JP2004080838A - Automatic train operating apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、列車の特性を学習し、その学習結果を列車の自動運転に利用する自動列車運転装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
自動列車運転装置(以下、「ATO」と称する)は、列車の制限速度、ないしは制限速度からある程度の余裕を持たせた制限速度に列車を追従させようとするものとして、すでに実用化されている。しかしながら、PI制御等の誤差追従制御を主体としているため、列車や路線の特性に依存するところが多く、現状では、各列車や各路線に対し、それらの特性または制御パラメータの調整を行う作業のためにかなりの時間および労力を必要としている。
【0003】
また、走行計画を作成し、これをもとにした列車走行を行うような自動列車運転装置も考えられている。走行計画を作成する場合、簡易的な列車走行モデルを利用することがある。最も簡単なものとしては、まず対象の列車運転を次に示すような簡単な物理式、
F−Fr=M・α …(1)
で表現する方法が考えられる。ここで、Fは力行牽引力またはブレーキ力、Frは列車走行抵抗力、Mは列車重量、αは加速度(負の加速度すなわち減速度を含む)である。列車走行抵抗Frは列車走行時に発生する抵抗力であり、計算の便宜上、以下の各抵抗に基づいて構成されるものと考える場合が多い。すなわち、
出発抵抗:発車の際の抵抗
空気抵抗:列車走行上の空気による抵抗
勾配抵抗:路線の勾配に起因する抵抗
曲線抵抗:路線の曲線に起因する抵抗
トンネル抵抗:トンネル内を走行するときに発生する抵抗
がそれである。空気抵抗は、車輪踏面とレール面との間の抵抗も考慮し、速度の2次式として取り扱う場合が多い。
【0004】
一般的に列車走行抵抗力Frは、勾配抵抗、空気抵抗、曲線抵抗、トンネル抵抗、出発抵抗等からなる抵抗に基づくものと考えられる場合が多い。ここでは、トンネル以外の列車走行時を考えるものとし、勾配抵抗、空気抵抗、および曲線抵抗に関して考える。この場合、勾配抵抗、空気抵抗、および曲線抵抗はそれぞれ以下の式(2),(3),(4)で求められる(例えば、文献「運転理論(直流交流電気機関車)」交友社編参照)。すなわち、
(a)勾配抵抗式
Frg=s …(2)
Frg:勾配抵抗力[kg重/ton]、
s:勾配[‰](上りのとき正、下りのとき負)、
(b)空気抵抗式
Fra=A+Bv+Cv2 …(3)
Fra:空気抵抗力[kg重/ton]、
A,B,C:係数、
v:速度[km/h]、
(c)曲線抵抗式
Frc=800/r …(4)
Frc:曲線抵抗力[kg重/ton]、
r:曲率半径[m]。
【0005】
自動列車運転の際に、式(1)のようなモデルを利用する場合、走行計画に基づく自動列車運転方式においても、列車特性や路線特性等の特性が乗り心地の向上や停止精度に大きく影響する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方式は、上述したように、列車や路線の特性または制御パラメータに依存するところが大きく、自動列車運転装置の調整に多大な労力が必要であった。また、その調整においては、列車を実際に何度も走行させて実データを取得し、オフライン的に調整を進める必要があった。
【0007】
したがって本発明の目的は、調整に必要な時間や労力を低減し、さらに営業走行後も自動で特性の学習を進め、乗り心地を一層改善し、また停止精度を向上させ得る自動列車運転装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明の自動列車運転装置は、列車走行時に取得したデータをオンライン処理するデータ処理手段と、このデータ処理手段によって列車走行時に取得したデータおよび事前に取得したデータをもとに、列車走行時の制御パラメータ、並びに列車特性および路線特性を列車走行時に自動学習する自動特性学習手段と、この自動特性学習手段によって学習された列車特性および路線特性を使用し、列車の自動運転を行う列車自動運転手段と、を備えたことを特徴とする。
【0009】
請求項1に記載の発明によれば、走行中にオンラインで列車特性や路線特性を自動学習することが可能であり、ここで自動学習した結果を用いた列車自動運転をすることができる。
【0010】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の自動列車運転装置において、営業前の事前試験走行によって、列車自動運転に必要な列車特性および路線特性並びに制御パラメータの初期値を予め推定する営業前特性推定手段を備え、自動特性学習手段は、営業前特性推定手段によって推定された初期値をもとに営業後の走行によって学習を進めることを特徴とする。
【0011】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、営業前の試験走行によって列車特性や路線に関する特性をオンラインで自動学習することが可能であり、ひいては自動列車運転装置を採用する際の事前の調整時間および調整に要する労力を削減することができる。
【0012】
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、列車走行時に、想定特性値が実際値とは明らかに異なると判断された時点で学習を行い、学習内容をそれ以降の列車走行に反映させることを特徴とする。
【0013】
請求項3に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、特性の自動学習を適切なタイミングで行うことにより、効率の良い特性学習をすることができる。
【0014】
請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、一つの駅間走行結果をもとに学習を行い、学習内容を次駅までの列車走行に反映させることを特徴とする。
【0015】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、駅間走行の結果から特性のオンライン自動学習をすることができる。
【0016】
請求項5に係る発明は、請求項1または2に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、1路線走行結果をもとに学習を行い、学習内容を次の路線走行時に反映させることを特徴とする。
【0017】
請求項5に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、全路線の走行結果取得時に、その結果から得られる特有の現象に基づいた特性のオンライン自動学習を進めることができる。
【0018】
請求項6に係る発明は、請求項1または2に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、1日分の走行結果をもとに学習を行い、学習内容を翌日の列車走行時に反映させることを特徴とする。
【0019】
請求項6に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、1日分の走行結果(1日分の全路線走行結果)取得時に、その結果から得られる特有の現象に基づいた特性のオンライン自動学習をすることができる。
【0020】
請求項7に係る発明は、請求項1または2に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、少なくとも数日分の走行結果をもとに学習を行い、学習内容を翌日以降の列車走行時に反映させることを特徴とする。
【0021】
請求項7に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、数日分または数ヶ月分の走行結果取得時に、その結果から得られる特有の現象に基づいた特性のオンライン自動学習をすることができる。
【0022】
請求項8に係る発明は、請求項1または2に記載の自動列車運転装置において、請求項3ないし7に記載の自動特性学習手段のうち少なくとも2つを併せ備えるとともに、備えられた各自動特性学習手段の学習結果を比較する学習結果比較手段と、この学習結果比較手段の比較結果に従って個々の学習結果を補正する学習結果補正手段とをさらに備えたことを特徴とする。
【0023】
請求項8に記載の発明によれば、あり得ない学習状況を回避し、それぞれの学習効果を向上させることができる。
【0024】
請求項9に係る発明は、請求項2に記載の自動列車運転装置において、営業前特性推定手段による推定の結果が、実際には起こり得ない特性値であるか、実際に起こり得る限界の特性値を外れている場合、推定の結果を限界の特性値以内に補正する推定結果補正手段をさらに備えたことを特徴とする
請求項10に係る発明は、請求項1ないし7のいずれか1項に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段による学習の結果が、実際には起こり得ない特性値であるか、実際に起こり得る限界の特性値を外れている場合、学習の結果を限界の特性値以内に補正する第2の学習結果補正手段をさらに備えたことを特徴とする。
【0025】
請求項9および10に記載の発明によれば、学習・推定の補正を行うことにより、万が一でもあり得ないような学習・推定結果が発生した場合に、これを未然に回避することができる。
【0026】
請求項11に係る発明は、請求項1ないし10のいずれか1項に記載の自動列車運転装置において、目標走行計画値からの誤差に基づき制御指令を補正することにより自動列車運転を行う自動列車運転装置において、自動学習特性手段は、営業走行時の特性学習の際に、目標走行計画値との間の誤差に基づいた制御指令補正量に応じて特性学習を行うことを特徴とする。
【0027】
請求項11に記載の発明によれば、目標走行計画との誤差に基づく制御指令補正状況に応じて学習を行うことにより、より詳細で迅速な学習を行うことができる。
【0028】
請求項12に係る発明は、請求項1ないし11のいずれか1項に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、適応オブザーバを用いて特性の学習を行うことを特徴とする。
【0029】
