JP6118124B2 - 目標速度決定装置、目標速度決定方法及びプログラム、並びに、車両制御装置及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置、目標速度決定方法及びプログラム、並びに、目標速度決定装置が決定した目標速度に基づいて制御を行う車両制御装置及び車両に関する。

近年、交通システムの省エネルギー化への要望が強くなっている。これに応じて、特許文献１には、各種制約条件を満たした上で、消費電力を最小化する速度パターン生成手法が開示されている。速度パターンとは、時刻にブレーキのオン／オフ、力行のオン／オフを関連付けた情報のことである。

特開平５−１９３５０２号公報

しかしながら、車両の加速特性は、車両の乗客の人数や天候によって変化するため、特許文献１に開示された技術によって決定された速度パターンで車両を走行させる場合、所定の各区間を必ずしも同じ時間で走行できるとは限らないという問題がある。
本発明の目的は、各区間を同じ時間で走行でき、かつ消費電力を小さくすることができる目標速度決定装置、目標速度決定方法及びプログラム、並びに、車両制御装置及び車両を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置であって、線路データ及び車両データ、並びに線路の複数の区間における目標速度に基づいて車両の走行をシミュレートするシミュレータ部と、線路の複数の区間における目標速度を設定して、前記シミュレータ部のシミュレート結果から当該目標速度に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出する消費電力算出部と、前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標速度の組み合わせを変更する目標速度変更部と、前記目標速度の組み合わせごとに、前記消費電力算出部が算出した消費電力に所定の重みを乗算する評価関数に基づいて評価値を算出する評価値算出部と、前記複数の区間について、目標速度の変化量に対する前記評価値算出部が算出した評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する感度算出部と、前記評価値が最も小さくなる前記目標速度の組み合わせを、前記車両の各区間における目標速度に決定する目標速度決定部とを備え、前記目標速度変更部は、前記消費電力算出部が前回の消費電力の算出に用いた各区間の目標速度それぞれを、前記感度算出部が算出した当該区間の感度の高さに応じて増減させることを特徴とする。

また、本発明は、前記線路の走行において前記車両が満たすべき条件との乖離度を示すペナルティ値を算出するペナルティ値算出部を備え、前記評価関数は、前記消費電力に所定の重みを乗じた値と前記ペナルティ値に前記消費電力の重みより大きい重みを乗じた値とを加算するものであることを特徴とする。

また、本発明において前記車両は、二次電池を備え、当該二次電池の現在の充電率と目標充電率との差分に基づいて当該二次電池の充放電を制御する車両であって、前記消費電力算出部は、複数の区間における目標速度及び目標充電率を設定して、当該目標速度及び目標充電率に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出し、前記評価値算出部は、前記目標速度及び前記目標充電率の組み合わせごとに、前記評価値を算出し、前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標充電率の組み合わせを変更する目標充電率変更部と、前記評価値が最も小さくなる前記目標充電率の組み合わせを、前記車両の各区間における目標充電率に決定する目標充電率決定部とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置を用いた目標速度決定方法であって、シミュレータ部は、線路データ及び車両データ、並びに線路の複数の区間における目標速度に基づいて車両の走行をシミュレートし、消費電力算出部は、線路の複数の区間における目標速度を設定して、前記シミュレータ部のシミュレート結果から当該目標速度に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出し、目標速度変更部は、前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標速度の組み合わせを変更し、評価値算出部は、前記目標速度の組み合わせごとに、前記消費電力算出部が算出した消費電力に所定の重みを乗算する評価関数に基づいて評価値を算出し、感度算出部は、前記複数の区間について、目標速度の変化量に対する前記評価値算出部が算出した評価値の変化量の大きさを示す感度を算出し、前記目標速度変更部は、前記消費電力算出部が前回の消費電力の算出に用いた各区間の目標速度それぞれを、前記感度算出部が算出した当該区間の感度の高さに応じて増減させ、目標速度決定部は、前記評価値が最も小さくなる前記目標速度の組み合わせを、前記車両の各区間における目標速度に決定することを特徴とする。

また、本発明は、現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置のコンピュータを、線路データ及び車両データ、並びに線路の複数の区間における目標速度に基づいて車両の走行をシミュレートするシミュレータ部、線路の複数の区間における目標速度を設定して、前記シミュレータ部のシミュレート結果から当該目標速度に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出する消費電力算出部、前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標速度の組み合わせを変更する目標速度変更部、前記目標速度の組み合わせごとに、前記消費電力算出部が算出した消費電力に所定の重みを乗算する評価関数に基づいて評価値を算出する評価値算出部、前記複数の区間について、目標速度の変化量に対する前記評価値算出部が算出した評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する感度算出部、前記評価値が最も小さくなる前記目標速度の組み合わせを、前記車両の各区間における目標速度に決定する目標速度決定部として機能させ、前記目標速度変更部は、前記消費電力算出部が前回の消費電力の算出に用いた各区間の目標速度それぞれを、前記感度算出部が算出した当該区間の感度の高さに応じて増減させるプログラムである。

