JP6914427B2 - 中央センサシステムによる減速度制御を伴う制動の実行のための、軌道車両の制動に関する実際値を求める方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の車両から成る列車連結体、特に軌道車両の、減速度制御を伴う制動の実行のために、列車連結体の制動に関連する実際値を求める方法および装置であって、長手方向減速度および長手方向勾配を実際値として考慮し、当該実際値から、減速度制御回路により、所望のブレーキ減速度につき設定された目標値にしたがって、ブレーキのアクチュエータに対する制御偏差の補償のための調整値を求める方法および装置に関する。

本発明の適用分野は、とりわけ軌道車両の構造に及んでいる。通常個々の車両から成る列車連結体は、交通において設定された制動距離を遵守し、特に予告されている点で停止しなければならない。軌道車両の制動は、厳密に定義された基準、殊に減速度特性曲線にしたがって行われ、その遵守は、軌道車両の経済的かつ安全な運転の保証にとって重要である。現行の軌道車両の各制動には、種々のタイプのブレーキ、例えば摩擦ブレーキ、エレクトロダイナミックブレーキ、磁石レールブレーキもしくは渦電流ブレーキが関与している。当該ブレーキのそれぞれは、特有の優位性、例えば効率的であって摩耗が最小となる制動が可能な速度領域または出力領域を有している。この場合、各制動タイプは、制動力の適用時に特有の許容差および不正確性を有し、このため、制動過程の特性において、得られる制動力に望ましくない変動が生じる。

こうした背景から、制動の正確な配分には、実際に作用している制動力を、例えば車両運転者に運転席のディスプレイを介して報知することにより、または制動力の電子閉ループ制御回路に実際値として直接に供給することにより、当該実際に作用している制動力のフィードバック入力が要求される。また、複数のタイプのブレーキが同時に共同作用を形成する際には特に、個々の各ブレーキが作用させた制動力を直接に測定することはできず、相応の不正確性を有する迂回手段、例えば調達された電力、ブレーキシリンダ圧力または材料膨張によって測定するしかない。これらの量と制動力との間の物理的関係はしばしば非線形であり、しかもシステム上の変動およびランダムな変動にさらされる。

独国特許出願公開第１０２０１１０５２５４５号明細書から、上述した問題点を解決するために、車両の長手方向減速度を表す値を実際値として使用し、閉ループ制御回路により、車両の長手方向減速度に対して設定された目標値が得られるように努める、という技術的教説が得られる。つまり、制動の作用が、車両レベルでの減速度の形態で閉ループ制御される。ただし、当該閉ループ制御は、実際に作用する制動力を送出しない。また、車両の長手方向減速度の目標値へ向かっての閉ループ制御は、走行区間の登坂部においてはトポロジに起因して生じうる減速度が活用されず、走行区間の降坂部においてはブレーキが過負荷となるという副次的な効果も有する。

独国特許出願公開第１０２０１５１１００５３号明細書では、こうした問題点を解決するために、車両に作用する長手方向減速度を検出することに加えて、走行区間の登坂部または降坂部により生じる勾配抵抗を求め、これにより車両の長手方向減速度および勾配抵抗に基づいて制動力を計算することが提案されている。

車両の長手方向減速度は、車両長手方向軸線に沿った力学的減速度である。車両長手方向軸線はつねに走行区間に対して平行であるので、登坂部または降坂部への移行時には走行区間に伴って当該軸線は傾斜する。

勾配抵抗とは、走行区間が平坦面から傾斜している場合、すなわち登坂部または降坂部により、走行方向で車両に作用する力である。地面の重力場において垂直に下方へ向かう車両の重力は、当該勾配抵抗と、車両に対して垂直であって車両から走行路へ伝達される法線力と、のベクトル和と見なすことができる。

静的に重力加速度も測定する減速度センサを車両の長手方向減速度を求めるために使用することは、登坂および降坂がセンサ信号の変化を生じさせず、このため車両の長手方向減速度への登坂および降坂の影響を考慮しなくてよいという利点を有する。これは、純粋な転動に際して発生するような、登坂に基づいて発生する車両の減速度が、センサ信号に生じないことを意味する。当該センサは、例えば制動によって発生する付加的な減速度のみを測定する。そうでない場合、つまり減速度が例えば車両速度に基づいて求められて制御される場合には、制動距離は登坂に関係なく設定されることになる。このことは、平坦面での制動距離が登坂時の制動距離と同じ長さとなることを意味する。これは、地域特有の規定に基づく予信号と主信号との間の予信号間隔が走行路の登坂部に一致してしまいかねないため、望ましくない。また、車両は登坂時に制動解放され、したがって不自然な挙動を呈することがある。したがって、減速度の閉ループ制御において車両の長手方向減速度を求める減速度センサを使用することにより、登坂および降坂によって発生する車両の長手方向加速度が減速度センサの実際信号では考慮されないので、システム全体の所望の挙動が得られる。

