JP2005231447A - 列車運転支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 新ＡＴＣ制御下の列車運転は、ＡＴＣによるブレーキ開始点が状況によって異なるため、ブレーキ作動の予測が困難で急ブレーキとなる可能性があるため、快適な運転が困難であった。また新ＡＴＣ制御下ではブレーキ開始点が状況によって異なることからブレーキ追随時間も異なり、次駅到達時刻の予想が困難であるため、次駅への定時性が困難であった。
【解決手段】 新ＡＴＣ制御によって発生するブレーキ曲線と、自列車位置速度の位置関係を表示し、更に勾配やトンネルといった線路条件も合成して表示する事で、運転士に対しブレーキ開始点前で緩やかに減速させるといった運転を可能にさせた。更に定時運転を実現する運転曲線や、定時運転に必要な最高速度、現在速度で到達する到達時刻を示すことで、早着や遅れの予測が容易となり、加速／減速によって走行を調整させることで定時性確保が容易となった。
【選択図】 図１

Description

本発明は、線路から先行列車や自列車の位置の情報を自列車に送り、自列車で先行列車の手前までに止まれるような減速パターンを作成し、走行している速度から停止するまで滑らかな１段のブレーキ制御（以下新ＡＴＣ）を行う新ＡＴＣにおいて、運転士に対し次駅を通過または到着時の定時性確保や乗り心地向上をもたらす運転の支援情報を提供する装置に関するものである。

従来の列車制御方式の一つに、線路を一定区間毎に区切った軌道回路に許容速度信号を線路に流し、許容速度信号を受信した列車は、自列車速度が受信した許容速度を超過している場合に自列車速度を許容速度以下にすべく自動的にブレーキを行うといった制御方式が存在する。特に先行列車が存在する軌道回路から自列車が存在する軌道回路まで、多段階の許容速度信号を設け、自列車速度を段階的に低下させる多段速度制御（以下ＡＴＣ）が知られている。

しかしＡＴＣ方式では軌道回路内で許容速度以下になれば良いという方式のため、制限速度区間は長めになってしまう。そのため列車間隔は長めになり、列車運行の高密度化には限界があった。そこで地上側で多段階の許容速度を設定して送信する代わりに、地上側では許容速度区間のみ送信し、車上側で自律的にブレーキパターンを作成する方式が考えられた。具体的には地上装置は先行列車後方のある位置を停止位置とし、停止位置までの区間を開通情報として自列車に送信する。自列車は開通情報と車両性能や線路条件をもとに停止位置を定め、停止位置に停止する１段階のブレーキ曲線を作成する。そしてこのブレーキ曲線より自列車速度が超過している場合には、自動的にブレーキが作動する。この制御方式はＡＴＣに対し新ＡＴＣと呼ばれている。ブレーキ曲線は先行列車にぶつからないように走行する極限を意味しているため、ＡＴＣよりも車間を詰めた運行が可能になる。新ＡＴＣ制御方式に関しては２０００年の第３７回サイバネシンポジウム ｐ２２２〜などで紹介されている。

なお新ＡＴＣでは３種類の許容速度が存在し、先述の開通情報の他にも、常に許容速度が設けられている恒久速度制限と、天候不順や工事などで臨時に設定される臨速区間がある。これら３種類の許容速度に対して１段階のブレーキ曲線を作成し列車制御を行う。ところで、ＡＴＣ制御方式において列車の定時性を確保するため、従来から車上にダイヤ情報などを表示して運転を支援する運転支援装置が設けられている。例えば現在の東海道新幹線の運転支援装置は、予め計画されている列車の運転時刻表、徐行情報等を乗務員が携帯するＩＣカードから入力し、ダイヤ上の次駅到着時刻と、次駅までの距離と現在の自列車速度から次駅までの平均速度を算出して、線路状況、信号展開図等とともに運転支援情報として画面に表示させている。

また下記特許文献１においては、地上局で先行列車と自列車との間隔をもとに、自列車が先行列車の多段ブレーキ曲線に当たらないための速度を算出し、その軌道回路における指示速度として自列車に送信している。

