JPH04287766A - 列車運転方式の作成方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道列車の省エネルギ
ー運転を実現するのに有効な列車運転方式を作成する方
式に関する。

【０００２】

【従来の技術】路線条件（制限速度，勾配），車両特性
（走行抵抗，駆動力特性，減速特性）といった条件のも
とでの最適な列車の運転方式を作成することに関しては
、 文献１：第５回鉄道におけるサイバネティクス利用国内
シンポジウム（昭和４３年６月）、第１１頁から第１６
頁 文献２：電気学会論文誌Ｂ、第１０６巻９号（昭和６１
年９月）、第７６９頁から第７７６頁 文献３：特願平２−１８８０７５ に記載のものが提案されている。

【０００３】文献１の方法は、任意の形態の駅間の走行
において、走行時間，消費電力，ノッチ切替回数、を評
価量とし、動的計画法により最適な運転方式（ノッチシ
ーケンスとして求まる）を求めるというものである。こ
こでは評価量である走行時間，消費電力、等を列車の走
行シミュレーションを行なうことにより、位置，速度、
等を計算し求めている。

【０００４】文献２では新幹線各駅停車列車の駅間走行
の省エネルギー運転方式に関し議論されている。ここで
の省エネルギー運転方式の検討は、標準的な制限速度の
形状（図３）を仮定し、その形状の運転において実際の
運転に近い４つの運転パターンを用意し、それらのパタ
ーンでの消費エネルギーの比較を行なっている。

【０００５】文献３では、列車運転のパターンとして、
（１）ある制限速度区間での初速度（その区間への進入
速度）よりも制限速度の方が高い場合には、最大加速力
による加速を行ない、目標とする走行速度に達したなら
ば定速走行をし、 （２）逆に低い場合には、常用最大ブレーキによる減速
を行ない、目標とする走行速度に達したならば定速走行
をする、というものを仮定している。この運転パターン
を仮定することにより、運転方式を設定するということ
が目標速度を設定することに帰着される。この条件のも
とで、最適な運転方式すなわち最適な目標速度の組を、
消費エネルギーを目的関数とし走行速度を制約条件とす
る非線形計画法により求めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術における
問題点は以下の通りである。 （１）前記文献１での動的計画法を用いて最適な運転方
式を求める方式は計算に時間がかかる。 （２）前記文献２では、駅間の制限速度のパターンとし
ては図３に示すような形状だけを想定しており、このよ
うなパターンにのみ適用できる方式である。従って例え
ば図４に示すような複雑な形状のパターンに対しては適
用できない。前記文献３は上記２点を解決するために提
案した方式であるが、 （３）非線形計画法における最小値の存在条件である目
的関数（＝消費エネルギー）が凸関数であることが必ず
しも証明できないこと、また制約条件の範囲が凸集合で
あることも必ずしも証明できないため、最小値が求まる
とは限らない。本発明の目的は上記のような問題点のな
い列車運転方式の作成方式を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段は以下の通りである。まず前記文献３と同様に運
転パターンとして、 （１）ある制限速度区間での初速度（その区間への進入
速度）よりも制限速度の方が高い場合には、最大加速力
による加速を行ない、目標とする走行速度に達したなら
ば定速走行をし、 （２）逆に低い場合には、常用最大ブレーキによる減速
を行ない、目標とする走行速度に達したならば定速走行
をする、というものを仮定する。

【０００８】以下問題の定式化のため駅間の制限速度の
形状として一般的な図５に示すものを仮定する。ここで
制限速度区間を番号づけし（その総区間数をＮとする）
、ｎ番目の制限速度区間での制限速度をＶｍａｘ（ｎ）
とし、目標速度をＶ（ｎ）とする。ここでＶ（ｎ）に対
する制約条件として、 　　　　　　　　０≦Ｖ（ｎ）≦Ｖｍａｘ（ｎ）　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　…（数１） である。以下では簡略化のため、Ｖ＝（Ｖ（１），…，
Ｖ（Ｎ））と書く。