請求項12記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、適応オブザーバを用いて特性の学習を行うことにより、更に精度のよい学習を行うことができる。
【0030】
請求項13に係る発明は、請求項1ないし11のいずれか1項に記載の自動列車運転装置において、自動特性学習手段は、外乱オブザーバを用いて特性の学習を行うことを特徴とする。
【0031】
請求項13に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、外乱オブザーバを用いることにより、外乱を陽に推定し、この結果を用いて特性学習を行うことができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
<実施の形態1>
図1および図2は本発明による自動列車運転装置の一実施形態を示すものである。図示の列車1に搭載された自動列車運転装置(ATO)8は、地上システムである自動列車制御装置(ATC)2から制限速度データを取得し、また列車1内においてデータベース(DB)3から路線条件(傾斜角や曲線曲率半径等)や車両条件(列車編成・重量等)、運行条件等のデータを取得し、運転台4から出発信号を、応荷重装置5から応荷重信号を、速度検出器6から列車速度信号を、それぞれ取得し、さらに路線上に適宜配置された地上子に応答する地上子検出器7から列車位置の信号をそれぞれ取得する。路線に適宜配置される地上子は列車位置の確認のために用いられる。ここでは、DB3は列車1内に搭載されるものとして示されているが、場合によっては列車1の外部に地上システムとして備えることもでき、また、場合によっては、列車1内および地上に分散配置としてもよい。
【0033】
ATO8は、オンラインデータ処理を行うデータ処理手段80および列車自動運転手段81のほかに、後述の営業前特性推定手段24および営業後特性学習手段34に代表される推定手段および学習手段を備えている。データ処理手段80は列車速度信号を処理して列車速度のほかに列車位置(速度の時間積分値)、列車加速度(速度の微分値)、および列車走行距離(速度絶対値の時間積分値)を連続的に演算する。列車位置ないし列車走行距離は、地上子検出器7からの列車位置信号によって適宜補正される。データ処理手段80は、このように各入力信号に基づいて所定の演算を行い、後述の学習や列車自動運転に必要な計測データを提供する。列車自動運転に必要な計測データは列車自動運転手段81に提供される。列車自動運転手段81は各入力データに基づいて演算した結果に従い駆動装置9に力行指令を、また減速装置10に減速指令を出す。駆動装置9は、列車を牽引するための主電動機およびそれを制御する電力変換器を含む。また、減速装置10は通常、機械ブレーキおよび電気ブレーキを併せ備える。
【0034】
ATO8は列車1に搭載されており、本発明の学習に係わる営業前特性推定手段24および営業後特性学習手段34の部分は、図2に詳細に示されているように、営業前走行判断手段20、営業前特性初期値設定手段21、営業前試験走行用列車自動運転手段22、走行結果蓄積手段23、営業前特性推定手段24、推定結果補正手段25、特性推定値蓄積手段26、学習特性データベース(学習特性DB)30、特性初期値設定手段31、列車自動運転手段32、営業後走行結果蓄積手段33、営業後特性学習手段34、および学習結果補正手段35からなっている。手段21〜26は営業走行前試験走行時のための処理手段であり、手段31〜35は営業走行後のための処理手段であり、営業前走行判断手段20および学習特性DB30は営業走行前後に関わりなく両者に共通に設けられている。図2には、ATO8が自動列車運転装置として本来備えているデータ処理手段80および列車自動運転手段81等は省略されている。
【0035】
次に図1および図2の装置の作用について説明する。
【0036】
図1において、ATO8は、ATC2から制限速度データを、DB3から路線条件や車両条件、運行条件等の、事前に取得可能な情報をそれぞれ取得するとともに、速度
し、それをもとにして所定の演算を行い、力行指令または減速指令からなる制御指令を作成し、列車1の自動運転を実現することは前述の通りである。
【0037】
ATO8は運転台4から出発信号を受信することにより列車自動運転手段による自動運転動作を開始する。発車後は、応荷重装置5から得られる応荷重情報と、速度検出器6から得られる速度データと、地上子検出器7から得られる地上子検出情報を利用する。応荷重情報は列車の重量に関する情報として利用し、地上子検出情報は位置情報の補正のために利用する。これらの情報を利用し、ATO8では、列車の制御指令(力行指令/減速指令)を作成する。制御指令として力行指令が作成された場合、力行指令を出力し、駆動装置9によって列車を力行させる。力行指令としては、力行トルク(力行牽引力)指令のほか、ノッチ走行の場合は力行ノッチ指令等が挙げられる。また、制御指令として減速指令が作成された場合、減速指令を出力し、減速装置10によって列車を減速させる。減速指令としては、ブレーキ力指令や、ノッチ走行の場合、ブレーキノッチ指令等が挙げられる。
【0038】
次に図2を参照してATO8の作用をさらに詳細に説明する。
【0039】
運転台4から出発信号を受信することにより、まず営業前走行判断手段20で営業前の試験走行であるか、営業後の走行であるかの判断を行う。この際の判断方法としては、ソフト的にフラグを作成し、「フラグを立てない場合は、試験走行」とし、「フラグを立てた場合は、営業走行」とする等のソフト的なフラグを利用する方法や、ハードスイッチの設定結果を利用する方法等が考えられる。
【0040】
営業前走行判断手段20において営業前の試験走行であると判断された場合、営業前特性初期値設定手段21において営業前試験走行時の初期特性パラメータを設定する。設定の方法としては、手動でマンマシン・インタフェースを利用し、走行開始前に設定する方法が考えられる。また、設定値の内容としては、列車の仕様や路線特性等、事前に入手可能な情報から特性パラメータを抽出し、入力すればよい。
【0041】
次に、営業前特性初期値設定手段21によって設定された特性パラメータを用いて、営業前試験走行用列車自動運転手段22により、自動運転による列車の試験走行を行う。自動列車運転の方法としては、駅停車時に最適走行計画を作成し、これをもとに自動運転し、最適走行計画からのずれが大きな場合に、走行計画を再計画したり、制御指令に対し誤差フィードバックによる補正を行ったりする方法がある。また、ここでは、営業前の事前走行であるため、例えば、ノッチ走行の列車の場合、特性推定をしたいノッチを用いた試験走行を行う等、特性推定を目的とした走行を行うことができる。
【0042】
次に、営業前試験走行用列車自動運転手段22で自動運転を行った結果を、走行結果蓄積手段23によって蓄積する。蓄積する場合は、目標とした走行計画、および走行時に計測された速度データや位置データ等を、ハードディスク(HD)等のメディアに電子ファイルとして蓄積することができる。
【0043】
次に、走行結果蓄積手段23によって蓄積された試験走行結果を用いて、営業前特性推定手段24によって、特性パラメータの推定を行う。営業前に推定しておくべき特性パラメータとしては、重量、加速特性、減速特性等をあげることができる。
【0044】
列車編成全体の重量に関しては、営業前の試験走行であることから、乗客が乗車していないため、惰行時の加速度または減速度と列車走行抵抗によって推定が可能である。ここでは、対象の列車を式(1)のような簡単な物理式で表現する場合を考える。
【0045】
列車走行抵抗に関しては、勾配、曲率等の路線特性や、空気抵抗や摩擦抵抗を考慮した式により演算をすることが可能である。なお、列車走行抵抗の演算に関しては、文献「運転理論(直流交流電気機関車)」交友社編を参照されたい。一般に列車走行抵抗力Frは、
Fr=Frg+Fra+Frc
=s+(A+Bv+Cv2)+800/r …(5)
のように表現することができる。ただし、Frは列車抵抗力[kg重/ton]、Frgは勾配抵抗力[kg重/ton](上りが正、下りが負)、Fraは走行抵抗力[kg重/ton]、Frcは曲線抵抗力[kg重/ton]、sは勾配[‰]、A,B,Cは係数、vは列車速度、rは曲率半径である。
【0046】
これらを考慮すると、重量は、式(1)を変形して、
M=(F−Fr)/α …(6)
によって推定することができる。式(6)において、惰行走行の場合、力行牽引力Fを0(ゼロ)とすればよい。また、加速度(または減速度)αに関しては、最小二乗法等を利用し、計測結果(列車走行速度)から演算することによって得ることができる。以上の処理で重量Mを推定することができる。
【0047】
重量Mの推定演算が終了すれば、この重量推定値を利用することにより力行特性およびブレーキ特性の推定が可能となる。
【0048】
まず、重量推定値Mest、力行時の加速度αacc、および列車走行抵抗力Frを使用して、力行特性(力行ノッチと力行牽引力の関係等)の推定を行う。力行時の加速度αaccおよび列車走行抵抗力Frに関しては、前述の重量の演算と同様の処理で得ることができる。これらと重量推定値を用いて、力行牽引力Fを、
F=Mestαacc+Fr …(7)
により推定することができる。
【0049】
式(7)により、ノッチによる力行操作を行う列車の場合、各ノッチの力行牽引力を推定することができる。これをもとに力行ノッチと力行牽引力の関係を推定することができる。
【0050】
また、重量推定値と、減速時の減速度および列車走行抵抗を使用して、ブレーキ力特性を推定することができる。減速時の減速度および列車走行抵抗に関しては、前述の重量の際の演算と同様の処理で得ることができる。これらと重量推定値を用いて、ブレーキ力Fを、
F=Mestαdec+Fr …(8)
により推定することができる。ただし、αdecは減速度(負の加速度)である。
【0051】
式(8)により、ノッチによるブレーキ操作を行う列車の場合の、各ノッチのブレーキ力を推定することができる。この結果からブレーキノッチとブレーキ力の関係を推定することができる。
【0052】
これらの推定値は、駅間走行後や、停車時に演算することが望ましいが、列車走行中に演算し、演算結果を列車走行中に確認することもできる。このように重量・力行特性、ブレーキ特性の推定を行うことにより、列車編成毎のばらつきに対しても、営業走行前に従来より短い時間での調整が可能となる。
