JP2006306118A - 強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強風時の鉄道車両の運転規制の安全性を定量的に評価する強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法を提供する。
【解決手段】強風時鉄道列車運転規制の安全性評価方法において、鉄道車両の転覆限界風速ｕ_c と運転規制風速をパラメータとして、次式により、評価指標Ｐを求め、この評価指標Ｐに基づいて、強風時の運転規制の安全性を定量的に評価することを特徴とする。

ここで、ｕ_r は徐行風速、ｕ_s は抑止風速、Ｐ（ｕ）は風速ｕの風の出現確率密度関数を表し、あるｎ分間の最大瞬間風速をｕ_p 、その直後のｍ分間の最大瞬間風速をｕ_f とし、あるｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が与えられたときに直後のｍ分間の最大瞬間風速ｕ_f が転覆限界風速ｕ_c を超える確率をＰ_c とし、速度規制のない通常時のＰ_c を確率Ｐ_c1、速度規制時のＰ_c を確率をＰ_c2と表す。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉄道車両の転覆限界風速と運転規制風速をパラメータとして、強風時の運転規制の安全性を定量的に評価する方法に関するものである。

従来、本願発明者らによって自然風風速の変動特性を簡易なモデルで近似して評価する方法が提案されている（下記非特許文献１参照）。

また、鉄道では、車両の重量が重いため転覆限界風速の高い車両が走行している区間、あるいは防風設備などによって車両の転覆限界風速が高くなっている区間については、走行している車両の転覆限界風速が低い区間と比べて、定性的に安全であるという判断をしていた。

しかし、近年では、鉄道車両の軽量化あるいは高速化に伴い、転覆限界風速と運転規制風速との差が少なくなっていると考えられている。転覆限界風速と運転規制風速との差が小さい場合には、強風時の鉄道車両の走行安全の観点から、防風対策を施行して転覆限界風速を高める対策をとるのが一般的である。または、そのような防風対策を施行しない場合には、運転規制風速を引き下げて、転覆限界風速と運転規制風速との差を確保する対策がとられる。
今井 俊昭、島村 泰介、福原 隆彰、「自然風風速の変動特性を考慮した実況風速の評価」 鉄道総研報告 第１７巻８号 ２００３年８月

しかしながら、上記のような対策を施した場合、鉄道車両走行における安全性が対策前と比較して、どの程度上がったのかを量的に判断する方法は今までなかった。

本発明は、上記状況に鑑みて、強風時の鉄道列車運転規制の安全性を定量的に評価する強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法において、鉄道車両の転覆限界風速ｕ_c と運転規制風速をパラメータとして、次式により、評価指標Ｐを求め、この評価指標Ｐに基づいて、強風時の運転規制の安全性を定量的に評価することを特徴とする。

ここで、ｕ_r は徐行風速、ｕ_s は抑止風速、Ｐ（ｕ）は風速ｕの風の出現確率密度関数を表し、あるｎ分間の最大瞬間風速をｕ_p 、その直後のｍ分間の最大瞬間風速をｕ_f とし、あるｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が与えられたときに直後のｍ分間の最大瞬間風速ｕ_f が転覆限界風速ｕ_c を超える確率をＰ_c とし、速度規制のない通常時のＰ_c を確率Ｐ_c1、速度規制時のＰ_c を確率をＰ_c2と表す。

〔２〕上記〔１〕記載の強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法において、運転抑止の前に徐行規制を設けない場合は、抑止風速ｕ_s ＝徐行風速ｕ_r として、前記評価指標Ｐは、

として強風時の運転規制の安全性を定量的に評価することを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。

（１）強風時の鉄道車両の運転規制の安全性を定量的に評価する強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法を提供することができる。

（２）これにより、強風時の鉄道車両の安全な運行を期待できる。特に、規制ルールに対応した安全性の評価を行うことができる。

強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法において、鉄道車両の転覆限界風速ｕ_c と運転規制風速をパラメータとして、次式により、評価指標Ｐを求め、この評価指標Ｐに基づいて、強風時の運転規制の安全性を定量的に評価することを特徴とする。

ここで、ｕ_r は徐行風速、ｕ_s は抑止風速、Ｐ（ｕ）は風速ｕの風の出現確率密度関数を表し、あるｎ分間の最大瞬間風速をｕ_p 、その直後のｍ分間の最大瞬間風速をｕ_f とし、あるｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が与えられたときに直後のｍ分間の最大瞬間風速ｕ_f が転覆限界風速ｕ_c を超える確率をＰ_c とし、速度規制のない通常時のＰ_c を確率Ｐ_c1、速度規制時のＰ_c を確率をＰ_c2と表す。