また下記特許文献２においては、地上局で自列車と先行列車の運行状況を把握し、自列車が遅れている場合には地上局側で修正ダイヤの計算を行い、自列車は修正されたダイヤで走行を行うという支援装置を提案している。
特開平８−１３３０８４号公報 特開２０００−３３５４１９号公報 新ＡＴＣ車上装置の開発、第３７回サイバネシンポジウムｐ２２２〜、２０００

ところが新ＡＴＣは前述の通り車上装置で前方列車の手前に停止できるようにブレーキ曲線を計算するため、先行列車位置、線路条件、自列車位置や自列車性能によってブレーキ開始位置が変化する。そのため従来のＡＴＣに見られる様な運転士がブレーキ区間に進入することを事前に察知して加速ノッチを緩めるといった、列車の乗り心地を考慮した運転が行えないという問題があった。またブレーキ開始位置が変化するため、ブレーキ区間の長さも当然変化する。そのため新ＡＴＣでは次駅までの運転時間の推測が困難となっており、運行の定時性確保が難しいという問題もあった。

そこで上記問題点を鑑み、本発明の第１の課題は、新ＡＴＣにおいて運転士に対しブレーキ区間を適切に示し、急ブレーキの作動を抑えることである。また本発明の第２の課題は、新ＡＴＣ下においても定時性を確保するための支援情報を提供することである。

本発明では第１の課題を解決するため、運転支援装置に勾配、トンネル、恒久速度制限といった線路条件と、自列車の減速性能を保持し、許容速度をもとに、その地点を許容速度以下で通過するために必要なブレーキ曲線を計算し、線路条件と、駅情報、ダイヤ情報、自列車位置速度、走行軌跡を合わせて表示して運転士に対し急ブレーキの少ない快適運転を支援する方法を発明した。また本発明では第２の課題を解決するため、前記線路条件と前記ダイヤ情報、前記駅情報、自列車位置、自列車速度、自列車加減速度性能から、次駅に定時で到着するための定時運転曲線の計算方法を発明し、更に定時運転曲線や定時運転曲線から導き出される定時運転に必要な最高速度を運転士に提示する事で列車の定時性を確保する方法を発明した。

本装置の使用により、運転士は新ＡＴＣ制御のブレーキ曲線を認識することが出来、運転士に対しブレーキ開始点前で緩やかに減速させるといった快適な運転を実現する事が出来る。更に定時運転を実現する運転曲線や、定時運転に必要な最高速度、現在速度で到達する到達予想時刻を示すことで、早着や遅れの予測が容易となり、加速／減速によって走行を調整させることで定時性確保が容易となる。

運転支援装置と新ＡＴＣ車上装置とを接続し、開通情報、臨速区間といった地上からの制御情報を取得し、運転支援装置内でブレーキ曲線を計算することにより、精度の高いブレーキ曲線を運転席の表示装置に表示する事が出来る。また次駅に定時に到達する定時運転曲線を求めることで、精度の高いナビ速度を提供し列車の定時性を確保出来るようになる。

図１は本発明装置の実施例の１つであり、列車運転支援装置を含めた構成を表している。最初に新ＡＴＣ制御下の列車構成を示し、次に本発明装置の説明に移る。図１のうち指令装置１０１、運転データ作成装置１０２、地上装置１０３、在線検出装置１０４は地上側の装置である。指令装置１０１から当日の運転ダイヤを地上装置１０２に送信する。在線検出装置１０４は各列車が路線上のどの軌道回路に存在するかを検出し、地上装置１０３に在線情報を送信する。地上装置１０３では、運転ダイヤと在線情報をもとに軌道回路の開通情報を作成する。

また地上装置１０３は、臨時に設定した速度制限情報（以下臨速情報とする）を作成し、開通情報と合わせて各列車に送信する。以下この開通情報が列車１０５に送信されたものとして説明を続ける。地上装置１０３から送信された開通情報と臨速区間は、ＡＴＣ受信装置１０６で受信され、運転制御装置１０７に送られる。運転制御装置１０７では、開通情報、臨速区間、恒久速度制限、および位置速度検出装置１０８から送られてくる自列車位置、速度をもとに新ＡＴＣ制御を実施し、速度が超過していた場合には加速／減速装置１０９に対し減速の指示を行う。また速度が超過していない場合には、運転装置１１０から送られてくる運転士の指示に従って運転する。

