JP3965310B2

JP3965310B2 - 車両走行制御装置

Info

Publication number: JP3965310B2
Application number: JP2002057506A
Authority: JP
Inventors: 幸司小美濃; 宏明白戸; 綾乃斎藤
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-03-04
Also published as: JP2003259502A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、車両、特に鉄道車両における走行制御装置に関し、特にヒューマンファクターを取り入れた減速制御の技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現今、鉄道車両は高速化を追究し、旅行時間の短縮化と輸送力の向上と、また通勤ラッシュの緩和等の面からも検討されている。しかしながら鉄道車両の高速化は又高減速化でもある。
しかして緊急時には、どのような高速域からでも一定の距離以内で停止する必要があり、そのための高性能ブレーキの開発は欠かすことができないものである。また高速になればなるほど、ブレーキ時には、列車に搭乗する乗客や乗務員に高い減速度が加わり、快適性や作業に必要な姿勢の保持を損なうおそれがあり、そのような事態に対する対策も欠かすことができない。
【０００３】
このような現実に鑑み、列車減速度の適正レベルを被験者の評価に基づいて追究する研究が続けられている（例えば、白戸宏明、藤浪浩平、小美濃幸司著「列車減速度の適正レベルに関する検討」鉄道総研報告第８巻第１２号財団法人研友社平成６年１２月１日発行）。
ここでは現車試験を行い、その結果を、「減速度及びジャークと被験者の評価の関係」並びに「減速度及びジャークの適正レベルの検討」に纏めている。
【０００４】
被験者による減速度の評価は、ブレーキ開始点から停止までを、例えば図５に見られるように、５つの区間に分割し、各区間毎に予め設定した評価尺度についての評価を、用紙に記入する方法で行なった。開始から停止までの時間は略２０秒程度である。記入はブレーキによって車両が停止してから行う。
試験は１３０ｋｍ／ｈから１０回、１２０ｋｍ／ｈから２９回で、計３９回の試行が行なわれた。
被験者を乗せた車両の中央部には加速時計を設置して減速度を測定し、ジャーク（加加速度）は減速度を数値微分して算出した。
【０００５】
ブレーキ時において、最大減速度は評価区間４における１．４４〜２．１６ｍ／ｓｅｃ² であり、停止時の最大ジャークは、停止直前にブレーキを緩める条件では０．９１〜４．０９ｍ／ｓｅｃ³ である。ここでブレーキを緩める条件では、ブレーキを緩めるタイミングにより発生するジャークにかなりの幅が認められる。
【０００６】
しかして現車試験の結果は、回答に有意の差が認められ、２つの被験者群に分割された。
一方は、受けた力の評価尺度により力の感じ方が「弱め」の群であり、この群は家庭の主婦等を中心とするものであって、ラッシュアワーの混雑した列車にはほとんど乗らず、従って乗車姿勢も座位の機会が多くあり、乗車機会も週に１回あるかないかで、さらに利用線区も種々である。
これに対し他方は、力が「強め」に感じられた方の群であり、サラリーマン等を中心とし、混雑した列車に略毎日乗り、利用線区も通勤経路の如く略単一であり、座れる機会はほとんどない等の群である。
【０００７】
次いで、減速度及びジャークとその評価の関係を分析する。
ここで１試行に対して各被験者１つの評価を対応させるものとする。即ち１試行５区間の中で１つでも「許容できない」とする回答があった場合には、その被験者にとってその試行は許容できないブレーキ特性を使用したものであったとする。
そして、被験者の回答、即ち評価を従属変数、第２区間の減速度の実効値、第５区間のジャークの実効値を独立変数としてロジステック回帰を行うと、次の（ａ）、（ｂ）の回帰式が得られた。これら両数式はいずれも尤度比適合性検定の結果でモデルが適合していることが確認されている。
【０００８】
○力を弱めに感じた被験者群
評価＝１／｛１＋exp（15.1608−8.1147×第2区間減速度−0.4691×第5区間ジャーク）｝・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ａ）
○力を強めに感じた被験者群
評価＝１／｛１＋exp（7.8653−3.8897×第2区間減速度−0.9190×第5区間ジャーク）｝・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（ｂ）
ここで「評価」は０〜１の数値をとり、「許容できない」と評価する被験者の割合を示す。
【０００９】
