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JP4781331B2 - 列車速度制御装置 - Google Patents

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JP4781331B2
JP4781331B2 JP2007219213A JP2007219213A JP4781331B2 JP 4781331 B2 JP4781331 B2 JP 4781331B2 JP 2007219213 A JP2007219213 A JP 2007219213A JP 2007219213 A JP2007219213 A JP 2007219213A JP 4781331 B2 JP4781331 B2 JP 4781331B2
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Description

本発明は、列車を自動的に制限速度以下に制御するための列車速度制御装置に関するものである。
鉄道保安システムで利用される一段ATC(Automatic Train Control)やATS−P(Automatic Train Stop-Pattern)は、信号機等の目標停止位置の手前において列車性能に応じたブレーキ指令パターンを作成し、そのパターンを超える速度になると、自動的にブレーキを動作させ、目標停止位置までに停止させるためのパターン付き列車速度制御装置を備えている。
目標停止位置の情報は、軌道回路や地上子、無線装置などを経由して車上制御装置に伝えられる。車上制御装置では、その情報と、列車性能や勾配情報を基にブレーキ指令パターンを作成している。
列車においては、ブレーキ指令が出力されてから実際に減速が始まるまでに数秒の空走時間がある。ブレーキ指令パターンの作成に空走時間の考慮がなされていなければ、目標停止位置と実際の停止位置との間には差が生じる。
特許文献1に記載されている自動列車制御装置では、勾配と列車のブレーキ性能を基に列車減速パターンを作成し、その減速パターンから空走時間に列車が定速で走行する距離の分だけ手前にずらした曲線を、ブレーキ指令パターンとして用いている。
特開平8−2416号公報
列車が力行や下り勾配による加速中に、ブレーキ指令パターンを超過しブレーキ指令を出したとすると、実際にブレーキ力が有効になるまでの空走時間中も列車は加速する。力行とは列車のモータに対して動力を伝えることを示し、力行の指示を行うと列車は加速する。
従来の方式では、空走時間中は列車は定速で走行するという前提でブレーキ指令パターンが作成されている。このため、空走中に加速が生じると、空走終了時に想定以上の速度になっており、ブレーキによる減速がその速度から始まったとしても、目標停止位置を超過する。
すなわち、従来の列車速度制御装置は、空走中に列車が加速する場合には適切な制御を行うことができないという問題点があった。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、空走中に列車が加速する場合においても適切な制御を行うことができる列車速度制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る列車速度制御装置は、列車に配置され前記列車の地理情報を受信する受信機と、前記列車の速度および前記地理情報に基づいて前記列車の速度および目標位置までの残走距離で表される目標減速パターンを作成し、前記目標減速パターンに基づいてブレーキ指令を演算する演算装置と、前記ブレーキ指令に基づいて前記列車のブレーキを制御するブレーキ装置とを備え、前記演算装置は、前記ブレーキの空走時間における前記列車の速度変化を軌道の勾配と前記空走時間とから求め、前記ブレーキの空走時間における前記列車の移動距離を前記列車の速度と前記空走時間と前記勾配とから求め、前記ブレーキの空走時間における速度変化および移動距離および前記目標減速パターンに基づいてブレーキ指令を演算することを特徴とする。
本発明に係る列車速度制御装置においては、演算装置は、ブレーキ指令の演算において、ブレーキの空走時間における列車の速度変化を求めるので、ブレーキ空走中に列車が加速する場合においても適切な制御を行うことができる。
