JP7134369B2

JP7134369B2 - 制御装置、制御システムおよび制御方法

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Publication number: JP7134369B2
Application number: JP2021569676A
Authority: JP
Inventors: 英俊北中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: JPWO2021140629A1; WO2021140629A1

Description

本発明は、電気車の走行を制御する制御装置、制御システムおよび制御方法に関する。

鉄道の電気車は、鉄のレールの上を鉄の車輪で走行する構成である。レールと車輪との接触面積は小さく、レールと車輪との間の摩擦係数は小さい。また、レールの状況は様々であり、例えば、落ち葉、大気中の油分などの付着、降雨時の水分の付着、雪、氷などの付着、水平面からの傾きなど、レールと車輪との間の摩擦係数をさらに低下させる要因が種々存在する。気温、湿度なども、レールと車輪との間の摩擦係数に影響する。また、車輪の回転速度も、レールと車輪との間の摩擦係数に影響する。例えば、気温が低く、車輪の回転が速いほど、レールと車輪との間に水分が付着した際の摩擦係数の低下量が大きくなる。

このように、電気車では、車輪とレールとの間の摩擦係数の低下によって、加速時には車輪の空転が生じやすくなり、減速時には車輪の滑走が生じやすくなる。車輪の空転または車輪の滑走が生じると、電気車は、安定して走行することができず、車輪の損傷、乗り心地の悪化などを招き、安定的な運行に支障を来すことになる。

運転士が運転操作する手動運転の電気車では、運転士は、経験によって空転または滑走が生じやすい条件と判断した場合、加速力または減速力を弱めるように電気車を操作することによって、空転または滑走の発生を抑えることができる。一方で、あらかじめ決められた走行パターンで走行するように構成された自動運転の電気車は、前述のような運転は困難である。このような問題に対して、特許文献１には、電気車の制御装置が、車輪の空転または滑走を検出すると電動機のトルクを弱め、車輪の空転または滑走を抑制しながら電気車の運行を継続する技術が開示されている。

特開平１１－２８５１０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電気車は、最大限の加速度または減速度を得るため、レールと車輪との間の摩擦係数の状態によらず、あらかじめ決められたトルクを電動機に発生させるよう、またはあらかじめ決められたブレーキ力を発生するよう電動機または摩擦ブレーキを一旦動作させる。特許文献１に記載の電気車は、車輪が空転または滑走した段階で都度これを解消すべく、電動機トルク、摩擦ブレーキ力などの調整、いわゆる空転滑走抑制制御を行う。そのため、特許文献１に記載の電気車は、空転または滑走の発生そのものを防ぐことはできない、という問題があった。

車輪がレールと接触する踏面がレールとの摩擦によって徐々に損傷すると、車輪が変形したり、踏面が荒れたりして、電気車の走行時に振動、騒音などが発生する。この場合、車輪を規定された形状に削り直す車輪の修繕作業が必要となる。また、車輪を削り直すと車輪の直径が小さくなるので、規定されたサイズまで車輪を削ると、車輪を新品と交換する必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電気車が備える車輪の修繕および交換の頻度を低減可能な制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の制御装置は、電気車の車輪の回転状態を検出するセンサから取得した情報に基づいて、車輪の空転および車輪の滑走のうち少なくとも一方を検出し、空転滑走情報を生成するデータ処理部と、データ処理部から取得した空転滑走情報を用いて、車輪の挙動を示すデータベースを生成するデータベース生成部と、データベースに基づいて、電気車の加減速指令情報を生成する加減速指令情報生成部と、を備える。データベース生成部は、空転滑走情報と電気車の走行位置を示す走行位置情報とに基づいて、車輪の空転または滑走が検出された位置と電気車の走行位置とを対応付けた空転滑走位置情報を生成し、空転滑走位置情報に、車輪の表面状態を示す表面状態情報を付加した空転滑走位置情報を含むデータベースを生成することを特徴とする。

本発明によれば、制御装置は、電気車が備える車輪の修繕および交換の頻度を低減できる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る制御システムの構成例を示すブロック図本実施の形態に係る制御システムの動作を示すフローチャート本実施の形態のデータベース生成部が生成するデータベースの例を示す図本実施の形態に係る制御システムが備える処理回路をプロセッサおよびメモリで構成する場合の例を示す図本実施の形態に係る制御システムが備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る制御装置、制御システムおよび制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る制御システム２００の構成例を示すブロック図である。制御システム２００は、電気車３００が備える車輪１の空転および滑走を抑制するシステムである。図１では、一例として、制御システム２００が電気車３００に搭載されている例を示している。図１に示すように、制御システム２００は、センサ１０と、データ処理部２０と、データベース生成部３０と、加減速指令情報生成部４０と、推進制御装置５０と、電動機６０と、ブレーキ制御装置７０と、摩擦ブレーキ８０と、を備える。また、図１に示すように、制御システム２００では、データ処理部２０、データベース生成部３０、および加減速指令情報生成部４０で制御装置１００を構成する。制御システム２００が備える各構成について、制御システム２００の動作とともに説明する。図２は、本実施の形態に係る制御システム２００の動作を示すフローチャートである。

