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河辺一の新幹線自動列車制御ATCの開発
（自動列車制御　河辺一　電気学会雑誌　Vol.84-10,No913,1964/10）

1 まえがき top

　東海道新幹線は東京−大阪間515kmにわたって最高速度200km/hの列車が最小運転時隔5分で走る世界に例のない高速度、高列車密度の線区である。
　このような重要線区に使用する信号保安装置は最も保安度が高く、最も運転能率のよいものでなければならない。
　ここに述べる自動列車制御〔ATC:Automatic Train Control〕装置は現在の技術段階において正に最高級のものといえよう。
　昭和32年5月東京銀座のヤマハホールにおいて「東京−大阪間3時間への可能性」と題する鉄道技術研究所創立50周年記念講演会(1)が開催されたとき、東海道新幹線の構想が初めて世に公表された。
　そのときの講演者の1人として、筆者は東海道新幹線のATCは丁度そのころ実用化され始めたAF(可聴周波)軌道回路(2)(3)とA形車内警報(4)を組み合わせることによって、全エレクトロニクス式のATCを開発することが最も好ましいことを述べた。以来この線に沿って研究を進め、ついに電源同期によるSSB-AF式の7現示式ATC(5)(6)を開発することができた(7)-(11)。

2 ATCの原理 top

　ATCは先行列車との関係または駅へ進入するときなどに衝突、脱線などの運転事故を起こさないように、進路の条件に従って列車の速度を自動的に低下させ、または停止させるための保安装置である。
　ATCは地上装置と車上装置からなり、地上装置からの信号を車上装置によって受信し、進路の条件に従って列車に許しうる制限速度を運転室内に現示し、列車の速度がこの制限速度を越えないように、自動的にブレーキを動作または緩解させる機能を持っている。
　東海道新幹線に使用するATCは速度制御方式と称するもので、地上からの信号が絶えず車上に受信されていて、地上の信号が変化すると車上の信号も直ちに変化し、これに即応することができる。

　新幹線のATCはこの軌道回路2個によって3kmの閉塞区間を構成する。
　閉塞区間とは、その区間へ列車が入っている時は、原則としてその区間へ他の列車を入れないようにする区間のことをいう。
　従って信号の現示すなわちその区間を走る列車に許される制限速度は閉塞区間ごとに変化する。しかも先行列車の進行に従ってその後方の各閉塞区間の信号は自動的に変化する。これを自動信号という。
　先行列車のいる区間の信号電流は、列車の車輪と車軸によってレール間を短絡されるから、それより先へは流れていかない。一般に信号電流がない状態の制限速度は最もきびしい。

3　運転方式 top

　東海道新幹線においては、列車速度が高いため地上信号機を建てても殆ど役にたたない。そこで新幹線においてはレールのそばに信号機を建てることをやめ信号は運転台の車内信号だけとした。
　ATCは一般に速度を何段階かに分けて順に低下させ最後に停止させる。東海道新幹線の制限速度の段階は210、160、110、70、30 および Okm/h の6段階である。

　さらに先行列車へ接近して制限速度30km/hの区間へ進入すると、ベルが単打して車内信号は160から30に変わり、この時もブレーキが動作するが、この時だけは列車速度が30km/h以下に低下しても、運転士が特に確認ボタンを押さなければブレーキは停止するまで緩解しない。
　従ってたとえ運転士が運転不能の状態に陥っても列車は必ず安全に停止する。運転士が健在で確認ボタンを押すと始めてブレーキは緩解し、30km/h以下の速度でさらに先行列車へ接近できる。
　そして先行列車の入っている区間の境界から約100m離れたところ（ここをP点という）までくると、ここで再びベルが単打して車内信号は30から01に変わり再びブレーキが動作する。

4 軌道回路 top

　すでに述べたように、東海道新幹線には筆者らの研究によって交流電化区間へ広く実用されている日本独得のAF軌道回路を使用することにした。ただ現在無で使用しているAF軌道回路はDSB(両側帯波)式(2)(3)であるのに対し、新幹線のそれはSSB(単側帯波)式(5)(6)である点が異なる。かつ現在線の搬送周波数はLCの固定発振であるのに対し、新幹線のそれは架線電源の60Hzに同期させた電源同期式である。

