JP2022538268A - 車両、特に鉄道車両の制動距離を動的に最適化する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両、特に鉄道車両の制動距離を動的に最適化する方法と、この方法を実施する装置と、車両の制動距離の再現性を改善するためにこの方法を自動的に実施するコンピュータプログラム製品とに関する。この方法により、さまざまな計算時点における車両速度（ｖｉｓｔ）と、車両に作用する加速度（ａｉｓｔ）とが使用されて、理想的な条件下の公称制動距離（ｓｎ）と、実際に予想される制動距離（ｓａ）とが比較対照される。偏差が生じている場合には、最初にあらかじめ設定されたる制動距離を引き続いて達成できるようにするために、計算時点に引き続いて、場合によっては目標値を減速度に適合させる。

Description

本発明は、車両、特に鉄道車両の制動距離を動的に最適化する方法と、この方法を実施する装置と、この方法を自動的に実施するコンピュータプログラム製品とに関する。

あらゆるタイプの車両の重要な安全面の１つは、その制動特性である。鉄道車両では、レールと車両との間の粘着が特に重要である。粘着は、気候条件のような外部状況により、迅速かつ急激に変化することがあり、これにより、制動距離の予測も再現性も格段に困難になってしまう。

ここでは、車輪に加わる全制動力をあらかじめ設定された目標値に調整するいわゆる減速度制御が使用されることが多い。この減速度制御は、例えば、摩擦ブレーキの摩擦係数の許容差を補償することができる。しかしながら、あらかじめ設定された目標値が、外部の影響に起因して、例えば、レールと車輪との間の力結合が減少することにより、全制動持続時間にわたって維持することができないことがある場合、これに対応して制動距離が長くなってしまう。

これは、車両の停車場でのブレーキングの際に、車輪とレールとの間の粘着が少なくなったことが識別され、これに基づいてレールの砂撒きのようなスリップ予防手段が講じられる場合でもある。車輪とレールとの間の力結合をこのように所期のように改善することによって確かに、それ以降に目標減速度が再度達成されるようにすることができるが、減少された力結合（図１を参照されたい）による所定の期間内のこの制動は、より小さな減速度に、したがって全体としてより長い制動距離に結び付いてしまう。

したがって制動には一般に複数のばらつきがつきものであり、それらの原因は、従来の減速度制御によっては部分的にしか補償できないのである。

このことのマイナスの結果は、例えば、所望の最終位置に車両が停止しないことであり、このことは結果的に、正確な目標制動が必要である（例えば、プラットホームドアを備えた駅において）特に交通網において、遅延と、乗客にとっての快適さの喪失とをもたらし得る。

これらのケースではこのために、列車を可能な限りにピンポイントで停止させるという目標設定を有する自動列車運転（ＡＴＯ：automatic train operation）システムが使用される。しかしながらこれらのシステムは、例えば位置の識別のためにインフラストラクチャに特別な準備対策を必要とするという欠点を有する。

したがって本発明の課題は、制動距離の高い再現性を得ることができる方法を提供することである。これは、制動中の、例えば、一時的な制動力喪失または障害を補償制御する際の一時的な偏差のような外部的な影響による、一時的に発生する障害および長期的に発生する障害の両方のケースに当てはまる。この際に制動距離の再現性は、インフラストラクチャにおける準備対策を設ける必要なしに、任意の区間において示されるようにすべきである。

この課題は、独立請求項に記載された方法と、他の独立請求項に記載された装置およびコンピュータプログラム製品とによって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

鉄道車両の制動距離を最適化する方法は、一連のステップを有する。決定された目標減速度ａ_ｓｏｌｌで時点ｔ_０に制動が開始されるとまず、制動距離を最適化するシステムによってこの制動を検出する。引き続き、時点ｔ_０とこれに続く時点ｔとの間の車両の実際速度ｖ_ｉｓｔも車両に実際に作用する加速度ａ_ｉｓｔも特定する。この際に目標減速度ａ_ｓｏｌｌは、一定値に確定されず、一般に一定でない経過に対応する。

これに続いて、公称制動距離ｓ_ｎおよび予想される現実制動距離ｓ_ａを計算する。公称制動距離ｓ_ｎは、車両に作用する目標減速度ａ_ｓｏｌｌで、時点ｔ_０における制動トリガの点から、所望の最終速度に車両を減速するために必要な制動距離である。公称制動距離ｓ_ｎは、２つの部分で捉えることが可能である。最初の部分は、現時点ｔまですでに進んで来た公称制動距離ｓ_ｎ１であるのに対し、別の部分は、さらに進むべき公称制動距離ｓ_ｎ２を表す。全公称制動距離ｓ_ｎは、あらかじめ設定された目標減速度ａ_ｓｏｌｌと、制動開始の時点ｔ_０に実際に検出された車両の速度ｖ_０とから計算される。あらかじめ設定された目標減速度ａ_ｓｏｌｌの経過は、例えば、時間、車両の速度および／または車両が存在する位置に依存する関数によって与えられてよい。しかしながらこれは定数関数であってもよい。

