JP2014012452A - 鉄道車両の振動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対向線路を走行する鉄道車両等の影響を鉄道車両自らが特定し、その影響に伴う鉄道車両の振動特性の変化に対応して、振動抑制装置制御特性を調整して、最適な振動抑制を行う。
【解決手段】鉄道車両（１１２ａ）は、台車（１０１ａ）とその設置される車体（１０２ａ）と両者間に配置されるアクチュエータ（１０３ａ）からなり、制御装置（１１０ａ）は、車体の振動情報を取得する振動センサ（１０５ａ）からの振動情報（１１１ａ）に基づいて、これを打ち消す制御量を演算し、アクチュエータ（１０３ａ）を制御する。この制御装置（１１０）は、車体の進行方向に存在する対向線路を走行する鉄道車両（１１２ｂ）等との相対速度情報及び相対距離情報に基づいて、制御装置（１１０）の制御特性を変化させ、対向線路を走行する鉄道車両（１１２ｂ）等とのすれ違いに伴い変化する周波数帯の振動を打ち消す。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の車体に発生する振動を抑制する制御の制御特性を、状況に応じて変える鉄道車両の振動抑制装置に関する。

鉄道車両が走行する場合、線路が曲線、トンネルの有無や対向車線の鉄道車両による気流の変化等、様々な要因によって鉄道車両は振動し、乗客にとって不快な乗り心地となる。この振動は要因によって特性が変化する。
振動を抑制する技術として、車体の振動を検知し、制御装置が車体と台車の間に設けられたアクチュエータを、振動を打ち消すように制御することで、乗り心地を改善することが知られている。

この技術では、鉄道車両の振動特性の変化に対して、制御装置の制御特性を変化させる必要があり、下記特許文献１には、例えば、トンネルの有無や、鉄道車両の走行速度に応じて制御装置の制御特性を変化させることが示されている。
また、下記特許文献２には、鉄道車両が直線区間から曲線区間へ進入することを検知し、走行速度と曲線のカントや曲線半径の情報から制御装置の制御特性を変化することが示されている。

特開２００４−１７５２６４号公報 特開平８−２５３１４３号公報

上記の先行技術文献に示されたものでは、鉄道車両の走行速度のように内的要因や、トンネルの有無、曲線区間に進入のように、予め特定されている地点で発生する静的な外的要因によって制御装置の制御特性を変化させている。
しかし、振動特性の変化の要因として、対向線路を走行する鉄道車両、あるいは、隣接する引き込み線に停車している列車、線路脇に駐車している工事用車両などのように不特定の地点で発生する動的な外的要因に対しては、振動抑制効果を得ることができない。
本発明は、対向線路を走行する鉄道車両等の影響を鉄道車両自らが特定し、その影響に伴う鉄道車両の振動特性の変化に対応して制御特性を変化させることにより、乗客の快適性を向上させる振動抑制装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するため、本発明の鉄道車両の振動抑制装置は、台車及び前記台車上に設置される車体と、台車と車体の間にアクチュエータと、車体の振動情報を取得する振動センサと、該振動情報に基づいて、これを打ち消す制御量を演算し、アクチュエータを制御する制御装置を有し、車体の進行方向に存在する対象物との相対速度情報及び相対距離情報に基づいて、制御装置の制御特性を変化させるようにした。

対向車線の鉄道車両や、隣接する引き込み線に停車している列車、線路脇に駐車している工事用車両などのように、不特定の地点、時刻で発生する動的な外的要因に対して、鉄道車両の振動特性が最適な値に選定されるため、乗客の乗り心地を向上できる。

無線を用いる場合の構成について説明する図である。 無線を用いる場合の処理手順について説明する図である。 ドップラーレーダーを用いる場合の構成について説明する図である。 ドップラーレーダーの設置位置と計測範囲について説明する図である。 ドップラーレーダーを用いる場合の処理手順について説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
図１に本実施例の全体構成を示し、第１の鉄道車両１１２ａと、隣接する対向線路を走行する第２の鉄道車両１１２ｂは、ともに同様の構成を採用しているため、第１の鉄道車両１１２ａについて説明する。
第１の鉄道車両１１２ａは、台車１０１ａと、台車１０１ａ上に設置される車体１０２ａと、台車１０１ａと車体１０２ａの間にアクチュエータ１０３ａとで構成されている。
車体１０２ａには、振動情報１０４ａを取得する振動センサ１０５ａと、速度情報１０６ａを取得する速度センサ１０７ａが設けられており、これらのセンサから得られた速度情報１０６ａと第１の鉄道車両１１２ａの走行位置である位置情報１０８ａを、第２の鉄道車両１１２ｂへ送信するとともに、第２の鉄道車両１１２ｂの速度情報１０６ｂと位置情報１０８ｂを受信する無線アンテナ１０９ａが設置されている。

