通信ベースの列車制御

通信ベースの列車制御( CBTC ) は、列車と線路設備間の通信を利用して交通管理とインフラ制御を行う鉄道信号システムです。CBTC を使用すると、従来の信号システムよりも正確に列車の位置を知ることができます。これにより、鉄道の交通管理がより安全かつ効率的になります。高速輸送システム (およびその他の鉄道システム) は、安全性を維持し、さらには向上させながら、 運転間隔を短縮することができます。

CBTCシステムは、IEEE 1474規格で定義されているように、「軌道回路から独立した高解像度の列車位置決定、継続的で大容量の双方向の列車と沿線間のデータ通信、自動列車保護（ATP）機能、オプションの自動列車運転（ATO）機能と自動列車監視（ATS ）機能を実装できる車上および沿線プロセッサを利用した継続的自動列車制御システム」です。^[1]

CBTCはIEEE 1474規格で定義された信号規格です。 ^[1]オリジナル版は1999年に導入され、2004年に更新されました。 ^[1]その目的は、この規格で定義されている高解像度の列車位置特定を通じて列車の容量を増やすことを可能にするデジタル鉄道信号システム間の一貫性と標準化を実現することでした。^{[1]したがって、この規格では}移動ブロック鉄道信号の使用は必須ではありませんが、実際にはこれが最も一般的な配置です。^{[2] [3] [4] [5] [6] [7]}

従来の信号システムは、「ブロック」と呼ばれる線路の個別のセクションで列車を検出します。各ブロックは、列車が占有ブロックに進入するのを防ぐ信号によって保護されています。各ブロックは線路の固定セクションであるため、これらのシステムは固定ブロックシステムと呼ばれます。

移動ブロックCBTCシステムでは、各列車の保護セクションは列車と一緒に移動して列車の後ろを走る「ブロック」であり、無線や誘導ループなどを介して列車の正確な位置を継続的に通信します。^[8]

その結果、ボンバルディアは2003年2月にサンフランシスコ空港の自動旅客輸送システム（APM）に世界初の無線ベースのCBTCシステムを開設しました。 ^[9]数か月後の2003年6月、アルストムはシンガポール北東線に無線技術の鉄道アプリケーションを導入しました。CBTCは、1980年代半ばにカナダのボンバルディア自動高速輸送システム（ART）用にアルカテルSEL（現タレス）が開発したループベースのシステムに由来しています。

これらのシステムは伝送ベースの列車制御(TBTC)とも呼ばれ、軌道と列車間の通信に誘導ループ伝送技術を使用し、軌道回路ベースの通信に代わる方法を導入しました。この技術は、列車と沿線機器間の通信に 30～60  kHzの 周波数範囲で動作し、電磁両立性(EMC) の問題やその他の設置および保守上の懸念にもかかわらず、地下鉄事業者によって広く採用されました (伝送ベースの列車制御の詳細については、 SelTrac を参照してください)。

あらゆる技術の新しい応用と同様に、当初は主に互換性と相互運用性の側面からいくつかの問題が発生しました。^{[10] [11]}しかし、それ以来関連する改善が行われ、現在では無線ベースの通信システムの信頼性は大幅に向上しています。

さらに、無線通信技術を使用するすべてのシステムがCBTCシステムであるとは限らないことを強調することが重要です。したがって、明確さとオペレーターの要件に対する最先端のソリューションとの整合性を保つために、 ^{[11]この記事では、}無線通信を利用する最新の移動閉塞原理に基づく（実際の移動閉塞または仮想閉塞のいずれかであり、列車の軌道ベースの検出に依存しない）^[1] CBTCソリューションのみを取り上げます。

CBTC システムは、主に都市鉄道 (軽量または重量) およびAPMで使用できる最新の鉄道信号システムですが、通勤線にも導入できます。幹線の場合、同様のシステムとしては、欧州鉄道交通管理システムERTMS レベル 3 (まだ完全に定義されていません^{[いつ? ]} ) が考えられます。最新の CBTC システムでは、列車は継続的に状態を計算し、線路沿いに分散された沿線機器に無線で通信します。この状態には、他のパラメーターの中でも、正確な位置、速度、移動方向、制動距離が含まれます。

この情報により、列車が線路上で占有する可能性のある領域を計算できます。また、沿線設備は、同じ線路上の他の列車が絶対に通過してはならない線路上のポイントを定義できます。これらのポイントは、安全性と快適性 (ジャーク) の要件を維持しながら、列車が自動的かつ継続的に速度を調整できるように通信されます。そのため、列車は先行列車までの距離に関する情報を継続的に受信し、それに応じて安全距離を調整できます。

