WO2014097418A1 - 走行計画作成装置、運転支援装置および運転制御装置 - Google Patents

走行計画作成装置、運転支援装置および運転制御装置 Download PDF

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竜央 山口
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a travel plan creation device that creates a travel plan for a railway vehicle, and a driving support device and a drive control device that include the travel plan creation device.
  • a method of utilizing coasting is known as a traveling method of a railway vehicle that can reduce energy consumption while traveling in a predetermined section in a predetermined traveling time according to a train operation plan (train schedule information).
  • An object of the present invention is to enable coasting to travel within a predetermined travel time of a predetermined section defined by a train diagram with less energy consumption even when a train travels a long distance at a relatively low speed. It is to provide a travel plan creation device capable of creating a travel plan, and a driving support device and a driving control device including the travel plan creation device.
  • the travel plan creation apparatus performs a travel simulation based on simulation conditions including a simulation start speed, a simulation start position, and an allowable range of acceleration so that the simulation result satisfies a constraint condition including a travel time and a speed limit.
  • a device for creating a travel plan that can reduce the energy consumed for travel while maintaining the travel time of a predetermined travel section defined by the train diagram by adjusting the allowable range of acceleration It is.
  • the travel plan creation device of the embodiment includes a travel simulator, a simulation condition setting unit, and a travel condition determination unit.
  • the traveling simulator simulates traveling in a predetermined traveling section of the train in consideration of the route condition of the simulation target route and the vehicle characteristics of the train. At that time, if the acceleration at the time of coasting of the train is within the allowable range of acceleration, a running simulation is performed so that the train is coasted.
  • the simulation condition setting unit gives a simulation condition including a simulation start speed, a simulation start position, and an allowable acceleration range to the traveling simulator.
  • the traveling condition determination unit determines whether or not the simulation result by the traveling simulator satisfies a constraint condition including a travel time and a speed limit on the route, and if the constraint condition is not satisfied, the simulation condition is set in the simulation condition setting unit. When the simulation result by the travel simulator satisfies the constraint condition, the simulation result is output as a travel plan.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration of the travel plan creation device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the travel plan creation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a running simulation based on an allowable acceleration range in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining traveling based on the allowable range of acceleration in the first embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating an example of a table used as one method for changing the allowable range of acceleration in the first embodiment.
  • FIG. 5B is a diagram illustrating an example of a table used as one method when changing the allowable range of acceleration in the first embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration of the travel plan creation device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the travel plan creation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a running simulation based on
  • FIG. 6A is a diagram for explaining creation of a travel plan based on an allowable acceleration range by the travel plan creation apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating a relationship between the position corresponding to FIG. 6A and the route gradient.
  • FIG. 7A is a diagram comparing the speed pattern in the travel plan created by the travel plan creation device of the first embodiment and the speed pattern of a travel plan based on constant speed travel.
  • FIG. 7-2 is a diagram comparing power consumption in traveling based on constant speed traveling for each position and power consumption in traveling based on the travel plan created by the travel plan creation device of the first embodiment. is there.
  • FIG. 7C is a diagram for explaining the effect of travel based on the travel plan created by the travel plan creation device of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating a functional configuration of the driving support apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating a functional configuration of the operation control apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of the travel plan creation device of the present embodiment.
  • the travel plan creation device 1 of the present embodiment includes a travel simulator 2, a simulation management unit 3 having a simulation condition setting unit 3a, a travel condition determination unit 3b, and a storage unit 3c that stores constraint conditions. And a storage unit 4 for storing information including vehicle performance data and route data.
  • storage part 4 are shown in figure separately in the figure, you may make it comprise as the same apparatus.
  • the travel plan creation device 1 can be configured by a general computer device or the like in addition to a dedicated hardware device.
  • a general computer device When a general computer device is used, the functions of the above-described units are realized as a function of a CPU provided in the computer device, a storage device, a control program stored in the storage device and executed by the CPU, and an input / output interface. .
  • the simulation management unit 3 starts the travel plan creation process when information on the simulation start position and simulation start speed is given from the outside and a travel plan creation request is made.
  • the simulation condition setting unit 3a notifies the traveling simulator 2 of simulation conditions including the simulation start position, the simulation start speed, and the acceleration allowable range.
  • the initial value of the allowable range of acceleration is defined in advance here, but the initial value of the allowable range of acceleration may be given from the outside.
  • the traveling simulator 2 refers to the route data and the vehicle performance data stored in the storage unit 4 based on the simulation start position and the simulation start speed notified by the simulation condition setting unit 3a.
  • a travel simulation is performed in consideration of vehicle performance such as travel resistance.
  • the travel simulated by the travel simulation is based on the acceleration allowable range notified from the simulation condition setting unit 3a after accelerating at a predetermined acceleration from the simulation start position until the train reaches a predetermined speed (details are given below). It is driving to shift to. That is, the traveling simulator 2 first performs a simulation for accelerating at a predetermined acceleration from the simulation start position until the train reaches a predetermined speed as an initial traveling simulation (FIG. 2: step S10). A simulation for running based on the allowable range is performed (FIG. 2: Step S20).
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining processing at the time of traveling simulation based on the allowable range of acceleration
  • FIG. 4 is a diagram exemplifying the acceleration at coasting on the train and the simulated traveling acceleration at the time of traveling simulation.
  • dotted lines are accelerations that occur when coasting at each position in the travel section
  • solid lines are simulated travel accelerations.
  • the traveling simulator 2 calculates the coasting acceleration according to the position and speed in the calculation step based on the road gradient according to the vehicle position and the traveling resistance according to the vehicle speed (step S201).
  • step S203 coasting is simulated for the calculation step.
  • step S203 if the acceleration allowable range is exceeded (No in step S202), a powering command or a brake command that causes the acceleration with respect to the vehicle to match the upper limit or lower limit of the acceleration allowable range for the calculation step is issued.
  • the vehicle is calculated and traveled based on the command value (step S204).
