JP6930271B2

JP6930271B2 - 鉄道車両用シミュレーション装置、方法、及びプログラム

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Publication number: JP6930271B2
Application number: JP2017150458A
Authority: JP
Inventors: 仁志山尾; 後藤　修; 修後藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2017-08-03
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-08-03
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Description

本発明は、鉄道車両用シミュレーション装置、方法、及びプログラムに関する。特に、本発明は、トンネル区間の鉄道車両における車体振動加速度を予測する鉄道車両用シミュレーション装置、方法、及びプログラムに関する。

従来より、軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性の逆特性と、事前に測定した走行時の車体振動加速度を用いて軌道外乱を推定し、外乱として試験機に付与する事で走行時の車体振動を再現する方法が知られている（特許文献１）。

特開２０１０−２８６４５９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、外乱として、空力外乱と、軌道外乱とを区別していないため、車体振動加速度を精度よく予測することができない、という問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、トンネル区間における車体振動加速度を精度よく予測することができる鉄道車両用シミュレーション装置、方法、及びプログラムを提供することを課題とする。

本発明に係る鉄道車両用シミュレーション装置は、トンネル区間の鉄道車両の車体振動加速度を予測する鉄道車両用シミュレーション装置であって、前記鉄道車両の前記車体振動加速度の予測対象である車両をＡ、前記車体振動加速度の予測対象ではない車両をＢとした場合、トンネル区間で実測された前記車両Ｂの車体振動加速度に基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定し、トンネル区間で実測された前記車両Ｂの前記車体振動加速度と、トンネル区間で実測された前記車両Ａの車体振動加速度とに基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの前記車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定する外乱起因成分推定部と、前記軌道外乱起因成分と、前記車両Ａの軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記車両Ａが受ける軌道外乱を推定し、前記空力外乱起因成分と、前記車両Ａの空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記車両Ａが受ける空力外乱を推定する外乱推定部と、前記軌道外乱と、前記空力外乱と、車両動力学モデルとに基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの前記車体振動加速度を予測する車体振動加速度予測部と、を含んで構成されている。

本発明に係る鉄道車両用シミュレーション方法は、トンネル区間の鉄道車両の車体振動加速度を予測する鉄道車両用シミュレーション装置における鉄道車両用シミュレーション方法であって、前記鉄道車両の前記車体振動加速度の予測対象である車両をＡ、前記車体振動加速度の予測対象ではない車両をＢとした場合、外乱起因成分推定部が、トンネル区間で実測された前記車両Ｂの車体振動加速度に基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定し、トンネル区間で実測された前記車両Ｂの前記車体振動加速度と、トンネル区間で実測された前記車両Ａの車体振動加速度とに基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの前記車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定するステップと、外乱推定部が、前記軌道外乱起因成分と、前記車両Ａの軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記車両Ａが受ける軌道外乱を推定し、前記空力外乱起因成分と、前記車両Ａの空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記車両Ａが受ける空力外乱を推定するステップと、車体振動加速度予測部が、前記軌道外乱と、前記空力外乱と、車両動力学モデルとに基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの前記車体振動加速度を予測するステップと、を含む。

本発明に係るプログラムは、トンネル区間の鉄道車両の車体振動加速度を予測するためのプログラムであって、前記鉄道車両の前記車体振動加速度の予測対象である車両をＡ、前記車体振動加速度の予測対象ではない車両をＢとした場合、コンピュータを、トンネル区間で実測された前記車両Ｂの車体振動加速度に基づいて、前記車両Ａの車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定し、トンネル区間で実測された前記車両Ｂの前記車体振動加速度と、トンネル区間で実測された前記車両Ａの車体振動加速度とに基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの前記車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定する外乱起因成分推定部、前記軌道外乱起因成分と、前記車両Ａの軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記車両Ａが受ける軌道外乱を推定し、前記空力外乱起因成分と、前記車両Ａの空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記車両Ａが受ける空力外乱を推定する外乱推定部、及び前記軌道外乱と、前記空力外乱と、車両動力学モデルとに基づいて、トンネル区間の前記車両Ａの前記車体振動加速度を予測する車体振動加速度予測部として機能させるためのプログラムである。