信号システムの観点から見ると、最初の図は、先頭列車が位置するブロック全体を含む、先頭列車の全占有率を示しています。これは、システムがこれらのブロック内で列車が実際にどこにいるかを正確に知ることは不可能であるという事実によるものです。したがって、固定ブロックシステムでは、後続列車は最後の空いているブロックの境界までしか移動できません。

2番目の図に示すような移動閉塞システムでは、列車の位置とブレーキ曲線が列車によって継続的に計算され、無線を介して沿線装置に伝達されます。これにより、沿線装置は、最も近い障害物（図では先頭の列車の最後尾）までの保護領域（それぞれ移動権限限界（LMA）と呼ばれる）を確立できます。移動権限（MA）は、インフラストラクチャの制約内で速度を監視しながら、列車が特定の場所に移動することを許可するものです。^[12]

権限の終了とは、列車が進むことが許可され、目標速度がゼロに等しい場所です。移動の終了とは、MAに従って列車が進むことが許可されている場所です。MAを送信する場合、MAで指定された最後のセクションの終了です。^[12]

これらのシステムで計算される占有率には、列車の長さに加えられた位置の不確実性 (図の黄色部分) に対する安全マージンを含める必要があることに注意することが重要です。これらは両方とも、通常「フットプリント」と呼ばれるものを形成します。この安全マージンは、列車のオドメトリシステムの精度に依存します。

移動ブロックに基づく CBTC システムにより、連続する 2 つの列車間の安全距離を短縮できます。この距離は、安全要件を維持しながら、列車の位置と速度の継続的な更新に応じて変化します。これにより、連続する列車間の間隔が短縮され、輸送能力が向上します。

現代のCBTCシステムでは、 IEC 62290–1で定義および分類されているように、さまざまなレベルの自動化または自動化グレード（GoA）が可能です。 ^[13]実際、CBTCは「無人運転」または「自動運転列車」の同義語ではありませんが、この目的のための基本的な実現技術と見なされています。

利用可能な自動化のグレードは 4 つあります。

• GoA 0 - オンサイト、自動化なし
• GoA 1 - 手動で、運転手がすべての列車の運行を制御します。
• GoA 2 - 半自動運転（STO）、始動と停止は自動化されていますが、運転席に座っている運転手がドアを操作し、緊急時に運転します。
• GoA 3 - 無人列車運転（DTO）、発車と停止は自動化されているが、乗務員が列車内からドアを操作する
• GoA 4 - 無人列車運転（UTO）、発車、停止、ドアはすべて自動化されており、乗務員は必要ありません。

CBTCシステムは、安全要件を維持しながら、鉄道インフラを最適に利用し、最大容量と運行列車間の最小間隔を達成することができます。これらのシステムは、要求の厳しい新しい都市路線に適していますが、既存の路線に重ねて使用することで、そのパフォーマンスを向上させることもできます。^[5]

もちろん、既存の路線をアップグレードする場合、設計、設置、テスト、試運転の各段階ははるかに重要になります。これは主に、収益サービスを中断することなく上位システムを展開するという課題によるものです。^[14]

技術の進化と過去30年間の運用で得られた経験により、現代のCBTCシステムは、古い列車制御システムよりも信頼性が高く、故障しにくくなっています。CBTCシステムは通常、沿線設備が少なく、診断および監視ツールが改善されているため、実装が容易になり、さらに重要なことに、保守が容易になっています。^[15]

CBTC 技術は進化を続けており、最新の技術とコンポーネントを活用して、よりコンパクトなシステムとよりシンプルなアーキテクチャを提供しています。たとえば、最新の電子機器の登場により、単一の障害が運用の可用性に悪影響を与えないように冗長性を組み込むことが可能になりました。

さらに、これらのシステムは運行スケジュールや時刻表に関して完全な柔軟性を提供し、都市鉄道事業者が特定の交通需要に迅速かつ効率的に対応し、交通渋滞の問題を解決することを可能にする。実際、自動運転システムは手動運転システムと比較して、運転間隔を大幅に短縮し、交通容量を向上させる可能性がある。^{[16] [17]}

最後に、CBTCシステムは従来の手動運転システムよりもエネルギー効率が高いことが証明されていることを言及することが重要です。^[15]自動運転戦略や実際の需要に合わせた輸送サービスの適応などの新しい機能の使用により、電力消費を削減し、大幅なエネルギー節約が可能になります。

