JP2004328993A - 列車制御システム，車上通信ネットワークシステム、及び列車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
列車の各車両のトルク配分をあらかじめ想定するのではなく、状態に応じて柔軟にトルクを分配する。
【解決手段】
列車制御装置１０１は、車上の通信ネットワーク１０３を介して収集した各車両駆動装置１０２の状態に応じて、それぞれの車両駆動装置１０２のトルク指令値を決定する。第一の車両駆動装置１０２のトルク指令値を低減する場合に、当該低減されたトルク量が第一の車両駆動装置１０２とは異なる第二の車両駆動装置１０２に分配されるようにそれぞれの車両駆動装置１０２のトルク指令値を決定するとともに、決定したトルク指令値を通信ネットワーク１０３を介して車両駆動装置１０２に伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、列車制御システム，車上通信ネットワークシステム、及び列車制御装置に関する。

本願発明は複数の車両駆動装置によって走行するシステムであればいずれも適用可能であるが、ここでは鉄道車両を例にとって説明する。

鉄道車両は、数両から十数両の車両が進行方向に接続されている。通常はその中のいくつかの車両にモータを駆動する駆動装置が設けられ、当該モータによって車輪が回転され、車輪の回転によってレール上を進行する。

例えば降雨時においては、レールが濡れることにより摩擦力が小さくなり、車輪が空転，滑走する場合がある。進行方向前方の車両ほどその影響を受けやすいので、従来では、あらかじめ前方の車両のトルクを相対的に低く設定している。

しかし、このように設定しても、空転，滑走が発生する場合がある。そこで、空転・滑走を検知した際に、各駆動装置が独自にモータの出力特性を変更してトルクを低減することにより空転，滑走を防止し、時間とともに規定のトルクに戻す技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、実測で得られたデータに基づいて前方車両の空転，滑走を想定し、車両編成全体として一定のトルクが得られるように、想定した空転，滑走で低減される前方車両のトルクを後方の車両に分配するものである。

特開平５−２７６６０６号公報

しかし、上記従来技術は、実測で得られたデータに基づいて想定した所定の空転，滑走には対応可能であるが、実際にはその想定状況を上回る空転，滑走が生じる可能性がある。特に、新幹線などの高速鉄道の場合には、速度が高いゆえに想定外の空転，滑走が生じる可能性があり、その結果出力されるべきトルクが得られない可能性がある。その結果、例えばブレーキ開始から停止に要する時間や距離が長くなり、次の駅の到達時刻が遅延する。高密度の運行を求められる線区においては、一部の到着時刻の遅延が全体のダイヤに与える影響は大きい。

上記課題を解決するように、トルクの配分をあらかじめ想定するのではなく、状態に応じて柔軟にトルクを分配する。

そこで本発明の列車制御装置は、車上通信ネットワークを介して収集した各車両駆動装置の状態に応じて、それぞれの車両駆動装置のトルク指令値を決定する。第一の車両駆動装置のトルク指令値を低減する場合に、当該低減されたトルク量が第一の車両駆動装置とは異なる第二の車両駆動装置に分配されるようにそれぞれの車両駆動装置のトルク指令値を決定するとともに、決定したトルク指令値を車上通信ネットワークを介して車両駆動装置に伝達する。

例えば鉄道車両に本発明を適用すれば、高速鉄道や高密度線区において空転，滑走が生じても、ブレーキ開始から停止に要する時間や距離を小さく抑え、駅の到達時刻の遅延を減少させることができる。

複数の駆動装置によって走行するシステムとして、ここでは鉄道車両を例にとって説明する。

鉄道車両においては、数両から十数両の車両が接続され、通常はその中のいくつかの車両にインバータ駆動装置が設けられ、さらに各インバータ駆動装置に１個または２個、あるいは４個のモータが並列に接続されるように構成される。各インバータ駆動装置は、先頭車両にある運転装置からのトルク指令を受け取り、モータのトルクが指令値と一致するようにモータを制御する。

鉄道では、鉄で作成された車が鉄のレール上で加減速して運行する。鉄の摩擦係数は小さいため、車輪は空転，滑走しやすい状態にある。また、鉄の摩擦力は表面状態や加重の大小により大きく変化する。降雨時においては、レールが濡れているため摩擦力が小さくなる。従って、決められた線路の上を走行する鉄道車両は、その先頭車両が後続車両よりもその影響を受けやすく、空転，滑走が発生しやすい。

鉄道車両の運行では、メンテナンス効率や加減速性能を確保するために、すべての車両が同一の制御をすることが望ましい。しかしながら、前述した通り、雨天時やレールが濡れている状態においては、前方の車両ほどレール面の影響を受けやすく、空転，滑走が発生しやすい。従って、従来の鉄道車両では、あらかじめ前方の車両ほどトルクを低く設定されている。しかし、このように設定しても、空転，滑走が発生する場合があるので、各インバータ駆動装置は独自にトルクを低減し、空転，滑走を防止して、時間とともに規定のトルクに戻す。また、空転・滑走を検知した際に、各インバータ駆動装置がモータの出力特性を変更することで、既定のトルクが得られるようにする。

従来の鉄道車両は、実測で得られたデータに基づいて最悪の条件を想定し、当該条件でも空転，滑走が発生しないようにするために、前方の車両の中高速域におけるトルクが低減され、低減した当該トルクが後方の車両に分配されて、車両編成全体として一定のトルクが得られるようにしている。しかし、前述したように、従来の鉄道車両は最悪の条件を想定するため、後方の車両へのトルクの分配量が大きく、こうした分配をあらかじめ行ったとしても、空転，滑走が発生することがあり得る。

空転，滑走が発生した場合には、各インバータ駆動装置は、独自にトルクを低減し、空転，滑走を防止して、時間とともに規定のトルクに戻すようにしているため、車両編成全体のトルクが低下することとなる。特に、新幹線などの高速鉄道の場合には、車両編成全体のトルクが低下した結果、十分なトルクを確保できずに、ブレーキ開始から停止に要する時間や距離が長くなり、次の駅の到達時刻が遅延し、ダイヤの乱れが発生する。これを想定して、通常の鉄道ダイヤは余裕を持って設定されているが、高速，高密度の運行を求められる線区においては、この余裕をできるだけ少なくし、晴天時と同等の制御ができることが望ましい。

