埼京線ATACS対応工事(2016年1月取材)

浮間舟渡駅大宮方に新設されたATACS基地局

埼京線池袋~大宮間では、来る2017年秋に新しい信号保安システム「ATACS」が導入されます。現在、車両と地上設備双方でこのATACSの対応工事が進められています。今年1月にこの工事全般について調査をしましたので、JRが公表している資料も交えながらその状況をお伝えします。

▼関連記事
仙石線で導入される新しい信号システム「ATACS」(2010年9月5日作成)

■新しい信号保安システム「ATACS」とは
従来の閉塞を用いた信号システムのイメージ。線路を一定区間ごとに区切り、各区間に1列車のみ存在させ、先行列車に近づくほど制限速度を低くすることで衝突を防止する。
従来の閉塞を用いた信号システムのイメージ。線路を一定区間ごとに区切り、各区間に1列車のみ存在させ、先行列車に近づくほど制限速度を低くすることで衝突を防止する。

 これまでの鉄道は、線路を一定区間ごとに区切り、その間に1本ずつの列車しか進入できないようにする「閉塞」という考え方により列車同士の間隔を適切に保つ運行方法をとってきました。このシステムは鉄道開発以来百数十年間に渡る歴史があり、確固たる信頼性を有しています。その反面、地上設備に列車の運行間隔が完全に支配されるため、複線区間で事故が発生した場合残っている線路を逆走できず完全に運行がストップしてしまう、リレーや長距離のケーブルを多用した設備の維持に多大なコストと人手を要する、工事車両をシステム上扱えず安全上問題が残るなど、現代の大都市における過密運行には対応しきれなくなっている面が多々あります。

ATACSの列車間隔制御のイメージ。車両・基地局双方が無線により現在位置をリアルタイムで把握し、後続列車に対し進んでよい限界点を指示する。
ATACSの列車間隔制御のイメージ。車両・基地局双方が無線により現在位置をリアルタイムで把握し、後続列車に対し進んでよい限界点を指示する。

 ATACSAdvanced Train Administration and Communications System)では、これらの問題を無線を用いることに解決しました。ATACSでは、車両と地上にある「基地局(拠点装置)」に走行線区の線路情報を記録したデータベース(単純に言うと「地図」)を持っており、双方を無線で常時接続して車両の存在位置を把握します。基地局は、無線で得られた先行列車の位置に加え、遮断前の踏切、エアセクション、工事区間、駅の非常ボタンの動作など様々な条件を勘案して各列車が進んでよい限界点を算出し、各車両に無線で返答します。各車両では、返ってきた限界点と車上のデータベースに記録されている勾配・カーブの速度制限などの情報を総合して運転台に現在の制限速度を表示し、現在の速度が制限速度を上回っている場合はブレーキを動作させます。この様子はあたかも従来の信号システムにおける閉塞が時々刻々と移動しているようにも見えることから、「移動閉塞」とも称されています。また、列車の位置管理にハードウェアを使用しないため、単線並列運行いったイレギュラーな運行も自由自在に構成することが可能となり、運行の柔軟性・安全性が向上します。

仙石線を走る205系3100番台。フロントガラス左下に書かれているのがATACS無線機の固有ID。 仙石線205系3100番台の運転台。計器パネル右上のモニターにATACSの開通情報が表示される。
左(1):仙石線を走る205系3100番台。フロントガラス左下に書かれているのがATACS無線機の固有ID。
右(2):仙石線205系3100番台の運転台。計器パネル右上のモニターにATACSの開通情報が表示される。いずれも2010年7月24日撮影


 このATACSは、従来の信号システムの考え方を根本から覆すものであるため、安全性を見極めるべく1995(平成7)年より宮城県を走る仙石線で10年以上に渡りテストが続けられてきました。そして、社内外の有識者を交えた検討も実施し、問題がないとの結論を得たことから、2011(平成23)年春より運用が開始されることとされました。導入を間近に控えた同年3月11日には東日本大震災で仙石線は甚大な被害を受け、その後も台風の被害があり半年遅れの2011年9月25日に使用を開始しました。翌年には踏切制御などの応用機能が導入され、現在も問題なく運用が継続されています。

■埼京線で進むATACSの導入準備
埼京線の駅構内に掲出されているATCによる急ブレーキに関する注意書き。
埼京線の駅構内に掲出されているATCによる急ブレーキに関する注意書き。2013年8月24日、北与野駅で撮影

