JP2015139336A - 自動列車運転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生ブレーキが失効した場合でも、ブレーキ指令の頻繁な切替による停止精度、乗り心地の悪化を防止する。
【解決手段】列車を駅の定位置に自動的に停車させる自動列車運転装置は、所定のノッチに対応して、空気ブレーキが単独作動した時の減速度をもとにした第一走行パタン（407）と、所定のノッチに対応して、空気ブレーキと回生ブレーキが協調作動したときの減速度をもとにした第二走行パタン（404）を備えている。停車制御開始時は、第二走行パタン（404）に基づいて、空気ブレーキと回生ブレーキに対し、定位置に停車させるためのノッチ指令を行うとともに、その後、回生ブレーキが失効したとき、あるいは回生ブレーキの失効が予測されたときには、ノッチ指令を緩解し、列車のキロ程と速度が第一走行パタン（407）に交差したとき、この第一の走行パタン（407）に切り替えて、空気ブレーキにノッチ指令を行い、列車を前記定位置に停車させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動列車運転装置に関し、特に、無人運転を行う路線、あるいは、列車停止位置の許容誤差が厳格に制限されるプラットホームドアを設置した路線において、列車停車位置を自動的に許容範囲内に制御するための自動列車運転装置に関する。

既存の自動列車運転装置のうち、定位置停止制御（Train Automatic Stopping Control：ＴＡＳＣ）について、図１を用いて説明する。なお、図１において、横軸は列車の現在位置を表すキロ程、縦軸は列車速度である。

列車のブレーキシステムは、一般的に、列車駆動用の電動機を発電機として利用し、発生した電力を、架線を通じて他の列車の加速などに供されるようにした回生ブレーキと、圧縮空気の圧力を利用してシリンダを動作させ、制輪子をブレーキディスクまたは車輪踏面に押し当てることにより、発生する摩擦力を利用する空気ブレーキとから構成されている。列車として必要なブレーキ力は、こうした回生ブレーキと空気ブレーキを協調させることで、列車を減速させて列車停車位置に停止させるとともに、制動エネルギの効率的な回収を行っている。

自動列車運転装置は、列車を定位置に停止させるため、制動開始から次駅停車に到るまでの列車速度を規定する走行パタン（１０１）を保持している。
可能な限り制動エネルギを回収するとともに、空気ブレーキの負担を軽減することで保守点検負担を低減する観点から、走行パタン（１０１）は、次駅停車のための制動開始から停車するまでの間、回生ブレーキと空気ブレーキがともに出力可能であることを前提に、所定のブレーキ側ノッチ（以下、単に「ノッチ」という。）に対応する減速度に基づいて算出される。
走行パタン（１０１）は、列車の位置を表すキロ程とその地点における列車速度の組として規定されることが一般的であり、自動列車運転装置は、空気ブレーキ装置、回生ブレーキ装置に対し、この走行パタン（１０１）に追随するよう、必要な減速度を決定し、この減速度に対応するノッチ指令を出力する。その結果、列車は、（１０２）に示すように、減速を開始し、走行パタン（１０１）に追従するように減速させ、列車を所定の停止位置に停止させることができる。

しかし、回生ブレーキは、自列車の周辺に、回生ブレーキにより発生するエネルギを吸収する負荷が存在することが前提となっており、この負荷は、周辺で加速している他列車が担うことになる。このため、周辺に列車が走行していない場合、あるいは、他列車が加速（力行）を終了しているような場合には、回生ブレーキが失効してしまうことがある。
このように回生ブレーキが失効した時は、列車を空気ブレーキ単独で減速させなければならないこととなるが、一般的に、空気ブレーキ単独作動の場合と、回生ブレーキと空気ブレーキの双方を協調作動させる場合とでは、同一の減速度に対応するノッチ指令に対し、空気ブレーキのみの場合の方が発生する減速度が高くなる。
その理由は次のとおりである。
すなわち、回生ブレーキに関しては、空気ブレーキより応答性が高く、得られる減速度を予め高い精度で予測することも可能である。しかし、空気ブレーキに関しては、制輪子と車輪踏面、または制輪子とブレーキディスク間の摩擦係数が条件（晴れ・雨、制輪子が新品であるか否か、）によって異なることから、実際に得られる減速度にバラツキが発生する。このため、空気ブレーキを調整する際に各ノッチに対する減速度に対して高めの減速度が発生するように調整することにより、安全サイドの停止を可能としているからである。
したがって、回生ブレーキが失効し、空気ブレーキ単独作動による制動となった場合に、両ブレーキ協調作動時の減速度に対応するノッチ指令を、そのまま空気ブレーキに出力すると、回生ブレーキと空気ブレーキ協調作動時を前提とした走行パタンで規定していた減速度より大きな減速度が発生してしまうこととなる。