第１の鉄道車両１１２ａの振動情報１０４ａは、制御装置１１０ａに入力され、この振動情報１０４ａを打ち消すよう、アクチュエータ１０３ａへ制御量１１１ａを与える。
この制御装置１１０ａは、例えば、特定の地上子を通過してからの速度情報１０６ａを積分することにより、自己の位置情報１０８ａを演算し、無線アンテナ１０９ａを介して、速度情報１０６ａと位置情報１０８ａを常時送信している。
一方、制御装置１１０ａは、第２の鉄道車両１１２ｂからの速度情報１０６ｂと位置情報１０８ｂからの受信を常時待機している。
なお、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂとの通信可能距離は、遅くとも、両者の先頭車両最前端がすれ違うまでに、制御装置１１０ａが、制御特性の変化を完了する時間を考慮して設定する。

例えば、第１の鉄道車両１１２ａが第２の鉄道車両１１２ｂとの通信可能距離に達し、速度情報１０６ｂと位置情報１０８ｂの受信を開始してから、制御装置１１０ａの制御特性が変化するまでに１秒を要し、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂの最高速度がともに３６０ｋｍ／ｈ、無線アンテナ１０９ａ、１０９ｂの設置位置がそれぞれ第１の鉄道車両１１２ａ、第２の鉄道車両１１２ｂの先頭車両最前端にあるものとする。
第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂがともに最高速度ですれ違う場合、両者の相対速度は７２０ｋｍ／ｈとなり、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂは１秒間に２００ｍ接近する。
したがって、遅くとも、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂがすれ違う直前までに制御装置１１０ａが制御特性の変化を完了するためには、通信可能距離は、少なくとも２００ｍより大きく設定することが必要となる。

図２のフローチャートを用いて、制御装置１１０ａにおいて、どのような処理が行われるかについて説明する。なお、第２の鉄道車両１１２ｂにおいても、同様の処理が行われるので、第１の鉄道車両１１２ａを主として説明する。
第１の鉄道車両１１２ａの車体１０２ａに作用する振動は、振動センサ１０５ａによって得られ、振動情報１０４ａとして制御装置１１０ａへ与えられる。制御装置１１０ａは振動情報１０４ａに応じて、これを打ち消して、車体１０２ａの振動を抑制するための制御量１１１ａを決定し、アクチュエータ１０３ａへ与えることで振動抑制制御を行う。
一般的には、通常走行時、鉄道車両の車体に発生する振動は、周波数１〜２Ｈｚの成分が最も大きく、制御特性としては、この成分の振動を集中的に抑制するよう設定されている。

次に、図２のフローチャートを用いて、第１の鉄道車両１１２ａが、反対線路を走行する第２の鉄道車両１１２ｂとすれ違う場合に、この振動抑制の制御特性を変化させる場合の処理について説明する。
第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂが、一定以上離れている場合、すなわち制御特性を変化させる以前の通常走行時においては、Ｓ１に示すように、制御装置１１０ａは、第２の鉄道車両１１２ｂの無線アンテナ１０９ｂから送信される速度情報１０６ｂと位置情報１０８ｂの受信を待機している状態にある。
Ｓ２で、速度情報１０６ｂと位置情報１０８ｂを受信した場合、制御装置１１０ａは、Ｓ３で、第１の鉄道車両１１２ａの速度情報１０６ａと第２の鉄道車両１１２ｂの速度情報１０６ｂから相対速度を算出する。

例えば、第１の鉄道車両１１２ａの速度情報１０６ａが２００ｋｍ／ｈ、第２の鉄道車両１１２ｂの速度情報１０６ｂが２５０ｋｍ／ｈであれば、この２つを加算し相対速度は４５０ｋｍ／ｈとなる。
一方、制御装置１１０ａは、第１の鉄道車両１１２ａの位置情報１０８ａと第２の鉄道車両１１２ｂの位置情報１０８ｂから相対距離を算出する。例えば、第１の鉄道車両１１２ａが上り線を走行する場合の位置情報１０８ａと第２の鉄道車両１１２ｂが下り線を走行する場合の位置情報１０８ｂは、上り線の起点を距離の０ｍ位置として、この起点からの距離を演算する。
第１の鉄道車両１１２ａの位置情報１０８ａが５３００ｍで、受信した第２の鉄道車両１１２ｂの位置情報１０８ｂが５０００ｍである場合、この２つを減算した３００ｍが相対距離となる。
相対速度及び相対距離を算出後、Ｓ４で、相対距離が閾値以上の場合には、制御特性を変化させることなく、Ｓ３に戻り、閾値判定を繰り返す。

