JP2012039738A - 自動列車運転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な調整を必要とせず、ブレーキ装置の動作状態によらず安定な自動列車運転装置を提供する。
【解決手段】列車の速度を検出する速度検出部１１と、前記列車の走行位置を演算する位置演算部１２と、前記列車の目標速度を規定する速度パターン生成部１３と、前記速度パターンと前記列車速度に基づきノッチ指令を生成するノッチ制御部１４と、前記ノッチ指令に基づき前記列車速度を減少させ、電気ブレーキと空気ブレーキからなるブレーキ装置１５と、前記電気ブレーキおよび前記空気ブレーキの動作状態を検出する、ブレーキ状態推定器１８を備え、前記ノッチ制御部１４は、ブレーキ状態推定器１８が回生有効信号とノッチ指令と応荷重信号から算出したブレーキ状態信号に応じてパラメータを調整する
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の自動列車運転装置に関するものであり、特に定位置停止制御に関する。

自動列車運転装置の構成を、図７を用いて説明する。速度演算部２１では、車軸に取り付けられた回転センサの出力を検出し、あらかじめ設定した車輪径を用いて列車速度に換算する。

走行距離演算部２２では、この列車速度を積分することにより走行距離を演算する。ここで、列車速度は車輪の回転から演算しているため、設定した車輪径の誤差、車輪の空転や滑走の影響により誤差を生じ、走行距離に演算誤差が発生する。この演算誤差を補正するため地上子を利用する。地上子は軌道上のあらかじめ定めた位置に設置されており、列車に搭載された車上子と近接することにより通信が可能となる。地上子と車上子が近接すると、地上子に記録されている位置情報等が地上子送受信部２３を介して送られる。この情報を用いて地上子を通過したことを検知し、演算した走行距離が地上子の位置に一致するよう補正する。

パターン演算部２４では、補正した位置情報に基づき、停止目標位置までの残距離に応じた速度パターンを生成する。

ノッチ演算部２５では、速度パターンと列車速度を比較し、例えば比例制御により、列車速度が追従するよう、ノッチ指令を演算する。ノッチ指令はブレーキ装置２６に送られ、列車を減速させる。

このように、自動列車運転装置においては、列車位置に基づいた速度パターンを生成し、これに列車速度が追従するよう制御することにより、列車の速度や位置を制御するのが一般的である。また、自動列車運転装置に類するものとして、駅の所定位置に停止させる機能のみを自動化し、駅出発や駅間走行については従来通り運転士が操作するものもある。
駅の所定位置に停止させる機能は、定位置停止制御と呼ばれる。

定位置停止制御では、列車速度が速度パターンに一致するよう、ブレーキノッチ指令を出力する。このとき、所定位置への停止精度や乗り心地に着目して設計や調整が行われる。

このような問題を解決するため、ファジィ制御等を用いた制御手法が提案されており、例えば、特許文献１に開示されている。

特開昭５８−１９２４０７号公報

このような方式では、不必要なノッチ切替を抑制することにより、良好な停止精度や乗り心地が得られる一方、制御則の調整が複雑であり、熟練者の経験や時間が必要となる課題がある。

また、ブレーキ装置は電気ブレーキと空気ブレーキから構成されているのが一般的だが、近年では、低速域では原則として電気ブレーキを用い、回生負荷が存在しなかったり駆動用インバータが故障するなどして電気ブレーキを使用できない場合にのみ、空気ブレーキを補足する場合が増えつつある。電気ブレーキの特性は空気ブレーキと大きく異なり、特にブレーキ力の応答は空気ブレーキより１０倍以上速いことが一般的である。
所定位置へ精度よく停止するには、例えば比例制御の場合であれば比例ゲインを高くしたり、比例積分制御とするなどして、速度パターンへの追従性を高めることが有効なので、電気ブレーキの特性を活かせる高応答な制御とすることにより、停止精度や乗り心地を向上することが可能である。

しかしながら、高応答な制御系は不安定になりやすい。このため、電気ブレーキの特性に合わせた制御系を構成した場合、例えば図８に示すように、電気ブレーキによる減速中に回生失効等により空気ブレーキでの減速に切り替わった場合、応答が振動的となるハンチングが発生する場合がある。この結果、停止精度や乗り心地がかえって悪化することになる。

