JP2005071053A - モジュール設計装置及びモジュール設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 所定システムの費用低減に最適なモジュール構成を設計することが可能なモジュール設計装置及びモジュール設計方法を提供する。
【解決手段】 複数の機器の各々についての破損確率と使用時間との関係に関する破損確率情報と、所定システムにおける破損確率の許容値と、所定システムに係わる費用に関する情報とを演算装置に入力し、破損確率情報と許容値とを用いた所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、総費用最小化を目標とする所定システムのモジュール構成を、最適化問題として解く。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複数の機器を含む所定システムをモジュール化するための設計装置及びその設計方法に関する。

複数の機器を含むシステムとしては、例えば、鉄道車両を制御するための鉄道車両用制御システムがある。鉄道車両用制御システムでは、制御機器の多くが鉄道車両の床下に配設されるとともに、複数の制御機器が機能ごとにモジュール化されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３０２０３４号公報

上記鉄道車両用制御システムでは、比較的保守点検が必要であるモジュールが車体側面側に配置され、比較的保守点検が必要でないモジュールが車体中央側に配置されている。こうしたモジュール設計により、比較的保守点検が必要であるモジュールの保守点検が容易に行われる。

しかしながら、上記のモジュール構成では、機能面での類似性が重視され、メンテナンス作業などに伴う費用面での検討が十分になされていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所定システムの費用低減に最適なモジュール構成を設計することが可能なモジュール設計装置及びモジュール設計方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、モジュール設計装置に係わる第１の手段として、複数の機器を含む所定システムを、同時交換される機器毎にモジュール化するための設計装置であって、前記複数の機器の各々についての破損確率と使用時間との関係に関する破損確率情報と、前記所定システムにおける破損確率の許容値と、前記所定システムに係わる費用に関する情報とを入力するための入力装置と、前記破損確率情報と前記許容値とを用いた所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、総費用最小化を目標とする前記所定システムのモジュール構成を、最適化問題として解く演算装置と、該演算装置によって求められた最適なモジュール構成に関する情報を出力する出力装置と、を備える構成を採用する。

モジュール設計装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、前記破損確率に代えて、前記所定システムの破損確率と破損影響度とを掛け合わせたものである破損リスクを用いる構成を採用する。

モジュール設計装置に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、前記演算装置は、前記所定システムの最適なモジュール構成に加えて、前記所定システムのメンテナンススケジュールを算出する構成を採用する。

モジュール設計装置に係わる第４の手段として、上記第１から第３のうちのいずれかの手段において、前記所定の問題解法アルゴリズムは、メタヒューリスティック法を用いたものである構成を採用する。

モジュール設計装置に係わる第５の手段として、上記第１から第４のうちのいずれかの手段において、前記所定システムは、鉄道車両の床下に配置される複数の機器を含む鉄道車両用制御システムである構成を採用する。

また、本発明では、モジュール設計方法に係わる第１の手段として、複数の機器を含む所定システムを、同時交換される機器毎にモジュール化するための設計方法であって、前記複数の機器の各々についての破損確率と使用時間との関係に関する破損確率情報と、前記所定システムにおける破損確率の許容値と、前記所定システムに係わる費用に関する情報とを演算装置に入力する工程と、前記破損確率情報と前記許容値とを用いた所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、総費用最小化を目標とする前記所定システムのモジュール構成を、最適化問題として解く工程と、を有する構成を採用する。

モジュール設計方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、前記破損確率に代えて、前記所定システムの破損確率と破損影響度とを掛け合わせたものである破損リスクを用いる構成を採用する。

モジュール設計方法に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、前記演算装置は、前記所定システムの最適なモジュール構成に加えて、前記所定システムのメンテナンススケジュールを算出する構成を採用する。

モジュール設計方法に係わる第４の手段として、上記第１から第３のうちのいずれかの手段において、前記所定の問題解法アルゴリズムは、メタヒューリスティック法を用いたものである構成を採用する。

本発明は、複数の機器を含む所定システムを、同時交換される機器毎にモジュール化するための技術であり、より包括的な技術思想として、費用低減に最適なモジュール構成を設計するためのものである。すなわち、本発明では、所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、総費用最小化を目標とする所定システムのモジュール構成を、最適化問題として解く。