予想される現実制動距離ｓ_ａも同様に２つの区間に分割可能である。一方では、制動開始の時点ｔ_０から計算時点ｔまでのこれまでの現実制動距離ｓ_ａ１に、また他方では、計算開始時点ｔから所望の最終速度に到達する時点までに、残存して予想される現実残余制動距離ｓ_ａ２に分割可能である。これまでの現実制動距離ｓ_ａ１は、時点ｔ_０と計算時点ｔとの間の制動区間において、求められた速度経過ｖ_ｉｓｔから求められる。

制動中に現実制動距離と公称制動距離との間に起こり得る偏差は、さまざまな理由から生じ得る。特に、その原因は、例えば、ディスクブレーキではブレーキシューとディスクとの間の最適でない摩擦値、または車輪とレールとの間の粘着の減少に起因するとみなすことができる。

次のステップでは、所定される修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}に依存して、さらに進むべき現実制動距離ｓ_ａ２を計算公式として定式化する。修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、パラメータ依存の関数として定式化可能である。この関数は、目標減速度ａ_ｓｏｌｌと、時間と、列車の速度と、位置とに依存していてよい。これらのパラメータにより、目標減速度経過の形状が確定され、すなわち、制動の異なる領域において、どの程度の強さで制動されるかが確定される。

次のステップとして、修正目標減速度を特定するという目的で、時点ｔにおける理論的な公称制動距離ｓ_ｎと、実際に予想される現実制動距離ｓ_ａとの間の差分を最小化する。このために、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}に依存して、予想される全体の現実制動距離ｓ_ａ（ｓ_ａ＝ｓ_ａ１＋ｓ_ａ２）についての公式に、さらに進むべき現実制動距離ｓ_ａ２についての定式化を代入する。これは、理論的な公称制動距離ｓ_ｎと、実際に予想される現実制動距離ｓ_ａとの間の差分を消去するためにこれらの２つの量を同一視する最小化の選択肢である。公称制動距離ｓ_ｎも、予想される現実制動距離ｓ_ａも（上記を参照されたい）、すでに進んで来た区間と、さらに進むべき区間とから組み立てられ、予想される現実制動距離の、さらに進む制動距離ｓ_ａ２は、数式のただ１つの可変の構成部分を表し、この制動距離ｓ_ａ２には、今後の修正目標減速度を選択することによって影響を及ぼすことができる。したがって、時点ｔの後の期間についての、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、目標減速度ａ_ｓｏｌｌに依存して特定可能であり、この目標減速度ａ_ｓｏｌｌにより、制動の以降の経過において、すでに通過した現実制動距離ｓ_ａ１と、すでに通過した公称制動距離ｓ_ｎ１との間で場合によっては生じる偏差が補償され、これにより、全体公称制動距離ｓ_ｎを維持することができる。

修正目標減速度がパラメータ依存の関数によって定式化される上で述べたケースでは、最小化の際に関数のパラメータは、現実制動距離ｓ_ａと公称制動距離ｓ_ｎとの間の偏差が可能な限りに小さくなるように特定される。

最後の方法ステップには、車両に実際に作用する減速度ａ_ｉｓｔと、車両の実際の速度経過ｖ_ｉｓｔとを求めることを含む方法ステップの後の手順の繰り返しが含まれている。繰り返しの間隔、ひいては制動区間の間隔は、時間間隔Δｔによって決定され、この時間間隔Δｔそれ自体は、時点ｔ_０、ｔ、ｔ＋Δｔなどの間の間隔として定義される。現在の計算ステップの時点ｔ＋Δｔは、次の計算についての時点ｔになる等々である。

このようにして求められた修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は引き続き、修正目標減速度を達成するために必要な制動圧力を計算して次に制動を適合させる装置に伝送される。

本発明の有利な実施形態では付加的に、例えば衛星利用位置特定システムを介して車両の位置を求める。

これにより、制動トリガの位置と、制動が終了すべきでありかつ車両が所望の速度を有する、車両の目標最終位置との特定が可能になる。これらの２つの位置データと、制動開始時の列車の速度ｖ_０とを介して、上記の２つの位置間の目標減速度ａ_ｓｏｌｌが計算可能である。

別の有利な実施形態では、車両運転者または上位のシステム、例えば、「自動列車運転」システムによって目標減速度ａ_ｓｏｌｌを定めることができる。この場合にこの実施形態では、車両の目標最終位置と、定められた目標減速度と、制動トリガの第１時点における車両の速度ｖ_０とを介して、制動をトリガしなければならない位置が計算可能である。