【0053】
次に、営業前特性推定手段24によって推定された特性推定値に対し、推定結果補正手段25によって補正を加える。補正を加えるにあたっては、理論的に実現可能な特性パラメータの許容範囲を設定しておき、この許容範囲内に収まるように修正する必要がある。例えば、特性推定値が許容範囲を超える場合は、予め演算しておいた設定値を使用したり、許容範囲における制限値を利用したりすること等が考えられる。この許容範囲をあまりに大きく外れる場合は、再度試験走行をする等の操作を行う必要がある。
【0054】
次に、推定結果補正手段25によって補正された特性推定値を、特性推定値蓄積手段26によって学習特性DB30に蓄積する。蓄積の方法としては、前述した走行結果蓄積手段23と同様の方法を利用することができる。学習特性DB30は営業走行前の試験走行で得られた特性推定結果のほかに、後述の営業走行後の学習で得られた特性学習結果をも蓄積する。
【0055】
営業前走行判断手段20によって営業後の走行であると判断された場合に関して以下に説明する。
【0056】
営業走行の場合、最初に特性初期値設定手段31によって特性パラメータの初期値を設定する。最初の営業走行の場合には、特性推定値蓄積手段26によって蓄積された特性パラメータ(特性推定結果)を学習特性DB30から取得して使用する。営業走行を進め、学習が進行した場合は、学習の結果得られた特性パラメータ(特性学習結果)を使用する。
【0057】
次に、特性初期値設定手段31によって設定された特性パラメータを使用し、列車自動運転手段32によって列車の自動運転走行を行う。列車の自動運転に関しては、基本的には営業前試験走行用列車自動運転手段22と同様であるが、営業後の場合、不特定多数の乗客が乗車するため、重量に変動が生じる。したがって、駅出発から初期力行時に、駅間走行時の重量を推定する必要がある。重量推定の方法としては、応荷重が得られる場合には、応荷重を利用すればよい。応荷重が利用できない場合は、営業前特性推定手段24や推定結果補正手段25と同様の作用を駅出発後の初期力行時に行うことにより重量の推定が可能である。推定の結果が特性初期値設定手段31によって設定した値と異なる場合は、再度走行計画を作成する等の処理が必要となる。駅出発後の初期力行時に重量の推定を行う場合の概要を図3に示す。
【0058】
図3において、横軸は出発駅から次駅までの距離すなわち位置を示し、縦軸は各位置での速度を速度パターンとして示したものである。出発駅停車時に特性推定値に基づいて作成された最適走行パターン31(細い破線)に基づいて走行を始めた後、初期力行区間30における実走行結果すなわち実走行パターン32(太い実線)に従って重量推定を行い、その重量推定値に基づく再演算によって補正された走行パターン32(太い破線)を作成し、これに従って実走行運転を行う。
【0059】
次に、列車自動運転手段32によって自動運転した結果を営業後走行結果蓄積手段33によって蓄積する。蓄積の方法としては、前述した走行結果蓄積手段23と同様の方法を利用することができる。
【0060】
次に、営業後走行結果蓄積手段33によって蓄積された走行結果を用いて、営業後特性学習手段34によって特性の学習を行う。この特性の定期的学習に関しては、
(1)駅間走行結果に基づく学習
(2)全路線走行結果に基づく学習
(3)1日分走行結果に基づく学習
(4)数日分走行結果に基づく学習
(5)数ヶ月分走行結果に基づく学習
とケース別に実施する。
【0061】
以下にケース(1)〜(5)に関してそれぞれ説明する。
(1)駅間走行結果に基づく学習
駅間走行後に得られる駅間走行結果をもとに学習し、学習結果を次駅間走行時に反映させる。これは、例えば、雨が降り出したときのブレーキ力低下への対応の学習を行う。一駅間の走行結果から学習が必要であると判断される例としては、雨天時のブレーキ力低下への対応が挙げられる。雨天時においては、列車において空気ブレーキが使用される場合、雨によりブレーキシューの摩擦が減少することからブレーキ力(減速性能)の低下が考えられる。このような場合は、雨の降り始め以降、減速性能の低下が見られるはずである。この結果をもとに、ブレーキ力の特性を学習すればよい。この場合の学習結果は一時的なものである場合が多いため、別途、仮の特性パラメータとして保持し利用するのがよい。
【0062】
(2)全路線走行結果に基づく学習
1路線を最初から最後まで走行した結果をもとに学習し、次に路線走行を開始する際に学習結果を反映させる。例えば、一路線走行終了時に、各駅において必ずといっていい程、目標停止位置に対して過不足(ずれ量)を生じて停止する場合、そのようなずれ量を無くすため、ずれ量に応じてブレーキ力特性を学習すればよい。例えば、目標停止位置を行き過ぎる場合、ブレーキ力特性の設定値が実際値より若干大きいことが考えられる。すなわち、実際より大きなブレーキ力を考えているため、想定する減速度が得られていないことが考えられる。この場合は、ブレーキ力特性の設定値を若干小さくするように学習を行えばよい。
【0063】
(3)1日分走行結果に基づく学習
1日分の走行結果をもとに学習し、その学習結果を次の日の走行に反映させる。例えば、1日分の走行結果(例えば、1路線全体の走行数回分の走行結果)を見る場合に、必ずといっていいほど、ある駅間で目標停止位置に対して同程度の行き過ぎずれを生じる場合は、その駅間における勾配や曲線等の路線特性パラメータの設定にずれを生じている可能性がある。この場合、走行結果に応じて勾配や曲線等の路線特性パラメータを少しずつ調整するように学習を行えばよい。
【0064】
(4)数日分走行結果に基づく学習
数日分の走行結果を蓄積し、その蓄積結果をもとに学習を行う。例えば、数日分の走行結果を見たとき、同じ時間帯でのみ走行計画からのずれを生じている場合、何らかの影響で、その時間帯のみ力行牽引力特性またはブレーキ力特性が結果的に実際とずれている状況になっていることが考えられる。他の時間帯ではずれが見られない場合は、実際には特性パラメータ自体がずれているわけではないと考えられるため、対象となる時間帯のみ特性に補正を施し、以後、その補正値を学習によって修正していけばよい。
【0065】
(5)数ヶ月分走行結果に基づく学習
数ヶ月分の走行結果が蓄積されたとき、その蓄積結果をもとに学習を行う。これは、例えば、保守点検の際等に蓄積された走行結果をもとに学習を行うことが考えられる。例えば、3ヶ月分の走行結果を見たとき、3ヶ月前、2ヶ月前、1ヶ月前と、時間の経過とともに次第にブレーキ力が低下している状況が見られる場合がある。これは、数日分走行結果に基づく学習の状況等からは判断困難という状況を想定している。空気ブレーキを使用している場合、摩擦によるブレーキシューの摩耗が生じている可能性がある。したがって、この結果をもとに特性パラメータを変更(学習)するか、程度によってはブレーキシューの取替え等の対策をとる必要がある。この他に、車輪径の変動等、経年変化への対策も行う。
【0066】
以上の学習は、一例として、図4に示すフローのように学習を進めることによって選択的に実現することができる。図4において、営業前走行判断手段20による営業前の試験走行か、営業後の営業走行かの判断(ステップ51)の結果が、前者(営業前試験走行)であれば、営業前試験走行(ステップ52)を行い、初期パラメータの推定(ステップ53)を行って終了する。ステップ51の判断結果が営業走行であれば、走行内容に応じて5種類の学習のいずれかを行う。すなわち、営業走行における走行終了の態様を判断し(ステップ54)、駅間走行終了であれば「(1)駅間走行結果に基づく学習」(ステップ55)を行い、全路線走行終了であれば「(2)全路線走行結果に基づく学習」(ステップ56)を行う。ステップ54において、1日分走行終了であった場合は、さらに何日分のデータが蓄積されたのかを判断し(ステップ57)、その判断結果に従い、1日分データ蓄積完了であれば「(3)1日分走行結果に基づく学習」(ステップ58)を行い、数日分データ蓄積完了であれば「(4)数日走行結果に基づく学習」(ステップ59)を行い、数ヶ月分データ蓄積完了であれば「(5)数ヶ月分走行結果に基づく学習」(ステップ60)を行う。
【0067】
しかしながら、図4において太線で表示された各学習ステップ55,56,58,59,60では、走行結果に以下のような学習すべき傾向が見られる場合のみ学習を行う。すなわち、
a) 同じ傾向のずれが続く場合(例えば、全路線走行結果において、全駅間で同程度の目標停止位置行き過ぎが見られる場合等)、および
b) ずれが顕著な場合
である。
【0068】
学習に関しては、関連のある特性パラメータをある一定の割合毎に増減させる方法が考えられる。例えば、前述したように、全路線走行結果において、全駅間で同程度の目標停止位置の行き過ぎが見られる場合、ブレーキ力の設定値が実際のブレーキ力より若干大きすぎる場合が考えられるため、ブレーキ力特性の設定値を一定の割合で小さくするように学習を行えばよい。
【0069】
特に駅間走行結果に基づく学習に関しては、同じ傾向のずれが数ケース見られることはまれと考えられる。したがって、この場合、以下のような学習が考えられる。すなわち、
・対象となる自動列車運転方式:
走行計画と実際の計測値にかなりのずれを生じる場合に、その偏差に応じて制御指令(力行ノッチ指令、ブレーキノッチ指令等)に対し補正を加えるような自動列車運転方式である。
【0070】
・学習方法:
走行計画と実際の計測値との間にずれが生じた場合の制御指令補正の状況に応じて学習を行う。例としてブレーキ力特性の場合では、例えば、ブレーキ時に、計画より強いブレーキノッチとなるような制御指令補正が生じた場合、想定した減速度が得られていないことが考えられる。この場合、ブレーキ力特性の設定値が大きすぎたことが考えられるため、ブレーキ力特性の設定値を一定の割合で小さくするように学習を行えばよい。計画より弱いブレーキノッチとなるような制御指令補正が生じた場合は反対にブレーキ力特性の設定値を一定の割合で大きくするように学習を行えばよい。
【0071】
推定特性が実際値と異なるという判断に関しては、計測データとして得られる加減速度をもとに、想定している特性である列車走行に関する特性、路線形状に関する特性(勾配、曲線等)、重量、力行牽引力またはブレーキ力を使用して、式(1)が満たされるかどうかを判断すればよい。