この数式（ａ）、（ｂ）に、減速度、ジャークの値を代入したものが図４に示されている。ここにはジャークの実効値を０〜３．０ｍ／ｓｅｃ³ とさせた場合の４つの曲線を例として示してある。
以下において、減速度及びジャークについてその適正レベルを検討する。
通常、駅に停車する場合には１．０ｍ／ｓｅｃ² 程度の減速度のブレーキが用いられている。この場合は図４から見て、ジャークが大きくなければ「許容できないとする」被験者の割合は問題にならない程少数である。
【００１０】
次いで、１６０ｋｍ／ｈの速度から６００ｍで停止する緊急ブレーキの場合を考えてみる。
このケースでは実減速度は、一般に、２．０ｍ／ｓｅｃ² 程度と推定されているので、ジャークが０の場合には、図４及び数式（ａ）、（ｂ）を参照すれば、それぞれ７４％、４８％の被験者が「許容できない」と推測される。
この数値は、ブレーキの掛始めから停止までの間を通じて「許容できない」と感じる場合があるということである。この間はほぼ２０秒であるが、現在のブレーキシステムやブレーキ時の車両運動を考えた場合、この間の全てを被験者が許容できる状態に保つことは容易なことではない。
しかしながら、このような緊急ブレーキ作動時でも、ジャークを小さくできれば、全乗客が不快と感じる程の状況にはならないとする見方もできる。
【００１１】
従って減速度及びジャークの適正レベルを考えるには、列車の乗客構成を勘案して、数式（ａ）、（ｂ）から得られる数値の範囲内で適正値を決めてゆくということになる。
ラッシュアワー即ち通勤時では、立位の多いサラリーマンが乗客構成上多いので、数式（ｂ）で得られる数値で適正レベルを検討することになる。
例えば１０％以内とするなら、図４の右図から減速度１．０ｍ／ｓｅｃ² 、１．２ｍ／ｓｅｃ² 、１．５ｍ／ｓｅｃ² に対応して、ジャークは２．０ｍ／ｓｅｃ³ 、１．０ｍ／ｓｅｃ³ 、０ｍ／ｓｅｃ³ という値が読みとれる。しかしジャークが０ｍ／ｓｅｃ³ ということはあり得ないので、残り２つの組み合わせのケースが減速度及びジャークの適正レベルである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
次いで本願発明が解決しようとする課題は、ヒューマンファクターを考慮した減速度及びジャークの適正レベルを具体的に実現するための、車速設定値を出力するところの車速指令値作成部を有する車両走行制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、搭乗者の乗り心地を含むヒューマンファクターを配慮した車速指令値作成部００を具備する車両走行制御装置であって、
車速指令値作成部００、時計装置０１と目標停止距離演算装置０２と初速データ演算装置０３と車速指令値演算装置０４と加算器０５とブレーキ指令装置０６とを含有し、
時計装置０１は、計時し、ブレーキ開始指令信号を入力したときの時刻データｔ_０を出力し、
目標停止距離演算装置０２は、時計装置０１からの時刻データと停止位置情報記憶装置２０からの目標停止位置データｘ_Ｅと車両位置検知装置３０からの車両位置データｘ_ｉ（ｔ）とを入力して目標停止距離データｘ_Ｅ−ｘ_ｉ（ｔ）を演算して出力し、
初速データ演算装置０３は、時計装置０１からの時刻データと車両速度検知装置４０から車速データとを入力して、ブレーキ開始時刻に対応する初速データｖ_０を取り込んで出力し、
車速指令値演算装置０４は、目標停止距離データと初速データとを入力して、数式（４）より最大加速度α_ｍａｘを、数式（５）より最大ジャークｊ_ｍａｘを、数式（６）より一定減速区間の開始時刻ｔ_１を、数式７より一定減速区間の終了時刻ｔ_２を算出して、これらの値に基づいて、数式（３）よりブレーキ速度指令値ｖ（ｔ）を算出して出力することを特徴とする車両走行制御装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
一般に加、減速度が大きくなると乗り心地は悪くなり、またジャークも当然乗り心地を悪化させる。
近年、ジャークの制御が可能となってきているので、停止時の減速パターンをより細かく制御することが期待され、同じ停止距離であっても、ヒューマンファクターを考慮した乗り心地の面から見て、最適の減速パターンを追究する研究が始められている。
現状のブレーキは、概ね、ブレーキのかけ始めから減速度が漸次増大し、そして定常減速度になり、次いで、最後に減少して停止するというパターンである。しかして、乗り心地の制御は、最大減速度と最大ジャークとを抑えようとするものである。
【００１５】
しかしながらその減速度とジャークとの関係を一般的に定式化している従来技術はほとんどないので、停止する瞬間のジャークが許容減速度に与える影響を定量評価した先の評価式である数式（ａ）、（ｂ）を採用するものとする。
先ず以下の条件を仮定する。
この数式（ａ）、（ｂ）は式形としては同じなので、以下の数式（１）の如く、評価Ｚとして代表することができる。
【数１】