この閾値は、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂがすれ違う何ｍ手前で制御特性の変化を終了させるかに応じて定められる値であり、例えば、制御特性が変化するまでに１秒を要し、すれ違う１ｍ手前で制御特定の変化を完了させる場合には、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂの相対速度が４５０ｋｍ／ｈであれば、両者は１秒間に１２５ｍ接近することになるから、閾値は１２６ｍとなる。

制御特性は、事前に決められた相対速度と振動の周波数の特性の関係に対応して、最適なものを選択する必要がある。
例えば、制御特性が変化する前の通常運転時において、第１の鉄道車両１１２ａに発生する振動の周波数成分として、周波数１〜２Ｈｚの成分が最も大きい場合には、周波数１〜２Ｈｚの振動を集中的に抑制するよう制御特性が設定されている。
一方、対向線路を走行する第２の鉄道車両１１２ｂとすれ違う場合、第１の鉄道車両１１２ａに発生する振動の周波数成分は、第２の鉄道車両１１２ｂとすれ違う際に発生する振動により通常運転時より高くなり、例えば、周波数２〜３Ｈｚのものが主体となる。

そこで、制御装置１１０ａは、第２の鉄道車両１１２ｂとのすれ違いに備え、振動抑制対象の周波数を１〜２Ｈｚから２〜３Ｈｚに変化させる。

このように振動抑制対象の周波数は、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂの相対速度により変化するため、上記のように、相対速度が３００ｋｍ／ｈの場合には２〜３Ｈｚ成分、相対速度が６００ｋｍ／ｈの場合には３〜４Ｈｚ成分を集中的に抑制するよう、予め、鉄道車両毎に実験等により制御特性を求め、マップ化しておけば、相対速度に応じて、主たる振動抑制の周波数成分をマップから求めて、変更する制御特性を最適な値に設定することが可能となる。
また、多数の車両で編成が構成されている場合、先頭車両、中間車両、最後尾車両では、それぞれ発生する振動の特性が異なり、さらには、両鉄道車両の最前端がすれ違ってからの位置関係によってもリアルタイムに変化するため、１車両毎、さらには、対向線路を走行する鉄道車両との位置関係に応じて制御特性をマップ化しておくと、さらに、最適な振動抑制効果を実現することができる。
こうしたマップ上のデータは、鉄道車両の形状や質量等様々な要因で個々の特性が異なるため、抑制対象の振動周波数帯域を実際の走行実験や解析等により予め求めておけばよい。

そして、制御特性変化後、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂのすれ違い走行が終了した場合には、Ｓ６で、両者の相対距離に基づいて、離反検知を行い、通常の制御特性に戻す。
なお、この離反検知は、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂのすれ違いが終了し、振動の周波数特性が制御特性の変化前に戻ったことで検知してもよい。
例えば、制御特性の変化前は振動センサ１０５ａによる振動情報１０４が１〜２Ｈｚ成分が大きく、制御特性の変化後は２〜３Ｈｚ成分が大きい場合、制御特性変化後に２〜３Ｈｚがある基準値を下回った場合に、離反検知とする。

制御特性が変化前へ戻った後は、再び制御装置１１０ａは速度情報１０６ａと位置情報１０８ａの受信待ち状態となる。
このように、第１の鉄道車両１１２ａと第２の鉄道車両１１２ｂが隣接する前に制御装置１１０ａの制御特性を変化させることで第２の鉄道車両１１２ｂによる振動の影響を抑制し、乗客の乗り心地を向上できる。

［実施例２］
図３に本実施例の全体構成を示す。
実施例１との相違は、各鉄道車両が速度情報と位置情報の送受信を行うのではなく、鉄道車両１１２と前方の物体との相対速度３０２と相対距離３０３を取得するドップラーレーダー３０１を備えた点にある。

図４にドップラーレーダー３０１の計測範囲４０２を示す。ドップラーレーダー３０１は左右にスイープする機構を備えることで計測範囲４０２に存在する物体の相対速度３０２と相対距離３０３を計測する。ドップラーレーダー３０１の計測距離４０３は、鉄道車両１１２において、対向線路に存在する鉄道車両である対向車両４０１と隣接する以前に制御装置１１０の制御特性の変化が完了する時間を考慮して設定する。

