JP2015074394A - 最適運行パターン選択システム及び最適運行パターン選択方法 - Google Patents

Abstract

【課題】災害時などにおいて、鉄道が使用できる電力量に制約が加わった際に、個別の路線のダイヤを設定する前に、まず鉄道システム全体として、どの路線のダイヤをどの程度変更すべきかを知る必要がある。
【解決手段】鉄道を路線などの部分に分割し、路線ごとに最高速度、１編成車両数両、編成数両などの電力消費量に影響を与える運行パラメータを離散的に生成し、部分ごとに生成した各運行パターンについて、旅客の不効用値を算出する旅客の不効用と列車の消費電力量を算出し、消費電力量の合計値が電力消費量の上限値を下回り、旅客の不効用値の合計値が最小となる各部分の運行パターンの組合せを探索する。
【選択図】図１

Description

本発明は、列車運行管理システムに関する。また、本発明の別の側面として、鉄道分野向けの電力管理システム（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）に関する。

特許文献１の列車ダイヤ装置では、ダイヤを修正しながら、旅客全員分の不効用値である旅客コスト、および鉄道事業者が当該ダイヤを運行した場合の運行コストを算出する処理を繰り返し行い、算出された旅客コストと運行コストとの和で表される評価値が最も低い現在解ダイヤを、出力解ダイヤとして決定する。

特開２００７−２３７９４８号公報

災害時などにおいて、鉄道が使用できる電力量に制約が加わった際に、個別の路線のダイヤを設定する前に、まず鉄道システム全体として、どの路線のダイヤをどの程度変更すべきかを知る必要がある。特許文献１の手法では、１つの路線を複数の部分に分割し、個々の部分で旅客コストと運行コストの和である評価値を最小化すべくダイヤを修正して最適化していく方式の発明である。しかし、本方式では、運行コストに上限が決まっている際に、その運行コストをどのように各部分に分割すれば最適になるかという点について述べておらず、使用電力量に上限値がある場合に解を得ることができない。

本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたものであって、電力削減量もしくは電力消費の上限量が割り当てられた際に、それを複数の路線、もしくは部分に適切に分担し、路線ごとの電力使用量を設定することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる最適運行パターン選択システムは、鉄道を路線に分割し、少なくとも最高速度、１編成車両数両、編成数両のいずれかを含む列車の運行パラメータに基づいて、分割した路線ごとに列車の運行パターンを生成する運行パターン生成部と、前記運行パターン生成部が前記路線ごとに生成した各運行パターンについて、移動者の鉄道による移動時間と、移動者の列車に対する待ち時間と、列車の混雑率と、のいずれかに基づいて、列車が前記路線を前記運行パターンで運行した際の乗客の不便さの指標である不効用値を算出する不効用算出部と、前記運行パターン生成部が前記路線ごとに生成した各運行パターンについて、列車を利用する移動者の数に基づいて、列車の運行に伴う消費電力量を算出する消費電力量算出部と、前記消費電力量算出部が算出した前記路線ごとの消費電力量の合計値があらかじめ定められた前記電力消費量の上限値を下回り、前記不効用算出部が算出した移動者の不効用値の合計値が最小となる各路線の運行パターンの組合せを探索する最適運行パターン選択部と、備えることを特徴とする最適運行パターン選択システムとして構成される。

また、本発明は、上記最適運行パターン選択システムで行われる最適運行パターン選択方法として把握される。

本発明によれば、電力削減量もしくは電力消費の上限量が割り当てられた際に、それを複数の路線、もしくは部分に適切に分担し、路線ごとの電力使用量を設定することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるシステムの全体構成である。 本発明の一実施形態におけるシステムの全体処理フローである。 本発明の一実施形態における運行パターンデータである。 本発明の一実施形態におけるＯ／Ｄ推定データである。 本発明の一実施形態における不効用算出処理フローである。 本発明の一実施形態における使用電力量算出処理フローである。 本発明の一実施形態における路線・運行パターンごとの不効用、使用電力量の算出結果データである。 本発明の一実施形態における路線・運行パターンごとの不効用、使用電力量の関係グラフである。 本発明の一実施形態における最適運行パターン選択処理フローである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施例では、災害時などにおいて、鉄道が使用できる電力量に制約が加わった際に、路線ごとの基本的な運行パラメータを設定する場合を例に説明する。ここで、基本的な運行パラメータとは列車の最高速度、運行本数、車両数など、使用電力量に影響するものが該当する。これ以外のパラメータを使用してもよい。

また、路線とは始点から終点までを有し、他と独立したダイヤを有する単位を基本的にさすが、環状線のように始点、終点を有しなくてもよい良いし、特定の路線内の各駅停車と快速などの車両種別ごとに個別の路線としてもよい。また、相互乗り入れしている路線については、始点と終点を共有する列車のみ１つの路線ととらえてもよいし、始点と終点がある程度の駅の範囲に入る列車をすべて１つの路線ととらえてもよい。