本発明の主な目的は、複雑な調整を必要とせず、ブレーキ装置の動作状態によらず安定な自動列車運転装置を提供することにある。

本発明の自動列車運転装置では、電気ブレーキと空気ブレーキの動作状態を検知する手段を備え、電気ブレーキと空気ブレーキの負担割合に相当する量を算出し、これを用いて制御応答を規定するパラメータを調節する。

すなわち、本発明の自動列車運転装置は、列車の速度を検出する速度検出部と、前記列車の走行位置を演算する位置演算部と、前記列車の目標速度を規定する速度パターン生成部と、前記速度パターンと前記列車速度に基づきノッチ指令を生成するノッチ制御部と、前記ノッチ指令に基づき前記列車速度を減少させ、電気ブレーキと空気ブレーキからなるブレーキ装置と、前記電気ブレーキおよび前記空気ブレーキの動作状態を検出する、ブレーキ状態検出手段を備え、前記ノッチ制御部は、前記電気ブレーキと前記空気ブレーキの動作状態に応じてパラメータを調整することを特徴とする。

また、本発明の自動列車運転装置は、更に、前記ブレーキ装置が発生する減速力を推定する減速力推定部と、前記列車の減速度を演算する減速度演算部と、前記減速力と減速度に基づき外乱を推定する外乱推定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ブレーキ装置の動作状態によらず安定な自動列車運転が可能となる。

本発明の第一の実施例を示す図である。 定位置停止制御のタイムチャートを示す図である。 ブレーキ制御の構成を示す図である。 ブレーキモデルの構成を示す図である。 第一の実施例におけるタイムチャートを示す図である。 外乱推定器の詳細を示す図である。 従来例の自動列車運転の一例を示す図である。 従来例におけるタイムチャートを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した自動列車運転装置の実施例１を示している。図１において、速度演算部１１では、車軸に取り付けられた回転センサの出力を検出し、車輪径を用いて列車速度を算出する。位置演算部１２では、算出した列車速度を積分することにより列車位置を演算する。

また、図示していないが、従来構成と同様、駅間のあらかじめ定めた複数の位置には地上子が敷設されている。地上子を通過すると、電文と呼ばれる情報が地上子から列車に伝送される。電文には地上子の敷設位置等の情報が含まれており、これを検出することにより、列車の位置演算誤差を補正する。

速度パターン生成部１３では、図２に示すように、停止目標位置Ｘｔ＊と列車の現在位置Ｘｔとの差である残距離Ｐｔに基づいて、速度パターンＶｔ＊を生成する。速度パターンは、例えば減速度が一定となり、駅の停止目標位置でゼロとなるよう設定されている。速度パターンは、定位置停止制御を適用する停止駅毎に、制限速度や勾配等を考慮に入れて独立に設けることもできる。

ノッチ制御器１４では、速度パターンと列車速度を比較し、例えば比例制御によりノッチ指令を生成する。速度パターン生成部とノッチ切替器の詳細については後述する。

また、図示していないが、定位置停止制御による減速を開始する際には、ジャークを低減するため、最初に弱めのブレーキノッチを出力し、その後、本来のブレーキノッチまで徐々に増加させる。ただし、回生ブレーキや空気ブレーキにおいて、ノッチ指令に対応するブレーキ力へ徐々に上げていくジャーク制御が行われる場合には、減速開始時から強めのノッチ指令を出力しても良い。

ノッチ指令はブレーキ装置１５に送られ、車体３６に作用して、列車を減速させる。ブレーキ装置１５は、インバータを用いた回生ブレーキと、機械式の空気ブレーキから構成されており、ノッチ指令に対応したブレーキ力が列車に働くよう、適切に配分される。ブレーキ制御については後述する。

列車が減速し、１ｋｍ／ｈ〜４ｋｍ／ｈ程度の速度になると、一般的に列車速度の検出に用いられる速度発電機の検出下限となる。これを停止検知レベルと呼ぶ。列車速度が停止検知レベル以下となると、検出速度に基づくフィードバック制御が行えなくなるため、開ループ制御に移行する。

開ループ制御期間では、まずブレーキノッチ指令を弱めに切り替え、停止直前のショックを緩和する。次に、列車が十分に減速したと推定される時点において、ブレーキノッチ指令を強めに切り替え、列車がまだ動いていた場合には完全に停止させるとともに、列車の停止状態を保持する。

停止目標位置にも地上子が敷設されている。この地上子の情報を受信することにより、所定の位置に停止したことを検知する。また、ホームドアがある場合には、列車から地上子を介して、ホームドアを開放する指令を伝送する。