【０００９】この仮定のもとでは、各制限速度区間ごと
に目標速度を設定するということが、この駅間の列車運
転方式を定めることになる。すなわち、目標速度Ｖを定
めれば駅間の列車運転方式が定まり、逆に駅間の列車運
転方式とは目標速度Ｖを定めるということになる。ここ
で、最適な運転方式というものを、駅間の走行時間がダ
イヤ時間となるという定時運転を行ない、かつ消費エネ
ルギーが最小となるものと定義する。

【００１０】駅間の走行時間Ｔと消費エネルギーＥは、
路線条件（制限速度，勾配，等）、車両特性を与えても
直接に計算すること（すなわち陽な式として書き表わす
こと）はできないが、列車の運動をモデリングしシミュ
レーションを行なった結果として求めることができる。 この時、走行時間Ｔ、消費エネルギーＥは目標速度Ｖを
定めれば一意的に求まる。従ってＴとＥはＶの関数、す
なわち、Ｔ＝Ｔ（Ｖ）、Ｅ＝Ｅ（Ｖ）である。最適な目
標速度Ｖを求める問題は、第１の制約条件（数１）及び
第２の制約条件 　　　　　　　　Ｔ（Ｖ）＝Ｔｄｉａ（ダイヤ時間）　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　…（数２） のもとで、目的関数Ｅ（Ｖ）を最小にする目標速度Ｖを
求めるという最適化問題として定式化できる。

【００１１】この最適化問題の解法として前記文献３（
特願平２−１８８０７５）では、消費エネルギーＥを目
的関数とする非線形計画法を利用する方法を提案した。 しかし、「発明が解決しようとする課題」の項で述べた
ように、非線形計画法における最小値の存在条件である
Ｅ（Ｖ）が凸関数であることが保証できないこと、また
制約条件の範囲である（数１）及び（数２）を満たすＶ
が凸集合であることも保証できないため、かならずしも
最小値が求まるとは限らない。

【００１２】非線形計画法による解法は、目的関数Ｅが
減少する方向である勾配ベクトル∇Ｅ（Ｖ）を、その成
分である微分係数を近似式 　　　　　　　　∂Ｅ／∂Ｖ（ｎ）≒ΔＥ／ΔＶ（ｎ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
（数３） により求め、そのベクトルの方向においてＶ（ｎ）を移
動させ最小値の探索を行なうというアルゴリズムである
。 本発明においては勾配ベクトル∇Ｅ（Ｖ）の代わりに、
Ｖ（ｎ）をΔＶ（ｎ）だけ減少させた時の、走行時間Ｔ
の単位量あたりの増加に対する消費エネルギーＥの減少
の比率である 　　　　　　　　−ΔＥ／ΔＴ＝−（ΔＥ／ΔＶ（ｎ）
）／（ΔＴ／ΔＶ（ｎ））　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　≒−（∂Ｅ／∂Ｖ（ｎ））／（∂Ｔ／∂
Ｖ（ｎ））　　　　…（数４） を各成分とするベクトルを用いる。この（数４）値をρ
（ｎ）と記し、ベクトル形式ではρと書くことにする。 ここで、目標速度Ｖをρ方向に移動させるわけであるが
、ここではＶ（ｎ）の初期値はＶｍａｘ（ｎ）−（余裕
速度）とし、最小値の探索は行なわない。ここで余裕速
度とは、最高速度での定速走行時に制限速度を越えない
ように設定するものである。

