JP2002271918A

JP2002271918A - 自動列車運転装置

Info

Publication number: JP2002271918A
Application number: JP2001070948A
Authority: JP
Inventors: Junko Yamamoto; 純子山本; Yoshikazu Oba; 義和大場; Asami Mizutani; 麻美水谷; Yotaro Minami; 陽太朗南
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-09-20
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP3959239B2

Abstract

(57)【要約】【課題】自動列車運転装置において、予測モデルに誤
差があるときでも停止位置誤差を小さくする。【解決手段】本発明の自動列車運転装置１１では、定
位置停止制御開始時に停止計画を生成し、制御周期と同
程度の短い周期で見直しなが走行することにより、予測
モデル誤差の影響が大きくなる前にこの影響をなるべく
打ち消して、停止位置誤差を小さくする。また、ブレー
キトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク値を
修正することにより予測モデル誤差を小さくし、停止位
置誤差を小さくする。さらに、前回の制御周期に見直し
た停止計画に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停
止位置誤差の予測値が同程度の値になる場合には、その
分だけ停止目標位置を逆方向にずらすことによって実際
の停止位置誤差を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、列車の走行計画を
生成し、必要に応じてこの計画を微調整しながら、計画
に従って走行する自動列車運転装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】すでに実用化されている自動列車運転装
置（Automatic Train Operation：ＡＴＯ）は、制限速
度に、あるいは制限速度からある程度の余裕を持たせた
速度に列車を追従させようとするものであるが、定時性
（走行ダイヤの遵守）と省エネルギー性の両立が難し
く、また、制限速度が下がる部分では非常ブレーキがか
かってしまうために乗り心地が悪化する問題点がある。

【０００３】そこで、走行開始前に、制限速度を超える
ことなく定時性を確保し、省エネルギー性をも実現する
ような最適走行計画を生成しておき、これに従って走行
するようにすれば、定時性と省エネルギー性を両立で
き、また、制限速度が下がる部分で予め速度を下げてお
けるので非常ブレーキによる乗り心地の悪化も避けられ
る。

【０００４】しかし、その場合でも、予測モデルに誤差
があったり、車輪の空転・滑走などの外乱が生じたりす
ると列車が走行計画からずれてしまう。このため、走行
計画に沿って走るよう追従制御を行うと、モータ出力ト
ルクが繰り返し急激に変化して、乗り心地が悪くなって
しまうことが起こり得る。

【０００５】これを解決するために、多少の予測モデル
誤差や車輪の空転・滑走などの外乱があっても、一定周
期で、また、地上子を検知して走行距離を修正した際な
どに走行計画を見直し、必要に応じて計画を再生成しな
がら走行するようにすれば、その影響を補償することが
できる。この場合、走行計画を見直す周期は、走行計画
と実走行との差がそれほど大きくならず、また、走行計
画再生成の計算が負担にならない程度に決めればよい。
近年の電子計算機の高速化により、走行中でも走行計画
を再生成することが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の進歩し
た自動列車運転装置でも、定位置停止制御開始後は停止
位置までの距離が短く、走行計画再生成の効果が出る前
に列車が停止してしまうため、予測モデルに誤差がある
と停止位置誤差に大きな影響が出てしまう問題点があ
る。また、予測モデルに誤差があると、予測される停止
位置誤差が正しくないため、停止計画を見直しても正確
な位置に止まれるとは限らない問題点もある。

【０００７】このような問題点を解決するには、定位置
停止制御開始時に定位置停止用の走行計画（以下、「停
止計画」と称する。）を改めて生成し、制御周期と同程
度の短い周期で、また地上子を検知して走行距離を修正
した際などに停止計画を見直しながら列車を走行させれ
ばよい。

【０００８】また、予測モデルに誤差があると、制御周
期ごとに停止計画を見直しても実走行が停止計画からず
れてしまうが、停止制御開始後にブレーキトルク推定を
行って予測モデルのブレーキトルク値を修正すれば解決
できる。さらに、ブレーキトルク推定を精度良く行えな
かったときは予測モデルに誤差が残り、やはり実走行は
停止計画からずれてしまうが、新しい停止計画に基づい
て停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値
が同程度の大きさになる場合には、その分だけ停止目標
位置を逆方向にずらしてやればよい。

【０００９】本発明はこのような考察のもとになされた
もので、予測モデルに誤差があるときでも、停止位置誤
差を小さくできる自動列車運転装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、次駅
までの走行計画を生成し、これに従って列車を自動で走
行させる自動列車運転装置において、走行中は一定周期
で、また、地上子検知時、ＡＴＣ信号受信時などの所定
のトリガ入力時に走行計画を見直し、実走行との誤差が
大きいときには走行計画を再生成する機能を備えたもの
である。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の自動列車運
転装置において、定位置停止制御開始時に停止計画を生
成し、定位置停止制御開始前よりも細かい周期で停止計
画を見直す機能を備えたものである。