  • the maximum tensile force or maximum braking force shall be used as the command value. To do.
  • the traveling simulator 2 performs the above process for the entire section (step S205: No, the process returns to step S201).
  • the traveling simulator 2 performs a traveling simulation simulation assuming such an operation, finishes the above processing for the entire section, and creates a temporary traveling plan (step S205: Yes), the simulation result (for example, 1) (Including speed and position data every second) is notified to the traveling condition determination unit 3b, and the process proceeds to the processing by the traveling condition determination unit 3b in step S206 described below.
  • the traveling condition determination unit 3b first determines whether the simulation result by the traveling simulator 2 satisfies a constraint condition including the traveling time and the speed limit of the corresponding position stored in the storage unit 3c (step S206).
  • step S206 If the simulation result does not satisfy this constraint condition (step S206: No), the traveling simulator 2 makes the simulation condition change request to the simulation condition setting unit 3a in order to change the allowable range of acceleration (step S207). Upon receiving this request, the simulation condition setting unit 3a makes a change that narrows the allowable acceleration range, and notifies the travel simulator 2 of the changed allowable acceleration range (step S208).
  • step S206 when the simulation result by the travel simulator 2 satisfies the above constraint conditions (step S206: Yes), the travel condition determination unit 3b outputs the simulation result as a travel plan (step S209).
  • the simulation result satisfies the above-described constraint condition as a result of changing the acceleration allowable range by a predetermined width
  • the running condition determination unit 3b is less than the amount narrowed by the previous simulation condition change request.
  • the simulation condition change request may be made again, and the running simulation simulation may be repeated.
  • FIG. 6-2 An example of a simulation result by the traveling simulator 2 is shown in FIG.
  • the gradient at each position on the route is shown in Fig. 6-2.
  • the dotted line shown in the figure is the first simulation result, which is a simulation result based on the initial set value of the allowable range of acceleration.
  • the simulated traveling time is shorter than the traveling time defined by the train schedule, and the simulated traveling speed exceeds the speed limit in the section f.
  • the section f is a section where the steep downward slope continues, and it is necessary to apply the maximum brake to suppress the speed increase.
  • the speed limit is set in accordance with the steep downward slope section.
  • the allowable range of acceleration is set to ⁇ zero, and in the running simulation simulation, a brake command is selected so that constant speed running is performed.
  • the travel condition determination unit 3b since the travel time and speed limit constraints were not satisfied in the first travel simulation, the travel condition determination unit 3b notifies the simulation condition setting unit 3a of a simulation condition change request, In response to this, the simulation condition setting unit 3a notifies the traveling simulator 2 of the simulation condition in which the allowable range of acceleration is changed. Then, the travel simulator 2 performs the travel simulation again based on the changed simulation conditions.
  • the allowable acceleration range of the preceding section d and section e is set strictly in order to reduce the approach speed to the section f.
  • the speed limit condition is satisfied and the simulated travel time is within the allowable range with respect to the travel time on the train diagram. Therefore, the travel condition determination unit 3b is indicated by a solid line in FIG.
  • the simulation results shown were determined as a travel plan. The determined travel plan is output to the outside and presented.
  • the allowable range of acceleration may be set uniformly over the entire travel section, but the travel section is divided into a section where the acceleration during coasting is positive and a section where the acceleration is negative, and the set value can be changed for each section.
  • a standard coasting acceleration may be obtained according to the running resistance, route gradient, and train length based on the standard traveling speed of the section, and the section may be divided using the point where the positive / negative acceleration changes as a boundary.
  • the acceleration due to the line gradient during coasting for the entire train is determined by the relationship between the position of each vehicle that makes up the train and the line gradient at each position. Is also considered.
  • the standard coasting acceleration is obtained based on an average gradient in the range of the train length.
  • the change amount when changing the allowable acceleration range performed by the simulation condition setting unit 3a in step S208 of FIG. 3 described above is, for example, a change amount that is 1/2 of the maximum value of the allowable acceleration range for each section.
  • the maximum coasting acceleration value for each section obtained in the travel simulation is provided with a database in which the maximum coasting acceleration value illustrated in FIG. May be stored for each section (FIG. 5-2), and the change range of the allowable range of acceleration corresponding to the maximum value of coasting acceleration in the corresponding section may be selected from the database as the change amount.
  • FIG. 7-1 compares the speed pattern in the travel plan created by the travel plan creation device 1 with the speed pattern of the travel plan based on constant speed travel.
  • the dotted line shown in the figure is a speed pattern of travel based on constant speed travel
  • the solid line is a speed pattern in a travel plan created by the travel plan creation device 1 of the present embodiment. Both are determined so as to satisfy the same constraint conditions with respect to travel time and speed limit.
  • coasting occurs in the section indicated by the bold line on the horizontal axis in FIG. ing.
  • FIG. 7-2 compares, for each position, power consumption in traveling based on constant speed traveling and power consumption in traveling based on the travel plan created by the travel plan creation device 1 of the present embodiment. .
  • dotted lines indicate power consumption in traveling based on constant speed traveling
  • solid lines indicate power consumption in traveling based on the travel plan created by the travel plan creation device 1.
  • the power consumption peak is smaller in both cases of powering and regeneration than the power consumption pattern indicated by the dotted line.
  • the regenerative power is shown as negative power consumption in the figure.
  • FIG. 7-3 shows the power running power amount, the regenerative power amount and the net power consumption amount in running based on constant speed running, and the power running power in running based on the running plan created by the running plan creating apparatus 1 of the present embodiment. This is a comparison of the amount, the amount of regenerative power, and the amount of net power consumption.
  • the power running power amount, the regenerative power amount, and the net power consumption amount are shown in the travel plan created by the travel plan creation device 1 on the left side in the travel on the basis of constant speed travel. Based on driving.
  • the power running power amount, the regenerative power amount, and the net power consumption amount in the travel based on the constant speed travel are based on the travel plan created by the travel plan creation device 1 of the present embodiment.
