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デジタル鉄道模型制御システムは、レイアウトを制御する代替手段として、配線を簡素化し、操作の柔軟性を高めることができます。鉄道模型で機関車を運転するための制御システムは数多く存在します。線路の電圧を調整することで列車の速度と方向を制御するアナログシステムは依然として人気がありますが、近年ではコンピュータ技術に基づいた制御システムに取って代わられつつあります。
デジタル制御システムの中には、最小限の配線で鉄道模型のあらゆる側面を独立して制御できるものがあり、レール自体に配線するだけで済む場合もあります。また、無線式のシステムもあります。制御は、レールにデジタル信号と電源を伝送するか、無線で行うことによって実現されます。これらのデジタル信号は、信号機、分岐器、照明、踏切、クレーン、ターンテーブルなど、鉄道模型や付属品のあらゆる側面を制御できます。
線路には常時電力が供給され、デジタル信号が送信される。これらの信号を解釈するためには、機関車やその他の機器に電子デコーダーを取り付ける必要がある。
コントローラーは機関車の操作を管理し、照明やサウンドなどの追加モデル機能を操作するボタンも備えています。
デジタルシステムでは通常、デジタルアドレスとコマンド信号を生成する中央ユニットが必要となり、これらはコマンドステーションと呼ばれます。多くのコマンドステーションには、1つ以上の機関車制御装置と、機関車の走行に必要な電力を生成するブースターユニットも組み込まれています。中央ユニットには、追加の制御装置や補助スイッチボックス用の接続端子、コンピュータ制御用の接続端子、および他のデジタル制御装置とのインターフェースも備わっています。
ほとんどのシステムでは、より大規模なレイアウトに対応するために、追加の線路電力を供給するブースターが用意されています。ブースターは、デジタルコマンドを中継する専用ケーブルで中央ユニットに接続されます。
機関車デコーダは、デジタル信号を解釈して個別の制御を行うために機関車内部に取り付けられた小型電子回路です。すべてのデコーダがコマンドを受信しますが、応答するのは指定されたデコーダのみです。
アクセサリデコーダは、分岐器、信号機、踏切など、固定位置にある機器を制御するために使用されます。これらの機器は移動しないため、固定式デコーダはレイアウトの下に設置でき、そのため機関車用デコーダよりもかなり大型になります。アクセサリデコーダは、アクセサリデータバスまたは線路から信号を受信します。
基本的な機関車デコーダーは速度と方向を制御する一方、補助機能デコーダーはヘッドライト、ディッチライト、またはリモコン式パンタグラフなどの可動式の非牽引部品を制御します。
サウンドデコーダーは、あらかじめ録音された効果音を再生します。これらの効果音は機関車の速度と同期させることができ、例えばディーゼル機関車が停止状態から発進する際には、ディーゼルエンジンの始動音が再生されます。蒸気機関車用のサウンドデコーダーは、駆動輪の回転に合わせて「シュッシュッ」という音を再生できます。
一部のデコーダーは、機関車制御、効果音、機能制御という3つの機能をすべて1つの回路に統合しています。
一部の自動運転システムでは、中央制御ユニットが列車が目的地または特定の地点に到達したことを認識する必要があります。この情報は、線路間に設置された赤外線センサー、リードスイッチ、または線路の隔離された区間における電流消費を感知する装置などのセンサーによって検出されます。
フィードバック機能は、センサーハードウェアからデジタル中央ユニットへ電気信号を中継します。中央ユニットは、その信号に基づいて、信号のトリガーや踏切検知など、特定のセンサーに適したコマンドを発行できます。
フィードバック機能により、鉄道模型の完全自動制御が可能になります。
一部の中央制御ユニットはコンピュータとの接続が可能で、プログラムによって模型列車の運行や付属品を完全に自動制御できます。この機能は、特に展示レイアウトに役立ちます。
モバイル端末をコントローラーとして使用できるプログラムが開発されているが、そのためには中央ユニットをコンピューターに接続する必要がある。
デジタルコマンドコントロール（DCC）システムは、鉄道模型で機関車を運転するために使用されます。DCCを搭載した機関車は、同じ電気区間を走行していても個別に制御できます。DCCはデジタル鉄道模型制御システムの選択肢の一つに過ぎませんが、しばしばそのようなシステムの総称として誤解されています。DCCシステムは、複数の大手メーカーから提供されています。