　0km/hの制限速度に対応する停止信号03は、上り線に対しては840Hz、下り線に対しては900Hzのそれぞれ無変調波を使用する。この場合1.5AT以上の強力な信号電流をレールに沿ってレールの内側へ50m展張したループ線(中央で1回交差させる)へ流し、妨害電圧の影響を受けないようにする。
　また地上における03信号の故障は直ちに扱所、機器室、中央制御所へ表示される。01〜03信号は運転上はいずれも0信号として同一の現示にしてあるから、運転上は6現示、機構上は7現示ということになる。
　軌道回路の送信器および受信器はいずれもトランジスタ、ダイオードなどを使用する全エレクトロニクス式である。そこでこの信頼度を上げ、保守を容易にするため約20km分ずつの機器をまとめて、冷暖房装置を施した29個所の信号機器室へ納める集中式とした。
　レールのそばにはインピーダンスボンドと保安器だけを置き、機居室との問を最大54対のポリエチレン星形アルミ披ケーブル(直埋め)で接続する。ケーブルは送信用と受信用をそれぞれ別ケーブルとし、かつケーブル心線間に混触を生じたときには、混触検知器によって60Hzのパイロット電源を切り、危険な錯誤動作を防止する処理を施した。
　軌道回路の送電端と受電端にそれぞれ最大16kmと17.5kmのケーブルを接続すると、周波数1,000Hzにおけるこの両ケーブル中の減衰が0.5dB/kmとして17.5dB、それぞれのケーブルの両端における結合部の損失が整合変圧器4個分で2dB、インピーダンスボンド2個分で4dBとして6dBとなる。
　また0.8モー/kmの漏れコンダクタンスをもつ1.5km長の軌道回路の1,000Hzの減衰が18dB/kmとして27dBとなる。
　そこで、これらの減衰を全部加えると、送信器から受信器までの全減衰は50.5dBとなるから、送信出力を40.5dBm、受信入力を−10dBmとするとちょうどこの軌道回路を制御しうる。よって送信器の出力は650オームへ85V、受信認の入力は600オームへ0.25Vになるように設計した。
　一閉塞を構成する2個の軌道回路の接続点の受信器は変調周波数を選別受信する必要がないので単なる中継器とした。
　東海道新幹線は全線25kV、60Hzの交流で電化され、一編成あたりの電車電流は常時400A程度であるが、レールを流れる電車電流は最大800Aに達することが予想される。
　この電流は2本のレールに2分されて流れるが、左右のレールを流れる電車電流に差があると、この差の電流すなわち不平衡電流によってレール間に極めて大きい妨害電圧を発生する。
　新幹線電車のとる電車電流の高調波は、nを高調波次数とすると実測の結果2.2(+-0.8)/n*n程度含まれているから、80A(全電流の10％)の不平衡があると等価還流分は40Aとなり、第13次の高調波780Hzの妨害電流は0.5Aに達する。
　受電端レール間の負荷インピーダンスを3オーム、最小信号レール電流を0.025A(2.7dBm)とすると上記の妨害電流はちょうどこの20倍である。
　DSB式ではこのような大きい妨害電圧に耐えられないが(2)、SSB式では理論上は全然妨害の影響を受けることなく(5)、実測のうえでも20倍までは充分耐えられることを確かめてある。
　ただ電源に同期しない妨害電圧が入ってくると、極めてまれではあるが危険な動作をすることが予想される。実際にはこの妨害のレベルは低いので、この影響はレベルの差によって充分防げる。
　SSB式は上述のように定常的な妨害に対しては極めて強いが、不連続的に現われる妨害に対してはやや弱い。これは継電器の時素その他で防いでいる。また復調のため電源に同期した局部電圧を必要とする点は、車上装置にとってやや不便を感ずることがある。

　このようにすれば発電機が故障したときの出力周波数は零になり、これは−10km/hの速度に相当するから、これにより発電機の故障と列車の停止とを明確に区別することができる。
　速度照査器にとってこのことは極めて重要である。車輪径の補正は830〜910mmの間を10mmずつできる。
　このようにして発生した交流電圧を高域減衰特性をもつ増幅回路を経て電圧をほぼそろえたうえで、シュミット回路へ入れて波形整形し、ワンショットマルチバイブレータヘ入れる。この出力のパルス幅は一定になるから、これを積分回路へ入れて周波数に比例した直流電圧を得る。
　一方、それぞれの制限速度210〜30km/hと停止後確認の条件を得るための停止とみなす速度5km/h、 および速度発電機の60Hz励振電圧の有無を知るための速度−5km/hの諸速度に対応する基準電圧を直流12V電源から作る。
　このようにして得られた速度発電機からの電圧と基準電圧作成部からの電圧を差動増幅器からなる比較器(上昇用と下降用)へ入れて比較するが、この時たとえば列車速度が150km/hであると、これに対応する電圧が上昇用比較器と下降用比較器へそれぞれ入る。
　一方、基準電圧作成部からは160km/hの制限速度に対応する基準電圧が上昇用比較器へ入り、110km/hの制限速度に対応する基準電圧が下降用比較器へ入る。
　この状態では速度発電機からの電圧はちょうど上記2制限速度に対応する基準電圧の間に挟まれることになり、それぞれの比較器からは正常な出力電圧が出て基準電圧切換用の継電器を励磁し、列車速度が160〜110km/hの速度帯にあることを安定に表示する。
　もし列車速度が上がって160km/hの制限速度を越すと、上昇用比鞍置の出力が零となって切換継電器を消磁し、速度帯は210〜160km/hに切り替わって両び安定する。

