JPWO2010044448A1 - 車両運転装置 - Google Patents

Abstract

列車の挙動を細かく制御でき、効率の良い停止制御が実現できる自動列車運転装置（２）を提供する。また、自由度が高い複数の目標設定により、様々な運用形態や要求に容易に対応することができる自動列車運転装置（２）を提供する。自動列車運転装置（２）は、列車（１）を定位置に停止させるまでに順に達成すべき位置と速度との組合せからなる複数の目標を目標設定部（３２）により設定し、設定された複数の目標を達成すべき制御目標として順に切替える。自動列車運転装置（２）は、制御指令部３３により切替られた制御目標を達成するための制御命令を算出し、算出した制御命令により当該車両の運転を制御する。さらに、自動列車運転装置（２）は、制御目標が達成された場合、次に切替られる制御目標に対する制御命令を再び算出し、算出した制御命令により当該車両の運転を制御する。

Description

本発明は、たとえば、列車などを車両を所定の位置に停止させるための定位置停止制御を自動で行う車両運転装置に関するものである。

近年、列車などの車両の均一な運転を維持し、かつ、運行遅延を低減するため、車両運転装置が提案されている。たとえば、列車の自動運転装置では、所定の位置に列車を停止させるための定位置停止制御等の運転制御を行う。近年の高密度化の傾向にある列車の運用ダイヤにおいては、ある列車が所定の停止位置を過走してしまうと、当該列車の停止位置を調整するため、列車運行遅延の原因となる。また、各駅のホームにおける乗客の安全のため、各駅のホームにホームドアと呼ばれるドアの設置が進んでいる。このようなホームドアが駅のホーム側に設置されると、列車は、ホームドアの設置位置に合わせて精度良く停止する必要がある。

従来の車両運転装置では、目標とする地点を設定し、その目標地点に当該車両に停止させるための制御を行うものが多い。たとえば、従来の車両運転装置としては、現在の制御命令と保持した場合の制御結果と現在の制御命令を所定量変化させた場合の制御結果とを比較することにより、当該車両に実際に与える制御命令を決定する技術が開示されている（たとえば、特許文献１）。

しかしながら、近年では、さらなる制御精度の向上が要求されることが多くなってきている。たとえば、列車を定位置に停止される制御には、高度な精度を確保することが求められてきている。さらに、近年では、輸送力を阻害することがない様に、ある地点を通過してから停止までに要する時間を短縮化したいという要求も大きくなってきている。また、乗り心地あるいは運用形態などを考慮して、車両を減速させる時間を状況に応じて変化させたいという要求がある場合もある。

特開平３−１１７３０５号公報

本発明の一形態は、上記事情に鑑みてなされたものであり、効率の良い停止制御あるいは自由度の高い停止制御が実現できる車両運転装置を提供することを目的とする。

この発明の一形態としての車両運転装置は、車両が定位置に停止するまでに順に達成すべき複数の目標をそれぞれ位置及び速度の組合せで設定する設定手段と、前記設定手段により設定された複数の目標を達成すべき制御目標として順に切替える切替手段と、前記切替手段により切替られた制御目標を達成するための制御命令を算出し、算出した制御命令により当該車両の運転を制御する制御手段とを有する。

本発明の一形態によれば、効率の良い停止制御あるいは自由度の高い停止制御が実現できる車両運転装置を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る自動列車運転装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、１つの定位置を停止位置目標とした場合の制御例を示す図である。 図３は、複数の目標を順に制御目標とした場合の制御例を示す図である。 図４は、各目標を達成するための制御例を説明するためのである。 図５は、自動列車運転装置における運転制御としての定点制御の動作例を説明するためのフローチャートである。 図６は、各目標に対する許容範囲の設定例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車両運転装置としての自動列車運転装置２と自動列車運転装置２が搭載される車両としての列車１の構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、列車１には、自動列車運転装置２、速度発電機（ＴＧ）１１、車上子１２、駆動装置１３、制動装置１４、ＡＴＣ装置１５、ＡＴＣ受信器１６が搭載されている。上記速度発電機１１、上記車上子１２、上記駆動装置１３、上記制動装置１４、上記ＡＴＣ装置１５および上記ＡＴＣ受信器１６は、自動列車運転装置２により運転が制御される列車１に搭載されるハードウエアである。