この問題に関連して、特許文献１の要約書には、「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。」と記載されている。
特許文献２の要約書には、「ブレーキ指令信号の入力時において、フィルタコンデンサ電圧がしきい値電圧未満の場合には十分な回生ブレーキ力が得られるので、回生ブレーキ判定部３２は、ハイレベルのダミー許可信号を出力してダミー信号生成部３３にダミー信号を出力させる。フィルタコンデンサ電圧がしきい値電圧以上の場合には回生ブレーキ力が不足または失効するのでロウレベルのダミー許可信号を出力してダミー信号生成部３３にダミー信号の出力を停止させる。重畳部３４は、インバータ制御部２９から出力される回生ブレーキ力信号とダミー信号とを重畳しブレーキ力等価信号として出力する。ブレーキ制御装置１２は、ブレーキ力指令からブレーキ力等価信号を減算して空気ブレーキ力指令を生成する。」と記載されている。
さらに、特許文献３の要約書には、「本発明の電気車は、インバータ３３により駆動される交流電動機１３と、前記交流電動機のトルクを制御するトルク制御手段３３と、前記インバータの直流側電圧が供給される負荷２０と、前記電気車が前記トルク制御手段３３を使用して減速する場合、前記インバータの直流側電圧に応じて前記負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段４２を具備する。」と記載されている。

特開平２０１２−３９７３８号公報 特開平２０１０−１６６６９４公報 特開平２００９−２２５６３０号公報

しかし、回生ブレーキと空気ブレーキを協調作動させるときと、空気ブレーキのみを単独作動させる場合とでは、期待している減速度が異なるため、停止精度の悪化やブレーキ指令の頻繁な切り替えにより乗り心地が悪化するという課題があった。特に、減速途中で回生ブレーキが失効し、空気ブレーキのみが単独作動するようになった場合には、特定のキロ程において、規定以上の減速度が発生し、列車速度が、走行パタンで規定された速度を下回ることになる。
そのため、自動列車運転装置は、走行パタンに追随するように、ノッチを緩減速側に緩解する指令が送出されることになる。しかし、ノッチが緩減速側に切り替えられたことにより、列車速度が再び走行パタンで規定された速度を上回ると、今度はノッチを急減速側に制御するというように、ノッチ指令にハンチング現象が発生してしまう。
その結果、減速度の変化が繰り返され、乗り心地が悪化するばかりでなく、次駅停車までの時間が延び、列車運行に支障を来す原因ともなる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、回生ブレーキが失効した場合は、以後、次駅に停車するまでの間、空気ブレーキのみの減速度をもとにした走行パタンを用いて定位置停止制御を行い、停止精度の向上を図り、ブレーキ指令の頻繁な切替による乗り心地の悪化を防止することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の自動列車運転装置は、列車を駅の定位置に自動的に停車させる自動列車運転装置において、前記自動列車運転装置は、所定のノッチに対応して空気ブレーキが単独作動した時の減速度をもとにした第一走行パタンと、所定のノッチに対応して空気ブレーキと回生ブレーキが協調作動したときの減速度をもとにした第二走行パタンとを備え、前記第二走行パタンは、前記第一走行パタンより、同一キロ程に対する列車速度が低く設定されたものであり、前記第二走行パタンに基づいて、前記空気ブレーキ及び回生ブレーキに対し、定位置に停車させるためのノッチ指令を開始するとともに、その後、前記回生ブレーキが失効したとき、あるいは前記回生ブレーキの失効が予測されたときには、前記ノッチ指令を緩解し、列車のキロ程と速度が、前記第一走行パタンに交差したとき、当該第一の走行パタンに切り替えて、前記空気ブレーキにノッチ指令を行うことにより、前記列車を前記定位置に停車させるようにした。

本発明によれば、回生ブレーキが失効した場合、あるいは失効が予測された場合に、空気ブレーキの単独作動に切り替えられても、停止精度の悪化を防止するとともに、ブレーキ指令の頻繁な切替による乗り心地の悪化を防止することができる。
上記した以外の課題、解決手段及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、定位置停止制御時の車両速度の挙動を表す模式図である。 図２は、実施例１におけるシステム構成図である。 図３は、実施例１における使用走行パタン判定部の処理の流れを示したフロー図である。 図４は、実施例１における車両速度の挙動を表す模式図である。 図５は、実施例２におけるシステム構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