また、本発明は、上記目標速度決定装置が決定した目標速度に基づいて前記車両の加速度を制御することを特徴とする車両制御装置である。

また、本発明は、現在の速度と上記目標速度決定装置が決定した目標速度との差分に基づいて加減速を行うことを特徴とする車両である。

本発明によれば、目標速度決定装置は、車両の走行パターンではなく、車両の区間ごとの目標速度を算出する。これにより、天候や乗客数の変化によらず、車両の走行の定時性を確保することができる。また、目標速度決定装置は、各区間の目標速度を、消費電力に所定の重みを乗算して得られる評価値が最も小さくなるような目標速度に決定する。これにより、消費電力を小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る車両１００の構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００の構成を示す概略ブロック図である。 複数の区間のうち１つの区間の目標速度のみを変更した場合の評価値の変化を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００の動作を示すフローチャートである。 本発明の参考例に係る車両１００の構成を示す概略ブロック図である。 本発明の参考例に係る目標充電率決定装置４００の構成を示す概略ブロック図である。 本発明の参考例に係る目標充電率決定装置４００の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る目標速度決定装置３００の構成を示す概略ブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る目標速度決定装置３００の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る構成を示す概略ブロック図である。

《第１の実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態について詳しく説明する。
本発明の第１の実施形態に係る目標速度決定装置は、車両の目標速度を決定する装置である。目標速度決定装置が決定した目標速度に基づいて走行する車両は、線路を複数の区間（例えば、閉塞区間）に分けたときに、各区間に目標速度を設定し、現在の速度と目標速度との差に基づいて加減速（ノッチの切り替え）を行う。具体的には、車両のＡＴＯ装置（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ：自動列車運転）は現在速度が目標速度より所定値以上遅い場合に力行をオンに切り替え、現在速度と目標速度との差が所定値以下である場合に力行及びブレーキをオフ（惰行）に切り替え、現在速度が目標速度より所定値以上速い場合にブレーキをオンに切り替える。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る車両１００の構成を示す概略ブロック図である。
車両１００は、集電部１０１、電動機１０２、補機１０３、抵抗器１０４、保安ブレーキ１０５、放電制御部１０６、ＡＴＯ装置２００（車両制御装置）を備える。

集電部１０１は、路線に設けられる架線から電気を得て、電動機１０２及び補機１０３に当該電気を供給する。また、集電部１０１は、電動機１０２の回生電力のうち、抵抗器１０４で消費されなかった回生電力を架線に供給する。
電動機１０２は、集電部１０１から供給される電気により車両１００を加速させる。また、発電機として作動することで車両１００を減速させ、発電した回生電力をＳＩＶ（Ｓｔａｔｉｃ ＩｎＶｅｒｔｅｒ：静止型インバータ）及び放電制御部１０６に供給する。なお、電動機１０２は、ＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：可変電圧可変周波数）インバータを介して他の機器と接続されている。
補機１０３は、車両１００に搭載される電動機１０２以外の機器であって、集電部１０１から供給される電力によって動作する。補機１０３の例としては、エアコンディショナなどが挙げられる。なお、補機１０３は、ＳＩＶを介して他の機器と接続されている。

抵抗器１０４は、電動機１０２の回生電力を消費することで、その電圧を架線の許容電圧以下に減圧させる。
保安ブレーキ１０５は、電動機１０２による回生ブレーキと別個に設けられた機械ブレーキである。保安ブレーキ１０５は、車両１００の速度が制限速度を超過した場合に駆動して車両１００を減速させる。
放電制御部１０６は、電動機１０２の回生ブレーキによって生じる電力が補機１０３で消費される電力より大きい場合に、電動機１０２の回生電力を抵抗器１０４に供給する。

ＡＴＯ装置２００は、電動機１０２の回転数から車両１００の速度を算出し、当該速度に基づいて電動機１０２のノッチを制御する。すなわち、ＡＴＯ装置２００は、電動機１０２の回転数から算出された車両１００の速度に基づいて車両１００の加減速を制御する。
ＡＴＯ装置２００は、目標速度記憶部２０１、駅停車時目標速度記憶部２０２、制限速度記憶部２０３、目標速度選択部２０４、速度算出部２０５、指令値算出部２０６、加減速指令部２０７を備える。

目標速度記憶部２０１は、目標速度決定装置が決定した各区間における目標速度を記憶する。
駅停車時目標速度記憶部２０２は、車両１００を駅の所定位置に停車させるための目標速度を記憶する。具体的には、駅手前の一定区間外は、目標速度を許容最大限の速度とし、駅手前の一定区間内は、目標速度を距離に対して単調減少するように設定する。すなわち、駅に近づくほど目標速度は減少する。これを適切に設定しておくことで、車両１００を確実に駅の所定位置に停車させることができる。なお、駅に停車するまでのロジックはこれに限られず、ＡＴＯ装置２００によって異なるものであっても良い。
制限速度記憶部２０３は、各区間における制限速度を記憶する。例えば、線路のうち勾配やカーブがある区間は制限速度が低く設定される。