また高速・高密度の運行が求められる線区では、時間的制約から、天候等に基づき分配方法を切り替えることは難しい。従って従来の技術では、雨天時のみならず晴天時においても同様の分配方法で列車が走行している。そのため、各車両への均等な加減速分配は実現できず、後方の車両ほど、ブレーキの磨耗や、負荷の増大による故障が発生しやすい。

また従来の技術では、空転・滑走が発生した場合に、車両毎にモータ特性を変化させて制御を行っているため、各車両でトルク出力が足りない場合には、それを補填する手段がなく、トルクが低下する。また、モータ特性を記憶するためには記憶装置の容量が多く必要である。

上記課題を解決するように、本実施形態では、トルクの配分をあらかじめ想定するのではなく、走行状態や外界状態を考慮しながらリアルタイムかつ柔軟にトルクを分配する。

具体的には、各車両を通信ネットワークで結び、各車両の状態を考慮しながら動的にトルクを変更する。例えば、各車両駆動装置に装置の状態を監視する監視装置と、監視機能の情報を伝送する通信ネットワークと、各車両駆動装置へのトルクを分配するための列車制御装置を設ける。各車両駆動装置に設置された監視装置は、各車両駆動装置からの情報を読み取り通信ネットワーク等を利用して列車制御装置に伝送する。列車制御装置では、各車両駆動装置のトルク量と監視装置から送られてきた各車両駆動装置の状態により、その装置のトルクを決定する。また、各車両駆動装置のトルクが許容値を超えた場合には、該当装置のトルクを低減し、低減分を他の車両駆動装置へ分配する。調整された各車両駆動装置のトルクは、通信ネットワーク等を介して、各車両駆動装置へ伝送され、各車両駆動装置は列車制御装置からのトルク指令に基づき制御する。

以下、図を用いて説明する。

図１に本発明の一実施形態をなすトルク配分制御を示す。図１（ａ）は車両単位でトルク配分、（ｂ）は台車単位のトルク配分、（ｃ）は車軸単位のトルク配分を示す。先頭車両が空転状態や滑走状態となったときに、先頭車両のトルク指令値を空転や滑走を回避するためのトルク指令値まで低減し、低減したトルク分を２両目以降の車両に分配することにより、列車全体としてのトルク量を維持するものである。すなわち、所定の車両駆動装置に伝送するトルク指令値の低減分は、他の車両駆動装置に伝送するトルク指令値の増加分の和となる。どの程度トルク指令値を低減すべきか、またどの程度のトルクを２両目以降に分配するかは、各車両の車両駆動装置から車両ネットワークを通じて入力した状態情報に基づいて、後述する方法を用いて列車制御装置が決定する。列車制御装置は、通信ネットワークを通じて、当該決定したトルク分配に基づく各車両駆動装置の新たなトルク指令値を出力する。各車両駆動装置は、当該トルク指令値に基づいてモータ，車軸を駆動する。

ここでは２両目以降の車両へのトルク分配について、１両目のトルクの減少分を後部車両に均等に分配する実施形態を示しているが、２両目以降の車両のトルク分配は後部車両に均等である必要はなく、先頭車両でトルクを低減しても、車両全体としてのトルク量を維持できれば、どのような分配方法でも良い。例えば２両目の分配量を少なめにし、後部車両ほど分配量が大きくなるようにトルク分配量を決定しても良い。

図２，図３、及び図４は本発明の一実施形態をなす列車の装置ブロック図である。速度発電機やインバータの速度推定から得られる速度情報(図示せず)，運転台２５０４からのノッチ指令、および各車両駆動装置１０２からの状態情報により、各車両駆動装置１０２へのトルク量を決定する列車制御装置１０１と、列車制御装置１０１からの制御情報をもとに出力トルク量を決定し、また、自身の状態情報を出力する車両駆動装置１０２、およびそれらの制御情報を相互通信する通信ネットワーク１０３で構成されている。

すなわちこの列車制御システムは、列車の各車両を駆動する車両駆動装置１０２と、各車両駆動装置１０２の状態データを伝送する車上の通信ネットワーク１０３と、通信ネットワーク１０３で伝送された状態データを入力し、当該状態データに応じてそれぞれの車両駆動装置１０２へ指令するトルク指令値を決定する列車制御装置１０１とを有する。列車制御装置１０１は、状態データに応じて第一の車両駆動装置１０２（この実施形態では先頭車両）のトルク指令値を低減する場合に、当該低減されたトルク量が第一の車両駆動装置１０２とは異なる第二の車両駆動装置１０２（この実施形態では２両目以降の車両駆動装置１０２）に分配されるように、それぞれの車両駆動装置１０２のトルク指令値を決定するとともに、決定したトルク指令値を通信ネットワーク１０３に出力する。通信ネットワーク１０３は、列車制御装置１０１で決定されたトルク指令値をそれぞれの車両駆動装置１０２に伝送する。車両駆動装置１０２は、伝送されたトルク指令値に基づいて車両２５０１を駆動する。

図２は一の車両駆動装置１０２が一車両の全てのモータ２５０５を制御する実施形態、図３は一の車両駆動装置１０２が一台車２５０６のモータ２５０５を制御する実施形態、図４は一の車両駆動装置１０２（図では「Ｉ」と表示）が各モータ２５０５を制御する実施形態である。

通信ネットワーク１０３は、１００Ｍｂｐｓ以上の高速，大容量のネットワークであることが好ましい。本実施形態を適用して、列車全体としてのトルク量を維持するためには、各車両駆動装置１０２からの状態情報をいち早く列車制御装置１０１に入力することが好ましく、また列車制御装置１０１が的確なトルク分配を決定できるように、状態情報は詳細なものであることが好ましいからである。

尚、図２の実施形態は図１（ａ）の実施形態に、図３の実施形態は図１（ｂ）の実施形態に、図４の実施形態は図１（ｃ）の実施形態に対応するが、例えば図２の実施形態であっても、車両駆動装置１０２が各台車または各車軸のトルク量をそれぞれ制御できるものであれば、図２を図１（ｂ）や（ｃ）の実施形態に適用することも可能である。同様に、図３を図１（ａ）や（ｃ）に、図４を図１（ａ）や（ｂ）に適用することも可能である。

