変周式ATS　共振型地上子,変周式、　　#32

変周式地上子

[図-1] 原型(大型)

[図-2] 検測車対応

[図-3] 小型地上子

[図-4] 速度照査等(小型)

変周式か共振式か　 （方式名称）　　　　　　　　　　<1>
　　　FFT式vs変周式

車上子の１次２次コイル間の減衰度が≒50dBとされている。 　周波数の高い方向にのみ変周される弛張発信動作とすればアンプの増幅度は50dBよりかなり大きいものと考えられる。 　共振回路である地上子コイルが接近して電磁結合することで共振周波数での閉ループ利得が上がり変周される。

変周式ATS車上子＠京王電鉄 平板状のものが車上子コイル

単変周型-多変周型　 (１地上子の共振周波数の数)　<2>
　　　単情報-多情報

　　　「ＡＴＳ・ＡＴＣ」　　 「電気鉄道ハンドブック｣･｢鉄道技術ポケットブック」
×鉄電協・鉄道総研 vs 電気学会編集委員会・オーム社編集委員会○ 　　<2.1>

　 鉄電協「ATS・ATC」p4,Q&Aの分類記載（＝OER,KTR,KNT型を多情報とし、−SN以降を多変周）は前述の経過に反しての新分類であり、妥当ではない。同内容の、鉄道総研'04/05刊の「わかりやすい鉄道技術２電気編」p31VII-〜2＆「同３、車両運転編」p53II-2の分類も失当である。
　'61年C型車警として共振周波数１波の変周式が採用され−Ｓ型車警となり、'66年ATS全国設置でATS-Sとなり、'67年私鉄ATS通達での小田急・京王・近鉄が採用した信号現示数だけ共振周波数を準備した方式との対比で多変周式−単変周式と区別された。
　22年後、東中野、北殿衝突事故対応に'89年末-SN即時停止地上子が導入され複数周波化したが、地上子構造は変わらないので、そこでは単変周-多変周の区分は維持された。分類呼称を「単変周−多変周」から「単情報−多情報」に変えたのはやはり電気検測車対応で単変周地上子に待機時にも共振周波数が割り当てられてからである。
　もっとも、車上装置でみると'89年の-SN以降-Sx系は複数周波数の変周式だから、ハード構造的には私鉄の多変周式と同じで、コマンド割り付けの違いだが、地上子がコマンドとして複数の共振周波数を持つことを「多変周式」として既に広く拡がった呼称を、22年以上も後発のＪＲが自社方式に使い、私鉄各社から奪って勝手に「多情報変周式」と呼び変えさせようと言う構図にかなりの無茶があり、混乱を持ち込んでいるのだが、20年を経て表だった整理の動きは感じらず、近刊の参照されやすいハンドブック・ポケットブック等で妥当な表記となっている。

　私鉄ATSの変周方式を供用・命名経過に従って、穏当に扱っている鉄道専門書としては、

1. 電気鉄道ハンドブック（電気学会編コロナ社07/02刊p671右L10〜，p674左L17〜
   　　-ST速照を「単変周車上時間比較速度照査型ATS」としている。p673右L6\31,500.）
   
2. 鉄道技術ポケットブック（同編集委員会編オーム社2012/03/20刊p386図4･2･3記事p388L−2〜393\18,000.）
   
3. 鉄道信号・保安システムが分かる本（中村英夫編著、オーム社2013/05/20刊p53図4･10記事p54〜56\2,400.）
   
4. 信号保安・鉄道通信入門：鉄道業務セミナーNo.2（菱沼好章著中央書院'88/03/15刊'91/06/25改訂\1,900.）
   　　ATS-SNについて4行、ATS-Sにつき20行述べているだけで単変周-多変周などの構造記述なし。ＪＲ東日本地域本社電気部長著
   

