JP2016131459A - 自動列車運転装置、自動列車制御方法及びプログラム - Google Patents

自動列車運転装置、自動列車制御方法及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】自動列車の乗り心地を良くし、走行時間も短くできる自動列車運転装置を提供する。【解決手段】速度制御部１０４ａは、停止限界位置に自車両が接近したことの通知を外部装置より受けた場合であって、車両の速度と当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性において回生ブレーキのブレーキ力特性がブレーキ力特性減少速度以上となることにより減少する当該ブレーキ力特性減少速度以上で自車両が走行している場合において、回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した目標速度パターンに基づく車両の速度に応じた回生ブレーキのみの制動力を用いて車両の速度の減速を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、自動列車運転装置、自動列車制御方法及びプログラムに関する。
所定の速度を超えるとＡＴＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）地上子からの指令に基づいて自動的にブレーキを作動させるＡＴＰ装置を備えた車両が存在する。
特許文献１には、関連する技術として、複数のブレーキノッチを切り替えて良好な停止精度や乗り心地を実現する技術が記載されている。
特開２０１１−８７３６４号公報
ところで、鉄道システムにおいて、ＡＴＰ地上子と通信するＡＴＰ装置(車上子)を備える車両は、一般的に、ＡＴＰ装置が車両の現在位置を基準とした軌道上の各位置に対して設定した速度上限を目標速度パターンとし、その速度パターンに追従するための加速度を特定する。そして、車両は、特定した加速度に対してモータ性能に基づく上下限の制限と、最低限の乗り心地を確保するために変化率の制限（ジャークリミット、車両の加速度の変化率の限界）を掛けている。しかしながら、このような制限を掛けた場合、実際には、車両の加速度の変化率は頻繁に限界に到達し、車両の乗り心地が良いとは言えない。また、これらの制限により車両の速度変化において、高速から低速へ変化する際に目標とする低速を低速側に超える速度となるアンダーシュートや低速から高速へ変化する際に目標とする高速を高速側に超える速度となるオーバーシュートが発生する。そのため、車両の乗り心地が悪くなり、車両の走行時間も増大してしまう。
そこで、自動列車の乗り心地を良くし、走行時間も短くできる技術が求められていた。
そこでこの発明は、上記の課題を解決することのできる自動列車運転装置、自動列車制御方法及びプログラムを提供することを目的としている。
本発明の第１の態様によれば、自動列車運転装置は、停止限界位置に自車両が接近したことの通知を外部装置より受けた場合であって、車両の速度と当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性において回生ブレーキのブレーキ力特性がブレーキ力特性減少速度以上となることにより減少する当該ブレーキ力特性減少速度以上で自車両が走行している場合において、回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した目標速度パターンに基づく車両の速度に応じた回生ブレーキのみの制動力を用いて車両の速度の減速を制御する速度制御部、を備える。
本発明の第２の態様によれば、上述の自動列車運転装置において、前記速度制御部は、前記車両の速度が前記ブレーキ力特性減少速度以上の速度上限に達する間は前記目標速度パターンに基づく回生ブレーキのみの制動力を用いて前記車両の速度の減速を制御し、前記速度上限に達した場合には前記回生ブレーキとそれ以外の制動手段を用いて前記車両の速度の減速を制御する。
本発明の第３の態様によれば、上述の自動列車運転装置において、前記速度制御部は、前記速度上限を外部装置から取得し、当該速度上限よりも低い速度の目標速度パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記目標速度パターンに一致するよう前記目標時刻までの時間よりも短い処理サイクル時間毎に前記車両の制御遷移パターンを算出し、算出した算出結果に基づいて次タイミングにおける前記車両の加速度を決定する。
本発明の第４の態様によれば、上述の自動列車運転装置において、前記速度制御部は、前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして一定速度で走行する第一目標速度パターンを算出し、前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして停止限界位置に向けて減速走行する第二目標速度パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第一目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第一目標速度パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第二目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第二目標速度パターンを算出し、第一制御遷移パターンと第二制御遷移パターンについて次制御ステップにおける加速度を比較し、低い方の加速度を車両の加速度とする。
本発明の第５の態様によれば、上述の自動列車運転装置において、前記速度制御部は、前記車両の加速度と前記車両の質量とに基づいて、実効トルクを算出する。
本発明の第６の態様によれば、上述の自動列車運転装置において、前記速度制御部は、前記加速度がマイナスの加速度である場合には、前記回生ブレーキと前記回生ブレーキ以外の制動手段のうちの少なくとも一方を用いて前記車両の速度を制御する。
本発明の第７の態様によれば、上述の自動列車運転装置は、前記実効トルクと速度変化とに基づいて、走行抵抗を推定する外乱推定部、を備える。
本発明の第８の態様によれば、自動列車運転装置は、回生ブレーキの減少速度と速度との関係を示すブレーキ力特性を用いて算出した目標速度パターンに基づく車両の速度に応じた回生ブレーキの制動力を用いて車両の速度の減速を制御する速度制御部を備え、前記速度制御部は、速度上限を外部装置から取得し、前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして一定速度で走行する第一目標速度パターンを算出し、前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして停止限界位置に向けて減速走行する第二目標速度パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第一目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第一目標速度パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第二目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第二目標速度パターンを算出し、第一制御遷移パターンと第二制御遷移パターンについて次制御ステップにおける加速度を比較し、低い方の加速度を車両の加速度とする。
本発明の第９の態様によれば、自動列車制御方法において、速度制御部は、回生ブレーキの減少速度と速度との関係を示すブレーキ力特性において、所定の減少速度以下の減少速度に対応する速度以上の高速で駅間の停止しなければならない非開通エリアに接近した場合に、機械ブレーキを使用することなく車両の速度の減速を制御する。