従ってこの評価Ｚを最小とする減速曲線が最適の減速パターンであるということができる。
ここで、停止距離をｘ₀（＝定数）、ブレーキ開始位置での車両の初速度をｖ(０)＝ｖ₀、（＝定数）、加速度をα（０）＝０とする。
【００１６】
現状のブレーキは、概ね図５の減速パターンから見て、減速度がブレーキのかけ始めから漸次増大し、そして定常減速度に至り、次いで順次減少し最後に減速度０となり、停止するというものである。ジャークは減速度の時間変化に応じて発生し、停止直前に大きなものが発生している。
一般的に言えば、減速度は０から単調増加して最大減速度となり、そこから単調減少して０となる。ジャークは停止直前の値が大きいものであるということができる。
【００１７】
即ちα₀ は減速度がα（０）＝０から順次増加して、定常減速状態になった直後の減速度、即ち最大減速度であり、ｊ₀ は停止直前に発生するジャークである。ジャークは通常、この値がブレーキ中の最大ジャークとして観測されることになる。
また減速度及びジャークはその大きさ（絶対値）が影響するものであって、その符号の差は無視できるものとする。
【００１８】
しかしてこの数式（１）の評価Ｚを最小化することは、分母のｅｘｐ部分を最大化することと同義である。
即ち最適の減速パターンの条件を数式（２）の如く書き直すことができる。
【数２】

この数式（２）は、最大減速度α_max 及び最大ジャークｊ_max の両者が小さい方が乗り心地がよくなることを示している。
【００１９】
ブレーキの乗り心地は、最大減速度と最大ジャークの線形結合で決定されるということである。即ち最大ジャークが特定の値をとるならば、最大減速度の小さい方が乗り心地がよく、逆に最大減速度が特定の値をとるなら、最大ジャークの小さい方が乗り心地が良くなるということである。よってこの両者の値が最小となるような減速パターンがあれば乗り心地的に最適なパターンといえる。
しかしながらこの両者は独立変数ではなく、どちらの値も最小となるような減速パターンの存在する場合はほとんどない。従ってこの数式（２）を満たす
最大減速度と最大ジャークの値を決定することが乗り心地に対する最大のポイントである。
【００２０】
減速開始からのある時刻に特定の最大減速度を持つ減速パターンがあった場合に、その最大減速度に到達する際に生ずる最大ジャークを最も小さく抑えられるのは、減速開始時から一定のジャークで最大減速度に到達するパターンである。また一定の距離で停止する場合には、最大減速度をもってできるだけ長い距離を減速走行することが、最大減速度自体を小さく抑えることにつながる。
以上により最大減速度と最大ジャークとの関連を考慮した場合には、数式（２）を満たす減速度パターンは、少なくとも次のような、数式（３）の２次曲線−直線−２次曲線となるパターンでなければならない。その減速パターンを図３に示す。
【００２１】
【数３】