図１に、本実施例における本発明を具備するシステムの全体構成を示す。本実施例の最適運行パターン選択システム１０は、鉄道が使用できる電力量の最大値を与えられる際に、鉄道路線ごとの運行パターンをどのように設定するかを選択するシステムである。最適運行パターン選択システム１０の出力である路線ごとの運行パラメータ（最高速度、運行本数、車両数）などを受けて、路線毎ダイヤ立案システム７０が路線ごとのダイヤを立案する。最後に運行管理システム８０などを通して、鉄道の実際の運行に至る。

最適運行パターン選択システム１０は、運行パターン生成部２０とＯ／Ｄ（Origin／Destination）取得・推定部３０、不効用算出部４０、電力消費量算出部５０、最適運行パターン選択部６０、電力消費上限量取得部９０、運行パターン変更検知部９１で構成される。

運行パターン生成部２０は、路線ごとに電力消費量を削減するための複数のパラメータで構成される運行パターンを生成する。パラメータには、最高速度、列車本数、車両数、最高加速度などがあり、各パラメータは離散的な値をとる。本実施例では、最高速度、列車本数、車両数の３つのパラメータを使用した例を提示するが、これらのうち１つ以上のパラメータを使用すればよく、また電力使用量が変化する他のパラメータを使用してもよい。使用するパラメータは実際の列車運行において変更できるものを選択する必要がある。

最高速度は列車の最高速度を指定するパラメータであり、９０ｋｍ／ｈ、８５ｋｍ／ｈから５ｋｍ／ｈに設定して、１０ｋｍ／ｈまでの値をとる。５ｋｍ／ｈごとのかわりに１０ｋｍ／ｈごととしてもよいし、９０ｋｍ／ｈからのかわりに１００ｋｍ／ｈからにしてもよい。ただし、最高速度は実際の路線の最高速度を上回らない値に設定する必要がある。列車本数は、列車編成数（例えば、１時間当たりの列車本数）を指定するパラメータであり、たとえば３０編成から２９編成、２８編成と１編成ごとに１０編成までの値を設定する。１編成ごとのかわりに２編成ごとにしてもよいし、１０編成までのかわりに５編成までにしてもよい。列車編成数は、該当の会社が該当の路線向けに保有している列車編成数を上回らない必要がある。車両数は１列車編成に含まれる車両数を指定するパラメータであり、１０両、９両、８両と１両ごとに１両までの値を設定する。１０両のかわりに１５両と設定してもよいし、１両ごとのかわりに２両ごとにしてもよい。車両数は、実際の車両数を超えない値に設定する必要がある。最後に、最高速度の値、列車本数の値、車両数の値からそれぞれ１つずつを選択したセットを運行パターンとし、組合せの違う複数の運行パターンを生成する。

運行パターン生成部２０が生成したパターンの例を図３に示す。最高速度列２０１に最高速度のパターンを、車両数列２０２に車両数のパターンを列車本数列２０３に列車本数のパターンを提示しており、これらのパラメータの組合せが運行パターンである。例えば、Ｐ９０＿１０＿５のパターンは、最高速度９０ｋｍ／ｈ、列車本数５編成、車両数１０両の組合せの運行パターンであり、Ｐ８５＿０９＿４は最高速度９０ｋｍ／ｈ、列車本数４編成、車両数９両の組合せの運行パターンである。図３の例の場合、最高速度が９０ｋｍ／ｈから１０ｋｍ／ｈまでの１７種類、車両数が１０両から１両の１０種類、列車本数が５編成から１編成の５種類とりうるため、１７×１０×５＝８５０パターンの運行パターンを提示している。車両数と列車本数は固定で、最高速度のみ動かしてパターンを作成してもよい。その場合は、最高速度が９０ｋｍ／ｈから１０ｋｍ／ｈまでの１７種類、車両数が１０両の１種類、列車本数が５編成の１種類とりうるため、１７×１×１＝１７パターンの運行パターンとなる。

Ｏ／Ｄ取得・推定部３０は、鉄道の利用者がどこからどこへ何人移動するのかを推定する。推定に当たっては、パーソントリップ調査などの調査結果を利用してもよいし、過去（前日など）の利用実績を流用してもよいし、当日の切符販売記録や定期券での入場記録から推測してもよい。図４にＯ／Ｄ取得・推定部３０での推定結果を示す。図４はＡ駅、Ｂ駅、Ｃ駅、Ｄ駅の順で並ぶ路線のＯ／Ｄ情報であり、前日の乗降者実績をそのまま当日の推定値としたものである。例えば、１行目はＡ駅からＢ駅まで乗る人が６時台に１００人、７時台に１２０人、８時台に２００人、２４時台に８０人と推測していることを示す。図４の例では２つの駅間の利用者数を推測しているが、距離的に近い複数の駅、もしくは料金体系が同じである複数の駅をまとめて駅グループとして複数の駅グループ間の利用者数を推測してもよい。また、図４の例では、１時間ごとに区切って利用者数を推測しているが、１日ごとでもよいし、３０分ごとでもよい。

不効用算出部４０は、路線ごと、かつ運行パターン生成部２０で生成した運行パターンごとに、該当路線を該当運行パターンで運行した際の乗客の不便さの指標である不効用を算出する。本実施例において、不効用は時間評価値を用いるなどして貨幣換算しているが、時間換算して時間の大小で不効用を表してもよい。

