WO2023218857A1

WO2023218857A1 - 列車制御装置、列車制御システム及びその方法

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Publication number: WO2023218857A1
Application number: PCT/JP2023/015170
Authority: WO
Inventors: 友彦中邨; 翔大朗宮永
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2023-11-16

Abstract

少なくとも列車の速度情報と位置情報とに基づいて列車を制御する車上装置と、列車の車輪径を設定値とする車輪の回転速度に応じた回転速度信号を取得して回転系速度の算出に寄与する車輪速度センサと、回転速度信号とは無関係の対地速度信号を取得して真の列車速度に近い対地系速度の算出に寄与する対地系速度センサと、を備えた列車制御装置であって、回転系速度と対地系速度とを比較し、設定値の健全性を評価した結果を列車の制御に反映させる。回転系速度情報から算出した列車の位置情報と、ＧＰＳの位置情報と、を照合した結果に基づいて、列車を自動運転制御する。回転系速度情報から算出した列車の位置情報と、ＧＰＳの位置情報とより、地上設備と車上装置と通信する最適地点の通信品位を判定する。これにより、車輪径等の設定値の健全性を判断する機能を備えた列車制御装置を提供する。

Description

列車制御装置、列車制御システム及びその方法

　本発明は、列車制御装置、列車制御システム及びその方法に関する。

　一般的な鉄道車両は、車輪の直径が新品に比べて約１０％減少するまでは使用可能と規定されている。そのため、車輪の回転に基づく回転系速度や回転系走行距離は、約１０％の誤差表示を見込んで、各種の設定値を適宜に補正しながら、速度計や距離計の表示や列車制御して実用に供されている。このような補正をする以前に、車輪径の健全性を判断する機能を備えた車上装置、列車制御装置、列車制御システム、又は列車制御方法があれば有益である。

　また、特許文献１に車輪径算出方法が開示されている。その技術は、速度補償器に備わる車輪径演算部が、速度発電機から車輪の回転速度に応じたパルス信号を取得し、ＧＰＳ受信機で算出された鉄道車両の走行速度を取得し、そのパルス信号及び走行速度に基づいて車輪径を算出する車輪径算出方法である。

特開２０２０－１４３９７５号公報

　しかしながら、特許文献１には、車輪径の算出方法を示されているが、車輪径を始めとする設定値の健全性を判断する方法は示されていない。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車輪径を始めとする設定値の健全性を判断する機能を備えた列車制御装置を提供することにある。

　上記課題を解決する本発明は、少なくとも列車の速度情報と位置情報とに基づいて列車を制御する車上装置と、列車の車輪径を設定値とする車輪の回転速度に応じた回転速度信号を取得して回転系速度の算出に寄与する車輪速度センサと、回転速度信号とは無関係の対地速度信号を取得して真の列車の速度に近い対地系速度の算出に寄与する対地系速度センサと、を備えた列車制御装置であって、回転系速度と対地系速度とを比較することにより、設定値の健全性を評価し、評価の結果を列車の制御に反映させる。

　本発明によれば車輪径を始めとする設定値の健全性を判断する機能を備えた列車制御装置を提供できる。

本発明の実施例１に係る列車制御装置（以下、「本列車制御装置」ともいう）の概略を示す機能ブロック図である。図１の本列車制御装置に備わる車上装置１９における各種入力信号と、それらに対応する速度との関係を示す図表である。図２の車上装置１９で取り扱う各種入力信号に基づく各種の速度を識別した速度グラフ３０である。本発明の実施例２に係る列車制御装置（これも「本列車制御装置」ともいう）を備えた列車制御システム（以下、「本列車制御システム」ともいう）の概略を示す機能ブロック図である。

　本発明の実施例１について図１～図３を用いて説明し、本発明の実施例２について図４を用いて説明する。

　図１は、本列車制御装置の概略を示す機能ブロック図である。図１に示す列車１０は、レール上を車輪１１が転輪して走行する。本列車制御装置は、列車１０の車上装置１９及び各種センサ等により主要構成される。この車上装置１９は、列車制御装置を主要構成し、入力された各種の信号を処理して出力することにより、列車１０の走行を制御する。