車輪１は、電気車３００の図示しない台車に設置され、機械的に接続された電動機６０によって駆動される。車輪１は、摩擦ブレーキ８０によって回転を抑制される。また、車輪１は、図示しないレールの上に配置され、電気車３００の車体を支持するとともに、レールに沿って電気車３００を走行させる。

センサ１０は、車輪１の回転状態を検出する（ステップＳＴ１）。回転状態とは、例えば、車輪１の単位時間あたりの回転数、車輪１の回転加速度などである。センサ１０は、回転状態を示す回転状態情報Ｓ１として、車輪１の単位時間あたりの回転数、または回転加速度を示す情報を出力する。なお、センサ１０は、検出した車輪１の単位時間あたりの回転数から車輪１の回転速度を算出し、車輪１の回転速度の情報を回転状態情報Ｓ１として出力してもよい。また、センサ１０は、車輪１を撮影し、撮影の結果得られた車輪１の画像から回転状態を判定して回転状態情報Ｓ１として出力してもよい。センサ１０は、１つの機器からなる構成であってもよいし、複数の機器からなる構成であってもよい。

データ処理部２０は、センサ１０から取得した回転状態情報Ｓ１に基づいて、電気車３００の加速中の車輪１の空転、および電気車３００の減速中、すなわちブレーキ中の車輪１の滑走を検出する（ステップＳＴ２）。データ処理部２０は、例えば、車輪１の回転速度、回転加速度などの大きさが規定された閾値を超過したか否かを判定することなどによって、車輪１の空転を検出することができる。すなわち、データ処理部２０は、電気車３００の加速中において、現在の車輪１の回転速度が、想定される車輪１の回転速度を超えてしまった場合、車輪１が空転していると判定することができる。また、データ処理部２０は、例えば、車輪１の回転速度、回転加速度などの大きさが規定された閾値を下回ったか否かを判定することなどによって、車輪１の滑走を検出することができる。すなわち、データ処理部２０は、電気車３００の減速中において、現在の車輪１の回転速度が、想定される車輪１の回転速度を下回ってしまった場合、車輪１が滑走していると判定することができる。

データ処理部２０は、電気車３００の走行状態、すなわち加速中か減速中かの情報については、例えば、推進制御装置５０などから取得することができる。そのため、データ処理部２０は、電気車３００が加速中は空転のみを検出するようにしてもよいし、電気車３００が減速中は滑走のみを検出するようにしてもよいし、電気車３００が加速中か減速中かに関係なく、常に空転および滑走を検出するようにしてもよい。データ処理部２０は、回転状態情報Ｓ１に含まれる車輪１の回転速度および車輪１の回転加速度のうち少なくとも１つに基づいて、車輪１の空転、および車輪１の滑走を判定してもよい。データ処理部２０は、加速中の車輪１の空転または減速中の車輪１の滑走を判定した判定結果として空転滑走情報Ｓ２を生成して出力する。

なお、データ処理部２０は、電気車３００の車輪１の空転または電気車３００の車輪１の滑走のうち一方のみを検出してもよい。すなわち、データ処理部２０は、センサ１０から取得した回転状態情報Ｓ１に基づいて、車輪１の空転および車輪１の滑走のうち少なくとも一方を検出し、空転滑走情報Ｓ２を生成してもよい。また、データ処理部２０は、空転滑走情報Ｓ２に、車輪１の空転の発生有無と発生している場合は発生の度合い、車輪１の滑走の発生有無と発生している場合は発生の度合いなどを含めてもよい。発生の度合いとは、例えば、車輪１の回転速度、回転加速度などの大きさと前述の閾値との差分、空転または滑走が発生、すなわち継続している期間などである。

データベース生成部３０は、データ処理部２０から取得した空転滑走情報Ｓ２を用いて、車輪１の挙動を示すデータベース３１を生成する（ステップＳＴ３）。具体的には、データベース生成部３０は、データ処理部２０から取得した空転滑走情報Ｓ２と、電気車３００の走行位置を示す走行位置情報Ｓ５とを用いて、車輪１の空転が発生した電気車３００の走行位置または車輪１の滑走が発生した電気車３００の走行位置と、当該位置で発生したものが空転または滑走であるかを示す情報と、を対応付けた空転滑走位置情報Ｓ３であるデータベース３１を作成する。すなわち、データベース生成部３０は、空転滑走情報Ｓ２と走行位置情報Ｓ５とに基づいて、車輪１の空転または滑走が検出された位置と電気車３００の走行位置とを対応付けた空転滑走位置情報Ｓ３を生成し、空転滑走位置情報Ｓ３を含むデータベース３１を生成する。