以下、詳細を説明する。

図５は本発明の一実施形態をなす制御システムの基本図であり、制御システム内での制御情報の流れを示している。すなわち、速度発電機やインバータの速度推定から得られる速度情報、運転台からのノッチ指令、および各車両駆動装置１０２からの状態情報により、各車両駆動装置へのトルク量を決定する列車制御装置１０１と、列車制御装置１０１からの制御情報をもとに、出力トルク量を決定し、また、自身の状態情報を出力する車両駆動装置１０２、およびそれらの制御情報を相互通信する通信ネットワーク１０３で構成されている。なお、本実施形態は、少なくとも１つの列車制御装置１０１と２つ以上の車両駆動装置１０２で構成される。

図６に示すように、列車制御装置１０１は、少なくとも、記憶装置２０１，配分決定装置２０２，入出力装置２０３、および列車性能データベース２０４からなる。記憶装置
２０１内にある状態情報を図７に、列車性能データベース２０４については、図８に示す。

図７に示すように、前記記憶装置２０１内にある状態情報は、各車両駆動装置の空転・滑走履歴，状態（故障，正常），各駆動装置の出力上限超過の有無と、各車両駆動装置へのトルク分配量で構成されている。各車両軌道装置の空転・滑走履歴については空転・滑走履歴がある場合には１をない場合には０で表す。また、各車両駆動装置の状態については、故障を１、正常を０で表す。同様に、各駆動装置の出力上限超過の有無については、超過を１、未超過を０とする。最後にトルク分配量については、出力指令トルク量を２進数にて表記する。また、必要と思われるビット数は十分確保されているものとする。

なお、ここで示している１と０が逆の場合でも可能である。また、ここでは２進数にて状態、トルク分配量を示したが、例えば、有無のみならず、連続量として例えば１０進数で状態を保持するといったことも可能である。

さらに、トルク分配量の代わりに、引張力・ブレーキ力，トルク，加減速度などを用いてもよい。

また、前記記憶装置１０１内の状態情報が初期化（リセット）されるというのは、各車両駆動装置の空転・滑走履歴がなく、状態が正常であり、各駆動装置の出力上限超過が無い状態で、かつ各車両駆動装置へのトルク分配量が０であるとする。

列車性能データベース２０４は、図８に示される形で構成されており、速度とノッチにより出力されるトルクが表記されている。

車両駆動装置１０２は、図９に示すように、少なくとも駆動装置４０１と状態監視装置４０２および入出力装置４０３から構成されている。

車両駆動装置１０２には、装置の状態を監視する状態監視装置４０２があり、車両駆動装置１０２の状態を検出する。検出された装置状態情報は、入出力装置４０３を通り、通信ネットワーク等を介して、列車制御装置１０１に送られる。

列車制御装置１０１は、入出力装置２０３を通して、各車両駆動装置ごとの装置状態情報を入手し、記憶装置２０１に格納する。また、配分決定装置２０２にて記憶装置２０１を参照しながら各車両駆動装置への出力トルク量を決定する。

図１０は、列車制御装置１０１で行われる制御フローである。図１０を用いて、列車制御装置１０１で行われる各車両駆動装置への出力トルク量決定処理について説明する。

ステップ５０１では、記憶装置のリセット命令があったかをチェックし、リセット命令があった場合にはステップ５０２に、なかった場合にはステップ５０３に進む。リセット命令が起こる条件としては、一定時間トルク配分量が変化しなかった、一定距離走行している間、トルク配分量が変化しなかった、列車速度がある速度を下回った、運転手からリセット命令があった、などが考えられる。

ステップ５０２では、列車制御装置内部にある記憶装置２０１の状態情報を初期化する。次にステップ５０３に進む。

ステップ５０３では、速度情報と運転台からのノッチ指令を受け取り、列車制御装置内部にある列車性能データベース２０４を参照して、編成車両として必要なトルク量Ｔを求め、各車両駆動装置に均等に配分するトルク量Ｓを算出する。これは、編成内にある全車両駆動装置の合計をＭとし、故障の発生した車両駆動装置をＸとした場合、
Ｓ＝Ｔ／（Ｍ−Ｘ）
にて計算する。次にステップ５０４に進む。

ステップ５０４では、各車両駆動装置の状態情報を受け取り、前記記憶装置２０１の各車両駆動装置の状態情報を更新する。この更新の様子は図１１に示し、詳細は後述する。次にステップ５０５に進む。

ステップ５０５では、記憶装置２０１の状態情報をもとに各車両駆動装置への合計トルク量Ｐｎを計算する。次にステップ５０６に進む。

ステップ５０６では、前記記憶装置２０１内に格納されている各車両駆動装置の状態情報と、ステップ５０５で求めた各車両駆動装置への合計トルク量Ｐｎとステップ５０４で算出されたトルク量Ｓを基に、各車両へのトルク量を決定する。この決定処理の処理フローを図１２に示し、詳細は後述する。次にステップ５０７に進む。

ステップ５０７では、記憶装置２０１内にある各車両駆動装置へのトルク量Ｓ１ｎ（ｎは各車両駆動装置の番号を表す）を更新する。

上述したように、停車するまで上述処理を繰り返すことにより各車両へ効果的なトルク配分を行うことができる。

図１１は、ステップ４０４で行われる記憶装置２０１の各車両駆動装置における状態情報の更新を示したものである。上述のステップ４０１で述べたように、列車が停車中である場合、初期状態である。列車が走行し始めると、天候状態や地形に依存して、各車両駆動装置の空転・滑走履歴，状態（故障，正常）、各車両駆動装置の出力上限超過の有無と、各車両駆動装置へのトルク分配の割合が変化する。この変化がある時間続いた後、状態変化が停止する。

各車両駆動装置へのトルク配分は、空転・滑走を検知した駆動装置のトルクを下げて、空転・滑走履歴がなく、各車両駆動装置の出力上限を超過していない駆動装置に、下げたトルク分を配分することで、編成全体としては指定のトルク量を保つように制御を行う。以下、その詳細について図１２を用いて説明する。

