JP2019092347A - 自動運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】列車の乗り心地や省エネ効果を向上させることができる自動運転制御装置を提供する。【解決手段】自動運転制御装置は、作成部１０４と、算出部１０１と、制御部１０５と、を備える。作成部は、所定区間における列車の目標速度を含む走行計画を作成する。算出部は、所定区間の空気抵抗および路線条件の少なくとも一方に基づいて、所定区間における列車の走行速度が目標速度となる列車の加速度を算出する。制御部は、算出される列車の加速度に従って、所定区間における列車の加速および減速を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、自動運転制御装置に関する。

運転計画に基づいて鉄道等の列車を自動運転させる自動運転制御装置は、列車のダイヤに基づいて設定された目標速度を基準として、列車の走行速度のずれを許容する範囲（以下、バンドと言う）を設定する。次に、自動運転制御装置は、現在の列車のノッチを使用して走行した場合に、所定時間後の列車の走行速度がバンド内に収まるか否かにより、ノッチを決定する。そして、自動運転制御装置は、決定したノッチにより列車を走行させることで、目標速度による列車の走行を実現している。

特開２０１４−２００１４４号公報 特開平１１−２５５１２６号公報 特開平７−６７２１７号公報

しかしながら、上記の自動運転制御装置では、列車の走行速度をバンド内に収めることを前提としているため、省エネ効果や乗り心地を考慮したノッチに切り換えようとしても、列車の走行速度がバンドから外れる場合には、当該ノッチに切り換えることができないため、一定速度で走行する運転方法以外の運転方法との親和性が低い。

実施形態の自動運転制御装置は、作成部と、算出部と、制御部と、を備える。作成部は、所定区間における列車の目標速度を含む走行計画を作成する。算出部は、所定区間の空気抵抗および路線条件の少なくとも一方に基づいて、所定区間における列車の走行速度が目標速度となる列車の加速度を算出する。制御部は、算出される列車の加速度に従って、所定区間における列車の加速および減速を制御する。

図１は、第１の実施形態にかかる自動運転制御装置の機能構成の一例を示す図である。 図２は、本実施形態にかかる自動運転制御装置による列車の速度変化およびノッチの制御結果の一例を示す図である。 図３は、第６の実施形態にかかる自動運転制御装置による列車の速度変化およびノッチの制御結果の一例を示す図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる自動運転制御装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる自動運転制御装置の機能構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態にかかる自動運転制御装置は、速度・位置算出部１０１と、走行時間管理部１０２と、制限速度作成部１０３と、走行計画作成部１０４と、自動運転部１０５と、車両特性データ記憶部１０６と、を備える。

速度・位置算出部１０１は、レール上を走行する列車の速度や路線上の列車の位置（以下、現在位置と言う）を検出する。本実施形態では、速度・位置算出部１０１は、車輪の回転と連動するＴＧ（Tachogenerator）１０７の出力値等から列車の速度を検出する。ＴＧ１０７は、車輪の回転と連動するＰＧ（Pulsegenerator）であっても良い。また、速度・位置算出部１０１は、ＴＧ１０７の出力値により検出した列車の速度を積分して得られる走行距離と、車上子１０８で受信した地上子からの信号とに基づいて、路線上における列車の現在位置を検出する。そして、速度・位置検出部１０１は、列車の速度の検出結果および現在位置の検出結果を示す速度・位置情報を、走行計画作成部１０４および自動運転部１０５に出力する。

走行時間管理部１０２は、路線を走行する列車の走行時間（時分）を取得する。本実施形態では、走行時間管理部１０２は、計時部１０９からの時刻情報に基づいて、列車の走行時間を取得する。ここで、計時部１０９は、ＲＴＣ（Real Time Clock）やＧＰＳ（Global Positioning System）を用いて、現在時刻を計時する。そして、計時部１０９は、当該計時した現在時刻を示す時刻情報を走行時間管理部１０２に出力する。走行時間管理部１０２は、取得した走行時間を、走行計画作成部１０４に出力する。