多数の個々の車両から成る長い列車連結体では、列車連結体の任意の位置、好適には先頭車両に配置された中央の減速度センサが、走行区間の登坂変化がある場合に、制動力の解釈に偏差を生じさせることがある。これは、列車連結体の後方車両が列車連結体をさらに押したり、または減速させたりしうるためである。というのは、特に長い列車連結体において、インフラストラクチャから生じる局所的な降坂変化がある場合、列車連結体のすべての車両が各時点で同じまたはほぼ同じ降坂位置もしくは登坂位置にあることが保証されないからである。降坂または登坂に基づいて軌道車両に作用する長手方向加速度は、各個々の車両が位置する降坂部または登坂部から生じる。各車両は、登坂変化または降坂変化がある場合、それぞれ別の領域に位置しうる。

例えば、山越え走行の際、列車連結体の長手方向減速度への降坂変化の影響は変化する。登坂部においては、当該影響は減速性を有する。先頭車両が降坂部にあり、最後の車両がいまだ登坂部にある頂上では、降坂部は平坦面の場合と同様に列車の長手方向減速度に全く作用せず、後続の降坂部において列車が加速される。軌道車両が降坂変化中に減速度制御回路を作動して制動を行うと、列車の中央位置の加速度センサによる長手方向減速度の測定時に、測定値と実際に予測される降坂補償されたもしくは登坂補償された減速度との間に誤差が生じる。こうした誤差は列車の制動距離の重大な延長を生じさせることがある。

本発明の課題は、特に軌道車両の減速度制御のために中央での測定値検出を行う方法および装置を提供し、多数の車両から成る長い列車連結体での正確な制動を保証することである。

この課題は、請求項１の上位概念記載の方法から出発して、当該請求項１の特徴部分に記載の特徴に関連して解決される。請求項１３はこれに関連したコンピュータプログラム製品を示している。課題は、装置技術的には、請求項１０により解決される。引用関係にある各従属請求項は、本発明の有利な発展形態を表している。

本発明には、列車連結体の全体に対する、制動に関連する実際値の検出および／または計算が、列車最前部に配置された複数のセンサを有する中央の測定値検出ユニットにより行われ、列車長さが、中央で求められる付加的な実際値として、減速度制御回路により、制御偏差の補償のための調整値を計算する際に、列車長さに依存して異なる制動需要が、列車前部で求められた長手方向勾配から得られる、列車長さに沿った上昇プロフィルに基づいて考慮されるように考慮されるという技術的教説が含まれている。

したがって、軌道車両の減速度制御または制動力制御の最適化は、列車連結体の列車最前部、好適には先頭車両に配置された中央の測定値検出ユニットにより軌道車両の減速力または制動力を求めることで可能となる。測定値検出ユニットには、好適には、こうした中央位置で長手方向減速度および／または角度測定による長手方向勾配を求める複数のセンサが属している。代替的に、当該測定値は、他の物理量からの換算または軌道車両の他のシステムユニットの設定によっても取得可能である。

当該測定量と列車長さの知識とを用いて、測定値検出ユニットの列車モデルの計算において、本発明の対象である列車減速度の実際値が、登坂変化に依存して持続的に（オンボードで）計算可能となる。この場合、当該実際値は、好適には、測定値検出ユニットと同じ制御装置内にあるブレーキ駆動部の固有の減速度制御回路に供給される。

当該方法の利点は、センサが中央位置に必要なだけであり、列車長さにわたる大規模なデータ通信が必要ないということにある。軌道車両が双方向に運転される場合、本発明の方法を実行する装置を、本発明の意味における列車最前部を交互に形成する列車の両端に設けることができる。これは、本発明の装置がつねに列車先頭部においてアクティブとならなければならないからである。