ステップ７０１では、記憶装置２０１を参照し、各車両駆動装置の状態情報から入手した各車両駆動装置への指令トルク量Ｓｎ（ｎは各車両駆動装置の番号を表す）と、ステップ５０３で計算した各車両駆動装置への合計トルク量Ｐｎから、トルク配分量Ｈｎ（ｎは各車両駆動装置の番号を表す）を次の方法で算出する。

Ｈｎ＝Ｓｎ／Ｐｎ （ｎは各車両駆動装置の番号を表す）
ただし、記憶装置２０１がリセットされた直後においては、Ｐｎ＝０となるので、そのときは、
Ｈｎ＝初期トルク配分量 （ｎは各車両駆動装置の番号を表す）
とする。次にステップ７０２に進む。

ステップ７０２では、各車両駆動装置の状態情報から入手した空転・滑走履歴，状態、および各車両駆動装置の出力上限超過の有無から、空転・滑走履歴がなく、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置の合計数Ｌ，各車両駆動装置のうち正常動作をしており空転・滑走履歴のある車両駆動装置の合計数Ｙ、および各車両駆動装置の出力上限を超過している車両駆動装置の合計数Ｚを求める。なお、
Ｍ＝Ｌ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｘ
の関係が成立する。次にステップ７０３に進む。

ステップ７０３では、各車両駆動装置のうち正常動作をしており空転・滑走履歴のある車両駆動装置と、各車両駆動装置の出力上限を超過している車両駆動装置のトルク配分量Ｈｎを、ある決まった値ａ分下げる。また、各車両駆動装置のうち正常動作をしており空転・滑走履歴のある車両駆動装置と、各車両駆動装置の出力上限を超過している車両駆動装置トルク指令量Ｓ１ｎとしては、次の式で計算する。

Ｓ１ｎ＝（Ｈｎ−ａ）×Ｓ
次にステップ７０４に進む。

ステップ７０４では、空転・滑走履歴がなく、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置のトルク配分量を、編成全体で規定のトルク量が得られるように、増加させる。すなわち、ステップ７０３で計算したトルク減少分を前記正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置の総数で均等に配分する処理を行う。従って、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置のトルク指令量Ｓ１ｎとしては、次の式で計算する。

ｂ＝ａ×（Ｙ＋Ｚ）／Ｌ
Ｓ１ｎ＝（Ｈｎ＋ｂ）×Ｓ
以上の処理により、各駆動装置へのトルク指令量Ｓ１ｎを求めることが可能となる。求めた各駆動装置へのトルク指令量Ｓ１ｎを、各駆動装置へ伝達し、各駆動装置はそのトルク指令量を遵守するように制御する。なお、上記実施例においては、トルク指令量としたが、引張力・ブレーキ力指令，加減速度指令，トルク指令を用いても良い。また、上記実施例ではトルク指令量を変更する際に空転・滑走履歴情報を１つの判断としているが、制御周期毎の空転・滑走としてもよい。この場合、記憶装置２０１内部にある情報も制御周期毎の空転・滑走情報とする。なお、制御周期毎の空転・滑走を用いることにより、後ろの車両駆動装置への偏りをより少なくすることができるが、状態変化が停止するまでの時間が長くなるため、わずかではあるが停止距離が伸びる可能性がある。また、上記実施例においては、各駆動装置において、空転・滑走検知の状態情報を検出しているが、列車制御装置で各駆動装置の空転・滑走検知を行ってもよい。その場合、各駆動装置の状態監視装置から、各駆動装置の速度情報を入手して行う。

次に、図１３〜図１８を用いて他の実施形態を示す。

図１３は本発明をなす一実施形態の制御システムの基本図であり、制御システム内での制御情報の流れを示している。すなわち、速度発電機やインバータの速度推定から得られる速度情報，運転台からのノッチ指令、および各車両駆動装置８０２からの状態情報により、各車両駆動装置への配分割合を決定する列車制御装置８０１と、列車制御装置８０１からの制御情報をもとに、出力トルク量を決定し、また、自身の状態情報を出力する車両駆動装置８０２および、それらの制御情報を相互通信する通信ネットワーク８０３で構成されている。

図１４に示すように、列車制御装置９０１は、少なくとも、記憶装置９０１，配分決定装置９０２，入出力装置９０３からなる。記憶装置９０１内にある状態情報を図１５に示す。

図１５に示すように、前記記憶装置９０１内にある状態情報は、各車両駆動装置の空転・滑走履歴，状態（故障，正常），各駆動装置の出力上限超過の有無と、各車両駆動装置へのトルク分配割合で構成されている。各車両軌道装置の空転・滑走履歴については空転・滑走履歴がある場合には１をない場合には０で表す。また、各車両駆動装置の状態については、故障を１、正常を０で表す。同様に、各駆動装置の出力上限超過の有無については、超過を１、未超過を０とする。最後にトルク分配割合については、ここでは２進数にて示したが、例えば、１０進数で状態を保持するといったことも可能である。

なお、ここで示している１と０が逆の場合でも可能である。

また、前記記憶装置９０１内の状態情報が初期化（リセット）されるというのは、各車両駆動装置の空転・滑走履歴がなく、状態が正常であり、各駆動装置の出力上限超過が無い状態で、かつ各車両駆動装置への配分割合が１００であるとする。

車両駆動装置９０２は、図１６に示すように、少なくとも駆動装置１１０１，状態監視装置１１０２，入出力装置１１０３および、列車性能データベース１１０４から構成されている。

車両駆動装置９０２には、装置の状態を監視する状態監視装置１１０２があり、車両駆動装置９０２の状態を検出する。検出された装置状態情報は、入出力装置１１０３を通り、通信ネットワーク等を介して、列車制御装置８０１に送られる。

列車制御装置８０１は、入出力装置９０３を通して、各車両駆動装置ごとの装置状態情報を入手し、記憶装置９０１に格納する。また、配分決定装置９０２にて記憶装置９０１を参照しながら各車両駆動装置への出力割合を決定する。

図１７は、列車制御装置で行われる制御フローである。図１７を用いて、列車制御装置８０１で行われる各車両駆動装置への出力トルク量決定処理について説明する。

ステップ１２０１では、記憶装置のリセット命令があったかをチェックし、リセット命令があった場合にはステップ１２０２に、なかった場合にはステップ１２０３に進む。リセット命令が起こる条件としては、一定時間トルク配分量が変化しなかった、一定距離走行している間、トルク配分量が変化しなかった、列車速度がある速度を下回った、運転手からリセット命令があった、などが考えられる。