電力消費算出部５０は、路線ごと、かつ運行パターン生成部２０で生成した運行パターンごとに、該当路線を該当運行パターンで運行した際の電力消費量を算出する。

電力消費上限量取得部９０は、複数の路線からなる鉄道全体で、使用してよい電力消費上限量（最大消費量）もしくは電力消費の削減量（最小削減量）を取得する。

最適運行パターン選択部６０は、複数の路線からなる鉄道全体で、電力消費算出部５０が算出した路線ごとの電力消費量の削減量の合計が、電力消費上限量取得部９０で取得した電力消費削減量以上、もしくは電力消費量の上限量の合計が、電力消費上限量取得部９０で取得した電力消費上限量以下であり、かつ、不効用算出部４０が算出した路線ごとの不効用の合計が最小となる、路線ごとの運行パターンの組合せを選択する。これにより、電力消費が削減量を上回る、もしくは電力消費の合計量が上限量を下回り、かつ不便益で計量される利用者の利便性が大きくは損なわれない運行方法を明らかにすることができる。

運行パターン変更検知部９１は、最適運行パターン選択部６０が出力した現行もしくは最新の最適運行パターンの組合せを記憶部（不図示）に保持し、最適運行パターン選択部６０が、保持している最適運行パターンと異なる最適運行パターンを出力した際に、それを検知し、路線毎ダイヤ立案システム７０などに通知し、ダイヤの変更を促す。

路線基礎情報取得部９２は、路線に関する基礎情報を取得する。基礎情報としては、運行パターン生成部２０で使用する路線の最高速度、最大車両数、最大編成数、電力消費量算出部５０で使用する車両重量、最大加速度、定格出力、回生効率、車両型名などである。

運行パターン変更要求取得部９３は、最適運行パターン選択部６０より出力した運行パターンを前提に路線毎ダイヤ立案システム７０にてダイヤを立案できなかった際に、運行パターンの変更要求をうけつける。変更要求では、運行パターンの内、どの路線のどのパラメータがダイヤが立案できなかった原因かを指定してもよい。また、ダイヤを立案できるための制約条件（例えば最高速度が７０ｋｍ／ｈ以上など）を指定してもよい。変更要求は、最適運行パターン選択部６０に伝達し、運行パターン変更要求取得部９３が受け付けた原因パラメータや制約条件に従って、その制約条件を満たす運行パラメータの中から、再度最適な運行パラメータの組合せを取得しなおす。

次に、図２のフローチャートを使用して、本実施例における本発明を具備する最適運行パターン選択システムの全体処理手順を示す。

まず、ステップ１０１からステップ１０７を路線ごとに繰り返す。

ステップ１０２では、処理中の路線における運行パターンを生成する。運行パターン生成部２０で実行する。図３はある１路線における生成された運行パターンの例であり、この場合８５０パターンを包含する。

次にステップ１０３からステップ１０６を、ステップ１０２で生成された運行パターンごとに繰り返す。図３の例の場合、８５０パターンについてステップ１０３からステップ１０６を繰り返し処理する。

ステップ１０４では、処理中の運行パターンについて、不効用を算出する。不効用算出部４０で実行する。算出の詳しい処理例については後述する。

ステップ１０５では、処理中の運行パターンについて、電力消費量もしくは電力消費の削減量を算出する。電力消費量算出部５０で実行する。算出の詳しい処理例については後述する。

ステップ１０８では、複数の路線からなる鉄道全体で、最低限の電力消費削減量もしくは使用してよい電力消費の上限量を取得する。

最後にステップ１０９では、路線と運行パターンの組合せごとに算出された、不効用と電力消費量を用いて、電力消費量の路線をまたいだ合計量が電力消費上限量以下、もしくは電力消費量の削減量の路線をまたいだ合計量が電力消費削減量以上であり、不効用の路線をまたいだ合計量が最小となる運行パターンの組合せを見つける。詳しい処理例については後述する。

図５のフローチャートを使用して、不効用算出部４０が担う不効用算出処理について説明する。

まず、ステップ４０１からステップ４１０を、運行パターン生成部２０で生成した運行パターンごとに繰り返す。

ステップ４０２では、運行パターンのパラメータである最高速度、運行本数、車両数などの数値を取得する。

ステップ４０３では、Ｏ／Ｄ取得・推定部が推定したＯ／Ｄ情報を取得する。

ステップ４０４では、Ｏ／Ｄ情報から各駅間の乗車人数を算出する。図４のＯ／Ｄ情報を例に説明すると、６時台のＡ駅とＢ駅間は、Ａ駅からＢ駅まで行く１０００人、Ａ駅からＣ駅まで行く１２００人、Ａ駅からＤ駅まで行く１３００人が乗車するため、合計３５００人が利用する。同様に、６時台のＢ駅とＣ駅間は、Ａ駅からＣ駅まで行く１２００人、Ａ駅からＤ駅まで行く１３００人、Ｂ駅からＣ駅まで行く２３００人、Ｂ駅からＤ駅まで行く２８００人が乗車するため、合計７６００人が乗車する。同様に、６時台のＣ駅とＤ駅間は、合計４９００人が乗車する。

