JP2017017967A - 自動列車運転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】追従性の悪化を防止して、停止位置精度及び乗り心地を向上し得る自動列車運転装置を提供する。
【解決手段】自動列車運転装置５０１において、自列車の速度と、自列車の走行を制御するための制動指令とに基づいて、車両特性を学習する車両特性学習部５０５は、車両特性を推定する車両特性推定部５０７と、車両特性を新たに算出予定の制動指令に反映させる車両特性反映部５０８とを備える。車両特性推定部は、自列車に実際に発生した発生減速度を算出し、一方で制動指令に基づいて、自列車に指令された指令減速度を算出し、算出した発生減速度を時間軸方向及び減速度軸方向に移動させたときの波形と、指令減速度の波形との差分を評価関数とし、評価関数が最小となる時間軸方向及び減速度軸方向の移動量を車両特性値として算出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、列車の走行を制御する自動列車運転装置及び自動列車運転方法に適用して好適なものである。

近年、列車運行ダイヤの過密化やホームドアの整備充実化等を背景に乗務員の負担低減や人件費の削減を目的として自動列車運転（ATO：Automatic Train Control）装置の導入が進められている。ＡＴＯ装置のなかでも特に、ホームドア位置に車両ドア位置を正確に合わせて列車を停止させる列車定位置停止制御（TASC：Train Automatic Stop Control）装置は、既設路線駅にホームドア導入が進むに伴い多くの路線で盛んに導入されている。

特許文献１には、ＡＴＯ装置に関する技術が開示されている。具体的には、列車走行時に取得したデータをオンライン処理し、オンライン処理したデータ基づいて、列車特性を列車走行時に自動学習し、自動学習した列車特性を用いて列車の自動運転を行う自動列車運転装置が開示されている。

この特許文献１によれば、走行中にオンラインで列車特性を自動学習することが可能であり、自動学習した結果を用いて列車の自動運転を行うことができるとしている。具体的には、指令減速度の波形と発生減速度の波形とがおよそ相似形であり、時間軸方向及び減速度軸方向に平行移動することで両波形を重ね合わせることができ、平行移動した量が設計値からの偏差として学習される。

特開２０１５−１２６７６

しかし特許文献１に記載の技術では、時間軸方向及び減速度軸方向に平行移動する刻み幅は小さいと計算負荷が増大し、平行移動する刻み幅が大きいと指令減速度の波形と発生減速度の波形を精度よく重ね合わせることができず、平行移動した量から設計値からの偏差を精度よく算出することが出来ない。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、設計値からの偏差を精度よく算出しつつ、計算負荷を小さくする自動列車運転装置を提案するものである。本発明により自動列車運転装置への車両特性学習機能が実装可能となり、経年変化や部品交換による車両特性の変化にも対応できるようになる。

かかる課題を解決するために、本発明においては、列車の走行時に取得したデータ列車の車両特性を自動学習する車両特性学習手段を備えた自動列車運転装置において、実際の列車の動作から算出される発生減速度の波形を時間軸方向及び減速度軸方向に平行移動させ、発生減速度の波形と設計上出力されるべき指令減速度の両波形のずれを評価関数とし、評価関数を近似した近似関数を定義し、近似関数の極小値を解析的に算出することで、評価関数が最小となる場合の平行移動量を決定し、前記平行移動量から車両特性を算出する車両特性学習手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、設計値からの偏差を精度よく算出しつつ、計算負荷を小さくすることができる。

列車定位置停止制御装置の機能構成図である。 車両速度、指令減速度及び発生減速度と、経過時間との関係図である。 車両特性学習機能を備えた列車定位置停止装置の機能構成図である。 時間軸方向及び減速度軸方向の平行移動量の刻み幅と評価関数の関係図である。 第１の実施の形態における自動列車運転装置の機能構成図である。 第１の実施の形態の車両特性値算出処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態における自動列車運転装置の機能構成図である。 第２の実施の形態における代表点決定方法の概要図である。 第３の実施の形態における自動列車運転装置の機能構成図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。なお図１〜図３は、一般的な自動列車運転装置（ＡＴＯ装置）に含まれる列車定位置停止制御装置（ＴＡＳＣ装置）の構成及び課題について説明する説明図であり、図５〜図９は、本実施の形態における自動列車運転装置（特に列車定位置停止制御装置）の構成について説明する説明図である。