本発明の第１０の態様によれば、プログラムは、コンピュータを、回生ブレーキの減少速度と速度との関係を示すブレーキ力特性において、所定の減少速度以下の減少速度に対応する速度以上の高速で駅間の停止しなければならない非開通エリアに接近した場合に、機械ブレーキを使用することなく車両の速度の減速を制御する速度制御部、として機能させる。
本発明の実施形態による走行制御装置によれば、自動列車の乗り心地を良くし、走行時間も短くできる。
本発明の第一の実施形態による自動列車運転装置を備える車両を示す図である。 自動列車運転装置が生成する目標速度遷移パターンを示す図である。 第一の実施形態による速度制御部を備える自動列車運転装置の処理フローを示す図である。 本発明の第二の実施形態による自動列車運転装置を備える車両を示す図である。 一般的なモータの回生ブレーキの特性の一例を示す図である。 自動列車運転装置が生成する目標速度遷移パターンの一例を示す図である。 第二の実施形態による速度制御部を備える自動列車運転装置の処理フローを示す図である。 本発明の第三の実施形態による自動列車運転装置を備える車両を示す図である。 第三の実施形態による自動列車運転装置の処理フローを示す図である。
＜第一の実施形態＞
まず、本発明の第一の実施形態による自動列車運転装置１０２を備える車両１０について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態による自動列車運転装置１０２を備える車両１０の一例を示す図である。
図１で示すように、第一の実施形態による車両１０は、速度計１０１と、自動列車運転装置１０２と、モータ１０３と、ＡＴＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）装置２０を備える。
車両１０が備える速度計１０１は、車両１０の速度ｖを計測する。
自動列車運転装置１０２は、速度制御部１０４を備える。
速度制御部１０４は、速度上限目標速度生成部１０５と、減速目標速度生成部１０６と、最小値選択部（図１において、ｍｉｎと記載）１０７と、質量乗算部（図１において、質量と記載）１０８と、牽引力制限部(図１において、上下限と記載)１０９と、モータ指令生成部１１０と、を備える。
速度制御部１０４が備える速度上限目標速度生成部１０５は、現在の速度ｖと、現在の速度上限ｖｌと、現在の位置と、前回算出した目標加速度に基づいて到達した現在の加速度と、に基づいて、車両１０の目標加速度ａ１を算出する。なお、目標加速度の算出に用いる位置は、ＡＴＰ装置２０がＡＴＰ地上子から取得する後述する減速度完了位置ｘｂ０など基準となる位置の情報と速度ｖの積算値とに基づいて算出する位置であってよい。また、目標加速度の算出に用いる位置は、出発点からの速度ｖの積算値に基づき算出した位置であってもよい。また、目標加速度の算出に用いる位置は、車両１０の車輪の径と回転数に基づいて算出した位置であってもよい。
減速目標速度生成部１０６は、現在の速度ｖと、現在の速度ｖにおける減速度βと、ＡＴＰ地上子の位置と、前回算出した目標加速度と、に基づいて、車両１０の加速度ａ２を算出する。
最小値選択部１０７は、速度上限目標速度生成部１０５が算出した加速度ａ１と、減速目標速度生成部１０６が算出した加速度ａ２と、を比較し、最も小さい加速度である目標加速度ａｏを出力する。
質量乗算部１０８は、最小値選択部１０７が出力した目標加速度ａｏに車両１０の質量を乗算し、牽引力ｐｗｒを算出する。
牽引力制限部１０９は、質量乗算部１０８が算出した牽引力ｐｗｒとモータ１０３の性能に基づいて、牽引力ｐｗｒを制限する。
モータ指令生成部１１０は、牽引力制限部１０９が出力する牽引力ｐｗｒに基づいて、モータ１０３が所望のトルクを発生するよう駆動するモータ指令を生成する。
上述の速度制御部１０４が備える速度上限目標速度生成部１０５、減速目標速度生成部１０６、最小値選択部１０７、質量乗算部１０８、牽引力制限部１０９、モータ指令生成部１１０の各機能部により、速度制御部１０４は、ＡＴＰ装置２０が停止限界位置（例えば、駅間の停止しなければならない非開通エリア）に車両１０が接近したことの通知をＡＴＰ地上子より受けた場合であって、車両１０の速度と車両１０の速度が当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性を用いて算出した回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した理想的な目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１、Ｂ２）（目標速度パターン）に基づく車両１０の速度に応じた回生ブレーキの制動力を用いて車両１０の速度の減速を制御する。
また、速度制御部１０４は、速度上限ｖｌをＡＴＰ装置２０から取得する。速度制御部１０４は、当該速度上限ｖｌよりも低い速度の目標速度遷移パターンＢを算出する。速度制御部１０４は、速度制御部１０４は、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が目標速度遷移パターンＢに一致するよう目標時刻までの時間よりも短い処理サイクル時間毎に車両１０の制御遷移パターンＣ（Ｃ１、Ｃ２）を算出する。速度制御部１０４は、算出した算出結果に基づいて次タイミングにおける車両１０の加速度を決定する。
また、速度制御部１０４は、速度上限ｖｌよりも低い目標速度遷移パターンＢとして一定速度で走行する第一目標速度遷移パターンＢ１（第一目標速度パターン）を算出する。速度制御部１０４は、速度上限ｖｌよりも低い目標速度遷移パターンＢとして停止限界位置に向けて減速走行する第二目標速度遷移パターンＢ２（第二目標速度パターン）を算出する。速度制御部１０４は、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が第一目標速度遷移パターンＢ１に一致する次タイミングの車両１０の第一目標速度遷移パターンを算出する。速度制御部１０４は、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が第二目標速度遷移パターンＢ２に一致する次タイミングの車両１０の第二目標速度遷移パターンを算出する。速度制御部１０４は、第一制御遷移パターンと第二制御遷移パターンについて次制御ステップにおける加速度を比較し、低い方の加速度を車両１０の加速度とする。
また、速度制御部１０４は、車両１０の加速度と車両１０の質量とに基づいて、実効トルクを算出する。
また、速度制御部１０４は、加速度がマイナスの加速度である場合には、回生ブレーキと回生ブレーキ以外の制動手段のうちの少なくとも一方を用いて車両１０の速度ｖを制御する。
また、速度制御部１０４は、ＡＴＰ装置２０から速度上限ｖｌと減速度βに係る情報を取得する。速度制御部１０４は、取得した速度上限ｖｌと減速度βに係る情報に基づいて現在位置を算出する。例えば、速度上限ｖｌと減速度βに係る情報は、上限速度開始位置、減速度完了位置及び減速度βである。
モータ１０３は、モータ指令生成部１１０が生成したモータ指令に基づいて動作する。
ＡＴＰ装置２０は、ＡＴＰ地上子から速度上限ｖｌと減速度βに係る情報を受信する。ＡＴＰ装置２０は、自動列車運転装置１０２が備える速度制御部１０４に速度上限ｖｌと減速度βに係る情報を送信する。
次に、本発明の第一の実施形態による自動列車運転装置１０２が生成する目標速度遷移パターンＢについて説明する。
図２は、自動列車運転装置１０２が生成する目標速度遷移パターンＢの一例を示す図である。
