JP5951266B2 - 勾配情報取得方法、勾配情報記憶済記憶媒体を作成する方法、勾配情報取得装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、勾配情報取得方法、勾配情報記憶済記憶媒体を作成する方法、勾配情報取得装置およびプログラムに関する。

近年主流になりつつあるデジタルＡＴＣ方式では、鉄道車両に搭載された制御装置が、勾配や鉄道車両の性能に基づいてブレーキパターンの生成を行う。このため、鉄道車両の制御装置に予め勾配情報を与えておく（記憶させておく）必要がある。
ここで、軌道は必ずしも図面どおりに施工されない。そのため、軌道施工完了後に勾配を実測し、実測値を勾配情報として制御装置に与える必要がある。

この勾配の実測に関連して、特許文献１に記載の保守設備データの検出および検査装置は、複数の車両が連結された検測車の編成における先頭と最後尾の車両の屋根にそれぞれ取り付けられた照射装置と受光装置とを備える。そして、照射装置からの光を常に受光装置が受けるようにそれぞれの装置が自動的に向きを変更し、複数の車両が連結された検測車の車両の編成が平面直線上に並んだ時の照射装置と受光装置の位置からの変更角度を計測した移動量により、曲率半径及び勾配量を算出して、路線形状の曲線情報及び勾配情報を含む保線設備データを検出する。
そして、検測車の走行により、曲線情報だけでなく、分岐情報も含めた保線設備データの取得が可能となることで、分岐情報を測量する手間が省ける、とされている。さらに、得られたデータと比較することにより、以前の保線設備データが検査可能となることで、データの信頼性を向上させ、不具合の早期発見が可能となる、とされている。

特許第４６１９８９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の保守設備データの検出および検査装置を用いた保守設備データの検出方法では、当該検査装置を搭載した専用の検測車の開発コストや、製造コストや、現地輸送コストがかかる。このように、当該方法では多大なコストがかかり、特に、小規模な交通システムにおいて当該方法を用いることは現実的でない。
また、かかる検測車を用いない場合、人手で勾配を測定することが考えられる。しかしながら、人手による勾配の測定には非常に時間がかかってしまう。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、専用の検測車を必要とせず、比較的短時間で勾配情報を得られる勾配情報取得方法、勾配情報取得装置、プログラム、および、得られた勾配情報を記憶する勾配情報記憶済記憶媒体を作成する方法を提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による勾配情報取得方法は、鉄道車両の速度の測定値を取得する速度測定値取得ステップと、前記鉄道車両の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式を用いて、前記鉄道車両の速度の計算値を求める速度算出ステップと、前記速度の計算値と前記速度の測定値との差が最小となる、前記勾配を示す関数のパラメータ値を求めるパラメータ値取得ステップと、前記パラメータ値取得ステップにて取得した、前記勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて前記走行経路の勾配を求める勾配情報取得ステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様による勾配情報取得方法は、上述の勾配情報取得方法であって、前記速度測定値取得ステップは、速度計による前記鉄道車両の速度の測定値を取得する速度計測定値取得ステップと、前記鉄道車両が所定の位置を走行する時刻の情報を取得する走行時刻取得ステップと、前記走行時刻取得ステップにて取得したデータに基づいて、前記速度計の測定値を補正して前記鉄道車両の速度の測定値を求める速度計測定値補正ステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様による勾配情報取得方法は、上述の勾配情報取得方法であって、勾配を求める対象の走行経路のうち前記勾配情報取得方法にて勾配を求める区間を決定する区間決定ステップを具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様による勾配情報取得方法は、上述の勾配情報取得方法であって、前記区間決定ステップにて、前記勾配を求める対象の走行経路の両方向各々について前記勾配情報取得方法にて勾配を求める区間を決定することを特徴とする。

また、本発明の一態様による勾配情報記憶済記憶媒体の作成方法は、上記のいずれかの勾配情報取得方法を実行するステップと、 得られた勾配を示す情報を記憶媒体に記憶するステップと、を具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様による勾配情報取得装置は、鉄道車両の速度の測定値を取得する速度測定値取得部と、前記鉄道車両の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式を用いて、前記鉄道車両の速度の計算値を求める速度算出部と、前記速度の計算値と当該速度の測定値との差が最小となる前記勾配を示す関数のパラメータ値を求めるパラメータ値取得部と、前記パラメータ値取得部が取得した前記勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて前記走行経路の勾配を求める勾配情報取得部と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の一態様による勾配情報記憶済記憶媒体を作成する方法は、上記のいずれかの勾配情報取得方法を実行するステップと、上記のいずれかの勾配情報取得方法を実行するステップで得られた勾配を示す情報を記憶媒体に記憶するステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、専用の検測車を必要とせず、比較的短時間で勾配情報を得ることができる。