好適には、目標減速度ａ_ｓｏｌｌからの、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}の偏差は、快適さの喪失を阻止するために、またはそれどころか乗客を不必要に危険にさらすことを阻止するために、あらかじめ定められた所定の境界内だけにおいて選択可能である。この境界設定は、絶対的にも、目標値に対して相対的にも決定することが可能であるか、または別の状態量に依存していてよい。

好適にはさらに、制動の目標経過からの制動の偏差の補償が、決定された時間窓内で行われるように、それぞれ制動区間の個々の目標減速度ａ_ｓｏｌｌを選択する。これによって保証することができるのは、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}の経過が、決定された境界内だけで、目標減速度ａ_ｓｏｌｌから相違することである。このことはさらに、与えられた時点に、場合によっては後に制動経過において相次ぐ偏差に、より良好に反応できるという利点を有する。というのは、これにより、異なる制動区間の個々の偏差が加算されてしまうという危険性が低減されるからである。

別の有利な実施形態では、時点ｔにおける公称制動距離ｓ_ｎを計算するために、好適には、目標減速度ａ_ｓｏｌｌの代わりに、基準モデル、例えば物理モデルを介して特定される基準減速度ａ_ｒｅｆを使用する。この実施形態の利点は、基準モデルを使用することにより、列車およびブレーキシステムから成るシステムの動的特性が考慮され、ひいては、公称制動距離ｓ_ｎを計算する際に現実の物理的な制限が考慮されることにより、公称制動距離ｓ_ｎの計算の精度が格段に改善されることである。

好適にはさらに、方法ステップ（Ｅ）において付加的に、時点ｔにおける修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}と目標減速度ａ_ｓｏｌｌとの差分を計算し、減速度制御をさらに改善するためにこの減速度制御に同様にインプットする実施形態が提供される。

本発明の有利な実施形態では、方法ステップ（Ｂ）において、車両に実際に作用する加速度ａ_ｉｓｔを求めるために、車両の少なくとも１つの減速度センサおよび／または速度信号を使用する。このようなセンサもしくは信号を使用することにより、比較的容易かつ信頼性の高い加速度ａ_ｉｓｔの検出が可能である。

本発明の別の実施形態では、検出される実際の減速度ａ_ｉｓｔによって時点ｔまで更新される、制動開始時の車両の速度ｖ_０に基づいて、現実制動距離ｓ_ａを特定するために所定の計算時点に車両の速度ｖ_ｉｓｔを求める。したがって速度ｖ_ｉｓｔは、制動開始時の車両の速度ｖ_０と、検出された減速度ａ_ｉｓｔとから計算される。

本発明の別の有利な実施形態では、現実制動距離ｓ_ａの特定のために、車両の適切な速度センサに基づいて実際の速度経過ｖ_ｉｓｔを測定する。測定された速度経過を以下では、ｖ_{ｉｓｔ，ｇｅｍ}と記す。

本発明の有利な実施形態ではさらに、第１方法ステップ、すなわち制動の検出に続く複数の方法ステップを、第１方法ステップに対して時間的にずらして実行する。

本発明の別の有利な実施形態では、残余制動距離ｓ_ａ２の定式化のために、求めた速度経過ｖ_ｉｓｔを使用する。

本発明の別の有利な実施形態では、公称制動距離ｓ_ｎを特定するために設定される目標減速度ａ_ｓｏｌｌは、時間および／または速度および／または位置の関数であるか、または定数である。

本発明の有利な実施形態では、残りの現実制動距離ｓ_ａ２を計算するために、公称制動距離ｓ_ｎと、予想される現実制動距離ｓ_ａとの間の偏差をゼロに等しく設定する。この手法は、公称制動距離ｓ_ｎと現実制動距離ｓ_ａとの間の偏差を最小化する１つの選択肢である。

上記の方法を実施するのに必要な装置は、以下の構成部分を有する。すなわち、方法ステップ（Ｂ）用に車両の速度データおよび加速度データを取り込むセンサシステムと、センサシステムによって検出されるデータかまたはその他のデータを記憶する記憶ユニットと、記憶されたデータを処理する計算ユニットと、上記の方法に必要なデータおよび命令を受け取る通信ユニットと、車両運転者による装置の操作を安全に行いかつ情報を出力することが可能な操作インタフェースと、を有する。

