JP5914374B2 - 自動列車運転装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動列車運転装置に関し、特に、無人運転を行う路線、あるいは、列車停車位置の許容誤差が厳格に制限されるプラットホームドアを設置した路線において、列車停車位置を自動的に許容範囲内に制御するため自動列車運転装置に関する。

既存の自動列車運転装置のうち、定位置停止制御（Train Automatic Stop Control：ＴＡＳＣ）について図１を用いて説明する。なお、図１において、横軸は列車を目標位置に停車させるため制御開始地点からのキロ程、縦軸は車両速度である。

列車のブレーキシステムは、一般的に列車駆動用の電動機を発電機として利用し、発生した電力が架線を通じて他の列車の加速などに供される回生ブレーキと、圧縮空気の圧力を利用してシリンダを動作させ、制輪子をブレーキディスクまたは車輪踏面に押し当てることにより発生する摩擦力を利用する空気ブレーキとから構成されている。
省エネルギの観点からは、可能な限り回生ブレーキを利用することが好ましいが、列車型式によっては、車両速度が一定以上の領域でなければ回生ブレーキが有効な制動力を発揮しないため、回生ブレーキが有効となる出力可能下限速度以上で作動させる必要がある。

そこで、ブレーキシステムは、車両速度に応じて、列車の減速に必要なブレーキ力の大部分を回生ブレーキで賄う回生ブレーキ領域（１０１）と、空気ブレーキのみで必要なブレーキ力を賄う空気ブレーキ領域（１０２）に区分して、各ブレーキの制御を行うようになっている。回生ブレーキから空気ブレーキに切り替わる速度を電空切替速度（１０３）といい、一般に１０ｋｍ／ｈ前後である場合が多い。

このようなブレーキ制御システムにより定位置停止制御を行う場合、車両速度は、図１の実線（１０４）のような挙動をする。
すなわち、定位置までの残距離が存在し、車両速度が、列車が停止する寸前の速度に到るまでは、特定のキロ程における目標速度に車両速度をフィードバック制御を行い、ノッチ指令の生成演算に、このフィードバック制御量を用いる閉ループ制御領域（１０５）となる。そして、車両速度が、列車が停止する寸前の一定値以下と場合に、停止時のショックを緩和するため、予め定められたシーケンス制御を行う開ループ制御領域（１０６）に移行する。

一般に、開ループ制御領域（１０６）に移行する車両速度は、１ｋｍ／ｈ〜２ｋｍ／ｈであり、電空切替速度（１０３）と閉ループから開ループへの切替速度を比較すると、電空切替速度（１０３）のほうが高いケースがほとんどである。
そのため、電空切替速度以下となって、空気ブレーキ領域（１０２）に達した後も、空気ブレーキ制御に、開ループへの切替速度に到るまで上述の閉ループ制御が継続して行われることになる。

しかし、空気ブレーキは、圧縮空気の圧力を制御する弁作動に伴う流量特性、偶発的に発生する弁挙動の変動、応答遅れなどが影響して、設計値と実際の出力の差異が大きく、正確な閉ループ制御を行うことが困難である。そのため、所期の停止精度を満たすための調整に多大な工数がかかっていた。
この問題を解決するため、例えば、下記特許文献１には、実際の減速度により検知したブレーキの効き具合と、ブレーキ指令に対して発生する減速度とブレーキ指令切替時の応答時間を示すブレーキ特性モデルに基づいて、所望の目標位置に停止させるためのブレーキ指令を決定するとともに、電気ブレーキから空気ブレーキに切り替る切替速度域においてはブレーキ指令を保持することで、停止精度を向上させ、調整工数を削減する技術が示されている。

特開２０１１−２０５７３８号公報

上述した空気ブレーキの設計値と実際の出力との差異は、特に直前のブレーキ挙動に大きな影響を受ける。この具体例を、図２を用いて説明する。
図２の左側は、ブレーキノッチ指令が２ノッチから１ノッチに遷移（２０１）した場合を示しており、空気ブレーキ力の挙動は実線（２０２）のようになる。