　車輪１１又は車軸の回転速度を検出する回転速度検出装置（本発明でいう「車軸速度センサ」）１２は、一例として速度発電機で構成され、回転速度信号１３を発生する。その回転速度信号１３は、列車１０を制御する車上装置１９に入力される。車上装置１９は、そこに設定された車輪径１８と、回転速度信号１３と、より列車速度を算出する。設定された車輪径１８は、人が最新情報として知り得る車輪径１８を車上装置１９に手動入力して不図示のメモリに記憶され、速度算出用に適宜読み出される。

　列車１０と地面の相対速度を検出する対地速度検出装置（本発明でいう「対地系速度センサ」）１４は、対地速度信号１５を発生する。その対地速度信号１５は、列車を制御する車上装置１９に入力される。対地速度検出装置１４は、例えば電磁波を地面又は物体に照射し、その反射波に基づいて対地速度信号１５を得る。

　対地速度信号１５は、対地速度検出装置１４で検出した物理的な変化量に関する信号で良い。あるいは、対地速度検出装置１４内で列車速度に変換された情報を対地速度信号１５としても良い。また、列車の加速度を検出する加速度検出装置１６は、加速度信号１７を発生し、加速度信号１７は列車を制御する車上装置１９に入力する。

　図２は、図１の本列車制御装置に備わる車上装置１９における各種入力信号とそれらに対応する速度との関係を示す図表である。図２に示すように、回転速度信号１３、対地速度信号１５、及び加速度信号１７が、列車１０を制御する車上装置１９に入力される。回転系速度２１、対地系速度２２、及び加速度系速度２３は、車上装置１９が各種入力信号を用いて内部で演算出力する。

　車上装置１９は、回転速度信号１３と車輪１１の車輪径１８等の情報に基づいて、列車速度を算出する。この列車速度を回転系速度２１とする。対地速度信号１５が対地速度検出装置１４で検出した物理的な変化量に基づく信号であり、そのままでは列車制御に使えない場合、車上装置１９内で列車速度に換算してから列車制御に供する。

　一方、対地速度信号１５が真の列車速度を示している場合、その値をそのまま列車速度とみなして列車制御に供する。何れの場合も、これらの列車速度を対地系速度２２とする。また、車上装置１９は、加速度信号１７からも列車速度を演算できるので、その場合、この列車速度を加速度系速度２３とする。上述した回転系速度２１、対地系速度２２、及び加速度系速度２３は、何らかの検証手段によって検証された、何れか信頼性の高いものが列車制御に用いられる。

　図３は、図２の車上装置１９で取り扱う、各種入力信号に基づく各種の速度である対地系速度３１と、回転系速度（正常車輪径）３２，回転系速度（異常車輪径）３３と、を識別した速度グラフ３０である。この速度グラフ３０は、縦軸に速度、横軸に時間を示しており、真の列車速度に近い対地系速度３１と、正常な車輪径１８が設定されている場合の回転系速度３２と、異常な車輪径１８が設定されている場合の回転系速度３３が示されている。

　実施例１の本列車制御装置において、車上装置１９が回転系速度２１と対地系速度２２を比較し、両者の差又は比がある値より大きくなった場合、車輪径１８の設定が妥当ではないと判断する。また、対地系速度２２は、加速度系速度２３を真の速度に近いと仮定して採用しても良い。

　また、本列車制御装置を備えた本列車制御システムにおいて、回転速度検出装置１２、対地速度検出装置１４、及び加速度検出装置１６（これら３つをまとめて「各種の速度検出装置１２，１４，１６」という）は、それぞれが故障検知機能を有し、さらに、車上装置１９側でも故障検知できるものとする。

　本列車制御システムは、各種の速度検出装置１２，１４，１６のうち、少なくとも何れか各自、又は車上装置１９において、故障検知している場合、車輪径１８の健全性確認を行わないとする制御規則を適用する。その理由は、各種の速度検出装置１２，１４，１６から出力される各速度値の信頼性が低下している場合、健全性確認以前に差が発生している可能性が高いからである。