には正確な解説がされている。更に地上子のLC共振周波数を制御コマンドとする方式であることに触れている、初心・門外漢の理解を助ける丁寧な本もある。

　鉄道業界共通基礎技術テキストとか、鉄道総研監修技術パンフとかで、妥当でない解説があると、内容を熟知しているベテランは読み流して支障はないが、初心者・門外漢ほど不適切な記事に振り回されて混乱して、鉄道総研の絶大な信用性と権威を貶めるのではないかと心配になってしまう。

　かって東海道新幹線敷設に際しての保線作業量の見積を依頼された鉄道技研が、200km/hもの高速運行データが存在しないことから、仮指標的に最も単純な「通トン」仮説を返したものが金科玉条化してしまい、現実には１桁多い保線作業量になったのに全くフィードバックされずに路盤損傷を進行させてしまい、延べ50回近くの半日運休で補修せざるを得なくするような失態は、点検・フィードバック体制が無いからなのか、結果を点検しない方が悪いのか･･････？、せめて「折れ線近似」を想定した「速度２乗近似」で返していたら、そして「実績データなしの仮推定で、開通後の運行実績で修正されるべきもの」と注釈付きで現場に返していたら、あそこまで深刻な事態にはしないで対策できたはず。
　後のデータ整理で「軸重の４乗比例」も出てきたが、総て０系車両、軸重15トン一律だったから、軽負荷・高速車両開発には重要項でも、当面の保線作業量積算には影響せず、折れ線近似対応の速度２乗項でバッチリ近似できた。（不感領域がある折れ線特性が想定されるのに、なぜ特性が似通ってデータ扱いの楽な２乗近似を採用せず単純比例近似したのか？という近似技術上の問題もあるのだが･････See.右グラフ→）。 See

共振のＱ 　　　<Q> 　Ｑとは共振の鋭さを表す指標で、共振時の振動の増倍率をいう。 　[図-2]のLC共振回路で直列抵抗分をR、角周波数をω、回路電流をI、誘起電圧をE、虚数単位をｊ として丁度共振しているとき（＝LとCの電圧が逆極性で等しいとき） 　　E＝I｛R＋ｊωL−ｊ１／ωC}＝IR だから、 　　電圧比Ｑ＝ωL／R＝１／ωCR となる。 　変周式地上子のＱは70〜110と規定されているので、仮に100としてコイルの等価的な直列抵抗Rを推定すると 　 R＝１／ωCＱ 　　＝1/(2π*130*103*4.8*10-9*100) 　　＝104/(2π*4.8*130) 　　＝2.55Ω となる。 　L,CのインピーダンスはＲのＱ倍だから 　Ｚc＝ＺL＝2.55×100＝255Ω である。

ATS-Sx概説　　(点制御)
　　　３機能２種が現存　　<3>

• 国鉄時代からのATS-S警報機能は共振周波数130kHz(129.3kHz)で、これは現在も駅間の閉塞信号に用いている。(拠点P方式でも同様)。信号機手前の停止可能位置(≒600m等)と出発信号直下（≒20m）に設置したが、一旦警告後は全く放置で事故を繰り返し、正しい操作にも一律に警告を発して確認扱い操作を求めて嫌われ「目覚まし時計」などと揶揄されている。新宿駅構内タンク車衝突炎上事故を機に場内信号直下にも設置したがそれは警報機能なのであまり意味はなかった。
  
• 東中野駅追突事故88/12と北殿駅正面衝突事故89/04を受けて、ATS-Sに即時停止機能を加える開発をJR東海とJR東日本が引き受けてJR全社の絶対信号(出発＆場内信号)直下に設置した。コマンド周波数は123kHz。呼称はJR東日本でATS-S_N、JR北海道でATS-SN、JR貨物でATS-SF(旧)とした。
  
• '68年頃多発した分岐器での過速度転覆事故に対応して「分岐器過速度警報装置/防止装置」を構成、→ <４>に記す
  
  
• JR東海は更に「分岐器過速度警報装置」では無防備だった60km/h以上を中心に適用する分岐器過速度防止装置構成を想定した専用の速度照査機能を加え、108.5kHz地上子２基の通過時間を基準時間と比較する方式で60km/h以上の高速域の速度制限を実現しATS-STとした(車上の常時発振周波数を103kHzに2kHz下げている)。地上装置は動作電源無用の地上子設置だけで済み速度照査設置が簡単になった。
  