さらに、コンピュータプログラム製品は、請求項１から１５のいずれか１項記載の方法を自動的に実施するように構成されている。

以下では図面に基づき、本発明を詳細に説明する。

従来技術による減速度制御を説明するために使用される減速度・時間線図である。 本発明の減速度制御を説明するために使用される減速度・時間線図である。 本発明の減速度制御を説明するために使用される速度・時間線図である。 本発明による減速度制御「停止距離制御」の実施形態のフローを示す図である。 基準減速度ａ_ｒｅｆを説明するための減速度・時間線図である。 車両のブレーキシステムに本発明による方法を実装する実施例を示す図である。 異なる３つのシナリオに対し、時間についてシミュレートされる異なる３つの減速度の対比を示す図である。 車両のブレーキシステムに実装するための別の実施例を示す図である。 車両のブレーキシステムに実装するためのさらに別の実施例を示す図である。

図１には、減速動時に従来技術による減速度制御において生じ得るような、時間ｔに応じた減速度ａの経過が示されている。この線図には２つのグラフが示されている。一方のグラフは、減速度についての目標設定値ａ_ｓｏｌｌ（実線）を表しているのに対し、他方のグラフ（破線）は、実際に生じる減速度ａ_ｉｓｔを再現する経過を表している。減速度を構成する際に観察され得るのは、目標減速度のあらかじめ設定された最終値に到達するまで、実際の経過が、目標値経過を追従することである。さらに、実際に測定された減速度の低下を識別することができ、測定された減速度ａ_ｉｓｔの経過は、引き続いて再度、目標値経過ａ_ｓｏｌｌに適合される。

測定された減速度ａ_ｉｓｔのこのような低下は、例えば、車輪とレールとの間の粘着度が比較的低い区間に起因するとみなすことができる。この比較的低い粘着度それ自体は、例えば、レールの上の濡れた葉、またはちりおよび水分によって生じる油膜のような不利な外部条件に起因するとみなすことができる。図１において見てとることができるように、測定された減速度ａ_ｉｓｔが、低下に引き続いて、再び目標値経過ａ_ｓｏｌｌに適合させられるという事実には、複数の理由が考えられ得る。例えば、粘着度の比較的低い領域は、極めて局所的にのみ発生しているか、それとも例えばレールの砂撒きのような、車輪とレールとの間の力結合を元通りに改善し、ひいてはあらかじめ設定された目標減速度を再び可能にする、粘着度を改善する手段が使用されていることが考えられる。

しかしながら注意すべきであるのは、粘着度を改善する手段の使用も、たいていの場合にやや遅れて使用されることと、反応時間が存在することとに起因して、車輪とレールとの間の力結合の一時的な低下を阻止できないことである。したがってこのようなケースでは、目標値が減速度に適合されない限り、制動距離が長くなってしまうことは不可避である。このような事実により、例えば本発明によって提案されるような減速度の改善された制御が必要であることを理由付けすることができる。

図１とは異なり、図２には、本発明による減速度の制御において生じ得る、時間ｔに応じた減速度ａの経過が示されている。ここでも観察できるのは、あらかじめ設定された、減速度の一定の目標値に到達するまで、測定された減速度ａ_ｉｓｔが目標減速度ａ_ｓｏｌｌを追従することである。同様に、図１のように、粘着度が低いことに起因する、測定された減速度の低下を観察することができる。しかしながら図２では、減速度の既知の一定の目標経過に加えて、点線による別の目標経過を識別することができる。これは、本発明にしたがった制御による減速度の修正目標値経過ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}を表しており、低下しかつ測定された実際減速度ａ_ｉｓｔに起因して変化している。識別できるように、修正目標値経過の減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、実際減速度ａ_ｉｓｔの低下中、より大きくなっている。車輪とレールとの間の力結合が正常化された後、実際減速度ａ_ｉｓｔは、目標値経過ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}に適合し、車両のより強い減速度を達成することができる。これにより、減速度の小さい領域を補償して、実際減速度の一時的な低下にもかかわらず、最初に意図した制動距離を同様に達成することができる。

図３には、本発明による減速度制御の作用を例証する別の線図が示されている。図示された線図により、車両の速度と時間ｔとの間、もしくは目標減速度ａ_ｓｏｌｌおよび実際減速度ａ_ｉｓｔと時間ｔとの間の関係が示されている。ここでこの線図は、現在の計算時点によって定められる２つの領域に分かれている。

この計算時点の前、車両は、設定された目標減速度ａ_ｓｏｌｌ（実線）に起因して生じる、破線で示した現実測定減速度ａ_ｉｓｔで制動される。この際に識別できるのは、実際に測定された実際減速度が、あらかじめ設定された目標値に到達せず、かつ例えば、レールと車輪との間の変化する粘着係数に起因して一定でないことである。制動の際に生じる速度経過（破線）は、センサによって測定され、実際減速度の経過に起因して生じる。

