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【発明の名称】 自動列車制御装置
【発明者】 【氏名】田中 龍治

【氏名】仲 吉隆

【氏名】佐藤 裕典
【要約】 【課題】制限速度＝０ｋｍ／ｈのＡＴＣ信号で列車を停止させるとき、下り勾配上で停止できなったり、制動距離が設定値を越えて大幅に長くなったりすることを防止する。

【解決手段】列車速度と制限速度とを比較し、速度超過の条件に応じ、強ブレーキ出力、または、弱ブレーキ出力を行う自動列車制御装置に、列車速度信号より列車減速度を算出する減速度演算部４と、算出された列車減速度と強ブレーキ開始時の列車速度と予め設定されている直線平坦軌道における強ブレーキ時および弱ブレーキ時の減速度とに応じて強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力への切替点となる列車速度を算出し、この切替点となる列車速度以下に列車速度が低下した段階でブレーキ装置６に強ブレーキ指令に代えて弱ブレーキ指令を出力するブレーキ切替点設定部５を具備する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 列車速度と制限速度とを比較し、速度超過の条件に応じ、強ブレーキ出力、または、弱ブレーキ出力を行う自動列車制御装置において、列車速度信号を入力として列車減速度を算出する減速度演算手段と、強ブレーキ出力開始時の列車速度と前記算出された列車減速度に応じて強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力への切替点を算出し、算出した切替点をもとにブレーキ装置に強ブレーキ指令に代えて弱ブレーキ指令を出力するブレーキ切替点設定手段を具備したことを特徴とする自動列車制御装置。
【請求項２】 請求項１記載の自動列車制御装置において、前記ブレーキ切替点設定手段は、前記減速度演算手段から入力される強ブレーキ出力時の列車減速度β2aと、予め設定された平坦直線軌道における強ブレーキ出力時の列車減速度及び予め設定された平坦直線軌道における弱ブレーキ出力時の列車減速度に基づいて当該軌道区間における弱ブレーキ出力時の列車減速度β2bを算出し、算出した列車減速度β2b、前記列車減速度β2a及び強ブレーキ出力開始時の列車速度に基づいて強ブレーキ出力時の列車走行距離と弱ブレーキ出力時の列車走行距離の和が予め設定された制動距離Ｌ以下となる強ブレーキ出力時間を算定し、該算定した強ブレーキ出力時間に基づいて強ブレーキ指令を弱ブレーキ指令に切替えるように構成されていることを特徴とする自動列車制御装置。
【請求項３】 請求項２記載の自動列車制御装置において、前記ブレーキ切替点設定手段は、算定した強ブレーキ出力時間及び強ブレーキ出力開始時の列車速度に基づいて該出力時間経過時の列車速度ＶBを算定し、列車速度が前記列車速度ＶB以下に低下した段階で強ブレーキ指令を弱ブレーキ指令に切替えるように構成されていることを特徴とする自動列車制御装置。
【請求項４】 列車速度と制限速度とを比較し、速度超過の条件に応じ、強ブレーキ出力、または、弱ブレーキ出力を行う自動列車制御方法において、停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈ）受信時、強ブレーキ出力を行うとともに、強ブレーキ出力時の列車減速度を検出し、検出した強ブレーキ出力時の列車減速度と強ブレーキ出力開始時の列車速度と予め設定された平坦直線軌道における強ブレーキ時及び弱ブレーキ時の減速度とあらかじめ設定された制動距離を入力として、強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力に切替える切替点を設定することを特徴とする自動列車制御方法。
【請求項５】 請求項４記載の自動列車制御方法において、強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力に切替える切替点は、検出した強ブレーキ出力時の列車減速度と強ブレーキ出力開始時の列車速度と予め設定された平坦直線軌道における強ブレーキ時及び弱ブレーキ時の減速度と予め設定された制動距離を入力として算定された、強ブレーキ出力時間により設定されることを特徴とする自動列車制御方法。
【請求項６】 請求項５記載の自動列車制御方法において、強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力に切替える切替点は、算定された強ブレーキ出力時間と強ブレーキ出力開始時の列車速度に基づいて算定された強ブレーキ出力時間経過時の列車速度により設定されることを特徴とする自動列車制御方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、列車速度と制限速度とを比較し、速度超過の条件に応じ、強ブレーキ出力、または、弱ブレーキ出力を行う自動列車制御装置及び列車制御方法に係り、特に、停止信号を受信した時の強ブレーキ出力と弱ブレーキ出力の切替えに関する。
