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【発明の名称】 自動列車運転装置
【発明者】 【氏名】山本 純子

【氏名】大場 義和

【氏名】水谷 麻美

【氏名】南 陽太朗
【要約】 【課題】自動列車運転装置において、予測モデルに誤差があるときでも停止位置誤差を小さくする。

【解決手段】本発明の自動列車運転装置１１では、定位置停止制御開始時に停止計画を生成し、制御周期と同程度の短い周期で見直しなが走行することにより、予測モデル誤差の影響が大きくなる前にこの影響をなるべく打ち消して、停止位置誤差を小さくする。また、ブレーキトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク値を修正することにより予測モデル誤差を小さくし、停止位置誤差を小さくする。さらに、前回の制御周期に見直した停止計画に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の値になる場合には、その分だけ停止目標位置を逆方向にずらすことによって実際の停止位置誤差を小さくする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 次駅までの走行計画を生成し、これに従って列車を自動で走行させる自動列車運転装置において、走行中は一定周期で、また、所定のトリガ入力時に、走行計画を見直し、実走行との誤差が大きいときには走行計画を再生成する機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項２】 請求項１に記載の自動列車運転装置において、定位置停止制御開始時に停止計画を生成し、定位置停止制御開始前よりも細かい周期で停止計画を見直す機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項３】 請求項２に記載の自動列車運転装置において、停止計画を見直す際、停止位置誤差を予測し、この誤差がもっとも小さくなるよう停止計画を生成し直す機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項４】 請求項３に記載の自動列車運転装置において、停止制御開始後、ブレーキトルク推定を行い、予測モデルのブレーキトルク値を修正する機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項５】 請求項３に記載の自動列車運転装置において、停止制御開始後、再生成された停止計画の速度と現在速度との差に応じて停止目標位置を前後にずらす機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【請求項６】 請求項３に記載の自動列車運転装置において、停止制御開始後、ブレーキトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク値を修正し、この修正された停止計画の速度と現在速度との差に応じて停止目標位置を前後にずらす機能を備えたことを特徴とする自動列車運転装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、列車の走行計画を生成し、必要に応じてこの計画を微調整しながら、計画に従って走行する自動列車運転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】すでに実用化されている自動列車運転装置（Automatic Train Operation：ＡＴＯ）は、制限速度に、あるいは制限速度からある程度の余裕を持たせた速度に列車を追従させようとするものであるが、定時性（走行ダイヤの遵守）と省エネルギー性の両立が難しく、また、制限速度が下がる部分では非常ブレーキがかかってしまうために乗り心地が悪化する問題点がある。
【０００３】そこで、走行開始前に、制限速度を超えることなく定時性を確保し、省エネルギー性をも実現するような最適走行計画を生成しておき、これに従って走行するようにすれば、定時性と省エネルギー性を両立でき、また、制限速度が下がる部分で予め速度を下げておけるので非常ブレーキによる乗り心地の悪化も避けられる。
【０００４】しかし、その場合でも、予測モデルに誤差があったり、車輪の空転・滑走などの外乱が生じたりすると列車が走行計画からずれてしまう。このため、走行計画に沿って走るよう追従制御を行うと、モータ出力トルクが繰り返し急激に変化して、乗り心地が悪くなってしまうことが起こり得る。