図２において横軸は列車の現在位置を基準とした軌道上の位置ｘ、縦軸はその位置における速度ｖを示している。また、ｘｂ０は減速度完了位置を示している。例えば、減速度完了位置ｘｂ０は、列車が渋滞しているときに前方を走行中の列車の最後尾車両の位置や停止現示信号の手前などであり、ＡＴＰ装置２０がＡＴＰ地上子から受信する。ＡＴＰ装置２０は、ＡＴＰ地上子から受信した情報を自動列車運転装置１０２に送信する。自動列車運転装置１０２は、ＡＴＰ装置２０から受信した情報（速度上限ｖｌ、減速度完了位置ｘｂ０、減速度β）に基づいて、ＡＴＰ装置２０から指令された指令速度上限を示す指令速度遷移パターンＡ１、指令速度遷移パターンＡ２（図２）の情報を算出する。具体的には、自動列車運転装置１０２は、現在の速度上限ｖｌに基づいてその速度で等速走行する場合の指令速度遷移パターンＡ１の情報を算出する。また、自動列車運転装置１０２は、減速度完了位置ｘｂ０と減速度βとに基づいて、当該減速度完了位置ｘｂ０を基準としてその位置で車両１０が停止し、かつその位置まで減速度βで減速する場合の車両１０の位置と速度の関係を示す指令速度遷移パターンＡ２の情報を算出する。そして、自動列車運転装置１０２は、車両１０の現在位置から指令速度遷移パターンＡ１と指令速度遷移パターンＡ２とが交わる位置までの区間の指令速度遷移パターンＡ１と、当該交わる位置以降の減速度完了位置ｘｂ０までの区間の指令速度遷移パターンＡ２とを、ＡＴＰパターンＡと決定する。自動列車運転装置１０２は、このＡＴＰパターンＡが示す速度に達した場合には、機械ブレーキなどを用いて制動制御を行う。なお、ＡＴＰ装置２０がＡＴＰ地上子より受信した情報に基づいて自動列車運転装置１０２がＡＴＰパターンＡを算出することについて説明したが、自動列車運転装置１０２はこのＡＴＰパターンＡが示す位置と速度の関係の情報をＡＴＰ装置２０がＡＴＰ地上子から全て受信するようにしてもよい。また、自動列車運転装置１０２は、指令速度遷移パターンＡ１と指令速度遷移パターンＡ２とが交差するか否かを判定し、交差しない場合には、指令速度遷移パターンＡ２のみをＡＴＰパターンＡと決定してもよい。指令速度遷移パターンＡ１と指令速度遷移パターンＡ２とが交差しない場合は、例えば、減速度完了位置ｘｂ０が間近であるなどの緊急時に発生する事象であり、一定速度の走行なしに直ちに減速することが求められる場合の速度遷移を示している。
なお、列車の現在位置を基準とした軌道上の各位置における速度をＡＴＰパターンＡが示す速度ｖに対して余裕をもって減速することで非常ブレーキを発生させることなく快適な運転を実現することができる。速度制御部１０４は、回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した目標速度遷移パターンＢに基づく車両１０の速度ｖに応じた回生ブレーキのみの制動力を用いて車両１０の速度ｖの減速を制御し、車両１０の速度ｖが非常ブレーキがかかりそうな高速である場合には回生ブレーキ以外の機械ブレーキなどの制動手段を用いて車両１０の速度ｖの減速を制御するものであってもよい。
ＡＴＰパターンＡを決定すると、次に自動列車運転装置１０２は、回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した回生ブレーキのみの制動力を用いた場合の車両１０の速度で追従できる理想的な目標速度遷移パターンＢ１（目標速度パターンの１つであり、以下、「目標速度遷移パターンＢ１」と記載）と回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した回生ブレーキのみの制動力を用いた場合の車両１０の速度で追従できる理想的な目標速度遷移パターンＢ２（目標速度パターンの１つであり、以下、「目標速度遷移パターンＢ２」と記載）とを算出する（図２参照）。目標速度遷移パターンＢ１は、指令速度遷移パターンＡ１に基づいて各位置の速度を一定速度遅くした等速度の車両１０の位置と当該位置における速度の遷移を示している。ＡＴＰ装置２０は、減速度完了位置ｘｂ０よりも所定距離近い目標減速度完了位置ｘｂを演算や計測器などの誤差が含まれても減速度完了位置ｘｂ０までに減速できるマージンを持たせて決定する。そして、自動列車運転装置１０２は、減速度完了位置ｘｂ０と減速度βとに基づいて、当該減速度完了位置ｘｂ０を基準としてその位置で車両１０が停止し、かつその位置まで減速度βで減速する場合の車両１０の位置ｘと速度ｖの関係を示す目標速度遷移パターンＢ２の情報を算出する。そして、自動列車運転装置１０２は、車両１０の現在位置から目標速度遷移パターンＢ１と目標速度遷移パターンＢ２とが交わる位置までの区間の目標速度遷移パターンＢ１と、当該交わる位置以降の目標減速度完了位置ｘｂまでの区間の目標速度遷移パターンＢ２とを、目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１、Ｂ２）と決定する。自動列車運転装置１０２は、この目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１、Ｂ２）を上限とし、各位置においてこの目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１、Ｂ２）が示す速度を超えないよう車両１０の速度ｖを制御する。なお、自動列車運転装置１０２は、上述の処理において車両１０の現在位置から指令速度遷移パターンＡ１と指令速度遷移パターンＡ２とが交わらない場合には、目標速度遷移パターンＢ２のみを算出して、そのパターンが示す位置ｘと速度ｖの関係を、目標速度遷移パターンＢとすればよい。
そして、自動列車運転装置１０２は、上述のような目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１、Ｂ２）を算出すると、現在の車両１０の速度に基づいて、当該速度が、予め定めた予測期間が示す時間後の車両１０の位置において目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１、Ｂ２）が示す速度に自車両１０の速度が一致するような、車両１０の今後の位置と各位置における速度の遷移パターンを示す制御遷移パターンＣ（Ｃ１、Ｃ２）の情報を算出する。予測期間は、現在からＴ秒後に目標速度遷移パターンＢに滑らかにつながるまでの期間である。
ここで、制御遷移パターンの算出処理について詳しく説明する。
まず、予測期間Ｔ秒後までにおける各時刻での車両１０の速度は、
Figure 2016131459
で示すような多項式（この例では、３次関数）で表すことができる。この式（１）より、予測期間（目標時刻までの時間）Ｔ秒後までにおける各時刻での車両１０の加速度は、式（１）を微分して
Figure 2016131459
で表すことができる。また、予測期間Ｔ秒後までにおける各時刻での車両１０の位置は、式（１）を積分して
Figure 2016131459
で表すことができる。
そして、自動列車運転装置１０２は、第一の制御遷移パターンＣ１の算出処理として、予測期間が示す時間Ｔ秒後の車両１０の位置において目標速度遷移パターンＢ１が示す速度に自車両１０の速度が一致する第一制御遷移パターンを示す位置と速度の関係を算出する。具体的には、車両１０の現在速度をｖ０、車両１０の現在加速度をａ０とし、車両１０の時刻ｔにおける速度がｖ（ｔ）、車両１０の時刻ｔにおける加速度がａ（ｔ）で表されるとすると、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
となる。
また予測期間が示す時間Ｔ秒後における速度と加速度は、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
となる。なお、ｖｒは予測期間が示す時間Ｔ秒後における車両１０の予測位置での目標速度遷移パターンＢ１における速度である。また、目標速度遷移パターンＢ１は等速度であるため加速度は０であるからａ（Ｔ）＝０となっている。
そして、式（４）〜式（７）を式（１）、式（２）に代入することにより、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
Figure 2016131459
Figure 2016131459
が得られる。そして、自動列車運転装置１０２は、式（８）〜式（１１）で示す連立方程式を解き、ｋ０〜ｋ３を算出する。そして、自動列車運転装置１０２は、式（３）にｋ０〜ｋ３を代入して、第一の制御遷移パターンＣ１を算出する。
また、自動列車運転装置１０２は、式（１）が示す多項式を積分した現在位置に対する位置（距離）により示される第二の制御遷移パターンＣ２の導出処理として、予測期間が示す時間Ｔ秒後の車両１０の位置において目標速度遷移パターンＢ２が示す速度に自車両１０の速度が一致する第二制御遷移パターンを示す位置と速度の関係を算出する。具体的には、目標速度遷移パターンＢ２が、