計算時点ｔの後、速度グラフの傾きの変化が識別可能である。変化する傾きは、一点鎖線によって表された修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}によって理由付けすることができる。修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、本発明による方法によって計算され、計算時点の前のこれまでの目標減速度ａ_ｓｏｌｌよりも大きい。これは、これまで現実減速度が、これまでの目標減速度から偏差していることに起因するものとみなすことができる。すなわち、目標減速度から実際減速度が偏差していない場合の最適な制動において生じ得た公称制動距離ｓ_ｎを維持できるようにするためには、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、従来の目標減速度よりも大きくなくてはならない。ここで注意すべきであるのは、計算時点ｔの後の修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}のグラフおよび速度経過のグラフは、単に計算された値を表すことである。したがってこの場合に計算時点ｔにおいて仮定されるのは、計算時点ｔの後、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}が一定のままになることである。そうでない場合、表されていない後の計算時点には更新された値によって目標減速度の計算が結果的に実行され、これによって目標減速度がさらに適合される。

図４には、修正減速度経過ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}の計算の、本発明による基本的なフローの実施形態が示されている。例えば、車両運転者または上位のシステムにより、外部からあらかじめ設定された目標減速度ａ_ｓｏｌｌに基づき、最初に基準減速度ａ_ｒｅｆを求める。このステップは必須である。というのは、実践的にはブレーキシステムの慣性に起因して、例えば、空気圧式制動圧の構成により、１つの時点から別の時点に減速度の必要な目標値を設定することはできないからである。したがって公称制動距離ｓ_ｎの計算のためには、現実的な減速度経過を特定しなければならない。これが、基準減速度ａ_ｒｅｆである。

目標減速度ａ_ｓｏｌｌと基準減速度ａ_ｒｅｆとの間の違いは図５によって示されている。図５には、減速度が時間についてプロットされている別の線図が示されている。ここでは目標減速度ａ_ｓｏｌｌの経過および基準減速度ａ_ｒｅｆの経過が示されている。目標減速度ａ_ｓｏｌｌが跳躍的に値０から一定の目標値に増大するのに対し、基準減速度ａ_ｒｅｆのグラフは、はじめのうちは次第に増加し、一定の目標値にゆっくり接近し、後になってはじめて結果的にこれに到達する。したがって基準減速度ａ_ｒｅｆは、真の目標減速度ａ_ｓｏｌｌを追従する。

目標減速度ａ_ｓｏｌｌの設定値に加えてさらに、実際に作用する減速度ａ_ｉｓｔおよび速度ｖ_ｉｓｔの測定値が、図４のシステムに供給される。目標減速度ａ_ｓｏｌｌから基準減速度ａ_ｒｅｆを特定した後、基準減速度ａ_ｒｅｆと、制動トリガ時の速度ｖ_０、すなわち速度経過ｖ_ｉｓｔの一部とに基づいて、公称制動距離ｓ_ｎを求める。さらにこれと同様に、検出された実際減速度ａ_ｉｓｔと速度ｖ_０とから、予想される現実制御距離ｓ_ａを特定する。公称制動距離ｓ_ｎも予想される現実制動距離ｓ_ａも２つの区間部分から構成される。一方では、進んで来た区間ｓ_１から、他方では、さらに進むべき区間ｓ_２から構成される。これらの部分区間は、次のように特定される。

・進んで来た公称制動距離は、
ｓ_ｎ１＝ｆ(ａ_ｒｅｆ，ｖ_０)＝∫ｖ_０＋∫∫ａ_ｒｅｆ(ｔ) （１）
である。例えば、物理モデルに基づいて特定を実行することができる適切な物理モデルがないために基準減速度ａ_ｒｅｆを特定することができない場合、基準減速度ａ_ｒｅｆの代わりに、目標減速度ａ_ｓｏｌｌを上の数式（１）に直接に代入する。

・進んで来た現実制動距離は、
（ａ）制動開始時の速度ｖ_０と、検出された減速度ａ_ｉｓｔとに基づき、
ｓ_ａ１＝ｆ(ａ_ｉｓｔ，ｖ_０)＝∫ｖ_０＋∫∫ａ_ｉｓｔ(ｔ) （２）
であるか、または
（ｂ）測定された速度（ｖ_{ｉｓｔ，ｇｅｍ}）に基づき、
ｓ_ａ１＝∫ｖ_{ｉｓｔ，ｇｅｍ}(ｔ) （３）
である。

・進むべき公称残余制動距離は、
ｓ_ｎ２＝ｆ(ａ_ｓｏｌｌ，ｖ(ｔ)）＝ｖ(ｔ)^２／２ａ_ｓｏｌｌ （４）
であり、ｖ(ｔ)は、測定された速度ｖ_{ｉｓｔ，ｇｅｍ}、または測定された加速度ａ_ｉｓｔと制動開始時の速度ｖ_０とに基づいて計算された速度ｖ_{ｉｓｔ，ｃａｌｃ}(ｔ)＝ｖ_０＋∫ａ_ｉｓｔ(ｔ)であってよい。