ステップ１２０２では、列車制御装置内部にある記憶装置９０１の状態情報を初期化する。次にステップ１２０３に進む。

ステップ１２０３では、各車両駆動装置の状態情報を受け取り、前記記憶装置９０１の各車両駆動装置の状態情報を更新する。この更新の様子は、前述の図１１と同様の処理であるので割愛する。次にステップ１２０４に進む。

ステップ１２０４では、前記記憶装置９０１内に格納されている各車両駆動装置の状態情報から各車両駆動装置への配分割合を決定する。この配分割合決定処理の処理フローを図１８に示し、詳細は後述する。次にステップ１２０５に進む。

ステップ１２０５では、記憶装置２０１内にある各車両駆動装置へのトルク配分量Ｈ1n（ｎは各車両駆動装置の番号を表す）を更新する。

上述したように、停車するまで上述処理を繰り返すことにより各車両へ効果的なトルク配分を行うことができる。

各車両駆動装置へのトルク配分は、空転・滑走を検知した駆動装置のトルクを下げて、空転・滑走履歴がなく、各車両駆動装置の出力上限を超過していない駆動装置に、下げたトルク分を配分することで、編成全体としては指定のトルク量を保つように制御を行う。以下、その詳細について図１８を用いて説明する。

ステップ１３０１では、各車両駆動装置の状態情報から入手した空転・滑走履歴，状態、および各車両駆動装置の出力上限超過の有無から、空転・滑走履歴がなく、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置の合計数Ｌ，各車両駆動装置のうち正常動作をしており空転・滑走履歴のある車両駆動装置の合計数Ｙ、および各車両駆動装置の出力上限を超過している車両駆動装置の合計数Ｚを求める。なお、
Ｍ＝Ｌ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｘ
の関係が成立する。次にステップ１３０２に進む。

ステップ１３０２では、各車両駆動装置のうち正常動作をしており空転・滑走履歴のある車両駆動装置と、各車両駆動装置の出力上限を超過している車両駆動装置のトルク配分量Ｈｎを、ある決まった値ａ分下げる。また、各車両駆動装置のうち正常動作をしており空転・滑走履歴のある車両駆動装置と、各車両駆動装置の出力上限を超過している車両駆動装置配分割合Ｓ１ｎとしては、次の式で計算する。

Ｈ１ｎ＝Ｈｎ−ａ
次にステップ１３０３に進む。

ステップ１３０３では、空転・滑走履歴がなく、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置のトルク配分量を、編成全体で規定のトルク量が得られるように、増加させる。すなわち、ステップ１３０２で計算したトルク減少分を前記正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置の総数で均等に配分する処理を行う。従って、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置の配分割合Ｈ１ｎとしては、次の式で計算する。

ｂ＝ａ×（Ｙ＋Ｚ）／Ｌ
Ｈ１ｎ＝Ｈｎ＋ｂ
以上の処理により、各車両駆動装置への配分割合Ｈ１ｎを計算することが可能となる。また、上記実施例では配分割合を変更する際に空転・滑走履歴情報を１つの判断としているが、制御周期毎の空転・滑走としてもよい。この場合、記憶装置９０１内部にある情報も制御周期毎の空転・滑走情報とする。なお、制御周期毎の空転・滑走を用いることにより、後ろの車両駆動装置への偏りをより少なくすることができるが、状態変化が停止するまでの時間が長くなるため、わずかではあるが停止距離が伸びる可能性がある。

上記処理により求めた各駆動装置へのトルク配分割合Ｈ１ｎを、各駆動装置へ伝達し、各駆動装置はそのトルク配分割合とノッチ指令および速度情報からトルク量を決定し、そのトルク量を遵守するように制御する。また、上記実施形態においては、各駆動装置において、空転・滑走検知の状態情報を検出しているが、列車制御装置で各駆動装置の空転・滑走検知を行ってもよい。その場合、各駆動装置の状態監視装置から、各駆動装置の速度情報を入手して行う。

次に、図１９〜図２２を用いて本発明の他の実施形態を示す。

図１９は本発明の制御システムの基本図であり、制御システム内での制御情報の流れを示している。すなわち、速度発電機やインバータの速度推定から得られる速度情報，運転台からのノッチ指令、および各車両装置１５０２からの状態情報により、各車両装置への配分割合を決定する列車中央制御装置１５０１と、列車中央制御装置１５０１からの制御情報をもとに、出力トルク量を決定し、また、自身の状態情報を出力する車両装置1502および、それらの制御情報を相互通信する通信ネットワーク１５０３で構成されている。

車両装置１５０２の構成としては、図２０に示すように、速度発電機やインバータの速度推定から得られる速度情報，列車中央制御装置１５０１からの指令値、および各車両駆動装置１０２からの状態情報により、各車両駆動装置へのトルク量を決定する列車制御装置１０１と、列車制御装置１０１からの制御情報をもとに、出力トルク量を決定し、また、自身の状態情報を出力する車両駆動装置１０２、およびそれらの制御情報を相互通信する通信ネットワーク１０３で構成することも考えられる。ここで述べた列車制御装置101，車両駆動装置１０２、および通信ネットワーク１０３は、第１の実施例で述べたものと同じである。また、図２１に示すように、速度発電機やインバータの速度推定から得られる速度情報，列車中央制御装置１５０１からの指令値、および各車両駆動装置８０２からの状態情報により、各車両駆動装置への配分割合を決定する列車制御装置８０１と、列車制御装置８０１からの制御情報をもとに、出力トルク量を決定し、また、自身の状態情報を出力する車両駆動装置８０２および、それらの制御情報を相互通信する通信ネットワーク８０３で構成することも考えられる。ここで述べた列車制御装置８０１，車両駆動装置
８０２、および通信ネットワーク８０３は、上記他の実施形態で述べたものと同じである。

次に、列車中央制御装置１５０１としては、図６で示したように、記憶装置２０１，配分決定装置２０２，入出力装置２０３、および列車性能データベース２０４で構成することが考えられる。ここで述べた記憶装置２０１，配分決定装置２０２，入出力装置２０３、および列車性能データベース２０４は第１の実施例にて述べたものと同じである。また、図１４に示したように、記憶装置９０１，配分決定装置９０２，入出力装置９０３で構成することも考えられる。