目標速度選択部２０４は、目標速度記憶部２０１が記憶する目標速度と駅停車時目標速度記憶部２０２が記憶する目標速度のうち値の低いものを、車両１００の制御に用いる目標速度として選択する。
速度算出部２０５は、電動機１０２の回転数に基づいて車両１００の速度を算出する。
指令値算出部２０６は、目標速度選択部２０４が選択した目標速度と速度算出部２０５が算出した速度との差について比例制御をかけることで、電動機１０２を制御するためのブレーキのオン・オフ及び力行のオン・オフを示すノッチ指令値を算出する。

加減速指令部２０７は、速度算出部２０５が算出した速度と制限速度記憶部２０３が記憶する制限速度とに基づいて車両１００を制御する。具体的には、速度算出部２０５が算出した速度が制限速度を超える場合に保安ブレーキ１０５を起動させ、速度算出部２０５が算出した速度が制限速度以内である場合に、指令値算出部２０６が算出したノッチ指令値を電動機１０２に出力する。

次に、上述した車両１００の運行に用いる目標速度を決定する目標速度決定装置３００について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００の構成を示す概略ブロック図である。

目標速度決定装置３００は、シミュレータ部３０１、消費電力算出部３０２、ペナルティ値算出部３０３、評価値算出部３０４、評価情報記録部３０５、評価情報記憶部３０６、感度算出部３０７、目標速度変更部３０８、目標速度決定部３０９を備える。

シミュレータ部３０１は、予め入力された線路データ及び車両データ、並びに目標速度変更部３０８から入力される各区間の目標速度に基づいて車両１００の走行をシミュレートする。なお、線路データには、駅の位置、駅間走行時間、区間ごとの制限速度、線路のカーブ及び勾配などの情報が含まれる。また、車両データには、編成数、車両重量、乗車定員などの情報が含まれる。また、シミュレータ部３０１は、シミュレーションの結果として時刻ごとに、車両１００の消費電力、車両１００が駅に到着したか否か、車両１００の座標、ノッチパターン、車両１００の速度を出力する。

消費電力算出部３０２は、シミュレータ部３０１によるシミュレーションの結果に基づいて、車両１００が線路の走行に要した総消費電力を算出する。
ペナルティ値算出部３０３は、シミュレータ部３０１によるシミュレーションの結果と線路の走行において車両１００が満たすべき条件との乖離度を示すペナルティ値を算出する。線路の走行において車両１００が満たすべき条件としては、例えば、ジャークリミット、駅の到着時刻、駅の到着座標、制限速度などが挙げられる。なお、ジャークリミットとは、車両１００のジャーク値（加速度の時間変化率、加加速度）の上限を示す。車両１００のジャーク値が高いほど乗り心地が悪くなることが知られている。本実施形態においてペナルティ値算出部３０３は、車両１００の乗り心地、到着時刻、到着座標、及び制限速度について、それぞれペナルティ値を算出する。なお、本実施形態では、ペナルティ値算出部３０３は、制限値からの超過幅の二乗を、ペナルティ値として算出する。このほか、制限値からの超過幅の四乗など、ペナルティ値算出部３０３は、超過幅が大きいほどペナルティ値が大きくなるように、ペナルティ値を算出する。

評価値算出部３０４は、消費電力算出部３０２が算出した消費電力及びペナルティ値算出部３０３が算出したペナルティ値にそれぞれ所定の係数を乗算した値の総和を求める評価関数に基づいて、目標速度の適正度を示す評価値を算出する。評価関数において、ペナルティ値に掛かる係数は、消費電力に掛かる係数より十分に大きい値とする。例えば、ペナルティ値に係る係数は、桁あふれが生じない程度の値にすることが好ましい。これにより、線路の走行において車両１００が満たすべき条件を満たさない場合に評価値が高い値となる。なお、評価値はその値が低いほど目標速度が適正であることを示す。

図３は、複数の区間のうち１つの区間の目標速度のみを変更した場合の評価値の変化を示す図である。
図３では、ある区間の目標速度をＶ１以下としてシミュレーションを行った場合に、車両１００が定刻に駅に到着しないというシミュレーション結果が出た例を示している。この場合、ペナルティ値算出部３０３は、予め定められた到着時刻とシミュレーション結果の到着時刻との差の時間の二乗に、所定の係数を乗じた値をペナルティ値として算出する。これにより、目標速度がＶ１より小さくなるほど評価値は高い値となる。
また、図３では、ある区間の目標速度をＶ２以上としてシミュレーションを行った場合に、車両１００の速度が制限速度を超えるというシミュレーション結果が出た例を示している。この場合、ペナルティ値算出部３０３は、予め定められた制限速度とシミュレーション結果の速度との差の二乗に、所定の係数を乗じた値をペナルティ値として算出する。これにより、目標速度がＶ２より大きくなるほど評価値は高い値となる。
また、ペナルティ値に乗算される係数は、上述したように消費電力に掛かる係数より十分に大きい値である。これにより、評価値が低い値となる目標速度を選択することで、線路の走行において車両１００が満たすべき条件を満たした上で、消費電力が小さくなる目標速度を特定することができる。