また図１〜図９に図示されている各部は、プロセッサ、記憶媒体又はプログラムの何れか又は組み合わせて構成される機器である。例えばプロセッサは、記憶媒体に記憶されているプログラムを読みだして各種機能を実現する。

（１）列車定位置停止制御装置の概要
図１は、列車定位置停止制御装置（ＴＡＳＣ装置）の機能構成を示す。ＴＡＳＣ装置は、速度位置検出部により、車輪軸に設置された速度発電機から速度信号を検出し、また地上子と通信する車上子から位置情報を検出する。またＴＡＳＣ装置は、制御指令算出部により、取得した速度信号と位置情報とに基づいて制動指令を算出し、算出した制動指令を車両情報制御装置や制駆動制御装置に出力する。

ＴＡＳＣ装置の機能は、上記の通り大きく２つある。すなわち速度信号及び位置情報を検出する速度位置検出機能及び制動指令を算出する制御指令算出機能である。このうち制御指令算出機能を有する制御指令算出部は、さらに計画機能を有する計画部及び追従機能を有する追従部から構成される。

計画機能とは、予め保持する駅停止位置までの制動速度に対し、現在の車両位置を照らし合わせて目標速度を算出する機能である。また追従機能とは、目標速度と現在の車両速度との速度偏差を入力し、出力すべき制動力を算出する機能である。ＴＡＳＣ装置は、この算出した制動力を制動指令に含めて車両情報制御装置や制駆動制御装置に出力する。

なお制動指令にはブレーキノッチ指令及びトルク指令等がある。車両情報制御装置は、車上の情報伝送を管理する装置であり、ＴＡＳＣ装置からの制動指令を入力すると、入力した制動指令を制駆動制御装置に出力する。制駆動制御装置は、入力した制動指令に基づいて、列車の走行を制御する。

ところで通常、ＴＡＳＣ装置から制動指令が出力された時間と、制動指令に基づく動作が列車に実際に反映される時間との間には、多少のずれが生じる。またＴＡＳＣ装置からの制動指令に含まれる制動力と、列車に実際に働く制動力との間についても多少のずれが生じることが知られている。

図２は、車両速度、指令減速度及び発生減速度と、経過時間との関係を示す。車両速度は点線で示し、指令減速度は実線で示し、発生減速度は一点鎖線で示す。図２に示すように、減速を指示する制動指令がＴＡＳＣ装置から出力された時間と、この制動指令に含まれる指令減速度が列車に実際に反映される時間との間には多少のずれが生じている。これを無駄時間と呼ぶ。

また指令減速度と列車に実際に働く発生減速度との間についても多少のずれが生じている。これを減速度偏差と呼ぶ。これら無駄時間及び減速度偏差が大きいほど、目標速度に追従する追従性が悪化する。よってＴＡＳＣ装置の導入に際しては、作業員による諸パラメータの調整作業を十分に行い、これら無駄時間及び減速度偏差による停止位置精度への悪影響をできるだけ低減する必要がある。

一方で作業員による調整作業の工数の低減を図るべく、近年では列車が実際に走行した際に得られる走行実績に基づいて、車両特性（無駄時間及び減速度偏差）を自動学習して制御に反映する機能の開発が進められている。この機能を車両特性学習機能と呼ぶ。

図３は、車両特性学習部を備えたＴＡＳＣ装置の機能構成を示す。車両特性学習部は、制動指令及び現在速度を入力して減速度に関する無駄時間及び減速度偏差を推定し、車両特性値を含む調整パラメータを制御指令算出部に出力する機能である。

