JPWO2014027401A1 - 列車情報管理装置および機器制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、位置検知部１１と、回生ブレーキを使用している状態を検知する回生状態検知部１３と、ブレーキを使用する可能性が高い区間の情報を保持している路線情報保持部１４と、空調装置の温度設定値を保持している空調設定値保持部１５と、空調装置に対して指示する目標温度を決定する目標温度制御部１２と、を備え、目標温度制御部１２は、ブレーキを使用する可能性が高い区間との距離が一定値以下の地点を走行中、かつ回生ブレーキを使用していない回生準備状態では、温度設定値に所定値を加えた値を目標温度に決定し、回生ブレーキを使用している回生状態では、温度設定値から所定値を減じた値を目標温度に決定し、回生準備状態および回生状態のいずれにも該当しない通常状態では、温度設定値を目標温度に決定する。

Description

本発明は、列車情報管理装置に関し、特に、電気ブレーキ使用時に発生する回生電力の効率的な利用に寄与する列車管理装置に関する。

列車情報管理装置は、列車の各車両に搭載された各種機器の状態データを収集して管理するとともに、収集した状態データに基づいて機器を個別に制御することができる。制御対象機器は、架線から供給された電力を変換して主電動機や補機（補助機器）に供給する電力変換器、空調装置や照明機器、ブレーキ装置などである。

また、近年の列車は、主電動機を利用して制動を行い、その際に発電された電力を架線に戻して他の列車で利用する回生ブレーキを備えているのが一般的である。回生ブレーキの課題として、周囲に電力を消費する列車等が存在しない場合には、電力を架線に戻すことができず、回生絞込みや回生失効となり、回生ブレーキで発生した電力を有効に使用することができない問題がある。このような問題に対し、下記特許文献１に記載の発明では、回生ブレーキ失効時に空気ブレーキの元空気だめの圧力を確認し、圧力が適正値よりも低い場合には、電気ブレーキ（回生ブレーキ）を作動させ、それにより発生した電力で圧縮機を動作させるようにして、回生電力の有効活用を実現している。

特開２００９−１１９９６３号公報

しかしながら、上記従来の技術は、回生失効時にたまたま元空気だめの圧力が低下していれば電力を使用できるにすぎず、回生電力の十分な有効利用が実現できていない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、車両に搭載された機器の制御を通じて回生失効の発生確率を低減し、回生電力の有効利用を実現可能な列車情報管理装置および機器制御方法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、本発明は、列車に搭載され、車両に設置された機器の情報を管理するとともに各機器を制御する列車情報管理装置であって、自列車の位置を検知する位置検知部と、回生ブレーキを使用している状態か否かを検知する回生状態検知部と、ブレーキを使用する可能性が高い区間の情報を保持している路線情報保持部と、空調装置の温度設定値を保持している空調設定値保持部と、前記位置検知部による検知結果、前記回生状態検知部による検知結果、前記路線情報保持部が保持している情報および前記空調設定値保持部が保持している情報に基づいて、前記空調装置に対して指示する目標温度を決定する目標温度制御部と、を備え、前記目標温度制御部は、ブレーキを使用する可能性が高い区間との距離が一定値以下の地点を当該区間に向かって走行中、かつ回生ブレーキを使用していない状態である回生準備状態では、前記温度設定値に所定値を加えた値を前記目標温度に決定し、回生ブレーキを使用している状態である回生状態では、前記温度設定値から所定値を減じた値を前記目標温度に決定し、前記回生準備状態および回生状態のいずれにも該当しない通常状態では、前記温度設定値を前記目標温度に決定する、ことを特徴とする。

この発明によれば、回生ブレーキ使用時に発電される電力の自列車内における使用量を増加させ、架線に戻す電力量を少なくできる。その結果、周囲の列車等が必要としている電力が少ない場合などにおいて回生失効となってしまう可能性を低減でき、回生電力の有効利用を実現できる、という効果を奏する。

図１は、列車情報管理装置が搭載された列車の編成の一例を示す図である。 図２は、電力変換装置の接続例を示す図である。 図３は、空調制御機能部の構成例を示す図である。 図４は、空調制御機能部の動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、車両内（客室）の温度の変動例を示す図である。

以下に、本発明にかかる列車情報管理装置および機器制御方法の実施の形態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、本実施の形態に係る列車情報管理装置が搭載された列車の編成の一例を示す図である。図１では、列車の編成は例えば６台の車両からなり、具体的には、車両ＴＣ１，Ｍ２−１，Ｍ１−１，Ｍ２−２，Ｍ１−２，ＴＣ２で構成される。