自動列車運転装置２は、データベース２１、速度及び位置検出部３１、目標設定部３２、および、制御指令部３３などを有している。このような構成の自動列車運転装置２は、たとえば、列車１の先頭車両に搭載される。上記データベース２１は、列車１に搭載された記憶装置により構成される。上記速度及び位置検出部３１、上記目標設定部３２、および、上記制御指令部３３は、各ハードウエアに接続された演算回路などにより実現される。

上記速度発電機１１は、車輪の回転軸に取り付けられたタコジェネレータ（ＴＧ）により構成されている。上記速度発電機１１により検出される信号により、当該列車１の速度が特定される。上記車上子１２は、軌道上に設置された地上子（トランスポンダ）からの信号を検出する。上記車上子１２により検出される信号により、当該列車１の車両位置が特定される。

上記駆動装置１３は、当該列車１を走行させるための装置である。当該列車１は、上記駆動装置１３により加速され、走行される。上記制動装置１４は、当該列車１を制動させるための装置である。当該列車１は、上記制動装置１４により減速され、停止される。上記制動装置１４は、たとえば、電気ブレーキ（回生ブレーキ）と空気ブレーキ（摩擦ブレーキ）とにより構成される。この場合、上記制動装置１４は、電気ブレーキおよび空気ブレーキとを適宜切替えて列車１を停止させる制御なども行われる。

上記ＡＴＣ装置１５は、当該列車１の過走を防護するための装置である。上記ＡＴＣ装置１５には、当該列車１の走行する軌道上としてのレールから発信される信号を受信するＡＴＣ受信器１６が接続されている。上記ＡＴＣ装置１５は、上記ＡＴＣ受信器１６を介して受信する信号により制限速度を判断するとともに、車軸に設けられた速度発電機１１が受信する信号により現在の速度を判断する。上記ＡＴＣ装置１５は、現在の速度が制限速度以上になると、上記制動装置１４に対して非常ブレーキ指令を出力する。また、上記ＡＴＣ装置１５は、上記ＡＴＣ受信器１６を介して受信した信号から得られる情報を目標設定部３２あるいは制御指令部３３へ通知する。

上記データベース（ＤＢ）２１は、当該列車１の走行時に利用する種々のデータを記憶する。たとえば、上記データベース２１には、路線データ、動特性データ、制御データなどが記憶されている。上記路線データは、当該列車１が走行する路線に関するデータである。上記路線データには、たとえば、車上子が検出した信号により路線上の現在位置を特定するための情報、各駅の停止目標位置を示す情報、勾配を示す情報、あるいは、曲線を示す情報などの情報が含まれる。

また、上記動特性データは、当該車両の試験走行および設計仕様などに基づいて設定される当該車両のブレーキ特性などの動特性を示すデータである。たとえば、動特性データには、ブレーキの強さを示すノッチ指令値に対応する列車１の加速度および減速度の標準値（初期値）、ノッチ指令に対する応答遅れ、車両重量、乗車率、勾配抵抗式あるいは曲線抵抗式の係数などの情報が含まれる。すなわち、上記データベース２１に記憶されている情報、現在位置及び現在速度を用いて、当該車両が目標地点を目標速度で通過するような制御内容が行えるようになっている。

上記速度及び位置検出部３１は、速度検出手段あるいは位置検出手段として機能し、速度を示す信号（速度検出信号）及び位置を示す信号（位置検出信号）を出力する。たとえば、上記速度及び位置検出部３１は、上記速度発電機１１からの信号入力に基づいて速度を検出し、検出した速度を示す情報を速度検出信号として出力する。また、上記速度及び位置検出部３１は、軌道上に配置された地上子からの信号を上記車上子１２を介して入力し、速度発電機１１から入力した信号と地上子から入力した信号とに基づいて現在位置を検出し、検出した現在位置を示す情報を位置検出信号として出力する。