よって、強風時の鉄道車両の運転規制の安全性を定量的に評価する強風時鉄道列車運転規制の定量的評価を行うことができる。

ここでは、鉄道車両の転覆限界風速と運転規制風速をパラメータとする、強風時の鉄道列車運転規制の定量的評価方法について、その詳細を以下に示す。

図１は本発明にかかる鉄道車両が運行される高架鉄橋の模式図である。

この図において、１は鉄橋、２はレール（軌道）、３は橋脚、４はガード、５は鉄道車両である。

かかる高架鉄橋１に鉄道車両５を運行させるにあたっては、強風時の鉄道列車運転規制の定量的な安全性評価方法が求められる。
（１）評価指標について
ある規制区間で列車を運行しうる時間帯に生じる最大瞬間風速が、転覆限界風速（走行速度の関数）に達する確率を評価指標としＰで表す。すなわち、評価指標Ｐの値が小さい程、安全性が高いと評価できる。この評価指標Ｐは、強風時の運転規制方法に則って運行されている列車が、規制区間の通過所要時間内でその転覆限界風速以上の強風に遭遇する確率と比例関係にある。
（２）評価指標の算出方法
ある瞬間風速ｕ_s （ｍ／ｓ）を観測したらｎ分間抑止するという運転規制方法に従う線区では、ある時刻ｔの直前ｎ分間の最大瞬間風速が抑止風速ｕ_r 以上であれば、その時刻ｔに列車が規制区間に新たに進入することはない。逆に抑止風速ｕ_r 未満であれば、その時刻ｔには列車は規制区間に進入できることになる。従って、ある時刻ｔの直前ｎ分間の最大瞬間風速に対して列車の規制区間通過所要時分であるｍ分間に生じる最大瞬間風速がどの程度増加するのかが重要となる。この増加量は、自然風の観測結果から推定することができる。
（２．１）風速変化の発生確率の定式化
とある時刻ｔの直線ｎ分間の最大瞬間風速をｕ_p 、その時刻ｔの直後ｍ分間の最大瞬間風速をｕ_f で表し、風速変化量ｕ_f −ｕ_p が正の値となる場合にこれを風速増加量と呼び、δで表すことにする。観測された風速増加量δの度数分布を、今後生じる風速変化の確率密度関数だと考えることにする。風速変化量Δの観測例と風速増加量δの観測例を図２に示す。縦軸を対数目盛にした図２の下段より、風速増加量δの出現頻度分布は指数関数で近似できることが分かる。すなわち、直前ｎ分間の最大瞬間風速がｕ_p という条件下で、直後ｍ分間最大瞬間風速ｕ_f がｕ_p ＋δとなる確率Ｐ_δは式（１）で近似することができる。

Ｐ_δ＝ａ・ｅｘｐ（ｂδ） …（１）
ここで、係数ａとｂ（ただしｂは負の値）は観測より求められる。強風地で観測された風速増加量δから、上記式（１）で推定した出現確率の例を図３に示す。また、風速増加量δがある値δ₁ を超える確率は上記式（１）をδ₁ から無限大まで積分することで求められる。

とあるｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が与えられたときに直後ｍ分間の最大瞬間風速ｕ_f が転覆限界風速ｕ_c を超える確率Ｐ_c は、δ₁ ＝ｕ_c −ｕ_p とすることにより求められる。ここで、Ｐ_c はｕ_p の関数である。また、規制なしのとき（通常時）と速度規制が発令されている時（速度規制時）を区別するため、通常時のＰ_c をＰ_c1、速度規制時のＰ_c をＰ_c2と表す。
（２．２）風速の発生確率の定式化
ｎ分間最大瞬間風速の風速階級別の出現度数を全度数で割り、ｎ分間最大瞬間風速の出現確率を求める。ｎが１０と３０の場合におけるｎ分間最大瞬間風速の出現確率を図４に示す。一般に、風速の発生度数分布はワイブル分布に従い、風速ｕ（ｍ／ｓ）の風の出現確率密度関数Ｐ（ｕ）は下記式（２）で表される。

Ｐ（ｕ）＝（ｋ／ｃ）（ｕ／ｃ）^k-1 ｅｘｐ［−（ｕ／ｃ）^k ］ …（２）
ここで、ｃとｋは分布形状によって決まる係数でワイブルパラメータと呼ばれている。風速の出現確率Ｐ（ｕ）と風速増加量の出現確率Ｐ_c は独立であると仮定すると、直前ｎ分間の最大瞬間風速がｕ_p となっており、かつ、直後のｍ分間に転覆限界風速ｕ_c を超える風速が出現する確率はＰ_c とＰ（ｕ）の積で表すことができる。
（２．３）評価指標の算出
列車は規制区間内を通常時には最高速で走行し、速度規制時には規制速度で徐行しているものとする。従って、車両に働く空気特性により、速度規制時の方が通常時より転覆限界風速が高くなる。また、速度規制時の方が通常時より規制区間の通過所要時間が長くなる。