電子列車制御システムの主なリスクは、いずれかの列車間の通信リンクが途絶えた場合、問題が解決されるまでシステムの全体または一部がフェイルセーフ状態になる可能性があることです。通信損失の深刻度に応じて、この状態は、通信が再確立されるまで、車両が一時的に速度を落としたり、停止したり、または低下モードで動作したりします。通信障害が永続的である場合は、絶対ブロックを使用した手動操作、または最悪の場合、代替輸送手段への切り替えなど、何らかの緊急時対応策を実施する必要があります。^[18]

その結果、CBTC システムの高い可用性は、特に輸送能力の向上とヘッドウェイの短縮のためにこのようなシステムを使用する場合、適切な運用のために不可欠です。システムの冗長性と回復メカニズムは、運用において高い堅牢性を実現するために徹底的にチェックされなければなりません。CBTC システムの可用性が高まるにつれて、回復手順に関するシステム オペレータの広範なトレーニングと定期的な更新も必要になります。実際、CBTC システムにおける主要なシステム ハザードの 1 つは、システムが利用できなくなった場合に人為的エラーが発生し、回復手順が不適切に適用される可能性があることです。

通信障害は、機器の故障、電磁干渉、信号強度の弱さ、通信媒体の飽和などにより発生することがあります。^[19]この場合、中断により常用ブレーキまたは緊急ブレーキが作動する可能性があります。リアルタイムの状況認識はCBTCの重要な安全要件であり、中断が頻繁に発生するとサービスに重大な影響を与える可能性があるためです。歴史的に、CBTCシステムが無線通信システムを初めて実装したのは、必要な技術が重要なアプリケーションに十分成熟していた2003年のことでした。

見通しが悪いシステムやスペクトル/帯域幅の制限があるシステムでは、サービスを強化するために予想よりも多くのトランスポンダーが必要になる場合があります。これは通常、最初から CBTC をサポートするように設計されていないトンネル内の既存の交通システムに CBTC を適用する場合に問題になります。トンネル内のシステムの可用性を向上させる別の方法は、漏洩フィーダー ケーブルを使用することです。この方法では、初期コスト (材料 + 設置) は高くなりますが、より信頼性の高い無線リンクを実現できます。

オープンな ISM 無線帯域 (2.4 GHz および 5.8 GHz) を介した新たなサービスと、重要な CBTC サービスの潜在的な中断により、無線ベースの都市鉄道システム専用の周波数帯域を予約することを求める国際社会からの圧力が高まっています (UITP 組織のレポート 676、都市鉄道システム専用の重要な安全アプリケーション用の周波数スペクトルの予約を参照)。このような決定は、市場全体で CBTC システムを標準化し (ほとんどの事業者からの需要が高まっています)、これらの重要なシステムの可用性を確保することに役立ちます。

CBTCシステムは高い可用性と、特に段階的な劣化を許容することが求められるため、CBTCが部分的にまたは完全に利用できなくなった場合に、ある程度の劣化のないサービスを確保するために、二次的な信号方式が提供される場合があります。^[20]これは、インフラストラクチャの設計を制御できず、少なくとも一時的にレガシーシステムとの共存が必要なブラウンフィールド実装（既存の信号システムを備えた路線）に特に関連しています。^[21]

例えば、ニューヨーク市のBMTカナーシー線には、1時間あたり12本の列車に対応できるバックアップ自動閉塞信号システムが装備されているが、CBTCシステムの26本の列車に対応している。これは信号再配置プロジェクトではかなり一般的なアーキテクチャだが、新しい路線に適用するとCBTCのコスト削減効果の一部が打ち消される可能性がある。これはCBTC開発の重要なポイントであり（そしてまだ議論中である）、一部のプロバイダーやオペレーターは、CBTCシステムの完全な冗長アーキテクチャはそれ自体で高い可用性を実現できると主張している。^[21]

原則として、CBTC システムは、保守性を向上させ、設置コストを削減するために、集中管理システムを使用して設計できます。その場合、システム全体またはライン全体のサービスが中断される可能性のある単一障害点のリスクが高まります。固定ブロック システムは通常、分散ロジックを使用して動作し、通常、このような障害に対する耐性が高くなります。したがって、システム設計時には、特定の CBTC アーキテクチャ (集中型と分散型) の利点とリスクを慎重に分析する必要があります。

CBTC を、以前はオペレーターが現場で作業し、完全に人間の制御下で実行されていたシステムに適用すると、実際には容量の減少につながる可能性があります (安全性は向上しますが)。これは、CBTC が人間の視覚よりも位置の確実性が低く、また、最悪の場合の列車パラメータが設計に適用されるため (例: 保証された緊急ブレーキ率と公称ブレーキ率)、エラーの余地が大きいためです。たとえば、フィラデルフィアのセンターシティ トロリー トンネルに CBTC を導入したところ、最初は移動時間が大幅に増加し、無防備な手動運転と比較して容量が減少しました。これは、現場での運転では避けられない車両衝突を最終的に根絶するための相殺であり、操作と安全性の間の通常の矛盾を示しています。