デジタルコマンドシステム（DCS）は、 MTH Electric Trainsが開発し、2002 年 4 月にリリースされた電子システムです。DCSは、Protosound 2、Protosound 3、または Protosound 3E+ デコーダを搭載した機関車を制御します。Protosound 3 機関車は、DCS と DCC コマンドシステムの両方と互換性があります。Protosound 3E+ 機関車は、DCS と Märklin デジタルコマンドシステムと互換性があります。DCS 互換デコーダはすべて MTH が製造しています。工場出荷時にデコーダが搭載されているモデルは、H0 スケール、2 線0 スケール、3 線 0 ゲージ、ゲージ 1、および 3 線標準ゲージのモデルで提供されています。MTH は、2013 年よりS スケールの列車に DCS 互換デコーダを搭載する意向を発表しました。[ 1 ] H0 と S を除く上記のすべてのスケールに搭載するためのデコーダキットが別売で提供されています。DCS は主に 3 線 O ゲージで使用されています。 3線式Oゲージにおける主な競合製品は、ライオネル社のTMCCシステムとLegacyシステムである。
DCSは、米国特許第6,457,681号で保護されている独自のコマンドコードと伝送技術を使用しています。[ 2 ] DCSとDCCの伝送技術の主な違いは、双方向通信とコマンド信号と線路電源の分離です。DCSコマンド信号は、スペクトラム拡散技術を使用して10.7MHzで送信されます。
DCSは、ライオネルCB-1コマンドベースとDCSトラックインターフェースユニットを接続するインターフェースケーブルを介して、TMCC搭載モデルを操作できます。DCSは、ライオネルTMCCまたはレガシーコマンドシステムのいずれとも、同じ線路上で同時に共存できます。両方のコマンドコントロールユニットが線路に設置されていれば、どちらのシステムを搭載した機関車も同時に操作できます。
ダイレクトWiFiコントロール（DWiC）は、「モノのインターネット」の概念を利用した鉄道模型制御のための新興技術です。2014年に小型ウェブサーバーモジュールが利用可能になったことで、鉄道模型におけるこの技術の利用可能性を探るDWiCワーキンググループが結成されました。WiFi技術は十分に確立され、実証されています。これまでの鉄道模型制御システムよりもかなり複雑ですが、双方向通信などのタスクがシームレスに行われるため、ユーザーにとってはほとんど透過的です。DWiCはコマンドステーションやブースターなどの鉄道模型専用のアイテムを使用しないため、コストが大幅に削減されます。この技術は鉄道模型の世界以外でも有用で、DWiCコントローラーでガレージのドアを開けたり、スプリンクラーを遠隔操作でオンにしたりできます。ウェブサーバー/コントローラーは、ハードウェアとコストの点でDCCデコーダーに似ています。大きな利点はクライアント側にあり、「スロットル」としてウェブブラウザを備えた任意のWiFiデバイスを使用できます。DWiCはDC、AC、DCC線路電源、またはバッテリーで動作します。
DWiCコントローラーには、特定の「アイテム」（機関車、アクセサリーなど）に合わせてカスタマイズされたウェブページが内蔵されています。ユーザーのブラウザは、アイテムのウェブサーバーからページを読み込み、ボタンを押すことで、HTML、JavaScript、jQuery、C言語を使用してWiFi経由でアイテムを直接制御します。
メルクリンデジタルは、初期のデジタル鉄道模型制御システムの1つでした。これは、機関車デコーダー（モトローラ製チップベース）、中央制御装置、コンピュータインターフェース、分岐器デコーダー、デジタルリレー、s88フィードバックモジュールを含む完全なシステムで構成されていました。メルクリンのZゲージや1ゲージの車両のような2線式DC機関車を制御するために、1988年にレンツがメルクリンとアーノルドのために共同開発した特別なバージョンのシステムが導入されました。アーノルドはこのシステムをアーノルドデジタルという名前で販売し、メルクリンは「メルクリンデジタル」と呼びました。このシステムはDCC規格の前身です。機関車デコーダーと中央ユニットを除いて、他のすべてのシステムコンポーネントは3線式と2線式で同じでした。
Selectrixは、1980年代初頭にドイツのDöhler & Haas社が鉄道模型メーカーTrix社向けに開発した初期のデジタル鉄道模型コマンド制御システムです。1999年以降、Selectrixは複数のメーカーがサポートするオープンシステムとなり、MOROPによって標準化されています。技術的には、Selectrixは完全に同期され双方向である点で競合するバスシステムとは異なります。車両、付属品、フィードバック情報はすべて同じデータバスプロトコルとデータバスを共有します。