【０００２】
【従来の技術】先行列車との列車間隔が短くなることにより作用する停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈを指示する制限速度信号）による停止制御時のブレーキショックを緩和する方法として、途中までは最大ブレーキ（強ブレーキ）を出力し、ある予め設定された速度にまで速度が低下するとブレーキ力を中間ステップのブレーキ（弱ブレーキ）に切り替える方法、いわゆる「ブレーキ弛め制御」が公知である。
【０００３】特開平２−１５１２１２号公報「自動列車制御方法」には、列車速度が（制限速度＋ΔＶ速度）を超えた条件で速度超過した場合は、列車速度が前記制限速度以下になるまで強ブレーキ出力を行い、その後弱ブレーキ出力に切り替える方法が開示されているが、この方法では、制限速度＝０ｋｍ／ｈを指示する制限速度信号の場合、ブレーキ出力は、列車停止するまで強ブレーキあるいは弱ブレーキの１段階の出力となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】強ブレーキ出力と弱ブレーキ出力を一定の速度で切り替えるという上記従来技術では、急な下り勾配のある区間で強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力に切替えた場合、下り勾配の大きさによっては、（弱ブレーキ出力時の列車減速度）＜（下り勾配による加速度）
となる場合があり、列車が惰行または加速し、停止できない恐れがある。
【０００５】また、どのような条件下でも一定の速度で弱ブレーキ出力に切替える方法であるため、急な下り勾配上では停止までの制動距離が延びるという問題がある。
【０００６】本発明の課題は、列車が停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈの制限速度信号）を受信したとき、下り勾配上で停止できなくなることがないように、また、予め設定された制動距離で停止できなくなることが無いようにすることにある。
【０００７】車両の減速度を検出してブレーキ力を制御する技術としては、特開平６−１５６２３３号公報に開示された例があるが、これは、個々の車両の車輪が滑走状態等となった場合に、編成車両全体に対するブレーキ力の制御に悪影響が生じるのを回避し、編成車両全体として適切な減速度が得られるようにするものであって、本願発明とは異なる課題に対応するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】列車を所定の制動距離で停止させるには、強ブレーキによる減速時の走行距離と弱ブレーキによる減速時の走行距離の合計が前記所定の制動距離以下となればよい。一方、列車に強ブレーキが掛けられたときの減速度は、軌道が平坦なときと軌道が下り坂になっているときでは異なり、その違いの大きさ、つまり軌道の勾配に起因する加速度は、軌道の勾配の度合によって決まるものであって、強ブレーキ時も弱ブレーキ時も同じである。
【０００９】発明者等はこのことに着目し、強ブレーキ時の減速度を測定して予め設定された平坦直線軌道における減速度と比較し、その差を用いて当該軌道における弱ブレーキ時の減速度を推定した。測定した強ブレーキ時の減速度での走行距離と推定した弱ブレーキ時の減速度での走行距離の和が所定の制動距離を越えることのない、強ブレーキ時の減速度での走行時間を算出し、これに基づいて、強ブレーキから弱ブレーキへの切替点を設定するようにした。
【００１０】すなわち、上記課題は、列車速度と制限速度とを比較し、速度超過の条件に応じ、強ブレーキ出力、または、弱ブレーキ出力を行う自動列車制御装置において、列車速度信号を入力として列車減速度を算出する減速度演算手段と、強ブレーキ出力開始時の列車速度と算出された列車減速度に応じて強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力への切替点を算出し、算出した切替点をもとにブレーキ装置に強ブレーキ指令に代えて弱ブレーキ指令を出力するブレーキ切替点設定手段を具備することによって、解決される。