以下、車両装置１５０２が図２０で構成され、列車中央制御装置１５０１が図６で構成される場合の列車中央制御装置の処理について図２２を用いて詳細に説明する。

ステップ１６０１では、列車中央制御装置内にある記憶装置のリセット命令があったかをチェックし、リセット命令があった場合にはステップ１６０２に、なかった場合にはステップ１６０３に進む。リセット命令が起こる条件としては、一定時間トルク配分量が変化しなかった、一定距離走行している間、トルク配分量が変化しなかった、列車速度がある速度を下回った、運転手からリセット命令があった、などが考えられる。

ステップ１６０２では、列車中央制御装置１５０１内部にある記憶装置２０１の状態情報を初期化する。次にステップ１６０３に進む。

ステップ１６０３では、速度情報と運転台からのノッチ指令を受け取り、列車制御装置内部にある列車性能データベース２０４を参照して、編成車両として必要なトルク量Ｔを求め、各車両駆動装置に均等に配分するトルク量Ｓを算出する。これは、編成内にある全車両駆動装置の合計をＭとし、故障の発生した車両駆動装置をＸとした場合、
Ｓ＝Ｔ／（Ｍ−Ｘ）
にて計算する。次にステップ１６０４に進む。

ステップ１６０４では、各車両駆動装置の状態情報を受け取り、前記記憶装置２０１の各車両駆動装置の状態情報を更新する。この更新の様子は図２に示し、詳細は後述する。次にステップ１６０５に進む。

ステップ１６０５では、記憶装置２０１の状態情報をもとに各車両駆動装置への合計トルク量Ｐｎを計算する。次にステップ１６０６に進む。

ステップ１６０６では、前記記憶装置２０１内に格納されている各車両駆動装置の状態情報と、ステップ１６０５で求めた各車両駆動装置への合計トルク量Ｐｎとステップ1604で算出されたトルク量Ｓを基に、各車両装置１５０２へのトルク量を決定する。次にステップ１６０７に進む。

ステップ１６０７では、記憶装置２０１内にある各車両装置１５０２へのトルク量S1n（ｎは各車両駆動装置の番号を表す）を更新する。

停車するまで上述処理を繰り返すことにより各車両へ効果的なトルク配分を行うことができる。

各車両装置は、上記トルク量を受け取り、各駆動装置へのトルク配分量を決定する。この配分量決定処理は、図１０で述べている処理において、運転台からのノッチ指令を上記トルク量と読み替えればまったく同じである。

上記の各実施形態では配分割合を変更する際に空転・滑走履歴情報を１つの判断としているが、制御周期毎の空転・滑走としてもよい。この場合、記憶装置２０１内部にある情報も制御周期毎の空転・滑走情報とする。なお、制御周期毎の空転・滑走を用いることにより、後ろの車両駆動装置への偏りをより少なくすることができるが、状態変化が停止するまでの時間が長くなるため、わずかではあるが停止距離が伸びる可能性がある。

上記処理により求めた各駆動装置へのトルク配分割合Ｈ１ｎを、各駆動装置へ伝達し、各駆動装置はそのトルク配分割合とノッチ指令および速度情報からトルク量を決定し、そのトルク量を遵守するように制御する。また、上記実施形態においては、各駆動装置において、空転・滑走検知の状態情報を検出しているが、列車制御装置で各駆動装置の空転・滑走検知を行ってもよい。その場合、各駆動装置の状態監視装置から、各駆動装置の速度情報を入手して行う。

なお、ここまで述べてきた実施形態において、運転台からの指令はすべてノッチ指令としているが、トルク指令であっても上記システムによって実現できる。

上記の各実施形態で述べた空転・滑走検知の方法について以下説明をする。なお、この方法は状態監視装置で空転・滑走検知を行う場合も、列車制御装置で各駆動装置の空転・滑走検知を行う場合も同一である。図２３〜図２５に、上記方法を実現する空転・滑走検知フィルタを示す。

図２３に示すフィルタでは、各状態監視装置もしくは列車制御装置で検知された空転・滑走検知情報を時間平均して閾値以上の値であれば空転・滑走が起こったと判断し、そうでなければ空転・滑走は起きなかったとする処理を行う。次に、図２４に示すフィルタでは、空転・滑走検知情報と振動情報を基に周波数解析を行い、瞬時的に起こった空転・滑走であるかを判断し、瞬時的に起こった空転・滑走の場合、空転・滑走は起きなかったとする処理を行う。次に図２５に示すフィルタでは、あらかじめレールの継ぎ目など瞬時的に空転・滑走が起こる位置情報をもっていて、その位置情報と空転・滑走が発生した位置を照合することで、瞬時的に起こった空転・滑走であるかを判断し、瞬時的に起こった空転・滑走の場合、空転・滑走は起きなかったとする処理を行う。また、図２３〜図２５の組み合わせによるフィルタで瞬時的に起こった空転・滑走を判断することも可能である。

次に、上記の各実施形態に述べた各車両駆動装置へのトルク配分量のリセット方法について図２６のリセット速度データベース、図２７のリセット時間データベース、図２８のリセット距離データベース、を使用して補足説明をする。リセットをする条件としては、下記のことが考えられる。

（１）トルク配分終了した速度Ｖ１に対してリセット速度Ｖ２を定義したデータベースを用意しておき、速度がＶ２以下になったらリセットを行う。なお、リセット速度Ｖ２の求め方としては、例えば理想粘着係数μを求める式
μ＝α×１３.６／(８５＋Ｖ) …（式１）
（αは、路面の乾燥状態により決定される。α＝１ならば湿潤、α＝２ならば乾燥の状態であるとされている。Ｖは列車速度）を使用して速度Ｖ１の時の粘着係数μ１を求め、
μ１からβ％程度変わる速度Ｖ２を求めて決定する。

