JP5574826B2 - 列車制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、列車を一定速度で走行させる定速制御を行う列車制御装置に関する。

従来、例えば高速旅客鉄道等の場合、列車を一定速度で走行させるために、予め車上のナビ装置に設定された目標速度を運転台に表示し、運転士が列車速度を目標速度にするためにノッチ操作を行うものがある。又ＡＴＯ車両の場合は、列車速度が車上のナビ装置に設定された目標速度となるように、ＡＴＯ装置がノッチを決定し列車速度制御を行う。

しかし、走行路線に勾配が有る場合、このような定速度制御は平坦な走行路線に比べ複雑となる。路線内の勾配区間及び勾配の大きさが予め判っていれば勾配を予測できるので、定速度制御はある程度容易となる。従来、勾配情報を把握するためには、列車の現在位置を正確に検知した上でＤＢ（data base）内から位置に対応した勾配を見つける必要があった。位置に対応した勾配情報をＤＢから得るためには、列車の現在位置を正確に把握する必要がある。

本発明の一実施例は、自列車の位置を正確に検出できない路線においても、勾配のある区間で速度を目標速度バンド内に精度よく保つ列車制御装置を提供することを目的としている。

実施形態によれば、列車制御装置は、現在の列車速度をサンプリングして、加減速度を求める手段と、前記加減速度及びノッチ特性に基づいて走行路の勾配抵抗を求め、前記勾配抵抗及びノッチ特性を用いて所定時間後の列車速度を演算する演算手段と、所定時間後の列車速度が速度追従バンド内に収まるよう、列車速度を制御する制御手段と、を具備し、前記制御手段は、前方の走行区間の勾配に応じて前記速度追従バンドを狭くする。

本発明の一実施例によれば、自列車の位置を正確に検出できない路線においても、勾配のある区間で速度を目標速度バンド内に精度よく保つことが可能となる。

本発明による列車制御装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。 速度予測を行いノッチ指令を決定する処理を示すフローチャートである。 速度予測処理を説明するための図である。 路線情報ＤＢにおける勾配情報のデータ格納形式を示す図である。 縦曲線を説明するための図である。

以下、本発明に係る列車制御装置の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による列車制御装置の第１実施例の構成を示すブロック図である。

速度検出部１１は、車軸の回転に応じて発生されるＴＧパルスを出力する。トランスポンダ車上子１２は、地上に設置されたトランスポンダ地上子からの情報を読み取る機能を持つ。このトランスポンダ情報はトランスポンダＩＤ又は所定位置からの距離を含む。

位置演算部１３は、速度パルスを計数して移動距離を概算する機能を持ち、トランスポンダ車上子１２から受け取った位置補正情報を用いて、算出した位置を補正する。速度演算部１４は、ＴＧパルスから列車速度を算出する。加減速度演算部１５は、速度演算部１４からの速度を複数回サンプリングした値を基に車両の加減速度を算出する。特性評価部１６は、加減速度から各種特性（各ノッチ指令値の加減速力、空気抵抗、勾配抵抗等）を算出する。

速度予測部１７は、現在速度及びノッチ指令候補を初期値として（位置を得られるシステムでは位置も初期値とする）、上記各種特性を用いて所定時間後の速度（位置を得られるシステムでは位置も求める）を予測する機能を持つ。ノッチ指令決定部１８は、各ノッチ指令を使用した場合の速度予測結果から、目標速度追従バンド内に収めるためのノッチを選択し、速度予測部１７に対してノッチ指令候補として提供する。ノッチ指令候補の初期値は「現在ノッチ」とし、現在ノッチによる速度予測結果がバンド上限を逸脱する場合は現在ノッチより弱いノッチ、予測結果がバンド下限を逸脱する場合は現在ノッチより強いノッチをノッチ指令候補とする。路線情報ＤＢ１９は、各路線の勾配、曲線、トランスポンダ、セクション等の情報を格納している。ノッチ特性モデル２０は、各ノッチ指令に対応する加減速力を格納している。

次に本発明の第１実施例に係る動作を詳細に説明する。

加減速度演算部１５は、速度演算部１４から得られた速度を用いて、下式（１）よりで加減速度を演算する。

ここで、ｎはデータ個数、Δｔ（ｉ）［ｍｓ］は時間刻み、Ｖ（ｉ）［ｋｍ／ｈ］は速度である。時間刻みΔｔ（ｉ）［ｍｓ］はサンプリング間隔であって、例えば１００ｍｓ一定値でよい。