【0072】
以上のようにして営業後特性学習手段34によって学習した結果に対して学習結果補正手段35によって補正を加える。補正の方法としては、前述の推定結果補正手段25と同様の処理によって実施可能である。ここでの補正結果は学習特性DB30に特性学習結果として蓄積される。
【0073】
以上により、営業運転に入ってからも学習を行い、特性パラメータを調整しながら営業走行を行う。
【0074】
以上のほとんどの学習は、駅到着時等の列車停車中でのオンライン自動学習を想定している。ただし、力行時の重量の推定は走行中のオンライン自動推定を想定している。
【0075】
このように、学習・推定を行いつつ列車の自動運転を行うことにより、列車編成のばらつきや、経年変化等に良好に対応した自動運転を行うことができる。
【0076】
以上説明したように、実施の形態1の自動列車運転装置によれば、営業走行前に重量・力行牽引力・ブレーキ力の推定を行うことにより、列車編成毎のばらつきに対しても、従来より短い時間によって調整が可能となり、営業後も、特性パラメータの学習を行うことにより、特性パラメータに変化が生じた場合でも乗り心地や停止精度を満足する自動運転を実現することができる。更に、営業後の学習において、学習を利用するデータの期間により駅間走行分、路線走行分等のように分けて実施することにより、より実際の状況に即した学習を行うことができる。また、営業前の推定、営業後の学習においては、推定・学習の結果を補正することにより、万が一、あり得ないような結果が出た場合でも、補正することにより、あり得ない特性パラメータを使用することなく推定・学習を行うことができる。
【0077】
以上のようにして、特性の学習が進めば進むほど有効な最適走行計画の作成が可能となる。また、列車走行中に大きな学習が発生した場合、これをトリガとし、走行計画を再計画することにより、乗り心地、目標停止位置停止精度、走行時分を満足する自動列車運転が可能となる。
【0078】
<実施の形態2>
実施の形態1では、ほとんどの学習は駅到着時等の列車停車中でのオンライン自動学習を想定し、力行時の重量の推定は走行中のオンライン自動推定を想定している。しかしながら、学習進行状況を列車走行中に確認できるようなマンマシンインターフェースが備わっている場合は、走行中にオンライン自動学習を進め、運転士の判断で、学習結果を使用するようなシステムも実現可能である。この場合、学習手段のみを別個の装置とし、自動列車運転の支援装置とすることもできる。
【0079】
<実施の形態3>
図5は実施の形態3による自動列車運転装置の要部構成を示すものである。この実施の形態においては、営業後特性学習手段として、請求項3に記載の自動特性学習手段341、請求項4に記載の自動特性学習手段342、請求項5に記載の自動特性学習手段343、請求項6に記載の自動特性学習手段344、および請求項7に記載の自動特性学習手段345を備え、さらに、これら自動特性学習手段で得られた学習結果を入力とする学習結果比較手段36、および学習結果比較手段36での比較結果に従って学習結果に補正を加える学習結果補正手段37を備えている。
【0080】
自動特性学習手段341〜345では、それぞれ実施の形態1で説明したようにして特性の学習を行う。学習結果比較手段36では、自動特性学習手段341〜345において学習した結果を受け取り、それぞれの学習結果を比較し、それらの相互間に大きな矛盾がないかどうかをチェックする。自動特性学習手段341〜345では、学習期間すなわち学習の間隔が大きく異なっているため、基本的に、学習期間の長い方の結果を学習期間の短い方の結果でチェックすればよい。例えば、自動特性学習手段345における学習結果が同じ時間帯の自動特性学習手段344の学習結果と明らかにn倍、例えば10倍の値を持つような場合は明らかに異常であると判断し、自動特性学習手段345の学習結果は大きく矛盾しているという結果とすればよい。また、自動特性学習手段341〜345の内の複数の結果を用いてチェックすることにより、チェックの精度をより向上させることができる。
【0081】
次に、学習結果補正手段37は、学習結果比較手段36において大きく矛盾しているという比較結果が出たものに対して補正を加える。補正の方法としては、最も簡単には、学習期間(学習間隔)の短い自動特性学習手段の学習結果をそのまま利用する方法である。しかしながら、自動特性学習手段341〜345の複数の学習結果を用いた場合、それらの学習結果の平均値を用いることも考えられる。さらに、自動特性学習手段341〜345の学習結果がほとんどが矛盾しているという結果が出た場合や、自動特性学習手段341〜345の学習結果相互間に大きなばらつきが存在する場合は、それらを平均値をとって使用することも考えられる。
【0082】
<実施の形態4>
自動特性学習手段34では、適応オブザーバを用いて特性の学習を行うことができる。適応オブザーバは、対象プラントを式(1)のように数式モデル化した場合に、観測(測定)可能な値からそのパラメータを同定するものである。見方によってはシステム同定を行っているとも考えられ、時々刻々と適応オブザーバの同定結果を列車自動運転手段81で利用することにより、一種の適応制御系を構成する。式(1)の場合、適応オブザーバを用いることにより、観測値である加減速度(速度検出器6の検出速度から算出可能)と制御指令値である力行牽引力またはブレーキ力を利用し、重量、列車走行抵抗を時々刻々同定することができる。適応オブザーバのアルゴリズムとしては、拡張最小二乗法や拡張カルマンフィルタ、適応フィルタ等を利用することができる(詳細に関しては「ロバスト適応制御入門」(寺尾満監修、金井喜美雄著、オーム社刊)の2章「未知プラントの推定と適応観測器」P.47〜87、または「システム制御シリーズ6最適フィルタリング」(西山清著、培風館)の3.3節「適応フィルタ」P.50〜57を参照)。
【0083】
以上のように、学習期間(学習の間隔)が異なるいくつかの自動特性学習手段を比較し、矛盾した学習結果を排除することにより、より高精度の特性学習結果を得ることができる。
【0084】
<実施の形態5>
自動特性学習手段34では、外乱オブザーバを用いて特性の学習を行うこともできる。外乱オブザーバは、モーションコントロール等でよく利用されるものであり、外乱を同定するものである(詳細は、「MATLABによる制御系設計」(野波健蔵編著、西村秀和・平田光男共著、東京電機大学出版局)の4.4節「モーションコントロールにおける外乱オブザーバ」P.99〜102を参照)。式(1)における列車走行抵抗をモーションコントロールにおける力外乱と考えることにより、外乱オブザーバにより時々刻々の列車走行抵抗を推定することができる。この推定結果を利用して学習を行うことにより、より高精度の学習が可能となる。
【0085】
【発明の効果】
本発明によれば、走行中にオンラインで列車特性や路線特性、制御パラメータを自動学習し、その学習結果を用いた効率的な列車自動運転を遂行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による自動列車運転装置を備えた列車の全体を示すブロック図。
【図2】図1の自動列車運転装置の内部構成を説明するためのブロック図。
【図3】初期力行時の重量推定に基づく走行パターン補正の概念図。
【図4】営業前および営業後を考慮した学習の手順を示すフローチャート。
【図5】本発明の一実施形態による自動特性学習結果の補正のための補正手段を示すブロック図。
【符号の説明】
1 列車
2 自動列車制御装置(ATC)
3 データベース(DB)
4 運転台
5 応荷重装置
6 速度検出器
7 地上子検出器
8 自動列車運転装置(ATO)
9 駆動装置
10 減速装置
20 営業前走行判断手段
21 営業前特性初期値設定手段
22 営業前試験走行用列車自動運転手段
23 走行結果蓄積手段
24 営業前特性推定手段
25 推定結果補正手段
26 特性推定値蓄積手段
30 学習特性データベース(学習特性DB)
31 特性初期値設定手段
32 列車自動運転手段
33 営業後走行結果蓄積手段
34 営業後特性学習手段
35 学習結果補正手段
36 学習結果比較手段
37 学習結果補正手段
80 データ処理手段
81 列車自動運転手段
341〜345 自動特性学習手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic train operation device that learns the characteristics of a train and uses the learning result for automatic operation of the train.
[0002]
[Prior art]
An automatic train operation device (hereinafter, referred to as "ATO") has already been put to practical use as an attempt to make a train follow a speed limit of the train or a speed limit having a certain margin from the speed limit. . However, since error tracking control such as PI control is mainly used, it often depends on the characteristics of trains and routes. At present, it is necessary to adjust the characteristics or control parameters for each train or route. Requires considerable time and effort.
[0003]
In addition, an automatic train operation device that creates a travel plan and performs train travel based on the travel plan has been considered. When creating a travel plan, a simple train travel model may be used. At its simplest, the train operation in question is simply a simple physical formula,