制御指令算出部は、車両の位置と速度に関して、無駄時間後の予測位置及び予測速度を算出し、無駄時間分の遅れを考慮して予測制御を行う。また減速度偏差を考慮して制動力の指令値を補正する。

ここで図２に示したように指令減速度の波形と発生減速度の波形とがおよそ相似形であり、時間軸方向及び減速度軸方向に平行移動させ、両波形のずれを評価関数とし、評価関数が最小となる場合の平行移動量が設計値からの偏差として学習される。

しかし、時間軸方向及び減速度軸方向に平行移動する刻み幅は小さいと計算負荷が増大し、平行移動する刻み幅が大きいと指令減速度の波形と発生減速度の波形を精度よく重ね合わせることができず、平行移動した量から設計値からの偏差を精度よく算出することが出来ない。

図４に時間軸方向及び減速度軸方向の平行移動量の刻み幅の例を示す。図４では評価範囲を時間軸方向は０〜２[秒]、減速度軸方向は設計値からの減速度偏差が−１〜＋１[km/h/s]とし、時間軸方向の刻み幅は０．１[秒]、減速度軸方向の刻み幅は０．１[km/h/s]とした。この場合、時間軸方向に２１点、減速度軸方向に２１点の合計４４１点で指令減速度の波形と発生減速度の波形のずれを評価する必要がある。

車両特性の学習は、学習した車両特性値を早期に積み上げるという点で、ある駅進入時のデータを用いた車両特性の学習を次の駅進入までに終えておくことが望ましい。しかしながら、［００２５］で示した無駄時間と減速度偏差の組み合わせを現状の自動列車運転装置で計算するとなると、ある駅進入時のデータを用いた車両特性の学習を次の駅進入までに終えておくことは難しい。

（１）第１の実施の形態
第１の実施の形態では、指令減速度波形と発生減速度波形の両波形のずれを評価関数とし、評価関数を二次の他変数関数で近似し、前記他変数関数の極小値を解析的に算出することで指令減速度波形と発生減速度波形の両波形のずれを評価する点数を削減する自動列車運転装置について説明する。

（１−１）自動列車運転装置の構成
図５は、第１の実施の形態における自動列車運転装置５０１の機能構成を示す。自動列車運転装置５０１は、制動指令を算出し、算出した制動指令を制駆動制御装置５０２を介してアクチュエータ５０３に出力することにより列車の走行を制御する。

自動列車運転装置５０１は、速度位置検出部５０４により自列車の位置及び速度を取得し、車両特性学習部５０５により車両特性値を取得する。そして自動列車運転装置５０１は、制御指令算出部５０６により速度位置検出部５０４からの位置及び速度と、車両特性学習部５０５からの車両特性値とを入力して、制動指令を算出する。

なお速度位置検出部５０４による自列車の速度の検出方法には、例えば車輪軸に設置された速度発電機からの速度信号を用いて車軸の回転速度に車輪円周長を乗算して検出する方法やドップラーレーダーを用いて地上との速度差を測定する方法等がある。

次いで車両特性学習部５０５について説明すると、車両特性学習部５０５は、車両特性推定部５０７、車両特性反映部５０８から構成される。

車両特性推定部５０７は、速度位置検出部５０４からの自列車の位置及び速度と、制御指令算出部５０６からの自列車の制動指令とを入力して、自列車の車両特性を推定する。

車両特性反映部５０８は、車両特性推定部５０７で算出した車両特性値を蓄積及び統計処理し、制御指令算出部５０６に出力する。

次いで車両特性推定部５０７の詳細について説明する。車両特性推定部５０７は、走行実績データ蓄積部５０９、指令減速度波形算出部５１０、発生減速度波形算出部５１１及び波形シフト量算出部５１２から構成される。

走行実績データ蓄積部５０９は、速度位置検出部５０４からの自列車の位置及び速度と、制御指令算出部５０６からの自列車の制動指令とを走行実績を示すデータとして蓄積する。