上記の例として、α＝１，β＝１，速度Ｖ１＝２５５km／ｈとした場合のリセット速度Ｖ２を求めると、μ１＝１×１３.６／（８５＋２５５）＝０.０４、つまり４％である。これが１％変動する速度Ｖ２を求める。加速の場合には速度が上昇するほど粘着係数は低くなると考えられるから４％から３％になる。これを使用してリセット速度Ｖ２を求めると、０.０３＝１×１３.６／(８５＋Ｖ２) であり、Ｖ２＝３６８.３３３km／ｈとなる。逆に減速の場合には速度が減少するほど粘着係数は高くなると考えられるから４％から５％になる。これを使用してリセット速度Ｖ２を求めると、０.０５＝１×１３.６／（８５＋Ｖ２）であり、Ｖ２＝１８７km／ｈとなる。

（２）トルク配分終了した速度Ｖ１に対してリセット時間Ｔ２を定義したデータベースを用意しておき、トルク配分終了後からＴ２経過したらリセットを行う。なお、リセット時間Ｔ２の求め方としては、例えば理想粘着係数μを求める（式１）を用いて、速度Ｖ１の時の粘着係数μ１を求め、μ１からβ％程度変わる速度Ｖ２を求め、さらに加減速度ωからＴ２＝｜（Ｖ２−Ｖ１）／ω｜として計算することができる。

上記の例として、α＝１、β＝１、加減速度ω＝２.５km／ｈ／ｓ速度Ｖ１＝２５５km／ｈとした場合のリセット速度Ｖ２を求めると、μ１＝１×１３.６／（８５＋２５５）＝０.０４ 、つまり４％である。これが１％変動する速度Ｖ２を求める。加速の場合には速度が上昇するほど粘着係数は低くなると考えられるから４％から３％になる。これを使用してリセット速度Ｖ２を求めると、０.０３＝１×１３.６／（８５＋Ｖ２）であり、
Ｖ２＝３６８.３３３km／ｈとなる。ここから、Ｔ２＝(３６８.３３３−２５５) ／２.５＝４５.３秒。逆に減速の場合には速度が減少するほど粘着係数は高くなると考えられるから４％から５％になる。これを使用してリセット速度Ｖ２を求めると、０.０５ ＝１×１３.６／(８５＋Ｖ２)であり、Ｖ２＝１８７km／ｈとなる。ここから、Ｔ２＝｜(１８７−２５５）／２.５｜＝２７.２秒。

（３）トルク配分終了した速度Ｖ１に対してリセット距離Ｓ２を定義したデータベースを用意しておき、トルク配分終了後からＳ２走行したらリセットを行う。なお、リセット時間Ｓ２の求め方としては、例えば理想粘着係数μを求める（式１）を用いて、速度Ｖ１の時の粘着係数μ１を求め、μ１からβ％程度変わる速度Ｖ２を求め、さらに加減速度ωからＳ２＝｜（Ｖ２×Ｖ２−Ｖ１×Ｖ１）／（７.２×ω）｜として計算することができる。

上記の例として、α＝１、β＝１、加減速度ω＝２.５km／ｈ／ｓ速度Ｖ１＝２５５km／ｈとした場合のリセット速度Ｖ２を求めると、μ１＝１×１３.６／（８５＋２５５）＝０.０４ 、つまり４％である。これが１％変動する速度Ｖ２を求める。加速の場合には速度が上昇するほど粘着係数は低くなると考えられるから４％から３％になる。これを使用してリセット速度Ｖ２を求めると、０.０３＝１×１３.６／（８５＋Ｖ２）であり、
Ｖ２＝３６８.３３３km／ｈとなる。ここから、Ｓ２＝（３６８.３３３×３６８.３３３−２５５×２５５）／（７.２×２.５）＝３９２４.７ｍ。逆に減速の場合には速度が減少するほど粘着係数は高くなると考えられるから４％から５％になる。これを使用してリセット速度Ｖ２を求めると、０.０５＝１×１３.６／(８５＋Ｖ２)であり、Ｖ２＝１８７km／ｈとなる。ここから、Ｓ２＝（１８７×１８７−２５５×２５５）／(７.２×２.５)＝１６６９.７ｍ。

（４）運転士からの指令が変更されたときには路面に対する粘着が変わることからリセットする。

（５）上記（１）〜（４）の組み合わせでリセット判定を行っても良い。

なお、αの値は天候情報データベースによってある値として決定する方法や車輪の空転および車輪の滑走の発生度合いによって、学習的に変更させる方法などが考えられる。

また、上記ではデータベースをあらかじめ用意しておいてとあるが、上記の手法を列車制御装置に組み込み動的に算出することでリセット処理を行っても良い。

発明者は、上記処理をシミュレーションにより実施し、雨天時においても晴天時と同等の加減速を実現し、あらかじめ配分した場合には、空転・滑走履歴がなく、正常動作をしており各車両駆動装置の出力上限を超過していない車両駆動装置の車両は７％程度の増加が必要であったのに対して、動的に割り振った場合には３％程度の増加ですむことを確認し、車両駆動装置への偏りを少なくできることを確認した。

加減速性能の配分を各駆動装置の空転・滑走検知や故障情報に基づき動的に行うことで、天候や状況に応じた柔軟な制御を行うことが可能となる。また、前記空転・滑走検知は、時間平均，位置情報との比較，周波数分析のフィルタ処理を行うことで、レールの継ぎ目などで起こる瞬時的な空転・滑走を排除することができ、無駄なトルク再配分をすることを防ぐことができる。一方で、最悪条件を想定してあらかじめ分配するよりも後続車両への分配量を少なくできる。また、ある一定以上、空転，滑走が発生しない場合には、配分量をリセットしてあげることで、必要以上の偏った配分を減らすことができる。これらの処理により、各車両や台車などに偏った磨耗や負荷増大による故障が発生しにくくなり、乾燥・湿潤の状態に関係なく同様の加減速をすることが可能となる。

あらかじめトルク分配する際に、シミュレーションや実機試験などで、駅停車時の各車両駆動装置へのトルク分配量を求めておき、それを用いて分配しておくと、空転・滑走が起こらずに、乾燥・湿潤の状態に関係なく同様の加減速をすることが可能となる。