本発明の一態様である鉄道車両用シミュレーション装置、方法、及びプログラムによれば、車両Ａにおいてトンネル区間で実測された車体振動加速度と、車両Ｂにおいてトンネル区間で実測された車体振動加速度と、に基づいて、車体振動加速度の軌道外乱起因成分、及び空力外乱起因成分を推定し、軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性と、空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、軌道外乱と空力外乱とを推定することにより、トンネル区間における車体振動加速度を精度よく予測することができる。

動揺防止制御を行う制御装置を搭載した鉄道車両の概略構成を示す模式図である。鉄道車両の構成を示す断面図である。鉄道車両の構成を示す俯瞰図である。アクチュエータ発生力の指令を演算する方法を説明するための図である。従来手法における動揺防止制御を適用しない時の走行試験を説明するための図である。従来手法における動揺防止制御を適用した時の走行試験を説明するための図である。従来手法における動揺防止制御を適用しない時のシミュレーションを説明するための図である。従来手法における動揺防止制御を適用した時のシミュレーションを説明するための図である。鉄道車両に対する外乱を説明するための図である。動揺防止制御を適用しない時のトンネル区間における走行試験を説明するための図である。動揺防止制御を適用した時のトンネル区間における走行試験を説明するための図である。動揺防止制御を適用しない時のトンネル区間におけるシミュレーションを説明するための図である。動揺防止制御を適用した時のトンネル区間におけるシミュレーションを説明するための図である。振幅比を計算した場合に想定される結果を示す図である。本発明の一実施形態におけるシミュレーションモデルを説明するための図である。本発明の一実施形態における具体的なシミュレーションモデルを説明するための図である。本発明の一実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置の概略構成を示す模式図である。鉄道車両用シミュレーション装置として機能するコンピュータの一例の概略ブロック図である。本発明の一実施形態におけるシミュレーション処理の一例のフローチャートである。

以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置について説明する。なお、本実施形態では、トンネル区間において動揺防止制御を適用した場合の車体振動加速度を予測する場合を例に挙げて説明する。

＜本発明の実施の形態の概要＞
図１に示す動揺防止制御を行う制御装置１０では１車両につきそれぞれ２個の加速度センサ１２、アクチュエータ１４を配置し、車体１６に生じる３種類(左右動、ローリング(ロール)、ヨーイング)の左右幅方向の振動を低減する制御を実施する(図２、３参照)。

その３種類の振動についての車体運動方程式より、左右動とロールは連成した振動であり、ヨーイングはそれらとは独立した振動であることが分かる。そこで車体１６に生じる振動を、左右動及びロールの組み合わせと、ヨーイングとの２つに分離して制御を実施する。アクチュエータ発生力演算フローを図４に示す。なお、２個の加速度センサ１２は、前位加速度センサ１２Ａと後位加速度センサ１２Ｂであり、２個のアクチュエータ１４は、前位アクチュエータ１４Ａと後位アクチュエータ１４Ｂである。

アクチュエータ発生力演算フローでは、前位加速度センサ１２Ａと後位加速度センサ１２Ｂで検出した車体床面左右加速度に基づき、ヨーイング加速度、左右動＋ロール加速度をまず算出し、次にヨーイング制御器１８、左右動＋ロール制御器２０でヨーイングアクチュエータ発生力指令、左右動＋ロールアクチュエータ発生力指令を算出し、そして前位アクチュエータ１４Ａに対する発生力指令、後位アクチュエータ１４Ｂに対する発生力指令を算出する。

この動揺防止制御の制御性能を調整する工程においては制御適用時の車体振動加速度が意図通りになるようにヨーイング制御器１８、左右動＋ロール制御器２０のパラメータを試行錯誤的に変え、適正化する。走行試験を繰り返し実施することで、その調整を実施することが理想であるが、費用がかかるため、回数に制約がある。そこで制御非適用時の走行試験（図５）をまず実施し、制御適用時の走行試験（図６）の結果を予測するシミュレーションを繰り返し実施し、ヨーイング制御器１８、左右動＋ロール制御器２０のパラメータを適正化する。