Trainmaster Command Control (TMCC) は、ライオネルのオリジナルコマンドコントロールシステムです。1995 年にライオネルの列車にのみ搭載されました。2000 年以降、ライオネルは他のメーカーにライセンスを供与しました。TMCC デコーダーをモデルに搭載したことがある、または現在搭載しているライセンシーには、Atlas O、K-Line、Weaver、Sunset Models 3rd Rail Division などがあります。デコーダーを別売りしていることがある、または現在販売しているライセンシーには、Train America Studios、Digital Dynamics、Electric RR Co などがあります。TMCC デコーダーは主に 3 線 O ゲージモデルに搭載されていますが、2 線 O スケールおよび S スケールでも提供されています。
TMCCはデジタルコマンドコントロール（DCC）と同じコマンドコードを使用します。ただし、DCCとは異なり、 線路電源とは別にコマンドコードを伝送するために455kHzの無線送信を使用します。機関車のデコーダーは、 コマンド受信機を同期するために交流線路電源（50または60Hz）に依存しています。したがって、TMCCは交流線路電源でのみ動作します。TMCCはDCCコマンドコードを使用するため、DCC互換ソフトウェアでTMCCを制御することが可能です。MTH Electric Trainsは、TMCCをDCSシステムとインターフェースして制御するためのサポートを追加しました。DCCとは異なり、TMCC搭載機関車はTMCC非搭載機関車と同時に走行できます。Lionelは2010年にTMCCコマンドシステムの販売を終了しましたが、TMCCデコーダーを搭載したモデルは引き続き発売しています。TMCCはLionelのLegacyコマンドシステムに置き換えられました。[ 3 ]
レガシー・コントロール・システム（Legacy）は、ライオネルの現行電子制御システムです。2007年12月に、ライオネルのトレインマスター・コマンド・コントロール（TMCC）の後継として導入されました。Legacyは、TMCCデコーダーを搭載したすべての機関車と下位互換性があります。Legacyサウンドデコーダーおよび/またはOdyssey IIスピードコントロールを搭載したモデルは、以前のTMCC制御システムでも操作できますが、Legacyでのみ利用可能な追加機能も備えています。これらの追加機能のコマンドコードは、DCCコマンドコードとは異なります。ライオネルは、Legacy固有のコマンドコードを公開したり、ライセンス供与したりしていません。
Hornby Railways Zero 1は、1970年代後半にHornby社が開発した、現代のデジタル鉄道模型制御システムの先駆けとなるシステムでした。TMS1000という4ビットマイクロプロセッサをベースとしており、最大16台の機関車と、ポイントや信号機などの最大99個の付属品を同時に制御することが可能でした。
Zero 1はアナログではなくデジタル技術に基づいていました。これはまさに最初のデジタルシステム[ 4 ]であり、 1980年代半ばに登場したメルクリンデジタルや、1990年頃に登場し1990年代半ばに国際的に標準化された全米鉄道模型協会（NMRA）のデジタルコマンドコントロール（DCC）システムの先駆けとなりました。
ゼロ1は重要なマイルストーンではあったものの、広く成功を収めたわけではなかった。機関車や付属品に必要な制御装置とデコーダーモジュールはどちらも高価だったが、線路が清潔で機関車がきちんと整備されていれば、システムは宣伝どおりに機能した。
比較のために：
このシステムは電源周波数に依存していたため、50Hz版と60Hz版が用意されていた（50Hzは英国、60Hzは米国とカナダ）。Zero 1システムは、現地の電源周波数で18Vの正弦波交流電流を線路に供給し、3サイクルごとに32ビットの制御ワードを置き換えた。
機関車に搭載されたデコーダーモジュールは、希望する進行方向に応じて、方形波の正または負の半周期をモーターに供給するように切り替えます。制御ワードの送信中は、このモジュールはオフ状態になります。速度制御はパルス幅変調によって行われ、半周期の幅を14段階で変化させることで実現されました。