速度規制と運転抑止の継続時間をともにｎ分間とする規制方法の下では、列車が規制区間に進入した瞬間に速度規制が発令されているときの条件とは、直前ｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が徐行風速ｕ_r 以上でかつ抑止風速ｕ_s 未満となっていることである。直前ｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が抑止風速ｕ_s に達していれば列車は規制区間に進入することができず、徐行風速ｕ_r 未満であれば、進入時には速度規制は発令されていない。

評価指標となる確率Ｐとは、通常時の確率Ｐ_c1とＰ（ｕ）の積を０から徐行風速ｕ_r まで積分した値と、速度規制時の確率Ｐ_c2とＰ（ｕ）の積を徐行風速ｕ_r から抑止風速ｕ_s まで積分した値との和で求められる〔式（３）〕。

ここで、運転抑止の前に徐行規制を設けない場合の評価指標Ｐはｕ_s ＝ｕ_r とし、式（３）の右辺第２項を０とすることで算出できる。すなわち、

（３）徐行の効果の検討例
ここでは、評価指標Ｐを用いて、速度規制の効果を検討した例を示す。ここでは、ある規制区間が表１に示す規制ルール１により運行されるものとし、走行速度に応じた通過所要時分と転覆限界風速を表２に仮定する。

また、自然風の特性については表３に示した値を上記式（２）、式（３）の係数として仮定する。このような条件下で、規制継続時間と速度規制および速度規制を行う風速を変数として評価指標Ｐを計算により求めた。

表１に示す規制ルール１を適用した場合の評価指標をＰ₁ とし、２５ｍ／ｓ以下の任意の風速になった場合に４０ｋｍ／ｈの速度規制を、規制継続時間を１０分間として行う場合（以下、規制ルール２）の評価指標をＰ₂ として、Ｐ₁ に対するＰ₂ の比を図５に示す。Ｐ₁ に対するＰ₂ の比を縦軸に、速度規制を発令する風速を横軸にとり、規制ルール２の運転抑止風速を２５ｍ／ｓ〔規制ルール２（１）〕とした場合を黒色で、同じく２８ｍ／ｓ〔規制ルール２（２）〕とした場合を灰色で示した。図５から、規制継続時間を３０分間とする規制ルール１に対して、規制継続時間を１０分間に短縮し、抑止風速を２５ｍ／ｓとした規制ルール２（１）では、速度規制を発令する風速を２４ｍ／ｓとして４０ｋｍ／ｈで走行すれば、規制ルール１と同等の安全が得られることが分かる。同じく、抑止風速を２８ｍ／ｓに向上させた規制ルール２（２）では、２１ｍ／ｓになった段階で４０ｋｍ／ｓの徐行を行えば、規制ルール１と同等以上の安全が得られることも分かる。

この例のように、評価指標Ｐを用いれば、規制方法に速度規制を取り入れる場合、あるいは取り入れない場合など、様々な運転規制方法の下での安全性を量的に比較・検討することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法は、特に、軽量化あるいは高速化に伴う鉄道車両の安全運行に限らず、空港における航空機の離着陸の判断、クレーンを用いた荷役作業や仮説足場の組み立て作業の可否判断、スキー場のリフトやゴンドラ等索道の運行可否の判断、スキージャンプ競技におけるスタート合図の可否判断などにも利用することができる。

本発明にかかる鉄道車両が運行される高架鉄橋の模式図である。 本発明にかかる風速変化量Δ（１０，５）と風速増加量δ（１０，５）の度数分布（海上の例）を示す図である。 本発明にかかる風速増加量の出現確率を示す図である。 本発明にかかるｎ分間最大瞬間風速の出現確率を示す図である。 本発明にかかる列車を運行し得る時間帯に強風が発生する可能性の検討事例を示す図である。

符号の説明

１ 鉄橋
２ レール（軌道）
３ 橋脚
４ ガード
５ 鉄道車両

Claims (2)

1. 鉄道車両の転覆限界風速ｕ_c と運転規制風速をパラメータとして、次式により、評価指標Ｐを求め、この評価指標Ｐに基づいて、強風時の運転規制の安全性を定量的に評価することを特徴とする強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法。
   

   

   ここで、ｕ_r は徐行風速、ｕ_s は抑止風速、Ｐ（ｕ）は風速ｕの風の出現確率密度関数を表し、あるｎ分間の最大瞬間風速をｕ_p 、その直後のｍ分間の最大瞬間風速をｕ_f とし、あるｎ分間の最大瞬間風速ｕ_p が与えられたときに直後のｍ分間の最大瞬間風速ｕ_f が転覆限界風速ｕ_c を超える確率をＰ_c とし、速度規制のない通常時のＰ_c を確率Ｐ_c1、速度規制時のＰ_c を確率をＰ_c2と表す。
2. 請求項１記載の強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法において、運転抑止の前に徐行規制を設けない場合は、抑止風速ｕ_s ＝徐行風速ｕ_r として、前記評価指標Ｐは、
   

   

   として強風時の運転規制の安全性を定量的に評価することを特徴とする強風時鉄道列車運転規制の定量的評価方法。

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