【００１３】

【作用】本発明の列車運転方式の作成方式によれば、（
１）対象とする列車運転の区間の制限速度パターンは任
意の形状に対応でき、 （２）通常の非線形計画法を利用するアルゴリズムに比
べ、制約領域内での最小値の探索が不要となるため（求
まる値は必ずしも最適値ではないが）、準最適値を求め
るための計算量は少なくなる、ような最適な列車運転方
式を作成することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細
に説明する。図２は本発明の一実施例における列車運転
方式の作成方式により作成された列車運転方式を表示し
て列車運転士の運転支援を行なうシステムのシステム構
成である。このシステムは、最適な列車運転方式を運転
室のＣＲＴへ表示して運転士の運転支援を行なうことを
主な機能とする車上システム（２０１〜２０７）と、車
上システムで表示する最適な列車運転方式を作成するこ
とを主な機能とする地上システム（２０８〜２１５）、
の２つのシステムからなる。以下では、記述を簡略化す
るため、本実施例におけるシステムの最適運転方式の作
成対象となる路線は１本であり、その中に複数の駅を含
み、走行する列車の種類は限られており、走行する列車
はすべて各駅に停車するものとする。

【００１５】最適列車運転方式作成部（２０８）では、
車両特性データファイル（２１２）、路線条件データフ
ァイル（２１３）における必要なデータを参照し、本発
明の一実施例における列車運転方式の作成方式により最
適な列車運転方式を作成し、最適列車運転方式データフ
ァイル（２１１）へ格納する。この処理は事前に、すべ
ての駅間、列車の型、上り・下り、について行なってお
くものとする。

【００１６】運転支援部（２０１）では最適な目標速度
の表示と共に、ランカーブと呼ばれる路線上の位置に対
応した走行速度の曲線の表示も行なう。そのためデータ
ファイル（２１１）には最適な目標速度のデータと共に
、その目標速度を設定した時の列車走行のシミュレーシ
ョン結果を（位置，速度）という形のデータで記録する
ものとする。この最適列車運転方式の作成方式の詳細に
ついては図１を用いて後に説明する。

【００１７】車両特性データファイル（２１２）に格納
されている車両特性データとは、対象とする列車におけ
る、列車速度に応じた駆動力特性及び減速特性、列車速
度の２次の関数である走行抵抗、列車編成、列車重量、
などである。これらの車両特性データは、走行する列車
の型に応じて格納されている。また、路線条件データフ
ァイル（２１３）に格納されている路線条件データとは
、路線の開始点を基準とした、駅の位置（停止目標位置
），制限速度情報（制限速度区間の開始位置，制限速度
），勾配情報（開始位置，勾配）、などである。路線は
１本という仮定のため、これらのデータは上り、下りの
２種類のみがある。

【００１８】作成された最適列車運転方式データのうち
、該当列車及び該当駅間に対応するデータは車上システ
ムへ移す必要がある。その手段としては種々のものがあ
るが、ここではＩＣカードを利用し、データを地上シス
テムから車上システムへ移すものとする。最適列車運転
方式作成部（２０８）は、必要となるデータをデータフ
ァイル（２１１）から検索して取り出し、ＩＣカードラ
イタ（２１４）へ送る。ＩＣカードライタは送られてき
たデータをＩＣカード（２１５）へ書き込む。データが
書き込まれたＩＣカード（２１５）は車上システムでの
ＩＣカード（２０６）と同一のものである。

【００１９】運転支援部（２０１）は、列車の出発前に
ＩＣカード（２０６）から最適列車運転方式を読み込み
、車上計算機の最適列車運転方式データファイル（２０
４）へ格納する。さらに運転支援部は列車位置に応じ、
その現在の列車位置、その位置での目標速度、最適列車
運転方式でのランカーブ、等の表示を行なう。列車の位
置は、車両位置検出部（２０５）が車輪回転数を計測し
、駅周辺等の位置が正確にわかる所において補正を行な
い、算出するものとする。