［実施例１］
図２は、実施例１の機器構成図であり、この図を用いて本実施例のシステム構成を説明する。
自動列車運転装置（２０１）は、列車の制御を司る編成制御装置（２０２）から架線電圧（２０３）、そして、回生ブレーキが有効かどうかを示す信号である回生有効信号（２０４）を受信する。回生失効予測部（２０５）は編成制御装置（２０２）からの架線電圧（２０３）に基づいて、回生失効が発生しそうであるかを予測する。回生失効予測部（２０５）は、架線電圧が所定の架線電圧を超えた場合に回生失効を予測してもよいし、架線電圧の単位時間当たりの上昇率から予測してもよい。さらに、架線電圧が、所定の架線電圧を超えた場合に、架線電圧の単位時間当たりの上昇率から予測してもよい。本実施例では、架線電圧から回生失効が予測できれば、いずれの方法を用いてもよく、手段は問わない。
こうして、回生失効が予測された場合には、回生失効予測部（２０５）は、回生失効予測信号（２０６）を使用走行パタン判定部（２０７）に送信する。

本発明では定位置停止制御に用いる走行パタンを、空気ブレーキのみで減速した場合に発生する減速度をもとにした第一走行パタンと、回生ブレーキと空気ブレーキがともに出力可能な場合に発生する減速度をもとにした第二走行パタンの二種類を有している。使用走行パタン判定部（２０７）は、回生失効予測部（２０５）からの回生失効予測信号（２０６）と、編成制御装置（２０２）からの回生有効信号（２０４）とに基づいて、定位置停止制御に用いる走行パタンを選択する。回生失効予測部（２０５）により、回生失効が予測される場合、あるいは、回生有効信号（２０４）が出力されない場合には、回生ブレーキの使用を停止して空気ブレーキのみで減速するように、編成制御装置（２０２）に対して回生ブレーキカット指令（２１０）を出力する。同時に、選択した使用走行パタン（２０８）を第二走行パタンから第一走行パタンに切り替えて、定位置停止制御部（２０９）へ送信する。

定位置停止制御部（２０９）は、使用走行パタン判定部（２０７）からの使用走行パタン（２０８）と現在の列車の車両速度（２１１）、現在位置（２１２）から必要な減速度を比例制御で算出する。なお、列車を所望の走行パタンに追従させる指令を算出できれば比例制御以外でも良く、その方法は問わない。定位置停止制御部（２０９）は、ＶＶＶＦ制御装置（２１４）、空気ブレーキ制御装置（２１５）に対して、ブレーキ指令（２１３）を出力する。

図３は、図２における使用走行パタン判定部（２０７）内での処理の流れを示し、以下に説明するステップ３０１〜３０７により、定位置停止制御に使用する走行パタンを選択する。

（ステップ３０１）
現時点でのブレーキの作用状態を確認するために回生有効信号（２０４）を編成制御装置（２０２）から取得する。回生有効信号（２０４）は、回生ブレーキが有効に作用しているか否かを通知する信号であり、一般的にはＶＶＶＦ制御装置（２１４）が生成していることが多い。回生有効信号（２０４）は、このようにＶＶＶＦ制御装置から直接取得してもよいし、本実施例のように編成制御装置（２０２）経由で取得してもよい。要は回生有効信号（２０４）が取得できればよく、経路は問わない。使用走行パタン判定部（２０７）は、まず、この回生有効信号（２０４）を取得し、ステップ３０２に進む。

（ステップ３０２）
回生有効信号（２０４）が回生有効か回生無効（回生ブレーキが出力されていない）かを判断する。回生有効の場合はステップ３０３に進む。回生無効の場合はステップ３０５に進む。

（ステップ３０３）
回生失効予測信号（２０６）を回生失効予測部（２０５）から取得し、ステップ３０４に進む。

（ステップ３０４）
回生失効予測信号（２０６）が回生失効を予測しているか否かを判定する。回生失効を予測している場合はステップ３０５に進み、回生失効が予測されていない場合はステップ３０７に進む。

（ステップ３０５）
回生有効信号（２０４）が取得されず、回生が無効である場合や、回生失効予測部（２０５）により、回生失効が予測されている場合は、空気ブレーキのみで減速した場合に発生する減速度をもとにした走行パタンである第一走行パタンを定位置停止制御に使用する。本実施例の場合、走行パタンは、例えば、キロ程・車両速度という組み合わせで保持される。ステップ３０６に進む。