次に、式（１）で演算した加減速度から、ノッチ特性評価部１６は下式（２）を用いて勾配抵抗を算出する。

勾配抵抗＝加減速度−加減速力（ｖ、ｎ）−空気抵抗（ｖ） …（２）
ここで、ｖは速度、ｎは使用しているノッチ指令値、単位は全て［ｋｍ／ｈ／ｓ］とする。上記したように加減速力（ｖ，ｎ）は、平坦走行路で各ノッチｎを適用した場合の列車加減速度を示し、ノッチ特性モデル２０に格納された値である。空気抵抗（ｖ）は各走行速度ｖに対応する空気抵抗Ｒ［ｋｍ／ｈ／ｓ］を示し、次式（３）で示される。

ここで、ｖ［ｋｍ／ｈ］は速度、Ｌ［ｍ］は列車長、Ｗ［ｔ］は列車重量、ａ，ｂ，ｃ，ｄは走行抵抗パラメータ（区間に従い、明かり区間又はトンネル区間のどちらかを使用する）。列車長Ｌ、列車重量Ｗ、走行抵抗パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄは路線情報ＤＢ１９に格納された値である。対象システムによって異なるが、加減速力は使用ノッチと速度から一意に求まる。

速度予測部１７は、得られた勾配抵抗・加減速力・空気抵抗を用いて、あるノッチを選択した場合の加減速度（＝勾配抵抗＋加減速力（ｖ，ｎ）＋空気抵抗（ｖ））を求め、予測時間先（所定時間後）の速度を算出し、ノッチ指令決定部１８は、速度予測結果に基づいてバンド内に入るノッチを決定する。

図２は速度予測を行いノッチ指令を決定する処理を示すフローチャートである。

先ず、加減速度演算部１５は速度検出部１１にて例えば１００ｍｓ毎に検出される速度の測定値を１０回入力し、該測定値を式（１）に代入し、加減速度を求める（ＳＴ１０１）。速度予測部１７は、加減速度演算部１５にて演算された加減速度を用いて、所定時間後の列車速度を予測（計算）し（ＳＴ１０２）、速度予測結果をノッチ指令決定部１８に送信する。ノッチ指令決定部１８は、予測した速度が図３のように追従バンド内にあるか判断し（ＳＴ１０３）、予測速度が追従バンド内にある場合（ＳＴ１０３のＹｅｓ）、処理は終了しノッチの変更は行われない。
予測速度が追従バンド内にない場合（ＳＴ１０３のＮｏ）、ノッチ指令決定部１８はノッチ指令候補を決定する（ＳＴ１０４）。つまりノッチ指令決定部１８は、速度予測結果が追従バンド上限以上の速度であった場合、現在より１ランク低下したノッチ指令値を速度予測部１７に提供し、速度予測結果が追従バンド下限以下であった場合、現在より１ランク上昇したノッチ指令値を速度予測部１７に提供する。
速度予測部１７は、ＳＴ１０１で求められた加減速度と、加減速力（現在のノッチ指令値に対応する値）及び空気抵抗を式（２）に適用し、勾配抵抗を計算する（ＳＴ１０５）。又速度予測部１７は、ノッチ指令決定部１８から受信されたノッチ指令候補に対応する加減速力を特性評価部１６により判断する（ＳＴ１０６）。更に速度予測部１７は、該加減速力と空気抵抗とステップＳＴ１０５で求めた勾配抵抗を使用して、式（２）から、加減速度（＝勾配抵抗＋加減速力＋空気抵抗）を求める（ＳＴ１０７）。又速度予測部１７は、求めた加減速度から所定時間後の列車速度を予測し、ノッチ指令決定部１８に提供する。