F−Fr = M · α (1)
There is a method of expressing with. Here, F is a power running traction force or a braking force, Fr is a train running resistance, M is a train weight, and α is an acceleration (including negative acceleration, that is, deceleration). The train running resistance Fr is a resistance generated at the time of running the train, and is often considered to be configured based on the following resistances for convenience of calculation. That is,
Departure resistance: Resistance at departure
Air resistance: Resistance due to air on the train
Gradient resistance: Resistance due to route gradient
Curve resistance: Resistance due to the curve of the route
Tunnel resistance: Resistance generated when traveling in a tunnel
That is it. The air resistance is often treated as a quadratic expression of the speed in consideration of the resistance between the wheel tread surface and the rail surface.
[0004]
Generally, the train running resistance Fr is often considered to be based on a resistance including a gradient resistance, an air resistance, a curve resistance, a tunnel resistance, a departure resistance, and the like. Here, it is assumed that a train other than a tunnel is running, and the slope resistance, air resistance, and curve resistance are considered. In this case, the gradient resistance, the air resistance, and the curve resistance are obtained by the following equations (2), (3), and (4), respectively (for example, see the document “Operation theory (DC AC electric locomotive)”, edited by Koyusha) ). That is,
(A) Gradient resistance type
Frg = s (2)
Frg: gradient resistance [kg weight / ton],
s: slope [‰] (positive for uphill, negative for downhill)
(B) Air resistance type
Fra = A + Bv + Cv 2 … (3)
Fra: air resistance [kg weight / ton],
A, B, C: coefficients,
v: speed [km / h],
(C) Curve resistance type
Frc = 800 / r (4)
Frc: Curve resistance [kg weight / ton],
r: radius of curvature [m].
[0005]
When using a model such as Equation (1) in automatic train operation, even in the automatic train operation method based on a travel plan, characteristics such as train characteristics and route characteristics greatly affect ride comfort and stopping accuracy. I do.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional method largely depends on the characteristics of trains and lines or control parameters, and a large amount of labor is required for adjusting the automatic train operation device. In the adjustment, it was necessary to actually run the train many times to acquire actual data and proceed with the adjustment offline.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide an automatic train driving device that can reduce the time and labor required for adjustment, further advance the learning of characteristics automatically after business operation, further improve ride comfort, and improve stop accuracy. To provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an automatic train driving device according to the invention according to claim 1 includes a data processing unit that online processes data acquired during train running, data acquired during train running by the data processing unit, Based on the acquired data, the control parameters during train running, and the automatic characteristic learning means for automatically learning train characteristics and route characteristics during train running, and the train characteristics and route characteristics learned by the automatic characteristic learning means are used. And automatic train operation means for automatically operating the train.
[0009]
According to the first aspect of the invention, it is possible to automatically learn train characteristics and route characteristics online while traveling, and it is possible to perform automatic train operation using the results of the automatic learning.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the automatic train driving apparatus according to the first aspect, wherein a train characteristic and a line characteristic required for automatic train operation and an initial value of a control parameter are preliminarily estimated by a preliminary test run before the business. The automatic characteristic learning means includes a front characteristic estimating means, and the learning is advanced by running after business based on the initial value estimated by the pre-business characteristic estimating means.