一方、図２の右側に示すように、ブレーキノッチ指令が３ノッチから直接１ノッチに遷移（２０３）した場合は、空気ブレーキ力の挙動が実線（２０４）のようになる。
１ノッチに遷移後、十分時間が経過した後の両者の空気ブレーキ力を比較すると、直前のノッチが２ノッチであったか、あるいは３ノッチであったかによって差異（２０５）が発生し、この例の場合は、３ノッチから１ノッチに遷移した場合の方が、定常状態における空気ブレーキ力が低くなってしまう。
上記従来技術では、空気ブレーキの設計値と実際の出力との差分をリアルタイムに推定することは可能であるが、上述のような直前のブレーキノッチ挙動の違いによる空気ブレーキ力の挙動の違いを予見することはできない。
また、ブレーキノッチ挙動毎に空気ブレーキの挙動を記憶させることも考えられるが、ブレーキノッチの挙動は、様々な要因で偶発性を有し、しかも、直前のノッチ数との組み合わせが多数存在するため現実的とはいえない。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、直前のブレーキノッチ挙動の違い等に起因する空気ブレーキ力の挙動の違いを排除することで、定位置停止精度を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、予め定められた停止位置範囲に列車を停止させる自動列車運転装置において、列車の車両速度が、高速領域から回生可能下限速度以上の切替速度に到るまでは、回生ブレーキにより制動力制御を行い、この切替速度に到った時点で、機械式ブレーキを所定のブレーキノッチに固定して列車を停止させるようにした。
その際、機械式ブレーキにより実際に得られる最大減速度と最小減速度をブレーキノッチ毎に推定し、最大減速度で停止位置範囲の後方側限界地点に停止した場合の減速特性と、最小減速度で前記停止位置範囲の前方側限界地点に停止した場合の減速特性とに基づいて、この切替速度を決定すると、さらに定位置停止精度を向上させることができる。

本発明によれば、種々の要因により、各ブレーキノッチ毎に機械式ブレーキで得られる減速度にばらつきが発生したとしても、両者間で規定される領域内に確実に収まるよう設定され、定位置停止精度を向上することができる。
上記した以外の課題、解決手段及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、従来のＴＡＳＣ制御を示す模式図である。 図２は、直前のノッチの相違による空気ブレーキ力の挙動の一例を示す模式図である。 図３は、実施例１におけるシステム構成図である。 図４は、実施例１における電空切替地点決定部の処理の流れを示したフロー図である。 図５は、実施例１における車両速度の挙動を表す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

［実施例１］
図３は、実施例１の機器構成図であり、この図を用いて本実施例のシステム構成を説明する。
自動列車運転装置（３０１）に含まれる減速度推定部（３０２）は、電動機の回転軸端あるいは車軸端に取り付けられたパルスジェネレータのような速度センサ（３０３）から車両速度（３５１）を取得する。また列車の制御を司る編成制御装置（３０４）から出力されるノッチ（３５２）を取得する。

減速度推定部（３０２）は、車両速度の推移から、図５に示される空気ブレーキ領域（５０５）において、空気ブレーキにより得られる減速度をノッチ毎に算出する。
ここで減速度とは、例えば、ブレーキノッチが１Ｎ〜７Ｎ（１Ｎが最も弱いブレーキノッチであり、段数が増えるにつれ強力な制動力が得られる）の７段に設定されている場合、ブレーキ解放状態から各ブレーキノッチを投入した際に得られる定常的な減速特性であり、この実施例では、ブレーキ投入後、列車が停止するまでのキロ程に対する車両速度推移を用いている。

各ブレーキノッチで得られる減速度は、列車型式のみならず、列車毎に個別に異なり、さらに気象条件や経年劣化などの外乱の影響により毎回異なり、ばらつきが発生する。
そこで、減速度推定部（３０２）は、例えば、ブレーキ解放状態から各ブレーキノッチを投入した際、得られる減速度のうち、減速度が最も小さい値（停止するまでのキロ程が最も長くなる減速度）を最小減速度（３５３）とし、最も大きい値（停止するまでのキロ程が最も短い減速度）を最大減速度（３５４）として、ノッチ毎に算出し、電空切替地点決定部（３０５）に送信する。すなわち、最小減速度（３５３）、最大減速度（３５４）は、種々の要因により各ブレーキノッチで得られる減速度にばらつきが発生したとしても、両者間で規定される領域内に確実に収まるよう設定される。
減速度の推定は、例えば、回送時を利用した試験運転により行うが、毎回行う必要はなく、１日、１カ月単位など任意に設定してよいが、減速度は、晴天時、雨天時など、気候条件毎に推定することが好ましい。
なお、近年の列車には、応荷重制御が組み込まれており、乗客の多寡等による車両重量の変化にかかわらず、ブレーキノッチに対応した減速度が得られるよう、自動的に調整されるようになっている。