本発明の一実施形態における勾配情報取得システムの機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態における、軌道開通時の作業工程の例を示す説明図である。 同実施形態において、勾配情報取得装置が勾配情報を求める処理の手順を模式的に示す説明図である。 同実施形態におけるモータの特性の例を示す説明図である。 同実施形態における関数ｇの調整パラメータとしての勾配変化点の位置および高度の例を示す説明図である。 同実施形態おいて、勾配情報取得装置が勾配情報を取得する処理手順を示すフローチャートである。 同実施形態における関数ｇの調整パラメータの、もう１つの例を示す説明図である。 同実施形態おいて、勾配情報取得装置が、速度計の測定値を補正して用いる場合の、勾配情報取得システムの機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態おいて、速度計補正部が、速度の補正を行う際に求める鉄道車両の位置情報の例を示す説明図である。 同実施形態おいて、勾配情報取得装置が、勾配情報取得対象となっている軌道のうち一部区間の勾配情報を求める場合の、勾配情報取得システムの機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態おいて、区間決定部が、勾配を求める区間として決定する区間の例を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態における勾配情報取得システムの機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、勾配情報取得システム１は、鉄道車両１００と、勾配情報取得装置３００とを具備する。
鉄道車両１００は、通信部（速度測定値取得部）１１０と、速度計１３０と、モータ１４０と、制御装置１５０とを具備する。勾配情報取得装置３００は、通信部３１０と、処理部３２０とを具備する。処理部３２０は、速度算出部３２３と、パラメータ値取得部３２４と、勾配情報取得部３２５とを具備する。

鉄道車両１００は、勾配測定対象の軌道を走行可能な鉄道車両である。鉄道車両１００は、モータ１４０を回転させて走行し、鉄道車両１００の速度情報と、モータ１４０の動作状況を示す情報（例えば、ノッチ段数指令値。以下、「モータ動作状況情報」と称する）とを、勾配情報取得装置３００に送信する。

ここで、鉄道車両１００の速度情報やモータ動作状況情報は、通常の車両（通常の営業運転に使用する車両）で取得可能である。従って、鉄道車両１００は通常の車両でよく、勾配情報の取得のために専用車両を用意する必要は無い。
なお、ここでいう鉄道車両は、典型的には列車であるが、連結されずに走行する鉄道車両であってもよい。

通信部１１０は、勾配情報取得装置３００（通信部３１０）と通信を行う。特に、通信部１１０は、鉄道車両１００の速度情報と、モータ動作状況情報とを、勾配情報取得装置３００に送信する。
速度計１３０は、鉄道車両１００の速度を測定し、得られた測定値を制御装置１５０に出力する。速度計１３０は、例えば、鉄道車両１００の車輪の単位時間当たりの回転数に基づいて鉄道車両１００の速度を測定する。

モータ１４０は、制御装置１５０の制御に従ってモータ１４０自らの有する軸（ロータ）を回転させることで、鉄道車両１００の車輪を回転させて鉄道車両１００を走行させる。
制御装置１５０は、鉄道車両１００の運転員の操作等に従って、モータ１４０や、鉄道車両１００の具備する制動装置等を制御する。また、制御装置１５０は、モータ動作状況情報としてのノッチ段数指令値と、速度計１３０が測定した鉄道車両１００の速度情報とを、通信部１１０に出力することで、勾配情報取得装置３００に送信する。

勾配情報取得装置３００は、軌道（鉄道車両１００の走行経路）の勾配情報を取得する。具体的には、勾配情報取得装置３００は、鉄道車両１００の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式（すなわち、軌道の勾配が関数で示された運動方程式）を用いて、鉄道車両１００の速度の計算（鉄道車両１００の走行のシミュレーション）を行う。そして、勾配情報取得装置３００は、得られた速度の計算値と、鉄道車両１００の速度の測定値との差が最小となるように、軌道の勾配を示す関数のパラメータを決定して、勾配情報を取得（算出）する。
勾配情報取得装置３００が取得した勾配情報は、例えば、制御装置１５０がデジタルＡＴＣにおける制限速度を算出する際に用いられる。

通信部３１０は、鉄道車両１００の速度の測定値などの情報を取得する。具体的には、通信部３１０は、速度計１３０が測定した鉄道車両１００の速度を示す速度情報や、モータ動作状況情報を、制御装置１５０および通信部１１０を介して受信する。なお、通信部３１０が、鉄道車両１００の速度の測定値を取得する処理ステップは、本発明における速度測定値取得ステップに該当する。

なお、本発明は、勾配情報取得部３００が鉄道車両１００から情報（速度情報等）を取得する方式に依存しない。従って、勾配情報取得部３００が鉄道車両１００から情報を取得する方式として様々なものを用いることができる。特に、勾配情報取得部３００が鉄道車両１００から情報を取得するタイミングはリアルタイムでなくてもよい。例えば、勾配情報取得部３００が、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）フラッシュメモリなどの記録メディアを介して、鉄道車両１００から情報を取得するようにしてもよい。