【００１２】請求項３の発明は、請求項２の自動列車運
転装置において、停止計画を見直す際、停止位置誤差を
予測し、この誤差がもっとも小さくなるよう停止計画を
生成し直す機能を備えたものである。

【００１３】請求項４の発明は、請求項３の自動列車運
転装置において、停止制御開始後、ブレーキトルク推定
を行い、予測モデルのブレーキトルク値を修正する機能
を備えたものである。

【００１４】請求項５の発明は、請求項３の自動列車運
転装置において、停止制御開始後、再生成された停止計
画の速度と現在速度との差に応じて停止目標位置を前後
にずらす機能を備えたものである。

【００１５】請求項６の発明は、請求項３の自動列車運
転装置において、停止制御開始後、ブレーキトルク推定
を行って予測モデルのブレーキトルク値を修正し、この
修正された停止計画の速度と現在速度との差に応じて停
止目標位置を前後にずらす機能を備えたものである。

【００１６】本発明の自動列車運転装置では、定位置停
止制御開始時に停止計画を生成し、制御周期と同程度の
短い周期で見直しながら走行することにより、予測モデ
ル誤差の影響が大きくなる前にこの影響をなるべく打ち
消して、停止位置誤差を小さくする。

【００１７】本発明の自動列車運転装置では、また、ブ
レーキトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク
値を修正することにより予測モデル誤差を小さくし、停
止位置誤差を小さくする。

【００１８】本発明の自動列車運転装置では、さらに、
前回の制御周期に見直した停止計画に基づいて停止位置
誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の
値になる場合には、その分だけ停止目標位置を逆方向に
ずらすことにより、実際の停止位置誤差を小さくする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は、本発明の１つの実施の形態
の自動列車運転装置の構成を示している。列車１には、
自動列車運転装置（ＡＴＯ）１１が搭載されている。こ
のＡＴＯ１１は、駅停車中に自動列車制御装置（ＡＴ
Ｃ）２から制限速度情報を取得し、データベースあるい
は運転手の持参したＩＣカードなどの記憶装置３から、
次駅までの路線条件（駅、トンネル、勾配、曲線、固定
制限速度などに関するデータ）と、車両条件（車両長、
車両重量、トルク特性など）と、運行条件（ダイヤスケ
ジュールなど）とを取得し、応荷重装置１３から応荷重
信号を取得し、これらに基づいて、現在時刻とダイヤス
ケジュールとの遅れを考慮しながら次駅までの最適な運
転計画を生成する。ここで「最適」とは、「列車が所定
の走行距離をダイヤスケジュール通りに、制限速度をオ
ーバーすることなく、なるべく省エネルギーで、なるべ
く乗り心地良く走れる」という意味で用いている。

【００２０】ＡＴＯ１１は、出発条件（ドア閉など）が
成立しているときに運転台１２から出発信号を受け取る
と、生成した走行計画に従ってトルク指令（加速度指令
あるいはノッチ指令でも良い）をフィードフォワードで
出力する。ここで、走行計画が時間、距離、速度、加速
度、出力トルクなどの一覧表として保存してある場合に
は、現在位置（あるいは現在時刻でも良い）に対応する
出力トルクを抽出し、それをトルク指令とする。駆動／
制動系制御装置１４は、このトルク指令に従ってモータ
やブレーキ装置のような駆動／制動装置１５を制御す
る。タコジェネレータやパルスジェネレータのような速
度検出器１６は、列車の速度を検出する。なお、この列
車速度を積分することによって列車位置を検出すること
ができ、地上子検出器１７が地上子を検出すると、その
列車位置を補正することができる。

【００２１】図２は、ＡＴＯ１１の内部構成を示してい
る。走行計画生成装置１０１は、ＡＴＣ２やデータベー
スあるいはＩＣカードのような記憶装置３、応荷重装置
１３、速度検出器１６などからの各種条件に基づき走行
計画（定位置停止制御開始後は停止計画）を生成する。
予測モデル１０２は、走行計画又は停止計画を生成する
際、列車の挙動を予測するために利用する。ブレーキト
ルク推定装置１０３は、予測された列車の挙動と実際の
列車の挙動とを比較して列車のブレーキトルクを推定
し、予測モデルのブレーキトルク値を修正する。トルク
指令抽出装置１０４は、現在位置又は時刻に基づいて、
走行計画から対応する出力トルクを抽出し、トルク指令
として出力する。

【００２２】次に、図１および図２を用いて、本実施の
形態の自動列車運転装置の動作について説明する。駅間
走行中は、一定周期（例えば、制御周期の１０倍の周
期）で走行計画を見直し、列車の速度と走行計画との誤
差が大きくなった場合は現在位置から停止目標位置まで
の走行計画を再生成する。これにより、外乱や予測モデ
ルの誤差があっても、定時性を保ちながら省エネルギー
で乗り心地の良い走行を実現できる。