ここで、従来のシミュレーション方法について述べる。まず、制御非適用時の軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性(G_1p)、制御適用時の軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性(G_1a)、制御非適用状態における走行試験の結果得られる車体振動加速度(Y_1p)は既知である。また、同位置を同速度で走行した場合、実軌道外乱(D₁)は制御非適用、適用に関わらず同一となる（図７、図８参照）。そこで、周波数伝達特性G_1pから制御非適用時の軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性(G_1p ^-1)を算出し、これを用いて、車体振動加速度Y_1pから推定軌道外乱(D_1s)を計算し、更に周波数伝達特性G_1aを用いて制御適用状態における車体振動加速度(Y_1as)を推定する（図８参照）。

ここで、各変数の定義をまとめて以下に記載する。

D₁:実軌道外乱
G_1p:軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性(制御非適用)
G_1a:軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性(制御適用)
Y_1p:車体振動加速度(制御非適用、走行試験結果)
Y_1a:車体振動加速度(制御適用、走行試験結果)
G_1p ^-1:軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性(制御非適用)
D_1s:推定軌道外乱
Y_1ps:車体振動加速度(制御非適用、シミュレーション結果)
Y_1as:車体振動加速度(制御適用、シミュレーション結果)

この従来のシミュレーション方法では、車両に対する外乱を軌道外乱しか想定していないため、軌道外乱以外の外乱が車両に影響する場合は、制御適用時の車体振動加速度を精度良く推定することができないことが課題である。具体的にはトンネル区間を車両が走行する場合、軌道外乱に加えてトンネル側面と車体１６の側面との間で生じる変動空気力（空力外乱）が車両に対する外乱となる(図９)。この場合、制御適用時の車体振動加速度を精度良く予測することができない。

そこで、本発明の実施の形態では、トンネル区間を車両が走行する場合、軌道外乱と空力外乱とをそれぞれ考慮して、制御適用時の進行方向後方車両での車体振動加速度を精度良く予測する。

＜車体振動加速度の予測原理＞
制御適用状態、トンネル区間、進行方向後方車両での走行試験（図１１）の結果を予測するためには、軌道外乱だけでなく、空力外乱を想定したシミュレーション環境を構築する必要がある。具体的には図１３に示すシミュレーション環境を構築できれば、制御非適用状態、トンネル区間における走行試験（図１０）を実施した結果から、精度良く車体振動加速度を再現する事が可能である。図１３のシミュレーション環境実現のためには、逆周波数伝達特性G_1p ^-1、G_2p ^-1、車体振動加速度の軌道外乱起因成分Y_1pk、空力外乱起因成分Y_1paが必要である。ここで、周波数伝達特性G_1p、G_2pは既知であるため、逆周波数伝達特性G_1p ^-1G_2p ^-1は構築可能ある。車体振動加速度Y_1pは計測可能であるが、車体振動加速度の軌道外乱起因成分Y_1pk、空力外乱起因成分Y_1paをそれぞれ独立して計測することができない。そのため車体振動加速度の軌道外乱起因成分Y_1pk、空力外乱起因成分Y_1paを推定する必要がある。

ここで、各変数の定義をまとめて以下に記載する。

D₂:実空力外乱
G_2p:空力外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性(制御非適用)
G_2a:空力外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性(制御適用)
Y_1pk:車体振動加速度の軌道外乱起因成分(制御非適用、走行試験結果)
Y_1pa:車体振動加速度の空力外乱起因成分(制御非適用、走行試験結果)
Y_1ak:車体振動加速度の軌道外乱起因成分(制御適用、走行試験結果)
Y_1aa:車体振動加速度の空力外乱起因成分(制御適用、走行試験結果)
G_2p ^-1:軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性(制御非適用)
D_2s:推定空力外乱
Y_1pks:車体振動加速度の軌道外乱起因成分(制御非適用、シミュレーション結果)
Y_1pas:車体振動加速度の空力外乱起因成分(制御非適用、シミュレーション結果)
Y_1aks:車体振動加速度の軌道外乱起因成分(制御適用、シミュレーション結果)
Y_1aas:車体振動加速度の空力外乱起因成分(制御適用、シミュレーション結果)