指令減速度波形算出部５１０は、走行実績データ蓄積部５０９により蓄積される制動指令に基づいて、制動時に指令された減速度の時系列データ（指令減速度波形）を算出する。また発生減速度波形算出部５１１は、走行実績データ蓄積部５０９により蓄積される位置及び速度に基づいて、制動時に発生した減速度の時系列データ（発生減速度波形）を算出する。

なお制動時に発生した減速度の波形を算出する過程において、自列車の位置データを用いて図示しない路線勾配情報を参照することにより、発生減速度に対する勾配抵抗の影響を除去し、列車に実際に発生した減速度をより正確に算出することができる。

波形シフト量算出部５１２は、指令減速度波形算出部５１０により算出された指令減速度波形と、発生減速度波形算出部５１１により算出された発生減速度波形とを入力する。

そして波形シフト量算出部５１２は、両波形が時間軸方向及び減速度軸方向にどれだけシフトしているか（差分）を示す波形シフト量を算出する。この波形シフト量が車両特性推定部５０７により推定される車両特性値である。

次いで車両特性反映部５０８の詳細について説明する。車両特性反映部５０８は、車両特性データ蓄積部５１３及び車両特性統計処理部５１４から構成される。車両特性データ蓄積部５１３は、車両特性推定部５０７からの波形シフト量を車両特性値としてデータベースに蓄積する。

車両特性統計処理部５１４は、車両特性データ蓄積部５１３に蓄積されている車両特性値の集合を参照し、統計処理を行うことにより車両特性値の集合のなかから代表値を決定し、制御指令算出部５０６において保持されている調整パラメータを代表値で更新する。

制御指令算出部５０６は、更新後の調整パラメータを用いて制動指令を算出し、算出した制動指令を制駆動制御装置５０２を介してアクチュエータ５０３に出力することにより列車の走行を制御することになる。

（１−２）フローチャート
図６は、波形シフト量算出部５１２により実行される車両特性値算出の処理手順を示す。

（ステップ６０１）
指令減速度波形算出部より、指令減速度波形を取得する。ステップ６０２に進む。

（ステップ６０２）
発生減速度波形算出部より、発生減速度波形を取得する。ステップ６０３に進む。

（ステップ６０３）
波形シフトを行う代表点６点を決定し、代表点での指令減速度波形と発生減速度波形の両波形のずれを評価関数Jとして算出する。ステップ６０４に進む。

（ステップ６０４）
評価関数Jを近似する関数として２次の他変数関数Zを定義する、近似関数Zは式（１）で表される。

(a,b,c,d,e,fは係数)

式（１）にステップ６０３で算出した代表点での評価関数Jを代入すると方程式（２）を得る。方程式（２）を解くことで近似関数Zを算出する。ステップ６０５に進む。

（ステップ６０５）
近似関数Zが最も小さくなる点（極小値）は、指令減速度波形と発生減速度波形の両波形のずれが最も小さくなるシフト量を意味しているため、近似関数Zが極小値となる点を式（３）から算出する。ステップ６０６に進む。

（ステップ６０６）
近似関数Zの極小値から指令減速度波形と発生減速度波形の両波形のずれが最も小さくなるシフト量の組み合わせから車両特性値（無駄時間と減速度偏差）を算出する。算出した車両特性値を車両特性反映部５０８に送信し、本処理を終了する。

なお、式（１）にはx,yの０次の項が含まれているが、極小値の算出にはx,yの０次の項は不要であるため、近似関数Zを式（４）のように規定しても問題ない。

(a,b,c,d,eは係数)
式（４）のようにすれば、求めるべき係数は５個となるため、評価関数Zを算出する代表点も５点で済み、更なる計算負荷の低減が図れる。
なお、任意の間隔で時間軸方向と減速度軸方向の刻み幅すべてで評価関数を算出し、評価関数が最小となる波形シフト量を算出するようにしてもよい。この方式によれば定期的に近似関数を用いた結果を照査することが可能となり、車両特性学習部が算出する調整パラメータの精度を向上させることが可能となる。