上記目標設定部３２は、目標となる地点および速度を適宜設定する。ここでは、上記目標設定部２３は、目標地点だけではなく、目標地点と目標地点における目標速度との組合せからなる目標を設定する。また、上記目標設定部３２が設定する目標は、予めデータベース２１などの記憶装置に記憶しておくようにしても良いし、任意のタイミングで適宜算出するようにしても良い。たとえば、所定の速度で走行している車両を駅の定位置に停止させる制御では、最終的な停止位置目標、および、最終的な停止位置目標に至るまでの路線データが予めほぼ決まっている。従って、通常運転時における所定位置への停止制御については、最終的な停止位置で停止するまでの複数の目標をデータベース２１に記憶しておくようにすれば良い。

また、任意のタイミングで当該列車１を停止あるいは減速する場合、上記目標設定部３２は、当該列車１の停止位置あるいは減速度を最終的な目標に制御するための複数の目標を適宜算出する。この場合、上記目標設定部３２は、最終的な停止位置あるいは減速度に至るまでの複数の目標を設定する。最終目標へ至るまでの目標数あるいは各目標間の幅は、別途設定されるものとする。ただし、目標数あるいは各目標間の幅は、多ければ多いほど精度が向上する可能性はあるが、目標数が多すぎると、ノッチの切替が頻繁となって乗り心地が悪化したり、運転制御が複雑となったりする。このため、上記目標設定部３２は、当該列車１を乗り心地良く、かつ、効率的に停止位置を制御する目標数あるいは目標幅を別途算出するようにしても良い。

上記制御指令部３３は、駆動装置１３および制動装置１４へ制御指令を与えるものである。上記制御指令部３３は、各部から供給される情報に基づいて駆動装置１３および制動装置１４を制御することにより当該列車１の運転制御を行う。上記制御指令部３３は、上記目標設定部３２から制御目標が与えられるごとに、当該制御目標を達成するための走行計画を算出し、その算出した走行計画に沿って制動装置１４に制御指令を与える。本自動列車運転装置２では、上記目標設定部３２は、最終的な目標（例えば停止位置）に至るまでの複数の目標を設定する。これらの目標から上記制御指令部３３が実際に制御目標が順に切替えられる。つまり、制御目標は、１つの目標が達成されるごとに次の目標を順に切替えられる。このため、上記制御指令部３３による制御も、１つの目標を達成したら、次の制御目標をめざす制御に切替えられる。

次に、上記自動列車運転装置２による定点停止制御の原理について詳細に説明する。
図２は、１つの定位置を停止位置目標とした場合の制御例を示す図である。
図２に示す例では、目標地点Ｔに対して点線で示すパターンに沿うように減速を制御する。この場合、図２に矢印で示すように、点線に示すパターンに前後する誤差が生じることが想定される。図２に示すような制御目標に対する誤差は、制御目標が現在地点から遠い地点であればあるほど、大きくなる（精度が悪くなる）ものと予想される。また、制御目標が現在地点から遠い地点であればあるほど、制御自体も難しくなる。たとえば、点線のようなパターンに沿わせる制御を行う場合、制御目標が現在地点から遠い地点であればあるほど目標のパターンに対するふらつきも大きくなることがあると予想される。

これに対して、図３は、第１目標Ｔ１、第２目標Ｔ２、第３目標（停止位置目標）Ｔ３を順に制御目標とした場合の制御例を示す図である。
図３に示す例では、各目標は、それぞれ位置と速度との組み合わせで特定される。なお、位置ｘをｘ軸とし、速度ｖをｙ軸とすると、各目標Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、ｘｙ座標で示される。たとえば、第１目標Ｔ１を（ｘ１、ｖ１）とし、第２目標Ｔ２を（ｘ２、ｖ２）とし、第３目標Ｔ３を（ｘ３、ｖ３＝０）と表される。