次に、明かり区間、トンネル区間の走行試験結果を解析した。

10両編成の上り列車を解析対象としているため、1号車が進行方向先頭車両、10号車が進行方向最後尾車両である。図14に、制御非適用時と適用時の加速度振幅Rの比(式(1))を計算した場合に想定される結果を示す。

ここで、図10、11より、振幅比は式(2)で表される。空力外乱が無視できる場合(D₂=0)、その振幅比は式(3)となる。空力外乱が存在する場合、振幅比は外乱の大きさに依存し変化する(式(2))。一方、空力外乱が無視できる場合は外乱の大きさに依存せず同一となる(式(3))。

図14より、進行方向後方車両では明かり、トンネルの振幅比に差異が生じている。これは空力外乱が存在する事による差異である。一方で、進行方向前方車両では明かり、トンネルの振幅比は同等である。この結果から、進行方向前方車両であればトンネル区間においても空力外乱を無視できる(表１参照)。その場合、車体振動加速度の軌道外乱起因成分Y_1pk、空力外乱起因成分Y_1paは前方車両の車体振動加速度及び後方車両の車体振動加速度から推定できる。(式(4)、(5))

ただし、Y_{1p_f}は、制御非適用時における走行試験結果（進行方向前方車両)で得られる車体振動加速度であり、Y_{1p_r}が、制御非適用における走行試験結果（進行方向後方車両）で得られる車体振動加速度である。

以上説明した原理により、本発明の実施の形態では、鉄道車両が走行中に受ける空力外乱の影響が無視できないトンネル区間の進行方向後方車両において、動揺防止制御を適用した状態における車体振動加速度を、動揺防止制御が非適用の状態において走行試験を実施し得られる車体振動加速度と車両動力学モデルとを用いて予測するシミュレーションを行う。具体的には、シミュレーションは、以下の要件で構成される。

（１）シミュレーションモデルが図15の構造を持つ。

（２）推定軌道外乱(D_1s)は車両動力学モデルの台車、若しくは輪軸の変位を決める外乱である。

（３）推定空力外乱(D_2s)は車両動力学モデルの車体に直接作用する外力である。

（４）車体振動加速度の軌道外乱起因成分Y_1pk、空力外乱起因成分Y_1paは、制御非適用状態での走行試験時の進行方向前方、後方車両の車体振動加速度から推定(式(4)、(5)）する。

（５）進行方向前方車両とは、進行方向最後尾車両より、先頭車両に近い車両であって、進行方向前方から数えて1〜3両目までのいずれかの車両を示す。

（６）進行方向後方車両とは、進行方向先頭車両より、最後尾車両に近い車両であって、進行方向後方から数えて1〜3両目までのいずれかの車両を示す。

具体的には、シミュレーションモデルが図16の構造を持ち、動揺防止制御を適用しない進行方向前方車両においてトンネル区間で実測された車体振動加速度（左右動＋ロール加速度とヨーイング加速度）に基づいて、車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定する。また、動揺防止制御を適用しない進行方向前方車両においてトンネル区間で実測された車体振動加速度（左右動＋ロール加速度とヨーイング加速度）と、動揺防止制御を適用しない進行方向後方車両において実測された車体振動加速度（左右動＋ロール加速度とヨーイング加速度）と、に基づいて、車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定する。そして、推定された車体振動加速度の軌道外乱起因成分と、予め求められた、軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、軌道外乱を推定する。また、推定された車体振動加速度の空力外乱起因成分と、予め求められた、空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、空力外乱を推定する。そして、推定された軌道外乱と、推定された空力外乱と、車両動力学モデルとに基づいて、トンネル区間の進行方向後方車両における車体振動加速度を予測する。

＜鉄道車両用シミュレーション装置の構成＞
図１７は、本発明の一実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置の概略構成を示す模式図である。図１７に示すように、本実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置１００は、動揺防止制御が適用された鉄道車両がトンネル区間を走行する際に後方車両で発生する車体振動加速度を予測する装置であって、試験データ記憶部５０と、外乱起因成分推定部５２と、外乱推定部５４と、車体振動加速度予測部５６とを備えている。鉄道車両用シミュレーション装置１００は、鉄道車両内ではなく、別の場所に設置されている。