以上が新ＡＴＣ制御下の列車装置構成の説明である。次に本発明装置に対する説明を行う。指令装置１０１から送られてくるダイヤ情報をもとに、運転データ作成装置１０２はダイヤ情報と、駅間を最短時間で走行する駅間最速運転曲線と、勾配、トンネルの線路条件を列車１０５に送る。データの送信手段は例えばＩＣカード等の媒体であっても、無線でも構わない。送信されたデータは、運転データ受信装置１１１にて受信し、列車運転支援装置１１２に送られる。列車運転支援装置１１２では、運転データ受信装置１１１から送られてくるデータに加えて、運転制御装置１０７から送られる停止位置、臨速区間、自列車位置速度を利用して運転支援情報を作成し、表示装置１１３で表示を行う。この運転支援情報については後述する。運転士は表示される運転支援情報をもとに加速／減速の判断を行い、運転装置１１０を使って運転を実施する。

図２は図１の列車運転支援装置の機能を詳細に示したものである。運転制御装置２０１から送られてくる停止位置、自列車位置速度、制限速度情報を記憶領域２０２、２０３、２０４に格納する。また自列車位置速度２０３は過去の自列車位置速度も保持しており、走行軌跡として取り出すことも可能とする。また運転データ受信装置２０５から送られてくる線路条件、駅間最速運転曲線、ダイヤ情報のデータに関しても記憶領域２０６、２０７、２０８に格納する。また車種情報２０９に関してはあらかじめ運転支援装置内に不揮発性の記憶領域（例えばＲＯＭ）に保持しておく。

次に制限速度地点に所定の速度で通過する、あるいは停止位置までに速度を０ｋｍ／ｈとするためのブレーキ曲線をブレーキ曲線計算手段２１０で計算する。この時停止位置は２０２から、臨速区間は２０４から、恒久速度制限は２０６から取得し、勾配・トンネル等の線路条件は２０６から取得する。また自列車の減速度情報を車種情報２０９から取得する。ブレーキ曲線の計算は新ＡＴＣ制御の計算方式と同じものである。計算した各ブレーキ曲線はブレーキ曲線２１１に保持しておく。次に定時運転支援情報の計算方法を説明する。ブレーキ曲線計算手段２１０で計算した恒久速度制限および臨速区間に基づいて作成した各種ブレーキ曲線と、自列車位置速度２０３、駅間最速運転曲線２０７、車種情報２０９をもとに、最速運転曲線計算手段２１２にて最速運転曲線を計算し、最速運転曲線２１３で保持する。

そして最速運転曲線２１３と、ダイヤ情報２０８をもとに支援情報計算手段２１４では定時運転可能な定時運転曲線を計算し、支援速度または次駅到達予想時刻を求める。この計算の具体例は後述する。求めた定時運転曲線、支援速度と次駅到達予想時刻は定時運転支援情報２１５で保持しておく。最後に計算したブレーキ曲線２１１、定時運転支援情報２１５と、自列車位置速度２０３と、自列車位置速度２０３に同じく記憶されている走行軌跡と、線路条件２０６を表示合成手段２１６で合成して表示装置２１７で表示する。

図３は各ブレーキ曲線と線路条件を統合して表示した結果の１形態を示すものである。恒久速度制限によるブレーキ曲線を３０１、臨速情報に基づいたブレーキ曲線を３０２、停止位置によるブレーキ曲線を３０３で示している。恒久速度制限は変更になる事が無く、臨速は一時的に生じる制限速度、停止位置は先行列車が閉そく区間を移動するに従って前方に進んでいく為、例えば色を変える事によって運転士が見分けられ易い様に表示する。また恒久速度制限については、最下位の信号パターンのみ表示させるため、図２の表示合成手段２１６にて最下位信号および最下位のブレーキ曲線を線で結ぶ処理を実施する。