Figure 2016131459
を満足する曲線であるものとし、車両１０の現在速度をｖ０、車両１０の現在加速度をａ０とし、車両１０の時刻ｔにおける速度がｖ（ｔ）、車両１０の時刻ｔにおける加速度がａ（ｔ）で表されるとすると、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
となる。
また予測期間が示す時間Ｔ秒後における加速度ａ（Ｔ）と位置ｘ（Ｔ）は、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
となる。なお、−βは、予測期間が示す時間Ｔ秒後における車両１０の予測位置での目標速度遷移パターンＢ１における減速度βである。また、目標速度遷移パターンＢ１は式（１２）を満足する曲線であるため位置は式（１６）となっている。
そして、式（１３）、式（１４）を式（１）に代入し、式（１５）を式（２）に代入し、式（１６）を式（３）に代入することにより、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
Figure 2016131459
Figure 2016131459
が得られる。そして、自動列車運転装置１０２は、式（１７）〜式（２０）で示す連立方程式を解き、ｋ０〜ｋ３を算出する。そして、自動列車運転装置１０２は、式（３）にｋ０〜ｋ３を代入して、第二の制御遷移パターンＣ２を算出する。
なお、速度制御部１０４は、予測期間Ｔよりも短い期間毎に上述の係数の算出を繰り返し行う。例えば、速度制御部１０４は、予測期間Ｔ＝５秒の場合、１００ミリ秒毎に多項式の係数の算出を繰り返す。
以上の処理により、制御遷移パターン（Ｃ１、Ｃ２）の算出処理を終了する。
次に、自動列車運転装置１０２が備える速度上限目標速度生成部１０５は、第一の制御遷移パターンＣ１が示す位置と速度の関係に基づいて、次のタイミング（１００ミリ秒後）の位置において第一の制御遷移パターンＣ１が示す速度まで自車両１０が到達するまでの加速度ａｘを算出する。また、自動列車運転装置１０２が備える減速目標速度生成部１０６は、第二の制御遷移パターンＣ２が示す位置と速度の関係に基づいて、次のタイミング（１００ミリ秒後）の位置において第二の制御遷移パターンＣ２が示す速度まで自車両１０が到達するまでの加速度ａｙを算出する。そして、自動列車運転装置１０２が備える最小値選択部１０７は、算出した加速度ａｘと加速度ａｙとを比較して、小さい値を出力する。
次に、第一の実施形態による速度制御部１０４を備える自動列車運転装置１０２が行う処理について説明する。
図３は、第一の実施形態による速度制御部１０４を備える自動列車運転装置１０２の処理フローの一例を示す図である。
車両１０の走行中に、自動列車運転装置１０２が備える速度制御部１０４の速度上限目標速度生成部１０５は、車両１０が備える速度計１０１から速度を取得する。また、車両１０の走行中に、ＡＴＰ装置２０はＡＴＰ地上子の直上を通過する際に、ＡＴＰ地上子から位置とその位置における速度上限との対応関係を示す情報と、ＡＴＰ地上子の位置と、を含む情報を取得する。ＡＴＰ装置２０は、速度上限目標速度生成部１０５に取得した情報を送信する。速度上限目標速度生成部１０５は、取得したＡＴＰ地上子の位置を基準として速度の累積値から現在位置を算出する。そして、速度上限目標速度生成部１０５は、位置と速度上限との対応関係を示す情報と、現在位置とに基づいて、現在から予測期間Ｔの経過後までの各時刻における速度を示すＡＴＰパターンＡの一部となる図２における指令速度遷移パターンＡ１を生成する（ステップＳ１）。
速度上限目標速度生成部１０５は、指令速度遷移パターンＡ１の各位置における速度より遅い目標速度遷移パターンＢの一部となる目標速度遷移パターンＢ１を生成する（ステップＳ２）。速度上限目標速度生成部１０５は、例えば、指令速度遷移パターンＡ１の各位置における速度より５キロメートル毎時遅い目標速度遷移パターンＢ１を生成する。
速度上限目標速度生成部１０５は、予測期間Ｔの経過後に目標速度遷移パターンＢ１に滑らかにつながるときの係数ｋ０〜ｋ３を算出し、第一の制御遷移パターンＣ１を示す多項式を導出する（ステップＳ３）。例えば、速度ｖ（ｔ）が式（１）で示す３次関数の多項式であるとすると、速度上限目標速度生成部１０５は、最小値選択部１０７が出力する前回算出した目標加速度（初回はゼロ）を入力し、上述の式（１）、式（２）、式（４）〜式（１１）のように演算する。そして、速度上限目標速度生成部１０５は、式（８）〜式（１１）の連立方程式を解くことで、ｋ０〜ｋ３の係数を算出する。
速度上限目標速度生成部１０５は、ステップＳ３の処理により加速度ａ１を導出するための係数を算出したことになる。速度上限目標速度生成部１０５は、算出した加速度ａ１を最小値選択部１０７に出力する。
また、車両１０の走行中に、自動列車運転装置１０２が減速目標速度生成部１０６は、車両１０が備える速度計１０１から速度ｖを取得する。また、車両１０の走行中に、ＡＴＰ装置２０は、ＡＴＰ地上子の直上を通過する際に、ＡＴＰ地上子からＡＴＰ地上子の位置と減速度βとの対応関係に係る情報と、を含む情報を取得する。ＡＴＰ装置２０は、減速目標速度生成部１０６に取得した情報を送信する。減速目標速度生成部１０６は、取得したＡＴＰ地上子の位置を基準として速度の累積値から現在位置を算出する。そして、減速目標速度生成部１０６は、位置と減速度βとの対応関係に係る情報と現在位置とから、現在位置を基準とした位置と減速度βとの対応関係を示すＡＴＰパターンＡの一部となる図２において指令速度遷移パターンＡ２を生成する（ステップＳ４）。例えば、減速目標速度生成部１０６は、位置と減速度βとの対応関係に係る情報として、位置と減速度βとの関係を示す式（１２）と目標減速度完了位置ｘｂとを含む情報を取得する。そして、減速目標速度生成部１０６は、現在位置を基準とした目標減速度完了位置ｘｂを算出し、指令速度遷移パターンＡ２として式（１２）を生成する。
減速目標速度生成部１０６は、図２において指令速度遷移パターンＡ２の各位置における速度より目標速度遷移パターンＢの一部となる目標速度遷移パターンＢ２を生成する（ステップＳ５）。減速目標速度生成部１０６は、例えば、指令速度遷移パターンＡ２の各位置における速度より５キロメートル毎時遅い目標速度遷移パターンＢ２を生成する。
減速目標速度生成部１０６は、予測期間Ｔの経過後に目標速度遷移パターンＢ２に滑らかにつながる第二の制御遷移パターンＣ２を示す多項式を導出する（ステップＳ６）。例えば、速度ｖ（ｔ）が式（１）で示す３次関数の多項式であるとすると、減速目標速度生成部１０６は、最小値選択部１０７が出力する前回算出した目標加速度を入力し、上述の式（１）〜式（３）、式（１３）〜式（２０）のように演算する。そして、減速目標速度生成部１０６は、式（１７）〜式（２０）の連立方程式を解くことで、ｋ０〜ｋ３の係数を算出する。
減速目標速度生成部１０６は、ステップＳ６の処理により加速度を算出したことになる。減速目標速度生成部１０６は、算出した加速度を最小値選択部１０７に出力する。
最小値選択部１０７は、速度上限目標速度生成部１０５が算出した加速度と、減速目標速度生成部１０６が算出した加速度と、を入力すると、入力した２つの加速度の大きさを比較する。最小値選択部１０７は、比較した加速度のうち最も小さい加速度を目標加速度ａｏ（現在の加速度の目標値）として、速度上限目標速度生成部１０５と、減速目標速度生成部１０６と、質量乗算部１０８と、に出力する（ステップＳ７）。なお、最小値選択部１０７は、初期値としてゼロを出力する。
質量乗算部１０８は、最小値選択部１０７から目標加速度ａｏを入力すると、入力した目標加速度ａｏに車両１０の予め定められた質量を乗算する（ステップＳ８）。質量乗算部１０８が行う乗算の乗算結果は、牽引力ｐｗｒを示す。
質量乗算部１０８は、牽引力ｐｗｒを牽引力制限部１０９に出力する。