【００２０】車上システムのＣＲＴでの表示画面の例を
図６に示す。図６ではグラフィック形式で、制限速度（
６０１），最適な目標速度（６０２），最適目標速度に
よる走行のシミュレーション結果のランカーブ（６０３
），ランカーブ上の現在の位置（６０４）、が表示され
ている。さらに数値で、目標速度（６０５），現在速度
（６０６），現在位置（６０７），走行時間（６０８）
、が表示されている。図１は、図２の地上システム側に
おける最適列車運転方式作成部（２０８）における、最
適な列車運転方式の作成方式を表したフローチャートで
ある。以下この図を用いて最適な列車運転方式の作成方
式を説明する。ここで最適な列車運転方式の作成対象と
なる区間の制限速度の形状は前述した図５とし、第ｎ制
限速度区間での制限速度をＶｍａｘ（ｎ）とし、目標速
度をＶ（ｎ）とし、（数１）の関係があるものとする。

【００２１】ステップ１０１においては、列車の型，駅
間の識別子，出発時刻，到着予定時刻、等をキーボード
２０９より入力する。

【００２２】ステップ１０２においては、ステップ１０
１で入力されたデータに基づき、システム内のファイル
（２１２，２１３）に格納されている、該当駅間の路線
条件データ（路線長，駅位置，制限速度情報，勾配情報
、等）及び該当列車の車両特性データ（駆動力特性，減
速特性，列車重量、等）を読み込む。列車重量における
乗車人員の重量は、平均乗車率（過去のデータより推定
する）で計算する。

【００２３】ステップ１０３においては、以上の読み込
みデータに基づき、各制限速度区間の目標速度を「Ｖｍ
ａｘ（ｎ）−（余裕速度）」として初期値設定する。余
裕速度は最高速度での定速走行時に制限速度を越えない
ように設定するもので、例えば余裕速度を３ｋｍ／ｈと
すると、制限速度が１００ｋｍ／ｈのとき９７ｋｍ／ｈ
が目標速度に設定される。

【００２４】ステップ１０４においては以下の２項目の
処理を行なう。 （１）現在設定されている目標速度で列車走行のシミュ
レーションを行ない、走行時間Ｔ，消費エネルギーＥを
計算する。それと共に、その時の目標速度の組，位置に
対する速度の関係であるランカーブデータを一時的に保
存する。 （２）第ｎ制限速度区間の現在設定されている目標速度
をＶ（ｎ）として、この区間の目標速度を微小値εＶだ
け下げたＶ（ｎ）−εＶに設定し、列車走行のシミュレ
ーションを行ない、走行時間Ｔ´，消費エネルギーＥ´
を計算し、 　　　　　　　　ρ（ｎ）≒−（Ｅ−Ｅ´）／（Ｔ−Ｔ
´）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（数
５） 　　を計算する。これをすべてのｎ（ｎ＝１，…，Ｎ）
について行なう。

【００２５】ここで制限速度パターンが図５に示すもの
であるとき、走行時間Ｔ、消費エネルギーＥの計算方法
は以下の通りである。

【００２６】「課題を解決するための手段」の項に記し
たような列車運転のパターンを仮定する。すなわち、加
速時は最大加速力による加速から定速走行、減速時は常
用最大ブレーキによる減速から定速走行、というもので
ある。この時、列車運転方式を定めるとは各制限速度区
間での目標速度を定めることになる。

【００２７】いま、速度ｖに応じた駆動力特性をＴｑ（
ｖ），減速特性をＴｂ（ｖ）と記せば、列車運動の運動
方程式は、 　　　　　　Ｍ・（ｄｖ／ｄｔ）＝Ｆｍ（ｖ）−Ｒｒ（
ｖ）−Ｒｇ（ｘ）　　　　　　　　　　　　　…（数６
） である。ただし、Ｆｍ（ｖ）は電動機出力であり、加速
時はＴｑ（ｖ）であり、減速時は−Ｔｂ（ｖ）である。 以下、所要時間Ｔ，消費エネルギーＥは時刻ｔを離散化
して、この方程式を数値計算により解くことにより求め
ることができる。