ステップ４０５では、移動者の移動にかかる総所要時間を算出し、移動時間による不効用を算出する。総所要時間を算出するにあたり、まずステップ４０２で取得した最高速度から各駅間の所要時間を算出する。駅間の所要時間の算出は、列車運行のシミュレーションで精度高く算出するのが望ましいが、列車の加速、減速時の加速度と最高速度、駅間距離から簡易に求めてもよい。駅間距離３ｋｍを加速度３ｋｍ／ｈ／ｓ、最高速度６０ｋｍ／ｈという列車規格で運行する場合、出発２０秒後に１６７ｍ進んで時速６０ｋｍ／ｈに達し、１６０秒間６０ｋｍ／ｈで運行後、最後の１６７ｍを２０秒かけて減速していき、出発後２００秒の時点で次の駅に到着すると計算できる。さらに駅での停車時間を３０秒とすると、この場合の駅間所要時間は２３０秒である。

次に、ステップ４０４で算出した駅間乗車人数と、駅間所要時間から総所要時間を計算する。Ａ駅からＤ駅の各駅間の駅間所要時間をすべて２３０秒とすると、６時台の総所要時間は、Ａ駅からＢ駅の乗車人数３５００人に２３０秒をかけた８０５，０００秒、Ｂ駅からＣ駅の乗車人数７６００人に２３０秒をかけた１，７４８，０００秒、Ｃ駅からＤ駅の乗車人数４９００人に２３０秒をかけた１，１２７，０００秒の合計３，６８０，０００秒となる。

最後に総所要時間を不効用に換算する。不効用は一般的に時間を貨幣換算することで実施する。移動中の時間の時間評価値を４０円／分とすると、６時台のＡ駅からＤ駅の不効用は約２，４５０，０００円となる。

ステップ４０６では、移動者の駅での総待ち時間を算出し、待ち時間による不効用を算出する。

まず、列車本数と駅間所要時間から平均列車間隔を算出する。Ａ駅からＤ駅までの駅間所要時間の合計は６９０秒。Ｄ駅からＡ駅まで戻るのにも６９０秒かかったとすると、合計１３８０秒の区間を、ステップ４０２で取得した運行本数の列車が運行していることになる。運行本数を５編成とすると２７６秒に１編成の割合で運行することになり、平均列車間隔は２７６秒となる。

次に、平均列車間隔から平均待ち時間を算出する。駅に来る人の量が時間ごとに一定であるとすると、駅での平均待ち時間は２７６秒の１／２である１３８秒となる。これは、駅で最も待つ人で２７６秒、最も待たない人で０秒の待ち時間となるため、その平均をとったものである。

次に、平均待ち時間とＯ／Ｄ情報から総待ち時間を算出する。６時台の合計乗車人数はＯ／Ｄ情報である図４の６時台列３０３の合計値である９４０人、合計待ち時間は１３８秒に９４０人をかけた１，２９７，２０秒となる。

最後に、総待ち時間から不効用を算出する。待ち時間中の時間評価値８０円／分を総待ち時間１，２９７，２０秒にかける６時台の待ち時間の不効用は１，７３０，００円となる。

ステップ４０７では、列車内の混雑率を算出し、混雑による不効用を算出する。

まず、ステップ４０６で算出した平均列車間隔と、ステップ４０２で取得した車両数から総輸送定員を算出する。平均列車間隔は２１６秒、車両数は１０両、各車両の定員を１００人とすると、１編成の定員は１００人×１０両で１０００人。そのため、各駅間に１時間あたり３６００秒／２７６秒である約１３編成の列車が走行するため、１時間あたりの駅間定員は約１３０００人になる。

次に、駅間乗車人数と総輸送定員から駅間混雑率を算出する。Ａ駅Ｂ駅間はステップ４０４で算出した３５００人が乗車するので、平均混雑率は２６％、Ｂ駅Ｃ駅間はステップ４０４で算出した７６００人が乗車するので、平均混雑率は５８％、Ｃ駅Ｄ駅間は同様に３８％である。

最後に、駅間混雑率と駅間所要時間、駅間乗車人数から不効用を算出する。混雑率による不効用の算出には、混雑不効用関数を利用する。例えば、鉄道プロジェクトの評価手法マニュアル（２０１２年改訂版）によると、例えば、混雑率が１００％未満の場合には、０．０２７×混雑率×乗車時間×時間評価値が混雑率による不効用となり、混雑率２５０％以上の場合には、（１．１５×混雑率−２．３７）×乗車時間×時間評価値が混雑率による不効用となる。Ａ駅Ｂ駅間の混雑率による不効用は０．０２７×０．２１×８０５，０００秒×４０円／分＝３，０００円となり、同様にＢ駅Ｃ駅間の不効用は１８，０００円、Ｃ駅Ｄ駅間の不効用は７，７００円で、合計は、２０，７００円となる。混雑率が低い場合には、このように無視できる程度の額であるが、例えば、Ａ駅Ｂ駅間の混雑率が２５０％とすると、（１．１５×２．５−２．３７）×８０５，０００秒×４０円／分＝２７１，０００円となり無視できない額となる。