編成の両端の車両である車両ＴＣ１，ＴＣ２には、それぞれ、列車情報管理装置の中央装置（以下、単に「中央装置」という。）１が搭載されている。中間車両である車両Ｍ２−１，Ｍ１−１，Ｍ２−２，Ｍ１−２には、それぞれ、列車情報管理装置の端末装置（以下、単に「端末装置」という。）２−１，２−２，２−３，２−４が搭載されている。本実施の形態の列車情報管理装置は、中央装置１及び端末装置２−１〜２−４で構成される。列車の走行時には、車両ＴＣ１，ＴＣ２のうちの一方が先頭車両となり、他方が後尾車両となる。中央装置１及び端末装置２−１〜２−４は、車両間にわたって配設された基幹伝送路（車両間伝送路）４を介して互いに通信可能に接続されている。

車両ＴＣ１は、中央装置１と、中央装置１に支線伝送路（車両内伝送路）５を介してそれぞれ接続された機器３−１〜３−３と、中央装置１に支線伝送路５を介して接続されたマスターコントローラ（主幹制御器）３−４と、中央装置１に支線伝送路５を介して接続された空調装置３−１０と、を備える。支線伝送路５は、車両内に配設された通信路である。機器３−１〜３−３は、例えば、ブレーキ装置等である。中央装置１は、機器３−１〜３−３および空調装置３−１０をそれぞれ制御するための制御情報を送信するとともに、機器３−１〜３−３および空調装置３−１０からそれぞれ機器情報（状態データ）を取得している。マスターコントローラ３−４も、機器３−１〜３−３と同様に中央装置１により制御管理されている。また、マスターコントローラ３−４は、例えば運転台（図示せず）から入力された力行ノッチ情報（加速情報）やブレーキノッチ情報（減速情報）等の制御情報を中央装置１に送信する。

車両Ｍ２−１は、端末装置２−１と、端末装置２−１に支線伝送路５を介してそれぞれ接続された機器３−５〜３−７と、端末装置２−１に支線伝送路５を介して接続された空調装置３−１０と、を備える。機器３−５〜３−７は、例えば、ブレーキ装置等である。端末装置２−１は、機器３−５〜３−７および空調装置３−１０をそれぞれ制御するための制御情報を送信するとともに、機器３−５〜３−７および空調装置３−１０からそれぞれ機器情報（状態データ）を取得している。

車両Ｍ１−１は、端末装置２−２と、端末装置２−２に支線伝送路５を介してそれぞれ接続された機器３−５，３−６，３−８と、端末装置２−２に支線伝送路５を介して接続されたＶＶＶＦ３−９と、端末装置２−２に支線伝送路５を介して接続された空調装置３−１０と、を備える。機器３−５，３−６，３−８は、例えば、ブレーキ装置等である。ＶＶＶＦ３−９は、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency）インバータであり、モータ（図示せず）の電圧及び周波数を可変することで車両推進の制御を行う。端末装置２−２は、機器３−５，３−６，３−８、ＶＶＶＦ３−９および空調装置３−１０をそれぞれ制御するための制御情報を送信するとともに、機器３−５，３−６，３−８、ＶＶＶＦ３−９および空調装置３−１０からそれぞれ機器情報（状態データ）を取得している。

車両ＴＣ２は、車両ＴＣ１と同様の構成である。車両Ｍ２−２は、車両Ｍ２−１と同様の構成であり、端末装置２−３は端末装置２−１と同様の機能を有する。車両Ｍ１−２は、車両Ｍ１−１と同様の構成であり、端末装置２−４は端末装置２−２と同様の機能を有する。

また、図１では記載を一部省略しているが、列車の所定車両は、図２に示した電力変換装置６および補助電源装置８を備え、集電装置１０１が架線１００から取り入れた電力を変換してモータ７や補機９の駆動電力を生成する。電力変換装置６は図１に示したＶＶＶＦ３−９に相当する。電力変換装置６およびモータ７は、列車を減速させる場合には回生ブレーキとして動作する。補助電源装置８は、通常動作では架線１００から供給された電力を変換して補機９の駆動電力を生成するが、回生ブレーキが使用されて発電が行われている場合には、電力変換装置６から架線１００に戻される電力（回生電力）の一部または全てを利用して補機９の駆動電力を生成する。

図３は、本実施の形態にかかる列車情報管理装置を形成している空調制御機能部１０の構成例を示す図である。空調制御機能部１０は、各車両に搭載されている空調装置に対して所定のタイミングで（例えば一定周期で）目標温度を通知し、車両内の温度が目標温度となるように空調装置を制御する。