評価情報記録部３０５は、評価値算出部３０４が算出した評価値とシミュレータ部３０１がシミュレーションに使用した各区間の目標速度とを関連付けて評価情報記憶部３０６に記録する。
評価情報記憶部３０６は、過去に算出された評価値と当該評価値を得たときの各区間の目標速度とを関連付けて記憶する。

感度算出部３０７は、評価値算出部３０４が算出した評価値と各区間の目標速度とに基づいて、線路の複数の区間について、目標速度の変化量に対する評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する。感度の算出は、各区間の目標速度を独立変数とし評価値を従属変数とする式を偏微分し、その傾きを調べることにより行う。

目標速度変更部３０８は、シミュレータ部３０１が前回のシミュレーションに用いた各区間の目標速度それぞれを、感度算出部３０７が算出した各区間の感度に応じて増減させる。具体的には、感度が高い区間ほど目標速度の変化度を大きくし、感度が低い区間ほど目標速度の変化度を小さくする。

目標速度決定部３０９は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値の最小値が収束したか否かを判定し、評価値の最小値が収束したと判定した場合に、最小の評価値に関連付けられた各区間の目標速度を、車両１００の走行に用いる目標速度に決定する。

次に、本発明の第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００の動作について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００の動作を示すフローチャートである。
まず、目標速度決定装置３００のシミュレータ部３０１は、各区間の目標速度の初期値を用いて、車両１００の走行をシミュレートする（ステップＳ１）。次に、消費電力算出部３０２は、シミュレータ部３０１によるシミュレーション結果から、各時刻における消費電力値の総和を算出することで、車両１００が目標速度に基づいて線路を走行した場合の消費電力を算出する（ステップＳ２）。

また、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレータ部３０１によるシミュレーション結果から、車両１００の乗り心地、到着時刻、到着座標、及び制限速度について、それぞれペナルティ値を算出する（ステップＳ３）。具体的には、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレーション結果におけるノッチ時間変化量が、予め定められた最低限の乗り心地を得るためのノッチ時間変化量より大きい場合に、その差の二乗を乗り心地のペナルティ値として算出する。また、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレーション結果における駅への到着時刻が、予め定められた到着時刻より遅い場合に、その差の二乗を到着時刻のペナルティ値として算出する。また、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレーション結果における駅の到着座標と予め定められた到着座標との差の二乗を到着座標のペナルティ値として算出する。また、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレーション結果における車両１００の速度が、予め定められた制限速度より速い場合に、その差の二乗を制限速度のペナルティ値として算出する。

次に、評価値算出部３０４は、消費電力算出部３０２が算出した消費電力とペナルティ値算出部３０３が算出した各ペナルティ値とを、所定の評価関数に代入することで、評価値を算出する（ステップＳ４）。評価関数は、消費電力及び各ペナルティ値のそれぞれに所定の係数を乗算した値の総和をとる関数である。上述したように、ペナルティ値の係数は消費電力の係数より大きく、桁あふれが生じない程度の値である。

次に、評価情報記録部３０５は、評価値算出部３０４が算出した評価値と、シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた目標速度の組み合わせとを、関連付けて評価情報記憶部３０６に記録する（ステップＳ５）。次に、目標速度決定部３０９は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値に基づいて、評価値の最小値が収束したか否を判定する（ステップＳ６）。収束計算の手法としては、内点法を用いることが好ましい。その他にも、目標速度決定部３０９は、例えば最後に算出された所定数の評価値の偏差が所定値以内である場合に、収束したと判定しても良い。

目標速度決定部３０９が、評価値の最小値が収束していないと判定した場合（ステップＳ６：ＮＯ）、感度算出部３０７は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値と各区間の目標速度に基づいて、各区間における評価値に対する感度を算出する（ステップＳ７）。具体的には、感度算出部３０７は、各区間の目標速度を独立変数とし、評価値を従属変数とする関数について偏微分を行うことで、各区間について感度を算出する。なお、感度計算の手法としては、アジョイント法を用いることが好ましい。

次に、目標速度変更部３０８は、感度算出部３０７が算出した感度に基づいて、前回シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた各区間の目標速度を変更する（ステップＳ８）。具体的には、感度が高い区間の目標速度の値を相対的に大きく変化させ、感度が低い区間の目標速度の値を相対的に小さく変化させる。なお、目標速度の変更方法としては、準ニュートン法を用いることが好ましい。
そして、ステップＳ１に戻り、変更後の目標速度を用いて車両１００の走行のシミュレーションを行う。