処理部３２０は、例えば勾配情報取得装置３００の具備するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）が、勾配情報取得装置３００の具備する記憶媒体からプログラムを読み出して実行することで実現され、勾配情報取得装置３００の各部を制御して各種の処理を実行する。
速度算出部３２３は、鉄道車両１００の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式を用いて、当該鉄道車両１００の速度の計算値を求める（鉄道車両１００の走行をシミュレートする）。なお、速度算出部３２３が、当該運動方程式を用いて、当該鉄道車両１００の速度の計算値を求める処理ステップは、本発明における速度算出ステップに該当する。

パラメータ値取得部３２４は、鉄道車両１００の走行経路の勾配を示す関数のパラメータ値として、速度算出部３２３が求めた速度の計算値と、通信部３１０が取得した速度の測定値との差が最小となるパラメータ値を求める。なお、パラメータ値取得部３２４が、当該速度の計算値と、当該速度の測定値との差が最小となる当該パラメータ値を求める処理ステップは、本発明におけるパラメータ値取得ステップに該当する。

勾配情報取得部３２５は、パラメータ値取得部３２４が取得した、勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて走行経路の勾配を求める。なお、勾配情報取得部３２５が、パラメータ値取得部３２４が取得した、勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて走行経路の勾配を求める処理ステップは、本発明における勾配情報取得ステップに該当する。

次に、図２〜図４を参照して、勾配情報取得装置３００が行う勾配情報の取得について、より詳細に説明する。
図２は、軌道開通時の作業工程の例を示す説明図である。同図に示す作業工程において、作業者（軌道の設置や、鉄道車両走行のための調整を行う者）は、まず、開通させる軌道の設計を行う（ステップＳ１１１）。特に、作業者は、当該軌道のレールを敷く位置を決定し、また、軌道に設ける各装置の仕様や設置場所を決定する。なお、ここでは、開通させる軌道が、勾配情報取得装置３００による勾配情報取得対象の軌道に該当する。
次に、作業者は、ステップＳ１１１における設計に基づいて、施工（レールおよび各装置の設置や、装置間の配線等）を行う（ステップＳ１１２）。

また、作業者は、ステップＳ１１１における設計に基づいて、開通させる軌道の設計上の勾配を計算する（ステップＳ１２１）。
例えば、作業者は、開通させる軌道の各位置における高度（例えば標高）を地図から読み取って、勾配変化点の位置と高度とを求める。そして、作業者は、開通させる軌道を勾配変化点毎に区切った各区間について、設計上の勾配を算出する。

そして、作業者は、ステップＳ１２１で得られた設計上の勾配に基づいて、デジタルＡＴＣにおける制限速度の算出ルールなどの車上データ（仮データ）を生成し、試験走行車両である鉄道車両１００に登録する（制御装置１５０に記憶させる。ステップＳ１２２）。
但し、ステップＳ１１２の施工工程において、軌道が必ずしも設計どおりに施工されるとは限らない。このため、ステップＳ１２１で得られた設計上の勾配、ひいてはステップＳ１２２で生成された車上データは、誤差を含み得る。

ステップＳ１１２における施工と、ステップＳ１２２における車上データの生成および登録とを完了すると、作業者は、開通させる軌道に鉄道車両１００を走行させる試験走行を行って安全を確認し、また、走行データを採取する（ステップＳ１３１）。この試験走行で採取する走行データには、モータ動作状況情報としてのノッチ段数指令値と、速度計１３０が測定した鉄道車両１００の速度情報とが含まれる。

次に、作業者は、ステップＳ１３１で得られた走行データに基づいて、勾配情報取得装置３００を用いて勾配情報を取得する（ステップＳ１３２）。すなわち、ステップＳ１３２において、勾配情報取得装置３００が、勾配情報を取得（算出）する。
そして、作業者は、ステップＳ１２２で生成した車上データを、ステップＳ１３２で得られた勾配情報に基づいて修正する（ステップＳ１３３）。例えば、作業者は、ステップＳ１３２で得られた勾配情報に基づいて、新たに車上データを生成しなおし、ステップＳ１２２で生成した車上データに置き換えて制御装置１５０に記憶させる。
実測データに基づいて得られた勾配情報から車上データを生成することで、より正確に鉄道車両（例えば鉄道車両１００）を制御し得る。

図３は、勾配情報取得装置３００が勾配情報を求める処理の手順を模式的に示す説明図である。同図に示すように、勾配情報取得装置３００は、鉄道車両１００の走行のシミュレーションを行い、試験走行データとの比較により勾配情報を求める。
より具体的には、勾配情報取得装置３００は、試験走行データとして、モータ動作状況情報としてのノッチ段数指令値と、鉄道車両１００の速度情報とを取得する。ここで、モータ１４０が制御装置１５０の制御に従って動作することで、鉄道車両１００は、軌道の勾配の影響を受けながら走行する。そして、鉄道車両１００は、制御装置１５０がモータ１４０を制御する際のノッチ段数指令値と、速度計１３０が測定した鉄道車両１００の速度情報とを、勾配情報取得装置３００に送信し、勾配情報取得装置３００はこれらの情報を取得する。