  • the values are smaller in both the power running and the regeneration.
  • the regenerative electric energy is calculated assuming an average regenerative efficiency (30%) in the corresponding section.
  • the net power consumption is positive in traveling based on constant speed traveling, whereas in traveling based on the traveling plan created by the traveling plan creation device 1, the regenerative power amount is larger than the power running energy amount. Therefore, the power consumption is negative, and it can be seen that the total energy consumption can be reduced.
  • a travel plan according to the travel time and speed limit constraints is created in advance by the travel plan creation device 1 of the present embodiment, and the vehicle travels according to the created travel plan.
  • running which can reduce power consumption can be implement
  • the driving support device 100 including the travel plan creation device 1 (described above) is installed on the vehicle, and the travel plan is created according to the driving situation every moment, so that the actual travel is already created. Even if it deviates from a travel plan, it is for implement
  • the driving support device 100 includes a travel plan creation device 1, a travel plan display unit 10, a train schedule information reception unit 30, and a speed position information reception unit 40.
  • the configuration and operation of the travel plan creation device 1 are the same as those of the travel plan creation device 1 of the first embodiment. Therefore, description of the travel plan creation device 1 is omitted here.
  • the travel plan display unit 10 displays the travel plan created by the travel plan creation device 1, that is, the travel pattern, the current target speed, and information on control commands (power running notch, brake notch) based on the travel plan, etc.
  • the information is obtained from 1 and displayed on the screen for presentation to the driver.
  • the driver operates the power running handle 510 or the brake handle 520 based on the information presented by the travel plan display unit 10 and performs train travel control based on the travel plan.
  • the train diagram information receiving unit 30 acquires train diagram information of a train on which the operation support device 100 is mounted.
  • the train schedule information can be acquired from the monitor device 300 when the driver reads and holds the IC card information on the monitor device 300 or the like on the vehicle as is conventionally done.
  • the driving support device 100 has a train diagram information recording unit (not shown) and a train diagram information input interface (not shown). Train schedule information.
  • the travel section and the time to travel in the travel section are determined as train schedule information, the section and the travel time in that section are recorded as train schedule information instead of the time-based train schedule information. Also good.
  • the monitor device 300 may be configured as a display device that performs display by the travel plan display unit 10 described above.
  • the speed position information receiving unit 40 acquires vehicle speed and position information. Since the speed information is usually measured by a speed generator (not shown) or the like provided in the vehicle, the measured speed is acquired.
  • the position information is obtained by receiving absolute position information from a transponder installed on the ground by a position information detection unit (not shown) on the vehicle and adding a moving distance obtained by integrating speed and travel time. It is done.
  • the speed position information receiving unit 40 can receive the speed and position information and calculate and obtain a position during the traveling.
  • the speed position information may have already been calculated by an automatic train control device (ATC: Automatic Train Control) or the like.
  • ATC Automatic Train Control
  • the speed position information may be received from the automatic train control device or the like.
  • the driving support device 100 can be configured by a general computer device or the like in addition to a dedicated hardware device.
  • the processing functions of the above-described units are functions of a CPU, a display device, a storage device, a control program stored in the storage device and executed by the CPU, and an input / output interface. As realized.
  • the travel plan creation device 1 of the driving assistance device 100 is configured to calculate the actual driving situation of the vehicle from moment to moment.
  • a travel plan based on train schedule information can be created. Therefore, even if there is a discrepancy between the travel plan created in advance and the actual driving situation, a travel plan that can reduce power consumption while protecting the train schedule is calculated and created on the vehicle in real time. be able to.
  • the travel plan created in real time is displayed on the screen, and the driver operates the power running handle 510 and the brake handle 520 based on the travel plan displayed, so that the power consumption is maintained while complying with the train schedule.
  • operation which can reduce is realizable.
  • the operation control device 200 including the travel plan creation device 1 is installed on the vehicle, and the travel plan is created according to the momentary driving situation, so that the actual travel is based on the already created travel plan. This is to realize automatic traveling that can reduce the amount of power consumption while complying with the train schedule even if the vehicle has shifted.
  • the operation control device 200 includes a travel plan creation device 1, a control command determination unit 20, a train schedule information reception unit 30, and a speed position information reception unit 40.
  • the configuration and operation of the travel plan creation device 1 are the same as those in the first embodiment, and the configuration and operation of the train diagram information receiving unit 30 and the speed position information receiving unit 40 are the same as those in the second embodiment. It is the same as the form.
  • the present embodiment is characterized in that the driving plan display unit 10 is omitted and a control command determination unit 20 is provided with respect to the driving support apparatus 100 of the second embodiment. In the following, description of portions common to the above-described embodiments is omitted.
  • the control command determination unit 20 determines a current control command (power running notch, brake notch) based on the travel plan (simulation result) created by the travel plan creation device 1, and uses the determined control command for driving braking of the train. It transmits to the control apparatus 500.
  • the drive braking control device 500 controls the drive braking device (not shown) of the train according to the control command from the control command determining unit 20. Thereby, the traveling of the train is automatically controlled.
  • the control command determination unit 20 obtains a command value of a powering command or a brake command for a section that is not coasted, which is calculated by the traveling simulator 2, and based on this command value, the control command is sent to the drive braking control device for the train. 500 may be transmitted.
  • the control command determination unit 20 can be omitted.
  • the operation control device 200 can be configured by a general computer device or the like in addition to a dedicated hardware device.
  • a general computer device When a general computer device is used, the processing functions of the above-described units are realized as functions of a CPU, a storage device, a control program stored in the storage device and executed by the CPU, and an input / output interface.
  • a control command based on the travel plan created by the travel plan creation device 1 by the control command determination unit 20 is directly transmitted to the drive braking control device 500 to automatically control the travel of the train. Operation that can reduce power consumption while observing the train schedule can be realized automatically and easily while the influence of delay and operation error is reduced.