[0011]
According to the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, it is possible to automatically learn the train characteristics and the characteristics relating to the route on-line by test running before the start of business, and thus employ an automatic train driving device. It is possible to reduce the time required for the adjustment beforehand and the labor required for the adjustment.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the first or second aspect, the automatic characteristic learning means learns when the assumed characteristic value is determined to be clearly different from the actual value during train running. Is performed, and the learning content is reflected in subsequent train running.
[0013]
According to the third aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, efficient characteristic learning can be performed by performing automatic characteristic learning at an appropriate timing.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the first or second aspect, the automatic characteristic learning means performs learning based on a running result between one station and trains the trained contents to the next station. It is characterized in that it is reflected in driving.
[0015]
According to the fourth aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, it is possible to perform online automatic learning of characteristics from the result of traveling between stations.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the first or second aspect, the automatic characteristic learning means performs learning based on a result of traveling on one route, and reflects the learning content at the time of traveling on the next route. It is characterized by the following.
[0017]
According to the fifth aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, at the time of acquiring the traveling results of all the routes, it is possible to advance the automatic online learning of the characteristics based on the specific phenomenon obtained from the results.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the first or second aspect, the automatic characteristic learning means performs learning based on a running result for one day, and learns the learning content when the train runs on the next day. It is characterized by being reflected.
[0019]
According to the sixth aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, when a one-day driving result (one-day entire route driving result) is acquired, a characteristic based on a specific phenomenon obtained from the result is obtained. You can do online automatic learning.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the first or second aspect, the automatic characteristic learning means performs learning based on a running result for at least several days, and trains the trained contents of the train after the next day. It is characterized in that it is reflected during running.
[0021]
According to the seventh aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, when running results for several days or months are acquired, online automatic learning of characteristics based on a specific phenomenon obtained from the results is performed. be able to.
[0022]
According to an eighth aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the first or second aspect, at least two of the automatic characteristic learning means according to the third to seventh aspects are combined, and each of the provided automatic characteristic learning means is provided. It is characterized by further comprising learning result comparing means for comparing learning results of learning means, and learning result correcting means for correcting individual learning results according to the comparison results of the learning result comparing means.
[0023]
According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to avoid an impossible learning situation and improve each learning effect.
[0024]
According to a ninth aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to the second aspect, the result of the estimation by the pre-business characteristic estimating means is a characteristic value that cannot actually occur or a characteristic of a limit that can actually occur. If the value is out of range, the apparatus further comprises estimation result correction means for correcting the estimation result to within the limit characteristic value.
According to a tenth aspect of the present invention, in the automatic train driving device according to any one of the first to seventh aspects, the result of learning by the automatic characteristic learning means is a characteristic value that cannot actually occur, And a second learning result correcting means for correcting the learning result to within the limit characteristic value when the limit characteristic value is out of range.
[0025]
According to the ninth and tenth aspects of the present invention, by correcting the learning / estimation, it is possible to avoid a learning / estimation result that cannot be obtained by any chance.
[0026]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the automatic train operating device according to any one of the first to tenth aspects, an automatic train that performs an automatic train operation by correcting a control command based on an error from a target travel plan value. In the driving device, the automatic learning characteristic means performs characteristic learning in accordance with a control command correction amount based on an error between the target traveling plan value and the characteristic learning at the time of business traveling.
[0027]
According to the eleventh aspect of the present invention, more detailed and quick learning can be performed by performing learning in accordance with a control command correction state based on an error from a target travel plan.
[0028]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the automatic train operating device according to any one of the first to eleventh aspects, the automatic characteristic learning means performs characteristic learning using an adaptive observer.
[0029]
According to the twelfth aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, by learning characteristics using an adaptive observer, more accurate learning can be performed.
[0030]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the automatic train operating device according to any one of the first to eleventh aspects, the automatic characteristic learning means performs characteristic learning using a disturbance observer.
[0031]
According to the thirteenth aspect, in addition to the effect of the first aspect, by using the disturbance observer, it is possible to explicitly estimate the disturbance and perform the characteristic learning using the result.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<Embodiment 1>
1 and 2 show an embodiment of an automatic train driving device according to the present invention. An automatic train operation device (ATO) 8 mounted on the illustrated train 1 acquires speed limit data from an automatic train control device (ATC) 2 which is a ground system, and also has a route from a database (DB) 3 within the train 1. Data such as conditions (inclination angle, curve radius of curvature, etc.), vehicle conditions (train formation, weight, etc.), operating conditions, etc. are acquired, and a departure signal from the cab 4 and a variable load signal from the variable load device 5 are detected. A train speed signal is obtained from the
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
Next, the operation of the apparatus shown in FIGS. 1 and 2 will be described.
[0036]
In FIG. 1, the
As described above, a predetermined operation is performed based on the command, a control command including a powering command or a deceleration command is created, and the automatic operation of the train 1 is realized.
[0037]
The
[0038]
Next, the operation of the
[0039]
Upon receiving the departure signal from the driver's cab 4, the pre-business travel determination means 20 first determines whether the test travel is before the business or after the business. As a judgment method at this time, a soft flag is created, and a soft flag such as "test driving when the flag is not set" and "business driving when the flag is set" is used. And a method of using the setting result of the hard switch.
[0040]
When the pre-business running determination means 20 determines that the test run is before the business, the pre-business characteristic initial value setting means 21 sets the initial characteristic parameters during the pre-business test run. As a setting method, it is conceivable to use a man-machine interface manually and set it before starting traveling. As the contents of the set values, characteristic parameters may be extracted from information that can be obtained in advance, such as train specifications and line characteristics, and input.
[0041]
Next, using the characteristic parameters set by the pre-operation characteristic initial value setting means 21, the pre-operation test running train automatic operation means 22 performs test driving of the train by automatic operation. As an automatic train driving method, an optimal travel plan is created when the station stops, and based on this, automatic operation is performed.If the deviation from the optimal travel plan is large, the travel plan is replanned or There is a method of performing correction by error feedback. In addition, since the vehicle is traveling in advance before business, here, for example, in the case of a notch traveling train, traveling for the purpose of characteristic estimation can be performed, such as performing test traveling using a notch whose characteristic is to be estimated.
[0042]
Next, the result of the automatic operation performed by the pre-business test traveling train automatic operation means 22 is accumulated by the traveling result accumulation means 23. In the case of storage, a target travel plan and speed data and position data measured during travel can be stored as an electronic file in a medium such as a hard disk (HD).
[0043]
Next, the characteristic parameters are estimated by the pre-operation characteristic estimating means 24 using the test traveling results accumulated by the traveling result accumulating means 23. The characteristic parameters to be estimated before business hours include weight, acceleration characteristics, deceleration characteristics, and the like.
[0044]
The weight of the entire train set is a test run before the start of business. Therefore, since no passengers are on the train, the weight or the deceleration during coasting and the train running resistance can be estimated. Here, a case where the target train is represented by a simple physical expression such as Expression (1) is considered.
[0045]
Regarding the train running resistance, it is possible to calculate by a formula in consideration of the line characteristics such as the slope and the curvature, the air resistance and the frictional resistance. For the calculation of the train running resistance, refer to the document “Operation Theory (DC AC Electric Locomotive)”, edited by Koyusha. Generally, the train running resistance Fr is
Fr = Frg + Fra + Frc
= S + (A + Bv + Cv 2 ) + 800 / r (5)
Can be expressed as Here, Fr is the train resistance [kg weight / ton], Frg is the gradient resistance [kg weight / ton] (positive on the up, negative on the down), Fra is the running resistance [kg weight / ton], and Frc is the curve Resistance force [kg weight / ton], s is gradient [‰], A, B, C are coefficients, v is train speed, and r is radius of curvature.
[0046]
Taking these into consideration, the weight is obtained by transforming equation (1),
M = (F−Fr) / α (6)
Can be estimated by In the equation (6), in the case of coasting, the powering traction force F may be set to 0 (zero). Further, the acceleration (or deceleration) α can be obtained by using the least squares method or the like and calculating from the measurement result (train running speed). The weight M can be estimated by the above processing.