 埼京線では、1985(昭和60)年の開業以来「ATC-6形」と呼ばれる信号システムを使用してきました。これは、閉塞ごとにレールに流す電流の周波数を変化させることにより、車両に制限速度を伝達するものです。このシステムでは、閉塞の境界(=レールの絶縁継目)が信号の変化点となるため、レールに多数の絶縁継目を設ける必要が生じ、メンテナンスや騒音・振動が増大する原因となっています。また、導入時点の車両性能(具体的には103系のブレーキ性能)を元にシステムが設計されているたため、ブレーキ性能が向上した最新車両(E233系7000番台)では不必要な余裕距離が生じ、スピードアップや増発の妨げとなっています。さらに、最新のATCと異なり同時に送信できる情報量が1種類しかないため、前方の制限速度の変化を事前に運転士に伝えることができず、突然常用最大ブレーキがかかり乗り心地が悪くなってしまいます。急ブレーキ問題は、ブレーキ力が大幅に向上したE233系導入以降顕著になっており、一部駅では乗客に急ブレーキに注意するよう掲示(上写真)が出されるほどです。
 JR東日本では2000年代後半より、この老朽化したATC-6形の更新にATACSを採用することを検討しており、仙石線での運用で問題が無かったことから、2013年10月に埼京線への導入を正式に発表しました。首都圏でのATACS導入に際しては、高層ビルによる電波遮蔽といった仙石線とは環境が異なる部分もあります。そこで、導入正式発表に先立つ2011年より2年間、池袋~赤羽間に試験用の基地局を3箇所設置し、車両~基地局間の通信性能向上に主眼を置いた新技術の開発が実施されました。(詳しくは各項目で後述)正式発表後は、順次地上への基地局設置や車両改造が進められています。

●基地局・地上設備
与野本町駅のATACS基地局。ここは特にアンテナの本数が多く、各方向に4本ずつアンテナが設置されている。
与野本町駅のATACS基地局。ここは特にアンテナの本数が多く、各方向に4本ずつアンテナが設置されている。

 埼京線のATACS基地局は、池袋駅北側、板橋~十条間、十条~赤羽間、浮間舟渡駅、戸田駅、武蔵浦和駅、与野本町駅の7箇所に設けられました。このうち、池袋~赤羽間の3箇所は前述の試験時に設置されたものを流用しています。いずれも、仙石線と同様鋼管円柱の最上部に線路方向へ向けて八木アンテナが装着されていますが、埼京線ではアンテナが2組ずつに増強されています。これは埼京線では高層ビルによる遮蔽・乱反射や基地局同士が接近することによる電波障害対策で、各組ごとに電波の発射タイミングをずらすことで、車両へ確実に電波を送信できるようにするものです。この技術を「送信ダイバーシティ(チ)」と言い、携帯電話などの移動体通信で広く利用されています。

板橋~十条間にある「板橋サテライトアンテナ」。手前にあるトラス柱は試験時に設置したアンテナ。
板橋~十条間にある「板橋サテライトアンテナ」。手前にあるトラス柱は試験時に設置したアンテナ。

 また、試験用基地局を設置した池袋~赤羽間は他と比べて基地局同士の間隔が狭くなっています。このうち、板橋~十条間に設置されているものは「板橋サテライトアンテナ」といい、池袋基地局と同一の内容を送信する基地局となっています。これも高層ビルにより電波が弱くなってしまうのを補う目的で設置されたものです。複数の基地局で同一の内容を送受信する場合、双方の基地局間の伝送速度の問題で電波発射のタイミングにずれが生じ、かえって通信品質が悪化することが懸念されました。ここでは、光ファイバーを使った超高速通信によりそのずれを最小限に抑えるとともに、車両側でも受信タイミングのずれによる影響を抑えるアルゴリズムを加え、問題がないことを確認しています。
 なお、赤羽~北赤羽間と大宮駅周辺のトンネル内は、通常のアンテナでは送受信が困難であるため、漏洩同軸ケーブル(LCX)が敷設されています。

線路上に設置されたATACS地点補正地上子。 名盤には「ATACS位置補正地上子(電文固定形)」と書かれている。
線路上に設置されたATACS地点補正地上子。名盤には「ATACS位置補正地上子(電文固定形)」と書かれている。(右写真はクリックで高解像度画像表示)駅構内は先頭車の停止位置直後に置かれることが多い。

 ATACSでは、デジタルATCと同様車両側の現在位置の把握に車輪の回転数を用いますが、車輪はレール上の付着物等の影響により空転・滑走が生じ、実際の位置との間に誤差が発生します。このため、一定距離ごとに地上子を置いて誤差をリセットするシステムとなっています。池袋~大宮間では各所で線路上にこの位置補正のための地上子が新設されています。地上子は仙石線と同様白色の無電源地上子で、駅構内では停止位置の直後、駅間では数百メートル程度の等間隔で設置されています。また、赤羽、武蔵浦和、大宮など主要駅には、車両側の無線機故障時にチェックポイントとして使用する細長い地上子(ID地上子)が設置されています。(→仙石線のID地上子の写真