【００２２】
ここで、数式（３）について、数式（２）が最小となるようにα_max 、ｊ_max を求めると、数式（４）、（５）を得る。
【数４】

ただしａ、ｂは定数

【数５】

【００２３】
ここで減速パターンの最適化は、数式２に現れる係数の比ａ／ｂに依存しており、より適切な係数を用いることが重要である。
この係数の比ａ／ｂは、例えば、以下の如く実験により求めることができる。
直線運動をする台車に被験者を乗せ、最大減速度が０．７４〜１．６２ｍ／ｓ² 、最大ジャークが０．６５〜１．４４ｍ／ｓ³ の範囲内で２１種類の組み合わせの減速パターンを用いてその乗り心地を５段階で評価させた。
減速パターンは言うまでもなく数式（３）の２次曲線−直線−２次曲線である。評価は１．非常に悪い、２．かなり悪い、３．悪い、４．やや悪い、５．問題ない、の５段階である。データは台車上で実測した加速度とその微分値から求めたジャークを使用した。
【００２４】
この５段階評価の結果を、実測された最大減速度と最大ジャ−クで回帰してみると以下のとおりである。
被験者Ａ：Ｚ＝６．６４−１．９９α_max −０．９８ｊ_max ・・（ｃ）
被験者Ｂ：Ｚ＝８．４０−２．３６α_max −１．５４ｊ_max ・・（ｄ）
ここで比ａ／ｂをα_max とｊ_max の回帰係数の比で推定すると、比ａ／ｂは被験者Ａで２．０、被験者Ｂで３．６となる。
この値はなるべく多くの被験者のデータを収集する必要がある。
一方一定減速区間の開始時刻（ｔ₁）は、数式３のただし書きの如く、以下の数式（６）により算出することができる。
【数６】

【００２５】
また一定減速区間の終了時刻（ｔ₂）は、同じく数式３のただし書きの如く、以下の数式（７）により算出することができる。
【数７】

【００２６】
【実施例】
以下この車速指令値作成部を有する車両走行制御装置の実施例を説明する。
【図１】は、本願発明の車両走行制御装置の１実施例を示すシステムブロック図である。
１０は車両走行制御装置、００は車速指令値作成部、０１は時計装置、０２は目標停止距離演算装置、０３は初速データ演算装置、０４は車速指令値演算装置、０５は加算器、０６はブレーキ指令装置、２０は停止位置情報記憶装置、３０は列車位置検知装置、４０は車両速度検知装置、５０はブレーキ駆動装置、６０はブレーキ開始スイッチである。
【００２７】
ここで、ブレーキを開始する場合、ブレーキ開始スイッチ６０を作動させるものとする。
時計装置０１は、計時し、かつそのブレーキ開始指令信号を入力して、そのときの時刻データｔ₀を出力する。ここでブレーキ開始時刻はｔ＝ｔ₀である。
目標停止距離演算装置０２は、時計装置０１からの時刻データと停止位置情報記憶装置２０からの目標停止位置データｘ_Eと列車位置検知装置３０からの列車位置データx_i（ｔ）とを入力して目標停止距離データｘ_E−x_i（ｔ）を演算して出力する。ブレーキ開始時刻ｔ＝ｔ₀ での目標停止距離はｘ₀ である。
【００２８】
初速データ演算装置０３は、時計装置０１らの時刻データを入力するとともに、車両速度検知装置４０からｔ＝ｔ₀における車速データ、即ちブレーキ開始時の実測車両速度ｖ_i（ｔ₀）取り入れ、初速データｖ₀として出力する。
【００２９】
次いで車速指令値演算装置０４は、図２におけるアルゴリズムによって、ブレーキ速度指令値を算出して出力するものである。
ここでは開始指令により、先ずステップＳ１で目標停止距離ｘ₀を読み込み、ステップＳ２で車両の初速データｖ₀を読み込み、ステップＳ３により、数式４に基づいて、最大加速度α_max を算出し、ステップＳ４により、数式５に基づき、最大ジャークｊ_maxを算出し、ステップＳ５により、最大加速度と最大ジャークに基づき、一定減速区間の開始時刻ｔ₁を算出し、ステップＳ６により、車両の初速度と最大ジャークと一定減速区間の開始時刻とに基づいて、一定の減速区間の終了時刻ｔ₂を算出し、最後にステップＳ７により、数式３に基づいてブレーキ速度指令値ｖ（ｔ）を算出して出力する。
【００３０】
更に加算器０５において、ブレーキ速度指令値ｖ（ｔ）と車両速度検知装置４０からの実測車両速度データｖ_i（ｔ）とを入力してその偏差をとり、ブレーキ指令装置０６に入力して、速度の修正目標ｅ（ｔ）に対応したブレーキ指令速度として出力することができる。この値が許容値を超えれば再計算を指令することができる。
このようにすれば車両速度をより精密に制御することができる。しかしてその出力を効果器たるブレーキ駆動装置５０に入力して作動せしめれば、列車そのものの速度を実際に制御できることとなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上により、車両走行制御装置において、ヒューマンファクターに配慮したブレーキ特性を実現することができる。
またヒューマンファクターとして、乗客等搭乗者の構成に応じて、ラッシュアワーとそれ以外等車両運行の時間帯に合わせて、それぞれの最適のブレーキ特性を実現することができる。
【００３２】
更に緊急ブレーキ時においても、本願発明により、立位の乗客にはより安全であり、つり革や手すりを使用している乗客にとっては、これに加えて乗り心地的にも有利となる。また着席している乗客にとっては、更に安全で乗り心地的に有利であることはいうまでもない。しかして車中の乗客全体にとって安心感、安全感を醸成することにつながるものである。
ここでは例として鉄道車両について説明したが、減速に関するヒューマンファクターに配慮した点から見て鉄道車両にのみ限定される理由はなく、車両走行制御装置として、他の車両、例えば自動車、航空機、船舶等にも適用可能であることは明らかである。しかしながら搭乗者の乗車体勢、姿勢から見てラッシュアワー時を含む電車に適用して好都合なのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の車両走行制御装置のシステムブロック図である。
【図２】本願発明のブレーキ速度指令値を求める演算アルゴリズムである。
【図３】本願発明のヒューマンファクターを配慮したブレーキ指令速度であるところの車速パターンを示す。
【図４】減速度及びジャ−クとヒューマンファクターを配慮した評価の関係を示す。
【図５】評価試験で採用したブレーキの状態及びブレーキ開始時から停止までの推移を示す。
【符号の説明】
００・・・車速指令値作成部
０１・・・時計装置
０２・・・目標停止距離演算装置
０３・・・初速データ演算装置
０４・・・車速指令値演算装置
０５・・・加算器
０６・・・ブレーキ指令装置
１０・・・車両走行制御装置
２０・・・停止位置情報記憶装置
３０・・・列車位置検知装置
４０・・・車両速度検知装置
５０・・・ブレーキ駆動装置
６０・・・ブレーキ開始スイッチ