  • the traveling at a predetermined time in a predetermined section defined by the train schedule is observed. Meanwhile, energy consumption for traveling can be reduced.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

　シミュレーション開始速度、シミュレーション開始位置、および加速度の許容範囲を含むシミュレーション条件に基づいて走行シミュレーションを行い、シミュレーション結果が、走行時間および制限速度を含む制約条件を満たすように加速度の許容範囲を調整することで、列車ダイヤで規定される所定の走行区間をその走行時間を守った上で、走行にかかる消費エネルギーを小さくすることができる走行計画を作成する。

Description

走行計画作成装置、運転支援装置および運転制御装置
　本発明の実施形態は、鉄道車両の走行計画を作成する走行計画作成装置、ならびに該走行計画作成装置を備える運転支援装置および運転制御装置に関する。
　従来より、列車運行計画（列車ダイヤ情報）に従い所定区間を所定の走行時間で走行しつつ、消費エネルギーを低減することができる鉄道車両の走行方法として、惰行を活用する方法が知られている。
特許第４５１８８２０号公報 特許第２８５８５２９号公報
　ところで、鉄道車両が走行する場合、力行による加速、惰行、ブレーキによる減速という走行パターン、あるいは、力行による加速、定速走行、惰行、ブレーキによる減速というパターンで走行することになる。走行する区間が短い場合、全消費エネルギーに占める、加速時の運動エネルギーの増分の割合が大きいため、加速終了時の速度低減による消費エネルギーの低減効果が大きくなる。また、全運転の中で惰行走行の占める割合も大きいため、惰行による消費エネルギーの低減効果も大きくなる。
　しかしながら、貨物列車等で数十ｋｍから１００ｋｍ程度の区間を比較的低速で走行するような場合、全消費エネルギーに占める加速時の運動エネルギー増分の割合は小さく、走行抵抗によって失われるエネルギーを補って速度を保持するための消費エネルギーの割合が大きくなる。また、停止のため減速区間手前で惰行を行っても、全運転の中でその占める割合が小さいため、惰行による消費エネルギーの低減効果は小さくなる。
　本発明の目的は、列車が長距離を比較的低速で走行する場合でも、惰行を活用して、列車ダイヤで規定される所定区間の所定走行時間での走行を、より少ない消費エネルギーで行えるようにする走行計画を作成することができる走行計画作成装置、ならびに該走行計画作成装置を備える運転支援装置および運転制御装置を提供することである。
　実施形態の走行計画作成装置は、シミュレーション開始速度、シミュレーション開始位置、および加速度の許容範囲を含むシミュレーション条件に基づいて走行シミュレーションを行い、シミュレーション結果が、走行時間および制限速度を含む制約条件を満たすように加速度の許容範囲を調整することで、列車ダイヤで規定される所定の走行区間をその走行時間を守った上で、走行にかかる消費エネルギーを小さくすることができる走行計画を作成するための装置である。この機能を実現するために、実施形態の走行計画作成装置は、走行シミュレータと、シミュレーション条件設定部と、走行条件判定部と、を備える。
　走行シミュレータは、シミュレーション対象路線の路線条件および該当列車の車両特性を考慮して、列車の所定の走行区間での走行を模擬する。その際、列車の惰行時の加速度が、加速度の許容範囲内にある場合、列車を惰行させるように走行シミュレーションを行う。
　シミュレーション条件設定部は、走行シミュレータに、シミュレーション開始速度、シミュレーション開始位置、および加速度の許容範囲を含むシミュレーション条件を与える。
　走行条件判定部は、走行シミュレータによるシミュレーション結果が、該当路線における走行時間および制限速度を含む制約条件を満たしているか否か判定し、該制約条件を満たさない場合に、シミュレーション条件設定部にシミュレーション条件の変更要求をし、走行シミュレータによるシミュレーション結果が制約条件を満たす場合、当該シミュレーション結果を走行計画として出力する。
図１は、第１の実施形態に係る走行計画作成装置の機能構成を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態の走行計画作成装置の動作を説明するためのフローチャートである。 図３は、第１の実施形態における、加速度の許容範囲に基づく走行シミュレーションを説明するためのフローチャートである。 図４は、第１の実施形態における、加速度の許容範囲に基づく走行を説明するための図である。 図５－１は、第１の実施形態における加速度の許容範囲の変更の際の一手法として用いるテーブルの一例を示した図である。 図５－２は、第１の実施形態における加速度の許容範囲の変更の際の一手法として用いるテーブルの一例を示した図である。 図６－１は、第１の実施形態の走行計画作成装置による加速度の許容範囲に基づく走行計画の作成を説明するための図である。 図６－２は、図６－１に対応する位置と路線勾配の関係を示す図である。 図７－１は、第１の実施形態の走行計画作成装置で作成した走行計画での速度パターンと、定速走行を基本とした走行計画の速度パターンとを比較した図である。 図７－２は、位置毎に、定速走行を基本とした走行における消費電力と、第１の実施形態の走行計画作成装置で作成した走行計画に基づく走行における消費電力とを比較した図である。 図７－３は、第１の実施形態の走行計画作成装置により作成された走行計画に基づく走行の効果を説明するための図である。 図８は、第２の実施形態に係る運転支援装置の機能構成を示すブロック図である。 図９は、第３の実施形態に係る運転制御装置の機能構成を示すブロック図である。
（第１の実施形態）
　はじめに、第１の実施形態として、走行計画作成装置について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本実施形態の走行計画作成装置の機能構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態の走行計画作成装置１は、走行シミュレータ２と、シミュレーション条件設定部３ａ、走行条件判定部３ｂ、および制約条件を記憶する記憶部３ｃを有するシミュレーション管理部３と、車両性能データおよび路線データを含む情報を記憶する記憶部４とを備えている。なお、図中、記憶部３cと記憶部４とを分けて図示しているが、同一の装置として構成するようにしてもよい。