• JR西日本は上記ATS-STの車上装置を再設計してCPU方式とし、列車番号通知機能を取り除いてATS-Swとし、残るJR各社はこれをそのまま採用してそれぞれ、JR九州ATS-SK、JR四国ATS-SSとした。更に貨物の事故が重なり、後を追ってJR貨物もATS-SFに速度照査ボードを追加しATS-ST仕様とした。
  

  国鉄JR系変周式ATS分類

  名称		機能	共振周波数		備考
  			ON	OFF
  ATS-S		警報	130	105 /103	閉塞信号に現用	全JR 共通
  ATS-Sn		＋即時停止	123		東日本-Sn, 北海道-SN
  ATS-ST		＋速度照査	108.5	103	列番通知機能付	JR東海
  ATS-Sx					西日本-Sw,九州-SK, 四国-SS,貨物-SF
  ATS-Ps		＋パターン 　　照査	＋４種 組合せ	73	-PsはSxの上位 コンパチ系列	JR 東日本
  		Ps拡張用共振fr.：80,85,90,95kHz4種 無効時73kHz、P消去103kHz、+踏切100kHz
  -Sn(SN)の車上自由発振周波数は105kHz、 地上子不動作時共振周波数は103kHz 振り子車自由発振84kHzにて位置マーカ103kHz地上子検出

• 以上２種３機能のJR型変周式ATSを通称「ATS-Sx」と呼ぶ。すなわち-ST速照機能の有無でJR東海以西がATS-ST系、残る東日本と北海道がATS-SN系となっている。警報機能(S)と即時停止機能(N)はJR各社総てに共通である。（ATS-STもJR西日本以西と完全互換である。）
  　しかし即時停止地上子設置個所でも最高速度での冒進が可能で、安全を完全には担保できず、土佐くろしお鉄道宿毛事故となって弱点を顕わにした。

  [Sx諸機能の応用] 　　　<4>

• 側線に高速のまま進入して転覆する事故の対応として、地上コイルで列車を検出して地上タイマーにより一定時間警報地上子を有効として、過速の場合に警報を発する速度照査装置を開発し分岐器過速度警報装置（＝分岐器速度制限装置）を構成したが、警告後５秒間の確認扱い時間が必要なため60km/h以上の速度制限に対応できず、'84年、西明石で特急富士が60km/h制限の渡り線に約100km/hで進入して大破する事故を起こしてH-ATS(＝後のATS-P)及びATS-ST開発の契機となった。
  

  分岐器過速度警報装置 パイプが列車検知コイル、地上子は130kHz警報、 手前向きに設置 (伊豆箱根鉄道駿豆線三島駅入口)

• JR東海は速度照査地上子108.5kHz４〜５対でY現示速度以下に対する過走防止装置を構成して先ず行き止まり駅に設置、続いて合流のある絶対信号に設置した。これはJR東日本の対貨物などにも設置された。（Y現示速度以上には対応できない。最高速度で突入した土佐くろしお鉄道宿毛事故では停められなかった。過速度防止装置との併用が必要になり、最高速度から防御するには合計11基〜19基の地上子が必要。(ATS-Pでは1〜2〜4基）
  
• 速度照査機能はATS-SNにも存在し、列車検出コイルで地上タイマーを起動して、このタイマーが復帰して地上子を断にするまでに列車が到達すると過速度として即時停止や警報を発する。これは電源の不要な-ST速度照査とは違い、地上機器用の電源が必要なためほとんどが駅近傍の分岐器過速度速照にのみ用いられていたが、福知山線尼崎事故を機に即時停止の-SN：123kHzを曲線速度制限としても設置することとなった。
  
• 即時停止地上子123kHzと地上タイマーを使って誤出発防止装置を構成・設置した。停車位置が手前の短編成列車が誤出発すると直下地上子で非常制動を掛けても支障限界までに停まれずに他を支障する事故に対応した。
  