また図３では線路条件のうち勾配３０４とトンネル３０５を表示している。勾配３０４に関しては、水平方向を地点、垂直方向を標高として勾配の傾斜度を表現している。またトンネル３０５に関してはトンネル始端と終端地点を結んだ長方形で表現している。また自列車位置速度をもとに自列車３０６の走行軌跡を３０７で表現する。この様に各ブレーキ曲線と線路条件に、自列車位置速度と走行軌跡を合わせて表示することによって、運転士に対し乗り心地を考えた運転判断をさせることが可能になる。この点について図４、図５を用いて説明する。

図４は新ＡＴＣ制御によるブレーキ開始地点の相違を示した図である。許容速度区間４０１が設定されると、新ＡＴＣでは許容速度区間到達までに速度を許容速度以下に抑えるためのブレーキ曲線４０２が設定され、列車はブレーキ曲線以下の速度で走行するように制御される。このブレーキ曲線はなだらかに制限速度が変化していくため、自列車が４０３の位置に存在していても自列車速度４０４、４０５によっては、ブレーキ開始地点（４０６、４０７）に違い（４０８）が生じることになる。運転士にはこのブレーキ開始地点が明示的に示されないため必然的に急ブレーキとなり、乗り心地が悪化する問題があった。しかし図３の様にブレーキ曲線と線路条件を示すことによって、運転士に対し図５の様な判断を行わせる事が可能となる。

図５は本発明によって可能となる運転士判断を示したものである。運転士は前方区間のブレーキ曲線を確認し（５０１）、当たらなければ現状の運転を続行する（５０２）。間もなくブレーキ曲線に当たる場合には、急ブレーキにならないか自列車の加減速度を確認する（５０３）。十分に減速中であり、急ブレーキにならない場合には現状の運転を続行する（５０４）。減速が十分でない場合には、前方の勾配の傾斜やトンネルの有無といった線路条件を確認し自列車の減速度変化の推測を行い（５０５）、加速ノッチ、減速ノッチの設定を行う（５０６）。本発明によりブレーキ曲線を明示することでブレーキ開始位置を運転士に知らせ急ブレーキを防止出来、更に前方の線路条件を合わせて表示することにより、必要最低限の減速で滑らかにブレーキ曲線に当てる事が出来る。

図６は請求項２における定時運転を可能とする運転曲線の具体的計算方法を示した図である。自列車と次駅までに存在する制限速度区間を６０１、６０２とすると新ＡＴＣのブレーキ曲線６０３（点線）は図６の通りとなる。ここで自列車位置、速度を６０４とすると、次駅まで最短時間で到達する最速運転曲線６０５は、ブレーキ曲線より自列車速度が遅い場合は加速、ブレーキ曲線より自列車速度が速い場合は減速としてシミュレーションすることで計算出来る。なおこの時の加減速度は、列車自身の加速力、減速力に加えて、勾配、トンネルの線路条件からもたらされる加速力、減速力が加味されたものとする。

計算の具体的方法を図７に示す。ｎステップ目の自列車位置、速度、時刻を７０１の通りに規定し、ステップ間の時刻差とステップ間の加減速度を同じく７０１の通りに規定する。するとｎ＋１ステップ目の自列車位置、速度、時刻は７０２の通りに計算する事が出来る。この計算を現在位置から次駅まで実行すると、次駅まで最速で到達する最速運転曲線を作成出来る。

次に定時に到達する定時運転曲線の計算方法を説明する。作成した最速運転曲線６０５に対し、ある最高速度６０６を設定し、最高速度６０６を超過している部分は最高速度６０６で走行するものとして、超過部分６０７を除いた運転曲線６０８を構築する。超過部分を定速で走行させると仮定するため、超過部分６０７を走行する為に必要な所要時間は、区間距離／最高速度６０６で簡単に求められ、運転曲線６０８を構築することは容易に行える。出来上がった運転曲線６０８に従って走行した際の所要時間が、（ダイヤ上の次駅到達時刻−現在時刻）に等しい場合、定時に走行可能な定時運転曲線である。定時運転曲線を見つけるためには最高速度６０６を変化させて何通りも計算する必要があるが、所要時間は最高速度６０６に対し明らかに単調減少であるため、２分探索法を用いて計算することで高速に計算する事が出来る。具体的には最高速度６０６をＡ（速い）、Ｃ（遅い）、Ｂ＝｛ＡとＣの平均｝の３つのケースについてそれぞれ運転曲線６０８を構築し、（ダイヤ上の次駅到達時刻−現在時刻）がＡ〜Ｂのケースの間であればＣ＝Ｂ、Ｂ〜Ｃのケースの間であればＡ＝Ｂとして再度計算を続ければ高速に求める事が出来る。