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1に係る列車速度制御装置の構成を示す構成図であり、図2は、図1の列車速度制御装置に含まれる車上演算装置の機能を示すブロック図であり、図3は、図2の車上演算装置による制御動作を示すグラフである。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
図1において、列車1は、車上演算装置6と、トランスポンダ式車上子すなわち車上子7と、ブレーキ装置8と、速度発電機9とを備え、軌道2上を走行している。軌道2上には、停止位置通知用トランスポンダ式地上子すなわち停止位置通知用地上子3と位置補正用トランスポンダ式地上子すなわち位置補正用地上子4とが複数ずつ設置されている。
図1〜2において、列車1に搭載された車上子7が停止位置通知用地上子3の上を通過すると、停止位置通知用地上子3から車上子7へ、目標停止位置(目標位置)101が通知される。同様に、車上子7が位置補正用地上子4の上を通過すると、位置補正用地上子4から車上子7へ位置補正用地上子4の位置である位置補正用地上子位置102が通知される。受信機としての車上子7は、通知された目標停止位置101と位置補正用地上子位置102とを、地理情報として、車上演算装置6へ通知する。
ブレーキ装置8は、入力されたブレーキ指令112に応じたブレーキを出力し、列車1を所定の減速度で減速させ停止させる。速度発電機9は、車輪の回転数に応じた車輪回転数信号を生成し出力する。
次に、図2を参照して、車上すなわち列車1上における動作を説明する。車上に搭載される車上演算装置6は、速度情報作成部10と位置情報作成部12と路線データ管理部13と車両性能管理部14とパターン演算部15と速度照査部16とで構成される。
速度情報作成部10は、速度発電機9から出力された、車輪の回転数に応じた信号(車輪回転数信号)をカウントすることにより、列車1の現在の速度である列車現在速度Vcを算出する。
位置情報作成部12は、位置補正用地上子4より車上子7を経由して通知された位置補正用地上子位置102に、位置補正用地上子位置102の通知後に速度発電機9からの車輪回転数信号をカウントすることにより求められる移動距離(積算距離)を加算することにより、列車1の現在の位置である列車現在位置104を算出する。
路線データ管理部13は、路線上の各位置と当該各位置における勾配との対応を示す情報を走行前に予め取得し保持している。路線データ管理部13は、位置情報作成部12から通知される列車現在位置104と、車上子7から通知される目標停止位置101とから、列車現在位置104から目標停止位置101までの距離すなわち残走距離dcおよび、目標停止位置101手前区間における勾配を示す勾配情報106を出力する。
車両性能管理部14は、列車1に係る減速性能、全長、および空走時間を示す列車性能データ107を保持している。パターン演算部15は、路線データ管理部13から出力された残走距離dcと、路線データ管理部13から出力された勾配情報106と、車両性能管理部14から出力された列車性能データ107とから、列車の速度と残走距離とで表されるブレーキ指令パターン108を生成する。
速度照査部16は、列車現在速度Vcとパターン演算部15で生成されたブレーキ指令パターン108とを比較する。より詳しくは、ブレーキ指令パターン108に基づき、残走距離dcに対応する速度を求め、当該求められた速度を列車現在速度Vcと比較する。列車現在速度Vcがブレーキ指令パターン108を超えていれば(すなわち、列車現在速度Vcが当該求められた速度を超えていれば)、ブレーキ装置8に対して、ブレーキ指令112を伝える。
次に、図3を参照して、パターン演算部15における、ブレーキ指令パターン108の作成手法の一例を説明する。
まず、列車1を目標停止位置101に停止させるための目標減速パターン109を作成する。目標減速パターン109は、空走時間の経過後において、列車1が減速して停止するまでの走行軌跡を示す。例えば、停止位置通知用地上子3から目標停止位置101までの区間において、勾配X[‰]が一定で且つ列車ブレーキ性能が列車速度によらず減速度β[km/(hs)]が一定であり、空気抵抗および曲線(カーブ)抵抗の影響を無視できるものとする。このとき、残走距離d[m]とこれに対応する速度V(d)[km/h]との関係は、例えば下記の式(1)で表される。