このシステムは当時の半導体技術で容易に実装できたものの、モーターへの電力供給が非常に不連続であるという欠点があった。上記の記述からもわかるように、最大幅10msの矩形パルスが20ms と40msの間隔で交互に繰り返される形式であった （50Hz の主電源の場合）。このため、モーターは非常に騒音が大きく、動作も不安定だった。低速での機関車の精密な制御も困難であった。これは、動作が不安定であること、14段階の速度スケールが本質的に粗いこと、そして制御装置への操作入力と機関車の応答との間に大きな遅延があったことなどが原因である。
ホーンビー社の指示に従ってゼロ1デコーダーを搭載した機関車は、従来の直流システムでは使用できなかったため、友人やクラブのレイアウトで機関車を走らせるのが困難だった。これは当時のコマンドコントロールシステムによく見られた問題だった。デコーダーを搭載していない機関車も、ゼロ1レイアウトでは使用できませんでした。
小型のDPDTスイッチをシステムに組み込むことで、Zero 1デコーダーを従来のシステムで使用するために切り替えることが可能になった。
ポイントやその他のアクセサリの制御は非常に簡単に行えました。ソレノイド作動式アクセサリ（ポイント、機械式信号など）や照明器具（カラーライト信号など）には、それぞれ4つの出力を備えた線路給電式アクセサリデコーダーモジュールが用意されていました。各出力は、ソレノイド用にはバースト動作、照明用には連続出力に設定できました。アクセサリの切り替えは、コントローラに数値コードを入力することで行いました。最大99個のアクセサリを制御できました。
ターンテーブルなど、ソレノイドやライトではなくモーターをベースとした付属品には、機関車モジュールを取り付けて、機関車と同様の方法で制御することができる。
ゼロ1は3段階に分けて導入された。
マスターコントロールユニットがカタログに掲載されたのは1985年が最後です。システム自体は非常に信頼性が高く、古いマスターコントロールユニットで保管状態が悪い場合に問題となるのは、1980年代の基本的なキーボード設計です。
機関車用モジュールには2種類ありました。1981年以前のタイプは単一のトライアックをベースとしていましたが、方形波電源とモーターや接触不良によるスパイクの存在により、トライアックのdV/dt定格が限界に達し、これらのユニットは時折、逆極性の半サイクルで自己トリガーを起こし、ユニット自体と機関車のモーターの両方に損傷を与えることがありました。H&M社製の後期のタイプは、この問題を回避するために、「前進」用と「後退」用に2つのSCRを使用しました。このシステムは現在でも多くの鉄道模型愛好家に使用されています。
Hammant & Morgan (H&M) のデジタル列車制御システムは Zero 1 と完全に互換性があり、マスター コントローラー「HM5000 アドバンスト パワー トランスミッター」は、2 つのスライダー、方向 LED、パワー LED バー グラフ、タイマー クロック、制御中の機関車のデジタル ディスプレイ、制御中のアクセサリの読み取り、および 2 台の「Hi-Tec スピード トランスミッター」スレーブ コントローラー HM5500 を接続できる機能を備えています。
エアフィックス鉄道システム多重列車制御（MTC）は、1979年に導入されたアナログシステムで、線路上の20V正弦波交流電流に制御信号を重ねて使用しました。最大16台の機関車を制御でき、同時に制御できるのは最大4台です。[ 6 ] [ 7 ]
エアフィックスが破産管財人の管理下に入ったため、約18か月間しか生産されず、コンセプトは中止された。[ 8 ] [ 9 ]
DYNATROLはPower Systems Inc.製の15チャンネルコマンド制御システムです。線路電圧は13.5ボルトDCです。1970年代後半に導入されました。[ 10 ]
Digitrack 1600は、1972年にチャック・バルマーとディック・ロビンスによって開発・販売された第一世代のデジタル鉄道模型制御システムの1つです。[ 11 ] CTC-16は、1972年から1976年まで販売された商用システムであるDigitrack 1600をベースにした第二世代の設計です。[ 12 ] CTC-16デジタル列車制御システムは、Digitrack 1600と完全に互換性があります。
Digitrack 1600はアナログ方式で、一定の直流トラック電圧にパルスが乗る仕組みだった。パルスの幅とタイミングによって速度と方向が決まる。
1970年代後半に導入されたRAIL-COMMAND 816は、一定の12VDC線路電圧を使用する8チャンネルのデジタル信号システムである。