ところで、列車は、ダイヤ通りに出発駅を出発するわけではなく、数秒単位の誤差が生じることがある。したがって、走行時間管理部１０２は、出発ボタン１１０からの出発合図に基づいて、出発駅からの列車の出発時刻を取得する。次いで、走行時間管理部１０２は、ダイヤデータ記憶部１１１に記憶されたダイヤデータに基づいて、次の駅への到着時刻または当該次の駅の通過時刻を取得する。ここで、ダイヤデータは、路線を走行する列車のダイヤを示す。そして、走行時間管理部１０２は、出発時刻と、到着時刻または通過時刻と、に基づいて、走行時間を取得する。

走行時間管理部１０２は、運転情報管理部１１２から到着時刻補正情報を取得し、当該到着時刻補正情報に従って、ダイヤデータが示す列車のダイヤを補正する。ここで、到着時刻補正情報は、列車のダイヤの変更を指示する情報であり、例えば、次の駅の到着時刻をダイヤより１分遅らせる等を示す。さらに、走行時間管理部１０２は、補正後の列車のダイヤに基づいて、駅間の走行時間を算出する。

制限速度作成部１０３は、路線データ記憶部１１４に記憶される路線データと、自動列車制御装置１１５から入力される臨時制限速度情報や前方信号情報と、に基づいて、制限速度を決定する。ここで、路線データは、路線の位置毎の勾配や曲線等による当該路線の制限速度を示す。臨時制限速度情報は、天候等の路線状況に応じて設定される制限速度を示す情報である。また、前方信号情報は、先行車両との間隔や進路の開通による信号機の現示に関わる情報である。

走行計画作成部１０４（作成部の一例）は、走行時間管理部１０２から出力される駅間の走行時間、および基準運転データ記憶部１１３に記憶される基準運転データに基づいて、列車が駅間を走行する際の走行計画を作成する。基準運転データとしては、次駅停車／通過時間／駅間における採時位置の通過時間等を示すデータである。採時位置は、駅間において通過時間を記録する位置である。走行計画は、駅間（所定区間の一例）における列車の速度（以下、目標速度と言う）を含む。本実施形態では、走行計画には、駅間の採時位置、当該採時位置への列車の到着時刻、および当該採時位置における列車の目標速度が含まれる。

自動運転部１０５は、走行計画作成部１０４により作成される走行計画に従って、駅間における列車の運行を制御する。本実施形態では、自動運転部１０５は、時刻補正部１０５ａと、定位置停止制御部１０５ｂと、自動運転制御部１０５ｃと、加減速決定部１０５ｄと、を有する。時刻補正部１０５ａは、走行計画作成部１０４により作成される走行計画が含む採時位置、到着時刻、および目標速度と、速度・位置算出部１０１により検出される現在位置、走行時間管理部１０２により取得した現在時刻、および速度・位置算出部１０１により検出された列車の速度と、を比較する。これにより、時刻補正部１０５ａは、ダイヤデータが示すダイヤに対する、列車の遅れまたは進みを計画誤差として検出する。そして、時刻補正部１０５ａは、検出した計画誤差を、走行計画作成部１０４に出力する。

定位置停止制御部１０５ｂは、時刻補正部１０５ａにより検出した計画誤差および走行計画作成部１０４により作成される走行計画に従って、到着駅への列車の停止を制御する。自動運転制御部１０５ｃ（算出部の一例）は、列車が走行する駅間の空気抵抗および路線条件の少なくとも一方に基づいて、列車の走行速度が、走行計画が含む目標速度となる、列車の加速度を算出する。例えば、自動運転制御部１０５ｃは、車両特性モデルを有しており、列車の速度に基づいた空気抵抗による減速度を示した空気抵抗情報、線路の勾配に基づいた勾配抵抗による減加速度を示す勾配抵抗情報、線路の曲率に基づいて曲線抵抗による減速度を示した曲率抵抗情報等に基づいて、列車の走行位置における走行抵抗を算出する。そして、自動運転制御部１０５ｃは、算出した走行抵抗により補正した列車の加速度を算出する。加減速決定部１０５ｄ（制御部の一例）は、自動運転制御部１０５ｃにより算出される加速度に従って、駅間における列車の加速および減速を制御する。