そして、本発明では、上記最適化の演算の際に、上記複数の機器の各々についての破損確率（または破損リスク）と使用時間との関係に関する破損確率情報と、所定システムにおいて設定される破損確率（または破損リスク）の許容値とを用いる手段を採用することにより、費用低減に最適なモジュール構成をより正確に設計する。

さらに、本発明では、上記最適なモジュール構成に加えて、前記所定システムにおける最適なメンテナンススケジュールを算出することができる。すなわち、上記最適化の演算の際に、破損確率（または破損リスク）の許容値に基づいて、各モジュールの使用可能期間が定まり、その結果、最適なモジュール構成でのメンテナンススケジュールが定まる。

このような手段は、例えば鉄道車両の床下に配置される複数の機器を含む鉄道車両用制御システムに適用される。この場合、その制御システムの費用（メンテナンスコストなど）が確実に低減されるとともに、最適なメンテナンススケジュールを定めることが可能となる。

本発明によれば、複数の機器の各々についての破損確率（または破損リスク）と使用時間との関係に関する情報と、所定システムにおいて設定される破損確率（または破損リスク）の許容値とを用いた所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、所定システムの費用低減に最適なモジュール構成を設計することができる。
さらに、本発明によれば、最適なモジュール構成でのメンテナンススケジュールを求めることができる。

以下、図面を参照して、本発明に関わるモジュール設計装置及びモジュール設計方法の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、鉄道車両の床下に配置される鉄道車両用制御システムのモジュール設計に関するものであり、システムに含まれる機器として各種制御機器を含む。

図１は、本実施形態に関わるモジュール設計装置の機能ブロック図である。図１において、符号１は入力装置、２は演算装置、３は出力装置、４は記憶装置である。このような各種機能要素によって機能構成される本モジュール設計装置は、例えば汎用コンピュータにメタヒューリスティック法プログラム等のアプリケーションプログラムをインストールすることによって実現される。

より具体的には、入力装置１は、例えばキーボードや各種ポインティングデバイス、あるいは／及びリームーバブル記憶装置や通信装置等であり、モジュール化の対象であるシステムに関する各種情報を演算装置２に入力するためのものである。なお、入力装置１がキーボードや各種ポインティングデバイスの場合には、評価者の手作業によって上記各種情報や演算装置２に順次入力され、一方、入力装置１がリームーバブル記憶装置や通信装置の場合には、予め構築された上記各種情報が一括して演算装置２に入力される。

図２は、本実施形態における鉄道車両用制御システムの機器構成を模式的に示している。この図に示すように、本鉄道車両用制御システムは、複数の制御機器からなり、適宜関連付けて互いに接続されている。モジュール化に際しては、例えば、１つのモジュールとして、複数の機器が同じボックス内に配置される。このモジュールボックスは、該ボックス内に配置される複数の機器をまとめて着脱可能に構成される。

図１に戻り、演算装置２は、入力装置１から入力された上記各種情報を記憶装置４に記憶させるとともに、当該各種情報を記憶装置４に予め記憶したメタヒューリスティック法プログラム等に基づいて演算処理することにより最終成果物としての上記システムの最適モジュール構成及びメンテナンススケジュールを算出し、その情報を出力装置３に出力する。

メタヒューリスティック法プログラムは、一般的な最適化問題の解法として用いられるものであり、種々ある最適化アルゴリズムの中の１つであるメタヒューリスティック法（遺伝的アルゴリズム法、びシミュレーテッドアニーリング法など）に基づいて最適問題を解くものである。

演算装置２が実行する演算処理の詳細については後述するが、処理の概要として、演算装置２は、総費用最小化を目標とする目的関数を定め、所定の制約条件の下で最適な解を探索する。この演算の結果、演算装置２は、上記システムの最適モジュール構成及びメンテナンススケジュールを算出する。

出力装置３は、例えば、外部記憶装置、モニタ、プリンタあるいは通信装置であり、演算装置２の演算処理の結果得られた最適モジュール構成及びメンテナンススケジュールを表示し、プリンタの場合はその情報を紙面に印刷し、一方、出力装置３が通信装置の場合は、その情報を外部に送信する。

記憶装置４は、演算装置２が上記最適モジュール構成を算出するするために必要な各種情報を記憶するものである。具体的には、記憶装置４には、入力装置１から入力されるシステムに関する各種情報を記憶するためのシステム情報記憶領域４ａ、及びメタヒューリスティック法プログラムを記憶するためのメタヒューリスティック法プログラム記憶領域４ｂ等が設けられている。