図示したように、空調制御機能部１０は、位置検知部１１、目標温度制御部１２、回生状態検知部１３、線路情報保持部１４および空調設定値保持部１５を備えている。

位置検知部１１は、例えば、図示を省略している車上子および地上子と速度発電機を利用して、走行中の路線における自列車の位置を検知する。なお、位置の検知は他の方法を用いて行うようにしてもよい。

目標温度制御部１２は、車両内の目標温度を示す情報を制御情報として生成し、図１に示した機器の一つである空調装置へ出力することにより空調装置の動作を制御する。

回生状態検知部１３は、電力変換装置６（図２参照）の動作状態を監視し、電力変換装置６とモータ７が回生ブレーキとして動作しているか否か（回生状態か否か）を判定する。例えば、電力変換装置６が回生状態を示すビットを回生状態検知部１３に出力するように構成し、回生状態検知部１３は、このビットの状態を確認することにより状態を判定する。運転士による操作結果を監視する構成とし、ブレーキ操作が行われた場合に回生状態と判定してもよい。

路線情報保持部１４は、走行中の路線の情報、具体的には、ブレーキ（回生ブレーキなど）を使用する可能性の高い区間（例えば、駅手前の区間、下り坂の区間、徐行区間、臨速区間、など）の情報（例えば区間両端のキロ程情報）を保持している。臨速区間など更新される可能性の高い情報は、更新されるごとに、図示を省略している無線通信装置を利用して地上側のシステムから取得して保持するようにしてもよい。

空調設定値保持部１５は、乗務員などにより室内温度の設定操作が行われると、設定された温度の設定値を取得し、保持しておく。

次に、本実施の形態の列車情報管理装置における空調制御機能部１０の詳細動作について、図４を用いて説明する。なお、簡単化のために、空調機制御機能部１０が１台の空調装置を制御する場合について説明する。

空調制御機能部１０は、自列車の状態が回生準備状態、回生状態および通常状態のいずれに該当するかを判別し、状態ごとに異なる制御を空調装置に対して行う。ここで、「回生準備状態」とは、間もなく回生ブレーキを使用する可能性が高い地点を走行中の状態、すなわち、回生ブレーキを使用する可能性が高い区間との距離が一定値以下の地点を当該区間に向かって走行中の状態、「回生状態」とは、回生ブレーキを使用しており、モータが発電を行っている状態、「通常状態」とはその他の状態である。

空調制御機能部１０の具体的な動作を示すと、空調制御機能部１０の目標温度制御部１２は、空調装置に対して温度指示値（目標温度）を出力するタイミングか否かを監視しており（ステップＳ１１）、温度指示値を出力するタイミングの場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、位置検知部１１による検知結果、回生状態検知部１３による検知結果および路線状態保持部１４が保持している路線情報に基づいて、列車の状態が回生準備状態か否かを判定する（ステップＳ１２）。自列車が回生ブレーキを使用する可能性が高い区間に向かって走行中、かつ現在位置（位置検知部１１による検知結果が示す現在位置）と回生ブレーキを使用する可能性が高い区間との距離が一定値以下であり、なおかつ、電力変換装置６とモータ７が回生ブレーキとして動作していない場合は回生準備状態と判定する。回生準備状態の場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、温度指示値として、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値に１度（℃）を加えた値を空調装置へ出力する（ステップＳ１３）。温度指示値を出力した後はステップＳ１１に遷移し、次の温度指示値出力タイミングとなるのを待つ。

回生準備状態ではない場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、回生状態か否かを確認する（ステップＳ１４）。電力変換装置６とモータ７が回生ブレーキとして動作している場合は回生状態と判定する。回生状態の場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、温度指示値として、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値から１度（℃）を減じた値を空調装置へ出力する（ステップＳ１５）。回生状態ではない場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、通常状態と判断し、温度指示値として、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値を空調装置へ出力する（ステップＳ１６）。回生状態と通常状態において温度指示値を出力した後はステップＳ１１に遷移し、次の温度指示値出力タイミングとなるのを待つ。

このように、空調制御機能部１０は、回生準備状態の場合、通常時（通常状態の場合）よりも高い目標温度を空調装置へ出力して動作指示を行い、回生状態の場合、通常時よりも低い目標温度を空調装置へ出力して動作指示を行う。この制御によれば、発電を行っている回生状態において空調装置がより多くの電力を消費するようになる。