CTC-16 システムは、最大 16 台の機関車を同時に制御できます。[ 13 ]可変幅の 16 個のパルスが、毎秒 125 回線路に送信されます。各機関車に搭載された受信機は、 16 個のパルスのうちの 1 つにのみ応答するようにプログラムされています。モーターに印加される電圧と極性は、その特定の受信機に対応するパルスの幅/タイミングによって決まります。受信機は、その特定のパルスから速度と方向の情報を決定します。受信機は基本的に、機関車に直接組み込まれたトランジスタ スロットルです。コマンド ステーションは 16 チャンネルを超えて拡張することはできません。
CTC-16は、Digitrack 1600の改良版かつ低価格版であったため、Digitrack 1600受信機と完全な互換性がありました。これは「自作」プロジェクトとして発表され、後に市販版も登場しました。当時、このプロジェクトの部品代は200米ドルと見積もられていました。
PROTRACR/Cシステム9000は8チャンネルのコマンド制御機能を備えています。1970年代後半に導入されました。
SALOTA 5300は、16～18VDCの定電圧トラック電圧による5チャンネルのコマンド制御機能を備えています。1970年代後半に発売されました。
PMP-112システムは最大112台の機関車を同時に制御することができた。これはCTC-16をベースにしていた。[ 14 ]
RFPTは、高周波制御信号と12VACの定電圧トラック電圧を使用した9チャンネルのコマンド制御システムを提供します。
1980年代後半に導入されたKATOデジタルは、H0スケール鉄道模型用のKATOの電子制御システムで、概念的にはデジタルコマンドコントロール（DCC）に似ています。[ 15 ]
デジタル鉄道模型制御システムは、多くの場合、列車レイアウトを制御するための専用ソフトウェアが動作する外部コンピュータに接続されます。これにより、レイアウト内のすべてをコンピュータが制御する完全自動システムから、レイアウト上の信号や分岐器を制御し、運転士の役割を人間に任せるコンピュータベースの制御コンソールまで、列車の運行に関するより多くの選択肢が生まれます。
Railroad Automationは、LocoNetネットワーク専用のWindowsコマンド＆コントロールアプリケーションです。スロットインスペクター、パケットトラフィックインスペクター、LocoIOプログラマー、DCCデコーダープログラマー、マルチスロットルコントロール、編集可能なベクトルベースのスイッチボード表示、線路、分岐器、ブロック、ルート、センサー、信号、アクセサリのサポート、イベントバインディングとスクリプト作成、シーケンス記録、音声認識コントロール、TCP経由のリモートコントロールなど、多くの高度な機能を備えています。また、アプリケーションは複数のAPIレイヤーに分割されているため、サードパーティの開発者がこれを基盤として派生作品を簡単に構築できます。
RailMasterは、2010年後半に発表されたHornby製の鉄道模型制御ソフトウェアパッケージです。このソフトウェアは、Hornby Elite DCCコントローラーまたは後継のeLinkコントローラーに接続します。eLinkコントローラーは、RailMasterを実行するラップトップまたはPCとレイアウト間のインターフェースであり、1つの画面から列車、ポイント、信号、ターンテーブル、連結器の制御を可能にします。通常のマウスでも使用できますが、ポイントや信号をタッチしたり、機関車のスロットルをスライドさせたりするだけのタッチスクリーンPC向けに最適化されています。[ 16 ]
eLinkユニットにはRailMasterが同梱されており、RailMasterはHornby社自身によって定期的に自動的にアップデートされます。
Rocrailは以前はオープンソースでしたが、現在はプロプライエタリソフトウェアとなっており、1台または複数のコンピュータから鉄道模型のレイアウトを制御できます。ユーザーはコンピュータから直接列車を走らせることも、自動で走らせることも可能です。一部の列車は自動走行に設定でき、他の列車は手動で制御できます。
JMRIは、コンピュータからアクセサリを含むモデルのレイアウトを制御できるオープンソースプロジェクトです。
Freiwald社（別名Railroad & Co）のTrainControllerは、機能が向上していくBronze、Silver、Goldの3つのバージョンがあるハイエンドの独自ソフトウェアパッケージです。[ 17 ]