電空切替地点決定部（３０５）は、減速度推定部（３０２）により求めた最小減速度（３５３）と最大減速度（３５４）、回生ブレーキの出力可能下限速度である回生可能下限速度、停止許容範囲から停止許容範囲に停止可能なブレーキノッチと回生ブレーキから空気ブレーキへ切り替える地点である電空切替地点（キロ程、車両速度）を決定する。その処理フローの詳細については、図４を用いて後述する。
なお、電空切替地点はキロ程・速度の組み合わせ以外で保持してもよく、例えば、駅停止までの距離・車両速度でもよい。要は、電空切替地点が判定できればよく、その形式は問わない。

電空切替地点決定部（３０５）は、電空切替地点（３５５）を目標パターン決定部（３０６）と電空切替地点判定部（３０７）に送信し、後述するように、空気ブレーキに対し、停止許容範囲に停止可能なブレーキノッチを固定ブレーキノッチ（３５６）として出力する。
目標パターン決定部（３０６）は、所定減速度の走行パターンを保持しており、この走行パターンが、電空切替地点（３５５）を通過するように修正を行い、目標パターン（３５７）としてノッチ算出部（３０８）に送信する。

現在位置算出部（３０９）は、車両速度（３５１）をもとに現在位置（３５８）を算出し、電空切替地点判定部（３０７）とノッチ算出部（３０８）に送信する。

ノッチ算出部（３０８）は、回生ブレーキ領域において、目標パターン（３５７）と車両速度（３５１）、現在位置（３５８）をもとに、列車を目標パターン（３５７）に追従させるようにノッチ指令を算出する。ノッチの算出は比例制御が一般的に用いられるが、本発明ではノッチの算出方法は問わない。

電空切替地点判定部（３０７）は、電空切替地点（３５５）と車両速度（３５１）、現在位置（３５８）から列車が電空切替地点（３５５）に到達したか否かを判定する。列車が電空切替地点（３５５）に到達すると、空気ブレーキのみでのブレーキとなるように、回生ブレーキの出力をカットする回生ブレーキカット指令（３５９）を編成制御装置（３０４）に送信する。加えて、自動列車運転装置からのノッチ出力（３６０）を、ノッチ算出部（３０８）で算出した回生ブレーキ時に指令されたノッチ（３６１）から、電空切替地点決定部（３０５）で決定した停止許容範囲に停止可能な固定ブレーキノッチ（３５６）に切り替えるノッチ切替指令（３６２）を出力する。

自動列車運転装置（３０１）は、ノッチ切替指令（３６２）が出力されている間は、固定ブレーキノッチ（３５６）をノッチ出力（３６０）とする。編成制御装置（３０４）は、ノッチ出力（３６０）に基づいて、インバータ制御装置及び空気ブレーキ制御装置をそれぞれ制御する。

図４は、図３における電空切替地点決定部（３０５）内での処理の流れを示し、以下に説明するステップ４０１〜ステップ４１０により、電空切替地点と固定ブレーキノッチを決定する。

（ステップ４０１）
停止許容範囲は、予め定められた目標停止位置を基準として列車の進行方向手前側(short側)と奥側(over側)にある程度の幅を持って設定される。ここで、手前側の地点を停止位置後方側限界地点Ｓ(short側)と定義し、奥側を停止位置前方側限界地点Ｏ(over側)と定義する。一般的に、両者間で規定される停止許容範囲は７０ｃｍ程度で設定されることが多いが、路線、駅によって停止許容範囲は任意に定められる。
そこで、電空切替地点決定部（３０５）はまず、次駅の停止許容範囲を取得し、ステップ４０２に進む。

（ステップ４０２）
回生ブレーキが出力可能な最低速度である回生可能下限速度を取得し、ステップ４０３に進む。なお、回生可能下限速度は、列車の車両型式によっても異なるが、一般的には、１０ｋｍ／ｈ前後に設定される。

（ステップ４０３）
列車に設定されているブレーキノッチのうち、低位側（例えば、ブレーキノッチ１Ｎ）から順に選択し、ステップ４０４に進む。

（ステップ４０４）
ステップ４０３で選択したブレーキノッチに対応する最小減速度（３５３）を、減速度推定部（３０２）から取得する。
次に停止位置前方側限界地点Ｏ(over側)から、最小減速度（３５３）で減速した場合の走行パターンを、停止位置前方側限界地点Ｏからキロ程を遡り、逆引きすることで最小減速度パターンを作成し、ステップ４０５に進む。
本実施例の場合、最小減速度パターンは、例えば、キロ程・車両速度という組み合わせで保持される。