Claims

搭乗者の乗り心地を含むヒューマンファクターを配慮した車速指令値作成部（００）を具備する車両走行制御装置であって、
車速指令値作成部（００）は、時計装置（０１）と目標停止距離演算装置（０２）と初速データ演算装置（０３）と車速指令値演算装置（０４）と加算器（０５）とブレーキ指令装置（０６）とを含有し、
時計装置（０１）は、計時し、かつブレーキ開始指令信号を入力したときの時刻データ（ｔ_０）を出力し、
目標停止距離演算装置（０２）は、時計装置（０１）からの時刻データと停止位置情報記憶装置（２０）からの目標停止位置データ（ｘ_Ｅ）と車両位置検知装置（３０）からの車両位置データ（ｘ_ｉ（ｔ））とを入力して目標停止距離データ（ｘ_Ｅ−ｘ_ｉ（ｔ））を演算して出力し、
初速データ演算装置（０３）は、時計装置（０１）からの時刻データと車両速度検知装置（４０）から車速データとを入力して、ブレーキ開始時刻に対応する初速データ（ｖ_０）を取り込んで出力し、
車速指令値演算装置（０４）は、目標停止距離データと初速データとを入力して、数式（４）より最大加速度（α_ｍａｘ）を、数式（５）より最大ジャーク（ｊ_ｍａｘ）を、数式（６）より一定減速区間の開始時刻（ｔ_１）を、数式（７）より一定減速区間の終了時刻（ｔ_２）を算出して、これらの値に基づいて、数式（３）よりブレーキ速度指令値（ｖ（ｔ））を算出して出力することを特徴とする車両走行制御装置。