なお、図４に示した制御では、通常時の温度指示値に対する調整量を１℃としたが、他の値としてもよい。また、上記のステップＳ１２では、自列車の現在位置と路線情報に基づいて回生準備状態か否かの判定を行うようにしているが、これらの情報に加えて、自列車の速度や外気温を考慮して判定を行うようにしてもよい。例えば、速度を考慮した判定では、高速走行中の場合は回生準備状態と判断するタイミング（路線上の地点）を早くし、低速走行中の場合には回生準備中と判断するタイミングを遅くする。外気温を考慮した判定では、気温が高い場合は回生準備状態と判断するタイミングを遅くし、気温が低い場合には回生準備中と判断するタイミングを早くする。速度と気温の双方を同時に考慮するようにしてもよい。速度や気温を考慮して判断タイミングを調整することにより、的確なタイミングで回生準備状態における制御を開始できるようになる。よって、回生準備状態において冷房動作が開始される頻度を低く抑え、回生状態において多くの電力を消費するようにできる。その他、乗客数に応じて、回生準備状態と判断するタイミングを調整するようにしてもよい。

本実施の形態では１台の空調制御機能部１０が１台の空調装置を制御する場合について説明したが、空調制御機能部１０が２台以上の空調装置を制御するようにしてもよい。この場合、空調制御機能部１０の目標温度制御部１２は、制御対象の各空調装置に対して温度指示値を出力する。

次に、従来の空調制御動作と本実施の形態の列車情報管理装置による空調制御動作の違いについて、図５を用いて説明する。

図５は、車両内（客室）の温度の変動例を示す図である。図５では、本実施の形態の列車情報管理装置による制御（上記の図４に従った制御）を行った場合の温度変動を実線で示し、従来の制御を行った場合の温度変動を破線で示している。斜線で示した区間は従来の制御を行った場合に回生失効となる可能性が有る区間である。なお、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値は変更されないものとする。

まず、従来の制御では、自列車の走行位置やモータの動作状態に関係なく、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値を温度指示値として空調装置に出力する。この結果、温度が空調設定値（０度）と＋１度の範囲に収まるよう調整される。すなわち、空調装置は、客室の室温が目標値である空調設定値よりも１度高くなると冷房動作（吸熱動作）を開始し、室温が目標値まで下がると動作を停止する（または弱める）。

これに対して、本実施の形態の列車情報管理装置による制御では、通常状態（回生準備状態と回生状態のいずれにも該当しない状態。図５の「通常」区間）においては、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値を温度指示値として空調装置に出力し、空調装置は客室の室温が空調設定値（０度）と＋１度の範囲に収まるよう調整する。回生準備状態（図５の「準備中」区間）においては、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値に１を加えた値を温度指示値として空調装置に出力する。この結果、室温が空調設定値（０度）よりも２度高くなるまで、空調装置は冷房動作を行わない（または動作を弱めた状態を維持する）。室温が空調設定値よりも２度高くなると冷房動作を開始し（または動作を強め）、室温を下げる。室温が空調設定値よりも１度高い状態まで下がると、冷房動作を停止する（または弱める）。一方、回生状態（図５の「回生中」区間）においては、空調設定値保持部１５が保持している温度設定値から１を減じた値を温度指示値として空調装置に出力する。この結果、室温が空調設定値（０度）よりも１度低くなるように、空調装置動作する。よって、回生準備状態における冷房動作実行時間が短くなり、その分、回生状態における冷房動作実行時間が長くなる。その結果、回生状態においてより多くの電力を消費する。なお、回生準備状態から回生状態に変化した場合、列車情報管理装置（空調制御機能部１０）は、温度指示値として、それまでよりも２度低い値を出力するので、空調装置は直ちに冷房動作を開始する。

図５において、温度が上昇している区間では空調装置が冷房動作（吸熱動作）を行っておらず、列車内の電力消費量が少ない。一方、温度が下降している区間では空調装置が冷房動作（吸熱動作）を行っており、列車内の電力消費量が多い。本実施の形態の列車情報管理装置による制御を適用した場合、従来の制御を適用した場合と比較して、回生状態においてより多くの電力を消費するので回生失効となる可能性を低減できる。