Figure 0004781331
勾配Xは、式(1)に示されるように、値31で除することにより、その勾配が列車に及ぼす減速度に相当する値(単位[km/h])へ変換できることが知られている。
上述したように、実際にブレーキ装置8がブレーキを出力してから所定の減速度βが発生するまでには、空走時間分だけ時間がかかる。従って、本実施の形態においては、この空走時間中は列車1が惰行しているものとして、目標減速パターン109上の各点から、その点での勾配Xを考慮した惰行による空走時間中の移動距離110分だけ前(図3中では左方向)へ移動し、さらに、空走時間中の速度変化111分だけ差し引いた(図3中では、下り勾配で加速したものとして、下方向へ移動)点を結んだ曲線を、ブレーキ指令パターン108として算出する。すなわち、ブレーキ指令パターン108は、目標減速パターン109を、空走時間中の移動距離110分および速度変化111分だけ内側へ移動すなわち逆引きした曲線となる。
例えば、図3において、目標減速パターン109上にN個の点をプロットした場合には、それぞれの点において、残走距離d1,d2,・・・,dN、速度V1,V2,・・・,VN、勾配X1,X2,・・・,XNが定められる。任意の点における残走距離dnおよび速度Vnに対して、列車1が惰行したものとして、空走時間T[s]における走行軌跡(移動距離110および速度変化111)を逆引きした場合の残走距離d’nおよび速度V’nは、下記の式(2)〜(3)でそれぞれ表される。
Figure 0004781331
Figure 0004781331
なお従来は、空走中は勾配Xnが考慮されていなかったため、下記の式(4)〜(5)が用いられていた。
Figure 0004781331
Figure 0004781331
式(4)〜(5)は、それぞれ、式(2)〜(3)において、Xn=0としたものに相当する。すなわち、本発明は、勾配Xnを考慮することにより、より正確な速度制御を行うことを特徴とするものである。
上記の式(2)〜(3)に示される演算を、それぞれ、残走距離d1,d2,・・・,dNおよび速度V1,V2,・・・,VNのN組の組み合わせにおいて実施し、その結果である残走距離d1’,d2’,・・・,dN’および速度V1’,V2’,・・・,VN’で表されるN個の点を結んだ曲線がブレーキ指令パターン108となる。
すなわち、本実施の形態に係る式(2)〜(3)においては、目標減速パターン109より内側に位置するようなブレーキ指令パターン108が作成される。特に下り勾配(Xn<0)の場合は、平坦な場合(Xn=0)と比較して、より内側にブレーキ指令パターンが作成される。これは、勾配Xによる加速を考慮することにより、勾配Xによる加速を考慮しない場合に比較して、ブレーキをより強くかける必要があることを示している。
このように、本実施の形態に係る列車速度制御装置は、列車1に配置され列車1の地理情報を受信する車上子7と、列車現在速度Vcおよび地理情報からブレーキ指令112を演算する車上演算装置6と、ブレーキ指令112に基づいて列車1のブレーキを制御するブレーキ装置8とを備え、車上演算装置6は、ブレーキの空走時間における速度変化111を軌道2の勾配Xと空走時間とから求め、ブレーキの空走時間における移動距離110を列車現在速度Vcと空走時間と勾配Xとから求める。従って、軌道2上に急な下り勾配が存在して、列車1が空走中に惰行で加速した場合であっても、ブレーキ指令パターン108が予め目標減速パターン109に対して、空走中の惰行分の余裕を加味して作成されているため、列車1はブレーキ指令パターン109を超過することなく減速し、目標停止位置101を行き過ぎることなく安全に停止できる。すなわち、ブレーキ空走中に列車1が加速する場合においても、適切な制御を行うことができる。目標減速パターンを大きく超えると高ノッチを出力するため、乗り心地が悪くなるが、目標減速パターンを超えなくなるため、乗り心地が改善される。
なお、目標減速パターン109およびブレーキ指令パターン108の算出時に、必要に応じて、カーブやトンネルによる走行抵抗、または列車の空気抵抗などを考慮に入れることによって、より厳密で安全なブレーキ指令パターン108が作成できる。この場合、カーブやトンネルの位置は路線データ管理部13が、空気抵抗は車両性能管理部14が保持する。