他方、目標速度決定部３０９がステップＳ６において、評価値の最小値が収束したと判定した場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、目標速度決定部３０９は、評価情報記憶部３０６が記憶する最小の評価値に関連付けられた目標速度を、車両１００の運行に用いる目標速度に決定する（ステップＳ９）。

これにより、目標速度決定装置３００は、線路の走行において車両１００が満たすべき条件を満たしつつ、最も省エネルギーとなる目標速度の組み合わせを得ることができる。また、最適なノッチパターンではなく、最適な目標速度を算出し、車両１００を当該目標速度に基づいて走行させることで、天候や乗客数の変化に依らず、運行の定時性を確保することができる。

《参考例》
次に、図面を参照しながら本発明の参考例について詳しく説明する。
本発明の参考例として、車両に搭載される二次電池の目標充電率を算出する目標充電率決定装置について説明する。参考例に係る目標充電率決定装置は、第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００と異なる構成の車両１００の目標速度を決定する。

図５は、本発明の参考例に係る車両１００の構成を示す概略ブロック図である。ここで、第１の実施形態に係る車両１００と同じ構成については、同じ符号を用いて説明する。
車両１００は、第１の実施形態に係る車両１００の構成に加えて、ＤＣＤＣコンバータ１０７、二次電池１０８、目標充電率記憶部１０９、充放電電力算出部１１０を備える。
ＤＣＤＣコンバータ１０７は、集電部１０１が電動機１０２、補機１０３、二次電池１０８に供給する電力量を制御する。
二次電池１０８は、集電部１０１が供給する電気及び電動機１０２が生成した電気を充電し、充電した電気を放電して電動機１０２及び補機１０３に供給する。
目標充電率記憶部１０９は、目標充電率決定装置が算出した線路の各区間における二次電池１０８の目標充電率を記憶する。
充放電電力算出部１１０は、二次電池１０８の充電率と目標充電率記憶部１０９が記憶する目標充電率との差について比例制御をかけることで、二次電池１０８の充放電に要する電力を算出する。

参考例に係る車両１００の放電制御部１０６は、充放電電力が算出した充放電電力、ＤＣＤＣコンバータ１０７の電力制限値、並びに電動機１０２及び補機１０３が要する電力に基づいて、ＤＣＤＣコンバータ１０７に出力させる電力と二次電池１０８に充放電させる電力を算出する。

次に、上述した車両１００の運行に用いる二次電池１０８の目標充電率を決定する目標充電率決定装置４００について説明する。
図６は、本発明の参考例に係る目標充電率決定装置４００の構成を示す概略ブロック図である。ここで、第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００と同じ処理部については、同じ符号を用いて説明する。

目標充電率決定装置４００は、シミュレータ部３０１、消費電力算出部３０２、ペナルティ値算出部３０３、評価値算出部３０４、評価情報記録部３０５、評価情報記憶部３０６、感度算出部３０７、目標充電率変更部３１０、目標充電率決定部３１１を備える。

シミュレータ部３０１は、予め入力された線路データ、車両データ及び各区間の目標速度、並びに目標充電率変更部３１０から入力される各区間の目標充電率に基づいて、車両１００の走行をシミュレートする。つまり、参考例に係るシミュレータ部３０１においては、同じ目標速度を用いて車両１００の走行をシミュレートする。

消費電力算出部３０２は、シミュレータ部３０１によるシミュレーションの結果に基づいて、車両１００が線路の走行に要した総消費電力を算出する。
ペナルティ値算出部３０３は、シミュレータ部３０１によるシミュレーションの結果と線路の走行において車両１００が満たすべき条件との乖離度を示すペナルティ値を算出する。なお、参考例に係るペナルティ値算出部３０３は、第１の実施形態に係るペナルティ値算出部３０３が算出するペナルティ値に加えて、充電率の時間変化、充電率の運用範囲、及び駅到着時の充電率についてのペナルティ値も算出する。充電率の時間変化のペナルティ値は、二次電池１０８の充電率の変化が過大となって二次電池１０８が劣化することを防ぐために設けている。充電率の運用範囲のペナルティ値は、二次電池１０８の充電率が運用範囲を超えて二次電池１０８が劣化することを防ぐために設けている。駅到着時の充電率のペナルティ値は、車両１００が駅に到着したあとも、当該車両１００による引き続きの走行ができる程度に二次電池１０８の充電率を保持するために設けている。

評価値算出部３０４は、消費電力算出部３０２が算出した消費電力及びペナルティ値算出部３０３が算出したペナルティ値にそれぞれ所定の係数を乗算した値の総和を求める評価関数に基づいて、目標充電率の適正度を示す評価値を算出する。

評価情報記録部３０５は、評価値算出部３０４が算出した評価値とシミュレータ部３０１がシミュレーションに使用した各区間の目標充電率とを関連付けて評価情報記憶部３０６に記録する。
評価情報記憶部３０６は、過去に算出された評価値と当該評価値を得たときの各区間の目標充電率とを関連付けて記憶する。