牽引力制限部１０９は、質量乗算部１０８から牽引力ｐｗｒを入力すると、モータの性能に基づいて決定された上限と下限の間の範囲内に入力した牽引力を制限する（ステップＳ９）。具体的には、牽引力制限部１０９は、質量乗算部１０８から入力した牽引力ｐｗｒと、モータの性能に基づいて決定された牽引力の範囲を示す上下限値とを比較する。そして、牽引力制御部１０９は、入力した牽引力ｐｗｒが牽引力ｐｗｒの上限値を上回っている場合には上限値を下回り、下限値を上回るように牽引力ｐｗｒを制限する。また、牽引力制御部１０９は、入力した牽引力ｐｗｒが牽引力ｐｗｒの下限値を下回っている場合には下限値を上回り、上限値を下回るように牽引力ｐｗｒを制限する。また、牽引力制御部１０９は、牽引力制限部１０９は、制限した牽引力ｐｗｒをモータ指令生成部１１０に出力する。
モータ指令生成部１１０は、牽引力制限部１０９から牽引力ｐｗｒを入力すると、入力した牽引力ｐｗｒに基づいて、モータ１０３のモータ指令を生成する。例えば、モータ指令生成部１１０は、モータ１０３が入力した牽引力ｐｗｒに対応するトルクを実現するモータ指令を生成する（ステップＳ１０）。
モータ指令生成部１１０は、生成したモータ指令をモータ１０３に出力する（ステップＳ１１）。
モータ１０３は、モータ指令生成部１１０からモータ指令を入力すると、入力したモータ指令に基づいて動作する。
ここで、モータ１０３がモータ指令生成部１１０から入力するモータ指令は、速度上限目標速度生成部１０５及び減速目標速度生成部１０６が、図２に示したように、予測期間Ｔが経過した時に目標速度遷移パターンＢ１に滑らかにつながる第一の制御遷移パターンＣ１を示す多項式または目標速度遷移パターンＢ２に滑らかにつながる第二の制御遷移パターンＣ２を示す多項式のうち小さい値を示す多項式に基づいて生成されたモータ指令である。そのため、急激な加速が少なく乗り心地が向上する。また、モータ指令に対応する目標速度遷移パターンＢ１またはＢ２は、非常ブレーキが掛からないようにＡＴＰパターンＡに対して遅い速度で安全性を向上させたうえで、可能な限り高速な速度ｖ（ｔ）を示す曲線であるため、車両１０の走行時間に遅延が生じ難くなる。また、自動列車運転装置１０２は、予測期間Ｔの経過後を予測してモータ指令を生成するため、制御遅れによる速度オーバが発生し難く、速度追従精度が向上する。
以上、本発明の第一の実施形態による速度制御部１０４を備える自動列車運転装置１０２が行う処理について説明した。上述の自動列車運転装置１０２において、速度制御部１０４は、停止限界位置に自車両が接近したことの通知をＡＴＰ装置２０がＡＴＰ地上子より受けた場合であって、車両１０の速度と車両１０の速度が当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性において回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した目標速度遷移パターンＢに基づく車両１０の速度に応じた回生ブレーキの制動力を用いて車両１０の速度の減速を制御し、速度上限に達する手前の速度に達した場合には回生ブレーキ以外の機械ブレーキなどの制動手段を用いて車両１０の速度の減速を制御する。
また、速度制御部１０４は、速度上限ｖｌをＡＴＰ装置２０から取得し、取得した速度上限ｖｌよりも低い速度の目標速度遷移パターンＢを算出する。そして、速度制御部１０４は、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が目標速度遷移パターンＢに一致するよう目標時刻までの時間よりも短い処理サイクル時間毎に車両１０の制御遷移パターンＢを算出し、算出した算出結果に基づいて次タイミングにおける車両１０の加速度を決定する。
また、速度制御部１０４は、速度上限ｖｌよりも低い目標速度遷移パターンＢとして一定速度で走行する第一目標速度遷移パターンＢ１を算出し、目標速度遷移パターンＢ１の上限よりも低い目標速度遷移パターンとして停止限界位置に向けて減速走行する第二目標速度遷移パターンＢ２を算出する。速度制御部１０４は、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が第一目標速度遷移パターンＢ１に一致する次タイミングの車両１０の第一目標速度遷移パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が第二目標速度遷移パターンＢ２に一致する次タイミングの車両１０の第二目標速度遷移パターンを算出する。そして、速度制御部１０４は、第一制御遷移パターンと第二制御遷移パターンについて次制御ステップにおける加速度を比較し、低い方の加速度を車両１０の加速度とする。
また、速度制御部１０４は、車両１０の加速度と車両１０の質量とに基づいて、実効トルクを算出する。
また、速度制御部１０４は、加速度がマイナスの加速度である場合には、回生ブレーキと回生ブレーキ以外の制動手段のうちの少なくとも一方を用いて車両１０の速度を制御する。
また、速度制御部１０４は、ＡＴＰ装置２０から速度上限ｖｌと減速度βに係る情報を取得する。速度制御部１０４は、取得した速度上限ｖｌと減速度βに係る情報に基づいて、現在位置を算出する。
このようにすれば、車両１０は、予測期間Ｔが経過した時に目標速度遷移パターンＢ１に滑らかにつながる第一の制御遷移パターンＣ１を示す多項式または目標速度遷移パターンＢ２に滑らかにつながる第二の制御遷移パターンＣ２を示す多項式のうち小さい値を示す多項式に基づいて生成されたモータ指令によって動作する。そのため、車両１０は、急激な加速が少なく乗り心地が向上する。また、車両１０は、ＡＴＰパターンＡに対して非常ブレーキがかからないように遅い速度で安全性を向上させたうえで、可能な限り高速な速度ｖ（ｔ）を示す目標速度遷移パターンＢに基づいて生成されたモータ指令によって動作する。そのため、車両１０は、走行時間に遅延が生じ難くなる。また、車両１０は、予測期間Ｔの経過後を予測して自動列車運転装置１０２が生成したモータ指令によって動作する。そのため、車両１０は、制御遅れによる速度オーバが発生し難く、速度追従精度が向上する。
＜第二の実施形態＞
次に、本発明の第二の実施形態による自動列車運転装置１０２ａを備える車両１０ａについて説明する。
図４は、本発明の第二の実施形態による自動列車運転装置１０２ａを備える車両１０ａの一例を示す図である。
図４で示すように、第二の実施形態による車両１０ａは、速度計１０１と、自動列車運転装置１０２ａと、モータ１０３と、ＡＴＰ装置２０と、を備える。
第二の実施形態による車両１０ａは、第二の実施形態による自動列車運転装置１０２ａが備える速度制御部１０４ａが回生ブレーキ目標速度生成部１１１を備える点で第一の実施形態による車両１０と異なる。また、第二の実施形態による車両１０ａは、速度上限目標速度生成部１０５、減速目標速度生成部１０６及び回生ブレーキ目標速度生成部１１１が算出した加速度のうち最も小さい加速度を最小値選択部１０７ａが出力する点で第一の実施形態による車両１０と異なる。
自動列車運転装置１０２ａは、速度制御部１０４ａを備える。
速度制御部１０４ａは、速度上限目標速度生成部１０５と、減速目標速度生成部１０６と、最小値選択部１０７ａと、質量乗算部１０８と、牽引力制限部１０９と、モータ指令生成部１１０と、回生ブレーキ目標速度生成部１１１と、を備える。
回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、速度ｖと、減速度βと、位置と、前回算出した目標加速度と、モータ１０３に係る情報と、に基づいて、車両１０ａの加速度ａ３を算出する。
最小値選択部１０７ａは、速度上限目標速度生成部１０５が算出した加速度ａ１と、減速目標速度生成部１０６が算出した加速度ａ２と、回生ブレーキ目標速度生成部１１１が算出した加速度ａ３と、を比較し、最も小さい加速度を出力する。