　その他、空転滑走している場合、力行している場合、ブレーキ作動している場合、曲率半径が小さい曲線上を走行している場合も、同様の理由により、各速度に差が発生する可能性があるため、本列車制御システムは、車輪径１８の健全性確認を行わない制御規則を適用する。

　図４は、実施例２の本列車制御装置を備えた本列車制御システムの概略を示す機能ブロック図である。図４の実施例２において、車上装置１９が認識する入力信号、内部で演算した速度、力行情報、ブレーキ情報、空転情報及び滑走情報を車上無線装置４０、車上無線アンテナ４１、地上無線アンテナ４２、地上無線装置４３を経由し、地上装置４４へ送信する。

　また、図４の本列車制御システムにおいて、列車１０から地上制御装置（地上子）４５に情報を送信し、地上制御装置４５が保存している設定値の健全性を評価するようにしても良い。実施例１では車上装置１９で車輪径設定の妥当性を判断しているが、実施例２においては、車上装置１９から送信されたデータに基づいて、地上装置４４が車輪径設定の妥当性を判断する。

　図４の本列車制御システムは、つぎの作用効果もある。
１．本列車制御システムは、速度発電機１２の速度情報から計算した列車の位置情報と、ＧＰＳの位置情報を照合した結果、設定値の不健全が検出されたならば、それを自動的に補正してから、列車の自動運転を制御する。このような本列車制御システムは、地点情報を確認するための地上制御装置（地上子）４５を削減することができる。

２．速度発電機１２の速度情報から計算した列車の位置情報と、ＧＰＳの位置情報を照合して、車上装置１９が地上制御装置（地上子）４５と通信する地点を計算する。算出されたこの地点で、車上装置１９が地上制御装置（地上子）４５に対し、双方向、又は一方向に満足な受信レベルで通信できたか否かを確認することで、車上装置１９と、地上制御装置（地上子）４５と、少なくとも何れかに故障があれば、それを検知できる。

　なお、車輪１１の摩耗は、その車両の走行キロに概ね相関する。仮に、ゆがみがなく均等に摩耗し、完全な真円形を維持して小さくなるだけならば、例えば、車輪１１の直径が新品時の８９０ｍｍに比べて約１０％小さい８００ｍｍくらいに摩耗するまでは、使用可能と規定されていることが多い。しかし、車両が滑走すれば、真円形のところをＤ文字状に変形摩耗（以下、「Ｄ摩耗」という）する。

　Ｄ摩耗した車輪１１をそのまま用いた車両は、走行中の乗心地を悪化させるので、許容限度を超えるＤ摩耗ならば、真円形に削正して継続利用する。車輪１１の直径が新品の９０％位までならば、何回でも削正して継続使用できる。

　一方、豪雪地帯で使用される車両において、制輪子と車輪１１の間に雪や氷膜が挟まってブレーキ効果が不十分になる問題が生ずる。それを解決するため、運転士は、軽くブレーキをかけた状態で走行するように、耐雪ブレーキを作動させる。

　耐雪ブレーキは、車輪踏面とブレーキ制輪子の間に雪等の入りこむ隙間を無くす効果が得られる反面、車輪踏面の中央部に凹摩耗を生じさせる。凹摩耗が進んだ車輪１１による車両は、走行中に激しい左右動を生じるので、これを解消するために、車輪踏面を平坦にして、なおかつ、真円形を維持するため、概ね春期に削正される。

　鉄道では車輪径１８よりも踏面形状を維持する方が大切なので、車両走行距離にして２万ｋｍ～１０万ｋｍ毎に、車輪１１を回しながら削正し、踏面形状を整える作業を行う。使用開始してからつぎに車輪１１を交換するまで、真円形を維持するための削正が繰り返される。削正する度に車輪径１８は小さくなり、概ね８００ｍｍ位になるまで使い、それ以降は新品に交換する。