鉄道のように、ノッチの切り換えによって、列車の加速および減速を制御する運転方式を採用するシステムにおいては、列車を加速または減速する場合の当該列車の加速度を、当該加速度が得られるノッチに変換する必要がある。一般的に、列車の速度に応じたノッチの引張力が列車の特性として予め設定されている。そのため、本実施形態では、加減速決定部１０５ｄでは、列車の特性（例えば、列車の速度に応じた各ノッチの引張力、列車の乗車率等に基づく列車の重量）に基づいて、各ノッチによる列車の加速度を求める。そして、加減速決定部１０５ｄは、列車が有するノッチのうち、自動運転制御部１０５ｃにより算出される加速度を得るノッチに、列車のノッチを切り換えるものとする。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる自動運転制御装置による列車のノッチの制御処理について説明する。図２は、本実施形態にかかる自動運転制御装置による列車の速度変化およびノッチの制御結果の一例を示す図である。

図２において、横軸が列車の位置を表し、左側の縦軸が列車の速度を表し、右側の縦軸が列車のノッチを表している。また、図２において、破線が、従来の制御方式による列車のノッチの制御結果および走行速度の変化を示す。また、図２において、太い実線が線路の勾配を示し、細い実線が、本実施形態にかかる自動運転制御装置による列車のノッチの制御結果および走行速度の変化を示す。ここで、従来の制御方式は、列車のダイヤに基づいて設定された目標速度を基準として列車の走行速度のずれを許容する範囲（以下、バンドと言う）を設定し、列車の走行速度がバンド内に収まるように、列車のノッチを切り換える方式である。

これに対して、本実施形態の自動運転制御部１０５ｃは、線路の勾配に基づいた勾配抵抗による加減速度を加味した加速度を算出して、算出した加速度を得ることができるように、ノッチを切り換える。例えば、自動運転制御部１０５ｃは、上り勾配では、列車の加速度をマイナス側に補正し、下り勾配では、列車の加速度をプラス側に補正する。

図２に示すように、従来の制御方式では、列車のノッチが短い間隔で切り換えられている。これに対して、本実施形態にかかる自動運転制御装置では、列車のノッチが切り換えられる回数が、従来の制御方式よりも少ないため、列車の乗り心地や省エネ効果を向上させることができる。また、図２に示すように、本実施形態にかかる自動運転制御装置によって列車のノッチを切り換えた場合の列車の走行速度の変化が、従来の制御方式で列車のノッチを切り換えた場合の列車の走行速度の変化と、ほぼ一致している。よって、本実施形態にかかる自動運転制御方式によって列車のノッチを切り換えた場合でも、走行計画作成部１０４により作成された走行計画に従って、列車を走行させることができる。

このように、第１の実施形態にかかる自動運転制御装置によれば、走行速度を所定範囲に保つように制御する場合と比較して、線路の勾配を加味した加速度に従って走行速度を制御することにより、走行速度の変化を同程度に抑えながら、列車のノッチの切り換え回数を少なくすることができるので、列車の乗り心地や省エネ効果を向上させることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、切り換え後のノッチによる列車の加速の有意性が低い場合、ノッチの切り換えを緩解に置き換える例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

一般的に、列車が高速で走行している場合、低いノッチに切り換えても、列車が惰行している状態と変わらない。また、ブレーキと力行とを繰り返すと、列車の乗り心地が低下し、列車が有する各種機器のメンテナンスの面でも問題が生じ易くなる。そのため、本実施形態では、加減速決定部１０５ｄは、切り換え後のノッチによる列車の加速の有意性が低い場合、ノッチの切り換えを緩解に置き換える。これにより、列車のノッチが切り換えられる回数を減らすことができるので、列車の乗り心地や省エネ効果をより向上させることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、切り換え後のノッチによる列車の走行時間が所定時間より短い場合、ノッチの切り換えを行わない例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

列車が走行する路線の条件（例えば、細かい勾配の変化、トンネルの通過）によっては、ノッチの切り換えが短時間で繰り返し行われる場合がある。ノッチの切り換えが短時間で繰り返されると、列車の乗り心地が低下する上に、列車の速度の制御における有意性が低いことが多い。そこで、本実施形態では、加減速決定部１０５ｄは、切り換え後のノッチによる列車の走行時間が所定時間より短い場合、ノッチの切り換えを行わない。ここで、所定時間は、ノッチの切り換えを行わずに列車を走行させた場合に、列車の走行速度が目標速度を下回るまでの時間である。これにより、不要なノッチの切り換えを抑制できるので、列車の乗り心地を向上させることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、駅間における列車の走行条件に応じたノッチのうち最も重みが大きいノッチに切り換える例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