また、勾配情報取得装置３００は、鉄道車両１００の運動方程式を予め（勾配情報を取得する処理の開始前に）記憶しており、試験走行データに含まれるモータ動作状況情報を当該運動方程式に代入して鉄道車両１００の走行のシミュレーションを行う。具体的には、勾配情報取得装置３００は、シミュレーションにて鉄道車両１００の走行速度を算出する。
例えば、勾配情報取得装置３００は、式（１）に示される運動方程式を予め記憶している。

ここで、定数ｍは、鉄道車両１００の質量を示し、変数ｘは、鉄道車両１００の重心位置を示す。具体的には、変数ｘは、勾配情報取得対象の軌道における鉄道車両１００の重心位置を、当該軌道の始点からの相対距離で示す。
また、ｘドットは、時間による変数ｘの１階微分（すなわち、鉄道車両１００の速度）を示し、ｘダブルドットは、時間による変数ｘの２階微分（すなわち、鉄道車両１００の加速度）を示す。
また、関数ｆ（ｘドット，ｎ（ｔ））は、モータ特性（力行・回生）を示し、関数ｎ（ｔ）は、時刻ｔにおけるモータ１４０に対する指令値を示す。この関数ｎ（ｔ）の値としては、モータ動作状況情報によって示される、時刻ｔにおけるノッチ段数指令値を用いる。

また、定数Ｇは、重力加速度を示し、関数ｇ（ｘ）は、位置ｘにおける軌道の勾配を示す。この関数ｇは、本発明における、鉄道車両の走行経路の勾配を示す関数の一例である。後述するように、関数ｇは、位置変数ｘに加えて調整パラメータを入力パラメータとする。
また、関数ｒ（ｘドット）は、鉄道車両１００が速度ｘドットで走行する際の、空気抵抗などの走行抵抗（勾配抵抗および回生抵抗を除く）を示す。また、関数ｂ（ｔ）は、時刻ｔにおいて鉄道車両１００に作用する制動力を示す。

従って、式（１）の右辺第１項は、モータ１４０の動作によって鉄道車両１００に作用する力を示し、右辺第２項は、軌道勾配によって鉄道車両１００に作用する力を示し、右辺第３項は、鉄道車両１００に作用する走行抵抗を示し、右辺第４項は、制動装置の動作によって鉄道車両１００に作用する力を示す。

なお、式（１）における時刻ｔは、例えば、試験走行開始時刻を基準時刻（時刻「０」）とする相対時刻（当該基準時刻からの経過時間）で示し、時刻０における鉄道車両１００の重心位置を基準位置（位置「０」）とし、また、時刻０において鉄道車両１００は停止している（すなわち、速度ｘドットは０である）とする。

また、関数ｆは、例えば、モータ１４０の特性に基づいて、加速度の定数および速度の定数を調整パラメータとして予め定められている。
図４は、モータ１４０の特性の例を示す説明図である。同図に示すように、モータ１４０の速度ｖにおける加速度Ａ（ｖ）は、加速度の定数Ａ_０と、速度の定数Ｖ_１およびＶ_２とを用いて、式（２）のように示される。

そこで、この式（２）に基づいて、関数ｆは、加速度の定数Ａ_０と、速度の定数Ｖ_１およびＶ_２とを調整パラメータとして記述される。
なお、後述する、勾配を示す関数ｇの調整パラメータと同様、モータの特性を示すパラメータ定数（例えば、Ａ_０、Ｖ_１およびＶ_２）の値を、最適化手法を用いて求めるようにしてもよい。
また、関数ｒは、例えば、定数ａ、ｂおよびｃを用いて式（３）のように記述される。

また、関数ｂは、試験走行における制動装置の動作情報に基づいて、時刻の関数として予め求めておく。関数ｂをより正確に求めるためには、例えば、鉄道車両１００の速度や、（空気ブレーキの）空気圧や、ディスク温度の値毎に制動装置によるブレーキ力を予め測定しておき、試験走行時のデータから各時刻における各値を求めて、各時刻における関数ｂの値を求める。

また、関数ｇは、例えば、勾配変化点における位置および高度を調整パラメータとして記述される。
図５は、関数ｇの調整パラメータとしての勾配変化点の位置および高度の例を示す説明図である。同図において、定数ｘ１、ｘ２、ｘ３は、それぞれ、勾配情報取得対象の軌道における距離を示し、定数ｙ１、ｙ２、ｙ３は、それぞれ、ｘ１、ｘ２、ｘ３の位置における軌道の高度を示す。
例えば、作業者が、軌道設計（図２のステップＳ１１１）に基づいて、勾配変化点を特定し、各勾配変化点における距離と高度とを調整パラメータとして関数ｇを設定して、勾配情報取得装置３００（速度算出部３２３）に予め記憶させておく。

試験走行データを取得すると、勾配情報取得装置３００は、例えば準ニュートン法などの非線形最適化手法を用いて、試験走行データに適合する関数ｇのパラメータ値を求める。例えば、勾配情報取得装置３００（速度算出部３２３）は、関数ｇの各調整パラメータの初期値として、軌道設計に基づく設計上の値を設定し、各時刻における鉄道車両１００の速度の計算値ｖ_ｓｉを算出する。ここで、速度の計算値ｖ_ｓｉは、式（４）で示される。