【００２８】ただし列車運転に関して、加速時はＴｑ（
ｖ）による加速、減速時はＴｂ（ｖ）による減速、を仮
定しているが、定速走行時の制御は次のように行なうも
のとする。現在速度ｖの目標速度Ｖ（ｎ）からの誤差の
下限ΔＶｌ、上限ΔＶｕを設定し、定速走行時には、　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｖ≦Ｖ（ｎ
）−ΔＶｌ：Ｔｑ（ｖ）による加速　　　　　…（数７
）　　　　　　Ｖ（ｎ）−ΔＶｌ＜ｖ＜Ｖ（ｎ）＋ΔＶ
ｕ：惰行（Ｆｍ（ｖ）＝０）　　　…（数８）　　　　
　　Ｖ（ｎ）＋ΔＶｕ≦ｖ　　　　　　　　　　　　　
　　：Ｔｂ（ｖ）による減速　　　　　…（数９）とい
う制御を仮定する。

【００２９】以上の処理の後、ステップ１０５では、目
標速度がステップ１０３で設定した初期値設定値（すな
わち初回の計算の時）において、ダイヤ時間（＝到着予
定時刻−出発時刻）とシミュレーションで計算した走行
時間とを比較する。

【００３０】ダイヤ時間より走行時間の方が大きい場合
とは、どんなに高速で走ってもダイヤに間に合わない場
合である。これは入力データに異常がある場合であり、
最適な目標速度を求める処理を終了し（ステップ１０６
）、ＣＲＴにそのことを表示する。

【００３１】ダイヤ時間より走行時間の方が小さい場合
には、「ダイヤ時間−走行時間」と許容誤差δＴとの比
較を行なう（ステップ１０７）。両者の差が許容誤差よ
りも小さい時が終了条件の成立条件である。この時は一
時的に保存されている目標速度の組及びランカーブデー
タを最適列車運転方式データファイル（２０４）に格納
し（ステップ１０８）、最適列車運転方式を求める処理
を終了させる（ステップ１０９）。

【００３２】両者の差が許容誤差δＴ以上あれば、目標
速度を変化させる処理を行なう（ステップ１１０）。ρ
（ｎ）が正で最大となる区間の目標速度を単位量、例え
ば１ｋｍ／ｈだけ下げる。新しく目標速度を設定した後
、ステップ１０４からの処理を繰り返す。

【００３３】このステップ１１０での目標速度の移動の
方法には他にも方式がある。以下それらを列挙する。 （１）ベクトルとしてのρを用い、その方向の単位ベク
トルρ／｜ρ｜を求め、その方向に単位量だけ移動させ
、制限速度を越える区間では目標速度を変化させない、
という方式。 （２）上述の（１）の方式ではρ（ｎ）が負の区間は目
標速度を増加させることになるため、その区間ではρ（
ｎ）＝０としたρを用いる方式。 （３）実施例で述べた方式及び上述の（１）（２）の方
式では、目標速度の単位量あたりの変化に対応した走行
時間の増加が大きく、うまく許容誤差範囲内に入らない
可能性もあるため、事前設定の走行時間に近づいた時に
は目標速度を変化させる単位量を小さくするという方式
。

【００３４】

【発明の効果】本発明の列車運転方式の作成方式では、
列車運転方式を求めることを、各制限速度区間での目標
速度を求めることに帰着させ、最適な目標速度の組を、
目標速度の変動時における走行時間の増加に対する消費
エネルギーの減少の比率を利用して求めるため、（１）
決定すべきパラメータが少数となるため、動的計画法な
どのように全区間で最適な運転方式を求める方式に比べ
計算時間が少なくなる。 （２）任意の形態の制限速度パターンに適用可能である
。 （３）制約領域内での最小値の探索が不要となるため、
非線形計画法による解法に比べ、計算量が少なくなる。 といった効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における列車運転方式の作成
方式を表わしたフローチャートである。