電気車３００の走行位置を示す走行位置情報Ｓ５で示される電気車３００の位置については、電気車３００が走行するレールの起点からの距離でもよいし、地図上の絶対位置などでもよい。データベース生成部３０は、レールの起点からの距離については、電気車３００が備える図示しない速度発電機から得られる情報に基づいて求めることができる。また、データベース生成部３０は、地図上の絶対位置については、ＧＰＳ（Global Positioning System）などを利用することで求めることができる。データベース生成部３０は、空転または滑走が生じた位置に関するデータベース３１を作成するため、空転滑走情報Ｓ２と、空転または滑走が生じた地点に相当する走行位置情報Ｓ５とを対としたデータを、空転または滑走が生じた都度、データベース３１に蓄積する。

なお、データベース生成部３０は、さらに、付加情報Ｓ６として、電動機６０が発生している電気車３００の加速力または減速力を示す加減速力情報を取得してもよい。この場合、データベース生成部３０は、前述の空転滑走位置情報Ｓ３に、電気車３００の加速力または減速力を示す加減速力情報を付加したデータベース３１を生成する。データベース生成部３０は、加減速力情報について、推進制御装置５０の内部信号である電動機６０への力行指令信号、ブレーキ力信号、トルク指令信号などから得ることができる。こうすることで、データベース生成部３０は、どのような加速力のときに空転が生じたのか、また、どのような減速力のときに滑走が生じたのかの情報をデータベース３１に含めることができる。これにより、制御システム２００は、状況に応じたよりきめ細かい制御を実行できる。

また、データベース生成部３０は、さらに、付加情報Ｓ６として、時刻情報を取得してもよい。この場合、データベース生成部３０は、前述の空転滑走位置情報Ｓ３に、時刻情報を付加したデータベース３１を生成する。こうすることで、データベース生成部３０は、どのような時間帯で空転または滑走が生じたのかの情報をデータベース３１に含めることができる。時間帯とは、例えば、レールに結露が生じやすい早朝、深夜などである。これにより、制御システム２００は、状況に応じたよりきめ細かい制御を実行できる。

また、データベース生成部３０は、さらに、付加情報Ｓ６として、電気車３００の走行位置の天候を示す天候情報を取得してもよい。この場合、データベース生成部３０は、前述の空転滑走位置情報Ｓ３に、電気車３００の走行位置の天候を示す天候情報を付加したデータベース３１を生成する。天候情報とは、例えば、電気車３００の走行位置における温度、降雨または降雪情報、湿度情報などの一部または全部を含むものである。このようにすることで、データベース生成部３０は、どのような天候条件で空転または滑走が生じたのかの情報をデータベース３１に含めることができる。これにより、制御システム２００は、状況に応じたよりきめ細かい制御を実行できる。

また、データベース生成部３０は、さらに、付加情報Ｓ６として、電気車３００に掛かる荷重を示す荷重情報を取得してもよい。この場合、データベース生成部３０は、前述の空転滑走位置情報Ｓ３に、電気車３００に掛かる荷重を示す荷重情報を付加したデータベース３１を生成する。荷重情報とは、電気車３００に搭載している荷物、乗客などの質量を含む情報である。このようにすることで、データベース生成部３０は、どのような荷重条件で空転または滑走が生じたのかの情報をデータベース３１に含めることができる。例えば、荷重が軽い場合、車輪１とレールとの間の摩擦係数が低下するため、車輪１において、空転および滑走が生じやすくなることが想定される。これにより、制御システム２００は、状況に応じたよりきめ細かい制御を実行できる。

データベース生成部３０は、生成したデータベース３１である空転滑走位置情報Ｓ３を出力する。なお、データベース生成部３０は、空転滑走位置情報Ｓ３を共有情報Ｓ７として、同様の制御システム２００を備える他の電気車３００との間で送受信し、各電気車３００の空転滑走位置情報Ｓ３を相互に共有するようにしてもよい。こうすることで、制御システム２００は、より早くデータベース３１を充実化できる。データベース生成部３０は、実際には、図示しない通信部を介して、他の電気車３００との間で共有情報Ｓ７を送受信する。データベース生成部３０は、直接他の電気車３００と共有情報Ｓ７を送受信してもよいし、図示しない運行管理システムなどの地上設備を経由して、他の電気車３００と共有情報Ｓ７を送受信してもよい。

なお、データベース生成部３０は、付加情報Ｓ６として利用可能な情報は１つに限定されず、付加情報Ｓ６として複数の情報を利用してもよい。図３は、本実施の形態のデータベース生成部３０が生成するデータベース３１の例を示す図である。図３に示すように、データベース３１には、走行位置情報Ｓ５で示される電気車３００の各走行位置に対応付けて、空転滑走情報、加減速力情報、時刻情報、天候情報、および荷重情報の各情報が記憶されている。電気車３００の車輪１で発生する空転または滑走は、数秒間継続することも想定される。そのため、データベース３１に、時刻情報に関連して空転または滑走の継続期間の情報が記憶されていてもよい。データベース生成部３０は、空転滑走情報Ｓ２に車輪１の空転または滑走の発生の度合いの情報が含まれる場合、空転滑走情報Ｓ２に含まれる空転または滑走の発生の度合いの情報をデータベース３１に記憶させてもよい。