すなわち、速度の計算値ｖ_ｓｉは、鉄道車両１００の速度の計算値の、時間Δｔ毎のサンプリング値である。
そして、勾配情報取得装置３００（パラメータ値取得部３２４）は、式（５）に基づいて速度の計算値ｖ_ｓｉの評価値J（評価関数J（ｘ１、ｙ１、ｘ２、・・・、ｘｍ、ｙｍ）の値。但し、ｘ１、ｙ１、ｘ２、・・・、ｘｍ、ｙｍは、関数ｇの調整パラメータ）を算出する。

ここで、値ｖ_ｉの各々は、試験走行における鉄道車両１００の速度の実測値（速度計１３０の測定値）を示す。
そして、勾配情報取得装置３００（パラメータ値取得部３２４）は、準ニュートン法に基づいて、速度算出部３２３に計算値ｖ_ｓｉの計算を繰り返し行わせ、評価値Jが最小となるパラメータ値（ｘ１、ｙ１、ｘ２、・・・、ｘｍ、ｙｍの値）を求める。
評価値Jが最小となるパラメータ値が求まると、勾配情報取得装置３００（こう鉄道車両１００）は、得られたパラメータ値に基づいて、軌道の各位置における勾配を求める。

次に、図６を参照して勾配情報取得装置３００の動作について説明する。
図６は、勾配情報取得装置３００が勾配情報を取得する処理手順を示すフローチャートである。同図の処理において、まず、通信部３１０が、試験走行データとして、鉄道車両１００の速度情報（速度計１３０の測定値）と、モータ動作状況情報としてのノッチ段数指令値とを受信し、受信した試験走行データを、処理部３２０に出力する（ステップＳ２１１）。

次に、速度算出部３２３は、鉄道車両１００の運動方程式に、ステップＳ２１１で得られたモータ動作状況情報を適用して、鉄道車両１００の速度の計算値ｖ_ｓｉを求め、パラメータ値取得部３２４に出力する。
そして、パラメータ値取得部３２４は、ステップＳ２１２で得られた鉄道車両１００の速度の計算値ｖ_ｓｉと、ステップＳ２１１で得られた鉄道車両１００の速度の測定値ｖ_ｉとの差を、式（５）に基づいて評価し（ステップＳ２１３）、評価値Ｊが最小か否かを判定する（ステップＳ２１４）。

評価値Ｊが最小でないと判定した場合（ステップＳ２１４：ＮＯ）、ステップＳ２１３に戻り、速度計１３０が、他のパラメータ値について、鉄道車両１００の速度の計算値ｖ_ｓｉを求める。
一方、ステップＳ２１４において、評価値Ｊが最小であると判定した場合（ステップＳ２１４：ＹＥＳ）、パラメータ値取得部３２４は、当該速度計算時のパラメータ値（評価値Ｊの最小値が得られた際の、関数ｇのパラメータ値）を、勾配情報取得部３２５に出力し、勾配情報取得部３２５は、当該パラメータ値に基づいて、軌道の勾配を求める（ステップＳ２１５）。
その後、同図の処理を終了する。

以上のように、勾配情報取得装置３００（パラメータ値取得部３２４）が、鉄道車両１００の速度の計算値と、鉄道車両１００の速度の測定値との差が最小となる、勾配を示す関数ｇのパラメータ値を求め、勾配情報取得部３２５が、当該パラメータ値に基づいて、軌道の勾配を求める。
これにより、鉄道車両１００は、鉄道車両１００の速度情報や、モータ１４０の動作状況を示す情報といった、通常の車両で取得可能な情報を取得すればよい。従って、鉄道車両１００として、特殊な車両（専用の検測車）を必要とせず、営業用車両を用いることができるので、鉄道車両１００の製造コストや輸送コストを抑えることができる。
また、勾配情報取得装置３００が勾配情報を求めた軌道について、勾配を人手で測定する必要が無い。この点で、比較的短時間で勾配情報を得ることができる。そして、勾配情報取得装置３００が、試験走行データに基づいて軌道の勾配を求めることで、より正確な勾配を得ることができる。

なお、パラメータ値取得部３２４が速度の一致の度合いを評価する式は、式（５）に限らず、速度の測定値ｖ_ｉと、速度の計算値ｖ_ｓｉとの差が小さいほど値が小さくなる様々な式を用いることができる。
また、勾配情報取得装置３００が、速度最小となるパラメータ値を求める際に用いる最適化手法は、準ニュートン法に限らない。例えば、最急降下法や、Ｎｅｌｄｅｒ−Ｍｅａｄ法など、様々な最適化手法を用いることができる。
また、運動方程式におけるパラメータ毎に、評価値Ｊに与える影響度（感度）が大きく異なる場合、影響度が同程度となるようにスケール合わせを行うようにしてもよい。