本発明の一実施形態をなすトルク配分制御を示す。 本発明の一実施形態をなす列車の装置ブロック図を示す。 本発明の一実施形態をなす列車の装置ブロック図を示す。 本発明の一実施形態をなす列車の装置ブロック図を示す。 本発明の一実施形態をなす制御システムの構成図を示す。 図５の列車制御装置内部の構成図を示す。 図６の記憶装置内の情報を示す。 図６の列車性能データベースを示す。 図５の車両駆動装置内部の構成図を示す。 図５の列車制御装置の制御フローチャートを示す。 図７の記憶装置の状態情報更新の様子を示す。 車両駆動装置への出力トルク指令決定フローチャートを示す。 本発明の他の実施形態をなす制御システムの構成図を示す。 図１３の列車制御装置内部の構成図を示す。 図１４の記憶装置内の情報を示す。 図１３の車両駆動装置内部の構成図を示す。 図１３の列車制御装置の制御フローチャートを示す。 図１３の実施形態の車両駆動装置への配分割合決定フローチャートを示す。 本発明の他の実施形態をなす制御システムの構成図を示す。 図１９の車両装置の構成図の一例を示す。 図１９の車両装置の構成図の一例を示す。 図１９の列車中央制御装置の制御フローチャートを示す。 本発明の一実施形態をなす空転・滑走検知フィルタを示す。 本発明の一実施形態をなす空転・滑走検知フィルタを示す。 本発明の一実施形態をなす空転・滑走検知フィルタを示す。 本発明の一実施形態をなすリセット速度データベースを示す。 本発明の一実施形態をなすリセット時間データベースを示す。 本発明の一実施形態をなすリセット距離データベースを示す。

符号の説明

１０１…列車制御装置、１０２…車両駆動装置、１０３…通信ネットワーク。

Claims (13)

1. 列車の各車両を駆動する車両駆動装置と、
   各車両駆動装置の状態データを伝送する車上通信ネットワークと、
   前記車上通信ネットワークで伝送された状態データを入力し、当該状態データに応じてそれぞれの前記車両駆動装置へ指令するトルク指令値を決定する列車制御装置とを有し、
   前記列車制御装置は、前記状態データに応じて第一の車両駆動装置のトルク指令値を低減する場合に、当該低減されたトルク量が前記第一の車両駆動装置とは異なる第二の車両駆動装置に分配されるようにそれぞれの前記車両駆動装置のトルク指令値を決定するとともに、決定したトルク指令値を前記車上通信ネットワークに出力し、
   前記車上通信ネットワークは、前記列車制御装置で決定された前記トルク指令値をそれぞれの前記車両駆動装置に伝送し、
   前記車両駆動装置は、伝送された前記トルク指令値に基づいて車両を駆動する列車制御システム。
2. 請求項１記載の列車制御システムであって、
   前記列車制御装置は、低減されたトルク量を前記第一の車両駆動装置とは異なる第二の車両駆動装置に分配する制御を、当該トルク分配量が所定の時間維持された場合、当該トルク分配量が所定の速度に至るまで維持された場合、当該トルク配分量が所定の距離維持された場合、または運転士からの指令が変更された場合、当該分配制御前の状態に戻す列車制御システム。
3. 請求項１記載の列車制御システムであって、
   前記車両駆動装置は、少なくとも１つ以上の状態監視装置を有し、当該状態監視装置の監視結果を前記車上通信ネットワークにより前記列車制御装置へ伝送し、
   前記列車制御装置は、前記状態監視装置の監視結果および制御周期前の各車両駆動装置へのトルク指令値の配分量に基づいて、それぞれの前記車両駆動装置へのトルク指令値の配分量を決定する列車制御システム。
4. 請求項３記載の列車制御システムであって、
   前記列車制御装置は、前記状態監視装置の監視結果を記憶装置に保存する列車制御システム。
5. 請求項３記載の列車制御システムであって、
   前記列車制御装置は、前記状態監視装置により異常と判断された前記車両駆動装置を前記車上通信ネットワークから電気的に切り離すとともに、当該車両駆動装置が出力していたトルクを、正常かつ出力上限を超過していない他の前記車両駆動装置に均等に分配する列車制御システム。
6. 請求項３記載の列車制御システムであって、
   前記状態監視装置は、車輪が空転または滑走したことを判断する列車制御システム。
7. 請求項６記載の列車制御システムであって、
   車輪の空転または滑走を判断した場合、現在の車両速度と加減速度から粘着係数を推定する列車制御システム、
8. 請求項６記載の列車制御システムであって、
   前記状態監視装置は、車輪の空転または滑走の検出回数の時間平均が閾値を超えた場合に、車輪が空転または滑走したと判断する列車制御システム。
9. 請求項６記載の列車制御システムであって、
   前記状態監視装置は、車輪の空転または滑走が起きたと判断した時の振動情報を周波数解析することで、車輪が空転または滑走したと判断する列車制御システム。
10. 請求項６記載の列車制御システムであって、
    前記状態監視装置は、車輪の空転または滑走が起きたと判断した位置と、車輪の空転または滑走が起きると予測されている位置データベースとを照合して、車輪が空転または滑走したと判断する列車制御システム。
11. 請求項１０記載の列車制御システムであって、
    前記位置データベースは、天候情報を含む列車制御システム。
12. 列車の各車両を駆動する車両駆動装置及び前記各車両駆動装置のトルク指令値を決定する列車制御装置に接続され、前記車両駆動装置の状態データを前記列車制御装置に伝送し、前記列車制御装置のトルク指令値を前記各車両駆動装置に伝送する車上通信ネットワークシステムであって、
    第一の前記車両駆動装置に伝送する前記トルク指令値の低減分が、前記第一の車両駆動装置とは異なる前記車両駆動装置に伝送する前記トルク指令値の増加分の和である車上通信ネットワークシステム。
13. 列車の各車両を駆動する車両駆動装置の状態データを車上通信ネットワークを介して入力し、入力した当該状態データに応じてそれぞれの前記車両駆動装置へ指令するトルク指令値を決定する列車制御装置であって、
    前記状態データに応じて第一の車両駆動装置のトルク指令値を低減する場合に、当該低減したトルク量が前記第一の車両駆動装置とは異なる第二の車両駆動装置に分配されるようにそれぞれの前記車両駆動装置のトルク指令値を決定するとともに、決定した当該トルク指令値を前記車上通信ネットワークを介して前記各車両駆動装置に出力する列車制御装置。
    

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