【００１１】減速度演算手段は、強ブレーキ時の列車減速度を算出し、ブレーキ切替点設定手段に出力する。ブレーキ切替点設定手段は、入力された強ブレーキ時の減速度と予め設定されている平坦直線軌道での強ブレーキ時の基準の減速度を比較して軌道勾配に起因する加速度を算出し、算出した該加速度と予め設定されている平坦直線軌道での弱ブレーキ時の基準の減速度を用いて当該軌道区間における弱ブレーキ時の減速度を推定する。ブレーキ切替点設定手段はさらに、入力された強ブレーキ時の減速度と推定した弱ブレーキ時の減速度を用いて、強ブレーキ時の減速度での走行距離と推定した弱ブレーキ時の減速度での走行距離の和が所定の制動距離を越えることのない、強ブレーキ時の減速度での走行時間を算出し、該走行時間と強ブレーキ作動開始時の列車速度に基づいて強ブレーキ時の減速度での走行時間経過時点における列車速度（切替時点の列車速度）を算出する。そして、入力される実際の列車速度が前記切替時点の列車速度になったのち、あるいは強ブレーキ指令出力後の経過時間が前記算出された強ブレーキ時の減速度での走行時間に達したのち、強ブレーキ指令に代えて弱ブレーキ指令をブレーキ装置に出力する。
【００１２】なお、本発明でいう強ブレーキは当該列車の最大ブレーキ力を意味し、弱ブレーキは前記最大ブレーキ力よりも小さいブレーキ力であって、ブレーキ時の衝撃緩和のために前記最大ブレーキに切替えて用いられるブレーキ力である。ブレーキの種類としては、空気圧、油圧などの流体圧を利用するもの、駆動電動機を利用した回生ブレーキ、あるいはその両者を併用するものなどがある。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
【００１４】図１に、本発明の実施形態に係る自動列車制御装置の要部構成を示す。図１に示す自動列車制御装置は、制限速度信号（ＡＴＣ信号）が入力される制限速度判別部１と、列車速度信号が入力される列車速度判別部２と、制限速度判別部１と列車速度判別部２に接続された速度照査部３と、列車速度判別部２に接続された減速度演算手段である減速度演算部４と、列車速度判別部２，速度照査部３，及び減速度演算部４に接続されたブレーキ切替点設定手段であるブレーキ切替点設定部５と、を含んで構成され、ブレーキ切替点設定部５から出力される信号により、ブレーキ装置６が制御されるようになっている。なお、制限速度判別部１が出力する制限速度は、ブレーキ切替点設定部５にも入力されるようになっている。
【００１５】また、ブレーキを掛け始めてから止まるまでの距離（制動距離）は、列車の重量によっても変化するが、ブレーキ装置は列車の重量を取込んでブレーキ力を調整するようになっており、許容される制動距離Ｌは、列車重量によらず設定されている。
【００１６】以下、列車上に搭載された上記構成の自動列車制御装置の動作について説明する。まず、地上（列車外部）より受信した制限速度信号（ＡＴＣ信号）は制限速度判別部１で信号判別され、速度照査部用のデータ（制限速度）に変換される。また、列車の車軸に装備された速度発電機、ＰＧセンサ等から入力される列車速度信号（パルス）は、列車速度判別部２で判別され、列車速度を表すデータに変換されて速度照査部３、減速度演算部４及びブレーキ切替点設定部５に入力される。
【００１７】速度照査部３では、前記制限速度と前記列車速度を取り込み、列車速度≧制限速度の時は強ブレーキ出力信号をブレーキ切替点設定部５に出力する。減速度演算部４は、入力される前記列車速度に基づいて単位時間当たりの列車速度変化量（列車減速度）を算出し、ブレーキ切替点設定部５に出力する。この列車減速度の算出は、強ブレーキが作動開始してから複数時点での微小時間における速度変化を入力される列車速度に基づいて算出し、それを平均したものである。また、強ブレーキが作動開始してから所定時間経過後の列車速度に基づいて、その間の平均の減速度として算出してもよい。
【００１８】次に本発明のポイントとなるブレーキ切替点設定部５について説明する。ブレーキ切替点設定部５は、制限速度判別部１から停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈの信号）が入力され、かつ速度照査部３より強ブレーキ出力信号が送られてきたら、まず、それに基づいて強ブレーキ指令をブレーキ装置６に出力する。次いで、減速度演算部４より送られてくる前記列車減速度及び列車速度判別部２から入力される列車速度に基づいて、以下に示す要領で、最適な強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力の切替点の列車速度を算出し、該算出された切替点の列車速度及び列車速度判別部２から入力される列車速度に基づいて、ブレーキ装置６に、強ブレーキ指令に代えて弱ブレーキ指令を出力する。
【００１９】図２は、停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈ）受信時（強ブレーキ開始時）から列車が停止するまでの列車速度の変化を、縦軸に列車速度、横軸に時間をとって示す。速度ＶBが強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力への切替点における列車速度を示している。なお、切替点は、その点以降で切替えることを意味し、厳密にその点で切替えることを意味するものではない。