また、データベース３１には、さらに、電気車３００の車両型式を示す型式情報、電気車３００の運用開始または電気車３００の車輪１を交換してから電気車３００の走行距離を示す走行距離情報、電気車３００の運用開始または電気車３００の車輪１を交換してから電気車３００の使用期間を示す使用期間情報、および車輪１の表面状態を示す表面状態情報の各情報が記憶されていてもよい。

型式情報は、他の電気車３００との間で空転滑走位置情報Ｓ３を相互に共有する場合において、電気車３００の種類によって各情報の傾向の違いが認識できるようにするために用いる情報である。走行距離情報および使用期間情報は、車輪１の交換時期が電気車３００の走行距離または使用期間で示されている場合に、車輪１の交換時期の目安を示すための情報である。走行距離情報および使用期間情報については、データベース生成部３０が、データ処理部２０から取得する空転滑走情報Ｓ２に基づいてデータベース３１を更新してもよいし、電気車３００の保守を行う保守担当者がデータベース３１を更新してもよい。保守担当者は、点検時に測定した車輪１の車輪径の情報をデータベース３１に記憶させてもよい。車輪１は、電気車３００の走行によって徐々に摩耗していくため、車輪径は徐々に小さくなっていく。車輪１の車輪径が小さくなると、車輪１の１回転あたりの電気車３００の走行距離が短くなる。そのため、車輪１の車輪径の情報は、後段の加減速指令情報生成部４０が加減速指令情報Ｓ４を生成する際に有用な情報となる。表面状態情報は、例えば、センサ１０として車輪１の表面、すなわちレールと接する踏面の状態を検出可能なカメラなどの撮像機器が電気車３００に設置されている場合に、当該車輪１の表面の状態を表す情報である。なお、電気車３００では、各駅停車、急行などの運行形態の種別によって、同じ走行位置でも規定されている速度が異なる場合がある。そのため、データベース３１に、電気車３００の運行形態の情報が記憶されていてもよい。

加減速指令情報生成部４０は、データベース生成部３０で生成されたデータベース３１、すなわち空転滑走位置情報Ｓ３に基づいて、電気車３００の加減速を制御するための加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報Ｓ４とは、電気車３００の加速力または電気車３００の減速力の大きさを含む情報である。加減速指令情報Ｓ４は、例えば、加速および減速のタイミングを示す走行パターンであってもよいし、加減速力を含む走行制御指令、運転指令、加減速指令などの信号であってもよい。加減速指令情報生成部４０は、データベース生成部３０で生成されたデータベース３１に電気車３００の車輪１の車輪径の情報が記憶されている場合、車輪１の車輪径の情報を用いてもよい。この場合、加減速指令情報生成部４０は、車輪１の車輪径による制御内容の違いを、機械学習によって学習しておいてもよい。

加減速指令情報生成部４０は、ある路線を起点から終点まで決められたダイヤで走行するための電気車３００の位置と当該位置におけるあるべき走行速度とがセットになった基本位置速度情報をあらかじめ有している。加減速指令情報生成部４０は、基本位置速度情報に実際の電気車３００の速度が一致するように加速力または減速力を設定し、加減速指令情報Ｓ４を生成する。加速力の大きさについては、電動機６０が発生可能な最大力行トルクに対する割合であってもよい。また、減速力の大きさについては、電動機６０が発生可能な最大ブレーキトルクに対する割合であってもよい。減速力の大きさについては、摩擦ブレーキ８０が発生可能な最大ブレーキ力に対する割合であってもよい。

加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の走行位置情報Ｓ５に基づいて、電気車３００の現在の走行位置で、空転滑走位置情報Ｓ３すなわちデータベース３１を検索する。加減速指令情報生成部４０は、データベース生成部３０から出力される空転滑走位置情報Ｓ３から、走行位置情報Ｓ５で得られる電気車３００の現在の走行位置に該当する情報を抽出してもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、走行位置情報Ｓ５で得られる電気車３００の現在の走行位置に基づいてデータベース３１を照合し、現在の走行位置に該当する情報を読み出してもよい。

加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が、車輪１の空転が発生している位置であると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が、車輪１の空転が発生している位置に近い位置であると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。空転が発生している位置に近い位置とは、例えば、電気車３００の現在の走行位置と車輪１の空転が発生している位置との差異が規定された範囲内の場合である。また、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が、車輪１の滑走が発生している位置であると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が、車輪１の滑走が発生している位置に近い位置であると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。滑走が発生している位置に近い位置とは、例えば、電気車３００の現在の走行位置と車輪１の滑走が発生している位置との差異が規定された範囲内の場合である。なお、規定された値より小さい値とは、規定された値の絶対値よりも絶対値が小さくなる値のことである。すなわち、加減速指令情報生成部４０は、規定された値より小さい値に設定することによって、加速力または減速力を、本来の加速力または減速力よりも弱める制御を行う。以降についても同様とする。