列車には、駅間の予め設定された区間（例えば、列車に電力を供給する変電所が切り替わる区間）では、ノッチを下げる必要があったり、惰行させる必要があったり、所定の走行速度までは予め設定された運転操作（例えば、ノッチの切り換え）で列車を加速させる必要があったり等の走行条件が求められる場合がある。そこで、本実施形態では、加減速決定部１０５ｄは、列車が切り換え可能な各ノッチに対して、重み付けを行う。その際、加減速決定部１０５ｄは、各ノッチに対する重み付けを、当該ノッチによる列車の走行による省エネ効果が高くなるに従って、大きくする。そして、加減速決定部１０５ｄは、駅間における列車の走行条件を満たすノッチのうち、最も重みが大きいノッチに切り換える。これにより、省エネ効果が高いノッチに切り換えられ易くすることができるので、列車の走行による省エネ効果を向上させることができる。

（第５の実施形態）
本実施形態は、最も重みが大きいノッチを優先して選択できるように、最も重みが大きいノッチが選択される区間の前後のノッチを変更することで、列車の平均速度が目標速度となる場合、列車のノッチを最も重みが大きいノッチに切り換える例である。以下の説明では、第４の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

本実施形態では、加減速決定部１０５ｄは、駅間における列車の走行条件を満たすノッチのうち、最も重みが大きいノッチで列車を走行させた場合の列車の走行速度の変化（以下、速度変化と言う）を算出する。そして、加減速決定部１０５ｄは、算出した速度変化の少なくとも一部において目標速度から外れるが、前後のノッチを変更することで、列車の平均速度が目標速度となる場合、列車のノッチを、当該最も重みが大きいノッチに切り換える。ここで、前後のノッチは、当該最も重みが大きいノッチに切り換わる前のノッチ、および当該最も重みが大きいノッチに切り換わった後のノッチである。例えば、加減速決定部１０５ｄは、最も重みが大きいノッチで列車が惰行した場合の速度変化の一部において、目標速度を１ｋｍ／ｈ上回り、かつ前後のノッチを下げることで、列車の平均速度が目標速度となる場合、列車のノッチを、当該最も重みが大きいノッチに切り換える。これにより、省エネ効果が高いノッチにより切り換え易くすることができるので、列車の走行による省エネ効果をより向上させることができる。一方、加減速決定部１０５ｄは、算出した速度変化の少なくとも一部において目標速度から外れ、かつ前後のノッチを変更することでも、当該最も重みが大きいノッチでの列車の平均速度が目標速度とならない場合、列車のノッチを、当該最も重みが大きいノッチに切り換えない。

（第６の実施形態）
本実施形態は、目標速度を基準として、列車の走行速度のずれを許容する制御範囲を設定し、列車の走行速度が制御範囲内となる列車の加速度を準最適な加速度として算出し、当該準最適な加速度に従って、列車の加速および減速を制御する例である。以下の説明では、上述の実施形態と同様の箇所については説明を省略する。

自動運転制御部１０５ｃは、走行計画が含む目標速度を基準として、高速度側および低速度側の少なくとも一方に対して、列車の走行速度のずれを許容する制御範囲を設定する。そして、自動運転制御部１０５ｃは、列車の走行速度が、当該設定した制御範囲となる列車の加速度を準最適な加速度として算出する。次いで、加減速決定部１０５ｄは、準最適な加速度での走行を指示する指示情報が入力された場合、当該準最適な加速度に従って、列車の加速および減速を制御する。これにより、省エネ効果を向上させることができるノッチや列車の乗り心地が向上するノッチに切り換わり易くすることができるので、省エネ効果および列車の乗り心地を向上させる可能性を高くすることができる。