（ステップ３０６）
空気ブレーキの減速度をもとにした第一走行パタンを採用した場合、空気ブレーキのみで減速させれば、走行パタンで想定した減速度と実際の列車が出力する減速度に乖離が少なく定位置停止制御の安定性が増し、停止精度の向上が期待できる。このため第一走行パタン採用時は空気ブレーキのみで減速するように回生ブレーキの出力をカットさせる回生ブレーキカット指令を編成制御装置（２０２）に出力する。なお、回生ブレーキカット指令は回生ブレーキの制御を行っているＶＶＶＦ制御装置に直接送信してもよい。要は、空気ブレーキのみで減速するようになればよく、指令の形態及び出力先は問わない。

（ステップ３０７）
回生が有効であり、かつ、回生失効が予想されていない場合は、回生ブレーキでの減速を継続する。このため走行パタンは回生ブレーキと空気ブレーキが出力可能な場合に発生する減速度をもとにした走行パタンである第二走行パタンを採用する。

次に、実施例１における車両速度の挙動について図４を用いて説明する。
列車は省エネの観点から可能な限り回生ブレーキを用いて減速を行う。従ってＶＶＶＦ制御装置が故障等により開放されている場合を除いて、ブレーキの初期段階は、省エネ効果の観点や、空気ブレーキ装置の保守負担を低減する観点から、回生ブレーキと空気ブレーキを協調させて減速を行う。そのため、定位置停止制御に用いる最初の走行パタンとして、回生ブレーキと空気ブレーキが出力可能な場合に発生する減速度をもとにした走行パタンである第二走行パタン（４０４）を使用する。列車は第二走行パタンに沿って制御が行われるため、車両速度の挙動は図４の（４０５）のようになる。

回生ブレーキの出力により架線電圧（４０１）は上昇を始める。ほかに力行している列車が存在すれば回生ブレーキで架線に投入するエネルギと加速している列車が架線から受け取るエネルギがバランスして架線電圧の上昇は抑えられる。しかし、回生ブレーキを消費する列車がいなければ架線電圧は上昇を続ける。架線電圧が上昇し続け高電圧になると架線に接続されている変電所などを破壊する恐れがあるため、一定の架線電圧以上となった場合回生ブレーキの出力を取りやめる制御が行われる。この閾値より少し低い所に回生失効予測閾値（４０２）を設ける。この回生失効予測閾値（４０２）を超えて架線電圧が上昇を続ける場合は回生失効となる可能性が高いと考えられるため、回生失効予測部は回生失効を予測する（４０３）。回生失効が予測される場合は走行パタンを第一走行パタンに切り替える（４０６）。

このとき、空気ブレーキのみの作動を前提とした第一走行パタン（４０７）は、回生ブレーキと空気ブレーキの双方の作動を前提とした第二走行パタン（４０４）と比較して、同一のキロ程に対し、列車速度が高めに設定されている。このため、回生失効の可能性が判定された（４０３）のキロ程では、列車速度が、第一走行パタン（４０７）により規定された速度を下回ることになる。このため、ブレーキノッチ指令が出力されることなく、列車は惰走を開始し、第一走行パタン（４０７）と交差した時点で、この走行パタンに追随するよう、空気ブレーキに対し、第一走行パタン（４０７）に則って、ブレーキノッチ指令を行うことになる。
そのため、車両速度は第二走行パタンから第一走行パタン（４０７）に円滑に移行することができる。また、回生失効が予測されたときに、回生カット指令が出力され空気ブレーキのみで減速を行うことにより、列車の挙を第一走行パタンに高精度に追従させることができる。
なお、この実施例では、回生失効の可能性が判定された（４０３）のキロ程でブレーキノッチ指令を解除しているが、ブレーキノッチ指令を緩減速側に切り替えることで、第一走行パタン（４０７）に交差させるようにしてもよい。

このように回生失効が起きた場合、回生失効が予測された場合に空気ブレーキの減速度をもとにした走行パタンを採用することで停止精度が向上するとともに、ブレーキ指令の頻繁な切り替えが防止され乗り心地が向上する。また、一般的に同一のノッチであれば空気ブレーキのみで減速したほうが回生ブレーキと空気ブレーキを併用した場合よりも減速度が高くなる。空気ブレーキのみの動作となった場合に減速度の高い第一走行パタンを使用することでブレーキ時間の短縮にもつながる。列車が遅れている場合は、遅延の縮小にもつながり、短縮した時間を次の駅間の走行に割り当て、最高速度を下げることで省エネを図ることも可能である。