このように、本実施の形態の列車情報管理装置は、回生ブレーキを使用する可能性が高い区間に近づいた場合、回生準備状態として、通常状態の場合に冷房動作を開始する温度よりも室温が高くなるまで、冷房動作を開始させないこととした。また、回生状態においては、本来の目標値（空調設定値保持部１５が保持している温度設定値）よりもさらに低い温度となるまで冷房動作を継続させることとした。これにより、回生ブレーキ使用時に発電する電力（回生電力）の自列車内における使用量を従来よりも多くして架線に戻す電力量を少なくできる。その結果、周囲の列車等が必要としている電力が少ない場合などにおいて回生失効となってしまう可能性を低減でき、回生電力の有効利用を実現できる。

なお、本実施の形態では、複数の車両（６両）が１編成を構成する場合について説明したが、１編成を構成する車両の数は６両以上でもよいし６両以下でもよい。１両編成であっても構わない。

また、本実施の形態では、空調装置を冷房として使用する場合の制御動作を説明したが、暖房として使用する場合においても同様の制御を行い、回生電力の自列車内における使用量を従来よりも多くすることができる。すなわち、空調装置を暖房として使用する場合、回生準備状態では、空調装置へ出力する温度指示値を通常状態よりも１度低く調整し、回生状態では、温度指示値を通常状態よりも１度高く調整すればよい。

以上のように、本発明にかかる列車情報管理装置は、回生電力を有効に利用することが可能な、経済性の高い電気鉄道システムを実現する場合に有用である。

１ 中央装置、２−１〜２−４ 端末装置、３−１〜３−３，３−５〜３−８ 機器、３−４ マスターコントローラ、３−９ ＶＶＶＦ、３−１０ 空調装置、４ 基幹伝送路、５ 支線伝送路、６ 電力変換装置（ＶＶＶＦ）、７ モータ、８ 補助電源装置、９ 補機、１０ 空調制御機能部、１１ 位置検知部、１２ 目標温度制御部、１３ 回生状態検知部、１４ 路線情報保持部、１５ 空調設定値保持部。

Claims (4)

1. 列車に搭載され、車両に設置された機器の情報を管理するとともに各機器を制御する列車情報管理装置であって、
   自列車の位置を検知する位置検知部と、
   回生ブレーキを使用している状態か否かを検知する回生状態検知部と、
   ブレーキを使用する可能性が高い区間の情報を保持している路線情報保持部と、
   空調装置の温度設定値を保持している空調設定値保持部と、
   前記位置検知部による検知結果、前記回生状態検知部による検知結果、前記路線情報保持部が保持している情報および前記空調設定値保持部が保持している情報に基づいて、前記空調装置に対して指示する目標温度を決定する目標温度制御部と、
   を備え、
   前記目標温度制御部は、
   ブレーキを使用する可能性が高い区間との距離が一定値以下の地点を当該区間に向かって走行中、かつ回生ブレーキを使用していない状態である回生準備状態では、前記温度設定値に所定値を加えた値を前記目標温度に決定し、
   回生ブレーキを使用している状態である回生状態では、前記温度設定値から所定値を減じた値を前記目標温度に決定し、
   前記回生準備状態および回生状態のいずれにも該当しない通常状態では、前記温度設定値を前記目標温度に決定する、
   ことを特徴とする列車情報管理装置。
2. 前記空調装置が冷房の場合、前記所定値を正の数とし、前記空調装置が暖房の場合、前記所定値を負の数とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の列車情報管理装置。
3. 列車に搭載され、車両に設置された機器の情報を管理するとともに各機器を制御する列車情報管理装置における機器制御方法であって、
   自列車の位置と、回生ブレーキの使用状況と、ブレーキを使用する可能性が高い区間の情報とに基づいて、自列車の状態が、ブレーキを使用する可能性が高い区間との距離が一定値以下の地点を当該区間に向かって走行中、かつ回生ブレーキを使用していない状態である回生準備状態、回生ブレーキを使用している状態である回生状態、当該回生準備状態および回生状態のいずれにも該当しない通常状態、のうち、どの状態かを判定する状態判定ステップと、
   自列車の状態が前記回生準備状態の場合、空調装置に対して指示する目標温度として、予め保持している温度設定値に所定値を加えた値を生成して前記空調装置へ出力する第１の制御ステップと、
   自列車の状態が前記回生状態の場合、前記目標温度として、前記温度設定値から所定値を減じた値を生成して前記空調装置へ出力する第２の制御ステップと、
   自列車の状態が前記通常状態の場合、前記目標値として、前記温度設定値を前記空調装置へ出力する第３の制御ステップと、
   を含むことを特徴とする機器制御方法。
4. 前記空調装置が冷房の場合、前記所定値を正の数とし、前記空調装置が暖房の場合、前記所定値を負の数とする、
   ことを特徴とする請求項３に記載の機器制御方法。

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