また、加減速指令情報生成部４０は、付加情報Ｓ６として、天候情報を取得してもよい。この場合、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の走行位置情報Ｓ５および天候情報に基づいて、空転滑走位置情報Ｓ３すなわちデータベース３１を検索する。加減速指令情報生成部４０は、データベース生成部３０から出力される空転滑走位置情報Ｓ３から、走行位置情報Ｓ５で得られる電気車３００の現在の走行位置および付加情報Ｓ６である天候情報に該当する情報を抽出してもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、走行位置情報Ｓ５で得られる電気車３００の現在の走行位置および付加情報Ｓ６である天候情報に基づいてデータベース３１を照合し、現在の走行位置および天候情報に該当する情報を読み出してもよい。

加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００の現在の走行位置の天候が、車輪１の空転が発生している条件と一致すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００の現在の走行位置の天候が、車輪１の空転が発生している条件と類似すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００の現在の走行位置の天候が、車輪１の滑走が発生している条件と一致すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００の現在の走行位置の天候が、車輪１の滑走が発生している条件と類似すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。類似する場合とは、走行位置については、前述の近い位置の場合と同様であり、天候については、例えば、温度の差分が規定された範囲内、降水量の差分が規定された範囲内などの場合である。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置の条件が一致しても天候の条件が一致しない場合、通常通りの規定された値の加減速指令情報Ｓ４を生成する。

また、加減速指令情報生成部４０は、付加情報Ｓ６として、荷重情報を取得してもよい。この場合、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の走行位置情報Ｓ５および荷重情報に基づいて、空転滑走位置情報Ｓ３すなわちデータベース３１を検索する。加減速指令情報生成部４０は、データベース生成部３０から出力される空転滑走位置情報Ｓ３から、走行位置情報Ｓ５で得られる電気車３００の現在の走行位置および付加情報Ｓ６である荷重情報に該当する情報を抽出してもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、走行位置情報Ｓ５で得られる電気車３００の現在の走行位置および付加情報Ｓ６である荷重情報に基づいてデータベース３１を照合し、現在の走行位置および荷重情報に該当する情報を読み出してもよい。

加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００に掛かる荷重が、車輪１の空転が発生している条件と一致すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００に掛かる荷重が、車輪１の空転が発生している条件と類似すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００に掛かる荷重が、車輪１の滑走が発生している条件と一致すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置および電気車３００に掛かる荷重が、車輪１の滑走が発生している条件と類似すると判定した場合、電気車３００の加減速を制御する制御信号として、電気車３００の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。類似する場合とは、走行位置については、前述の近い位置の場合と同様であり、荷重については、例えば、荷重の差分が規定された範囲内の場合である。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置の条件が一致しても荷重の条件が一致しない場合、通常通りの規定された値の加減速指令情報Ｓ４を生成する。

このように構成することで、加減速指令情報生成部４０は、天候、荷重などの条件に基づいてよりきめ細かい加速力または減速力の決定が可能となる。

加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が車輪１の空転が発生する位置の場合（ステップＳＴ４：Ｙｅｓ）、加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する（ステップＳＴ５）。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が車輪１の空転が発生する位置ではないが（ステップＳＴ４：Ｎｏ）、車輪１の滑走が発生する位置の場合（ステップＳＴ６：Ｙｅｓ）、減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する（ステップＳＴ７）。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が車輪１の滑走が発生する位置ではない場合（ステップＳＴ６：Ｎｏ）、規定された値の加減速指令情報Ｓ４を生成する（ステップＳＴ８）。

以上のように、加減速指令情報生成部４０は、加減速指令情報Ｓ４を生成する機能を有する。加減速指令情報生成部４０は、少なくとも走行位置情報Ｓ５と空転滑走位置情報Ｓ３との照合を行う。加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の現在の走行位置が車輪１の空転または車輪１の滑走が発生している位置であると判定した場合、電気車３００の加速力または減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報Ｓ４を生成する。

加減速指令情報生成部４０において、車輪１の空転または車輪１の滑走が発生している位置であると判定する論理については、種々のものが考えられる。加減速指令情報生成部４０は、例えば、当該位置で一度でも空転または滑走が発生した場合に空転または滑走が発生すると判定してもよいし、当該位置で空転または滑走が発生した確率に基づいて判定してもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、当該位置での空転または滑走の度合いに基づいて判定してもよい。