ステップ４０８では、合計の不効用値を求める。ステップ４０５で算出した移動時間による不効用が２，４５０，０００円、ステップ４０５で算出した待ち時間による不効用が１，７３０，００円、ステップ４０７で算出した混雑による不効用が２０，７００円であり、合計約２，６４３，７００円となる。

次に、ステップ４０９で不効用の増大量を算出する。不効用の増大量とは、列車の運行に伴う消費電力量の削減のための運行パターンの変更による不効用の増大量であり、ステップ４０８で求めた不効用から通常時の運行パターンの不効用を引くことで求める。図３の運行パターンの場合最高速度９０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５本の場合を通常の運行パターンとすると、ステップ４０３からステップ４０８と同様の計算を行って、不効用の合計値は３，３００，０００円となる。そのため、運行パターンの変更（最高時速９０ｋｍ／ｈから６０ｋｍ／ｈへの変更）に伴う不効用の増大量は７５６，３００（約７５０，０００）円となる。

以上のステップ４０１からステップ４１０を運行パターンごとに繰り返し、各運行パターンの不効用の増大量を算出する。以上、不効用の算出を行ったが、不効用の算出の前提となる移動時間や、待ち時間、混雑率などをマルチエージェントシミュレーションなどの他の手法により行ってもよい。

図６のフローチャートを使用して、電力消費量算出部５０が担う電力消費量算出処理について説明する。

まず、ステップ５０１からステップ５０７を、運行パターン生成部２０で生成した運行パターンごとに繰り返す。

ステップ５０２では、運行パターンのパラメータである最高速度、運行本数、車両数などの数値を取得する。

ステップ５０３では、図５のフローチャートのステップ４０４と同様の手法で駅間乗車人数を算出する。

ステップ５０４では、駅間の使用電力量を算出する。使用電力量の算出には、さまざまな手法が提案されているシミュレーションを用いる。シミュレーションには一般的に、車両や乗客重量、最高速度、加速度、駅間距離などのパラメータが必要であり、乗客重量を使用するためにステップ５０３の値を使用する。シミュレーションの結果、最高速度６０ｋｍ／ｈの場合、１編成、１駅間あたり２２ｋｗｈの電力を使用するなどの結果を得ることができる。

ステップ５０５では、駅間の使用電力量を足し合わせて総使用電力量を算出する。上述のように、１駅間あたり２２ｋｗｈの場合、Ａ駅からＤ駅であわせて６６ｋｗｈとなる。駅間秒数が２３０秒なので、１編成あたり１時間で約１５．７駅間を走行し、５編成で約７８．３駅間となる。そのため、１時間当たり２２ｋｗｈ×７８．３駅間＝１７００ｋｗｈとなる。

ステップ５０６では、使用電力量の減少量を算出する。使用電力量の減少量とは、消費電力量の削減のための運行パターンの変更による使用電力量の減少量であり、通常時の運行パターンの消費電力量からステップ５０５で求めた消費電力量を引くことで求める。図３の運行パターンの場合最高速度９０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５本の場合を通常の運行パターンとすると、ステップ５０３からステップ５０５と同様の計算を行って、使用電力量の合計値は４０００ｋｗｈとなる。そのため、運行パターンの変更（最高時速９０ｋｍ／ｈから６０ｋｍ／ｈへの変更）に伴う消費電力量の減少量は約２３００ｋｗｈとなる。

電力消費上限量取得部９０で取得するのが電力消費量の上限量の場合、ステップ５０６を実行せず、使用電力量をそのまま出力する。電力消費上限量取得部９０で取得するのが電力消費量の削減量の場合、ステップ５０６を実行して、使用電力量の削減量を出力する。

以上のステップ５０１からステップ５０６を運行パターンごとに繰り返し、各運行パターンの使用電力量の減少量を算出する。

最後に図７と図８と、図９の処理フローを用いて、最適運行パターン選択部６０の処理について説明する。

図７は不効用算出部による図５の処理で算出した不効用の増大値と、電力消費量算出部による図６の処理で算出した消費電力量の減少量を、運行パターンと路線ごとに示した図である。各マスの上段が消費電力量の減少量を、下段が不効用の増大値を示す。図５と図６の説明で用いたのは運行パターン（６０ｋｍ／ｈ、１編成１０両、５編成）の路線α（Ａ駅〜Ｄ駅）のパターンであり、図５で例示した算出結果である７５万円と、図６で例示した算出結果である２３００ｋｗｈが路線αのＰ６０＿１０＿５の運行パターンの欄に格納している。

図９の処理フローを用いて、最適運行パターン選択部６０の処理手順を説明する。

最適運行パターン選択部６０では、電力消費上限量取得部９０が取得した電力消費量の上限量、もしくは削減量を制約条件として、不効用の増大値が最小となる路線α、路線β、路線γの各運行パターンの組合せを求める。ここでは削減量を制約条件とする場合について説明するが、上限量を制約条件とする場合も、同様の処理で最適な運行パターンの組合せを取得することができる。