【図２】本発明の一実施例における列車運転方式の作成
方式を利用した運転支援システムのシステム構成である
。

【図３】従来の技術が対象としている駅間の制限速度の
パターンである。

【図４】本発明が対象としている駅間の制限速度のパタ
ーンである。

【図５】本発明のアルゴリズムを説明するための駅間の
一般的な制限速度のパターンである。

【図６】図２における車上システムでの最適な運転方式
の表示の例である。

【符号の説明】

２０１…運転支援部、２０８…最適列車運転方式作成部
、２０４，２１１…最適列車運転方式データファイル。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鉄道列車の路線上の所定の区間の走行にお
   ける、路線上の所定の区間ごとに定められた制限速度と
   、事前に定められた所定の区間の走行時間を守る、とい
   う列車運転方式を作成する方式において、路線上の所定
   の区間における各制限速度区間ごとに、加速時には最大
   加速力で加速した後に定速走行をし、減速時には最大ブ
   レーキ力で減速した後に定速走行をする、という運転の
   パターンを仮定し、この仮定により、駅間の列車運転方
   式を求めることを各制限速度区間ごとの走行する目標速
   度を定めることに帰着させ、前記の各制限速度区間にお
   ける目標速度を、目標速度を変動させた時における、走
   行時間の変動に対する消費エネルギーの変動の比率を利
   用し、前記の所定の区間の走行時間を守り、かつ消費エ
   ネルギーが最小となる、ような値に設定することにより
   列車運転方式を作成することを特徴とする列車運転方式
   の作成方式。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の列車運転方式
   の作成方式において、路線上の所定の区間の走行時間と
   消費エネルギーを、所定の区間へ進入する初速度、所定
   の区間内の路線の勾配情報、該当列車の走行抵抗、該当
   列車の加減速特性、該当列車の重量、に基づき列車走行
   のシミュレーションを行なって計算することを特徴とす
   る列車運転方式の作成方式。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の列車運転方式
   の作成方式において、所定の区間の走行時間を守り、か
   つ消費エネルギーが最小となる目標速度を求める過程に
   おいて、各制限速度区間の目標速度の初期値を、定速走
   行をしても制限速度を越えないような最高速度に設定し
   、目標速度の変動時における、走行時間の変動に対する
   消費エネルギーの変動の比率を、走行時間の増加に対し
   消費エネルギーが減少する場合を正として、各制限速度
   区間毎に計算し、その比率が最大となる区間の目標速度
   を単位量だけ低下させ、この処理を、走行時間が事前に
   定めた走行時間の事前に定めた誤差範囲に入った時に終
   了させて目標速度を求めることを特徴とする列車運転方
   式の作成方式。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の列車運転方式
   の作成方式において、目標速度の変動時における、走行
   時間の変動に対する消費エネルギーの変動の比率を、走
   行時間の増加に対し消費エネルギーが減少する場合を正
   として、各制限速度区間毎に計算し、それらの値の組を
   それらの値を各成分とするベクトルとみなし、そのベク
   トルの方向にベクトルとしての目標速度を単位量だけ移
   動させることを特徴とする列車運転方式の作成方式。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第３項記載の列車運転方式
   の作成方式において、目標速度の変動時における、走行
   時間の変動に対する消費エネルギーの変動の比率を、走
   行時間の増加に対し消費エネルギーが減少する場合を正
   として、各制限速度区間毎に計算し、その値が負であれ
   ばその値の代わりに０とし、それらの値の組をそれらの
   値を各成分とするベクトルとみなし、そのベクトルの方
   向にベクトルとしての目標速度を単位量だけ移動させる
   ことを特徴とする列車運転方式の作成方式。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第３項記載の列車運転方式
   の作成方式において、走行時間が事前に設定した走行時
   間に近づいた時には、目標速度を移動させる単位量を小
   さくさせることを特徴とする列車運転方式の作成方式。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第４項記載の列車運転方式
   の作成方式において、走行時間が事前に設定した走行時
   間に近づいた時には、目標速度を移動させる単位量を小
   さくさせることを特徴とする列車運転方式の作成方式。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第５項記載の列車運転方式
   の作成方式において、走行時間が事前に設定した走行時
   間に近づいた時には、目標速度を移動させる単位量を小
   さくさせることを特徴とする列車運転方式の作成方式。