本実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置１００に入力される走行試験データは、動揺防止制御を行う制御装置１０により得られる。動揺防止制御を行う制御装置１０が搭載された鉄道車両には、車体１６の前後にそれぞれ設けられた前位アクチュエータ１４Ａ、後位アクチュエータ１４Ｂが備えられ、また、車体１６の前後にそれぞれ設けられた前位加速度センサ１２Ａ、後位加速度センサ１２Ｂが備えられている。したがって、制御装置１０には、前位加速度センサ１２Ａによって検出した左右方向の車体振動加速度と、後位加速度センサ１２Ｂによって検出した左右方向の車体振動加速度とが入力されることになる。

本実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置１００には、鉄道車両が動揺防止制御を適用しないでトンネル区間の同位置を同速度で走行したときに検出された、前方車両の前位の左右方向の車体振動加速度、及び後位の左右方向の車体振動加速度と、後方車両の前位の左右方向の車体振動加速度、及び後位の左右方向の車体振動加速度とを含む走行試験データが入力される。本実施形態では、左右方向の振動加速度を検出し、走行試験データが入力される場合について例示しているが、加速度センサ１２が車体１６の上下方向の振動加速度を検出可能であれば、検出した上下方向の振動加速度を含む走行試験データを入力することも可能である。

試験データ記憶部５０には、入力された走行試験データが記憶されている。

外乱起因成分推定部５２は、進行方向前方車両においてトンネル区間で実測された前位及び後位の左右方向の車体振動加速度に基づいて、左右動＋ロール加速度と、ヨーイング加速度とを算出し、車体振動加速度の軌道外乱起因成分の推定値とする。

また、外乱起因成分推定部５２は、進行方向後方車両においてトンネル区間で実測された前位及び後位の左右方向の車体振動加速度に基づいて、左右動＋ロール加速度と、ヨーイング加速度とを算出し、後方車両の左右動＋ロール加速度と前方車両の左右動＋ロール加速度との差分、及び後方車両のヨーイング加速度と前方車両のヨーイング加速度との差分を、車体振動加速度の空力外乱起因成分として推定する。

なお、左右動＋ロール加速度は、前位及び後位の左右方向の車体振動加速度の和に、０．５を乗算して算出され、ヨーイング加速度は、前位及び後位の左右方向の車体振動加速度の差分に、０．５を乗算して算出される（図４参照）。

外乱推定部５４は、推定された左右動＋ロール加速度及びヨーイング加速度の軌道外乱起因成分と、予め求められた、軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、軌道外乱として、前位の台車又は輪軸の左右変位である前位台車輪軸左右変位と、後位の台車又は輪軸の左右変位である後位台車輪軸左右変位とを推定する。

具体的には、軌道外乱から車体振動加速度（左右動＋ロール）までの逆周波数伝達特性は、以下のように予め求められる。
まず、軌道外乱に正弦波を与え、その時生じる左右動＋ロール加速度を保存する。そして入力を「左右動＋ロール加速度」、出力を「軌道外乱に与えた正弦波」とした時の周波数伝達特性を計算し、その特性を近似する伝達関数を、軌道外乱から車体振動加速度（左右動＋ロール）の逆周波数伝達特性とする。
また、軌道外乱から車体振動加速度（ヨーイング）までの逆周波数伝達特性は、以下のように予め求められる。
まず、軌道外乱に正弦波を与え、その時生じるヨーイング加速度を保存する。そして入力を「ヨーイング加速度」、出力を「軌道外乱に与えた正弦波」とした時の周波数伝達特性を計算し、その特性を近似する伝達関数を、軌道外乱から車体振動加速度（ヨーイング）の逆周波数伝達特性とする。
以上のように予め求められた軌道外乱から車体振動加速度（左右動＋ロール）までの逆周波数伝達特性と、軌道外乱から車体振動加速度（ヨーイング）までの逆周波数伝達特性と、を用いて、推定された左右動＋ロール加速度及びヨーイング加速度の軌道外乱起因成分に対する、前位台車輪軸左右変位と、後位台車輪軸左右変位とを推定する。