　例示したＤ摩耗と、凹摩耗と、何れであっても相当に削正するため、車輪１１の自然摩耗より、かなり早いピッチで直径が小さくなっていくことになる。このような車輪１１の摩耗対策もあって、車輪径１８が新品に比べて約１０％減少するまでは、使用可能と規定されているならば、車輪１１の回転に基づく回転系速度２１は、約１０％の誤差表示を見込んで、適宜に補正を要する。

　このような補正は、通常の定型運行業務、及び定期保守の一環である。それに加えて、車輪径１８の健全性を判断する車輪径健全性判断機能を備えた本列車制御装置、それを備えた本列車制御システム、及び本列車制御方法は、Ｄ摩耗や凹摩耗への対策としても早期発見の一助となり有益である。特に、豪雪地帯で耐雪ブレーキが常用される車両において、本列車制御装置は、その車輪径健全性判断機能を常時作動させておくことで、悪性の摩耗を早期発見し、予防対策、保守実施、延命、及び乗心地維持、といった総合的な有益性を高められる。

　なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。

　そしてまた、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード及びＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

　本列車制御装置は、つぎのように総括できる。
［１］本列車制御装置は、車上装置１９と、車輪速度センサ（速度発電機）１２と、対地系速度センサ１４と、を備える。車上装置１９は、少なくとも列車１０の速度情報と位置情報とに基づいて列車１０を制御する。

　車輪速度センサ（速度発電機）１２は、列車１０の車輪径１８を設定値とする車輪１１の回転速度に応じた回転速度信号１３を取得して、回転系速度２１の算出に寄与する。対地系速度センサ１４は、回転速度信号１３とは無関係の対地速度信号１５を取得して、列車１０の真の速度に近い対地系速度２２の算出に寄与する。

　本列車制御装置は、回転系速度２１と対地系速度２２とを比較することにより、設定値の健全性を評価し、評価の結果を列車１０の制御に反映させる。このような本列車制御装置は、例えば、車輪径１８を設定値とするならば、対地系速度信号１５に基づく真の移動距離、又は真の速度に対し、回転系速度２１との差分の有無や大小の程度から、車輪１１自体の健全性を判定できる。

　健全性とは、対象そのものが正常で有るか否かをいう。例えば、ＧＰＳ等で検出した対地系速度２２と、車輪の回転から検出した速度と、を比較して差分の有無があれば、車輪１１に不備が有ることを検出できる。本列車制御装置は、車輪１１が新品又は削正直後であるにもかかわらず、車輪１１に不備が有ると検出したならば、車輪径１８以前に設定値が不健全であり、それを入力した人による人為的入力ミスの可能性が高いと判定できる。このように、本列車制御装置は、車輪径１８等の設定値に対する健全性を判断する機能を発揮できる。

［２］上記［１］の本列車制御装置において、回転系速度２１に由来する速度情報から算出した列車１０の位置情報と、ＧＰＳの位置情報と、を照合した結果に基づいて、列車１０を自動運転制御するようにしても良い。従来の自動運転制御では、地上設備が設置された地点情報から、列車１０の位置情報（在線位置）を取得するため、地上設備が必要だったところ、本列車制御装置によれば、その地上設備を削減できる。

　また、設定値とする車輪径１８の健全性を評価した結果が良くない場合であっても、自動運転における衝突回避のために、より重要視される位置情報の正確さについては、ＧＰＳで高精度な位置情報が得られているため、列車１０の安全を確保し易い。

［３］上記［１］の本列車制御装置において、回転系速度２１に由来する速度情報から算出した列車１０の位置情報と、ＧＰＳの位置情報と、を照合した結果に基づいて、地上設備と車上装置と通信するための最適地点を算出し、最適地点における地上設備と車上装置１９との通信品位が合格レベルか否かを判定すると良い。その判定結果が不合格ならば、地上設備、又は地上制御装置（地上子）４５が故障していることを検知できる。

［４］上記［１］の本列車制御装置において、車輪１１の空転又は滑走を検知していないとき、設定値の健全性を評価するようにしても良い。例えば、車輪径１８が新品又は削正された直後の正確な実測値に基づく正しい設定値が入力されているにも関わらず、本列車制御装置が不健全と判定したとする。その判定結果は、列車１０が空転又は滑走を検知したことを意味する。