（１−３）第１の実施の形態による効果
以上のように第１の実施の形態によれば、指令減速度波形と発生減速度波形とを比較すべき点が大幅に減少することから、自動列車運転装置内で常に車両特性値を算出することが可能となり、経年変化による車両特性値の変化に対しても対応できるようになる。

（２）第２の実施の形態
第２の実施の形態では、評価関数を算出する代表点を動的に変更することで車両特性値の推定精度を向上させる自動列車運転装置について説明する。なお第１の実施の形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

（２−１）自動列車運転装置の構成
図７は、第２の実施の形態における自動列車運転装置７０１の機能構成を示す。車両特性学習部７０２は、車両特性推定部５０７、車両特性反映部５０８および代表点決定部７０３から構成される。ここでは車両特性推定部５０７及び車両特性反映部５０８についての説明は省略し、代表点決定部７０３について説明する。

代表点決定部７０３は車両特性反映部５０８により算出される調整パラメータに基づいて、指令減速度波形と発生減速度波形とを比較すべき点を判断し、波形シフト量算出部５１２に通知する。

次いで代表点決定部７０３の詳細について図８で説明する。

代表点決定部７０３は、新車製造後初めての走行時など対象列車の車両特性が不明である場合に、一般的に列車がとり得る設計値との誤差の最大値を代表点（代表点群１とする）として決定する。

代表点群１で近似した近似関数の極小値から算出した調整パラメータを基に波形シフト量に変換したものを波形シフト量１とする。代表点決定部７０３は、次の波形シフト量算出時に使用する代表点（代表点群２とする）を代表点群１から所定の比率で波形シフト量１に近づけた値とする。

このように代表点を車両特性学習部７０２が算出した調整パラメータに基づいた波形シフト量に徐々に近づける。

また、一般に車両特性が急激に変化することは考えにくいため、前記波形シフト量１付近の数点を代表点として取る方式でもよい。前記波形シフト量１付近の代表点で評価関数を算出し、最も評価関数が小さい波形シフト量を車両特性としてもよい。

（２−２）第２の実施の形態による効果
第２の実施の形態によれば、車両特性学習７０２が算出する調整パラメータが、初期の列車の車両特性に関わらず、学習を早期に完了させることが出来る上、算出される調整パラメータの精度を向上させることが可能となる。

（３）第３の実施の形態
第１、２の実施の形態では、車両特性学習部５０５が調整パラメータの制御指令への反映タイミングを判定していたが、第３の実施の形態では、調整パラメータの制御指令への反映タイミングを任意に設定できるようにする。なお第１の実施の形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

（３−１）自動列車運転装置の構成
図９は、第３の実施の形態における自動列車運転装置９０１の機能構成を示す。車両特性学習部９０２は、車両特性推定部５０７、車両特性反映部５０８および車両特性値制御反映タイミング判定部９０３から構成される。ここでは車両特性推定部５０７及び車両特性反映部５０８についての説明は省略し、車両特性値制御反映タイミング判定部９０３について説明する。

車両特性値制御反映タイミング判定部９０３は、車両特性反映部５０８から調整パラメータの変化通知を受信するとともに調整パラメータを受信する。車両特性値制御反映タイミング判定部９０３は、車両特性反映部５０８から調整パラメータの変化通知を受信すると、車両情報制御装置９０４を通じて乗務員や保守員に通知する。乗務員や保守員は調整パラメータについて承認・非承認を車両情報制御装置９０４に通知する。車両情報制御装置９０４は、乗務員や保守員から承認・非承認を受信すると、車両特性値制御反映タイミング判定部９０３に通知する。車両特性値制御反映タイミング判定部９０３は、承認であれば車両特性反映部５０８に対して、新しい調整パラメータを制御指令算出部５０６に通知するように指示を出し、非承認であれば車両特性反映部５０８に対して、新しい調整パラメータを制御指令算出部５０６に通知しないように指示を出す。