現代の CBTC システムの典型的なアーキテクチャは、次の主要なサブシステムで構成されています。

1. 沿線機器には、インターロックと、線路またはネットワーク内のすべてのゾーンを制御するサブシステム（通常は沿線ATPおよびATO機能を含む）が含まれます。サプライヤーに応じて、アーキテクチャは集中型または分散型になります。システムの制御は中央コマンドATSから実行されますが、ローカル制御サブシステムもフォールバックとして含まれる場合があります。
2. 車両内のATPおよびATOサブシステムを含むCBTC 車載機器。
3. 列車と沿線間の通信サブシステム。現在は無線リンクに基づいています。

したがって、CBTC アーキテクチャは常にサプライヤーとその技術的アプローチに依存しますが、一般的な CBTC アーキテクチャには、次のような論理コンポーネントが一般的に見られます。

• 車上ATPシステム。このサブシステムは、安全プロファイルに従って列車の速度を継続的に制御し、必要に応じてブレーキをかける役割を担っています。また、安全な運行に必要な情報（速度とブレーキ距離の送信、安全な運行のための移動権限の制限の受信）を交換するために、沿線のATPサブシステムとの通信も担当しています。
• 車載 ATO システム。列車を ATP サブシステムによって設定されたしきい値以下に維持するために、牽引力とブレーキ力の自動制御を担当します。主なタスクは、運転手または係員の機能を支援すること、または交通規制目標と乗客の快適性を維持しながら列車を完全自動モードで操作することです。また、実行時間を適応させたり、電力消費を削減したりするために、さまざまな自動運転戦略を選択することもできます。
• 沿線 ATP システム。このサブシステムは、そのエリア内の列車とのすべての通信の管理を行います。さらに、指定されたエリアで運行するすべての列車が遵守しなければならない移動権限の制限を計算します。したがって、このタスクは運行の安全性にとって重要です。
• 沿線 ATO システム。各列車の目的地と規制目標の制御を担当します。沿線 ATO 機能は、システム内のすべての列車に目的地と駅での停車時間などのデータを提供します。さらに、アラーム/イベント通信と管理、スキップ/ホールド駅コマンドの処理など、補助的かつ安全に関連しないタスクも実行できます。
• 通信システム。CBTC システムは、アンテナまたは漏洩フィーダーケーブルを使用して、線路設備と列車間の双方向通信を行うデジタル ネットワーク無線システムを統合します。これらのシステムでは、2.4 GHz帯域が一般的に使用されます ( WiFiと同じ)。ただし、 900 MHz (米国)、5.8 GHz などの他の代替周波数、またはその他の認可された帯域も使用できます。
• ATS システム。ATS システムは、ほとんどの CBTC ソリューションに統合されています。その主な役割は、オペレータとシステム間のインターフェイスとして機能し、特定の規制基準に従って交通を管理することです。その他の役割には、イベントとアラームの管理、外部システムとのインターフェイスとしての役割などがあります。
• 連動システム。独立したサブシステムとして必要な場合（たとえば、フォールバック システムなど）、スイッチや信号などの線路脇のオブジェクトの重要な制御、およびその他の関連機能を担当します。より単純なネットワークまたはラインの場合、連動機能は沿線の ATP システムに統合される場合があります。

CBTC技術は、以下の図（2011年半ば）に示すように、さまざまな用途に導入され、現在も導入中です。その範囲は、短い線路、限られた数の車両、少数の運行モードによる導入（サンフランシスコやワシントンの空港APMなど）から、毎日100万人以上の乗客を運び、100本以上の列車が運行する既存の鉄道ネットワークへの複雑なオーバーレイ（マドリード地下鉄1号線と6号線、深セン地下鉄3号線、パリ地下鉄の一部の路線、ニューヨーク市地下鉄、北京地下鉄、ロンドン地下鉄の地下鉄ネットワークなど）まで多岐にわたります。^[4]

困難にもかかわらず、以下の表は、世界中で導入されている主要な無線ベースの CBTC システムと、現在開発中のプロジェクトの概要と参照を示しています。また、この表では、既存の運用システムで実行される実装 (ブラウンフィールド) と、完全に新しいラインで実行される実装 (グリーンフィールド) を区別しています。

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