　逆に、他の手段により空転又は滑走を検知していないときに、本列車制御装置が設定値を不健全と判定したならば、実際に不健全である。その原因として、設定値の人為的入力ミスが疑われるので、それが原因となる支障の少ないうちに、本列車制御装置は、設定値を是正すべき警告を発報できる。

［５］上記［１］の本列車制御装置において、列車１０の走行路が所定の曲率半径以上のときに、設定値の健全性を評価するようにしても良い。急カーブを走行中の列車１０の車輪径１８は、レールに接触する踏面が車軸方向に移動する。そのとき、列車１０の車輪径１８は、規定値から大小の何れかに変化する。

　その点について、所定の曲率半径以上で緩いカーブを走行中の列車１０の車輪径１８は、踏面の移動も少ない。そのとき、列車１０の車輪径１８は、規定値どおりであるため、本列車制御装置は、設定値の健全性評価を正確にできる。

［６］上記［１］の本列車制御装置において、列車１０が力行しておらず、かつ、ブレーキをかけてもいないときに、設定値の健全性を評価するようにしても良い。列車１０が力行しておらず、しかもブレーキをかけていない惰行運転中であれば、空転や滑走も無く、本列車制御装置は、正確に設定値の健全性を評価できる。

［７］上記［１］の本列車制御装置において、回転系速度２１と対地系速度２２との差分又は比が所定の範囲を超えたとき、設定値が異常であると評価するようにしても良い。このような本列車制御装置は、所定の範囲の閾値判定により、正確に設定値の健全性を評価できる。

［８］上記［１］の本列車制御装置において、車輪速度センサ１２及び対地系速度センサ１４が正常であるとき、設定値が異常であると評価するようにしても良い。このような本列車制御装置は、車輪速度センサ１２及び対地系速度センサ１４の健全性を確認することで、正確に設定値の健全性を評価できる。

［９］上記［１］の本列車制御装置において、設定値は車輪径１８であることが好ましい。このような本列車制御装置は、設定値としての車輪径１８の人為的入力ミスを警告できる。

［１０］上記［１］の本列車制御装置において、対地系速度センサ１４は、加速度センサであることが好ましい。このような本列車制御装置は、加速度を時間で微分すれば速度を算出できるので、別用途で既存の加速度センサが有れば、それを流用した簡素な構成により、設定値の健全性を評価できる。

［１１］上記［１］の本列車制御装置において、対地系速度センサ１４は、ドップラー効果を利用したものでも良い。このように、本列車制御装置は、多様な選択が可能なので、設計の自由度が広げられる。

［１２］上記［１］～［１１］の本列車制御装置を備えた列車制御システムにおいて、列車１０から地上制御装置（地上子）４５に情報を送信し、地上制御装置４５が保存している設定値の健全性を評価するようにしても良い。

　本発明の実施形態に係る列車制御方法（本方法）は、つぎのように総括できる。
［１３］本方法は、少なくとも列車１０の速度情報と位置情報とに基づいて車上装置１９が列車１０を制御する列車制御方法であり、つぎの手順で列車１０を制御する。

　まず、車上装置１９には、車輪速度センサ１２の設定値として車輪径１８が入力される。車上装置１９は、車輪速度センサ１２により車輪１１の回転速度を回転速度信号１３として検出される。車上装置１９は、回転速度信号１３に基づいて列車１０の回転系速度２１を算出する。

　車上装置１９は、対地系速度センサ１４が、回転速度信号１３とは無関係の対地速度信号１５を取得する。車上装置１９は、対地速度信号１５に基づいて列車１０の真の速度に近い対地系速度２２の算出に寄与する。車上装置１９は、回転系速度２１と、対地系速度２２と、を比較することにより、設定値の健全性を評価する。車上装置１９は、列車１０に搭載された車上装置１９が、その評価の結果を反映させた速度情報に基づいて列車１０を制御する。