図８は図３で示した本発明の１実施形態である表示画面例に対し、更に定時運転曲線８０１を追加して表示した例である。定時運転曲線８０１と、自列車の走行軌跡８０２を比較することで、加減速判断が容易となる。

また図８における支援情報８０３は、請求項３の実施形態の１つであり、定時運転曲線８０１内の最高速度を示している。支援情報８０３は、図６の最高速度６０６と全く同一であり、定時運転曲線計算時の最高速度６０６を保持しておく事で容易に計算する事が出来る。

ところで、列車はダイヤのうち次駅の到着時刻を参考に運転する必要があるが、次駅到着時刻−現在時刻から得られる残り時間は、次駅に近づくに従って減少していく。また速度＝距離／時間であることから、請求項３記載の定時運転曲線中の最高速度に関しては、次駅に近づくに従って支援速度の変動が大きくなるという問題が考えられる。そこで請求項４では現在速度を最高速度として走行した場合の到着時刻を計算して表示する手段を設けている。

図９は支援情報の切替方法を示したものである。最初に次駅に関する支援情報切替地点情報を読込む（９０１）。次に切替地点より自列車位置が次駅に近いか判定を行い（９０２）、近ければ現在速度を最高速度として次駅の到達時刻を計算する（９０３）。そうでない場合には支援速度の計算を実行する（９０４）。情報の切替を行う事で、変動の少ない支援情報を提供することが可能になり、運転士の負担は軽減される。

図１０は請求項５記載のダイヤ情報が変更した際に定時運転支援情報を更新する具体的な処理手順を示している。最初にダイヤ情報を受信し（１００１）、受信したダイヤ情報が現在のダイヤ情報と異なる場合には（１００２）、ダイヤ情報の入替えを実施する（１００３）。入替えたダイヤ情報は図２の２０８に保持される。そして入替えたダイヤ情報を基に支援速度計算を実施する（１００４）。また１００２においてダイヤ情報が保存されているダイヤ情報と全く同じ場合は、元のダイヤ情報を基に支援速度計算を実施する（１００４）。この処理を定期的に実行する事で、運転士はダイヤ変更をすぐに把握出来、ダイヤ変更後の定時運転支援を実施することで、ダイヤの乱れを事前に防ぐ事が可能である。

本装置は新ＡＴＣ制御下で、加減速の少ない快適運転と、定時運転を実現させるための装置であり、利用可能性は非常に高い。

運転支援装置を含めた列車構成図を示した図。 運転支援装置の処理内容を示した図。 運転支援装置で計算した情報を表示した例。 新ＡＴＣによって生じるブレーキ開始地点の違いを示した図。 運転支援装置によって変わった運転士の判断を示した図。 定時運転を実現する定時運転曲線作成概要を示した図。 運転曲線の計算方法を示した図。 定時運転支援情報を表示した例を示した図。 支援情報の切替えのフロー。 ダイヤ変更時の変更手順を示したフロー。