また、外乱推定部５４は、推定された左右動＋ロール加速度及びヨーイング加速度の空力外乱起因成分と、予め求められた、空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、空力外乱として、車体の左右動に関する車体左右動外力と、車体のヨーイングに関する車体ヨーイング外力とを推定する。

具体的には、空力外乱から車体振動加速度（左右動＋ロール）までの逆周波数伝達特性は、以下のように予め求められる。
まず、空力外乱としての車体左右動外力に正弦波を与え、その時生じる左右動＋ロール加速度を保存する。そして入力を「左右動＋ロール加速度」、出力を「車体左右動外力に与えた正弦波」とした時の周波数伝達特性を計算し、その特性を近似する伝達関数を、空力外乱から車体加速度（左右動＋ロール）の逆周波数伝達特性とする。
また、空力外乱から車体振動加速度（ヨーイング）までの逆周波数伝達特性は、以下のように予め求められる。
まず、空力外乱としての車体ヨーイング外力に正弦波を与え、その時生じるヨーイング加速度を保存する。そして入力を「ヨーイング加速度」、出力を「車体ヨーイング外力に与えた正弦波」とした時の周波数伝達特性を計算し、その特性を近似する伝達関数を、空力外乱から車体加速度（ヨーイング）の逆周波数伝達特性とする。
以上のように予め求められた空力外乱から車体振動加速度（左右動＋ロール）までの逆周波数伝達特性と、空力外乱から車体振動加速度（ヨーイング）までの逆周波数伝達特性と、を用いて、推定された左右動＋ロール加速度及びヨーイング加速度の軌道外乱起因成分に対する、車体左右動外力と、車体ヨーイング外力とを推定する。

車体振動加速度予測部５６は、軌道外乱として推定された前位台車輪軸左右変位及び後位台車輪軸左右変位と、空力外乱として推定された車体左右動外力及び車体ヨーイング外力と、動揺防止制御を適用した状態における車両動力学モデルとに基づいて、トンネル区間の進行方向後方車両において動揺防止制御を適用した状態における左右方向の車体振動加速度として、左右動及びロール加速度及びヨーイング加速度を予測する。

具体的には、動揺防止制御を適用した状態における車両動力学モデルを、空気ばねモデルを含む車体−台車−輪軸バネマスダンパ系のモデルと、上記図４に示すアクチュエータ発生力の指令の演算方法を表すモデルとからなるものとし、軌道外乱として推定された前位台車輪軸左右変位及び後位台車輪軸左右変位と、空力外乱として推定された車体左右動外力及び車体ヨーイング外力と、を車両動力学モデルに与えたときの、進行方向後方車両における左右動及びロール加速度と、ヨーイング加速度とを予測する。

鉄道車両用シミュレーション装置１００は、一例として、図１８に示すコンピュータ６４によって実現される。コンピュータ６４は、ＣＰＵ６６、メモリ６８、シミュレーションプログラム７６を記憶した記憶部７０、モニタを含む表示部２６、及びキーボードやマウスを含む入力部２８を含んでいる。ＣＰＵ６６、メモリ６８、記憶部７０、表示部２６、及び入力部２８はバス７４を介して互いに接続されている。

記憶部７０はＨＤＤ、ＳＳＤ、フラッシュメモリ等によって実現される。記憶部７０には、コンピュータ６４を鉄道車両用シミュレーション装置１００として機能させるためのシミュレーションプログラム７６が記憶されている。ＣＰＵ６６は、シミュレーションプログラム７６を記憶部７０から読み出してメモリ６８に展開し、シミュレーションプログラム７６を実行する。

＜鉄道車両用シミュレーション装置の作用＞
次に本実施形態の作用として、図１９を参照し、オペレータが、鉄道車両のうちの前方車両の制御装置１０に記憶された、動揺防止制御を適用していないときのトンネル区間における走行試験データと、後方車両の制御装置１０に記憶された、動揺防止制御を適用していないときの当該トンネル区間における走行試験データとを、鉄道車両用シミュレーション装置１００に入力し、シミュレーション処理の開始を指示する等の操作を行ったことを契機として鉄道車両用シミュレーション装置１００で実行されるシミュレーション処理を説明する。シミュレーション処理のステップＳ１００において、外乱起因成分推定部５２は、進行方向前方車両においてトンネル区間で実測された前位及び後位の左右方向の車体振動加速度に基づいて、左右動＋ロール加速度と、ヨーイング加速度とを算出し、車体振動加速度の軌道外乱起因成分の推定値とする。