また、本実施の形態において、トランスポンダ式地上子としては、停止位置通知用地上子3および位置補正用地上子4の2種類を利用するものとしたが、停止位置通知および位置補正の両方の機能を兼ね備えた1種類のトランスポンダ式地上子を用いてもよい。
<実施の形態2>
実施の形態1においては、図2を用いて、路線上の位置と軌道2の勾配Xとの関係を示す勾配情報106が車上演算装置6の路線データ管理部13により予め保持されている場合について説明した。しかし、これに限らず、あるいは、勾配情報106は、トランスポンダ式地上子から車上演算装置6へ伝送されるようにしてもよい。
図4は、実施の形態2に係る列車速度制御装置の構成を示す構成図であり、図5は、図4の列車速度制御装置に含まれる車上演算装置の機能を示すブロック図である。図4は、図1において、列車1内に、車上演算装置6に代えて車上演算装置6aを設けるとともに、軌道2上に、停止位置通知用地上子3および位置補正用地上子4に代えてトランスポンダ式地上子すなわち地上子5を複数設けたものである。また、図5は、図2において、位置情報作成部12に代えて残走距離演算部17を設けるとともに、路線データ管理部13を省いたものである。
図4〜5において、列車1に搭載された車上子7が地上子5の上を通過すると、地上子5から車上子7へ、目標停止位置101ではなく、目標停止位置101までの相対距離113と勾配情報106とが通知される。受信機としての車上子7は、通知された相対距離113と、地理情報としての勾配情報106とを、車上演算装置6aへ通知する。
次に、図5を参照して、車上すなわち列車1上における動作を説明する。残走距離演算部17は、地上子5より車上子7を経由して通知された相対距離113から、相対距離113の通知後に速度発電機9からの車輪回転数信号をカウントすることにより求められる移動距離(積算距離)を減算することにより、列車現在位置104から目標停止位置101までの残走距離dcを算出する。
パターン演算部15は、実施の形態1と同様に、残走距離演算部17から出力された残走距離dcと、車上子7から出力された勾配情報106と、車両性能管理部14から出力された列車性能データ107とから、まず目標減速パターン109を作成し、次に目標減速パターン109に基づきブレーキ指令パターン108を作成する。
速度照査部16は、実施の形態1と同様に、列車現在速度Vcとパターン演算部15で生成されたブレーキ指令パターン108とを比較し、列車現在速度Vcがブレーキ指令パターン108を超えていれば、ブレーキ装置8に対して、ブレーキ指令112を伝える。
ブレーキ装置8は、実施の形態1と同様に、入力されたブレーキ指令112に応じたブレーキを出力し、列車1を所定の減速度で減速させ停止させる。
このように、本実施の形態によれば、地上子5から車上演算装置6aに対して、目標停止位置101に代えて、列車現在位置104から目標停止位置101までの相対距離113と路線の勾配情報106とが伝送される。すなわち、勾配情報106は、路線データ管理部13に走行前に保持されるのではなく、走行中に軌道2上から地理情報として取得される。従って、実施の形態1の効果に加えて、路線データ管理部13を省くことができるという効果を奏する。
<実施の形態3>
実施の形態1〜2では、パターン演算部15において、目標減速パターン109に基づき予めブレーキ指令パターン108を作成しておき、このブレーキ指令パターン108を用いて速度制御を行う場合について説明した。しかし、これに限らず、あるいは、予めブレーキ指令パターン108を予め作成しておくことなく、位置情報作成部12で算出された列車現在位置104および速度情報作成部10で算出された列車現在速度Vcに対して、空走時間T[s]の惰行後の残走距離および速度を推定(予想)し、推定される予想残走距離および予想速度を目標減速パターン109と比較しブレーキ指令112を決定することにより、同様の効果を奏することが可能である。
図6は、実施の形態3に係る列車速度制御装置に含まれる車上演算装置の機能を示すブロック図であり、図7は、図6の車上演算装置による制御動作を示すグラフである。図6の車上演算装置6bは、図5の車上演算装置6aにおいて、パターン演算部15に代えて、パターン演算/照査部18を設けるとともに、速度照査部16を省いたものである。