感度算出部３０７は、評価値算出部３０４が算出した評価値と各区間の目標充電率とに基づいて、線路の複数の区間について、目標充電率の変化量に対する評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する。

目標充電率変更部３１０は、シミュレータ部３０１が前回のシミュレーションに用いた各区間の目標充電率それぞれを、感度算出部３０７が算出した各区間の感度に応じて増減させる。具体的には、感度が高い区間ほど目標充電率の変化度を大きくし、感度が低い区間ほど目標充電率の変化度を小さくする。

目標充電率決定部３１１は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値の最小値が収束したか否かを判定し、評価値の最小値が収束したと判定した場合に、最小の評価値に関連付けられた各区間の目標充電率を、車両１００の走行に用いる目標速度に決定する。

次に、本発明の参考例に係る目標充電率決定装置４００の動作について説明する。
図７は、本発明の参考例に係る目標充電率決定装置４００の動作を示すフローチャートである。
まず、目標充電率決定装置４００のシミュレータ部３０１は、予め定められた各区間の目標速度と、各区間の目標充電率の初期値とを用いて、車両１００の走行をシミュレートする（ステップＳ１１）。次に、消費電力算出部３０２は、シミュレータ部３０１によるシミュレーション結果から、各時刻における消費電力値の総和を算出することで、車両１００が目標速度に基づいて線路を走行した場合の消費電力を算出する（ステップＳ１２）。

また、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレータ部３０１によるシミュレーション結果から、車両１００の乗り心地、到着時刻、到着座標、制限速度、充電率の時間変化、充電率の運用範囲、及び駅到着時の充電率について、それぞれペナルティ値を算出する（ステップＳ１３）。次に、評価値算出部３０４は、消費電力算出部３０２が算出した消費電力とペナルティ値算出部３０３が算出した各ペナルティ値とを、所定の評価関数に代入することで、評価値を算出する（ステップＳ１４）。

次に、評価情報記録部３０５は、評価値算出部３０４が算出した評価値と、シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた目標充電率の組み合わせとを、関連付けて評価情報記憶部３０６に記録する（ステップＳ１５）。次に、目標充電率決定部３１１は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値に基づいて、評価値の最小値が収束したか否を判定する（ステップＳ１６）。

目標充電率決定部３１１が、評価値の最小値が収束していないと判定した場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、感度算出部３０７は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値と各区間の目標充電率に基づいて、各区間における評価値に対する感度を算出する（ステップＳ１７）。具体的には、感度算出部３０７は、各区間の目標充電率を独立変数とし、評価値を従属変数とする関数について偏微分を行うことで、各区間について感度を算出する。

次に、目標充電率変更部３１０は、感度算出部３０７が算出した感度に基づいて、前回シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた各区間の目標充電率を変更する（ステップＳ１８）。具体的には、感度が高い区間の目標充電率の値を相対的に大きく変化させ、感度が低い区間の目標充電率の値を相対的に小さく変化させる。
そして、ステップＳ１１に戻り、変更後の目標充電率を用いて車両１００の走行のシミュレーションを行う。

他方、目標充電率決定部３１１がステップＳ１６において、評価値の最小値が収束したと判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、目標充電率決定部３１１は、評価情報記憶部３０６が記憶する最小の評価値に関連付けられた目標充電率を、車両１００の運行に用いる目標充電率に決定する（ステップＳ１９）。

これにより、目標充電率決定装置４００は、線路の走行において車両１００が満たすべき条件を満たしつつ、最も省エネルギーとなる目標充電率の組み合わせを得ることができる。また、参考例では、目標充電率を最適化しているため、二次電池１０８の劣化による変化に依らず、二次電池１０８の安定運用を図ることができる。

《第２の実施形態》
次に、図面を参照しながら本発明の第２の実施形態について詳しく説明する。
本発明の第２の実施形態に係る目標速度決定装置３００は、第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００と参考例に係る目標充電率決定装置４００とを組み合わせたものであって、参考例に係る車両１００と同じ構成の車両１００について、各区間の目標速度及び目標充電率を算出する。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る目標速度決定装置３００の構成を示す概略ブロック図である。ここで、第１の実施形態に係る目標速度決定装置３００または参考例に係る目標充電率決定装置４００と同じ処理部については、同じ符号を用いて説明する。