・進むべき現実残余制動距離は、
ｓ_ａ２＝ｆ(ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}，ｖ(ｔ))
＝制動最適化の結果としての制動の終了までの目標設定値 （５）
であり、ｖ(ｔ)は、測定された速度ｖ_ｉｓｔ、または測定された加速度ａ_ｉｓｔと制動開始時の速度ｖ_０とに基づいて計算される速度ｖ_{ｉｓｔ，ｃａｌｃ}(ｔ)＝ｖ_０＋∫ａ_ｉｓｔ(ｔ)であってよい。

したがって公称制動距離と、予想される制動距離との間の偏差ｅは、
ｅ＝ｓ_ａ１＋ｓ_ａ２－ｓ_ｎ１－ｓ_ｎ２ （６）
となる。

この方法の目標が、制動距離の再現性を可能な限りに正確に達成することであるという事実に起因して、偏差ｅを最小化する。図４に示した実施形態では、このために偏差ｅをゼロに等しく設定する。４つの部分区間のうちで、さらに進むべき現実残余制動距離ｓ_ａ２だけが、減速度経過を適切に選択することによって変更可能である。したがって、予想される現実残余制動距離ｓ_ａ２と、ここからさらに修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}とが計算可能である。このために、進むべき現実残余制動距離ｓ_ａ２（数式５）の表現を、上で説明した偏差の式（数式６）に代入可能である。さらに、新たな目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}と目標減速度ａ_ｓｏｌｌとの間の偏差ａ_{ｄｅｌｔａ}を特定する。これは次に別の入力変数として減速度制御に使用可能である。

時点ｔと時点ｔ＋Δｔとの間の、制動区間を定める時間間隔Δｔの後、この方法を繰り返して、時点ｔ＋Δｔについての公称制動距離ｓ_ｎと、予想される現実制動距離ｓ_ａとを新たに求める。現実制動距離ｓ_ａが公称制動距離ｓ_ｎに対応する場合、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}に以下が成り立つ。すなわち、修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、目標減速度ａ_ｓｏｌｌに等しくなる。したがって目標減速度ａ_ｓｏｌｌは、維持される。そうでない場合、別の修正目標減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}を計算する。車両が所望の最終速度に到達するまでこれを行う。停止に至るまでの車両の減速が所望される場合、すなわち所望の最終速度が０に等しい場合、実践的には０に近い速度において、すでに目標減速度の補正を中断する。プラットホームドアを備えた駅に列車が乗り入れて、特に正確な列車の停止が重要である冒頭に述べたケースについては、車両の正確な停止位置を保証するために上記の補正を可能な限りに遅く中断する。この際には、それぞれの計算ステップについて、前の計算ステップの時点ｔ＋Δｔが、新たな時点ｔになる。

図６は、第１実施例を表しており、かつ車両の減速度制御と共に本発明による方法をどのように実装できるかを示している。ここでは「停止距離制御器（Stopping Distance Controller）」と称されるこの方法では、図４で説明した手順にしたがい、最初にあらかじめ設定される目標減速度ａ_ｓｏｌｌと、上記の時点までに実際に車両に作用する減速度ａ_ｉｓｔとから、修正目標設定値ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}が求められる。修正目標設定値ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}は、（入力値ａ＿ｓｏｌｌと同様に）一定の値であっても、減速度の動的な目標値経過であってもよい。

修正目標設定値は引き続いて、測定された実際減速度と同様に、車両の減速度制御についての入力パラメータを表す。実際に測定された加速度から出発して、減速度制御部により、減速度ａ_{ｓｏｌｌ，ｓｔｒｇ}が求められる。減速度制御のこの調整量から制動力（Ｆ_１、Ｆ_２、…）およびその分配が計算される。「停止距離制御器」と、減速度制御部と、制動力の計算部とは、列車の電子制動制御の構成部分である。このようにして得られたデータは結果的に、対応するアクチュエータシステムを介して変換される。ここから結果的に得られる加速度ａ_ｉｓｔおよび速度経過ｖ_ｉｓｔはここでも、対応する車両センサによって検出され、これに続く計算のために「停止距離制御器」もしくは減速度制御部にフィードバックされる。

図７には、異なる３つのシナリオに対し、シミュレートされる異なる減速度経過の対比が示されている。これらの３つのシナリオでは、それぞれ異なる境界条件に対し、同じ車両についての制動距離が、すべてのシナリオについて同じ速度でシミュレートされている。それぞれ減速度経過は、図７の異なる３つの減速度・時間線図に示されている。ここでは、減速度制御部を備えたシステムを仮定している。