まず、ステップ６０１で、電力消費上限量取得部９０が取得した電力消費量の上限量もしくは削減量を取得する。ここでは、電力消費の削減量（最小削減量）として、３５００ｋｗｈが取得されたとする。

ステップ６０２からステップ６１０を、路線α、路線β、路線γの運行パターンのユニークな組み合わせごとに繰り返す。例えば、路線α：Ｐ９０＿１０＿５、路線β：Ｐ９０＿１０＿５、路線γ：Ｐ９０＿１０＿５はユニークな組み合わせの１つであり、路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５もユニークな組み合わせの１つである。路線ごとに運行パターンが８５０パターンある場合、３路線で８５０の３乗、つまり６１４１２５０００のユニークな組み合わせがある。また、路線ごとに運行パターンが１７パターンある場合、３路線で１７の３乗、つまり４９１３のユニークな組み合わせがある。以下では、路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合、すなわち図７の黒枠で囲んだ部分を例に説明する。

ステップ６０３では、電力消費量算出部５０から各路線の該当運行パターンにおける電力消費減少量を取得する。路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合、図７で示すように、それぞれ路線α：１８００ｋｗｈであり、路線β：１２００ｋｗｈ、路線γ：６００ｋｗｈを取得する。

ステップ６０４では、ステップ６０３で取得した各路線の電力消費減少量を合算して、合計の電力消費減少量を求める。路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合、１８００ｋｗｈ＋１２００ｋｗｈ＋６００ｋｗｈで合計３６００ｋｗｈとなる。

ステップ６０５では、ステップ６０４で算出した電力消費減少量が、電力消費の削減量（最小削減量）を上回っているかを判定する。条件を満たす場合、ステップ６０６に進み、条件を満たさない場合は、別の運行パターンの組合せについてステップ６０２から処理を実行する。路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合、ステップ６０４で合計３６００ｋｗｈを算出しており、ステップ６０１で取得した３５００ｋｗｈを上回っている。そこでステップ６０６に進む。

ステップ６０６では、不効用算出部４０から各路線の該当運行パターンにおける不効用の増大量を取得する。路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合、図７で示すように、それぞれ路線α：５０万円であり、路線β：５０万円、路線γ：２５万円である。

ステップ６０７では、ステップ６０６で取得した各路線の不効用の増大量を合算して、合計の不効用増大量を求める。路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合、５０万円＋５０万円＋２５万円で合計１２５万円となる。

ステップ６０８では、ステップ６０７で算出した不効用の増大量の合計値が、最小であるかを判定する。最小である場合にはステップ６０９に進み、最小でない場合にはステップ６０２に戻り、他の運行パターンの組合せについて処理をしなおす。例えば、ここまでの最小値が路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ５０＿１０＿５の組合せで、５０万円＋５０万円＋４０万円で合計１４０万円の場合、路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの合計１２５万円は、それを下回っており、最小となる。そのため、ステップ６０９に進む。

ステップ６０９では、ステップ６０８で最小と判定された運行パターンの組合せと不効用の値を記録する。路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せの場合は、路線α：Ｐ７０＿１０＿５、路線β：Ｐ６０＿１０＿５、路線γ：Ｐ６０＿１０＿５の組合せと、１２５万円を記録する。

ステップ６１１では、最終的に記録されている運行パターンの組合せを、最適な運行パターンとして選択する。運行パターンが図７に示した各路線７パターンの場合、路線αはＰ７０＿１０＿５の運行パターンで電力消費削減量が１８００ｋｗｈ、不効用増大量が５０万円、路線βはＰ６０＿１０＿５の運行パターンで電力消費削減量が１２００ｋｗｈ、不効用増大量が５０万円、路線γはＰ６０＿１０＿５の運行パターンで電力消費削減量が６００ｋｗｈ、不効用増大量が２５万円の場合に電力消費削減量が３６００ｋｗｈとなり電力消費削減量取得部９０で取得した３５００ｋｗｈを超えるという条件を満たした上で、不効用増大量が１２５万円と最小となる。この場合、最適運行パターン選択部６０は路線αの運行パターンＰ７０＿１０＿５（最高速度７０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５編成）、路線βの運行パターンＰ６０＿１０＿５（最高速度６０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５編成）、路線γの運行パターンＰ６０＿１０＿５（最高速度６０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５編成）を最適な運行パターンの組合せとして出力する。

例えば、電力消費量の削減量として、５０００ｋｗｈが取得されたとすると、最適運行パターン選択部６０は路線αの運行パターンＰ４０＿１０＿５（最高速度４０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５編成）、路線βの運行パターンＰ５０＿１０＿５（最高速度５０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５編成）、路線γの運行パターンＰ６０＿１０＿５（最高速度６０ｋｍ／ｈ、車両数１０両、列車本数５編成）の場合に、電力消費削減量が５０００ｋｗｈ、不効用の増大量が３７５万円となり、最適な運行パターンの組合せとして出力する。