また、関数ｇの調整パラメータは、勾配変化点の位置および高度に限らない。
図７は、関数ｇの調整パラメータの、もう１つの例を示す説明図である。同図において、定数ｘ１、ｘ２、ｘ３は、それぞれ、勾配情報取得対象の軌道における距離を示し、定数ｙ１、ｙ２、ｙ３は、それぞれ、区間ｘ１〜ｘ２、ｘ２〜ｘ３、ｘ３〜における軌道の勾配を示す。
例えば、作業者が、軌道設計（図２のステップＳ１１１）に基づいて、勾配変化点を特定し、各勾配変化点における距離と各区間における勾配とを調整パラメータとして関数ｇを設定して、勾配情報取得装置３００（速度算出部３２３）に予め記憶させておく。
このように、関数ｇのパラメータとして、勾配変化点の位置および高度以外のパラメータを用いても、勾配情報取得装置３００は、同様に軌道の勾配を求め得る。

なお、勾配情報取得装置３００が、速度計１３０の測定値を補正して用いるようにしてもよい。
図８は、勾配情報取得装置３００が、速度計１３０の測定値を補正して用いる場合の、勾配情報取得システムの機能構成を示す概略ブロック図である。同図に示される構成では、図１に示される構成に加えて、処理部３２０が速度計補正部４２２を具備し、また、車上子１２０と地上子２２０とが明示されている。

車上子１２０は、鉄道車両１００に設けられた無線通信可能な装置である。また、地上子２２０は、勾配測定対象の軌道に設けられた無線通信可能な装置である。車上子１２０と地上子２２０とが接近すると、両者間で通信を行う。そして、車上子１２０は、地上子２２０から受信したデータを制御装置１５０に出力する。当該データを用いて、制御装置１５０は、鉄道車両１００が地上子２２０の設置位置を通過したことを検出できる。
なお、車上子１２０と地上子２２０とは、車上子１２０が地上子２２０に接近したこと（地上子２２０を踏んだこと）を検出可能な装置であればよい。例えば、車上子１２０と地上子２２０とは、それぞれ、デジタルＡＴＣ（Automatic Train Control）などのＡＴＣにおける車上子と地上子（トランスポンダ）とであってもよい。従って、勾配測定のために専用の車上子や地上子を設けなくてよい。

速度計補正部４２２は、鉄道車両１００が検出した、地上子２２０設置位置の通過時刻情報を用いて、速度計１３０の測定値に対する補正を行う。速度計補正部４２２は、当該補正を、図６におけるステップＳ２１２の前処理（すなわち、速度算出部３２３が鉄道車両１００の速度の計算値を求める前処理）として行う。

より具体的には、まず、通信部３１０が、速度計による鉄道車両１００の速度の測定値を、試験走行データに含めて取得（受信）する。なお、通信部３１０が速度計による鉄道車両１００の速度の測定値を取得する処理ステップは、本発明における速度計測定値取得ステップに該当する。当該ステップにおける通信部３１０は、いわば速度計測定値取得部として機能する。

また、通信部３１０は、鉄道車両１００が検出した当該鉄道車両１００の地上子２２０通過時刻情報を、試験走行データに含めて取得する。なお、鉄道車両１００の地上子２２０通過時刻は、本発明における、鉄道車両が所定の位置を走行する時刻に該当する。また、通信部３１０が、鉄道車両１００の地上子２２０通過時刻情報を取得する処理ステップは、本発明における走行時刻取得ステップに該当する。当該ステップにおける通信部３１０は、いわば走行時刻取得部として機能する。

そして、速度計補正部４２２は、通信部３１０が取得したデータに基づいて、速度計１３０の測定値を補正して鉄道車両１００の速度の測定値を求める。なお、速度計補正部４２２が当該補正を行う処理ステップは、本発明における速度計測定値補正ステップに該当する。

図９は、速度計補正部４２２が、速度の補正を行う際に求める鉄道車両１００の位置情報の例を示す説明図である。同図において、位置ｘ_ｐ１〜ｘ_ｐ５は、それぞれ、地上子２２０（以下、地上子ｐ１〜ｐ５と表記する）が設置されている位置（軌道の基準位置からの距離）を示す。また、時刻ｔ_ｐ１〜ｔ_ｐ５は、それぞれ、鉄道車両１００が地上子ｐ１〜ｐ５の位置を通過した時刻を示す。

これらの位置情報および時刻情報に基づいて、速度計補正部４２２は、速度計１３０の測定値補正係数を乗算する等の処理を行う。
例えば、速度計補正部４２２は、式（６）に基づいて評価値Ｊ_ｐが最小となる、速度計補正量ｃの値および車両初期位置誤差ｘ０の値を求める。