図３に示すように、最終的な目標へ至るまでに達成されるべき複数の目標を設定すれば、それらの各目標間は大きく離れた値とならないと考えられる。従って、順次切り替えられる目標に従って制御される列車１の現在位置および現在速度は、現在の制御目標に対して大きく離れた値とはならない。これは、各目標を達成するための制御が容易であり、かつ、各目標に対して一定以上の精度が期待（あるいは保証）できることを意味する。

つまり、本自動列車運転装置２では、図３に示すような複数の目標を順に達成していく制御によって、停止位置などの最終的な目標に対しても高い精度を達成することが可能となる。なお、各目標を達成するための制御としては、図４（ａ）に示すように、列車１の位置及び速度が制御目標としての位置および速度になるような制御が適用される。また、各目標を達成するための制御としては、図４（ｂ）に示すように、制御目標を基準とするパターン（図４（ｂ）に点線で示すパターン）に沿わせるような制御であっても良い。

上記のように、本自動列車運転装置２では、順次切替られる複数の目標を設定することにより、高速域から所定の定位置に停止するまでの列車１の挙動を細かく制御できる。このため、効率の良い停止制御が実現でき、所定の運行ダイヤに添った着実な停止制御を実施することができる。また、特定の地点を通過する際の通過精度を確保することができるため、現状よりさらに精度をあげる効果が期待できる。たとえば、落とし込み地点を狭めることにより、余裕距離を短くすることができ、より追い込むことができる。

さらに、上記のような停止制御によれば、各目標の設定に対する自由度が高いため、様々な運用形態や要求に容易に対応することが可能である。たとえば、乗り心地を優先する停止制御を行う場合、停止直前の低速域における減速期間に長い時間をかけるような目標を設定することにより、ゆっくり停止するような乗り心地の良い停止制御が容易に実現できる。また、停止時間の短縮を優先する場合、高速域における減速度合いを大きくする目標と低速域では一定の乗り心地を維持できるような目標とを設定することにより、一定の乗り心地を維持しつつ短時間での停止制御を実現できる。

また、上述したような各目標には、許容範囲を持たせても良い。たとえば、図３に示す例では、停止位置などの最終的な目標Ｔ３以外の第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２には、許容範囲を持たせても良い。すなわち、第１目標Ｔ１の距離ｘ１に対する許容範囲をβ１とし、第１目標Ｔ１の速度ｖ１に対する許容範囲をα１とすると、第１目標Ｔ１に対して実際に達成すべき値が（ｘ１±β１、ｖ１±α１）となる。また、第２目標Ｔ２の距離ｘ２に対する許容範囲をβ２とし、第２目標Ｔ２の速度ｖ２に対する許容範囲をα２とすれば、第２目標Ｔ２に対して実際に達成すべき値が（ｘ２±β２、ｖ２±α２）となる。ただし、最終的な目標Ｔ３は、停止位置であるため許容範囲を設けない。

第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２に許容範囲を持たせると、制御が容易になる。第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２は、最終的な目標Ｔ３に至るまで通過目標である。言い換えると、通過目標（たとえば、第１目標Ｔ１、第２目標Ｔ２）は、それらの目標を高精度で達成するために複雑な制御を行うことよりも、最終的な目標（例えば、第３目標Ｔ３）を達成するために効率的かつ円滑な制御を行うことが重要であると考えられる。したがって、通過目標としての第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２の距離と速度とに許容範囲を持たせることにより、最終的な目標としての第３目標を達成するための全体の制御が効率的かつ容易にすることが可能である。

図６は、第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２に対する許容範囲の設定例を示す図である。
図６に示すように、図３に示す各目標に許容範囲を与える場合、第１目標Ｔ１に対する許容範囲は、第２目標Ｔ２に対する許容範囲よりも広い値を設定することが好ましい。すなわち、各目標が最終目標を達成するために設定されているものであるから、最終目標に至るまでの各目標は、最終目標に近づけば近づくほど許容範囲をせまくすることが効率的であると考えられる。したがって、図３に示す第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２に対する許容範囲は、図６に示すように、α１＞α２、β１＞β２を満たす値が好ましいと考えられる。