　本方法によれば、例えば、ＧＰＳ等で検出した対地系速度２２と、車輪の回転から検出した速度と、を比較して差分の有無があれば、車輪１１に不備が有ることを検出できる。本列車制御装置は、車輪１１が新品又は削正直後であるにもかかわらず、車輪１１に不備が有ると検出する場合がある。

　その場合、車輪径１８以前に設定値が不健全であることが判明する。本方法によれば、このような一連の結果に基づいて、設定値を入力した人による人為的入力ミスの可能性が高いと判定できる。このように、本方法は、車輪径１８等の設定値の健全性を判断する機能を発揮できる。

１０…列車、１１…車輪、１２…回転速度検出装置（車輪速度センサ、速度発電機）、１３…回転速度信号、１４…対地速度検出装置（対地系速度センサ）、１５…対地速度信号、１６…加速度検出装置（加速度系速度センサ）、１７…加速度信号、１８…車輪径、１９…（列車を制御する）車上装置、２１…回転系速度、２２…対地系速度、２３…加速度系速度、３０…速度グラフ、３１…（図３に示す真の）対地系速度、３２…（正常な車輪径が設定されている場合の）回転系速度、３３…（異常な車輪径が設定されている場合の）回転系速度、４０…車上無線装置、４１…車上無線アンテナ、４２…地上無線アンテナ、４３…地上無線装置、４４…地上装置、４５…地上制御装置（地上子）

Claims

　少なくとも列車の速度情報と位置情報とに基づいて当該列車を制御する車上装置と、
　前記列車の車輪径を設定値とする車輪の回転速度に応じた回転速度信号を取得して回転系速度の算出に寄与する車輪速度センサと、
　回転速度信号とは無関係の対地速度信号を取得して真の列車の速度に近い対地系速度の算出に寄与する対地系速度センサと、
　を備えた列車制御装置であって、
　回転系速度と対地系速度とを比較することにより、設定値の健全性を評価し、
　該評価の結果を列車の制御に反映させる、
　列車制御装置。
　回転系速度に由来する速度情報から算出した列車の位置情報と、
　ＧＰＳの位置情報と、を照合した結果に基づいて、列車を自動運転制御する、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　回転系速度に由来する速度情報から算出した列車の位置情報と、
　ＧＰＳの位置情報と、を照合した結果に基づいて、地上設備と車上装置と通信するための最適地点を算出し、
　該最適地点における地上設備と車上装置との通信品位が合格レベルか否かを判定する、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　車輪の空転又は滑走を検知していないとき、
　設定値の健全性を評価する、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　走行路が所定の曲率半径以上のとき、
　設定値の健全性を評価する、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　列車が力行しておらず、ブレーキをかけていないとき、
　設定値の健全性を評価する、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　回転系速度と対地系速度との差分又は比が所定の範囲を超えたとき、
　設定値が異常であると評価する、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　車輪速度センサ及び対地系速度センサが正常であるとき、
　設定値が異常であると評価する、
　請求項７に記載の列車制御装置。
　設定値は車輪径である、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　対地系速度センサは、加速度センサである、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　対地系速度センサは、ドップラー効果を利用したものである、
　請求項１に記載の列車制御装置。
　請求項１～１１の何れか１項に記載の列車制御装置を備え、
　前記列車から地上制御装置に情報を送信し、
　該地上制御装置が保存している設定値の健全性を評価する、
　列車制御システム。
　少なくとも列車の速度情報と位置情報とに基づいて車上装置が当該列車を制御する列車制御方法であって、
　車輪速度センサの設定値として車輪径を入力し、
　車輪速度センサにより車輪の回転速度を回転速度信号として検出し、
　該回転速度信号に基づいて前記列車の回転系速度を算出し、
　対地系速度センサが、前記回転速度信号とは無関係の対地速度信号を取得し、
　該対地速度信号に基づいて列車の真の速度に近い対地系速度の算出に寄与し、
　回転系速度と、対地系速度と、を比較することにより、設定値の健全性を評価する、
　列車に搭載された車上装置が、評価の結果を反映させた速度情報に基づいて列車を制御する、
　列車制御方法。