次に、このように構成されたモジュール設計装置を用いたモジュール設計方法について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

本モジュール設計方法では、まず最初にシステム情報及び設計条件に関する情報が入力装置１から演算装置２に入力される（ステップＳ１）。システム情報及び設計条件は、システムに係わる費用、モジュール化に対する機器構成上の制約条件、並びに各機器の破損確率に関する情報等を含む。

上記システムに係わる費用は、ベースコスト、各機器の単体コスト、モジュール輸送コスト、モジュール交換時の作業コスト等を含む。

また、上記機器構成上の制約条件は、（ａ）所定の複数の機器を同一モジュールに配置しなければならないという制約条件、（ｂ）所定の複数の機器を異なるモジュールに配置しなければならないという制約条件等を含む。この機器構成上の制約条件は、調整作業上の観点から同一モジュールに所定の複数の機器を配置しなければならないという設計条件や、複数の機器間に高い電位差があるために離間配置しなければならないという設計条件、あるいは熱や電磁波などの機器間での影響を回避したりするために離間配置しなければならないという設計条件等に対応するものである。

また、上記各機器の破損確率に関する情報は、各機器についての破損確率と使用時間との関係に関する情報（破損確率情報）を含む。この破損確率情報は、使用時間を変数としたときの破損確率の変化を示し、各機器について予め調査され、例えば近似関数式としてモデル化される。なお、上記破損確率に代えて、破損によるシステムへの影響の大きさを考慮に入れた破損リスク（＝破損確率×破損影響度）を用いてもよい。

そして、このようなシステム情報及び設計条件の入力処理が完了すると、演算装置２に対して上記システムにおける破損確率（破損リスク）の許容値（許容設定値）が入力装置１を介して入力される。

続いて、演算装置２は、メタヒューリスティック法プログラム記憶領域４ｂに記憶されたメタヒューリスティック法プログラムに基づいて、システムのモジュール構成を最適化問題として解く（ステップＳ２）。

具体的には、演算装置２は、総費用最小化を目標とする目的関数を定め、破損確率（または破損リスク）が許容値以下という制約条件下で最適なモジュール構成を探索する。すなわち、演算装置２は、その目的関数の値を最小化する解を最適化問題として探索する。なお、目的関数に対しては、前述した機器構成上の制約条件を、重みとして適宜導入する。

より具体的には、演算装置２は、まず、破損確率（または破損リスク）が許容値以下となるモジュール構成を仮定し、そのモジュール構成でのシステムの総費用（目的関数値）を求める。このとき、各モジュールの破損確率（または破損リスク）は、例えば、そのモジュールの構成機器のうちの最も破損確率が高い機器の値とする。そして、上記モジュール構成の仮定と総費用の算出とを繰り返し、総費用が最小となるモジュール構成を探索する。

演算装置２は、目的関数の値を最小化する最適解を求めると、その最適解を出力装置３に出力する。これにより、費用低減に最適なモジュール構成（モジュール内の機器構成）が求められる。また、演算装置２は、目的関数の値を最小化する最適解を求めると、上記システムにおける最適なメンテナンススケジュールを求め、この情報も出力装置３に出力する。ここで、最適モジュール構成において、破損確率（または破損リスク）の許容値に基づいて各モジュールの使用可能期間が定まり、その結果、メンテナンススケジュールを定めることができる。

以上説明したように、本実施形態では、システムのモジュール化を最適化問題として解くことにより、総費用を最小化するモジュール構成を設計することができる。また、本実施形態では、モジュール設計に際して、上記複数の機器の各々についての破損確率（または破損リスク）と使用時間との関係に関する破損確率情報と、所定システムにおいて設定される破損確率（または破損リスク）の許容値とを用いることにより、構成機器の信頼性を確保した上で、費用低減に最適なモジュール構成をより正確に設計することができ、しかもその最適モジュール構成におけるメンテナンススケジュールを求めることができる。

したがって、本実施形態におけるシステムでは、上記設計に基づくシステムのモジュール化により、総費用（メンテナンスコストなど）が確実に低減されるとともに、最適なメンテナンススケジュールを定めることが可能となる。