さらに、実際の列車の制御は常に速度と距離との組合せで行うべきであるため、目標に対する許容範囲も速度と距離との組み合わせで設定するのが好ましい。たとえば、単純に距離と速度とにそれぞれ一定の許容範囲を設定すると、実際の目標値に向かって理想的な制御が行われている場合であっても、許容範囲内に達した時点で目標が達成されたこととなる。このような状況を鑑みると、図３に示す第１目標Ｔ１および第２目標Ｔ２に対する許容範囲としては、各目標を中心とする単純な矩形の領域ではなく、図６に示すような許容範囲を設定することが好ましい。

また、最終目標以外は、各目標の達成が次の目標への制御の切替えである。この点から考察すると、図６に示すような許容範囲の設定では、実際の制御が各目標に対する理想的な制御からずれている場合、許容範囲内であれば、早期に目標への制御に切り替えることができる。これに対して、図６に示すような許容範囲の設定では、実際の制御が目標に対して理想的な制御に近ければ近いほど、目標に近い点で次の目標への制御に切り替えるようにできる。このような制御は、最終的な目標を高精度で達成するという観点からすれば、効率的な制御であるとも言える。

次に、上記自動列車運転装置２における運転制御について説明する。
図５は、上記自動列車運転装置２における運転制御としての定点制御の動作例を説明するためのフローチャートである。
まず、上記自動列車運転装置２が、列車１をある駅に停止させる制御を開始したものとする。停止する駅に関する情報は、上記データベース２１に記憶されている。たとえば、上記データベース２１には、当該駅における所定の停止位置としての定位置を示す情報が記憶されているものとする。

このような最終的な停止位置としての定位置を示す情報が得られると、上記目標設定部３２は、当該列車１を定位置に停止させるまでの複数の目標を設定する設定処理を行う（ステップＳ１１）。この設定処理は、定位置に至るまでに順に達成すべき複数の目標を決定する処理である。
上記のような複数の目標は、各定位置に対応づけてデータベース２１に記憶しておくようにしても良い。たとえば、通常の運転状態において駅の定位置に列車１を停車する制御に用いる複数の目標は、予めデータベース２１などに記憶されているもの方が効率化良いと考えらえる。この場合、上記目標設定部３２は、上記データベース２１から当該駅の定位置に対応する複数の目標を読み出して設定する。

また、上記のような複数の目標は、上記目標設定部３２が算出するようにしても良い。この場合、上記目標設定部３２は、列車１の現在位置、列車１の現在速度、現在位置から定位置までの路線データ、および、当該列車１の車両データなどに基づいて上記駅の定位置を最終的な停止目標位置をとする複数の目標を算出して設定する設定処理を行う。さらに、上記目標設定部３２では、上記設定処理において、効率の良い制御を実現できる各目標間の間隔を算出するようにしても良い。この場合、各目標間の間隔としては、たとえば、各目標における目標位置の間隔、あるいは、位置および速度の２次元空間における距離などが考えられる。

上記目標設定部３２により複数の目標が設定されると、上記制御指令部３３は、設定された複数の目標のうち最初の目標を現在の制御目標として停止制御を行う（ステップＳ１２）。すなわち、上記制御指令部３３は、現在が制御目標を達成するための走行計画を算出し、算出した走行計画に従って当該列車１の運転（停止）を制御する。このような運転制御状態において、上記目標設定部３２あるいは上記制御指令部３３は、当該列車１の状態変化を監視している。

たとえば、当該列車１が駅に停止した場合（実際には最終の目標が達成された場合）（ステップＳ１３、ＹＥＳ）、上記目標設定部３２は、次の駅までの区間において次の駅の所定の定位置を最終的な停止目標とする複数の目標を設定する（ステップＳ１４）。この場合、上記ステップＳ１２からの処理を実行することより次の駅の定位置に停止する制御が実行できる。すなわち、上記目標設定部３２は、駅での停車時に、次の区間における複数の目標を算出し、それらの目標を設定する機能を有している。