駅出発時には、力行ノッチを投入することにより、列車の停止状態を保持していたブレーキは緩解し、運転士の操作による通常走行に移る。

列車速度が速度パターンに十分に追従すれば、停止精度や乗り心地を損なうことなく所定の位置に停止することができるが、実際の列車では様々な外乱の影響により速度誤差が発生し、停止精度や乗り心地を悪化させる。そこで外乱推定器を用いて外乱を推定し、ノッチ指令を補正する。外乱推定器は、ブレーキ装置のモデルや車体の逆モデルを用いて、列車の減速度の変動要因となる外乱を推定する。推定した外乱は、フィルタ処理された後、ノッチ制御部に送られる。

ここで、外乱には、勾配抵抗や走行抵抗、曲線抵抗のように、列車の位置が正確に分かれば、あらかじめ用意された路線データを用いて補償できる外乱と、ブレーキ特性や車重変動のモデル化誤差のように、列車の運転条件によって変化する外乱とに大別される。

このうちブレーキ特性については、インバータによる回生ブレーキと空気ブレーキとでは、同一のノッチ指令に対しては同一のブレーキ力が発生するよう設計・調整されるが、実際には特性が大幅に異なる場合がある。この特性差も外乱として推定される。

ブレーキ制御について図３を用いて説明する。
列車には駆動用モータを搭載した電動車と、モータを搭載していない付随車から構成される。電動車はモータを利用した電気ブレーキと、機械式の空気ブレーキを備え、付随車は空気ブレーキのみを備える。電気ブレーキには、運動エネルギーを熱に変換することによりブレーキ力を発生する電気ブレーキと、電力として架線に戻す回生ブレーキ等があるが、近年では回生ブレーキが一般的に用いられる。

回生ブレーキ力と空気ブレーキ力の配分は、列車速度等に基づき、例えば低速域では空気ブレーキのみを使用するなど、あらかじめ決められている場合もあるが、必要な減速度や架線条件等に基づき配分される場合もある。一般的には回生ブレーキが優先的に使用され、回生ブレーキ力のみでは必要な減速度が得られない場合に空気ブレーキ力が補足される。いずれの場合も、車両に働くブレーキ力が所望の値に一致するよう、回生ブレーキ力と空気ブレーキ力が配分される。これを電空協調制御と呼ぶ。

電空協調制御では、まず、ブレーキノッチ指令から、必要な減速度を達成するためのブレーキ力指令が算出される。ブレーキ制御器に送られる。ブレーキ制御器は、ブレーキ力指令を回生ブレーキ力指令としてインバータに送る。回生電力を消費する負荷が不足すると架線電圧が上がり、指令通りの回生ブレーキ力を出力できない場合がある。そこでインバータは実際に出力された回生ブレーキ力を、回生フィードバックとしてブレーキ制御器に返す。回生フィードバックがブレーキ力指令に満たない場合、不足分が空気ブレーキ力として補足される。このようにして必要なブレーキ力が配分される。

外乱推定器１７の動作を、図６を用いて説明する。ブレーキモデル１７ａは、ノッチ指令が制御装置に届くまでの遅れや、制御装置からアクチュエータまでの動作遅れ等に対応する、むだ時間要素や、アクチュエータの応答やジャーク制御等に対応する遅れ要素、列車速度への依存性に対応するゲインテーブル等から、ノッチ指令に対応するブレーキ力を算出する。

回生ブレーキについては、上記の遅れやゲインテーブルによる補正の設定は必ずしも重要ではないが、空気ブレーキについては、これらの影響が大きいため。適切に設定する必要がある。モデルの各パラメータは、設計値を設定してもよいし、現車による走行時の結果を用いて補正してもよい。

車体の逆モデル１７ｂは、車両速度と応荷重信号を用いて列車の減速力を推定する。推定した減速力と合成ブレーキ力との差を取り、これをフィルタ１７ｃを用いて平滑化等の処理を行い、推定外乱としてノッチ制御部３４に送る。ノッチ制御部は、推定外乱に基づいてノッチ指令を補正する。