【０００５】これを解決するために、多少の予測モデル誤差や車輪の空転・滑走などの外乱があっても、一定周期で、また、地上子を検知して走行距離を修正した際などに走行計画を見直し、必要に応じて計画を再生成しながら走行するようにすれば、その影響を補償することができる。この場合、走行計画を見直す周期は、走行計画と実走行との差がそれほど大きくならず、また、走行計画再生成の計算が負担にならない程度に決めればよい。近年の電子計算機の高速化により、走行中でも走行計画を再生成することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の進歩した自動列車運転装置でも、定位置停止制御開始後は停止位置までの距離が短く、走行計画再生成の効果が出る前に列車が停止してしまうため、予測モデルに誤差があると停止位置誤差に大きな影響が出てしまう問題点がある。また、予測モデルに誤差があると、予測される停止位置誤差が正しくないため、停止計画を見直しても正確な位置に止まれるとは限らない問題点もある。
【０００７】このような問題点を解決するには、定位置停止制御開始時に定位置停止用の走行計画（以下、「停止計画」と称する。）を改めて生成し、制御周期と同程度の短い周期で、また地上子を検知して走行距離を修正した際などに停止計画を見直しながら列車を走行させればよい。
【０００８】また、予測モデルに誤差があると、制御周期ごとに停止計画を見直しても実走行が停止計画からずれてしまうが、停止制御開始後にブレーキトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク値を修正すれば解決できる。さらに、ブレーキトルク推定を精度良く行えなかったときは予測モデルに誤差が残り、やはり実走行は停止計画からずれてしまうが、新しい停止計画に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の大きさになる場合には、その分だけ停止目標位置を逆方向にずらしてやればよい。
【０００９】本発明はこのような考察のもとになされたもので、予測モデルに誤差があるときでも、停止位置誤差を小さくできる自動列車運転装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、次駅までの走行計画を生成し、これに従って列車を自動で走行させる自動列車運転装置において、走行中は一定周期で、また、地上子検知時、ＡＴＣ信号受信時などの所定のトリガ入力時に走行計画を見直し、実走行との誤差が大きいときには走行計画を再生成する機能を備えたものである。
【００１１】請求項２の発明は、請求項１の自動列車運転装置において、定位置停止制御開始時に停止計画を生成し、定位置停止制御開始前よりも細かい周期で停止計画を見直す機能を備えたものである。
【００１２】請求項３の発明は、請求項２の自動列車運転装置において、停止計画を見直す際、停止位置誤差を予測し、この誤差がもっとも小さくなるよう停止計画を生成し直す機能を備えたものである。
【００１３】請求項４の発明は、請求項３の自動列車運転装置において、停止制御開始後、ブレーキトルク推定を行い、予測モデルのブレーキトルク値を修正する機能を備えたものである。
【００１４】請求項５の発明は、請求項３の自動列車運転装置において、停止制御開始後、再生成された停止計画の速度と現在速度との差に応じて停止目標位置を前後にずらす機能を備えたものである。
【００１５】請求項６の発明は、請求項３の自動列車運転装置において、停止制御開始後、ブレーキトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク値を修正し、この修正された停止計画の速度と現在速度との差に応じて停止目標位置を前後にずらす機能を備えたものである。
【００１６】本発明の自動列車運転装置では、定位置停止制御開始時に停止計画を生成し、制御周期と同程度の短い周期で見直しながら走行することにより、予測モデル誤差の影響が大きくなる前にこの影響をなるべく打ち消して、停止位置誤差を小さくする。
【００１７】本発明の自動列車運転装置では、また、ブレーキトルク推定を行って予測モデルのブレーキトルク値を修正することにより予測モデル誤差を小さくし、停止位置誤差を小さくする。