列車長さを考慮しつつ、減速度センサを用いて実際値を求める本発明の解決手段により、軌道車両の編成が長い場合にも、登坂の移行区間において制動を最適に利用することができる。

本発明の解決手段の発展形態において、勾配に対する長手方向減速度を、列車連結体の各車両に対して別個に求めることもできる。ただし、統一的な調整値を計算するために、各車両の個々の、勾配に対する長手方向減速度から平均値を形成することが提案される。個々の、勾配に対する長手方向減速度のために、列車連結体の各車両への相応のセンサシステムの組込みは要求されない。列車モデルの計算により、当該個々の実際値は、軌道車両の走行速度が既知であれば計算によりきわめて簡単に求めることができる。

好適には、列車長さは、列車連結体の相互に連結された車両の数と当該車両それぞれの長さとが考慮されるよう、列車モデルに基づいて計算される。部分長さの加算により軌道車両の計算された全列車長さが得られ、当該全列車長さは、車両数および車両型式の変化にしたがってフレキシブルに適応化可能である。

ブレーキシステムの減速度制御回路の入力側に供給された、軌道車両の長手方向減速度の実際値、走行速度および長手方向勾配は、種々の方式で求めることができる。

軌道車両の長手方向減速度に関しては、列車連結体に沿って速度測定からの数学的な導出により取得可能であるか、または直接に加速度センサにより取得可能である。第１の好ましい代替手段では、登坂補償されていない長手方向減速度の実際値が供給され、これに対して、センサ技術により求められた測定値は、上述したように、その代わりに登坂補償された実際値を供給する。

軌道車両の速度の実際値は、同様に、センサ技術により、パルス発生器を用いた車輪での回転数測定とこれに続く車輪直径を考慮した速度計算とによって行うことができる。これに代えて、レーダー測定または光学センサを用いた測定またはこれらに類似のものも可能である。さらに、ＧＰＳ（全地球測位システム）信号処理部が軌道車両の実際の速度を供給することもできる。

長手方向勾配の実際値は、例えば角度測定センサにより求めることができる。角度測定センサにより、水平線に対する車両長手軸線の直接の角度または角度の変化が測定される。また、当該角度センサは、重力加速度に対する偏向角度を測定する加速度センサを基礎として構成することもできる。そのほか、登坂部もしくは降坂部の検出は、ＧＰＳおよびその内部に格納されている走行区間の高度プロフィルを用いた位置特定によっても行うことができる。さらなる代替手段では、角度の測定が、例えば車輪回転数またはＧＰＳ信号から取得される速度から、登坂補償された減速度センサの信号と登坂補償されていない信号との比較によって形成される。

以下に、本発明を改善するさらなる措置を、本発明の好ましい実施例の説明と共に、図に即して詳細に説明する。

登坂区間を走行する列車連結体を示す概略的な側面図である。 制動に関連する実際値を求める装置を備えた図１の列車連結体の一部を示す概略的な側面図である。 測定値検出ユニットおよび減速度制御回路から成る構造ユニットを示すブロック回路図である。

図１には、軌道車両の形態の、複数の車両１ａ〜１ｅから成る列車連結体が示されている。ベクトル矢印によって、車両１ａ〜１ｅのそれぞれに個別の走行方向が対応づけられている。したがって、当該列車連結体は、現時点では、列車最前部２の車両１ａが最大高度に達しており、対して中間の車両１ｂ〜１ｄが登坂区間にあり、列車後部３を形成している車両１ｅはいまだ登坂区間の開始部に位置している、という登坂走行の状況にある。ここに図示している例示的な登坂走行中、実際値としての列車連結体の長手方向減速度の検出に唯一の前方の測定位置を使用して、安定した減速度制御を伴う制動を行うには、各車両１ａ〜１ｅの個々の長手方向勾配とここから生じる種々の制動需要とが、所望のブレーキ減速度につき設定された目標値を達成するための調整値の計算に考慮されると有利である。

図２には、当該目的のために列車最前部２（ここでは車両１ａ）に配置された構造ユニット４が示されており、当該構造ユニット４は、測定値検出ユニット５とこれに接続された減速度制御回路／減速力制御回路６とから成っている。測定値検出ユニット５は、同様に測定値検出ユニット５の構成要素である加速度センサ７により、持続的に長手方向減速度ａ_Ｌを測定する。加速度センサ７は車両１ａ内に配置されている。付加的に、当該実施例においては、軌道車両の速度ｖ_Ｚが車輪８に配置された回転数センサ９により測定され、測定値検出ユニット５の入力側に供給される。回転数センサ９も同様に、中央の測定値検出ユニット５の構成要素である。測定値検出ユニット５にはさらに、測定されたもしくは計算により求められた減速度制御のための別の実際値も供給され、このことについては後述する。