速度制御部１０４ａが備える速度上限目標速度生成部１０５、減速目標速度生成部１０６、最小値選択部１０７、質量乗算部１０８、牽引力制限部１０９、モータ指令生成部１１０、回生ブレーキ目標速度生成部１１１の各機能部により、速度制御部１０４ａは、ＡＴＰ装置２０が停止限界位置に車両１０が接近したことの通知をＡＴＰ地上子より受けた場合であって、車両１０ａの速度と当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性において回生ブレーキのブレーキ力特性がブレーキ力特性減少速度以上となることにより減少する当該ブレーキ力特性減少速度以上で車両１０ａが走行している場合において、車両１０ａの速度に応じた回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した理想的な目標速度遷移パターンＢに基づく車両１０ａの速度に応じた回生ブレーキの制動力を用いて車両１０ａの速度の減速を制御する。
次に、一般的なモータの回生ブレーキの特性について説明する。
図５は、一般的なモータの回生ブレーキの特性の一例を示す図である。
図５において横軸は速度ｖ、縦軸はその速度における減速度βを示している。図５に示すように、一般的なモータは、ある速度ｖｘを超えると、最大の力でブレーキをかけた際の単位時間当たりの減速度β（単位時間当たりの速度の減少割合）が低下する。
次に、本発明の第二の実施形態による自動列車運転装置１０２ａが生成する目標速度遷移パターンＢについて説明する。
図６は、自動列車運転装置１０２ａが生成する目標速度遷移パターンＢの一例を示す図である。
図６において横軸は列車の現在位置を基準とした軌道上の位置ｘ、縦軸はその位置ｘにおける車両の速度ｖを示している。また、ｘｂ０はＡＴＰ装置２０がＡＴＰ地上子から受信した減速完了位置を示している。例えば、減速完了位置ｘｂ０は、列車が渋滞しているときに前方を走行中の列車の最後尾から所定距離手前の位置や停止現示信号の手前などである。
図６に示す指令速度遷移パターンＡ１、指令速度遷移パターンＡ２、目標速度遷移パターンＢ１及び目標速度遷移パターンＢ２については、図２と同様である。
図６に示す目標速度遷移パターンＢ３は、列車の現在位置を基準とした軌道上の各位置における速度が指令速度遷移パターンＡ１及び指令速度遷移パターンＡ２よりも遅い速度を示している。ここで、目標速度遷移パターンＢ３は、車両１０ａの速度が速度ｖｘ以上の速度である場合の減速度β１が、車両１０ａの速度が速度ｖｘ未満の速度である場合の減速度β０よりも低下することを考慮して、速度遷移パターンＡ２における速度ｖｘ以上の部分の減速度βを、減速度β１に置き換えて新たに算出した回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した回生ブレーキのみの制動力を用いた場合の車両１０ａの速度で追従できる理想的な目標速度遷移パターンＢ３（目標速度パターンの１つであり、以下、「目標速度遷移パターンＢ３」と記載）を含む目標速度遷移パターンＢ（Ｂ１〜Ｂ３）（目標速度パターンであり、以下、「目標速度遷移パターンＢ」と記載）を示している。このような目標速度遷移パターンＢに基づいて車両１０ａの速度を制御することにより、高速なｖｘ以上の速度で車両１０ａが走行していたとしても、回生ブレーキのみの制動力を用いた場合の車両１０ａの速度で目標速度遷移パターンＢを追従できることとなる。目標速度遷移パターンＢ３で走行すると算出された車両１０ａの走行区間を減速度低下区間Ｐと呼ぶこととする。
ここで減速度β＝β１は、
Figure 2016131459
と近似することができる。したがって、加速度ａ（Ｔ）は、式（２１）を式（１５）に代入して、
Figure 2016131459
と表すことができる。
また、Ｔ秒後の車両１０ａの位置ｘ（Ｔ）は、式（２１）を式（１６）に代入して、
Figure 2016131459
と表すことができる。
また、車両１０ａの現在速度をｖ０、車両１０ａの現在加速度をａ０とし、車両１０ａの時刻ｔにおける速度がｖ（ｔ）、車両１０ａの時刻ｔにおける加速度がａ（ｔ）で表されるとすると、
Figure 2016131459
Figure 2016131459
となる。
回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、式（２２）〜式（２５）の連立方程式を解くことで、ｋ０〜ｋ３の係数を算出する。そして、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、式（３）にｋ０〜ｋ３を代入して、第三の制御遷移パターンＣ３を算出する。
なお、上述の例における減速度βは式（２１）のように一次近似としたが、複雑な式を用いてもよい。
次に、第二の実施形態による速度制御部１０４ａを備える自動列車運転装置１０２ａが行う処理について説明する。
図７は、第二の実施形態による速度制御部１０４ａを備える自動列車運転装置１０２ａの処理フローの一例を示す図である。
第二の実施形態による速度制御部１０４ａの処理は、回生ブレーキ目標速度生成部１１１がステップＳ１２〜ステップＳ１４の処理を行い、最小値選択部１０７ａがステップＳ７ａの処理を行う点で第一の実施形態による速度制御部１０４の処理と異なる。
ここでは、ステップＳ１２〜ステップＳ１４の処理と、ステップＳ７ａの処理についてのみ説明する。
回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、速度上限目標速度生成部１０５及び減速目標速度生成部１０６と同様に、図２において目標速度遷移パターンＢ１及び目標速度遷移パターンＢ２を生成する（ステップＳ１２）。なお、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、速度上限目標速度生成部１０５から目標速度遷移パターンＢ１を取得し、減速目標速度生成部１０６から目標速度遷移パターンＢ２を取得してもよい。
回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、モータ１０３から減速度βの情報を取得する（ステップＳ１３）。
回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、予測期間Ｔの経過後に目標速度遷移パターンＢ１及び目標速度遷移パターンＢ２に滑らかにつながる目標速度遷移パターンＢ３を生成する（ステップＳ１４）。例えば、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、取得した減速度βを式（１５）、式（１６）に代入して、予測期間Ｔの経過後の加速度ａ（Ｔ）と位置ｘ（Ｔ）とを算出する。例えば、減速度βが式（２１）で表される場合、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、予測期間Ｔ経過後の加速度ａ（Ｔ）を式（２２）のように算出する。また、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、予測期間Ｔの経過後の位置ｘ（Ｔ）を式（２３）のように算出する。また、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、現在の速度ｖ（０）を式（２４）のように算出し、また加速度ａ（０）を式（２５）のように算出する。そして、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、式（２２）〜式（２５）の連立方程式を解くことで、ｋ０〜ｋ３の係数を算出する。
回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、ステップＳ１４の処理により、目標速度遷移パターンＢ３を示す多項式を導出し、加速度を算出したことになる。回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、算出した加速度を最小値選択部１０７ａに出力する。そして、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、式（３）にｋ０〜ｋ３を代入して、第三の制御遷移パターンＣ３を示す多項式を導出する（ステップＳ１５）。