【００１８】本発明の自動列車運転装置では、さらに、前回の制御周期に見直した停止計画に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の値になる場合には、その分だけ停止目標位置を逆方向にずらすことにより、実際の停止位置誤差を小さくする。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は、本発明の１つの実施の形態の自動列車運転装置の構成を示している。列車１には、自動列車運転装置（ＡＴＯ）１１が搭載されている。このＡＴＯ１１は、駅停車中に自動列車制御装置（ＡＴＣ）２から制限速度情報を取得し、データベースあるいは運転手の持参したＩＣカードなどの記憶装置３から、次駅までの路線条件（駅、トンネル、勾配、曲線、固定制限速度などに関するデータ）と、車両条件（車両長、車両重量、トルク特性など）と、運行条件（ダイヤスケジュールなど）とを取得し、応荷重装置１３から応荷重信号を取得し、これらに基づいて、現在時刻とダイヤスケジュールとの遅れを考慮しながら次駅までの最適な運転計画を生成する。ここで「最適」とは、「列車が所定の走行距離をダイヤスケジュール通りに、制限速度をオーバーすることなく、なるべく省エネルギーで、なるべく乗り心地良く走れる」という意味で用いている。
【００２０】ＡＴＯ１１は、出発条件（ドア閉など）が成立しているときに運転台１２から出発信号を受け取ると、生成した走行計画に従ってトルク指令（加速度指令あるいはノッチ指令でも良い）をフィードフォワードで出力する。ここで、走行計画が時間、距離、速度、加速度、出力トルクなどの一覧表として保存してある場合には、現在位置（あるいは現在時刻でも良い）に対応する出力トルクを抽出し、それをトルク指令とする。駆動／制動系制御装置１４は、このトルク指令に従ってモータやブレーキ装置のような駆動／制動装置１５を制御する。タコジェネレータやパルスジェネレータのような速度検出器１６は、列車の速度を検出する。なお、この列車速度を積分することによって列車位置を検出することができ、地上子検出器１７が地上子を検出すると、その列車位置を補正することができる。
【００２１】図２は、ＡＴＯ１１の内部構成を示している。走行計画生成装置１０１は、ＡＴＣ２やデータベースあるいはＩＣカードのような記憶装置３、応荷重装置１３、速度検出器１６などからの各種条件に基づき走行計画（定位置停止制御開始後は停止計画）を生成する。予測モデル１０２は、走行計画又は停止計画を生成する際、列車の挙動を予測するために利用する。ブレーキトルク推定装置１０３は、予測された列車の挙動と実際の列車の挙動とを比較して列車のブレーキトルクを推定し、予測モデルのブレーキトルク値を修正する。トルク指令抽出装置１０４は、現在位置又は時刻に基づいて、走行計画から対応する出力トルクを抽出し、トルク指令として出力する。
【００２２】次に、図１および図２を用いて、本実施の形態の自動列車運転装置の動作について説明する。駅間走行中は、一定周期（例えば、制御周期の１０倍の周期）で走行計画を見直し、列車の速度と走行計画との誤差が大きくなった場合は現在位置から停止目標位置までの走行計画を再生成する。これにより、外乱や予測モデルの誤差があっても、定時性を保ちながら省エネルギーで乗り心地の良い走行を実現できる。
【００２３】定位置停止制御の開始後は、停止位置までの距離が短く、走行計画再生成の効果が出る前に列車が停止してしまうため、外乱や予測モデルの誤差があると停止位置誤差に大きな影響が出てしまう。そこで、この影響をなるべく小さく抑えるため、より小さな周期、例えば、走行計画からトルク指令を算出する制御周期と同じ周期で定位置停止用の走行計画（停止計画）を見直す。
【００２４】また、予測モデルに誤差があると予測される停止位置誤差が正しく出ないため、停止計画を見直しても正確な位置に止まれるとは限らない。そこで、停止制御開始後、停止ブレーキのトルクがある程度安定してからブレーキトルク推定を行い、予測モデルのブレーキトルク値を修正する。このブレーキトルク推定には、例えば、次のような方法を用いることができる。
【００２５】図３において、停止ブレーキ開始後、ブレーキトルクが充分立ち上がった時刻をｔ0 （そのときの速度はｖ0 ）とし、ここから一定時間Ｔp の間のデータから、ブレーキトルクを推定する。この時間Ｔp は信頼できるよう充分長い値で、しかも手遅れにならないようなるべく短い値として決める。
【００２６】時刻ｔ0 ＋Ｔp での予測モデルによって得られる速度ｖ1 と実際に計測される速度ｖcnt とは、次のように表される。
【００２７】
【数１】