ここで、速度計補正量ｃは、速度計１３０の測定値に乗算する係数である。また、車両初期位置誤差ｘ０は、鉄道車両１００の初期位置として予定していた位置と実際の初期位置との誤差を示す。速度計補正部４２２は、式（６）に基づいて補正を行うことで、鉄道車両１００の速度測定値と、鉄道車両１００が地上子２２０を通過した時刻とから算出される各地上子２２０の位置と、各地上子２２０の実際の位置との誤差が最小となる補正量（速度計補正量ｃの値および車両初期位置誤差ｘ０の値）を、最小二乗法を用いて求めている。
但し、速度計補正部４２２が補正量を求める際の最適化手法は、最小二乗法に限らない。速度計補正部４２２が、他の非線形最適化手法を用いて補正量を求めるようにしてもよい。

以上のように、速度計補正部４２２が、速度計１３０の測定値を補正することで、速度計１３０の測定値の誤差が大きい場合でも、勾配情報取得装置３００が求める勾配の誤差を小さくすることができる。

なお、速度計補正部４２２が補正量を求めるために使用できる情報は、鉄道車両１００が地上子２２０を通過した時刻の情報に限らない。例えば、速度計補正部４２２が、地上子２２０通過時刻情報に加えて、あるいは当該情報に代えて、試験走行の開始時刻情報（鉄道車両１００が開始駅を出発した時刻の情報）や、試験走行の終了時刻情報（鉄道車両１００が終点の駅に到着した時刻の情報）を用いて補正量を求めるようにしてもよい。

なお、勾配情報取得装置３００が、勾配情報取得対象となっている軌道（勾配を求める対象の走行経路）のうち一部区間の勾配情報を求めるようにしてもよい。
例えば、勾配情報取得装置３００が、鉄道車両１００の走行開始直後の起動抵抗が大きく正確なモデル化を行えない場合、鉄道車両１００の走行開始直後の区間を勾配情報取得対象から除外することで、より正確な勾配情報を求め得る。また、鉄道車両１００の制動装置の特性を正確にモデル化できない場合、勾配情報取得装置３００が、制動装置稼動区間（ブレーキがかけられた区間）を勾配情報取得対象から除外することで、より正確な勾配情報を求め得る。

図１０は、勾配情報取得装置３００が、勾配情報取得対象となっている軌道のうち一部区間の勾配情報を求める場合の、勾配情報取得システムの機能構成を示す概略ブロック図である。同図に示される構成では、図１に示される構成に加えて、処理部３２０が区間決定部５２１を具備する。
区間決定部５２１は、勾配を求める対象の走行経路のうち勾配情報取得装置３００が勾配（勾配情報）を求める区間を決定する。なお、区間決定部５２１が、勾配を求める対象の走行経路のうち勾配情報取得装置３００が勾配（勾配情報）を求める区間を決定する処理ステップは、本発明における区間決定ステップに該当する。

区間決定部５２１は、当該区間の決定を、図６におけるステップＳ２１２の前処理（すなわち、速度算出部３２３が鉄道車両１００の速度の計算値を求める前処理）として行う。なお、勾配情報取得装置３００が、速度計補正部４２２を具備して速度計１３０の測定値を補正する場合、区間決定部５２１が行う処理と速度計補正部４２２が行う処理とは、いずれが先であってもよいし、並列して行われてもよい。

図１１は、区間決定部５２１が、勾配を求める区間として決定する区間の例を示す説明図である。同図において、時間ａ２およびａ４に対応する区間が、区間決定部５２１の選択した区間であり、番号ｊは、これらの区間に付与された通し番号を示している。
ここで、時間ａ１は、鉄道車両１００が走行を開始した直後の時間であり、起動抵抗が大きい。そこで、区間決定部５２１は、この時間ａ１に対応する区間を、勾配情報取得対象から除外している。また、時間ａ３および時間ａ５において、鉄道車両１００の制動装置が稼動している。そこで、区間決定部５２１は、これら時間ａ３および時間ａ５に対応する区間を、勾配情報取得対象から除外している。そして、区間決定部５２１は、残りの区間（時間ａ２対応する区間、および、時間ａ４に対応する区間）を、勾配情報取得対象の区間として選択している。

このように区間決定部５２１が勾配情報取得対象の区間を決定する場合、鉄道車両１００の運動方程式は式（７）のように示される。

但し、変数ｘ_ｊは、ｊ番目の区間における位置（基準位置からの距離）を示す。従って、ｘ_ｊドットは、ｊ番目の区間における鉄道車両１００の速度を示し、ｘ_ｊダブルドットは、ｊ番目の区間における鉄道車両１００の加速度を示す。
また、各区間における初期値は、式（８）のように示される。

但し、時刻ｔ_ｊ０は、鉄道車両１００がｊ番目の区間に進入する時刻を示す。また、位置ｘ_ｊ０は、ｊ番目の区間の開始位置（ｊ番目の区間のうち、基準位置に最も近い位置）を示す。また、速度ｖ_ｊ０は、ｊ番目の区間に進入した際の鉄道車両１００の速度（測定値）を示す。
速度算出部３２３は、この運動方程式に基づいて、式（９）に示される鉄道車両１００の速度の計算値ｖ_ｓｊｉを求める。