最小値選択部１０７ａは、速度上限目標速度生成部１０５が算出した加速度と、減速目標速度生成部１０６が算出した加速度と、回生ブレーキ目標速度生成部１１１が算出した加速度と、を入力すると、入力した３つの加速度の予測期間Ｔが経過した時の大きさを比較する。最小値選択部１０７ａは、比較した加速度のうち最も小さい加速度を目標加速度ａｏ（現在の加速度の目標値）として、速度上限目標速度生成部１０５と、減速目標速度生成部１０６と、質量乗算部１０８と、回生ブレーキ目標速度生成部１１１と、に出力する（ステップＳ７ａ）。なお、最小値選択部１０７は、初期値としてゼロを出力する。
以上、本発明の第二の実施形態による速度制御部１０４ａを備える自動列車運転装置１０２ａが行う処理について説明した。上述の自動列車運転装置１０２ａにおいて、回生ブレーキ目標速度生成部１１１は、速度ｖと、減速度βと、位置と、前回算出した目標加速度と、モータ１０３の回生ブレーキに係る情報と、に基づいて、車両１０ａの加速度を算出する。最小値選択部１０７ａは、速度上限目標速度生成部１０５が算出した加速度と、減速目標速度生成部１０６が算出した加速度と、回生ブレーキ目標速度生成部１１１が算出した加速度と、を比較し、最も小さい加速度を出力する。そして、速度制御部１０４ａが備える速度上限目標速度生成部１０５、減速目標速度生成部１０６、最小値選択部１０７、質量乗算部１０８、牽引力制限部１０９、モータ指令生成部１１０、回生ブレーキ目標速度生成部１１１の各機能部により、速度制御部１０４ａは、ＡＴＰ装置２０が停止限界位置に車両１０ａが接近したことの通知をＡＴＰ地上子より受けた場合であって、車両１０ａの速度と当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性において回生ブレーキのブレーキ力特性がブレーキ力特性減少速度以上となることにより減少する当該ブレーキ力特性減少速度以上で車両１０ａが走行している場合において、車両１０ａの速度に応じた回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した理想的な目標速度遷移パターンＢに基づく車両１０ａの速度に応じた回生ブレーキの制動力を用いて車両１０ａの速度の減速を制御する。
このようにすれば、車両１０ａは、モータ１０３の回生ブレーキのみで予測期間Ｔが経過した時に目標速度遷移パターンＢ１に滑らかにつながる第一の制御遷移パターンＣ１を示す多項式、目標速度遷移パターンＢ２に滑らかにつながる第二の制御遷移パターンＣ２を示す多項式、目標速度遷移パターンＢ３に滑らかにつながる第三の制御遷移パターンＣ３を示す多項式のうち最も小さい値を示す多項式に基づいて生成されたモータ指令によって動作する。そのため、車両１０ａは、急激な加速が少なく乗り心地が向上する。また、車両１０ａは、モータ１０３の回生ブレーキのみでＡＴＰパターンＡに対して非常ブレーキがかからないように遅い速度で安全性を向上させたうえで、可能な限り高速な速度ｖ（ｔ）を示す目標速度遷移パターンＢに基づいて生成されたモータ指令によって動作する。そのため、車両１０ａは、走行時間に遅延が生じ難くなる。また、車両１０ａは、モータ１０３の回生ブレーキのみで予測期間Ｔの経過後を予測して自動列車運転装置１０２ａが生成したモータ指令によって動作する。そのため、車両１０ａは、制御遅れによる速度オーバが発生し難く、速度追従精度が向上する。
＜第三の実施形態＞
次に、本発明の第三の実施形態による自動列車運転装置１０２ｂを備える車両１０ｂについて説明する。
図８は、本発明の第三の実施形態による自動列車運転装置１０２ｂを備える車両１０ｂの一例を示す図である。
図８で示すように、第三の実施形態による車両１０ｂは、速度計１０１と、自動列車運転装置１０２ｂと、モータ１０３と、ＡＴＰ装置２０と、を備える。
第三の実施形態による車両１０ｂは、第三の実施形態による自動列車運転装置１０２ｂが外乱推定部１１２を備える点で第二の実施形態による車両１０ａと異なる。
自動列車運転装置１０２ｂは、速度制御部１０４ａと、外乱推定部１１２と、を備える。
外乱推定部１１２は、速度と、モータ１０３が実際に発生したトルクを示す実効トルクとに基づいて、走行抵抗ｃを推定する。外乱推定部１１２は、推定した走行抵抗ｂを牽引力制限部１０９に出力する。
次に、本発明の第三の実施形態による外乱推定部１１２が行う外乱の推定方法について説明する。
外乱推定部１１２が行う外乱の推定方法は、例えば、次に示す式（２６）を用いて算出する方法である。
Figure 2016131459
外乱推定部１１２は、モータ１０３から実効トルクを取得する。また、外乱推定部１１２は、微小時間ΔＴの周期で速度計１０１から速度を取得する。そして、外乱推定部１１２は、式（２６）を用いて、微小時間ΔＴの間の速度変化をその微小時間ΔＴで除算し車両質量を乗じたものを、実効トルクから減じることで走行抵抗ｂを算出する。外乱推定部１１２は、この走行抵抗ｂにより外乱（走行抵抗ｃ）を相殺する。
次に、第三の実施形態による自動列車運転装置１０２ｂが行う処理について説明する。
図９は、第三の実施形態による自動列車運転装置１０２ｂの処理フローの一例を示す図である。
第三の実施形態による自動列車運転装置１０２ｂが行う処理は、外乱推定部１１２がステップＳ１６及びステップＳ１７の処理を行い、牽引力制限部１０９がステップＳ９ａの処理を行い、モータ指令生成部１１０がステップＳ１０ａの処理を行う点で、第二の実施形態による自動列車運転装置１０２ａの処理と異なる。
ここでは、ステップＳ１６、ステップＳ１７、ステップＳ９ａ及びステップＳ１０ａの処理についてのみ説明する。
質量乗算部１０８は、ステップＳ８の処理により、入力した目標加速度ａｏに車両１０ｂの質量を乗算する。質量乗算部１０８が行う乗算の乗算結果は、牽引力ｐｗｒを示す。
質量乗算部１０８は、牽引力ｐｗｒを牽引力制限部１０９に出力する。
外乱推定部１１２は、速度と、モータ１０３が実際に発生したトルクを示す実効トルクとに基づいて、走行抵抗ｃを推定する（ステップＳ１６）。外乱推定部１１２は、推定した走行抵抗ｂを牽引力制限部１０９に出力する。
牽引力制限部１０９は、質量乗算部１０８から牽引力ｐｗｒを入力し、外乱推定部１１２から走行抵抗ｂを入力すると、外乱と牽引力ｐｗｒと走行抵抗ｂとを加算すると、走行抵抗ｂにより外乱が相殺される（ステップＳ１７）。そして、牽引力制限部１０９は、モータの性能に基づいて決定された上限と下限の間の範囲内に牽引力ｐｗｒを制限する（ステップＳ９ａ）。牽引力制限部１０９は、牽引力ｐｗｒをモータ指令生成部１１０に出力する。
モータ指令生成部１１０は、牽引力制限部１０９から牽引力ｐｗｒを入力すると、入力した牽引力ｐｗｒに基づいて、モータ１０３のモータ指令を生成する（ステップＳ１０ａ）。
なお、外乱推定部１１２が行う外乱の推定方法は、例えば、外乱推定器を用いる方法であってもよい。
例えば、速度制御部１０４ａにおける外乱である走行抵抗ｃを直接測定できない場合、外乱推定部１１２において、質量乗算部１０８の特性をモデル化した質量乗算部モデルと、牽引力制限部１０９とモータ指令生成部１１０の逆方向の情報処理をモデル化したモータ指令生成逆モデルとを構成する。外乱推定部１１２が備える質量乗算部モデルは最小値選択部１０７ａから目標加速度ａｏを入力する。モータ指令生成逆モデルは、モータ１０３から実効トルクを入力する。そして、外乱推定部１１２は、モータ指令生成逆モデルが出力する実効トルクに寄与する牽引力から質量乗算部モデルが出力する目標加速度に車両１０ｂの質量を乗算した牽引力を減じて外乱である走行抵抗ｃを走行抵抗ｂと算出する。
外乱推定部１１２は、この走行抵抗ｂを速度上限目標速度生成部１０５と、減速目標速度生成部１０６と、回生ブレーキ目標速度生成部１１１と、に出力する。速度上限目標速度生成部１０５、減速目標速度生成部１０６及び回生ブレーキ目標速度生成部１１１のそれぞれは、外乱推定部１１２から走行抵抗ｂを入力し、入力した走行抵抗ｂに基づいて、外乱を相殺するように目標速度遷移パターンＢを補正する。
このように、外乱推定部１１２が現代制御理論に基づいて外乱を推定し、速度上限目標速度生成部１０５、減速目標速度生成部１０６及び回生ブレーキ目標速度生成部１１１のそれぞれが外乱を相殺するように目標速度遷移パターンＢを補正することで、外乱を相殺するものであってもよい。