図３には、減速度制御回路／減速力制御回路のブロック回路図として、構造ユニット４内に統合されて配置された測定値検出ユニット５とこれに後置接続された減速度制御回路／減速力制御回路６とが示されている。したがって、測定値検出ユニット５には、軌道車両の速度ｖ_Ｚおよび長手方向減速度ａ_Ｌの測定値の他、長手方向勾配α_Ｌおよび列車モデルから導出された列車長さＬ_Ｚも供給される。ここから、測定値検出ユニット５は、本発明の解決手段にしたがって制動に関連する実際値を求め、減速度制御回路６が当該実際値から所望のブレーキ減速度につき設定された目標値との比較において制御偏差を求め、相応の調整値をアクチュエータ１１、例えば圧縮空気式ブレーキに出力する。

減速度制御回路／減速力制御回路６は、減速度の閉ループ制御において、列車長さに依存して異なる制動需要が、列車前部で求められた長手方向勾配α_Ｌから得られる、列車長さＬ_Ｚに沿った上昇プロフィルに基づいて考慮されるように、列車長さＬ_Ｚを付加的な実際値として調整値の計算に考慮する。

長手方向勾配α_Ｌが一定であれば、長手方向減速度ａ_Ｌを求める加速度センサ７が、登坂影響または降坂影響を考慮して正確な列車減速度を測定する。走行中に角度測定センサ１０による列車最前部２での長手方向勾配α_Ｌの測定値が変化する場合、車両１ａ〜１ｅの数およびその長さを含む、格納された列車モデルと測定された速度ｖ_Ｚとを用いて、各車両１ａ〜１ｅの勾配に対する減速度を求めることができる。当該値から持続的に、正確な実際値が、列車連結体の減速度の全値として、ここでは個々の値の平均により、計算される。当該方法により、冒頭に言及した、列車長さに関する制御技術上の誤差が最適に補償される。

本発明は、上述した好ましい実施例に限定されない。むしろその変形形態が可能であり、当該変形形態は以下の特許請求の範囲の権利範囲に含まれる。つまり、例えば、付加的なまたは補完的な計算ステップ、例えばフィルタリング、妥当性検査または測定信号の同期を、実際値の形成方法において共に考慮することができる。

さらに、軌道車両のブレーキ制御に測定値検出を組み込むこともできる。これにより、従来のブレーキ制御において滑り止め装置に利用されるいわゆる基準速度に対する既存の速度計算を減速度の閉ループ制御に利用できるという利点が利用可能となる。付加的に、当該措置によれば、必要な電子モジュールも少なくて済む。

１ 車両
２ 列車最前部
３ 列車最後部
４ 構造ユニット
５ 測定値検出ユニット
６ 減速度制御回路／減速力制御回路
７ 加速度センサ
８ 車輪
９ 回転数センサ
１０ 角度測定センサ
１１ アクチュエータ
ａ_Ｌ 長手方向減速度
α_Ｌ 長手方向勾配
ｖ_Ｚ 列車速度
Ｌ_Ｚ 列車長さ
ａ_Ｓ （減速度制御の）目標値

Claims (12)