目標速度決定装置３００は、第１の実施形態の構成に加えて、参考例に係る目標充電率変更部３１０及び目標充電率決定部３１１を備える。

第２の実施形態において、シミュレータ部３０１は、目標速度変更部３０８から入力される各区間の目標速度と目標充電率変更部３１０から入力される各区間の目標充電率に基づいて、車両１００の走行をシミュレートする。また、評価情報記録部３０５は、評価値算出部３０４が算出した評価値とシミュレータ部３０１がシミュレーションに使用した各区間の目標速度と目標充電率とを関連付けて評価情報記憶部３０６に記録する。また、評価情報記憶部３０６は、過去に算出された評価値と当該評価値を得たときの各区間の目標速度及び目標充電率とを関連付けて記憶する。また、感度算出部３０７は、評価値算出部３０４が算出した評価値と各区間の目標速度及び目標充電率とに基づいて、線路の複数の区間の目標速度と目標充電率とについて、目標充電率の変化量に対する評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る目標速度決定装置３００の動作について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る目標速度決定装置３００の動作を示すフローチャートである。
まず、目標速度決定装置３００のシミュレータ部３０１は、各区間の目標速度及び目標充電率の初期値を用いて、車両１００の走行をシミュレートする（ステップＳ２１）。次に、消費電力算出部３０２は、シミュレータ部３０１によるシミュレーション結果から、各時刻における消費電力値の総和を算出することで、車両１００が目標速度及び目標充電率に基づいて線路を走行した場合の消費電力を算出する（ステップＳ２２）。

また、ペナルティ値算出部３０３は、シミュレータ部３０１によるシミュレーション結果から、車両１００の乗り心地、到着時刻、到着座標、制限速度、充電率の時間変化、充電率の運用範囲、及び駅到着時の充電率について、それぞれペナルティ値を算出する（ステップＳ２３）。次に、評価値算出部３０４は、消費電力算出部３０２が算出した消費電力とペナルティ値算出部３０３が算出した各ペナルティ値とを、所定の評価関数に代入することで、評価値を算出する（ステップＳ２４）。

次に、評価情報記録部３０５は、評価値算出部３０４が算出した評価値と、シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた目標速度及び目標充電率の組み合わせとを、関連付けて評価情報記憶部３０６に記録する（ステップＳ２５）。次に、目標速度決定部３０９は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値に基づいて、評価値の最小値が収束したか否を判定する（ステップＳ２６）。

目標速度決定部３０９が、評価値の最小値が収束していないと判定した場合（ステップＳ２６：ＮＯ）、感度算出部３０７は、評価情報記憶部３０６が記憶する評価値と各区間の目標速度と目標充電率とに基づいて、各区間の目標速度と目標充電率とについて評価値に対する感度を算出する（ステップＳ２７）。具体的には、感度算出部３０７は、各区間の目標速度及び目標充電率を独立変数とし、評価値を従属変数とする関数について偏微分を行うことで、各区間の目標速度と目標充電率とについて感度を算出する。

次に、目標速度変更部３０８は、感度算出部３０７が算出した感度に基づいて、前回シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた各区間の目標速度を変更する。また、目標充電率変更部３１０は、感度算出部３０７が算出した感度に基づいて、前回シミュレータ部３０１がシミュレーションに用いた各区間の目標充電率を変更する（ステップＳ２８）。
そして、ステップＳ２１に戻り、変更後の目標速度及び目標充電率を用いて車両１００の走行のシミュレーションを行う。

他方、目標速度決定部３０９がステップＳ２６において、評価値の最小値が収束したと判定した場合（ステップＳ２６：ＹＥＳ）、目標速度決定部３０９は、評価情報記憶部３０６が記憶する最小の評価値に関連付けられた目標速度を、車両１００の運行に用いる目標速度に決定する。また、目標充電率決定部３１１は、評価情報記憶部３０６が記憶する最小の評価値に関連付けられた目標充電率を、車両１００の運行に用いる目標充電率に決定する（ステップＳ２９）。

これにより、目標速度決定装置３００は、線路の走行において車両１００が満たすべき条件を満たしつつ、最も省エネルギーとなる目標速度及び目標充電率の組み合わせを得ることができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、第２の実施形態に係る車両１００は、電動機１０２、補機１０３、抵抗器１０４及び二次電池１０８がそれぞれＤＣＤＣコンバータ１０７を介して集電部１０１に接続される場合について説明したが、これに限られない。
図１０は、本発明の第２の実施形態の変形例に係る構成を示す概略ブロック図である。
車両１００は、図１０に示すように、二次電池１０８がＤＣＤＣコンバータ１０７を介して集電部１０１に接続され、電動機１０２、補機１０３及び抵抗器１０４が直接集電部１０１と接続される構成であっても良い。

上述の目標速度決定装置３００及び目標充電率決定装置４００、並びにＡＴＯ装置２００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

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い。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、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１００…車両 １０１…集電部 １０２…電動機 １０３…補機 １０４…抵抗器 １０５…保安ブレーキ １０６…放電制御部 １０７…ＤＣＤＣコンバータ １０８…二次電池 １０９…目標充電率記憶部 １１０…充放電電力算出部 ２００…ＡＴＯ装置 ２０１…目標速度記憶部 ２０２…駅停車時目標速度記憶部 ２０３…制限速度記憶部 ２０４…目標速度選択部 ２０５…速度算出部 ２０６…指令値算出部 ２０７…加減速指令部 ３００…目標速度決定装置 ３０１…シミュレータ部 ３０２…消費電力算出部 ３０３…ペナルティ値算出部 ３０４…評価値算出部 ３０５…評価情報記録部 ３０６…評価情報記憶部 ３０７…感度算出部 ３０８…目標速度変更部 ３０９…目標速度決定部 ３１０…目標充電率変更部 ３１１…目標充電率決定部