符号の説明

１０１ 指令装置
１０２ 運転データ作成装置
１０３ 地上装置
１０４ 在線検出装置
１０５ 列車
１０６ ＡＴＣ受信装置
１０７ 運転制御装置
１０８ 位置速度検出装置
１０９ 加速、減速装置
１１０ 運転装置
１１１ 運転データ受信装置
１１２ 列車運転支援装置
１１３ 表示装置
２０１ 運転制御装置
２０２ 停止位置データ
２０３ 自列車位置速度
２０４ 制限速度情報
２０５ 運転データ受信装置
２０６ 線路条件
２０７ 駅間最速運転曲線
２０８ ダイヤ情報
２０９ 車種情報
２１０ ブレーキ曲線計算手段
２１１ ブレーキ曲線
２１２ 最速運転曲線計算手段
２１３ 最速運転曲線
２１４ 支援情報計算手段
２１５ 定時運転支援情報
２１６ 表示合成計算手段
２１７ 表示装置
３０１ 恒久速度制限
３０２ 臨速情報
３０３ 停止曲線
３０４ 勾配
３０５ トンネル
３０６ 自列車
３０７ 走行軌跡
４０１ 速度制限区間
４０２ ブレーキ曲線
４０３ 自列車位置
４０４ 自列車速度が高い場合
４０５ 自列車速度が低い場合
４０６ ブレーキ開始点（自列車速度が高い場合）
４０７ ブレーキ開始点（自列車速度が低い場合）
４０８ ブレーキ開始点の違い
５０１ ブレーキ曲線に間も無く当たるか判断
５０２ 運転続行
５０３ 自列車が十分に減速中か判断
５０４ 運転続行
５０５ 前方の勾配、トンネル情報を参照して減速度を推測
５０６ 加速ノッチ数の減少および減速ノッチ数の増加
６０１ 制限速度区間
６０２ 制限速度区間
６０３ 新ＡＴＣ制御下のブレーキ曲線
６０４ 自列車位置速度
６０５ 最速運転曲線
６０６ 最高速度
６０７ 超過部分
６０８ 最高速度６０６とした場合の運転曲線（定時運転曲線）
７０１ ｎステップ目の位置、速度、経過時間、加減速度、時刻変化
７０２ ｎ＋１ステップ目の運転曲線計算方法
８０１ 定時運転曲線
８０２ 走行軌跡
８０３ 支援速度
９０１ 支援情報切替地点読込み
９０２ 次駅までの最高速度＝現在速度の場合の次駅到達予想時刻を計算
９０３ 支援速度を計算
１００１ ダイヤ情報を受信
１００２ ダイヤ変更判定
１００３ ダイヤ情報更新
１００４ 支援速度計算

Claims (5)

1. 地上装置と車上装置を備える列車制御システムのうち、前記地上装置が自列車に対し特定地点あるいは特定区間の許容速度を送信し、前記車上装置が前記地点や区間情報と許容速度情報を受信して、前記地点や区間までに自列車を許容速度に減速させるためのブレーキ曲線を車上装置側で計算し、ブレーキ曲線を超過した場合は自動的にブレーキが作動する自動列車制御システムにおける列車運転支援装置において、勾配、トンネル、恒久速度制限といった線路条件を保持する手段と、自列車のダイヤ情報を保持する手段と、自列車位置および速度を把握する手段と、自列車の走行軌跡を保持する手段と、前記ブレーキ曲線を計算する手段を有し、前記線路条件、前記ダイヤ情報、前記自列車位置および速度、前記ブレーキ曲線を合わせて表示する手段ならびに表示装置を有することを特徴とする列車運転支援装置。
2. 請求項１記載の自動列車制御システムにおける列車運転支援装置において、請求項１記載の線路条件、ダイヤ情報、自列車位置に加えて、自列車速度、自列車の加減速度性能をもとに、次駅までに定時に到達する定時運転曲線を計算する手段と、計算した前記定時運転曲線を表示装置に表示する手段を有することを特徴とする列車運転支援装置。
3. 請求項２記載の定時運転曲線について、定時運転曲線中の最高速度を検出する手段と、検出した前記最高速度を表示装置に表示する手段を有することを特徴とする列車運転支援装置。
4. 現在速度を最高速度として走行した場合の次駅到達予想時刻を計算する手段と、請求項３記載の最高速度を検出する手段を基に、運転条件に合わせて変動の少ない情報を提供する表示手段を備えたことを特徴とする列車運転支援装置。
5. 請求項１記載の列車運転支援装置に加えて、ダイヤの変更があった場合に変更したダイヤ情報を車上で受信する変更データ受信手段と、前記変更したダイヤ情報と請求項１記載の列車運転支援装置が保持するダイヤ情報が異なることを検出する手段と、変更があったと判断した場合には請求項１記載の列車運転支援装置のダイヤ情報を送信されたダイヤ情報に置き換える手段と、置き換えたダイヤ情報をもとに請求項２記載の運転曲線または請求項３記載の最高速度の計算を行う手段を有することを特徴とする列車運転支援装置。

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