以上、本発明の第三の実施形態による速度制御部１０４ａを備える自動列車運転装置１０２ｂが行う処理について説明した。上述の自動列車運転装置１０２ｂにおいて、外乱推定部１１２は、速度と、モータ１０３が実際に発生したトルクを示す実効トルクとに基づいて、走行抵抗ｃを推定する。モータ指令生成部１１０は、走行抵抗ｂにより外乱を相殺した牽引力に基づいて、モータ指令を生成する。
このようにすれば、車両１０ｂは、走行抵抗ｃを正確に補正することができる。そのため、車両１０ｂは、速度追従性能がより向上する。また、車両１０ｂは、車両１０ｂの重量による制御誤差を走行抵抗ｃの一部として推定し相殺することができる。そのため、車両１０ｂは、列車荷重センサを使用して重量を計測し制御誤差を補正するという手間や費用を削減することができる。
なお、上述の実施形態において、自動列車運転装置１０２、１０２ａ、１０２ｂは、ＡＴＰ装置２０からＡＴＰパターンＡを取得し、取得したＡＴＰパターンＡに基づいて目標速度遷移パターンＢを算出し、最終的に制御遷移パターンを算出するものとして説明したが、それに限定するものではない。例えば、ＡＴＰ装置２０は、ＡＴＰ地上子から目標速度遷移パターンＢ自体を受信する。ＡＴＰ装置２０は、ＡＴＰ地上子から受信した目標速度遷移パターンＢを自動列車運転装置１０２、１０２ａ、１０２ｂに送信する。そして、自動列車運転装置１０２、１０２ａ、１０２ｂは、ＡＴＰ装置２０から目標速度遷移パターンＢ自体も取得できるものであってもよい。
なお、本発明の実施形態について説明したが、上述の速度制御部１０４、１０４ａ、自動列車運転装置１０２、１０２ａ、１０２ｂ、ＡＴＰ装置２０は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。また、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができるものである。
１０、１０ａ、１０ｂ・・・車両
２０・・・ＡＴＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）装置
１０１・・・速度計
１０２、１０２ａ、１０２ｂ・・・自動列車運転装置
１０３・・・モータ
１０４、１０４ａ・・・速度制御部
１０５・・・速度上限目標速度生成部
１０６・・・減速目標速度生成部
１０７、１０７ａ・・・最小値選択部
１０８・・・質量乗算部
１０９・・・牽引力制限部
１１０・・・モータ指令生成部
１１１・・・回生ブレーキ目標速度生成部
１１２・・・外乱推定部

Claims (10)

  1. 停止限界位置に自車両が接近したことの通知を外部装置より受けた場合であって、車両の速度と当該速度時に回生ブレーキの最大ブレーキ力で減速制御した場合の単位時間当たりの減少速度との関係を示すブレーキ力特性において回生ブレーキのブレーキ力特性がブレーキ力特性減少速度以上となることにより減少する当該ブレーキ力特性減少速度以上で自車両が走行している場合において、回生ブレーキのブレーキ力特性を用いて算出した目標速度パターンに基づく車両の速度に応じた回生ブレーキのみの制動力を用いて車両の速度の減速を制御する速度制御部、
    を備える自動列車運転装置。
  2. 前記速度制御部は、
    前記車両の速度が前記ブレーキ力特性減少速度以上の速度上限に達する間は前記目標速度パターンに基づく回生ブレーキのみの制動力を用いて前記車両の速度の減速を制御し、前記速度上限に達した場合には前記回生ブレーキとそれ以外の制動手段を用いて前記車両の速度の減速を制御する、
    請求項１に記載の自動列車運転装置。
  3. 前記速度制御部は、
    前記速度上限を外部装置から取得し、当該速度上限よりも低い速度の目標速度パターンを算出し、現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記目標速度パターンに一致するよう前記目標時刻までの時間よりも短い処理サイクル時間毎に前記車両の制御遷移パターンを算出し、算出した算出結果に基づいて次タイミングにおける前記車両の加速度を決定する、
    請求項２に記載の自動列車運転装置。
  4. 前記速度制御部は、
    前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして一定速度で走行する第一目標速度パターンを算出し、前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして停止限界位置に向けて減速走行する第二目標速度パターンを算出し、
    現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第一目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第一目標速度パターンを算出し、
    現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第二目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第二目標速度パターンを算出し、
    第一制御遷移パターンと第二制御遷移パターンについて次制御ステップにおける加速度を比較し、低い方の加速度を車両の加速度とする、
    請求項３に記載の自動列車運転装置。
  5. 前記速度制御部は、
    前記車両の加速度と前記車両の質量とに基づいて、実効トルクを算出する、
    請求項３または請求項４に記載の自動列車運転装置。
  6. 前記速度制御部は、
    前記加速度がマイナスの加速度である場合には、前記回生ブレーキと前記回生ブレーキ以外の制動手段のうちの少なくとも一方を用いて前記車両の速度を制御する、
    請求項５に記載の自動列車運転装置。
  7. 前記実効トルクと速度変化とに基づいて、走行抵抗を推定する外乱推定部、
    を備える請求項５または請求項６に記載の自動列車運転装置。
  8. 回生ブレーキの減少速度と速度との関係を示すブレーキ力特性を用いて算出した目標速度パターンに基づく車両の速度に応じた回生ブレーキの制動力を用いて車両の速度の減速を制御する速度制御部を備え、
    前記速度制御部は、
    速度上限を外部装置から取得し、
    前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして一定速度で走行する第一目標速度パターンを算出し、前記速度上限よりも低い目標速度パターンとして停止限界位置に向けて減速走行する第二目標速度パターンを算出し、
    現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第一目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第一目標速度パターンを算出し、
    現在時刻を基準とした所定の目標時刻までの時間以後において列車速度が前記第二目標速度パターンに一致する次タイミングの車両の第二目標速度パターンを算出し、
    第一制御遷移パターンと第二制御遷移パターンについて次制御ステップにおける加速度を比較し、低い方の加速度を車両の加速度とする、
    自動列車運転装置。
  9. 速度制御部は、回生ブレーキの減少速度と速度との関係を示すブレーキ力特性において、所定の減少速度以下の減少速度に対応する速度以上の高速で駅間の停止しなければならない非開通エリアに接近した場合に、機械ブレーキを使用することなく車両の速度の減速を制御する、
    自動列車制御方法。
  10. コンピュータを、
    回生ブレーキの減少速度と速度との関係を示すブレーキ力特性において、所定の減少速度以下の減少速度に対応する速度以上の高速で駅間の停止しなければならない非開通エリアに接近した場合に、機械ブレーキを使用することなく車両の速度の減速を制御する速度制御部、
    として機能させるプログラム。
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