●車両(JR東日本E233系7000番台・東京臨海高速鉄道70-000形)
ATACSが搭載されたE233系7000番台。フロントガラス右下にはID番号のステッカーが貼られた。
先頭車屋根のATACSアンテナ(赤の矢印が追加されたアンテナ) ボタンが追加された運転台の保安装置・種別選択スイッチ
10号車床下の「ATACS車上無線装置」「ATC/P」箱 1号車床下の「ID電源装置」
1段目:ATACSが搭載されたE233系7000番台。フロントガラス右下にはID番号のステッカーが貼られた。
2段目左:先頭車屋根のATACSアンテナ(赤の矢印が追加されたアンテナ)
2段目右:ボタンが追加された運転台の保安装置・種別選択スイッチ(クリックで説明入り画像表示) ※改造前の写真は→こちら
3段目左:10号車床下の「ATACS車上無線装置」「ATC/P」箱
3段目右:1号車床下の「ID電源装置」。パンタグラフ降下中もATACS無線機へ電力を供給するバッテリーが内蔵されている。


2013年6月より埼京線に導入されたE233系7000番台は、製造時よりアンテナ台座の設置、床下への搭載スペース確保といったATACSの搭載準備が行われており、昨年以降本搭載改造が進められています。改造内容は

①フロントガラスへのID番号ステッカー貼り付け
②運転台の保安装置選択スイッチへの「ATACS」ポジション・列車種別・パターン選択スイッチ追加
③先頭車屋根へのATACSアンテナ(2本)追加
④10号車(クハE233-7000)床下への「ATACS車上無線装置」箱追加
⑤10号車のATC/ATS統合形保安装置への基盤追加・ソフト書き換え
⑥1号車(クハE232-7000)床下への「ID電源装置」箱追加


などとなっています。この改造期間中の予備車両を確保するため、引退予定の205系第28編成が現在も運用中です。

ATACSが搭載されたTWR70-000形。
先頭車前部のアンテナ 先頭車後部のアンテナ
ATACSが搭載されたTWR70-000形。各先頭車の前部に1本、後部に2本アンテナが追加された。

また、埼京線に乗り入れるりんかい線(東京臨海高速鉄道)70-000形についても同様の改造が実施されており、こちらは床下にある既存のATC機器を撤去してATACSの機能を内包した統合型保安装置に置き換えることにより対応しています。
 なお、ATACSでは故障の際の原因究明のため、常時車上装置に動作ログを記録していますが、仙石線ではこのログの吸い出すのに有線で機器を接続する必要がありました。埼京線ではこの手間を省くため、汎用無線を利用し、リアルタイムで地上へログを送信する方式に変更しています。

■各社で無線式保安装置の導入が計画
 仙石線でのATACSの成功を受け、国内の鉄道事業者各社で無線式の信号保安システムの導入が次々と計画されています。一例として、JR東日本では常磐緩行線にATACSとは異なるCBTCと呼ばれる無線式の保安装置の導入を計画しており、2014年にはフランスの大手電機メーカータレス社と設計契約を締結しています。また、東京メトロでは2022年度を目標に丸ノ内線へCBTCを導入することを発表しました。無線式の保安装置は海外でも主流となりつつあり、今後国内外のメーカーを巻き込み競争が激しくなると予想されます。
 首都圏では、東京メトロ副都心線や、上野東京ラインに代表される広範囲にわたる相互直通運転が多く行われるようになり、それに伴う輸送障害も頻発するようになりました。こういった条件では、無線式の保安装置を利用した柔軟な運行が大きな威力を発揮するものとみられ、今後の導入拡大が期待されます。

▼参考
●技術論文
無線による列車制御システム(ATACS) - JR EAST Technical Review-No.5(PDF/172KB)
無線による列車制御システムATACSプロトタイプ試験結果 - JR EAST Technical Review-No.12(PDF)(PDF/1.1MB)
仙石線におけるATACSの実用化 - JR EAST Technical Review-No.28(PDF)(PDF/1.66MB)
無線を用いた列車制御システムATACSの概要 - JR EAST Technical Review-No.43(PDF/510KB)
首都圏ATACS無線装置の開発 - JR EAST Technical Review-No.43(PDF/1.28MB)
仙石線のATACS - 運転協会誌2009年4月号11~14ページ
JR東日本における無線による列車制御技術・ATACS - 鉄道車両と技術2014年5月号27~31ページ
埼京線のATACS導入 - JREA2014年1月号35~38ページ