ブレーキ状態推定器１８の動作を、図４を用いて説明する。
ブレーキ力演算部９１では、ノッチ指令と、車両の応荷重信号から、ノッチ指令に対応する減速度を発生するのに必要なブレーキ力指令を算出する。回生ブレーキ力演算部９２では、回生ブレーキが使用可能であることを示す回生有効信号と、全ての電動車の応荷重信号から、回生ブレーキ力指令を算出する。必要ブレーキ力指令から回生ブレーキ力指令を引くことにより、空気ブレーキ力指令を算出する。
回生ブレーキ力指令からは、むだ時間要素９３ａ、遅れ要素９４ａ、列車速度に関するゲインテーブル９５ａを用いて回生ブレーキ力を算出する。空気ブレーキ力指令からも、同様の手順により空気ブレーキ力を算出する。負担率演算部９６では、回生ブレーキと空気ブレーキの負担割合を算出し、回生ブレーキ力と空気ブレーキ力の和に対する回生ブレーキ力の割合をブレーキ状態信号として出力する。全てのブレーキ力を回生ブレーキが負担する場合は「１」、全てのブレーキ力を空気ブレーキが負担する場合は「０」を出力する。

ここで、電気ブレーキ力を算出する代わりに、実際に出力された回生ブレーキ力を示す回生フィードバック信号を用いて負担率演算を実施してもよい。
ノッチ制御部１４は、ブレーキ状態推定器１８が算出したブレーキ状態信号に応じて、制御定数を自動調整する。例えば比例制御を行う場合、電気ブレーキの応答に対応した第１の比例ゲインと、空気ブレーキの応答に対応した第２の比例ゲインをあらかじめ設定しておく。ブレーキ状態信号が「１」の場合は第１の比例ゲイン、「０」の場合は第２の比例ゲインを設定することとし、ブレーキ状態信号が「０」から「１」の間を取る場合は、線形補間された比例ゲインを設定する。

比例ゲインを低減することにより応答を下げているため、例えば図５に示すように、速度パターンへの追従性は低下する。この結果、列車の実速度と速度パターンとの間に偏差を生じることとなるが、転動防止ブレーキの動作により、最低限必要な停止精度は確保される。

本実施例では、編成全体で１組のブレーキ状態推定器を構成しているが、各車両毎にブレーキ状態推定器を構成してもよい。また、外乱推定器では、あらかじめ用意された路線データと列車位置を用いて、勾配抵抗や曲線抵抗等を補正してもよい。

以上の構成により、外乱をより精度よく推定することが可能となり、高い停止精度や良好な乗り心地を実現できる。

１１ 速度演算部
１２ 位置演算部
１３ 速度パターン生成部
１４ ノッチ制御部
１５ ブレーキ装置
１６ 車体
１７ 外乱推定器
１７ａ ブレーキモデル
１７ｂ 車体逆モデル
１７ｃ フィルタ
１８ ブレーキ状態推定器
２１ 速度演算部
２２ 走行距離演算部
２３ 地上子送受信部
２４ パターン演算部
２５ ノッチ演算部
２６ ブレーキ装置
９１ ブレーキ力演算部
９２ 回生ブレーキ力演算部
９３ａ，９３ｂ むだ時間要素
９４ａ，９４ｂ 遅れ要素
９５ａ，９５ｂ ゲインテーブル
９６ 負荷率演算部

Claims (4)

1. 列車の速度を検出する速度検出部と、前記列車の走行位置を演算する位置演算部と、前記列車の目標速度を規定する速度パターン生成部と、前記速度パターンと前記列車速度に基づきノッチ指令を生成するノッチ制御部と、前記ノッチ指令に基づき前記列車速度を減少させ、電気ブレーキと空気ブレーキからなるブレーキ装置と、前記電気ブレーキおよび前記空気ブレーキの動作状態を検出する、ブレーキ状態検出手段を備え、
   前記ノッチ制御部は、前記電気ブレーキと前記空気ブレーキの動作状態に応じてパラメータを調整することを特徴とする自動列車運転装置。
2. 請求項１に記載の自動列車運転装置において、
   前記ブレーキ装置が発生する減速力を推定する減速力推定部と、前記列車の減速度を演算する減速度演算部と、前記減速力と減速度に基づき外乱を推定する外乱推定部と、を備えることを特徴とする自動列車運転装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の自動列車運転装置において、
   前記ブレーキ状態検出手段は、列車内の全ての前記電気ブレーキ力の合計と、列車内の全ての前記空気ブレーキ力の合計との比率を算出し、前記ノッチ制御部のパラメータとして、前記比率に対応するゲインを備えることを特徴とする自動列車運転装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかの請求項に記載の自動列車運転装置において、
   前記ブレーキ状態検出手段が、前記電気ブレーキと前記空気ブレーキを備えた列車を構成する複数の車両の組のそれぞれに備えられていることを特徴とする自動列車運転装置。
   

Images