本システムでは、上述した各処理を行うことにより、電力削減量もしくは電力消費の上限量が割り当てられた際に、それを複数の路線、もしくは部分に適切に分担し、路線ごとの電力使用量を設定することが可能となる。また、災害時などにおいて、鉄道が使用できる電力量に制約が加わった際に、個別の路線ではなく、鉄道システム全体として、どの路線のダイヤをどの程度変更すべきかを知ることができる。

図８は図７の表をグラフ表示したものであり、電力消費削減量と不効用増大量をプロットし、各路線ごとに線で結んだものである。一般的に、電力消費削減量を増やすと、加速度的に不効用増大量が増大する傾向がある。白丸のプロットは、電力消費量の削減量として、３５００ｋｗｈが取得された場合の、最適運行パターン選択部６０が出力する最適な運行パターンの組合せである。最適な組み合わせの探索には、全探索を行ってもよいし、局所探索や焼きなまし法などのより高速な探索法を用いてもよい。

Ｏ／Ｄ取得・推定部３０の出力するＯ／Ｄ情報、もしくは電力消費削減量取得部９０の出力する電力消費削減量が変更された際には、不効用算出部４０の算出する不効用値と電力消費量算出部５０の算出する電力消費量が変化し、最適な運行パターンが変化する可能性がある。その場合、Ｏ／Ｄ情報や電力消費削減量が変化するごと、もしくは一定時間ごとに不効用算出部４０と電力消費量算出部５０による不効用値と電力消費量値を算出し直し、さらに、最適運行パターン選択部６０による最適な運行パターンの組合せ探索もし直す。

例えば、電力の逼迫状態が強くなり、電力消費削減量が３５００ｋｗｈから５０００ｋｗｈに変更された場合、最適運行パターン選択部６０から出力される最適な運行パターンの組合せが路線αのＰ７０＿１０＿５、路線βのＰ６０＿１０＿５、路線γのＰ６０＿１０＿５から路線αのＰ４０＿１０＿５、路線βのＰ５０＿１０＿５、路線γのＰ６０＿１０＿５に変更されるため、運行パターン変更検知部９１でその変更を検知し、路線αと路線βのダイヤ立案システムに運行パターンの変更を通知する。

運行パターン変更要求取得部９３で、路線とパラメータが指定された場合について説明する。上述の例のように、電力消費量の削減量として、電力消費上限量取得部９０で３５００ｋｗｈが取得され、最適運行パターン選択部６０で、路線αはＰ７０＿１０＿５、路線βはＰ６０＿１０＿５、路線γはＰ６０＿１０＿５の運行パターンの組合せが出力されたとする。この内、路線γの最高速度６０ｋｍ／ｈが問題で、路線γのダイヤが立案できない場合、路線γの最高速度が６０ｋｍ／ｈであるＰ６０＿１０＿５のパターンを削除して、最適運行パターン選択部６０の処理をやり直す。その結果、電力消費削減量が３５００ｋｗｈ、不効用の増大量が１３５万円になる路線αはＰ６０＿１０＿５、路線βはＰ７０＿１０＿５、路線γはＰ７０＿１０＿５の運行パターンの組合せを算出・出力する。

運行パターン変更要求取得部９３で、路線βの最高速度が８０ｋｍ／ｈ以上などの制約が入力される場合、路線βの最高速度が８０ｋｍ／ｈ未満である路線βのＰ７０＿１０＿５、Ｐ６０＿１０＿５、Ｐ５０＿１０＿５、Ｐ４０＿１０＿５、Ｐ３０＿１０＿５を削除して、最適運行パターン選択部６０の処理をやり直す。その結果、電力消費削減量が３５００ｋｗｈ、不効用の増大量が１４０万円になる路線αはＰ６０＿１０＿５、路線βはＰ８０＿１０＿５、路線γはＰ５０＿１０＿５の運行パターンの組合せを算出・出力する。

なお、本実施例では、上述した方法によって最適運行パターン選択部６０が、最新の最適運行パターンを選択した。しかし、最新の最適運行パターンを選択したものの、消費電力や不効用以外の事情によって、次善の最適運行パターンが必要となった場合、その探索の際に、最適運行パターン選択部６０最高速度、１編成車両数両、編成数両などの運行パラメータが近い運行パターンを優先的に探索することとしてもよい。この場合、消費電力や不効用以外の事情を考慮しつつ、より最適運行パターンに近い運行パターンを速やかに探索し、選択することができる。

１０・・・最適運行パターン選択システム
２０・・・運行パターン生成部
３０・・・Ｏ／Ｄ取得・推定部
４０・・・不効用算出部
５０・・・電力消費量算出部
６０・・・最適運行パターン選択部
７０・・・路線毎ダイヤ立案システム
８０・・・運行管理システム
９０・・・電力消費上限量取得部
９１・・・運行パターン変更検知部
９２・・・路線基礎情報取得部
９３・・・運行パターン変更要求取得部。

Claims (10)