また、加減速指令情報生成部４０において、どの程度加速力または減速力を小さくするかを決定する論理についても、種々のものが考えられる。加減速指令情報生成部４０は、例えば、当該位置で一度でも空転または滑走が発生した場合、あらかじめ決定しておいた割合または量を基の加速力または減速力に反映させてもよいし、空転または滑走が発生した確率に基づいてあらかじめ決定しておいた割合または量を基の加速力または減速力に反映させてもよい。また、加減速指令情報生成部４０は、空転または滑走の度合いに基づいて、あらかじめ決定しておいた割合または量を基の加速力または減速力に反映させてもよい。

加減速指令情報生成部４０は、例えば、車輪１の空転または車輪１の滑走が発生した場合の継続期間、前述の閾値との差分、天候情報に含まれる温度などの各情報について、規定された電気車３００の加速力または減速力に対してどの程度、値を小さくすればよいのかを示す情報をあらかじめ保持しておいてもよい。すなわち、加減速指令情報生成部４０は、車輪１の空転または車輪１の滑走が発生した場合の継続期間、前述の閾値との差分、天候情報に含まれる温度などの各情報に基づいて、規定された電気車３００の加速力または減速力を小さくする比率、減算する量などを選択するようにしてもよい。

加減速指令情報生成部４０は、車輪１の空転または車輪１の滑走が発生している位置であるか否かの判定、および、どの程度加速力または減速力を小さくするかの値の決定について、機械学習を行ってもよい。加減速指令情報生成部４０は、例えば、空転滑走位置情報Ｓ３、走行位置情報Ｓ５、および付加情報Ｓ６の組み合わせによって作成されるデータセットに基づいて学習する。加減速指令情報生成部４０は、例えば、ニューラルネットワークモデルに従って、いわゆる教師あり学習によって、位置の判定、値の決定などを学習する。教師あり学習とは、ある入力と結果のデータの組を大量に学習装置に与えることであり、それらのデータセットにある特徴を学習し、入力から結果を推定するモデルをいう。また、ニューラルネットワークは、いわゆる教師なし学習によって学習することもできる。教師なし学習とは、入力データのみを大量に加減速指令情報生成部４０に与えることで、入力データがどのような分布をしているか学習し、対応する教師データを与えなくても、入力データに対して圧縮、分類、整形などを行い学習する手法である。また、加減速指令情報生成部４０に用いられる学習アルゴリズムとして、特徴量そのものの抽出を学習する、深層学習（Deep Learning）を用いることもできる。また、加減速指令情報生成部４０は、他の公知の方法、例えば、遺伝的プログラミング、機能論理プログラミング、サポートベクターマシンなどに従って機械学習を実行してもよい。

また、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の車輪１が交換された場合、またはレールが交換された場合、交換の前後で制御内容、すなわち加減速指令情報Ｓ４の内容が異なることが想定される。この場合、加減速指令情報生成部４０は、制御内容の差異を機械学習しておき、同様の傾向が規定された回数継続した場合、電気車３００の車輪１またはレールが交換されたものと判断して制御を行うようにしてもよい。なお、電気車３００の車輪１の交換、およびレールの交換の情報については、保守担当者が制御システム２００に登録するようにしてもよいし、図示しない管理装置から自動的に登録されるようにしてもよい。

なお、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の加速力を規定された値より小さく設定した場合、電気車３００の加速力を規定された値より小さく設定した位置と異なる位置において、電気車３００の加速力を規定された値より大きく設定した加減速指令情報Ｓ４、または電気車３００の加速時間を規定された時間より長く設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。

同様に、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の減速力を規定された値より小さく設定した場合、電気車３００の減速力を規定された値より小さく設定した位置と異なる位置において、電気車３００の減速力を規定された値より大きく設定した加減速指令情報Ｓ４、または電気車３００の減速時間を規定された時間より長く設定した加減速指令情報Ｓ４を生成してもよい。

このようにすることで、加減速指令情報生成部４０は、空転または滑走が発生しやすい条件においても、電気車３００の全体の走行時間が遅延しないように電気車３００を走行させることができる。

なお、加減速指令情報生成部４０は、電気車３００の加速力または減速力を規定された値から変更する状態が継続し、かつ変更内容が同じ場合、基の規定された加速力または減速力の値を変更するようにしてもよい。

推進制御装置５０は、図示しないインバータなどで構成される制御装置である。推進制御装置５０は、加減速指令情報生成部４０で生成された加減速指令情報に基づいて、車輪１を駆動する電動機６０への駆動制御を行う。具体的には、推進制御装置５０は、加減速指令情報生成部４０から取得した加減速指令情報Ｓ４に基づいて、電動機６０への力行トルク指令または回生トルク指令を生成し、電動機６０に出力する。推進制御装置５０は、車輪１と接続された電動機６０の発生するトルクが、力行トルク指令または回生トルク指令に一致するように電動機６０を制御する（ステップＳＴ９）。