図３は、第６の実施形態にかかる自動運転制御装置による列車の速度変化およびノッチの制御結果の一例を示す図である。図３において、横軸が列車の位置を表し、左側の縦軸が列車の速度を表し、右側の縦軸が列車のノッチを表している。また、図３において、破線が、従来の制御方式による列車のノッチの制御結果および走行速度の変化を示す。また、図３において、太い実線が勾配を示し、細い実線が、本実施形態にかかる自動運転制御装置による列車のノッチの制御結果および走行速度の変化を示す。

図３に示すように、本実施形態にかかる自動運転制御装置によるノッチの制御結果では、駅間においてノッチが切り換えられる回数が、従来の制御方式による自動運転制御装置によるノッチの制御結果と比較して、１０分の１に減少させることができ、かつ列車が惰行するノッチに切り換わり易くなっているので、省エネ効果および列車の乗り心地が向上していることが分かる。

このように、第６の実施形態にかかる自動運転制御装置によれば、省エネ効果および列車の乗り心地を向上させる可能性を高くすることができる。

なお、本実施形態の自動運転制御装置で実行されるプログラムは、ＲＯＭ（Read Only Memory）等に予め組み込まれて提供される。本実施形態の自動運転制御装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成しても良い。

さらに、本実施形態の自動運転制御装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の自動運転制御装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

本実施形態の自動運転制御装置で実行されるプログラムは、上述した各部（速度・位置算出部１０１、走行時間管理部１０２、制限速度作成部１０３、走行計画作成部１０４、および自動運転部１０５）を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（Central Processing Unit）が上記ＲＯＭからプログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、速度・位置算出部１０１、走行時間管理部１０２、制限速度作成部１０３、走行計画作成部１０４、および自動運転部１０５が主記憶装置上に生成されるようになっている。

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ことは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１ 速度・位置算出部
１０２ 走行時間管理部
１０３ 制限速度作成部
１０４ 走行計画作成部
１０５ 自動運転部
１０６ 車両特性データ記憶部

Claims (7)

1. 所定区間における列車の目標速度を含む走行計画を作成する作成部と、
   前記所定区間の空気抵抗および路線条件の少なくとも一方に基づいて、前記所定区間における前記列車の走行速度が前記目標速度となる前記列車の加速度を算出する算出部と、
   算出される前記列車の加速度に従って、前記所定区間における前記列車の加速および減速を制御する制御部と、
   を備えた自動運転制御装置。
2. 前記制御部は、前記列車の特性に基づいて、当該列車の各ノッチによる加速度を求め、かつ前記ノッチのうち、前記算出部により算出される加速度を得る前記ノッチに切り換える請求項１に記載の自動運転制御装置。
3. 前記制御部は、切り換え後の前記ノッチによる前記列車の加速の有意性が低い場合、前記ノッチの切り換えを緩解に置き換える請求項２に記載の自動運転制御装置。
4. 前記制御部は、切り換え後の前記ノッチによる前記列車の走行時間が所定時間より短い場合、前記ノッチの切り換えを行わない請求項２に記載の自動運転制御装置。
5. 前記各ノッチに対する重み付けを、前記ノッチによる前記列車の走行による省エネ効果が高くなるに従って、大きくする重付部をさらに備え、
   前記制御部は、前記所定区間における前記列車の走行条件に応じた前記ノッチのうち最も重みが大きい前記ノッチに切り換える請求項２に記載の自動運転制御装置。
6. 前記制御部は、前記最も重みが大きいノッチで前記列車を走行させた場合の前記列車の速度変化を算出し、当該算出した速度変化の一部において前記目標速度を外れ、かつ前後の前記ノッチを変更することで、前記最も重みが大きいノッチでの前記列車の平均速度が前記目標速度となる場合、前記列車の前記ノッチを前記最も重みが大きいノッチに切り換える請求項５に記載の自動運転制御装置。
7. 前記算出部は、前記目標速度を基準として、前記列車の走行速度のずれを許容する制御範囲を設定し、前記列車の走行速度が前記制御範囲内となる前記列車の加速度を準最適な加速度として算出し、
   前記制御部は、前記準最適な加速度に従って、前記列車の加速および減速を制御する請求項１から６のいずれか一に記載の自動運転制御装置。

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