　なお、走行計画作成装置１は、専用のハードウェア装置のほか、一般的なコンピュータ装置等によっても構成することができる。一般的なコンピュータ装置を用いた場合、上記各部の機能は、このコンピュータ装置に備わるＣＰＵ、記憶装置、この記憶装置に格納されＣＰＵにより実行される制御プログラム、および入出力インタフェースによる機能として実現される。
　シミュレーション管理部３は、外部からシミュレーション開始位置およびシミュレーション開始速度の情報が与えられ、走行計画作成の要求がなされると、走行計画作成処理を開始する。
　シミュレーション条件設定部３ａは、走行シミュレータ２に、上記シミュレーション開始位置およびシミュレーション開始速度と、加速度の許容範囲とを含むシミュレーション条件を通知する。なお、加速度の許容範囲は、ここでは予め初期値が規定されるものとするが、加速度の許容範囲の初期値を外部から与えるようにしてもよい。
　走行シミュレータ２は、シミュレーション条件設定部３ａにより通知されたシミュレーション開始位置およびシミュレーション開始速度に基づき、記憶部４に記憶された路線データおよび車両性能データを参照し路線勾配等の走行区間の路線条件および走行抵抗等の車両性能を考慮して、走行シミュレーションを行う。
　この走行シミュレーションで模擬する走行は、シミュレーション開始位置から列車が所定速度になるまでは所定の加速度で加速した後、シミュレーション条件設定部３ａから通知された加速度の許容範囲に基づく走行（詳細は下記）に移行する走行である。すなわち、走行シミュレータ２は、まず、初期走行シミュレーション（図２：ステップＳ１０）として、シミュレーション開始位置から列車が所定速度になるまでは所定の加速度で加速するシミュレーションを行い、次に、下記の加速度の許容範囲に基づく走行を行うシミュレーションを行う（図２：ステップＳ２０）。
　ここで、加速度の許容範囲に基づく走行シミュレーションを、図３および図４を参照して説明する。図３は、加速度の許容範囲に基づく走行シミュレーション時の処理を説明するフローチャートであり、図４は、列車にかかる惰行時の加速度と走行シミュレーション時の模擬走行加速度を例示した図である。なお、図４において、点線は、走行区間内の各位置で惰行した場合に生じる加速度であり、実線が模擬走行加速度である。
　走行シミュレータ２は、車両位置に応じた路線の勾配、および車両速度に応じた走行抵抗に基づいて、当該演算ステップにおける位置と速度に応じた惰行時の加速度を算出する（ステップＳ２０１）。
　そして、算出した惰行時の加速度が、当該位置における上記加速度の許容範囲内であれば（ステップＳ２０２でＹｅｓ）、当該演算ステップについて、惰行を模擬する（ステップＳ２０３）。一方、この加速度の許容範囲を超えている場合は（ステップＳ２０２でＮｏ）、当該演算ステップについて、車両に対する加速度が上記加速度の許容範囲の上限または下限に一致するようになる力行指令またはブレーキ指令を算出し、その指令値に基づく走行とする（ステップＳ２０４）。
　なお、力行時の最大引張力または最大ブレーキ力でも、車両加速度が、加速度の許容範囲の上限または下限値に一致させられない場合は、最大引張力または最大ブレーキ力を指令値として走行させるものとする。
　具体的には、図４において、区間ａでは惰行加速度が下限値を下回っているため、模擬走行時の加速度が下限値に等しくなるように力行することとする。一方、区間ｂでは、惰行加速度が加速度の許容範囲内であるため、惰行することとする。また、区間ｃでは、惰行加速度が上限値を超過しているため、模擬走行時の加速度が上限値に等しくなるようにブレーキをかけることとする。
　走行シミュレータ２は、上記処理を区間全体について行う（ステップＳ２０５：ＮｏでステップＳ２０１に戻る）。走行シミュレータ２は、このような動作を想定した走行模擬シミュレーションを実施し、区間全体について以上の処理を終え、仮の走行計画が作成されると（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、そのシミュレーション結果（例えば１秒毎の、速度と位置のデータを含む）を走行条件判定部３ｂに通知し、下記のステップＳ２０６の走行条件判定部３ｂによる処理へ移行する。
　走行条件判定部３ｂは、まず、走行シミュレータ２によるシミュレーション結果が、記憶部３ｃに記憶された該当位置の走行時間および制限速度を含む制約条件を満たすかどうかを判定する（ステップＳ２０６）。
　シミュレーション結果がこの制約条件を満たさない場合（ステップＳ２０６：Ｎｏ）、走行シミュレータ２は、上記加速度の許容範囲を変更させるため、シミュレーション条件の変更要求を、シミュレーション条件設定部３ａにする（ステップＳ２０７）。この要求を受けたシミュレーション条件設定部３ａは、加速度の許容範囲を狭める変更をし、変更した加速度の許容範囲を走行シミュレータ２に通知する（ステップＳ２０８）。
　一方、走行シミュレータ２によるシミュレーション結果が、上記制約条件を満たす場合は（ステップＳ２０６：Ｙｅｓ）、走行条件判定部３ｂは、当該シミュレーション結果を走行計画として出力する（ステップＳ２０９）。なお、加速度の許容範囲を所定の幅だけ狭める変更をした結果、シミュレーション結果が上記制約条件を満たす場合、走行条件判定部３ｂが、先のシミュレーション条件の変更要求により狭められた量より少ない量だけ加速度の許容範囲を戻す（広げる）ように、再度シミュレーション条件の変更要求をし、さらに走行模擬シミュレーションを繰り返すようにしてもよい。
　次に、走行シミュレータ２によるシミュレーション結果の例を図６－１に示す。また、路線上の各位置における勾配を図６－２に示す。
　同図に示す点線は１回目のシミュレーション結果であり、加速度の許容範囲の初期設定値に基づいたシミュレーション結果である。このシミュレーション結果では、模擬走行時間が、列車ダイヤで規定された走行時間よりも短く、また、区間ｆにおいては模擬走行速度が、制限速度を上回るものとなっている。