ここで、Ｆ′，Ｌ′は予測モデルでのトルクとトルク損失であり、Ｆ，Ｌは実際のトルクとトルク損失（観測値）である。
【００２８】そして、（１），（２）式より、【数２】

が得られる。ここで、【数３】

と書き換えると、（３）式より、【数４】

が得られる。さらに変形して、【数５】

となり、実際のブレーキトルクＦの、予測モデルのブレーキトルクＦ′に対する比率Ｆ／Ｆ′は、次の（６）式で得られる。
【００２９】
【数６】

ここにおいて、トルク損失の誤差を無視する場合は、【数７】

となる。
【００３０】より簡易に、トルク損失を無視する場合は、【数８】

となる。
【００３１】（６），（７），（８）のどの式でも、実際の出力トルク（実際には、その観測値又は推定値）Ｆを必要としない。トルク損失の観測値Ｌは、勾配データ、曲線データ、走行抵抗式及び列車速度（観測値）から求めることができ、これを制御周期毎に足し込んでいくことにより、【数９】

を求めることができる。
【００３２】以上のように、ブレーキトルクを推定することにより停止位置誤差の精度を上げることができる。
【００３３】また、前回の制御周期に見直した停止計画に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の値になる場合は、実際のブレーキトルクが予測モデルのものとずれていると考えられる。
【００３４】例えば、停止計画が停止ブレーキの最後に弱いブレーキを使用するものであり、実際のブレーキトルクが予測モデルのものより２０％弱い場合、図４に示すように、停止位置誤差の予測値がほぼ０になるように停止前の弱いブレーキヘの切換を延期しても、次の計画見直し時に停止位置誤差を予測すると前回と同じ程度の停止位置誤差が予測される。
【００３５】すなわち、停止制御開始から１制御周期後に現在位置からの列車の走行を予測する場合、ブレーキトルクが予測モデルのものより弱いため、最初に生成した停止計画よりも現在速度が高くなっている。このため、停止計画どおりの位置で弱いブレーキに切り換えると停止目標位置を過走してしまうと予測される。そこで、停止位置誤差がなるべく小さくなるよう、停止計画を生成し直して弱いブレーキへの切換点を遠方にずらす。しかし、この計画は実際とずれた予測モデルを使用して生成しているため、次の制御周期にはやはり停止計画よりも速度が高くなってしまい、「過走する」という予測結果が得られる（なお、図４では、見やすくするため、１制御周期を大きめに描いてある）。
【００３６】このように、実際のブレーキトルクと予測モデルのブレーキトルクとのずれは変わらないため、予測される停止位置誤差、あるいは、停止位置誤差を予測するときの速度と最新の停止計画との速度誤差は、毎回同じ程度の値となるのである。
【００３７】そこで、停止位置誤差の予測値あるいは停止計画からの速度のずれが前回と同じ程度であったとき、予測される停止位置誤差の分だけ停止位置目標値を反対側にずらすことにより、図５に示すように、次の制御周期での停止位置誤差予測値は０に近くなる。なお、図５では、２回目の予測で、停止位置誤差が前回の予測での誤差と同じ程度になると予測されたため、この誤差の分だけ停止目標位置を手前にずらして停止計画を生成し直している。
【００３８】これを繰り返せば、最終的な停止位置誤差を小さくすることができ、あるいは、今のブレーキトルクでは過走を防げないケースであるとより早く判断できるため、より強いブレーキを停止ブレーキに使用するよう停止計画を生成し直すなどの対応を早めに取ることができる。さらに、その新しく使用するブレーキも予測モデルのものとはトルク値がずれていると考えられるので、停止位置をずらしたままにしておくことによって最終的な停止位置誤差を小さくすることができる。
【００３９】なお、ここでブレーキトルク推定を併せて行えば、より正確な予測が可能となり、停止位置誤差をいっそう小さくでき、過走を防げない場合などでも、それに対する処理（停止計画のブレーキを強く／弱くする、など）を早めに行うことができる。
【００４０】また、上記よりも簡便な方法として、停止目標位置を最初から手前にずらしておいて停止計画を生成し、停止前の最後の地上子検出時に本来の停止目標位置に戻して停止計画を生成するようにすることもできる。このように停止目標位置を手前にずらしておくことにより、停止前に充分に速度を落としておくことができ、本来の停止目標位置まで余裕を持って、弱いブレーキで乗り心地良く進んでから停止することができるようになる。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、定位置停止制御開始時に停止計画を生成し、制御周期と同程度の短い周期で見直しながら走行することにより、予測モデル誤差の影響が大きくなる前にこの影響をなるべく打ち消して、停止位置誤差を小さくすることができる。
【００４２】また、本発明によれば、ブレーキトルク推定を行って、予測モデルのブレーキトルク値を修正することにより、予測モデル誤差を小さくすることができ、停止位置誤差を小さくすることができる。さらに、前回の制御周期に見直した停止計画に基づいて停止位置誤差を予測するたびに停止位置誤差の予測値が同程度の値になる場合には、その分だけ停止目標位置を逆方向にずらすことによって実際の停止位置誤差を小さくすることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】 平成１３年３月１３日（２００１．３．１３）
【代理人】 【識別番号】１０００８３８０６
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和 （外７名）
【公開番号】 特開２００２−２７１９１８（Ｐ２００２−２７１９１８Ａ）
【公開日】 平成１４年９月２０日（２００２．９．２０）
【出願番号】 特願２００１−７０９４８（Ｐ２００１−７０９４８）