例えば、制御装置１１０の制御特性が変化するまでに１秒を要し、鉄道車両１１２と対向車両４０１の最高速度が３６０ｋｍ／ｈ、ドップラーレーダー３０１の設置位置が鉄道車両１１２の先頭端の場合について述べる。
鉄道車両１１２と対向車両４０１の相対速度３０２は７２０ｋｍ／ｈであるので、鉄道車両１１２と対向車両４０１は１秒間に２００ｍ接近する。このため、鉄道車両１１２と対向車両４０１が隣接する前に制御装置１１０の制御特性が変化するために、計測距離４０３は２００ｍより大きく設定する。
また、スイープ角度４０４の設定としては、路線の大半が直線部分で急な曲線がない場合にはスイープ角度４０４を小さくする。逆に、曲線部分が多く、急曲がりな曲線がある場合には、スイープ角度４０４を大きくとらなければ対向車両４０１を捉えることができない。スイープ角度４０４を広くとると、計測範囲４０２は線路上以外の範囲を測定することになるため、対向車両４０１以外の物体を誤検知してしまう可能性がある。このため、対向車両４０１の走行する線路の状況によって計測距離４０３とスイープ角度４０４を設定する。

第１の鉄道車両１１２の車体１０２の振動は振動センサ１０５によって得られ、振動情報１０４として制御装置１１０へ与えられる。制御装置１１０は振動情報１０４に応じて車体１０２の振動を抑制する制御量１１１を決定し、アクチュエータ１０３へ与えることで振動抑制制御を行う。対向車両４０１が隣接する場合に、図５のフローチャートを用いて、振動抑制の制御特性を変化させる際の手順について述べる。
Ｓ１で、ドップラーレーダー３０１はスイープし、前方の物体の相対速度３０２と相対距離３０３を取得する。

Ｓ２で、相対距離３０３とスイープ角度４０４から物体の大きさを判断し、設定した基準以上の物体を検知した場合に、対向対象物である対向車両４０１が存在すると判断する。例えば、架線柱４０５のように細い物体を振動周波数帯域に影響を及ぼさないとした場合は、架線柱４０５を基準値以下の物体と判断するように基準を設定する。基準の設定により対象とする物体を対向車両４０１だけでなく、通過する駅設備、待避線路に待避している鉄道車両など、対向線路を走行する鉄道車両以外、振動周波数帯域に影響を及ぼすさまざまな物体を対向対象物とすることができる。
基準以上の物体有りと判断後、Ｓ３以降の制御特性が変化前に戻るまでの手順は実施例１と同様である。

制御特性が変化前へ戻った後は、再び制御装置１１０はドップラーレーダー３０１による前方の物体の相対速度３０２と相対距離３０３を取得する。
このように、実施例２によれば、路線を走行するすべての鉄道車両が送受信装置を備え、鉄道車両間での送受信を前提とすることなく、個別の鉄道車両にドップラーレーダー３０１を配置することで、対向線路を走行する車両のみならず、隣接する引き込み線に停車し鉄道車両（電源オフ状態）、線路脇に駐車している工事用車両などのように、動的に変化する対象物の存在を事前に把握し、制御装置１１０の制御特性を変化させることで、さまざまな外的要因による振動の影響を抑制し、乗客の乗り心地を向上することができる。

本発明は上記した実施例に限定されることなく、速度情報や位置情報をＧＰＳで取得したり、あるいは、制御特性を他の鉄道車両とすれ違う前後で段階的に切り換えるなど、様々な変形例が含まれる。

１０１ａ、１０１ｂ、１０１ 台車
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ 車体
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ アクチュエータ
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ 振動情報
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ 振動センサ
１０６ａ、１０６ｂ 速度情報
１０７ａ、１０７ｂ 速度センサ
１０８ａ、１０８ｂ 速度情報
１０９ａ、１０９ｂ 無線アンテナ
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ 制御装置
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ 制御量
１１２ａ 第１の鉄道車両
１１２ｂ 第２の鉄道車両
１１２ 鉄道車両
３０１ ドップラーレーダー
３０２ 相対速度
３０３ 相対距離
４０１ 対向車両
４０２ 計測範囲
４０３ 計測距離
４０４ スイープ角度
４０５ 架線柱

Claims (5)

1. 台車及び前記台車上に設置される鉄道車両の車体と、前記台車と前記車体の間にアクチュエータと、前記車体の振動情報を取得する振動センサと、該振動情報に基づいて、これを打ち消す制御量を演算し、前記アクチュエータを制御する制御装置を有し、前記車体の進行方向に存在する対象物との相対速度情報及び相対距離情報に基づいて、前記制御装置の制御特性を変化させることを特徴とする鉄道車両の振動抑制装置。
2. 前記制御装置は、前記鉄道車両の車体が前記対象物に到達する直前に、前記制御特性を変化させることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の振動抑制装置。
3. 前記対象物は、前記鉄道車両の隣接車線に存在する他の鉄道車両とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の鉄道車両の振動抑制装置。
4. 前記相対速度情報は、前記第１の鉄道車両に取付けられた速度センサと前記他の鉄道車両に取り付けられた速度センサによって得ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の鉄道車両の振動抑制装置。
5. 前記相対速度情報は、前記鉄道車両に取り付けられたドップラーレーダーによって得ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の鉄道車両の振動抑制装置。

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