　なお、区間ｆは、図６－２に示すように、下り急勾配が連続する区間であり、最大ブレーキを適用して速度の上昇を抑える必要がある。しかしながらモータの特性から高速域では回生ブレーキ力が低下するので、空制ブレーキの負担割合が増加してしまう。従って、回生ブレーキの有効活用のためには、ブレーキ時の速度を回生ブレーキ力が低下しない速度範囲内に抑える必要がある。このような背景から、本実施形態では、下り急勾配区間に合わせた速度制限を設定するようにしている。また、区間ｆでは、加速度の許容範囲を±ゼロに設定し、走行模擬シミュレーションでは、定速走行となるようなブレーキ指令を選択している。
　図６－１の例では、１回目の走行模擬シミュレーションで、走行時間および制限速度の制約条件を満たさなかったため、走行条件判定部３ｂは、シミュレーション条件設定部３ａにシミュレーション条件変更要求を通知し、これに応答してシミュレーション条件設定部３ａは、加速度の許容範囲を変更したシミュレーション条件を走行シミュレータ２に通知する。そして、走行シミュレータ２は、変更されたシミュレーション条件に基づいて再度走行模擬シミュレーションを実施する。
　ここで、加速度の許容範囲を変更したシミュレーション結果の例を、図６－１の実線で示す。
　上述した図６－１の例は、区間ｆへの進入速度を低くするため、前段の加速区間である区間ｄおよび区間ｅの加速度の許容範囲を厳しく設定したものである。これにより、当該走行模擬シミュレーションにおいて、制限速度条件を満たし、かつ模擬走行時間も列車ダイヤ上の走行時間に対して許容範囲内となったため、走行条件判定部３ｂは、図６－１の実線で示されるシミュレーション結果を走行計画として決定した。決定した走行計画は外部に出力され、提示される。
　なお、加速度の許容範囲は、走行区間全体にわたって一律に設定してもよいが、走行区間を惰行時の加速度が正となる区間と負となる区間に分け、区間毎に設定値を変えられるようにすることで、図６－１に示したようなきめ細かな走行計画調整が可能となる。この場合、当該区間の標準的な走行速度に基づく走行抵抗、路線勾配、列車長に応じて標準的な惰行時の加速度を求め、加速度の正負が変化する点を境界として区間を分割すればよい。なお、列車全体にかかる惰行時の路線勾配による加速度は、列車を構成する各車両の位置と各位置での路線勾配との関係で決まるので、標準的な惰行時の加速度を求める際、列車長も考慮している。具体的には、例えば、列車長の範囲での平均勾配を基に、標準的な惰行時の加速度を求める。
　また、各区間での加速度の許容範囲の設定を、±ゼロか、区間毎の惰行時の加速度の最大値以上の値か、どちらかに設定することで、区間毎に定速走行か惰行か二者択一の選択方式でシミュレーションを行うことも可能である。
　また、前述の図３のステップＳ２０８でシミュレーション条件設定部３ａが行う加速度の許容範囲の変更の際の変更量は、例えば、区間毎の加速度の許容範囲の最大値の１／２等を変更量としてもよいし、図５－１に例示した惰行加速度の最大値と加速度の許容範囲の変更幅とを対応付けた、データベースを備えて、走行シミュレーションの際得られる区間毎の惰行加速度の最大値を区間毎に記憶しておき（図５－２）、該当区間の惰行加速度の最大値に対応する加速度の許容範囲の変更幅を、上記データベースから変更量として選択するようにしてもよい。
　次に、以上のようにして得られた走行計画の消費エネルギーの低減効果について説明する。
　図７－１は、走行計画作成装置１で作成した走行計画での速度パターンと、定速走行を基本とした走行計画の速度パターンとを比較したものである。同図に示す点線は、定速走行を基本とした走行の速度パターン、実線は、本実施形態の走行計画作成装置１で作成した走行計画での速度パターンである。両者は、走行時間および制限速度に関して同じ制約条件を満たすように決定したものである。定速走行を基本とした走行では、惰行は全く入っていないが、走行計画作成装置１で作成した走行計画では、図７－１の横軸上に太線で示した区間で惰行するようになっている。
　図７－２は、位置毎に、定速走行を基本とした走行における消費電力と、本実施形態の走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づく走行における消費電力とを比較したものである。同図において、点線は、定速走行を基本とした走行における消費電力、実線は走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づいた走行における消費電力を示している。実線で示す消費電力のパターンは、点線で示す消費電力のパターンに比べて、力行および回生のいずれの場合も、消費電力のピークが小さくなっている。なお、回生電力は、図中マイナスの消費電力として示される。
　図７－３は、定速走行を基本とした走行における力行電力量、回生電力量および正味の消費電力量と、本実施形態の走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づく走行における力行電力量、回生電力量および正味の消費電力量とを比較したものである。図中に示す力行電力量、回生電力量および正味の消費電力量は、それぞれにおいて左側が、定速走行を基本とした走行におけるもので、右側が、走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づく走行におけるものである。
　図７－３に示すように、定速走行を基本とした走行における力行電力量、回生電力量および正味の消費電力量は、本実施形態の走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づく走行における力行電力量、回生電力量および正味の消費電力量に比べて、力行および回生のいずれの場合もその値が小さくなっている。なお、回生電力量は該当区間の平均的な回生効率（３０％）を仮定して算出したものである。正味の消費電力量としては、定速走行を基本とした走行ではプラスになるのに対して、走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づく走行では、力行電力量よりも回生電力量が大きいため消費電力量がマイナスとなっており、トータルでは消費エネルギーを低減できていることがわかる。