ノッチ指令決定部１８は、予測された速度が図３のように追従バンド内にあるか判断し（ＳＴ１０８）、予測速度が追従バンド内にある場合（ＳＴ１０９のＹｅｓ）、処理は終了しノッチの変更は行われない。予測速度が追従バンド内にない場合（ＳＴ１０９のＮｏ）、ノッチ指令決定部１８は、ステップＳＴ１０４と同様にノッチ候補を決定する（ＳＴ１１０）。その後、フローはＳＴ１０６に戻り、予測した速度が追従バンド内に収まるまで、ＳＴ１０６〜ＳＴ１１０の処理が繰り返される。このようにして、所定時間後の列車速度が追従バンド内に収まるノッチ指令値が決定すると、ノッチ指令決定部１８は、決定したノッチ指令値を主電動機駆動制御部（図示されず）に送信する。

本実施例では更に、速度予測部１７は上記式（２）で算出した勾配抵抗から、下式（４）にて勾配値を演算し、その勾配が継続するものと推定する。この勾配値は、１０００ｍで何メール上がる勾配であるかを示す。

ここで、単位換算係数の３０は、一般に慣性係数と呼ばれる。正確には慣性係数は２８．３３だが、電車の場合、電動機、歯車などの回転部分を有しているので、回転加速に対する慣性も考慮しなければならない。そのため、一般に２８．３３を３０として用いる。

以上のように推定した勾配と、ＤＢ１９に格納されている勾配情報を比較することで、現在の走行区間における勾配を同定し、一致した勾配に対応する位置情報を認識する。図４はＤＢ１９における勾配情報のデータ格納形式を示す。ＤＢ１９には、勾配ＩＤ、その勾配の当該路線上の開始位置（キロ程）・終了位置、勾配値、及び縦曲線半径が格納されている。縦曲線半径とは、図５のように、線路の垂直面方向の曲線半径を示す。同じ軌道回路あるいは同じ位置でも勾配の異なる区間が存在するため、勾配ＩＤによって識別する。列車が在線する軌道回路毎に、どの勾配ＩＤを参照するかという情報が、別のＤＢに格納されている。例えば、式（４）を用いて勾配値を算出しながら勾配の変化点を検出し、ＤＢ１９中の同様な変化点を検索することで、現在位置を確定できる。

この際、位置情報は速度検出部１１から入力したＴＧパルスを用いて、位置演算部１４によって毎制御周期に演算するものとする。勾配変化点を基にして認識した位置情報は、ＴＧパルスを用いて算出した位置の補正に用いる。

これにより、現在の勾配を把握するだけでなく、トランスポンダが配備されていない区間においても、ＤＢを参照して前方の走行区間の勾配を予め推定することができるため、より精度よく速度制御を行うことが可能となる。例えば、位置を認識することにより、前方走行区間における勾配・トンネルを把握できるため、以下に説明するように速度制御の精度向上に効果を奏する。

（第２実施例）
次に、速度制御における速度追従バンドについて説明する。

従来の制御では、速度が追従バンド内（例えば、目標とする速度±２ｋｍ／ｈ）に入るように制御を行っていた。その場合、急激な勾配変化がある区間においては、速度をバンド内に収めるために急激なノッチ変化を行う必要が出てくる場合、あるいはバンド内に収めることが困難な場合も存在した。

そこで本実施例では、路線内に存在する勾配を、その手前で予測し速度制御を行う。追従バンドを設定する際に、勾配の大きさを条件として、バンド幅を予め狭めておくことにより速度の変動範囲をおさえ、仮に急な勾配変化があった場合でも、急激なノッチ変化なしに速度制御を行う。例えば、目標速度±２ｋｍ／ｈに収めることが要求仕様で規定されている場合に、下り勾配が多い路線においては、速度が高い側に推移しがちであるため、守るべき追従バンドよりも狭い＋１ｋｍ／ｈ〜−２ｋｍ／ｈの追従バンドを設けることで速度が推移する範囲を制限する。

尚、上記第１実施例はトランスポンダによる正確な位置情報を得られないシステムにおける適用例であったが、本発明は正確な位置情報を得ることができるシステムに対しても適用可能である。その場合、正確な位置情報が得られているため、駅間において「次の勾配」を正確に把握することが可能であり、急激な勾配変化点の前に速度を適切なバンド内に収めることができ、勾配変化に対しても急激なノッチ変化なしに制御を行うことが可能となる。前方に上り勾配が存在するケースでは、そのまま制御を行っていると速度が低めに推移する傾向にあるため、予めバンド幅を＋２ｋｍ／ｈ〜−１ｋｍ／ｈなどにしておくことで、守るべきバンド内の高い速度で推移することを抑制する。