このｖ_ｓｊｉは、ｊ番目の区間における、ｉ番目のサンプリング時刻における鉄道車両１００の速度の計算値である。速度算出部３２３は、各区間の各サンプリング時刻について、鉄道車両１００の速度の計算値ｖ_ｓｊｉを求める。
そして、パラメータ値取得部３２４は、式（１０）に示される評価値Ｊ’のように、勾配情報取得対象の各区間において鉄道車両１００の速度の計算値と測定値との差を評価する評価値を用いて、当該計算値と測定値の差を最小とするパラメータ値（勾配の関数ｇのパラメータ値）を求める。

以上のように、区間決定部５２１が、勾配情報取得対象の区間を決定することで、勾配情報取得装置３００は、起動抵抗が大きい区間や、制動装置が稼動している区間など、正確にモデル化できない区間（正確な運動方程式を求めることが出来ない区間）を除外して、より正確な勾配情報を取得することができる。
なお、区間決定部５２１が勾配情報取得対象外に決定した区間は、例えば、人手で勾配の測定を行う。

ここで、勾配を求める対象の走行経路（軌道）の両方向から（すなわち、軌道を往復して）試験走行を行うようにし、区間決定部５２１が、勾配を求める対象の走行経路の両方向各々について、勾配情報取得装置３００が勾配（勾配情報）を求める区間を決定するようにしてもよい。
この場合、試験走行を行う方向によって制動装置の稼動する区間が異なり、区間決定部５２１が、より多くの区間を勾配情報取得対象の区間に決定することが期待される。これにより、人手で勾配の測定を行う区間が減少し、より速やかに勾配情報を得られ、また、勾配の測定を行う人的負荷を軽減させることができる。

なお、勾配情報取得装置３００の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ 勾配情報取得システム
１００ 鉄道車両
１１０ 通信部
１２０ 車上子
１３０ 速度計
１４０ モータ
１５０ 制御装置
２２０ 地上子
３００ 勾配情報取得装置
３１０ 通信部
３２０ 処理部
３２３ 速度算出部
３２４ パラメータ値取得部
３２５ 勾配情報取得部
４２２ 速度計補正部
５２１ 区間決定部

Claims (7)

1. 鉄道車両の速度の測定値を取得する速度測定値取得ステップと、
   前記鉄道車両の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式を用いて、前記鉄道車両の速度の計算値を求める速度算出ステップと、
   前記速度の計算値と前記速度の測定値との差が最小となる、前記勾配を示す関数のパラメータ値を求めるパラメータ値取得ステップと、
   前記パラメータ値取得ステップにて取得した、前記勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて前記走行経路の勾配を求める勾配情報取得ステップと、
   を具備することを特徴とする勾配情報取得方法。
2. 前記速度測定値取得ステップは、
   速度計による前記鉄道車両の速度の測定値を取得する速度計測定値取得ステップと、
   前記鉄道車両が所定の位置を走行する時刻の情報を取得する走行時刻取得ステップと、
   前記走行時刻取得ステップにて取得したデータに基づいて、前記速度計の測定値を補正して前記鉄道車両の速度の測定値を求める速度計測定値補正ステップと、
   を具備することを特徴とする請求項１に記載の勾配情報取得方法。
3. 勾配を求める対象の走行経路のうち前記勾配情報取得方法にて勾配を求める区間を決定する区間決定ステップを具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の勾配情報取得方法。
4. 前記区間決定ステップにて、前記勾配を求める対象の走行経路の両方向各々について前記勾配情報取得方法にて勾配を求める区間を決定することを特徴とする請求項３に記載の勾配情報取得方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の勾配情報取得方法を実行するステップと、
   前記請求項１から４のいずれか一項に記載の勾配情報取得方法を実行するステップで得られた勾配を示す情報を記憶媒体に記憶するステップと、
   を具備することを特徴とする、勾配情報記憶済記憶媒体を作成する方法。
6. 鉄道車両の速度の測定値を取得する速度測定値取得部と、
   前記鉄道車両の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式を用いて、前記鉄道車両の速度の計算値を求める速度算出部と、
   前記速度の計算値と当該速度の測定値との差が最小となる前記勾配を示す関数のパラメータ値を求めるパラメータ値取得部と、
   前記パラメータ値取得部が取得した前記勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて前記走行経路の勾配を求める勾配情報取得部と、
   を具備することを特徴とする勾配情報取得装置。
7. 勾配情報取得装置としてのコンピュータに、
   鉄道車両の速度の測定値を取得する速度測定ステップと、
   前記鉄道車両の走行経路の勾配を示す関数を含む運動方程式を用いて、前記鉄道車両の速度の計算値を求める速度算出ステップと、
   前記速度の計算値と当該速度の測定値との差が最小となる前記勾配を示す関数のパラメータ値を求めるパラメータ値取得ステップと、
   前記パラメータ値取得ステップにて取得した前記勾配を示す関数のパラメータ値に基づいて前記走行経路の勾配を求める勾配情報取得ステップと、
   を実行させるためのプログラム。

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