【００２０】図３は、図２と同様、停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈ）受信時から列車が停止するまでの列車速度の変化を、縦軸に列車速度、横軸に時間をとって示すが、軌道の勾配に伴なって、減速度が異なる状態を表している。図のＡ点は強ブレーキ出力開始点で、Ｂ点は停止限界点である。時点Ａで停止信号を受信すると、時点Ｂで停止するまでの走行距離（制動距離）はＬｍ以下でなければならないこととする。
【００２１】Ｐ1a線，Ｐ1b線は、停止信号を受信してから停止するまでの区間（時点Ａから時点Ｂの間の走行区間）が平坦かつ直線区間で、標準の車両性能が発揮できる場合のランカーブである。時点Ａでの速度（初速度）はＶ0で、強ブレーキ出力時の列車減速度をβ1a（＞０）、弱ブレーキ出力時の列車減速度をβ1b（＞０）とすると、時点Ａから列車減速度β1aで減速しつつ走行して停止した場合のランカーブＰ1a線と列車減速度β1bで減速しつつ走行して時点Ｂで停止する（速度が０になる）場合のランカーブＰ1b線の交点Ｋ1時点以降の時点が、強ブレーキ出力と弱ブレーキ出力の切替点となる。通常、平坦かつ直線区間で、標準の車両性能が発揮できる場合の強ブレーキ出力時の列車減速度β1aは、３．０〜３．５ｋｍ／ｈ／ｓ程度である。
【００２２】次に、Ｐ2a線，Ｐ2b線は、停止信号を受信してから停止するまでの区間が下り勾配で、勾配による加速度が生じ、見かけ上の列車減速度がＰ1a線，Ｐ1b線の場合に比べて低下した時のランカーブである。下り勾配による加速度をα2（β1a，β1b＞α2＞０）とすると、強ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度β2a、弱ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度β2bは、各々、β2a＝β1a−α2 ＞０， β2b＝β1b−α2＞０で表わされる。時点Ｂより前で停止する（列車速度が０となる）ためには、Ｐ2a線とＰ2b線の交点Ｋ2時点よりもあとで、つまりＰ1a線，Ｐ1b線の場合に比べて低い速度になるまで強ブレーキ出力で減速してから弱ブレーキ出力に切替える必要がある。
【００２３】なお、前記β1a，β1bは予め、実際に走行時に測定してデータを採取、記憶しておく。
【００２４】Ｐ3a線は、停止信号を受信してから停止するまでの区間がさらに急な下り勾配の場合のランカーブである。この場合の下り勾配による加速度をα3（β3a＞α3＞β3b＞０）とすると、強ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度β3a、弱ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度β3bは、各々、β3a＝β1a−α3 ＞０， β3b＝β1b−α3＜０で表わされる。最大の下り勾配でも、強ブレーキ（最大ブレーキ）出力時には減速できるように車両性能が確保されるため、必ずβ3a＞０は成立するが、下り勾配の大きさによっては、上式のようにβ3b＜０となり、弱ブレーキでは停止できなくなることがある。したがって、このような場合は弱ブレーキへの切替えは行わずに、Ｐ3a線のように強ブレーキのみで停止する。
【００２５】また、停止信号を受信してから停止するまでの区間が上り勾配の場合は、勾配による加速度をα4とすると、強ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度β4a、弱ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度β4bは、各々、β4a＝β1a＋α4 ＞０， β4b＝β1b＋α4＞０で表される。したがって、図示のように、Ｐ1a線，Ｐ1b線の場合に比べて傾斜が急なＰ4a線，Ｐ4b線の交点Ｋ4時点以降の時点がブレーキ切替点となる。
【００２６】以上をまとめると、強ブレーキ出力時の減速度から軌道の勾配に起因する加速度を算出し、算出した加速度に基づいて推定した弱ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度が０よりも大きい時は、強ブレーキ作動開始時の列車速度から強ブレーキ出力時の減速度で減速するランカーブと弱ブレーキ出力により時点Ｂで列車速度が０になる場合のランカーブとの交点以降の時点をブレーキ切替点としてブレーキ指令を出力し、弱ブレーキ出力時の見かけ上の列車減速度が０以下の時は、停止まで強ブレーキを出力する制御となる。これが、ブレーキ切替点設定部５の役割である。