図6において、パターン演算/照査部18は、実施の形態1〜2に係るパターン演算部15と同様に、残走距離演算部17から出力された残走距離dcと、車上子7から出力された勾配情報106と、車両性能管理部14から出力された列車性能データ107とから、目標減速パターン109を生成するが、パターン演算部15とは異なり、ブレーキ指令パターン108は作成しない。
次に、図7を参照して、パターン演算/照査部18における、ブレーキ指令112の決定手法の一例を説明する。パターン演算/照査部18は、残走距離演算部17から出力された残走距離dcと、速度情報作成部10から出力された列車現在速度Vcと、車上子7から出力された勾配情報106と、車両性能管理部14から出力された列車性能データ107とから、空走時間T[s]の惰行後の予想速度Veおよび予想残走距離deを、例えば下記の式(6)〜(7)でそれぞれ算出する。なお、勾配Xcは、列車現在位置104における勾配Xを表している。
Figure 0004781331
Figure 0004781331
パターン演算/照査部18は、上記の式(6)〜(7)でそれぞれ算出された空走時間T[s]の惰行後の予想速度Veおよび予想残走距離deと目標減速パターン109とを比較し、予想速度Veおよび予想残走距離deが目標減速パターン109を超えていれば(予想速度Veと予想残走距離deとから表される点が目標減速パターン109の外側に位置していれば)、ブレーキ装置8に対して、ブレーキ指令112を伝える。
ブレーキ装置8は、入力されたブレーキ指令112に応じたブレーキを出力し、列車1を所定の減速度で減速させ停止させる。
このように、本実施の形態によれば、予想速度Veおよび予想残走距離deを推定しこれらを目標減速パターン109と比較することにより、速度制御を行う。すなわち、ブレーキ指令112は、目標停止位置101受信時における目標減速パターン109に対して、空走中の速度変化111と移動距離110とを加味して逐次生成される。従って、ブレーキ指令パターン108を予め作成しておく必要がないので、演算による負荷を軽減することができる。
なお、実施の形態1〜3においては、空走時間中に列車が惰行するとして説明を行ったが、惰行に限らず、力行を想定してもよい。例えば、力行を想定する場合には、上記の式(6)〜(7)に代えて、下記の式(8)〜(9)を用いることにより、空走時間T[s]の力行後の予想速度Ve’および予想残走距離de’を算出することができる。
Figure 0004781331
Figure 0004781331
式(8)〜(9)においては、勾配Xcに併せて、列車現在速度Vcにおける力行加速性能を表す加速度α[km/(hs)]が考慮されている。なお、この加速度αは、列車性能データ107として車両性能管理部14に保持されている。
パターン演算/照査部18は、上記の式(8)〜(9)でそれぞれ算出された空走時間T[s]の力行後の予想速度Ve’および予想残走距離de’と目標減速パターン109とを比較し、予想速度Ve’および予想残走距離de’が目標減速パターン109を超えていれば、ブレーキ装置8に対して、ブレーキ指令112を伝える。
すなわち、式(8)〜(9)によれば、力行を想定することにより、例えば運転士がブレーキ指令パターン108手前で列車1のモータに対して動力を伝える操作を行っていたとしても、目標停止位置101を行き過ぎずに停止できる。
また、実施の形態1〜3では、列車1を目標停止位置101に停止させる場合において速度制御に勾配Xを考慮する場合について説明したが、停止に限らず、あるいは、所定の速度制限区間の手前までに減速を完了させるような場合において、速度制御に勾配Xを考慮してもよい。その場合、所定の速度にまで減速を完了させる位置を目標位置とすればよい。
また、目標停止位置101をトランスポンダ式地上子とトランスポンダ式車上子との組み合わせを用いて車上演算装置6へ通知する場合について説明したが、これに限らず、あるいは、変周式地上子と変周式車上子との組み合わせや、レール電送、無線、人工衛星などを利用して通知しても、同様の効果を期待できる。
また、列車現在位置104の算出を、(トランスポンダ式)車上子7と速度発電機9と(から通知された情報)を利用して行う場合について説明したが、これに限らず、あるいは、変周式地上子と速度発電機9とを利用して行ってもよく、また、軌道回路境界検出と速度発電機9とを利用して行ってもよく、GPSなどの位置計測機能を利用してもよい。