●JR東日本プレスリリース
無線による列車制御システム(ATACS)の実用化について(2009年4月7日)(PDF/518KB)
埼京線への無線式列車制御システム(ATACS)の導入について(2013年10月8日)(PDF/293KB)
常磐緩行線へのCBTC導入検討の設計契約をタレスと締結しました(2014年5月22日)(PDF/337KB)

●その他
鉄道におけるワイヤレスブロードバンド活用の今後の展望 - 総務省(PDF/1.39MB)
~日本の地下鉄用列車制御システムとして初導入~ 丸ノ内線に無線式列車制御システム(CBTCシステム)を導入します - 東京メトロニュースリリース このエントリーをはてなブックマークに追加
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コメント


>東京メトロ副都心線や、上野東京ラインに代表される広範囲にわたる相互直通運転
>無線式の保安装置を利用した柔軟な運行が大きな威力を発揮する

ATACSやCBTCは、車上DBを積んでいるため
改良工事などで路線の地理情報が変更になった際の更新が問題です。

仮に、他社と複雑に乗り入れている副都心線にCBTCを導入した場合、DB更新の際は東急や西武など車両を保有する他社に依頼する形になります。
DBを持たない現行のCS-ATCでは工事の際(たとえば小竹向原の8号連絡線工事)も自社で完結しますが、他社に協力してもらうとなると、手間も費用もかかります。
(自社線なら、車両基地内で無線によるDBの一斉アップデートも可能)

小田急のD-ATS-Pや東上線のT-DATCでは、3閉塞先までの地理情報を地上子から都度取得する形でこの問題を回避していますが、閉塞の概念のない無線式の保安装置だと難しいと思います。

無線式の保安装置には、まだまだ課題が多いですね。
2016/03/05 12:31 | URL | 投稿者:yamanotesen [編集]
Re: タイトルなし
yamanotesen 様

車上DBのデメリットについては仰せのとおりであり、東武・小田急の新保安装置は他社線への影響を抑えるべく地上子から情報を受け取る形を採用しました。ただ、車上DBを利用する保安装置であってもJR九州のATS-DKのように極めて広範囲をカバーしている例もありますので、ストレージの高性能化や無線による書き換え方法の確立次第では複数バージョンを併存させながら切り替えることが可能になるのではないかとみています。(ただし、その分DBの正当性のチェック作業も膨大な手間を必要とするためシステム開発がパンクしてしまう恐れもあり、やはり限度はあります…)
2016/03/29 22:22 | URL | 投稿者:takuya870625(管理人)
急ブレーキ問題
通勤で埼京線を使っている者です。
ATCブレーキの件について、「急ブレーキ問題は、ブレーキ力が大幅に向上したE233系導入以降顕著になっており」となっておりますが、この記述については疑問があります。
利用者の視点からすると、205系のあのカックンブレーキの方が、よほど乗客への影響が大きいように感じられます。今でもラッシュ時を含め月に1回程度は205系に当たることがありますが、実感としてそう思わざるを得ないのです。
ポスターにしても、書かれているイラストが205系になっている通り、5年前頃にはすでに存在していたように思います。
もちろんアナログATCの問題点については疑問の余地はありませんが、気になったので書き込ませていただきました。

一時は一ヶ月毎朝数十分単位の遅れで運行していた埼京線、直通運転の闇としてこちらで取り上げてほしいと思ったことすらありましたが、ダイヤ改正以降一時期よりは安定感があるように思います。ATACS導入と合わせて、さらなる改善を期待しているところです。
2016/04/20 12:34 | URL | 投稿者:E235-7000 [編集]
Re: 急ブレーキ問題
E235-7000 様

ATCブレーキの応答性に関しては、車両による個体差があることに加え、運転士によっては待避線進入など制限速度が常に一定になっている箇所では現示変化を予測し、軌道回路境界手前で手動で弱いブレーキをかけて衝撃を抑えていることもあります。(最新のATCではATCブレーキ動作時に最初の0.5秒間を常用最大の半分のブレーキとすることでこの問題を解決しています。)その他、天候等の条件により操縦パターンも乗り心地も大きく変化してしまうことがあることをご承知ください。
2016/04/21 01:09 | URL | 投稿者:takuya870625(管理人)
無線制御の車上DBについて
管理主さまには、更新される度に、その情報収集能力・内容の濃さに尊敬させてもらっています。

コメントでの車上DB課題についてですが、無線制御でも小田急や東武のような、地上にDBを置くことができるのではないですか。無線制御は、閉塞の概念がないというより固定閉塞から移動閉塞になり、車両自体が現在位置を計りながら運行します。なので、車両と無線拠点の間でDBを更新する、もしくは位置補正地上子にDB機能も付与する等できると思います。
2016/04/29 18:54 | URL | 投稿者:ひょっとこ
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