図７の表から見て取ることができるように、シナリオＡでは、粘着度は、全制動持続時間にわたって１００％である。したがってここでは理想的な条件が整っている。というのは、車輪とレールとの間の力結合は、制動のどの時点にも減少しておらず、したがって車輪とレールとの間の滑りは発生しないからである。したがってシナリオＡについての線図における実際減速度経過ａ_ｉｓｔは、一定の減速度値が構成される際の小さな差分を無視すれば、目標減速度経過ａ_ｓｏｌｌで一定である。したがって車両は、全制動持続時間にわたって一定の目標減速度で減速可能である。これによって生じるこの車両についての制動距離は８００ｍである。理想的な条件に起因して、このシナリオでは、本発明による「停止距離制御（ＳＤＣ：Stopping Distance Control）」を使用することの利点は得られない。したがってこのシナリオは、別の２つのシナリオについての基準シナリオとみなすことが可能である。

これに対し、シナリオＢは、理想的な条件から逸脱している。というのは、（約５秒～１２秒の）領域において粘着度は、例えば不利な外部条件に起因して、９０％でしかないからである。したがってこの期間の間、車輪とレールとの間にはわずかな滑りがあり、したがってこの期間においては実際減速度ａ_ｉｓｔによって目標減速度ａ_ｓｏｌｌに到達することはできない。本発明による方法は、シナリオＢにおいても同様に使用されず（ＳＤＣはインアクティブ）、これにより、制動距離は、基準シナリオＡにおける８００ｍから８１７ｍｍに伸びている。

最後にシナリオＣではＳＤＣはアクティブであるのに対し、約５秒～１２秒間の領域において粘着度は、シナリオＢと同様に９０％でしかない。シナリオＣの線図において識別できるように、目標設定値は、この部分区間において低下した粘着度に応じて、制動の残りについて上げられる。これによって結果的に、減速度の実際値は、粘着度が低下した部分区間を通過すると直ちに目標値を追従し、これにより、より大きな減速度で制動されることになる。車両はその結果、８００ｍの後、停止し、したがって粘着度の低下した部分区間にもかかわらず、基準シナリオＡと同様に同じ制動距離を達成することができた。

要約すると、本発明は、鉄道車両の制動距離を動的に最適化する方法と、この方法を実施する装置と、鉄道車両の制動距離の再現性を改善するためにこの方法を自動的に実施するコンピュータプログラム製品とに関する。この方法により、さまざまな計算時点に測定された車両速度ｖ_ｉｓｔと、車両に作用する加速度ａ_ｉｓｔとが使用されて、理想的な条件下の公称制動距離ｓ_ｎと、実際に予想される制動距離ｓ_ａとが比較対照される。偏差が生じている場合には、最初にあらかじめ設定された制動距離を引き続いて達成できるようにするために、計算時点に続いて、場合によっては目標値を減速度に適合させる。

ａ 減速度
ａ_ｉｓｔ 車両に実際に作用する減速度（実際減速度）
ａ_ｓｏｌｌ あらかじめ設定された目標減速度
ａ_ｒｅｆ 基準減速度
ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ} 修正目標減速度
ａ_{ｄｅｌｔａ} 修正目標減速度とあらかじめ設定された目標減速度との間の差分
ｖ_ｉｓｔ 求められた速度経過
ｖ_{ｉｓｔ，ｇｅｍ} 測定された速度経過
ｖ_{ｉｓｔ，ｃａｌｃ} 制動開始時の速度と、測定された減速度とから計算される速度経過（計算された速度経過）
ｖ_０ 制動トリガ時の速度
ｔ_０ 制動トリガの時点
ｓ_ｎ 公称制動距離
ｓ_ａ 実際制動距離
ｔ 計算の時点
ｔ＋Δ 時点ｔに続く時点
Δｔ 時点ｔ_０と時点ｔとの間の期間

Claims (17)