以下、本発明の様々な変形例を説明する。

（変形例１）
勾配変化点は多数存在するが、制御上考慮が必要となるような急勾配は少ないため、制御上問題となる（急激なノッチ変化が必要となる）ような急勾配の手前に必要最小限のトランスポンダを設置することにより、制御上考慮が必要な勾配を認識して、バンドを制限する範囲を決定しても良い。この場合、トランスポンダは、勾配量に応じて前もって速度制御を行うことが可能なだけ、勾配区間から距離を持たせて配置する。

（変形例２）
速度の高い区間においては、空気抵抗が大幅に大きくなるため勾配とのバランスノッチが存在しないケースが存在する。つまり、空気抵抗によって加速力が相殺され、最も強い力行ノッチを用いてもある上り勾配以上の区間では速度が落ち続けてしまうような区間が存在する。

そのような区間においては、予め速度が高めに推移するようにバンドを設定することによって速度を上げておく。例えば、目標とする速度＋２ｋｍ／ｈ〜０ｋｍ／ｈを制御バンドとすることによって、速度を高めに推移させる。この結果、通常は前記バランスノッチが存在しない区間においても、速度が落ちすぎることを防ぐことが可能である。

（変形例３）
異なる電気方式や電力会社間の接続点に設けられ、架線に給電されていない区間・地点を一般にセクションと呼び、この区間を走行中は給電がストップするため惰行状態となる。このようなセクションでは強制的に一定時間ノッチオフとなるため、その前にバンドの上下限近辺に速度が推移していると、ノッチオフとなって加減速の制御ができない間に要求されるバンドの範囲を逸脱する可能性がある。

そこで、セクションを常に考慮して、ノッチオフになるセクションにおける一定時間、勾配の最大値あるいは最小値が続いたと仮定しても、速度が守るべきバンド内に収まるように、バンド幅を前述したように制限して制御を行う。

（変形例４）
セクションの手前（前もって速度制御を行うことが可能なだけの距離を持たせるものとする）に必要最小限のトランスポンダを設置することにより、セクションを認識してバンドを制限する範囲を決定する。その際、バンドを制限する範囲は、列車速度から求めた空気抵抗とセクション区間の勾配抵抗から、「セクション通過中に変動する速度」を演算し、その変動速度を基に決定する。

（変形例５）
セクションの有無をＤＢ上の軌道回路情報に持たせる。ＤＢ上では、一般に路線上の各位置がどの軌道回路（ＩＤ）に対応するか、勾配及び最高速情報が記録されている。本実施例では、各軌道回路にセクションの有無情報を記録し、セクションの有無に応じて速度制御する。軌道回路は、在来線では例えば１００ｍ単位、新幹線などでは１ｋｍ単位に設けられており、列車がどの軌道回路上を走行中であるかが駅の運行管理システムにて把握され、基本的に１軌道回路内に１列車のみが許容される。ＤＢ上の軌道回路情報にセクションの有無情報を持たせることにより、地上から受信した軌道回路の識別ＩＤと軌道回路並び（順番）から、これからセクションが設けられた軌道回路に進入するか否かを、ＤＢを参照して認識することができる。

（変形例７）
上記第２実施例では、速度追従バンド幅を制限することで列車速度をある範囲に入れることを目的としていた。バンド内に収めるように制御を行うメリットとしては、所定時間後の速度がバンド内であれば、極力ノッチを変化させない「バンド内に収める制御」を行うことによって、乗り心地の向上・機器への負担低減を実現することである。しかし、勾配変化やセクションなどにより、速度がある方向に変動することが予め想定される区間においては、バンド内に収める制御から、「目標速度を狙う制御」に切り替える。この目標速度を狙う制御とは、バンド幅を極力狭めた速度制御のことをいう。例えば前方路線区間が上り勾配となっている場合、目標速度を追従バンド幅上限値より僅かに低い値に設定して、予測速度が規定範囲内であっても、目標速度以下であればノッチ指令値を変化し、より正確な列車速度制御を行う。勾配区間を走行中は、再度前述の制限されたバンド内に収める制御に切り替える。これにより、勾配区間を走行中に列車速度を確実に追従バンド内に収めることができる。