7 自動制御機構 top

　論理装置は制限速度と列車速度を比較してブレーキ指令を出す部分であるが、上述のように両入力が継電器接点の開閉によって構成されているから、この両者の突き合せもまた継電器接点の組み合わせによって行なう。つまり継電器式である。
　この継電器にはワイヤスプリング継電器を用いているが、出力部など重要なところへは信頼度の高い多接点の鉄道信号用の継電器を用いる。

　故障の系が切り離され、残りの2系で走行中さらに1系が故障すると、動作の不一致によって系全体が切り離され非常ブレーキが動作する。同期指令は制限速度を越えた時だけ発せられるが、第3号機は同期指令を発せず、また速度指令も発しないように簡易化されている。
　通常のブレーキ指令は常用ブレーキであるが、列車速度が210km/h以上で車内信号が160以下の時と、列車速度が160km/h以上で車内信号が110以下の時、列車速度が30km/h以上で車内信号が零の時および列車速度が30km/h以下の時でも車内信号が03のときの各場合はいずれも非常ブレーキが動作する。
　非常ブレーキの時でも列車速度が制限速度以下に低下すればブレーキは自動的に緩解するが、特に30または零の信号を受けて非常ブレーキが動作した時は、いったん停止後確認扱いをしないとブレーキは緩解しない。
　入換え運転の時は車内信号に関係なく、30km/h以下の速度で運転できるが、30 km/hの制限速度を越えた時は常用ブレーキ、03信号を受信した時は非常ブレーキが動作する。退行運転の時の制限速度は機構上25km/hになる。

8 ブレーキ機構 top

　ブレーキは電気ブレーキと空気ブレーキからなるが、空気ブレーキは油圧に変換されて円盤ブレーキを動作させるので、これが余り頻繁に動作すると摩耗が早いことと、低速度では電気ブレーキの効果が少ないため、50km/h以上のときは電気ブレーキが動作し、50km/h以下のときは空気ブレーキが動作するように切り替わる。
　ただし電気ブレーキが故障したときは、50km/h以上の時でも空気ブレーキに自動的に切り替わる。
　また高速度から強いブレーキをかけると、車輪が滑走して脱線などの事故の原因になるので、ブレーキカは速度範囲に応じて4段階に分け、高速度ほどブレーキ力を弱めてある。
　すなわち260から160km/hまでは1.5km/h/秒、160から110km/hまでは1.9km/h/秒、110から70km/hまでは2.4km/h/秒、70km/hから停止までは2.6km/h/秒の減速度を標準とし、自動的に切り替わる。
　この減速度には走行抵抗によるものは含まれない。
　電気ブレーキの指令が出てから実際にブレーキ力が作用するまでの遅れを極力少なくするため、それぞれの速度範囲における最適の抵抗値へ、抵抗器のカム軸をあらかじめ自動的に回転しておく。これをSpottingというが、この時の速度範囲は110以上、110〜70、70〜0km/hの3範囲になっている。
　非常ブレーキの場合は高速度においても空気ブレーキを動作させ、電空併用によって1.4倍のブレーキ力を与えるようになっている。
　このほか車掌弁を扱った場合、列車分離など緊急の場合は緊急ブレーキを動作させるが、これは空気ブレーキだけからなる。

9 あとがき top

　以上述べたように、東海道新幹線のATCは25kVの交流電化区間へ使用され、妨害電圧の影響を排除するため電源同期のSSB-AF式を採用し、地上車上装置とも全部エレクトロニクス式であること、信号現示が7種類もあり、最高の制限速度が210km/hに達するという世界に例のない全く新しい日本独得の方式である。

　昭和39年10月にはいよいよ東京−大阪間の全線にわたって正式使用を開始することになっているが、7年有余の長い研究がここにようやく実を結ぶ日を迎えるにいたったことはまことに感慨無量である。
　と同時に、この研究のために、またこの設計、製作、工事などのために、実に多くの方々の貴重な努力が払われていることを考えるとなんとも感謝の言葉がない次第である。

文献

(1)河辺：交通技術12,349(昭32)
(2)H.Kawanabe：Rwy.Tech.Res. No.6,9(1958-8)
(3)河辺・影山：特許311221
(4)H.Kawanabe：Rwy.Tech.Res.No.7,1(1958-12)
(5)河辺・板倉・遊佐；昭36電気学会東京支部大会383
(6)河辺・遊佐：特許425241
(7)河辺・奥村・中山・伊藤:東海道新幹線に関する研究(第1冊)212(昭35-4)
(8)河辺・板倉・遊佐:東海道新幹線に関する研究(第2冊)345(昭36-4)
(9)河辺・板倉・遊佐:東海道新幹線に関する研究(第3冊)431(昭37-4)
(10）河辺・遊佐:東海道新幹線に関する研究(第4冊)411(昭38-4)
(11)河辺・清沢：東海道新幹線に関する研究(第5冊)635��39-4)