また、各種演算を列車1上で実施する場合について説明したが、これに限らず、あるいは、この演算の一部もしくは全部を、地上側で実施してもよい。例えば、列車1の位置および速度を通信装置等を介して常時地上側で正確に把握し、地上側でパターンを演算しブレーキ指令タイミングを算出し、算出されたブレーキ指令タイミングを通信装置等を介して列車1に通知するようにしてもよい。
実施の形態1に係る列車速度制御装置の構成を示す構成図である。 実施の形態1に係る列車速度制御装置に含まれる車上演算装置の機能を示すブロック図である。 実施の形態1に係る列車速度制御装置に含まれる車上演算装置による制御動作を示すグラフである。 実施の形態2に係る列車速度制御装置の構成を示す構成図である。 実施の形態2に係る列車速度制御装置に含まれる車上演算装置の機能を示すブロック図である。 実施の形態3に係る列車速度制御装置に含まれる車上演算装置の機能を示すブロック図である。 実施の形態3に係る列車速度制御装置に含まれる車上演算装置による制御動作を示すグラフである。
符号の説明
1 列車、2 軌道、3 停止位置通知用地上子、4 位置補正用地上子、5 地上子、6 車上演算装置、7 車上子、8 ブレーキ装置、9 速度発電機、10 速度情報作成部、12 位置情報作成部、13 路線データ管理部、14 車両性能管理部、15 パターン演算部、16 速度照査部、17 残走距離演算部、18 パターン演算/照査部、101 目標停止位置、102 位置補正用地上子位置、104 列車現在位置、106 勾配情報、107 列車性能データ、108 ブレーキ指令パターン、109 目標減速パターン、110 移動距離、111 速度変化、112 ブレーキ指令、113 相対距離、dc 残走距離、de 予想残走距離、Vc 列車現在速度、Ve 予想速度。

Claims (6)

  1. 列車に配置され前記列車の地理情報を受信する受信機と、
    前記列車の速度および前記地理情報に基づいて前記列車の速度および目標位置までの残走距離で表される目標減速パターンを作成し、前記目標減速パターンに基づいてブレーキ指令を演算する演算装置と、
    前記ブレーキ指令に基づいて前記列車のブレーキを制御するブレーキ装置と
    を備え、
    前記演算装置は、前記ブレーキの空走時間における前記列車の速度変化を軌道の勾配と前記空走時間とから求め、前記ブレーキの空走時間における前記列車の移動距離を前記列車の速度と前記空走時間と前記勾配とから求め、前記ブレーキの空走時間における速度変化および移動距離および前記目標減速パターンに基づいてブレーキ指令を演算する
    ことを特徴とする列車速度制御装置。
  2. 請求項1に記載の列車速度制御装置であって、
    前記演算装置は、車輪の回転数に応じた信号を生成する速度発電機の出力から前記列車の速度を求める
    ことを特徴とする列車速度制御装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の列車速度制御装置であって、
    前記受信機が受信する前記地理情報は、位置補正用地上子位置と目標位置とを含み、
    前記演算装置は、前記位置補正用地上子位置と前記目標位置と車輪回転数とから残走距離を算出する
    ことを特徴とする列車速度制御装置。
  4. 請求項1又は請求項2に記載の列車速度制御装置であって、
    前記受信機が受信する前記地理情報は、路線上の位置と前記軌道の勾配との関係を含む
    ことを特徴とする列車速度制御装置。
  5. 請求項1又は請求項2に記載の列車速度制御装置であって、
    前記演算装置は、路線上の位置と前記軌道の勾配との関係を予め保持している
    ことを特徴とする列車速度制御装置。
  6. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の列車速度制御装置であって、
    前記演算装置は、前記列車の力行加速性能を表す加速度を保有し、当該加速度を使って、前記ブレーキの空走時間における前記列車の速度変化および移動距離を求める
    ことを特徴とする列車速度制御装置。
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