[0047]
When the estimation calculation of the weight M is completed, the power running characteristics and the brake characteristics can be estimated by using the estimated weight values.
[0048]
First, the weight estimate M est , Acceleration during power running α acc , And the train running resistance Fr, the power running characteristics (such as the relationship between the power running notch and the power running traction force) are estimated. Acceleration during power running α acc The train running resistance Fr can be obtained by the same processing as the above-described calculation of the weight. Using these and the weight estimation value, the powering traction force F is calculated as
F = M est α acc + Fr (7)
Can be estimated by
[0049]
According to equation (7), in the case of a train that performs a powering operation using a notch, the powering traction force of each notch can be estimated. Based on this, the relationship between the power running notch and the power running traction force can be estimated.
[0050]
Further, the braking force characteristic can be estimated using the estimated weight value, the deceleration during deceleration, and the train running resistance. The deceleration at the time of deceleration and the running resistance of the train can be obtained by the same processing as the above-described calculation at the time of weight. Using these and the estimated weight, the braking force F is calculated as
F = M est α dec + Fr (8)
Can be estimated by Where α dec Is the deceleration (negative acceleration).
[0051]
From the equation (8), the braking force of each notch can be estimated in the case of a train that performs the braking operation by the notch. From this result, the relationship between the brake notch and the braking force can be estimated.
[0052]
It is desirable to calculate these estimated values after traveling between stations or when stopping, but it is also possible to calculate these values while the train is running, and to check the calculation results while the train is running. By estimating the weight / powering characteristics and the brake characteristics in this manner, it is possible to adjust even for each train organization in a shorter time than before in the course of commercial operation.
[0053]
Next, the estimation
[0054]
Next, the characteristic estimated value corrected by the estimation
[0055]
The case where the pre-business running determination means 20 determines that the vehicle is running after business will be described below.
[0056]
In the case of business travel, first, characteristic initial value setting means 31 sets initial values of characteristic parameters. In the case of the first business trip, the characteristic parameters (characteristic estimation results) accumulated by the characteristic estimation value accumulation means 26 are acquired from the learning
[0057]
Next, using the characteristic parameters set by the characteristic initial value setting means 31, the automatic train operation of the train is performed by the automatic train operation means 32. The automatic operation of the train is basically the same as the automatic train operation means 22 for test running before the operation, but after the operation, an unspecified number of passengers are on the train, so that the weight varies. Therefore, it is necessary to estimate the weight when traveling between stations at the time of initial powering from departure of the station. As a method for estimating the weight, when an adaptive load is obtained, the adaptive load may be used. When the adaptive load cannot be used, the weight can be estimated by performing the same operation as the pre-operation characteristic estimating means 24 and the estimation result correcting means 25 at the time of initial powering after departure from the station. If the result of the estimation is different from the value set by the characteristic initial value setting means 31, processing such as creating a travel plan again is necessary. FIG. 3 shows an outline of the case of estimating the weight at the time of initial powering after departure from the station.
[0058]
In FIG. 3, the horizontal axis indicates the distance from the departure station to the next station, that is, the position, and the vertical axis indicates the speed at each position as a speed pattern. After starting traveling based on the optimum traveling pattern 31 (thin broken line) created based on the characteristic estimation value when the departure station stops, weight estimation is performed according to the actual traveling result in the initial powering
[0059]
Next, the result of the automatic operation by the automatic train operation means 32 is accumulated by the post-operation traveling result accumulation means 33. As a method of accumulation, the same method as that of the traveling result accumulation means 23 described above can be used.
[0060]
Next, characteristics are learned by the after-sales
(1) Learning based on station-to-station driving results
(2) Learning based on all route driving results
(3) Learning based on running results for one day
(4) Learning based on driving results for several days
(5) Learning based on driving results for several months
And conduct for each case.
[0061]
The cases (1) to (5) will be described below.
(1) Learning based on station-to-station driving results
The learning is performed based on the inter-station traveling results obtained after traveling between the stations, and the learning result is reflected when traveling between stations. This learns, for example, how to deal with a decrease in braking force when it starts to rain. An example where it is determined that learning is necessary based on the traveling results between one station includes a response to a decrease in braking force in rainy weather. In rainy weather, when an air brake is used in a train, the braking force (deceleration performance) may be reduced because the friction of the brake shoes decreases due to rain. In such a case, a decrease in the deceleration performance should be observed after the rain starts. The characteristics of the braking force may be learned based on the result. Since the learning result in this case is often temporary, it is better to separately hold and use the temporary characteristic parameter.
[0062]
(2) Learning based on all route driving results
The learning is performed based on the result of traveling one route from the beginning to the end, and the learning result is reflected when the next route traveling is started. For example, at the end of traveling on one line, when each station stops by causing an excess or deficiency (deviation amount) with respect to the target stop position, the braking is performed according to the deviation amount in order to eliminate such deviation amount. What is necessary is just to learn a force characteristic. For example, if the vehicle goes beyond the target stop position, the set value of the braking force characteristic may be slightly larger than the actual value. That is, it is conceivable that the expected deceleration is not obtained because a braking force larger than the actual one is considered. In this case, learning may be performed so as to slightly reduce the set value of the braking force characteristic.
[0063]
(3) Learning based on running results for one day
Learning is performed based on the running results for one day, and the learning results are reflected in running on the next day. For example, when looking at the running results for one day (for example, the running results for several runs on one route), almost the same amount of overshoot as to the target stop position occurs between certain stations. In such a case, there is a possibility that a deviation has occurred in the setting of the route characteristic parameters such as the gradient and the curve between the stations. In this case, learning may be performed so as to gradually adjust the route characteristic parameters such as the gradient and the curve according to the traveling result.
[0064]
(4) Learning based on driving results for several days
It accumulates running results for several days and performs learning based on the accumulated results. For example, when looking at the driving results for several days, if there is a deviation from the driving plan only in the same time zone, due to some influence, the powering traction force characteristic or the braking force characteristic only consequently differs from the actual It is possible that the situation has shifted. If there is no deviation in other time zones, it is considered that the characteristic parameter itself is not actually shifted, so the characteristic is corrected only in the target time zone, and the correction value is then learned. It should be corrected by.
[0065]
(5) Learning based on driving results for several months
When running results for several months are accumulated, learning is performed based on the accumulated results. For example, it is conceivable that learning is performed based on traveling results accumulated during maintenance and inspection. For example, when viewing the running results for three months, there may be a situation where the braking force gradually decreases over time, such as three months ago, two months ago, and one month ago. This assumes a situation where it is difficult to judge from the learning situation based on the traveling results for several days. If an air brake is used, the friction shoe may be worn due to friction. Therefore, it is necessary to change (learn) the characteristic parameters based on the result or take measures such as replacement of the brake shoes depending on the degree. In addition, measures against aging such as fluctuations in wheel diameter are also taken.
[0066]
The above learning can be selectively realized by, for example, performing the learning as shown in the flow of FIG. In FIG. 4, if the result of the judgment (step 51) between the pre-business test run and the post-business test run by the pre-business run determination means 20 is the former (pre-business test run), the pre-business test run ( Step 52) is performed, the initial parameters are estimated (step 53), and the process ends. If the result of determination in
[0067]
However, in each of the learning steps 55, 56, 58, 59, and 60 indicated by a thick line in FIG. 4, learning is performed only when the running result shows the following tendency to be learned. That is,
a) When the same tendency of deviation continues (for example, in the case where the result of traveling on all routes shows that the target stop position of the same degree is excessively exceeded between all stations), and
b) When the deviation is remarkable
It is.
[0068]
Regarding learning, a method of increasing or decreasing a related characteristic parameter at a certain fixed ratio is conceivable. For example, as described above, in the results of running on all routes, if overshoot of the same target stop position is observed between all stations, the set value of the braking force may be slightly larger than the actual braking force. Learning may be performed so that the set value of the braking force characteristic is reduced at a fixed rate.