　以上のように本実施形態の走行計画作成装置１により走行時間および制限速度の制約条件に応じた走行計画を予め作成しておき、作成した走行計画に従って走行することで、列車ダイヤで規定される所定区間を所定の走行時間で、制限速度を守りつつ、消費電力量を低減することができる運転を実現することができる。
（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態は、走行計画作成装置１（前述）を備える運転支援装置１００を車上に設置し、時々刻々の運転状況に応じて走行計画を作成することで、実走行が元の作成済みの走行計画からずれてしまった場合でも、列車ダイヤを遵守しつつ消費電力量を低減することができる走行を実現するためのものである。
　運転支援装置１００は、走行計画作成装置１、走行計画表示部１０、列車ダイヤ情報受信部３０、および速度位置情報受信部４０で構成される。
　走行計画作成装置１の構成と動作は、第１の実施形態の走行計画作成装置１と同様である。従って、ここでは、走行計画作成装置１についての説明は省略する。
　走行計画表示部１０は、走行計画作成装置１で作成した走行計画、すなわち走行のパターン、現時点での目標速度、および走行計画による制御指令（力行ノッチ、ブレーキノッチ）の情報等を走行計画作成装置１から取得し、その情報を画面に表示して運転士に提示するためのものである。本実施形態では、運転士は、走行計画表示部１０により提示された情報に基づいて、力行ハンドル５１０またはブレーキハンドル５２０の操作を行い、走行計画に基づく列車の走行制御を行うことになる。
　列車ダイヤ情報受信部３０は、当該運転支援装置１００を搭載した列車の列車ダイヤ情報を取得する。列車ダイヤ情報は、従来から行われているように車上のモニタ装置３００等に運転士がＩＣカード情報を読み込ませて保持している場合、このモニタ装置３００から取得することができる。また、車上の既存の装置で列車ダイヤ情報を管理していない場合は、運転支援装置１００に、列車ダイヤ情報の記録部（図示せず）および列車ダイヤ情報入力インターフェース（図示せず）を持たせ、列車ダイヤ情報を取り込むようにする。また、列車ダイヤ情報として走行区間と当該走行区間を走行する時間が決まっている場合は、時刻ベースの列車ダイヤ情報ではなく、区間とその区間における走行時間とを列車ダイヤ情報として記録するようにしてもよい。なお、上記モニタ装置３００を、前述の走行計画表示部１０による表示を行う表示装置として構成するようにしてもよい。
　速度位置情報受信部４０は、車両の速度および位置情報を取得する。速度情報は、通常、車両に備わる速度発電機（図示せず）等により計測されているので、計測された速度を取得する。位置情報は、地上に設置されたトランスポンダからの絶対位置情報を車上の位置情報検知部（図示せず）で受信するとともに、速度と走行時間の積算によって得られる移動距離を加算することによって得られる。速度位置情報受信部４０は、これらの速度および位置情報を受信して走行途中の位置を演算し求めることができるようになっている。
　なお、速度位置情報は、自動列車制御装置（ＡＴＣ：Automatic　Train　Control）等で既に演算されている場合があり、その場合は、速度位置情報を自動列車制御装置等から受信するようにしてもよい。あるいは、速度位置演算装置４００の機能、または上記自動列車制御装置の速度位置情報を演算する機能を、速度位置情報受信部４０側にもたせるようにしてもよい。また、運転支援装置１００は、専用のハードウェア装置のほか、一般的なコンピュータ装置等によっても構成することができる。一般的なコンピュータ装置を用いた場合、上記各部の処理機能は、このコンピュータ装置に備わるＣＰＵ、表示装置、記憶装置、この記憶装置に格納されＣＰＵにより実行される制御プログラム、および入出力インタフェースによる機能として実現される。
　運転支援装置１００は、上記列車ダイヤ情報受信部３０および速度位置情報受信部４０を有しているので、運転支援装置１００の走行計画作成装置１は、時々刻々における車両の実際の運転状況と、列車ダイヤ情報とに基づいた走行計画の作成を行うことができる。従って、予め作成した走行計画と、実際の運転状況にずれが生じてしまった場合でも、列車ダイヤを守りつつ消費電力量を低減することができる走行計画を、車上でリアルタイムに演算し作成することができる。さらに、リアルタイムに作成した走行計画を画面に表示し、運転士が表示された走行計画に基づいて力行ハンドル５１０およびブレーキハンドル５２０を操作し運転を行うことで、列車ダイヤを遵守しつつ消費電力量を低減できる運転を実現することができる。
（第３の実施形態）
　次に、第３の実施形態について、図９を参照して説明する。本実施形態は、走行計画作成装置１を含む運転制御装置２００を車上に設置し、時々刻々の運転状況に応じて走行計画を作成することで、実走行が元の作成済みの走行計画からずれてしまった場合でも、列車ダイヤを遵守しつつ消費電力量を低減することができる自動走行を実現するためのものである。
　運転制御装置２００は、走行計画作成装置１、制御指令決定部２０、列車ダイヤ情報受信部３０、速度位置情報受信部４０で構成される。本実施形態において、走行計画作成装置１の構成と動作は、第１の実施形態と同様であり、列車ダイヤ情報受信部３０、および速度位置情報受信部４０の構成と動作は、第２の実施形態と同様である。本実施形態は、第２の実施形態の運転支援装置１００に対し、走行計画表示部１０を省き、制御指令決定部２０を設けた点を特徴としている。以下において、前述の諸実施形態と共通する部分については、その説明を省略する。
　制御指令決定部２０は、走行計画作成装置１で作成した走行計画（シミュレーション結果）に基づき、現時点での制御指令（力行ノッチ、ブレーキノッチ）を決定し、決定した制御指令を当該列車の駆動制動制御装置５００に送信する。駆動制動制御装置５００は、制御指令決定部２０からの制御指令に従い、当該列車の駆動制動装置（図示せず）を制御する。これにより、当該列車の走行を自動制御する。あるいは、制御指令決定部２０が、走行シミュレータ２で算出した、惰行しない区間の力行指令またはブレーキ指令の指令値を取得するようにして、この指令値に基づき制御指令を当該列車の駆動制動制御装置５００に送信するようにしてもよい。また、当該列車にＡＴＯ（Automatic　Train　Operation）を運転制御装置２００とは別に備える場合、走行計画作成装置１で作成した走行計画をＡＴＯに通知し、このＡＴＯ側で駆動制動制御装置５００に対する制御指令を決定するようにしてもよい。この場合、制御指令決定部２０を省略することができる。