1. 複数の車両（１ａ〜１ｅ）から成る列車連結体、特に軌道車両の、減速度制御を伴う制動の実行のために、前記列車連結体の制動に関連する実際値を求める方法であって、
   長手方向減速度（ａ_Ｌ）および長手方向勾配（α_Ｌ）を実際値として考慮し、前記実際値から、減速度制御回路／減速力制御回路（６）により、所望のブレーキ減速度につき設定された目標値にしたがって、ブレーキのアクチュエータ（１１）に対する制御偏差の補償のための調整値を求める、方法において、
   ・前記列車連結体の全体に対する、前記制動に関連する実際値の検出および／または計算を、列車最前部（２）に配置された複数のセンサ（７，９，１０）を有する中央の測定値検出ユニット（５）により行い、
   ・列車長さ（Ｌ_Ｚ）を、中央で求められる付加的な実際値として、前記減速度制御回路／減速力制御回路（６）により、
   ・前記制御偏差の補償のための調整値を計算する際に、列車長さに依存して異なる制動需要が、前記列車最前部（２）で求められた前記長手方向勾配（α_Ｌ）から得られる、前記列車長さ（Ｌ_Ｚ）に沿った上昇プロフィルに基づいて考慮される
   ように考慮する、
   ことを特徴とする方法。
2. 勾配に対する長手方向減速度（ａ_Ｌ）を、前記列車連結体の各車両（１ａ〜１ｅ）に対して別個に求める、
   請求項１記載の方法。
3. 統一的な調整値を計算するために、各車両（１ａ〜１ｅ）に対する個々の前記勾配に対する長手方向減速度（ａ_Ｌ）から、平均値を形成する、
   請求項２記載の方法。
4. 前記列車連結体の相互に連結された車両（１ａ〜１ｅ）の数とそのそれぞれの長さとを考慮した列車モデルから、前記列車長さ（Ｌ_Ｚ）を計算する、
   請求項１記載の方法。
5. 前記減速度制御回路／減速力制御回路（６）により、中央で求められる付加的な実際値として、前記列車連結体の速度（ｖ_Ｚ）を考慮する、
   請求項１記載の方法。
6. 前記速度（ｖ_Ｚ）の前記実際値を、１つの車輪（８）での回転数測定により、かつ／またはＧＰＳユニットにより、かつ／または純粋なレーダーユニットにより、求める、
   請求項５記載の方法。
7. 前記長手方向減速度（ａ_Ｌ）の前記実際値を、前記速度（ｖ_Ｚ）の信号からの数学的導出により、かつ／または加速度センサ（７）を用いた測定により、求める、
   請求項５記載の方法。
8. 前記長手方向勾配（α_Ｌ）の前記実際値を、角度測定センサ（１０）により、かつ／またはＧＰＳユニット内に格納されている高度プロフィルにより、求める、
   請求項１記載の方法。
9. 前記長手方向勾配（α_Ｌ）の前記実際値を、加速度センサ（７）によって求められた前記長手方向減速度（ａ_Ｌ）の登坂補償された信号と、前記速度（ｖ_Ｚ）の数学的導出による登坂補償されていない長手方向減速度（ａ_Ｌ）の信号と、の比較により、求める、
   請求項５から７のいずれか１項記載の方法。
10. 複数の車両（１ａ〜１ｅ）から成る列車連結体、特に軌道車両の、減速度制御を伴う制動の実行のために、前記列車連結体の制動に関連する実際値を求める装置であって、
    長手方向減速度（ａ_Ｌ）および長手方向勾配（α_Ｌ）を実際値として考慮し、前記実際値から、減速度制御回路／減速力制御回路（６）が、所望のブレーキ減速度につき設定された目標値（ａ_Ｓ）にしたがって、ブレーキのアクチュエータ（１１）に対する制御偏差の補償のための調整値を出力する、装置において、
    ・前記列車連結体の全体に対する、前記制動に関連する実際値の検出および／または計算のための、列車最前部（２）に配置された複数のセンサ（７，９，１０）を有する中央の測定値検出ユニット（５）が設けられており、
    ・前記減速度制御回路／減速力制御回路（６）は、列車長さ（Ｌ_Ｚ）を、中央で求められる付加的な実際値として、
    ・前記制御偏差の補償のための調整値の計算が、列車長さに依存して異なる制動需要を考慮して、前記列車最前部（２）で求められた前記長手方向勾配（α_Ｌ）から得られる、前記列車長さ（Ｌ_Ｚ）に沿った上昇プロフィルに基づいて行われる
    ように考慮する、
    ことを特徴とする装置。
11. 前記測定値検出ユニット（５）は、前記列車連結体の相互に連結された車両（１ａ〜１ｅ）の数とそのそれぞれの長さとを考慮した列車モデルから、前記列車長さ（Ｌ_Ｚ）を求める、
    請求項１０記載の装置。
12. 請求項１０または１１記載の装置を備えた、複数の車両（１ａ〜１ｅ）を有する列車連結体、特に軌道車両において、
    測定値検出ユニット（５）および減速度制御回路／減速力制御回路（６）が、１つの構造ユニット（４）に統合されて、列車最前部（２）に配置されている、
    ことを特徴とする列車連結体。

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