[0069]
In particular, with regard to learning based on the results of running between stations, it is rare that the same tendency is seen in several cases. Therefore, in this case, the following learning can be considered. That is,
・ Eligible automatic train operation methods:
This is an automatic train operation system in which, when a considerable deviation occurs between a travel plan and an actual measurement value, a control command (powering notch command, brake notch command, etc.) is corrected according to the deviation.
[0070]
・ Learning method:
Learning is performed according to the control command correction situation when a deviation occurs between the travel plan and the actual measurement value. As an example, in the case of the braking force characteristic, for example, if a control command correction that causes a stronger brake notch than planned occurs during braking, it is possible that the assumed deceleration may not be obtained. In this case, since it is considered that the set value of the braking force characteristic is too large, learning may be performed so as to reduce the set value of the braking force characteristic at a fixed rate. If a control command correction that results in a weaker brake notch than planned occurs, learning may be performed so that the set value of the braking force characteristic is increased at a constant rate.
[0071]
The judgment that the estimated characteristics are different from the actual values is based on the acceleration / deceleration obtained as the measured data, the characteristics related to the train running, the characteristics related to the line shape (gradient, curve, etc.), the weight, the power running, etc. The traction or braking force may be used to determine whether equation (1) is satisfied.
[0072]
As described above, the result learned by the after-market characteristic learning means 34 is corrected by the learning result correcting means 35. The correction can be performed by the same processing as that of the estimation
[0073]
As described above, the learning is performed even after entering the commercial operation, and the commercial operation is performed while adjusting the characteristic parameters.
[0074]
Most of the learning described above assumes online automatic learning while the train is stopped, such as when arriving at a station. However, the estimation of the weight at the time of power running assumes online automatic estimation during running.
[0075]
As described above, by performing the automatic operation of the train while performing the learning and the estimation, it is possible to perform the automatic operation satisfactorily corresponding to the variation of the train organization, the secular change, and the like.
[0076]
As described above, according to the automatic train driving device of the first embodiment, by estimating the weight, the powering traction force, and the braking force before traveling, the variation in each train organization is shorter than before. Adjustment can be made depending on time, and by learning characteristic parameters even after business hours, it is possible to realize automatic driving that satisfies ride comfort and stopping accuracy even when characteristic parameters change. Further, in the post-business learning, the learning based on the actual situation can be performed by executing the learning by dividing the distance between the stations, the distance along the route, etc. according to the period of the data using the learning. In addition, in the pre-business estimation and post-business learning, by correcting the estimation / learning result, even in the unlikely event that an impossible result is obtained, it is possible to correct the impossible characteristic parameter by correcting it. Estimation and learning can be performed without using.
[0077]
As described above, it is possible to create an effective optimal travel plan as the learning of the characteristics progresses. In addition, when a large learning occurs during the running of the train, this is used as a trigger to replan the running plan, thereby enabling automatic train operation that satisfies riding comfort, target stop position stop accuracy, and running time.
[0078]
<Embodiment 2>
In the first embodiment, most of the learning assumes online automatic learning while the train is stopped when the train arrives at the station, and the weight estimation during power running assumes online automatic estimation during traveling. However, if there is a man-machine interface that allows the user to check the learning progress while the train is running, it is possible to implement a system that proceeds with online automatic learning while driving and uses the learning results at the discretion of the driver. It is. In this case, only the learning means may be a separate device, and may be an automatic train driving support device.
[0079]
<Embodiment 3>
FIG. 5 shows a main configuration of an automatic train driving device according to the third embodiment. In this embodiment, as the post-sales characteristic learning means, the automatic characteristic learning means 341 according to claim 3, the automatic characteristic learning means 342 according to claim 4, the automatic characteristic learning means 343 according to claim 5, An automatic
[0080]
In the automatic characteristic learning means 341 to 345, characteristic learning is performed as described in the first embodiment. The learning
[0081]
Next, the learning result correcting means 37 corrects the result of the comparison that the learning result comparing means 36 greatly contradicts. The simplest method of correction is to use the learning result of the automatic characteristic learning means having a short learning period (learning interval) as it is. However, when a plurality of learning results of the automatic characteristic learning means 341 to 345 are used, an average value of the learning results may be used. Further, when the results of the learning of the automatic characteristic learning means 341 to 345 are almost inconsistent, or when there is a large variation between the learning results of the automatic characteristic learning means 341 to 345, those are discarded. An average value may be used.
[0082]
<Embodiment 4>
The automatic characteristic learning means 34 can perform characteristic learning using an adaptive observer. The adaptive observer identifies a parameter from a value that can be observed (measured) when a target plant is mathematically modeled as in Expression (1). Depending on the viewpoint, it is considered that the system identification is being performed, and a kind of adaptive control system is configured by using the identification result of the adaptive observer with the automatic train operation means 81 every moment. In the case of equation (1), by using the adaptive observer, the acceleration / deceleration (which can be calculated from the speed detected by the speed detector 6) and the powering traction force or the braking force which are the control command values are used to calculate the weight and the train. The running resistance can be identified every moment. As an algorithm of the adaptive observer, an extended least squares method, an extended Kalman filter, an adaptive filter, and the like can be used (for details, see Chapter 2 of "Introduction to Robust Adaptive Control" (edited by Mitsuru Terao, Kimio Kanai, published by Ohmsha). See "Estimation of Unknown Plant and Adaptive Observation Device", pages 47 to 87, or "
[0083]
As described above, by comparing several automatic characteristic learning means having different learning periods (learning intervals) and eliminating inconsistent learning results, it is possible to obtain more accurate characteristic learning results.
[0084]
<Embodiment 5>
The automatic characteristic learning means 34 can also learn characteristics using a disturbance observer. The disturbance observer is often used in motion control and the like, and identifies a disturbance (for details, see "Control System Design Using MATLAB" (edited by Kenzo Nonami, co-authored by Hidekazu Nishimura and Mitsuo Hirata, Tokyo Denki University Press) (See Section 4.4, “Disturbance Observer in Motion Control,” pp. 99-102). By considering the train running resistance in equation (1) as a force disturbance in motion control, the train running resistance can be estimated every moment by a disturbance observer. By performing learning using this estimation result, more accurate learning can be performed.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, train characteristics, route characteristics, and control parameters can be automatically learned online while the vehicle is running, and efficient train automatic operation using the learning results can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an entire train including an automatic train driving device according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram for explaining an internal configuration of the automatic train driving device of FIG.
FIG. 3 is a conceptual diagram of traveling pattern correction based on weight estimation during initial powering.
FIG. 4 is a flowchart showing a learning procedure considering before and after business hours.
FIG. 5 is a block diagram showing a correction unit for correcting an automatic characteristic learning result according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 train
2 Automatic train control device (ATC)
3 database (DB)
4 cab
5 Adaptive load device
6 Speed detector
7 Ground detector
8 Automatic train operation equipment (ATO)
9 Drive
10 Reduction gear
20 Driving judgment method before business
21 Pre-operation characteristic initial value setting means
22 Pre-sales test train automatic driving means
23 Running result accumulation means
24 Pre-operation characteristic estimation means
25 Estimation result correction means
26 Characteristic estimated value accumulation means
30 Learning characteristic database (Learning characteristic DB)
31 Characteristic initial value setting means
32 Automatic train operation means
33 After-sales driving result accumulation means
34 Post-business characteristic learning means
35 Learning result correction means
36 Learning result comparison means
37 Learning result correction means
80 Data processing means
81 Automatic train operation means
341 to 345 Automatic characteristic learning means
Claims (13)
このデータ処理手段によって列車走行時に取得したデータおよび事前に取得したデータをもとに、列車走行時の制御パラメータ、並びに列車特性および路線特性を列車走行時に自動学習する自動特性学習手段と、
この自動特性学習手段によって学習された列車特性および路線特性を使用し、列車の自動運転を行う列車自動運転手段と、
を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。A data processing means for processing data acquired during train operation online,
Automatic characteristic learning means for automatically learning control parameters during train running, and train characteristics and route characteristics during train running, based on data obtained during train running and data obtained in advance by this data processing means,
Using the train characteristics and the line characteristics learned by the automatic characteristics learning means, a train automatic driving means for automatically driving the train,
An automatic train driving device comprising:
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