また、ＡＴＣ装置１５がＡＴＣ受信器１６により受信するＡＴＣ信号が変化した場合（ステップＳ１５、ＹＥＳ）、上記目標設定部３２は、上記ＡＴＣ信号により通知された条件に従って上記ステップＳ１１で設定した複数の目標を再設定する処理を行う（ステップＳ１６）。すなわち、上記目標設定部３２は、ＡＴＣ信号に応じて走行中に設定済みの目標を再設定する処理を行う機能を有している。

また、現在の制御目標を達成した場合、上記目標設定部３２は、上記ステップＳ１１で設定した複数の目標のうち、達成した目標の次の目標を制御目標に切替える（ステップＳ１８）。この場合、上記目標設定部３２は、制御指令部３３に対して切替えた制御目標を通知する。これにより、上記制御指令部３３は、切替られた目標を現在の制御目標として停止制御を行う（ステップＳ１２）。すなわち、上記制御指令部３３では、切替られた制御目標を達成するための走行計画を算出し、算出した走行計画に従って当該列車１の運転（停止）を制御する。

また、制御指令部３３は、駆動装置１３および制動装置１４からの情報に基づいて目標値を変更するようにしても良い。さらに、制御指令部３３は、ＡＴＣ装置１５などの外部の装置からの信号に基づいて目標値を変更しても良い。

上記のような実施の形態に係る自動列車運転装置は、列車を定位置に停止させるまでに順に達成すべき位置と速度との組合せからなる複数の目標を設定し、設定された複数の目標を達成すべき制御目標として順に切替え、切替られた制御目標を達成するための制御命令を算出し、算出した制御命令により当該車両の運転を制御する。また、自動列車運転装置は、制御目標が達成された場合、次に切替られる制御目標に対する制御命令を再び算出し、算出した制御命令により当該車両の運転を制御する。

上記のような実施の形態に係る自動列車運転装置によれば、定位置に停止するまでの列車の挙動を細かく制御でき、効率の良い停止制御が実現できる。また、最終的な停止目標に達するまでの複数の目標の設定は自由度が高いため、様々な運用形態や要求に容易に対応することが可能である。

Claims (5)

1. 車両が定位置に停止するまでに順に達成すべき複数の目標をそれぞれ位置及び速度の組合せで設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定された複数の目標を達成すべき制御目標として順に切替える切替手段と、
   前記切替手段により切替られた制御目標を達成するための制御命令を算出し、算出した制御命令により当該車両の運転を制御する制御手段と、
   を有することを特徴する車両運転装置。
2. 前記車両が停止すべき定位置ごとに、位置及び速度の組合せからなる複数の目標を記憶する記憶手段を有し、
   前記設定手段は、車両を定位置に停止させる場合に、前記記憶手段に記憶されている当該定位置に対応する複数の目標を設定する、
   ことを特徴とする前記請求項１に記載の車両運転装置。
3. 前記設定手段は、当該車両が停止した場合、次に停止すべき定位置に停止するまでに順に達成すべき複数の目標を設定する、
   ことを特徴とする前記請求項１に記載の車両運転装置。
4. さらに、当該車両が走行する軌道から供給されるＡＴＣ信号を受信し、受信したＡＴＣ信号に応じて運転制御を行うＡＴＣ装置を有し、
   前記設定手段は、前記ＡＴＣ装置が受信するＡＴＣ信号に応じて複数の目標を再設定する、
   ことを特徴とする前記請求項１に記載の車両運転装置。
5. 前記設定手段は、前記定位置に停止するまでの複数の目標において隣接する各目標間の目標幅を算出し、算出した目標幅となるような複数の目標を設定する、
   ことを特徴とする前記請求項１に記載の車両運転装置。

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