• JR東日本は首都圏のATSをトランスポンダを使ったATS-Pに換装したが、亜幹線でATS-S_Nのまま残された新潟付近と仙台付近には更にATS-Sx上位互換で速度パターン照査式の制御を行うATS-Psを設置した。しかし速度照査と電気検測対応に-Sxとコードの衝突がありその部分につき完全互換ではないため衝突コマンド地上子前に-Ps識別地上子を必要とし-Ps→-Sx区間進入時には手動または地上子コマンドで-Sxモードへの切替が必要だが、-Sxの機能は満たして-Sx→-Psへの自動切替可能であり-Sx車両はそのまま-Ps区間に進入できるので-Sx上位互換という扱いで差し支えない。（参照→[ATS-Ps概説]）
  
• JR東日本車に搭載のATS-SNに-ST速照機能を付加したものを「-SN^・(SNドット)」と呼んでいる。JR東日本とJR東海が熱海で「相互乗り入れ」となり、東海領域への直通列車には必要な機能として追加された。（JR東海からの東京口直通車にもATS-Pが搭載される様になった。）
  
• ATS-Sx系の機能拡張として、位置マーカーと、速度パターン機能を拡張したATS-Psがある。位置マーカーは、制御式振り子車の傾斜制御用として地上子の電気検測用共振周波数103kHzを使ったもの、ATS-Psは新たな共振周波数として80,85,90,95kHzを採用してコマンドを増やしている。変周式車上装置の常時発振周波数はそれに伴い、振り子車で84kHz、ATS-Psで73kHzに改めている。

多変周式ATS　(多情報地上子)　　 <5>

JR適用を避けた私鉄ATS通達　　　　 <6>
　　　JRは国鉄型許容の２重基準

車上子取付オフセット <＋>

ATS-SW/-P 車上子取付位置＠JR西日本207系	ATS-SN車上子取付状況＠JR東日本205系P/N併用車（Click↑）	運転席付近のP/SN搭載表示 クハ204のATS-SN車上子	D51炭水車台車間のATS-S車上子×2（上下線用）
福知山線尼崎事故調査報告書	電車と綱引き！＠京葉電車区一般公開(2015/11/07)		@千葉県船橋市薬園台公園展示（S48.廃車）

［関連リンク］　

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Last Update＝2008/01/16　　 (2008/01/16)

ATS-S 結線図　(一部推定)　　　 <7>

[注]

• 逆論理、負論理は上バー(オーバーライン、一般電気回路の表記）
  
• 接続点は交点にドット「●」、ドット無しは交差（一般電気回路の表記）
  　信号接点の黒丸「●」との混同回避に、表示寸法注意
• 未接続は赤線、
  誤接続切断は×
  
• 信号式接点表記ではメイク／ブレークを上下Vで表せるが、線は横置きに限られる
  
• ５秒タイマーリレーは、最も単純構造としてはコイルに銅板を巻いて短絡し構成した５秒遅延リレーで、１ブロック化されたブラックボックスとして取り付けられている可能性がある。半導体回路としては1963年配備当時の初期の回路に使われたPNP型Ge-Tr.の特性を考えれば、V_BE逆耐圧が1.2V〜5V程度、最大V_CEが30V程度なので、ＣＲマルチバイブレータ回路を構成すると、電源電圧がV_BE逆耐圧の1.2V〜5V程度に制約されるか、またはエミッターにダイオードを直列に挿入して逆電圧を負担させる必要がある。その他あれこれの対応で「５秒タイマーＵＲ」というブロックになっているのではないだろうか？
  　リレー直接駆動のＣＲ回路では５秒の時素はやや困難がある。銅板短絡型の遅延リレーは電話交換機で1秒くらい、1号型ATS(京成、都営1号、京浜急行)で0.8s／3.0sの区別に1.1〜1.4秒Std時素が使われていて、５秒もぎりぎり実現可能かもしれない。