　なお、運転制御装置２００は、専用のハードウェア装置のほか、一般的なコンピュータ装置等によっても構成することができる。一般的なコンピュータ装置を用いた場合、上記各部の処理機能は、このコンピュータ装置に備わるＣＰＵ、記憶装置、この記憶装置に格納されＣＰＵにより実行される制御プログラム、および入出力インタフェースによる機能として実現される。
　本実施形態では、制御指令決定部２０により走行計画作成装置１で作成した走行計画に基づく制御指令を直接駆動制動制御装置５００に送信して列車の走行を自動制御するため、運転士による操作の遅れや操作ミスの影響が小さくなるとともに、列車ダイヤを遵守しつつ消費電力量を低減できる運転を、自動で、かつ容易に実現することができる。
　以上説明したとおり、第１から第３の実施形態で説明した走行計画作成装置、運転支援装置および運転制御装置によれば、列車ダイヤで規定される所定区間の所定の時間での走行を遵守しつつ、走行にかかる消費エネルギーを低減することができる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (6)

  1. 　列車ダイヤで規定される所定の走行区間を所定の走行時間で走行するための走行計画を作成する走行計画作成装置であって、
    　シミュレーション対象路線の路線条件および該当列車の車両特性を考慮して、前記列車の所定の走行区間での走行を模擬する走行シミュレータと、
    　前記走行シミュレータに、シミュレーション開始速度、シミュレーション開始位置、および加速度の許容範囲を含むシミュレーション条件を与えるシミュレーション条件設定部と、
    　前記走行シミュレータによるシミュレーション結果が、該当路線における走行時間および制限速度を含む制約条件を満たしているか否か判定し、該制約条件を満たさない場合、前記シミュレーション条件設定部に前記シミュレーション条件の変更要求をし、前記走行シミュレータによるシミュレーション結果が前記制約条件を満たす場合、当該シミュレーション結果を走行計画として出力する走行条件判定部と、を備え、
    　前記走行シミュレータは、前記列車の惰行時の加速度が、前記加速度の許容範囲内にある場合、前記列車を惰行させるように走行シミュレーションを行う、
    　走行計画作成装置。
  2. 　前記走行シミュレータは、前記列車の惰行時の加速度が、前記加速度の許容範囲を超えている場合、前記列車に加わる加速度が、前記加速度の許容範囲の境界値に等しくなるような制御指令を決定し、該制御指令に基づく走行シミュレーションを行う、請求項１記載の走行計画作成装置。
  3. 　前記走行区間を前記列車の惰行時の加速度が正となる区間と負となる区間に分割し、分割した区間毎に加速度の許容範囲を設定するようにした、請求項１または請求項２に記載の走行計画作成装置。
  4. 　前記シミュレーション条件設定部は、前記加速度の許容範囲を変更する際、前記分割した区間毎の前記列車の惰行時の加速度の最大値に応じた変更量だけ変更する、請求項３に記載の走行計画作成装置。
  5. 　列車ダイヤで規定される所定の走行区間を所定の走行時間で走行するための走行計画を作成し、作成した走行計画を運転士に提示することによって運転士の運転を支援する運転支援装置であって、
    　前記走行計画を運転士に提示するための走行計画表示部と、
    　該当列車の列車ダイヤ情報を受信する列車ダイヤ情報受信部と、
    　前記列車の速度位置情報を受信する速度位置情報受信部と、
    　シミュレーション対象路線の路線条件および該当列車の車両特性を考慮して、前記列車の所定の走行区間での走行を模擬する走行シミュレータと、
    　前記走行シミュレータに、速度位置情報受信部で受信した前記列車の速度位置情報、加速度の許容範囲を含むシミュレーション条件を与えるシミュレーション条件設定部と、
    　前記走行シミュレータによるシミュレーション結果が、前記列車ダイヤ情報受信部で受信した該当路線における走行時間および該当路線における制限速度を含む制約条件を満たしているか否かを判定し、該制約条件を満たさない場合、前記シミュレーション条件設定部に前記シミュレーション条件の変更要求をし、前記走行シミュレータによるシミュレーション結果が前記制約条件を満たす場合、当該シミュレーション結果を走行計画として出力する走行条件判定部と、を備え、
    　前記走行シミュレータは、前記列車の惰行時の加速度が前記加速度の許容範囲内にある場合、前記列車を惰行させるように走行シミュレーションを行う、
    　運転支援装置。
  6. 　列車ダイヤで規定される所定の走行区間を所定の走行時間で走行するための走行計画を作成し、作成した走行計画に従って列車の運転を制御する運転制御装置であって、
    　前記走行計画から現時点での制御指令を決定し、決定した制御指令を前記列車の駆動制動装置に出力する制御指令決定部と、
    　該当列車の列車ダイヤ情報を受信する運行計画情報受信部と、
    　前記列車の速度位置情報を受信する速度位置情報受信部と、
    　シミュレーション対象路線の路線条件および該当列車の車両特性を考慮して、前記列車の所定の走行区間での走行を模擬する走行シミュレータと、
    　前記走行シミュレータに、前記速度位置情報受信部で受信した前記列車の速度位置情報、および加速度の許容範囲を含むシミュレーション条件を与えるシミュレーション条件設定部と、
    　前記走行シミュレータによるシミュレーション結果が、前記運行計画情報受信部で受信した運行計画情報の該当路線における走行時間および該当路線における制限速度を含む制約条件を満たしているか否かを判定し、該制約条件を満たさない場合、前記シミュレーション条件設定部に前記シミュレーション条件の変更要求をし、前記走行シミュレータによるシミュレーション結果が前記制約条件を満たす場合、当該シミュレーション結果を走行計画として出力する走行条件判定部とを、備え、
    　前記走行シミュレータは、前記列車の惰行時の加速度が前記加速度の許容範囲内にある場合、前記列車を惰行させるように走行シミュレーションを行う、
    　運転制御装置。
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