【００２３】定位置停止制御の開始後は、停止位置まで
の距離が短く、走行計画再生成の効果が出る前に列車が
停止してしまうため、外乱や予測モデルの誤差があると
停止位置誤差に大きな影響が出てしまう。そこで、この
影響をなるべく小さく抑えるため、より小さな周期、例
えば、走行計画からトルク指令を算出する制御周期と同
じ周期で定位置停止用の走行計画（停止計画）を見直
す。

【００２４】また、予測モデルに誤差があると予測され
る停止位置誤差が正しく出ないため、停止計画を見直し
ても正確な位置に止まれるとは限らない。そこで、停止
制御開始後、停止ブレーキのトルクがある程度安定して
からブレーキトルク推定を行い、予測モデルのブレーキ
トルク値を修正する。このブレーキトルク推定には、例
えば、次のような方法を用いることができる。

【００２５】図３において、停止ブレーキ開始後、ブレ
ーキトルクが充分立ち上がった時刻をｔ₀（そのときの
速度はｖ₀）とし、ここから一定時間Ｔ_pの間のデータ
から、ブレーキトルクを推定する。この時間Ｔ_pは信頼
できるよう充分長い値で、しかも手遅れにならないよう
なるべく短い値として決める。

【００２６】時刻ｔ₀＋Ｔ_pでの予測モデルによって得
られる速度ｖ₁と実際に計測される速度ｖ_cntとは、次
のように表される。

【００２７】

【数１】ここで、Ｆ′，Ｌ′は予測モデルでのトルクとトルク損
失であり、Ｆ，Ｌは実際のトルクとトルク損失（観測
値）である。

【００２８】そして、（１），（２）式より、

【数２】が得られる。ここで、

【数３】と書き換えると、（３）式より、

【数４】が得られる。さらに変形して、

【数５】となり、実際のブレーキトルクＦの、予測モデルのブレ
ーキトルクＦ′に対する比率Ｆ／Ｆ′は、次の（６）式
で得られる。

【００２９】

【数６】ここにおいて、トルク損失の誤差を無視する場合は、

【数７】となる。

【００３０】より簡易に、トルク損失を無視する場合
は、

【数８】となる。

【００３１】（６），（７），（８）のどの式でも、実
際の出力トルク（実際には、その観測値又は推定値）Ｆ
を必要としない。トルク損失の観測値Ｌは、勾配デー
タ、曲線データ、走行抵抗式及び列車速度（観測値）か
ら求めることができ、これを制御周期毎に足し込んでい
くことにより、

【数９】を求めることができる。

【００３２】以上のように、ブレーキトルクを推定する
ことにより停止位置誤差の精度を上げることができる。

【００３３】また、前回の制御周期に見直した停止計画
に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差
の予測値が同程度の値になる場合は、実際のブレーキト
ルクが予測モデルのものとずれていると考えられる。

【００３４】例えば、停止計画が停止ブレーキの最後に
弱いブレーキを使用するものであり、実際のブレーキト
ルクが予測モデルのものより２０％弱い場合、図４に示
すように、停止位置誤差の予測値がほぼ０になるように
停止前の弱いブレーキヘの切換を延期しても、次の計画
見直し時に停止位置誤差を予測すると前回と同じ程度の
停止位置誤差が予測される。

【００３５】すなわち、停止制御開始から１制御周期後
に現在位置からの列車の走行を予測する場合、ブレーキ
トルクが予測モデルのものより弱いため、最初に生成し
た停止計画よりも現在速度が高くなっている。このた
め、停止計画どおりの位置で弱いブレーキに切り換える
と停止目標位置を過走してしまうと予測される。そこ
で、停止位置誤差がなるべく小さくなるよう、停止計画
を生成し直して弱いブレーキへの切換点を遠方にずら
す。しかし、この計画は実際とずれた予測モデルを使用
して生成しているため、次の制御周期にはやはり停止計
画よりも速度が高くなってしまい、「過走する」という
予測結果が得られる（なお、図４では、見やすくするた
め、１制御周期を大きめに描いてある）。

【００３６】このように、実際のブレーキトルクと予測
モデルのブレーキトルクとのずれは変わらないため、予
測される停止位置誤差、あるいは、停止位置誤差を予測
するときの速度と最新の停止計画との速度誤差は、毎回
同じ程度の値となるのである。

【００３７】そこで、停止位置誤差の予測値あるいは停
止計画からの速度のずれが前回と同じ程度であったと
き、予測される停止位置誤差の分だけ停止位置目標値を
反対側にずらすことにより、図５に示すように、次の制
御周期での停止位置誤差予測値は０に近くなる。なお、
図５では、２回目の予測で、停止位置誤差が前回の予測
での誤差と同じ程度になると予測されたため、この誤差
の分だけ停止目標位置を手前にずらして停止計画を生成
し直している。