1. 鉄道を路線に分割し、少なくとも最高速度、１編成車両数両、編成数両のいずれかを含む列車の運行パラメータに基づいて、分割した路線ごとに列車の運行パターンを生成する運行パターン生成部と、
   前記運行パターン生成部が前記路線ごとに生成した各運行パターンについて、移動者の鉄道による移動時間と、移動者の列車に対する待ち時間と、列車の混雑率と、のいずれかに基づいて、列車が前記路線を前記運行パターンで運行した際の乗客の不便さの指標である不効用値を算出する不効用算出部と、
   前記運行パターン生成部が前記路線ごとに生成した各運行パターンについて、列車を利用する移動者の数に基づいて、列車の運行に伴う消費電力量を算出する消費電力量算出部と、
   前記消費電力量算出部が算出した前記路線ごとの消費電力量の合計値があらかじめ定められた前記電力消費量の上限値を下回り、前記不効用算出部が算出した移動者の不効用値の合計値が最小となる各路線の運行パターンの組合せを探索する最適運行パターン選択部と、
   を備えることを特徴とする最適運行パターン選択システム。
2. 請求項１に記載の最適運行パターン選択装置であって、
   さらに、移動者の移動需要量を推測するＯ／Ｄ推測部を備え、
   前記不効用算出部は、前記Ｏ／Ｄ推測部が推測した前記移動需要量に基づいて、前記不効用値を算出する、
   ことを特徴とする最適運行パターン選択システム。
3. 請求項１または２に記載の最適運行パターン選択装置であって、
   さらに、前記最適運行パターン選択部が選択して記憶部に記憶した現行の運行パターンと、前記最適運行パターン選択部が新たに選択した最適な運行パターンとの違いを検知する運行パターン変更検知部、
   を備えることを特徴とする最適運行パターン選択システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の最適運行パターン選択装置であって、
   前記最適運行パターン選択部が、最新の最適運行パターンを記憶し、次の最適運行パターンを探索する際に、少なくとも最高速度、１編成車両数両、編成数両を含む列車の運行パラメータが近い運行パターンを優先的に探索する、
   ことを特徴とする最適運行パターン選択システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の最適運行パターン選択装置であって、
   さらに、路線ごとの運行パターンの制約条件を入力する運行パターン変更要求取得部を備え、
   前記最適運行パターン選択部が、入力された前記制約条件を満たす運行パターンの組合せを探索する、
   ことを特徴とする最適運行パターン選択システム。
6. 鉄道を路線に分割し、少なくとも最高速度、１編成車両数両、編成数両のいずれかを含む列車の運行パラメータに基づいて、分割した路線ごとに列車の運行パターンを生成する運行パターン生成ステップと、
   前記運行パターン生成ステップにおいて前記路線ごとに生成した各運行パターンについて、移動者の鉄道による移動時間と、移動者の列車に対する待ち時間と、列車の混雑率と、のいずれかに基づいて、列車が前記路線を前記運行パターンで運行した際の乗客の不便さの指標である不効用値を算出する不効用算出ステップと、
   前記運行パターン生成ステップにおいて前記路線ごとに生成した各運行パターンについて、列車を利用する移動者の数に基づいて、列車の運行に伴う消費電力量を算出する消費電力量算出ステップと、
   前記消費電力量算出ステップにおいて算出した前記路線ごとの消費電力量の合計値があらかじめ定められた前記電力消費量の上限値を下回り、前記不効用算出ステップにおいて算出した移動者の不効用値の合計値が最小となる各路線の運行パターンの組合せを探索する最適運行パターン選択ステップと、
   を含むことを特徴とする最適運行パターン選択方法。
7. 請求項１に記載の最適運行パターン選択方法であって、
   さらに、移動者の移動需要量を推測するＯ／Ｄ推測ステップを含み、
   前記不効用算出ステップにおいて、前記Ｏ／Ｄ推測ステップにおいて推測した前記移動需要量に基づいて、前記不効用値を算出する、
   ことを特徴とする最適運行パターン選択方法。
8. 請求項１または２に記載の最適運行パターン選択方法であって、
   さらに、前記最適運行パターン選択ステップにおいて選択して記憶部に記憶した現行の運行パターンと、前記最適運行パターン選択ステップにおいて新たに選択した最適な運行パターンとの違いを検知する運行パターン変更検知ステップ、
   を含むことを特徴とする最適運行パターン選択方法。
9. 請求項１から３のいずれか１項に記載の最適運行パターン選択方法であって、
   前記最適運行パターン選択ステップにおいて、最新の最適運行パターンを記憶し、次の最適運行パターンを探索する際に、少なくとも最高速度、１編成車両数両、編成数両を含む列車の運行パラメータが近い運行パターンを優先的に探索する、
   ことを特徴とする最適運行パターン選択方法。
10. 請求項１から４のいずれか１項に記載の最適運行パターン選択方法であって、
    さらに、路線ごとの運行パターンの制約条件を入力する運行パターン変更要求取得ステップを含み、
    前記最適運行パターン選択ステップにおいて、入力された前記制約条件を満たす運行パターンの組合せを探索する、
    ことを特徴とする最適運行パターン選択方法。

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