以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するもの
ではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。
以下、本出願当初の特許請求の範囲の記載を付記する。
［１］
現在の列車速度をサンプリングして、加減速度を求める手段と、
前記加減速度及びノッチ特性に基づいて、走行路の勾配抵抗を求め、前記勾配抵抗及びノッチ特性を用いて所定時間後の列車速度を演算する演算手段と、
所定時間後の列車速度が速度追従バンド内に収まるよう、列車速度を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする列車制御装置。
［２］
路線の勾配及び位置情報を含む路線情報ＤＢ（data base）と、
前記勾配抵抗から勾配値を求め、前記路線情報ＤＢを検索し、前記勾配値から現在位置を判断する手段を更に具備することを特徴とする［１］記載の列車制御装置。
［３］
前記制御手段は、前方走行区間の勾配に応じて、前記速度追従バンドを狭いバンドに変更することを特徴とする［１］又は［２］記載の列車制御装置。
［４］
勾配及び位置情報を含む路線情報ＤＢ（data base）と、
列車速度が速度追従バンド内に収まるよう列車速度を制御する制御手段と、
列車の現在位置を判断する判断手段と、
前記路線情報ＤＢにおける前記現在位置の検出に基づいて、前方路線区間が勾配を有しているか確認する確認手段と、
前記前方路線区間が勾配を有している場合、前記追従バンドを前記勾配に応じて狭いバンドに変更する変更手段とを具備し、
前記制御手段は、前記変更された追従バンドに収まるよう列車速度を制御することを特徴とする列車制御装置。
［５］
前記変更手段は、高速域での空気抵抗増大及び上り勾配による走行抵抗増大を予測して、前記追従バンドを変更することを特徴とする［４］記載の列車制御装置。
［６］
前記確認手段は、前方路線区間にセクションが配置されているか前記ＤＢにて確認し、前記変更手段は、前記セクション通過における速度低下を予測して、前記追従バンドを変更することを特徴とする［４］記載の列車制御装置。

１１…速度検出部、１２…トランスポンダ車上子、１３…位置演算部、１４…速度演算部、１５…加減速度演算部、１６…特性評価部、１７…速度予測部、１８…ノッチ指令決定部、１９…路線情報ＤＢ、２０…ノッチ特性モデル。

Claims (6)

1. 現在の列車速度をサンプリングして、加減速度を求める手段と、
   前記加減速度及びノッチ特性に基づいて走行路の勾配抵抗を求め、前記勾配抵抗及びノッチ特性を用いて所定時間後の列車速度を演算する演算手段と、
   所定時間後の列車速度が速度追従バンド内に収まるよう、列車速度を制御する制御手段と、を具備し、
   前記制御手段は、前方の走行区間の勾配に応じて前記速度追従バンドを狭くすることを特徴とする列車制御装置。
2. 前記制御手段は、前方の走行区間が下り勾配のときは速度追従バンドの上限値を下げ、上り勾配のときは速度追従バンドの下限値を上げることで前記速度追従バンドを狭くすることを特徴とする請求項１に記載の列車制御装置。
3. 前記制御手段は、所定時間後の列車速度が速度追従バンド内に収まるノッチを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の列車制御装置。
4. 勾配及び位置情報を含む路線情報ＤＢ（data base）と、
   列車速度が速度追従バンド内に収まるよう列車速度を制御する制御手段と、
   列車の現在位置を判断する判断手段と、
   前記路線情報ＤＢにおける前記現在位置の検出に基づいて、前方路線区間が勾配を有しているか確認する確認手段と、
   前記前方路線区間が勾配を有している場合、前記追従バンドを前記勾配に応じて狭いバンドに変更する変更手段とを具備し、
   前記制御手段は、前記変更された追従バンドに収まるよう列車速度を制御することを特徴とする列車制御装置。
5. 前記変更手段は、高速域での空気抵抗増大及び上り勾配による走行抵抗増大を予測して、前記追従バンドを変更することを特徴とする請求項４記載の列車制御装置。
6. 前記確認手段は、前方路線区間にセクションが配置されているか前記ＤＢにて確認し、前記変更手段は、前記セクション通過における速度低下を予測して、前記追従バンドを変更することを特徴とする請求項４記載の列車制御装置。

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