（ステップ４０５）
ステップ４０３で選択したブレーキノッチに対応する最大減速度（３５４）を減速度推定部（３０２）から取得する。
次に停止位置後方側限界地点Ｓ(short側)から、最大減速度（３５４）で減速した場合の走行パターンを、停止位置後方側限界地点Ｓからキロ程を遡り、逆引きすることで最大減速度パターンを作成し、ステップ４０６に進む。
本実施例の場合、最大減速度パターンも、例えば、キロ程・車両速度という組み合わせで保持される。

（ステップ４０６）
最小減速度パターンと最大減速度パターンが交わる点を算出し、ステップ４０７に進む。算出された交点も、例えば、キロ程・車両速度という組み合わせで保持され、後述するようにこれらの交点の中から、電空切替地点（３５５）が選定される。

（ステップ４０７）
列車に設定されているブレーキノッチすべてで交点を算出したか否かを確認する。交点を算出していないブレーキノッチがある場合はステップ４０３に戻り、交点の算出を繰り返す。すべての交点を算出した場合はステップ４０８に進む。

（ステップ４０８）
交点の車両速度が回生可能下限速度より高いか否かをブレーキノッチ毎に判定する。
交点の車両速度が回生可能下限速度以下の場合、回生ブレーキによる減速が不可能であるため、この交点の車両速度まで回生ブレーキを作動させることができない。そこで、交点の車両速度が回生可能下限速度より高いブレーキノッチのみをステップ４０９に受け渡す。

（ステップ４０９）
ステップ４０８で選別されたブレーキノッチに対して、それぞれの交点のキロ程と停止位置のキロ程から、停止位置と交点の距離を算出する。
停止位置からの距離があらかじめ規定された規定距離の範囲内であるか否かを判定し、規定距離範囲内であるブレーキノッチのみ、ステップ４１０に受け渡す。空気ブレーキ領域が長いと低速域での走行が多くなり、走行時分が増大する。一方、空気ブレーキ領域が短いと高い減速度でのブレーキとなり、乗り心地が悪化する。乗り心地を優先する場合は、停止位置からの規定距離は、例えば、ダイヤを満たす範囲でなるべく長くなるように設定する。なお、規定距離の決定方法は一例であり、その他の方法を用いてもよいことは言うまでもない。

（ステップ４１０）
停止位置からの距離があらかじめ規定された規定距離範囲内であるブレーキノッチのうち、例えば最も低位側のブレーキノッチを固定ブレーキノッチとして出力する。なお、固定ブレーキノッチが一意に決定できればよく、低位側・高位側などの条件は問わない。

次に、実施例１における車両速度の挙動について図５を用いて説明する。
初めに、回生ブレーキ領域（５０１）では、ステップ４０６で決定された電空切替地点（３５５）に到るよう、目標パターン（５０２）に追従するようフィードバック制御を行うことにより列車を制御する。
回生ブレーキは一般に制御性能がよいため、ほとんど目標パターンを一致した走行軌道（５０３）を描くこととなる。

その後、電空切替地点（５０４）に到達すると、空気ブレーキ領域（５０５）となり、ステップ４１０で決定された固定ブレーキノッチで減速を開始する。
自動列車運転装置から回生ブレーキカット指令が出力されるため、車両速度が回生可能下限速度（５０６）に到達していなくても空気ブレーキのみに切り替わる。
固定ブレーキノッチで発生する実減速度は、最小減速度と最大減速度の間となるため、最小減速度パターン（５０７）と最大減速度パターン（５０８）に囲まれた範囲で列車は軌跡（５０９）を描くこととなる。
その結果、停止位置後方限界地点Ｓ(short側)（５１０）と停止位置前方限界地点Ｏ(over側)（５１１）の間の停止許容範囲（５１２）に列車が停止することとなる。このように本発明の実施により、低速域で制御性能が低い空気ブレーキを用いても、列車を定位置に停止させることができる。

また、列車にはブレーキノッチの入力から実際に列車が減速し始めるまでに無駄時間や一次遅れが存在し、ブレーキノッチが頻繁に切り替わる状態において減速度を推定することは難しかった。本実施例では、空気ブレーキ領域においてブレーキノッチを固定することにより減速度の推定が容易になるという利点も存在する。

［実施例２］
実施例１では、減速度の推定・電空切替地点の決定・目標パターンの決定までをリアルタイムに車上で実施したが、実施例２ではオフラインで実施する。列車の減速性能は急激には変化しないため、予め列車を用いて減速度の測定を実施することにより、減速度と電空切替地点、目標パターンを事前に決定することができる。このようにすれば車上に搭載するソフトウェアの容量や計算量を減らすことができる。この実施例においても、天候等で得られる減速度が変化する場合、天候毎に減速度の測定を実施しておき、運行時の天候等に応じて、減速度、電空切替地点、目標パターンを事前に決定するようにすればよい。

