで完了した。[ 19 ] 1号線全体をATCに転換するには、2,000個のビーコン、256個の信号、100万フィート以上のケーブルを設置する必要があった。[ 19 ] ATCは間もなく開通する5号線エグリントン線でも使用される予定だが、1号線とは異なり、5号線のシステムはボンバルディア・トランスポーテーションのCityflo 650技術を使用して供給される。[ 21 ] TTCは、資金の可用性と、現在の2号線のATC非対応車両をATC対応の列車に置き換えることができることを条件に、将来的に2号線ブロア・ダンフォースと4号線シェパードをATC対応に改造する計画であり、完了予定日は2030年である。[ 22 ] 

アメリカ合衆国

米国のATCシステムは、ほとんどの場合、既存の連続運転台信号システムと統合されています。ATCは、機関車内の電子機器から供給され、運転台信号システムの入力に基づいて何らかの速度制御を実行します。[ 23 ]列車の速度がその線路部分の最高速度を超えると、運転台で速度超過警報が鳴ります。機関士が速度を落としたり、ブレーキをかけて速度を落としたりしなかった場合、自動的にペナルティブレーキが適用されます。[ 23 ]北米の貨物列車は取り扱いや制御の問題がより繊細なため、ATCは都市間サービスと通勤サービスの両方で旅客機関車にほぼ独占的に適用され、貨物列車は速度制御なしで運転台信号を使用しています。アムトラック、メトロノース、ロングアイランド鉄道などの一部の大量旅客鉄道では、システムの全部または一部で走行する貨物列車に速度制御の使用を義務付けています。[ 23 ]

車内信号と速度制御技術は1920年代から存在していましたが、ATC（自動速度制御装置）の導入が問題視されるようになったのは、数十年後に発生した重大事故がいくつか発生した後のことでした。ロングアイランド鉄道は、信号無視による死亡事故が2件発生したことを受け、1950年代に車内信号区間内に自動速度制御システムを導入しました。ニューアーク湾リフト橋の事故後、ニュージャージー州は州内のすべての主要旅客列車運行会社に対し、速度制御の導入を法制化しました。速度制御は米国の多くの旅客路線で使用されていますが、ほとんどの場合、路線を所有する鉄道会社が自主的に導入しています。

ユニオン・パシフィック、フロリダ・イースト・コースト、CSXトランスポーテーションの3つの貨物鉄道のみが自社のネットワークで何らかの形のATCを採用している。FECとCSXのシステムは両方ともパルス符号車内信号と連動しており、CSXの場合はリッチモンド・フレデリックスバーグ・アンド・ポトマック鉄道の単線本線から継承したものである。ユニオン・パシフィックのシステムはシカゴ・アンド・ノースウェスタン鉄道の東西本線の一部で継承されたもので、ATC用に設計された初期の2面車内信号システムと連動している。CSXとFECでは、より制限的な車内信号の変更には、機関士が最小限のブレーキ操作を開始するか、より厳しいペナルティを適用して列車を停止させるかのどちらかが必要となる。どちらのシステムも明示的な速度制御やブレーキ曲線の順守は必要としない。[ 24 ] ユニオン・パシフィックのシステムでは、列車の速度が時速40マイル（64 km/h）に減速するまで解除できないブレーキが即座に適用されるその後、最初の運転席信号が消えてから70秒以内に、列車の速度は時速20マイル（32km/h）以下に減速しなければなりません。この減速時にブレーキをかけなかった場合、ペナルティが課せられます。[ 25 ]

貨物列車用の3つのATCシステムはすべて、ブレーキ操作の不備が脱線や暴走につながる可能性があるため、機関士が安全かつ適切にブレーキをかけるための一定の裁量権を与えています。いずれのシステムも、困難な地形や山岳地帯では機能しません。

高速旅客列車用の自動列車制御装置（ATC）は、1972年にサンフランシスコ・ベイエリアのベイエリア高速輸送局（BARTD）によって初めて導入されました。このシステムは、列車の日常運行に複雑な電子回路とコンピュータ制御を採用した初めてのシステムでした。主要制御システムは、バイナリ符号化された速度指令を沿線送信機から車上受信機に送信することで、車両の通常の加減速を完全自動化するように設計されています。電子機器の信頼性が高いと仮定した場合、最も重要な技術的課題は、列車間の適切な停止距離の割り当てです。この停止余裕の計算には、様々な線路状況における列車のブレーキ性能の測定値を適切に考慮する必要があります。[ 26 ]

参照

参考文献

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