1. 車両の制動距離を最適化する方法であって、前記方法は、
   （Ａ）時点（ｔ_０）に、所定の目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）による制動を確認するステップと、
   （Ｂ）前記時点（ｔ_０）と時点（ｔ）との間の前記車両に実際に作用する減速度（ａ_ｉｓｔ）と、前記車両の実際速度経過（ｖ_ｉｓｔ）とを求めるステップと、
   （Ｃ）設定された目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）と、制動トリガの前記時点（ｔ_０）に実際に検出された前記車両の前記速度（ｖ_０）とから前記車両の公称制動距離（ｓ_ｎ）を特定するステップと、
   （Ｄ）求めた前記速度経過（ｖ_ｉｓｔ）に基づき、前記時点（ｔ）におけるそれまでの現実制動距離（ｓ_ａ１）を計算するステップと、
   （Ｅ）修正目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）に依存して、残りの現実残余制動距離（ｓ_ａ２）を定式化するステップと、
   （Ｆ）前記公称制動距離（ｓ_ｎ）と、予想される前記現実制動距離（ｓ_ａ）との間の差分を最小化することにより、計算時点後の今後の制動についての前記車両の前記修正目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）を特定するステップと、
   （Ｇ）前記車両の所望の最終速度まで、前記時点（ｔ_０）および前記時点（ｔ）間の定められた時間間隔（Δｔ）で、方法ステップ（Ｃ）～（Ｆ）を繰り返すステップと、
   を有する、方法。
2. 前記修正目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）は、時間および／または速度および／または位置に依存する、パラメータ依存の関数であり、かつ／または定数であり、方法ステップ（Ｆ）において前記関数のパラメータを特定することにより、前記修正目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）を特定する、請求項１記載の方法。
3. 前記制動トリガの位置と、前記車両の目標最終位置とから前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）を算出する、請求項２記載の方法。
4. 車両運転者または上位のシステム、特に「自動列車運転」システムによって前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）を定め、ひいては制動開始の位置を計算する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 最初の前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）に対して相対的にまたは絶対的に、前記修正目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）についての境界が設定可能である、請求項４記載の方法。
6. 前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）に対する偏差の補償が、決定された時間窓で行われるように前記目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）を選択する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記公称制動距離（ｓ_ｎ）を計算するために、前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）の代わりに、基準モデル、特に物理モデルを介して、特定されかつシステムの動的特性を考慮する基準減速度（ａ_ｒｅｆ）を使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 方法ステップ（Ｆ）では付加的に、前記修正目標減速度（ａ_{ｓｏｌｌ，ｍｏｄ}）と、あらかじめ設定される前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）との差分を計算し、前記差分を同様に減速度制御にインプットする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 方法ステップ（Ｂ）では、制動開始時の速度（ｖ_０）および前記実際減速度（ａ_ｉｓｔ）に基づいて実際の前記速度経過（ｖ_ｉｓｔ）を求め、このようにして求めた速度（ｖ_{ｉｓｔ，ｃａｌｃ}）を、方法ステップ（Ｄ）における前記現実制動距離（ｓ_ａ）の前記計算に使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 方法ステップ（Ｂ）では、前記車両の適切なセンサによって前記実際速度経過（ｖ_ｉｓｔ）を測定し、これにより、当該測定された速度経過（ｖ_{ｉｓｔ，ｇｅｍ}）を、方法ステップ（Ｄ）において前記現実制動距離（ｓ_ａ）を特定するために使用する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記方法ステップ（Ａ）に続く複数の方法ステップを、前記方法ステップ（Ａ）に対して時間的にずらして実行する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 方法ステップ（Ｅ）における前記残余制動距離（ｓ_ａ２）の定式化のために、前記求められた速度経過（ｖ_ｉｓｔ）を使用する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 方法ステップ（Ｃ）において前記公称制動距離（ｓ_ｎ）を特定するために設定される前記目標減速度（ａ_ｓｏｌｌ）の前記経過は、時間および／または速度および／または位置の関数であるか、または定数である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 前記現実残余制動距離（ｓ_ａ２）を計算するために、公称制動距離（ｓ_ｎ）と、予想される前記現実制動距離（ｓ_ａ）との間の偏差をゼロに等しく設定する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 前記公称制動距離（ｓ_ｎ）を特定するために、前記公称制動距離（ｓ_ｎ）の、進んで来た部分（ｓ_ｎ１）と、さらに進むべき部分（ｓ_ｎ２）とを求める、請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 請求項１から１５までのいずれか１項記載の方法を実施する装置であって、前記装置は、
    請求項１の前記方法ステップ（Ｂ）用に前記車両の速度データおよび加速度データを検出するように構成されたセンサシステムと、
    対応する前記センサシステムによって検出される前記速度データおよび前記加速度データまたはその他の必要なデータを記憶するように構成された記憶ユニットと、
    前記記憶ユニットに記憶されている前記データを処理し、ひいては特に方法ステップ（Ｃ）～（Ｆ）を実施するように構成された計算ユニットと、
    前記センサシステムまたは別の通信インタフェースからの必要なデータを受信して、データ交換のために別の通信ユニットと通信するように構成された通信ユニットと、
    車両運転者に情報を出力しかつ前記車両運転者によって操作されるように構成された操作インタフェースと、
    を有する、装置。
17. 請求項１から１５のいずれか１項記載の方法を実施するように構成されたコンピュータプログラム製品。

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