【００３８】これを繰り返せば、最終的な停止位置誤差
を小さくすることができ、あるいは、今のブレーキトル
クでは過走を防げないケースであるとより早く判断でき
るため、より強いブレーキを停止ブレーキに使用するよ
う停止計画を生成し直すなどの対応を早めに取ることが
できる。さらに、その新しく使用するブレーキも予測モ
デルのものとはトルク値がずれていると考えられるの
で、停止位置をずらしたままにしておくことによって最
終的な停止位置誤差を小さくすることができる。

【００３９】なお、ここでブレーキトルク推定を併せて
行えば、より正確な予測が可能となり、停止位置誤差を
いっそう小さくでき、過走を防げない場合などでも、そ
れに対する処理（停止計画のブレーキを強く／弱くす
る、など）を早めに行うことができる。

【００４０】また、上記よりも簡便な方法として、停止
目標位置を最初から手前にずらしておいて停止計画を生
成し、停止前の最後の地上子検出時に本来の停止目標位
置に戻して停止計画を生成するようにすることもでき
る。このように停止目標位置を手前にずらしておくこと
により、停止前に充分に速度を落としておくことがで
き、本来の停止目標位置まで余裕を持って、弱いブレー
キで乗り心地良く進んでから停止することができるよう
になる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、定位置
停止制御開始時に停止計画を生成し、制御周期と同程度
の短い周期で見直しながら走行することにより、予測モ
デル誤差の影響が大きくなる前にこの影響をなるべく打
ち消して、停止位置誤差を小さくすることができる。

【００４２】また、本発明によれば、ブレーキトルク推
定を行って、予測モデルのブレーキトルク値を修正する
ことにより、予測モデル誤差を小さくすることができ、
停止位置誤差を小さくすることができる。さらに、前回
の制御周期に見直した停止計画に基づいて停止位置誤差
を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の値に
なる場合には、その分だけ停止目標位置を逆方向にずら
すことによって実際の停止位置誤差を小さくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施の形態の自動列車運転装置
の構成を示すブロック図。

【図２】上記の実施の形態の自動列車運転装置の内部構
成を示すブロック図。

【図３】本発明において、ブレーキトルク推定を行うの
に用いる列車速度データの範囲を示すグラフ。

【図４】本発明において、停止目標位置をずらさないと
きの停止計画と予測された列車走行とを示す速度パター
ン図。

【図５】停止目標位置をずらしたときの停止計画と予測
された列車走行とを示す速度パターン図。

【符号の説明】

１列車２自動列車制御装置（ＡＴＣ）３記憶装置１１自動列車運転装置（ＡＴＯ）１２運転台１３応荷重装置１４駆動／制動系制御装置１５駆動／制動装置１６速度検出器１７地上子検出器１０１走行計画生成装置１０２予測モデル１０３ブレーキトルク推定装置１０４トルク指令抽出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷麻美東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内 (72)発明者南陽太朗東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中事業所内Ｆターム(参考） 5H115 PC02 PG01 PI01 QN03 QN11 QN21 QN28 SF13 SJ01 SJ13 SL01 SL06 TB03 TD19 TO10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】次駅までの走行計画を生成し、これに従
って列車を自動で走行させる自動列車運転装置におい
て、走行中は一定周期で、また、所定のトリガ入力時に、走
行計画を見直し、実走行との誤差が大きいときには走行
計画を再生成する機能を備えたことを特徴とする自動列
車運転装置。
【請求項２】請求項１に記載の自動列車運転装置にお
いて、定位置停止制御開始時に停止計画を生成し、定位置停止
制御開始前よりも細かい周期で停止計画を見直す機能を
備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項３】請求項２に記載の自動列車運転装置にお
いて、停止計画を見直す際、停止位置誤差を予測し、この誤差
がもっとも小さくなるよう停止計画を生成し直す機能を
備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項４】請求項３に記載の自動列車運転装置にお
いて、停止制御開始後、ブレーキトルク推定を行い、予測モデ
ルのブレーキトルク値を修正する機能を備えたことを特
徴とする自動列車運転装置。
【請求項５】請求項３に記載の自動列車運転装置にお
いて、停止制御開始後、再生成された停止計画の速度と現在速
度との差に応じて停止目標位置を前後にずらす機能を備
えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項６】請求項３に記載の自動列車運転装置にお
いて、停止制御開始後、ブレーキトルク推定を行って予測モデ
ルのブレーキトルク値を修正し、この修正された停止計
画の速度と現在速度との差に応じて停止目標位置を前後
にずらす機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装
置。