ステップＳ１０２において、外乱起因成分推定部５２は、進行方向後方車両においてトンネル区間で実測された前位及び後位の左右方向の車体振動加速度に基づいて、左右動＋ロール加速度と、ヨーイング加速度とを算出し、後方車両の左右動＋ロール加速度と前方車両の左右動＋ロール加速度との差分、及び後方車両のヨーイング加速度と前方車両のヨーイング加速度との差分を、車体振動加速度の空力外乱起因成分として推定する。

ステップＳ１０４において、外乱推定部５４は、上記ステップＳ１００で推定された左右動＋ロール加速度及びヨーイング加速度の軌道外乱起因成分と、予め求められた、軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、軌道外乱として、前位台車輪軸左右変位と、後位台車輪軸左右変位とを推定する。

ステップＳ１０６において、外乱推定部５４は、上記ステップＳ１０２で推定された左右動及びロール加速度及びヨーイング加速度の空力外乱起因成分と、予め求められた、空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、空力外乱として、車体左右動外力と、車体ヨーイング外力とを推定する。

ステップＳ１０８では、車体振動加速度予測部５６は、上記ステップＳ１０４で軌道外乱として推定された前位台車輪軸左右変位及び後位台車輪軸左右変位と、上記ステップＳ１０６で空力外乱として推定された車体左右動外力及び車体ヨーイング外力と、動揺防止制御を適用した状態における車両動力学モデルとに基づいて、トンネル区間の進行方向後方車両において動揺防止制御を適用した状態における左右方向の車体振動加速度として、左右動＋ロール加速度及びヨーイング加速度を予測する。

車体振動加速度予測部５６による予測結果が、表示部２６により表示されて、シミュレーション処理を終了する。

以上に説明したように、本実施形態に係る鉄道車両用シミュレーション装置１００によれば、進行方向前方車両においてトンネル区間で実測された車体振動加速度と、進行方向後方車両においてトンネル区間で実測された車体振動加速度と、に基づいて、車体振動加速度の軌道外乱起因成分、及び空力外乱起因成分を推定し、軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性と、空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、軌道外乱と空力外乱とを推定することにより、トンネル区間における車体振動加速度を精度よく予測することができる。

また、空力外乱が存在（トンネル区間、進行方向後方車両）し、動揺防止制御を適用した条件における走行試験結果を精度良く再現するシミュレーションを実施することができる。

なお、上記では、動揺防止制御を適用しない状態において実測された車体振動加速度と、動揺防止制御を適用した状態における車両動力学モデルとを用いて、トンネル区間の前記進行方向後方車両において前記動揺防止制御を適用した状態における車体振動加速度を予測する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、動揺防止制御を適用しない状態における車両動力学モデルを用いて、トンネル区間の進行方向後方車両において動揺防止制御を適用しない状態における車体振動加速度を予測するようにしてもよい。
この場合には、動揺防止制御を適用しない状態における車両動力学モデルを、空気ばねモデルを含む車体−台車−輪軸バネマスダンパ系のモデルからなるものとし、軌道外乱として推定された前位台車輪軸左右変位及び後位台車輪軸左右変位と、空力外乱として推定された車体左右動外力及び車体ヨーイング外力と、を車両動力学モデルに与えたときの、進行方向後方車両における左右動及びロール加速度と、ヨーイング加速度とを予測する。

また、鉄道車両用シミュレーション装置１００を、鉄道車両とは別の場所に設定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。鉄道車両用シミュレーション装置１００を、鉄道車両内に設置してもよい。
また、鉄道車両の前記車体振動加速度の予測対象である車両を進行方向後方車両とし、車体振動加速度の予測対象ではない車両を進行方向前方車両とする場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、鉄道車両の前記車体振動加速度の予測対象である車両を、進行方向後方車両以外とし、車体振動加速度の予測対象ではない車両を、予測対象である車両とは異なる車両としてもよい。