（３−３）第３の実施の形態による効果
以上のように第３の実施の形態によれば、調整パラメータの反映を任意に実施できるようなり、また人手による最終確認が可能となる。

（４）他の実施の形態
車両特性学習部５０７が算出する調整パラメータは自動列車運転装置５０１の制御以外にも活用できる。たとえば、編成ごとの調整パラメータを比較し、調整パラメータが他の編成と異なる編成について車両状態の不具合を疑い、保守に役立てることも可能である。
また、併結が発生すると編成全体としての車両特性が変化する可能性がある。併結運用時は各編成の車両特性を授受することで、速やかに併結編成の車両特性を自動列車運転装置が把握することが可能となる。併結運用時の車両特性は単編成の車両特性と異なる可能性があることから、単編成時とは別に併結運用時専用の調整パラメータを保持していることが望ましい。

第１、２の実施の形態では、車両特性学習部５０５が調整パラメータが変化したタイミングで制御指令への反映を実施していたが、停止精度を継続的に監視し、調整パラメータの変化したときに停止精度の悪化が見られない場合は、調整パラメータを制御指令に反映させないようにしてもよい。

５０１、７０１、９０１ 自動列車運転装置
５０２ 制駆動制御装置
５０３ アクチュエータ
５０４ 速度位置検出部
５０５、７０２、９０２ 車両特性学習部
５０６ 制御指令算出部
５０７ 車両特性推定部
５０８ 車両特性反映部
５０９ 走行実績データ蓄積部
５１０ 指令減速度波形算出部
５１１ 発生減速度波形算出部
５１２ 波形シフト量算出部
５１３ 車両特性データ蓄積部
５１４ 車両特性統計処理部
７０３ 代表点決定部
９０３ 車両特性値制御反映タイミング判定部
９０４ 車両情報制御装置

Claims (5)

1. 自列車の速度と、自列車の走行を制御するための制動指令とに基づいて、車両特性を学習する車両特性学習部を備えた自動列車運転装置において、前記車両特性学習部は、前記車両特性を推定する車両特性推定部と、前記車両特性を新たに算出予定の制動指令に反映させる車両特性反映部とを備え、前記車両特性推定部は、自列車に実際に発生した発生減速度を算出し、一方で前記制動指令に基づいて、自列車に指令された指令減速度を算出し、算出した前記発生減速度を時間軸方向及び減速度軸方向に移動させたときの波形と指令減速度の波形との差分を評価関数とし、前記評価関数が最小となる時間軸方向及び減速度軸方向の移動量を車両特性値として算出することを特徴とする自動列車運転装置。
2. 前記車両特性推定部は、発生減速度を時間軸方向及び減速度軸方向に移動させたときの波形と指令減速度の波形との差分である評価関数を二変数二次関数で近似することを
   特徴とする請求項１に記載の自動列車運転装置。
3. 前記車両特性推定部は、発生減速度を時間軸方向及び減速度軸方向に移動させたときの波形と指令減速度の波形との差分である評価関数の近似関数の極小値を解析的に解くことで評価関数が最小となる時間軸方向及び減速度軸方向の移動量を車両特性値として算出することを特徴とする請求項１に記載の自動列車運転装置。
4. 前記車両特性推定部は、前記近似関数の算出に必要な複数の評価関数を算出する点を決定する代表点決定手段を有し、前記代表点決定手段は評価関数を算出する点を前期車両特性学習部が算出した車両特性値付近にとることを特徴とする請求項１に記載の自動列車運転装置。
5. 前記車両特性推定部は、車両特性値を制御指令算出手段に通知するタイミングを判定する車両特性値制御反映タイミング判定手段を有し、前記車両特性値制御反映タイミング判定手段は前記車両特性反映手段が認識している車両特性値に変化があったときに、乗務員または保守員に車両特性値の変化があったことを通知することを特徴とする請求項１に記載の自動列車運転装置。

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