電動機６０は、車輪１を駆動するモータである。電動機６０は、インバータなどで構成される前述の推進制御装置５０によって動作が制御される。

ブレーキ制御装置７０は、車輪１と接続された摩擦ブレーキ８０の強さを調整する制御装置である。ブレーキ制御装置７０は、加減速指令情報生成部４０から取得した加減速指令情報Ｓ４に基づいて、摩擦ブレーキ８０へのブレーキ力指令を生成し、摩擦ブレーキ８０に出力する。ブレーキ制御装置７０は、摩擦ブレーキ８０の発生するブレーキ力がブレーキ力指令に一致するように摩擦ブレーキ８０を制御する（ステップＳＴ１０）。

摩擦ブレーキ８０は、制輪子などを車輪１の踏面などに押し当てて、摩擦によって制動力、すなわちブレーキ力を得る装置である。

なお、本実施の形態では、具体的に、制御システム２００が電気車３００に搭載される場合について説明したが、これに限定されない。制御システム２００のうち、制御装置１００については、図示しない運行管理システムなどの地上設備に設置されてもよい。また、制御装置１００を構成するデータ処理部２０、データベース生成部３０、および加減速指令情報生成部４０のうち、一部が電気車３００に設置され、残りが運行管理システムなどの地上設備に設置されてもよい。制御装置１００の設置場所についての制限はない。

つづいて、制御システム２００のハードウェア構成について説明する。制御システム２００において、制御装置１００以外の各構成、すなわち、センサ１０、推進制御装置５０、電動機６０、ブレーキ制御装置７０、および摩擦ブレーキ８０は、一般的な電気車に搭載される機器と同様の構成である。制御装置１００、すなわち、データ処理部２０、データベース生成部３０、および加減速指令情報生成部４０は、処理回路により実現される。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサおよびメモリであってもよいし、専用のハードウェアであってもよい。

図４は、本実施の形態に係る制御システム２００が備える処理回路をプロセッサおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がプロセッサ９１およびメモリ９２で構成される場合、制御システム２００の処理回路の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。処理回路では、メモリ９２に記憶されたプログラムをプロセッサ９１が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路は、制御システム２００の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を備える。また、これらのプログラムは、制御システム２００の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

ここで、プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などであってもよい。また、メモリ９２には、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などが該当する。

図５は、本実施の形態に係る制御システム２００が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアで構成される場合、図５に示す処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。制御システム２００の各機能を機能別に処理回路９３で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路９３で実現してもよい。

なお、制御システム２００の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、制御システム２００は、落葉が多い場所、車の往来が多い踏切でレールに油分が付着しやすい地点など、空転または滑走が高頻度で発生する地点を事前に抽出し、空転または滑走が発生しないように先回りで加速力または減速力を、規定された値よりも小さい値に設定する。これにより、制御システム２００は、車輪１の空転または滑走の発生そのものを抑制することができる。この結果、制御システム２００は、推進制御装置５０、ブレーキ制御装置７０などにおいて空転滑走抑制制御が動作する機会が減少させ、電気車３００の車輪１が損傷することを防止でき、車輪１の修繕および交換の頻度を低減させることができる。

また、制御システム２００は、車輪１の修繕および交換の頻度が低減することによって、作業員などによるメンテナンス作業負担、コストを低減させることができる。

また、制御システム２００は、空転滑走を発生させない加減速度に制御することができるため、過渡的な加減速度の変化の発生が抑制されるので、電気車３００の乗り心地を改善することができる。また、制御システム２００は、さらに、天候情報、荷重情報などの条件を加味して空転または滑走が生じやすい条件を抽出し、より最適な加速力または減速力を設定することが可能となり、よりきめ細かい電気車３００の制御が可能となる。

なお、制御システム２００は、どのように制御しても車輪１の空転または滑走の発生を抑えることができない場合、当該位置においてレールに砂をまくなど、車輪１とレールとの間の摩擦力を向上させる制御を行ってもよい。これにより、制御システム２００は、さらに、車輪１の空転または滑走の発生そのものを抑制することができる。なお、制御システム２００は、後続の電気車３００に対して、砂をまいたことを通知してもよい。これにより、後続の電気車３００が備える制御システム２００は、レールに砂がまかれていることをふまえたうえで、車輪１の空転または滑走の発生を抑える制御を行うことができる。

また、制御システム２００は、電気車３００の加速力または減速力を規定された値よりも小さい値に設定する、すなわち電気車３００の加速力または減速力を本来よりも弱めるように制御する。この場合、電気車３００が日常的に遅延する可能性がある。しかしながら、車輪１、レールなどの設備の変更、天候などの環境の変化によって、車輪１とレールとの間の摩擦係数の低下が抑制されることも考えられる。そのため、制御システム２００は、電気車３００の加速力または減速力がある値に収束したと判断した場合、電気車３００の加速力または減速力を収束した値よりも大きくする、すなわち電気車３００の加速力または減速力を強めるように制御することを試行してもよい。制御システム２００は、試験的に電気車３００の加速力または減速力を収束した値よりも大きくした結果、空転または滑走が発生した場合、電気車３００の加速力または減速力を収束した値に戻す。制御システム２００は、試験的に電気車３００の加速力または減速力を収束した値よりも大きくした結果、空転または滑走が発生しなかった場合、電気車３００の加速力または減速力を、収束した値よりも大きくした値に変更する。このように、電気車３００の加速力または減速力を変化させ、試行することによって、電気車３００は、常に最適な加速力または減速力で走行することができる。その結果、制御システム２００による電気車３００の日常的な遅延を抑制することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