１０制御装置
１２加速度センサ
１２Ａ前位加速度センサ
１２Ｂ後位加速度センサ
２６表示部
２８入力部
５０試験データ記憶部
５２外乱起因成分推定部
５４外乱推定部
５６車体振動加速度予測部
６４コンピュータ
６６ＣＰＵ
６８メモリ
７０記憶部
７６シミュレーションプログラム
１００鉄道車両用シミュレーション装置

Claims

トンネル区間の動揺防止制御適用時の鉄道車両の車体振動加速度を予測する鉄道車両用シミュレーション装置であって、
前記鉄道車両は進行方向前方車両と進行方向後方車両を含み、
トンネル区間で実測された動揺防止制御非適用時の前記前方車両及び前記後方車両の車体振動加速度に基づいて、前記動揺防止制御非適用時の前記前方車両の前記車体振動加速度を使用して前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定し、前記動揺防止制御非適用時の前記前方車両の前記車体振動加速度と前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度を使用して前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定する外乱起因成分推定部と、
前記軌道外乱起因成分と、前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記後方車両が受ける軌道外乱を推定し、前記空力外乱起因成分と、前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記後方車両が受ける空力外乱を推定する外乱推定部と、
前記軌道外乱及び前記空力外乱、並びに、前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性と前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の空力外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性とを含む車両動力学モデルに基づいて、トンネル区間の前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の車体振動加速度を予測する車体振動加速度予測部と、
を含む鉄道車両用シミュレーション装置。
前記外乱推定部は、前記軌道外乱として、前位台車輪軸左右変位と後位台車輪軸左右変位とを推定し、前記空力外乱として、車体左右動外力と車体ヨーイング外力とを推定する請求項１に記載の鉄道車両用シミュレーション装置。
トンネル区間の動揺防止制御適用時の鉄道車両の車体振動加速度を予測する鉄道車両用シミュレーション装置における鉄道車両用シミュレーション方法であって、
前記鉄道車両は進行方向前方車両と進行方向後方車両を含み、
外乱起因成分推定部が、トンネル区間で実測された動揺防止制御非適用時の前記前方車両及び前記後方車両の車体振動加速度に基づいて、前記動揺防止制御非適用時の前記前方車両の前記車体振動加速度を使用して前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定し、前記動揺防止制御非適用時の前記前方車両の前記車体振動加速度と前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度を使用して前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定するステップと、
外乱推定部が、前記軌道外乱起因成分と、前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記後方車両が受ける軌道外乱を推定し、前記空力外乱起因成分と、前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記後方車両が受ける空力外乱を推定するステップと、
車体振動加速度予測部が、前記軌道外乱及び前記空力外乱、並びに、前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性と前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の空力外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性とを含む車両動力学モデルに基づいて、トンネル区間の前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の車体振動加速度を予測するステップと、
を含む鉄道車両用シミュレーション方法。
トンネル区間の動揺防止制御適用時の鉄道車両の車体振動加速度を予測するためのプログラムであって、
前記鉄道車両は進行方向前方車両と進行方向後方車両を含み、
コンピュータを、
トンネル区間で実測された動揺防止制御非適用時の前記前方車両及び前記後方車両の車体振動加速度に基づいて、前記動揺防止制御非適用時の前記前方車両の前記車体振動加速度を使用して前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度の軌道外乱起因成分を推定し、前記動揺防止制御非適用時の前記前方車両の前記車体振動加速度と前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度を使用して前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度の空力外乱起因成分を推定する外乱起因成分推定部、
前記軌道外乱起因成分と、前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の軌道外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記後方車両が受ける軌道外乱を推定し、前記空力外乱起因成分と、前記動揺防止制御非適用時の前記後方車両の空力外乱から車体振動加速度までの逆周波数伝達特性とに基づいて、トンネル区間において前記後方車両が受ける空力外乱を推定する外乱推定部、及び
前記軌道外乱及び前記空力外乱、並びに、前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の軌道外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性と前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の空力外乱から車体振動加速度までの周波数伝達特性とを含む車両動力学モデルに基づいて、トンネル区間の前記動揺防止制御適用時の前記後方車両の前記車体振動加速度を予測する車体振動加速度予測部
として機能させるためのプログラム。