［実施例３］
列車の減速性能は、経年劣化やブレーキシューの摩耗などにより変動することが考えられる。したがって、実施例１、２においてブレーキノッチを固定していても停止位置が徐々に変化することが考えられる。
そこで、この実施例では、停止位置の変化が所定値以上になった場合に、列車のブレーキ性能が変化していることを通知する機能や、減速度推定部（３０２）により最大減速度、最小減速度を推定する際、学習補正を行う機能を実施例１、２に付加させる。
このようにすれば、通知があればブレーキシューなどの点検を実施すればよく、定期的に行う必要がなくなりメンテナンスコストの低減につながる。

また、実施例１では減速度を常に推定していることから、空気ブレーキ中の減速度が所定値以上変化した場合に通知するようにしてもよい。
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、電空切替地点の決定や、最大減速度、最小減速度の推定にさまざまな手法を利用するなど様々な変形例が含まれる。

１０１ 回生ブレーキ領域
１０２ 空気ブレーキ領域
１０３ 電空切り替え速度
１０４ 車両速度
１０５ 閉ループ制御領域
１０６ 開ループ制御領域
２０１ ブレーキノッチ挙動（２Ｎ→１Ｎ）
２０２ 空気ブレーキ力挙動（２Ｎ→１Ｎ）
２０３ ブレーキノッチ挙動（３Ｎ→１Ｎ）
２０４ 空気ブレーキ力挙動（３Ｎ→１Ｎ）
２０５ 空気ブレーキ力差異
３０１ 自動列車運転装置
３０２ 減速度推定部
３０３ 速度発電機
３０４ 編成制御装置
３０５ 電空切替地点決定部
３０６ 目標パターン決定部
３０７ 電空切替地点判定部
３０８ ノッチ算出部
３０９ 現在位置算出部
３５１ 車両速度
３５２ ノッチ
３５３ 最小減速度
３５４ 最大減速度
３５５ 電空切替地点
３５６ 固定ブレーキノッチ
３５７ 目標パターン
３５８ 現在位置
３５９ 回生ブレーキカット指令
３６０ 自動列車運転装置からのノッチ出力
３６１ ノッチ算出部からのノッチ
３６２ ノッチ切替指令
５０１ 回生ブレーキ領域
５０２ 目標パターン
５０３ 走行軌道
５０４ 電空切替地点
５０５ 空気ブレーキ領域
５０６ 回生可能下限速度
５０７ 最小減速度パターン
５０８ 最大減速度パターン
５０９ 軌跡
５１０ 停止位置後方側限界地点Ｓ(short側)
５１１ 停止位置前方側限界地点Ｏ(over側)
５１２ 停止許容範囲

Claims (6)

1. 予め定められた停止位置範囲に列車を停止させる自動列車運転装置において、
   前記列車の車両速度が、高速領域から回生可能下限速度以上の切替速度に到るまでは、回生ブレーキにより制動力制御を行い、前記切替速度に到った時点で、機械式ブレーキを所定のブレーキノッチに固定して列車を停止させることを特徴とする自動列車運転装置。
2. 請求項１に記載の自動列車運転装置において、
   前記機械式ブレーキにより実際に得られる最大減速度と最小減速度をブレーキノッチ毎に推定し、当該最大減速度及び最小減速度に基づく停止位置が、前記停止位置範囲に収まるよう、前記切替速度を決定することを特徴とする自動列車運転装置。
3. 請求項２に記載の自動列車運転装置において、
   前記最大減速度で前記停止位置範囲の後方側限界地点に停止した場合の減速特性と、前記最小減速度で前記停止位置範囲の前方側限界地点に停止した場合の減速特性とに基づいて、前記切替速度を決定することを特徴とする自動列車運転装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の自動列車運転装置において、
   前記機械式ブレーキのノッチを、ダイヤ上の運行時間と乗り心地に基づいて決定することを特徴とした自動列車運転装置。
5. 請求項２から４のいずれか１項に記載の自動列車運転装置において、
   実際に得られた停止位置の変化により、前記最大減速度及び最小減速度を補正する手段を有することを特徴とする自動列車運転装置。
6. 請求項２から５のいずれか１項に記載の自動列車運転装置において、
   実際に得られた停止位置の変化により、前記機械式ブレーキにより実際に得られる減速度の変化を検知し、通知する手段を有することを特徴とする自動列車運転装置。

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