［実施例２］
実施例１では、回生失効の予測を架線電圧を用いて実施したが、実施例２では回生失効の予測を周辺の他車からの情報をもとに判断する。図５に構成を示す。

自列車（５０１）と他車（５０２）はネットワーク（５０３）を用いて接続されている。他車（５０２）は列車の走行手順（何キロまで加速し、どこでブレーキをかけるか）を示したランカーブデータから力行をいつ開始するかや、いつ力行を中止するか等の情報である操作予想データ（５０４）をネットワーク（５０３）に送信する。自列車（５０１）はネットワーク（５０３）から、他車（５０２）の操作予想データ（５０５）を取得する。

自動列車制御装置は他車（５０２）の操作予想データから、自列車（５０１）が回生中に他車（５０２）が力行をやめて回生失効しそうか、自列車（５０１）が回生中に他車が力行を開始し、回生失効が発生しなさそうかなどを判断する。本実施例では架線電圧の挙動が急激すぎて、架線電圧の観測だけでは回生失効を予測できない場合においても、他車（５０２）の情報から確実に架線電圧の上昇を予測できるため、回生失効予測の精度を向上することができる。

［実施例３］
実施例１、２では回生ブレーキが動作していることをＶＶＶＦ制御装置の回生有効信号から判断したが、実施例３では列車の減速度やＶＶＶＦ制御装置からの回生ブレーキ力、ブレーキゲートスタート信号、電機子電流などを用いる。本実施例により回生有効指令が出力されない場合においても、回生ブレーキの動作を確認することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１ 走行パタン
１０２ 車両速度
２０１ 自動列車制御装置
２０２ 編成制御装置
２０３ 架線電圧
２０４ 回生有効信号
２０５ 回生失効予測部
２０６ 回生失効予測信号
２０７ 使用走行パタン判定部
２０８ 使用走行パタン
２０９ 定位置停止制御部
２１０ 回生ブレーキカット指令
２１１ 車両速度
２１２ 現在位置
２１３ ブレーキ指令
２１４ ＶＶＶＦ制御装置
２１５ 空気ブレーキ制御装置
４０１ 架線電圧
４０２ 回生失効予測閾値
４０４ 第二走行パタン
４０５ 車両速度
４０７ 第一走行パタン
５０１ 自列車
５０２ 他車
５０３ ネットワーク
５０４ 操作予想データ
５０５ 操作予想データ

Claims (6)

1. 列車を駅の定位置に自動的に停車させる自動列車運転装置において、
   前記自動列車運転装置は、所定のノッチに対応して、空気ブレーキが単独作動した時の減速度をもとにした第一走行パタンと、所定のノッチに対応して、空気ブレーキと回生ブレーキが協調作動したときの減速度をもとにした第二走行パタンとを備え、
   前記第二走行パタンは、前記第一走行パタンより、同一キロ程に対する列車速度が低く設定されたものであり、
   前記第二走行パタンに基づいて、前記空気ブレーキ及び回生ブレーキに対し、定位置に停車させるためのノッチ指令を開始するとともに、その後、前記回生ブレーキが失効したとき、あるいは前記回生ブレーキの失効が予測されたときには、前記ノッチ指令を緩解し、列車のキロ程と速度が、前記第一走行パタンに交差したとき、当該第一の走行パタンに切り替えて、前記空気ブレーキにノッチ指令を行うことにより、前記列車を前記定位置に停車させることを特徴とする自動列車運転装置。
2. 請求項１の自動列車運転装置において、
   前記回生ブレーキの失効を、架線電圧を用いて予測することを特徴とする自動列車運転装置。
3. 請求項１の自動列車運転装置において、
   前記回生ブレーキの失効を、他車の力行・ブレーキ操作の予定情報に基づいて予測することを特徴とする自動列車運転装置。
4. 請求項１の自動列車運転装置において、
   前記回生ブレーキの失効を、当該列車の減速度に基づく回生ブレーキの動作状況により判断することを特徴とする自動列車運転装置。
5. 請求項４の自動列車運転装置において、
   前記回生ブレーキの動作状況を、当該列車が出力している回生ブレーキ力により判断することを特徴とする自動列車運転装置。
6. 請求項４の自動列車運転装置において、
   前記回生ブレーキの動作状況を、当該列車の電機子電流により判断することを特徴とする自動列車運転装置。

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