なお、本発明におけるモジュール設計装置及び設計方法は、上記鉄道車両用制御システムに限らず、他のシステムにも適用可能である。本発明のモジュール設計装置及び設計方法は、メンテナンスに係わる費用の低減化が確実に図られるので、上記鉄道車両用制御システムなどのメンテナンスに多大な労力を要するシステムに好ましく適用される。

適用可能な他のシステムとしては、例えば宇宙ステーションに代表される宇宙システムが挙げられる。宇宙システムは、交換機器の輸送に多大な労力を要することから、本発明に係わるモジュール設計技術により、高い費用低減効果が得られる。

次に、上記モジュール設計方法に基づく簡単なモジュール設計の一例について説明する。ここでは、５つの機器を含むシステムについて評価期間内の総費用（簡単のため、費用＝機器コストとする。）を最小化するモジュール設計を行う。各機器の特性は以下のとおりである。

また、前提条件は以下のとおりである。
（ａ）破損確率による評価を行う
（ｂ）破損確率許容値：０．３
（ｃ）評価期間：１０年間
（ｄ）モジュール個数：２個

このとき、機器の破損確率Ｐと使用時間ｔとの関係は、次式（１）で表すことができる。ここで、ＬＴは、各機器が破損確率の許容値に達するまでの使用時間である。

モジュールの特性評価にあたっては、モジュール内で破損確率が最大の機器の値を「モジュールの破損確率」とし、モジュール内の各機器の価格の合計を「モジュールの価格」とする。

このとき、１０年の評価期間内にモジュールの交換費用を最小化する最適なモジュール構成は以下のとおりである。

なお、上記最適化において、各モジュールの使用可能期間（交換間隔）が定まることから、メンテナンススケジュールを定めることができる。また、上記結果から、１０年間のモジュールの交換に係わる費用（交換コスト＝３９０）を求めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態に係わるモジュール設計装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態における鉄道車両用制御システムの機器構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態におけるモジュール設計方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…入力装置、２…演算装置、３…出力装置、４…記憶装置、４ａ…システム情報記憶領域、４ｂ…メタヒューリスティック法プログラム記憶領域。

Claims (9)

1. 複数の機器を含む所定システムを、同時交換される機器毎にモジュール化するための設計装置であって、
   前記複数の機器の各々についての破損確率と使用時間との関係に関する破損確率情報と、前記所定システムにおける破損確率の許容値と、前記所定システムに係わる費用に関する情報とを入力するための入力装置と、
   前記破損確率情報と前記許容値とを用いた所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、総費用最小化を目標とする前記所定システムのモジュール構成を、最適化問題として解く演算装置と、
   該演算装置によって求められた最適なモジュール構成に関する情報を出力する出力装置と、を備えることを特徴とするモジュール設計装置。
2. 前記破損確率に代えて、前記所定システムの破損確率と破損影響度とを掛け合わせたものである破損リスクを用いることを特徴とする請求項１に記載のモジュール設計装置。
3. 前記演算装置は、前記所定システムの最適なモジュール構成に加えて、前記所定システムのメンテナンススケジュールを算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモジュール設計装置。
4. 前記所定の問題解法アルゴリズムは、メタヒューリスティック法を用いたものであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載のモジュール設計装置。
5. 前記所定システムは、鉄道車両の床下に配置される複数の機器を含む鉄道車両用制御システムであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかに記載のモジュール設計装置。
6. 複数の機器を含む所定システムを、同時交換される機器毎にモジュール化するための設計方法であって、
   前記複数の機器の各々についての破損確率と使用時間との関係に関する破損確率情報と、前記所定システムにおける破損確率の許容値と、前記所定システムに係わる費用に関する情報とを演算装置に入力する工程と、
   前記破損確率情報と前記許容値とを用いた所定の問題解法アルゴリズムに基づいて、総費用最小化を目標とする前記所定システムのモジュール構成を、最適化問題として解く工程と、を有することを特徴とするモジュール設計方法。
7. 前記破損確率に代えて、前記所定システムの破損確率と破損影響度とを掛け合わせたものである破損リスクを用いることを特徴とする請求項６に記載のモジュール設計方法。
8. 前記所定システムの最適なモジュール構成に加えて、前記所定システムのメンテナンススケジュールを算出することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のモジュール設計方法。
9. 前記所定の問題解法アルゴリズムは、メタヒューリスティック法を用いたものであることを特徴とする請求項６から請求項８のうちのいずれかに記載のモジュール設計方法。

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