【００２７】本実施形態では、強ブレーキ出力時の列車減速度に応じて、強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力に切替える切替点（切替タイミング、もしくは列車速度）を設定するので、下り勾配により列車が停止できなくなる、制動距離が延びるといった問題を防止することができる。
【００２８】次に、停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈ）のＡＴＣ信号を受信したときの受信時の制限速度ブレーキ切替点設定部５の演算手順の例を示す。符号を次のように定義する。なお、時間は装置に内蔵された計時装置により出力される。
【００２９】Ｖ0：強ブレーキ指令出力時の列車速度（列車速度判別部５からの入力）
Ｖ1：強ブレーキ時の列車速度（列車速度判別部５からの入力）
Ｖ2：弱ブレーキ時の列車速度（列車速度判別部５からの入力）
ＶB：強ブレーキから弱ブレーキに切替える時点での列車速度β1a：平坦直線軌道における強ブレーキ時の列車減速度（設定値）
β1b：平坦直線軌道における弱ブレーキ時の列車減速度（設定値）
β2a：強ブレーキ時の列車減速度（減速度演算部４からの入力）
β2b：弱ブレーキ時の列車減速度α2：軌道勾配に起因する加速度ｔk：強ブレーキ開始からブレーキ切替までの時間ｔE：強ブレーキ開始から列車停止までの時間Ｌ：強ブレーキ開始から列車停止までの許容される列車走行距離（制動距離）
Ｓ1：強ブレーキ時の走行距離Ｓ2：弱ブレーキ時の走行距離ｔ：強ブレーキ開始からの経過時間ブレーキ切替点設定部５は、次の手順に沿って処理を実行する。
【００３０】ａ．速度照射部３から入力される強ブレーキ信号に基づいて、ブレーキ装置６に強ブレーキ指令を出力する。
【００３１】ｂ．強ブレーキ指令を出力すると同時に、列車速度判別部２から入力されている列車速度を初速度Ｖ0として記憶する。
【００３２】ｃ．強ブレーキ指令を出力して所定時間経過したら、減速度演算部４から入力される減速度β2aに基づいて下記演算を行い、弱ブレーキ時の減速度β2bを推定する。
【００３３】
β1a−β2a＝α2 （１）
β1b−α2＝β2b （２）
なお、上記（２）式で、β2bが０以下になった場合は、以下の手順は省略して、列車が停止するまで強ブレーキ指令を維持する。
【００３４】ｄ．強ブレーキ時の列車速度Ｖ1及び弱ブレーキ時の列車速度Ｖ2は、次の式で表される。
【００３５】
Ｖ1＝Ｖ0−β2aｔ （３）
Ｖ2＝Ｖ0−β2aｔk−β2b（ｔ−ｔk） （４）
強ブレーキ時の走行距離Ｓ1及び弱ブレーキ時の走行距離Ｓ2は、次の式で表される。
【数１】

ｅ．制動距離Ｌは次の条件を満たさなければならない。
【００３６】
Ｌ≦Ｓ1＋Ｓ2 （７）
また、強ブレーキから弱ブレーキに切替える時点（図３のＫ2点）での列車速度ＶBは次の条件を満たさなければならない。
【００３７】
ＶB＝Ｖ0−β2aｔk＝β2b（ｔE−ｔk） （８）
ｇ．上記式（１）〜（８）を用いて、ｔkを求める。予め上記式（１）〜（８）を用いてｔkを求める式を準備しておき、β2a、β2b、Ｖ0が決まったら、ｔkを算出するようにしておく。
【００３８】ｈ．強ブレーキ指令を出力してからの経過時間が、求めたｔkを過ぎたら、強ブレーキ指令に代えて、弱ブレーキ指令をブレーキ装置に出力する。この場合、前記式（８）により、ＶBを求め、列車速度判別部２から入力される列車速度がＶB以下になった時点で、弱ブレーキ指令をブレーキ装置に出力するようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る自動列車制御装置は、列車速度信号に基づいて列車減速度を算出し、この列車減速度に応じて強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力への切替点を設定し、ブレーキ装置に強ブレーキ出力から弱ブレーキ出力への切替え指令を出力する機能を有するので、下り勾配上で停止信号（制限速度＝０ｋｍ／ｈ）を受信して停止制御を行う場合でも、強ブレーキ出力から適切な切替点で弱ブレーキ出力に切り替えることが可能となり、列車が停止できなくなったり、制動距離が設定値を越えて長くなったりすることを防止できる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１２年１月１３日（２０００．１．１３）
【代理人】 【識別番号】１０００９８０１７
【弁理士】
【氏名又は名称】吉岡 宏嗣
【公開番号】 特開２００１−１９７６１６（Ｐ２００１−１９７６１６Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−４９７７（Ｐ２０００−４９７７）