さらに、本実施の形態では、電気車３００の制御装置１００への適用を考慮して説明しているが、適用分野はこれに限られるものではなく、種々の関連分野への応用が可能であることも言うまでもない。

１車輪、１０センサ、２０データ処理部、３０データベース生成部、３１データベース、４０加減速指令情報生成部、５０推進制御装置、６０電動機、７０ブレーキ制御装置、８０摩擦ブレーキ、１００制御装置、２００制御システム、３００電気車。

Claims

電気車の車輪の回転状態を検出するセンサから取得した情報に基づいて、前記車輪の空転および前記車輪の滑走のうち少なくとも一方を検出し、空転滑走情報を生成するデータ処理部と、
前記データ処理部から取得した前記空転滑走情報を用いて、前記車輪の挙動を示すデータベースを生成するデータベース生成部と、
前記データベースに基づいて、前記電気車の加減速指令情報を生成する加減速指令情報生成部と、
を備え、
前記データベース生成部は、前記空転滑走情報と前記電気車の走行位置を示す走行位置情報とに基づいて、前記車輪の空転または滑走が検出された位置と前記電気車の走行位置とを対応付けた空転滑走位置情報を生成し、前記空転滑走位置情報に、前記車輪の表面状態を示す表面状態情報を付加した前記空転滑走位置情報を含む前記データベースを生成する、
ことを特徴とする制御装置。
前記データ処理部は、前記センサから取得した情報として、前記車輪の回転速度および前記車輪の回転加速度のうち少なくとも１つに基づいて、前記電気車の加速中の前記車輪の空転、および前記電気車の減速中の前記車輪の滑走のうち少なくとも一方を検出し、前記空転滑走情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記加減速指令情報生成部は、前記データベースに基づいて、前記電気車の加減速を制御する制御信号として、加速力または減速力の大きさを含む加減速指令情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
前記加減速指令情報生成部は、前記走行位置情報に基づいて前記データベースを検索し、前記電気車の現在の走行位置が前記車輪の空転が発生している位置または空転が発生している位置に近い位置と判定した場合、前記電気車の加減速を制御する制御信号として、前記電気車の加速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
前記加減速指令情報生成部は、前記走行位置情報に基づいて前記データベースを検索し、前記電気車の現在の走行位置が前記車輪の滑走が発生している位置または滑走が発生している位置に近い位置と判定した場合、前記電気車の加減速を制御する制御信号として、前記電気車の減速力を規定された値より小さい値に設定した加減速指令情報を生成する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
前記加減速指令情報生成部は、前記電気車の加速力を規定された値より小さく設定した場合、前記電気車の加速力を規定された値より小さく設定した位置と異なる位置において、前記電気車の加速力を規定された値より大きく設定した加減速指令情報、または前記電気車の加速時間を規定された時間より長く設定した加減速指令情報を生成する、
ことを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
前記加減速指令情報生成部は、前記電気車の減速力を規定された値より小さく設定した場合、前記電気車の減速力を規定された値より小さく設定した位置と異なる位置において、前記電気車の減速力を規定された値より大きく設定した加減速指令情報、または前記電気車の減速時間を規定された時間より長く設定した加減速指令情報を生成する、
ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
請求項１から７のいずれか１つに記載の制御装置と、
電気車の車輪の回転状態を検出するセンサと、
前記制御装置が備える加減速指令情報生成部で生成された加減速指令情報に基づいて、前記車輪を駆動する電動機への駆動制御を行う推進制御装置と、
を備えることを特徴とする制御システム。
データ処理部が、電気車の車輪の回転状態を検出するセンサから取得した情報に基づいて、前記車輪の空転および前記車輪の滑走のうち少なくとも一方を検出し、空転滑走情報を生成する第１のステップと、
データベース生成部が、前記データ処理部から取得した前記空転滑走情報を用いて、前記車輪の挙動を示すデータベースを生成する第２のステップと、
加減速指令情報生成部が、前記データベースに基づいて、前記電気車の加減速指令情報を生成する第３のステップと、
を含み、
前記第２のステップにおいて、前記データベース生成部は、前記空転滑走情報と前記電気車の走行位置を示す走行位置情報とに基づいて、前記車輪の空転または滑走が検出された位置と前記電気車の走行位置とを対応付けた空転滑走位置情報を生成し、前記空転滑走位置情報に、前記車輪の表面状態を示す表面状態情報を付加した前記空転滑走位置情報を含む前記データベースを生成する、
ことを特徴とする制御方法。