Claims (7)

1. 現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置であって、
   線路データ及び車両データ、並びに線路の複数の区間における目標速度に基づいて車両の走行をシミュレートするシミュレータ部と、
   線路の複数の区間における目標速度を設定して、前記シミュレータ部のシミュレート結果から当該目標速度に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出する消費電力算出部と、
   前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標速度の組み合わせを変更する目標速度変更部と、
   前記目標速度の組み合わせごとに、前記消費電力算出部が算出した消費電力に所定の重みを乗算する評価関数に基づいて評価値を算出する評価値算出部と、
   前記複数の区間について、目標速度の変化量に対する前記評価値算出部が算出した評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する感度算出部と、
   前記評価値が最も小さくなる前記目標速度の組み合わせを、前記車両の各区間における目標速度に決定する目標速度決定部と
   を備え、
   前記目標速度変更部は、前記消費電力算出部が前回の消費電力の算出に用いた各区間の目標速度それぞれを、前記感度算出部が算出した当該区間の感度の高さに応じて増減させる
   ことを特徴とする目標速度決定装置。
2. 前記線路の走行において前記車両が満たすべき条件との乖離度を示すペナルティ値を算出するペナルティ値算出部を備え、
   前記評価関数は、前記消費電力に所定の重みを乗じた値と前記ペナルティ値に前記消費電力の重みより大きい重みを乗じた値の総和をとるものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の目標速度決定装置。
3. 前記車両は、二次電池を備え、当該二次電池の現在の充電率と目標充電率との差分に基づいて当該二次電池の充放電を制御する車両であって、
   前記消費電力算出部は、複数の区間における目標速度及び目標充電率を設定して、当該目標速度及び目標充電率に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出し、
   前記評価値算出部は、前記目標速度及び前記目標充電率の組み合わせごとに、前記評価値を算出し、
   前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標充電率の組み合わせを変更する目標充電率変更部と、
   前記評価値が最も小さくなる前記目標充電率の組み合わせを、前記車両の各区間における目標充電率に決定する目標充電率決定部と
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の目標速度決定装置。
4. 現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置を用いた目標速度決定方法であって、
   シミュレータ部は、線路データ及び車両データ、並びに線路の複数の区間における目標速度に基づいて車両の走行をシミュレートし、
   消費電力算出部は、線路の複数の区間における目標速度を設定して、前記シミュレータ部のシミュレート結果から当該目標速度に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出し、
   目標速度変更部は、前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標速度の組み合わせを変更し、
   評価値算出部は、前記目標速度の組み合わせごとに、前記消費電力算出部が算出した消費電力に所定の重みを乗算する評価関数に基づいて評価値を算出し、
   感度算出部は、前記複数の区間について、目標速度の変化量に対する前記評価値算出部が算出した評価値の変化量の大きさを示す感度を算出し、
   前記目標速度変更部は、前記消費電力算出部が前回の消費電力の算出に用いた各区間の目標速度それぞれを、前記感度算出部が算出した当該区間の感度の高さに応じて増減させ、
   目標速度決定部は、前記評価値が最も小さくなる前記目標速度の組み合わせを、前記車両の各区間における目標速度に決定する
   ことを特徴とする目標速度決定方法。
5. 現在の速度と目標速度との差分に基づいて加減速を行う車両の目標速度を決定する目標速度決定装置のコンピュータを、
   線路データ及び車両データ、並びに線路の複数の区間における目標速度に基づいて車両の走行をシミュレートするシミュレータ部、
   線路の複数の区間における目標速度を設定して、前記シミュレータ部のシミュレート結果から当該目標速度に基づいて前記線路を走行した場合の消費電力を算出する消費電力算出部、
   前記消費電力算出部に設定される前記複数の区間における目標速度の組み合わせを変更する目標速度変更部、
   前記目標速度の組み合わせごとに、前記消費電力算出部が算出した消費電力に所定の重みを乗算する評価関数に基づいて評価値を算出する評価値算出部、
   前記複数の区間について、目標速度の変化量に対する前記評価値算出部が算出した評価値の変化量の大きさを示す感度を算出する感度算出部、
   前記評価値が最も小さくなる前記目標速度の組み合わせを、前記車両の各区間における目標速度に決定する目標速度決定部
   として機能させ、
   前記目標速度変更部は、前記消費電力算出部が前回の消費電力の算出に用いた各区間の目標速度それぞれを、前記感度算出部が算出した当該区間の感度の高さに応じて増減させる
   プログラム。
6. 請求項１に記載の目標速度決定装置が決定した目標速度に基づいて前記車両の加速度を制御することを特徴とする車両制御装置。
7. 現在の速度と請求項１に記載の目標速度決定装置が決定した目標速度との差分に基づいて加減速を行うことを特徴とする車両。

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