列車総括制御システム
【課題】 列車に装備された各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を実行できる列車制御システムを提供する。
【解決手段】 自動列車運転手段４４、駆動力及びブレーキ力の配分手段４７、エネルギー蓄積手段、空調等の補機手段のうち、複数の手段を有する列車の制御システムであって、前記複数の手段に関する情報及び列車の外的な状況に基づいて、複数の編成指標を求め、該複数の編成指標に基づき、編成としての運転計画を決定する制御手段２４を具備する。この制御手段２４は、前記決定された運転計画に従い、前記複数の手段を制御する。
【解決手段】 自動列車運転手段４４、駆動力及びブレーキ力の配分手段４７、エネルギー蓄積手段、空調等の補機手段のうち、複数の手段を有する列車の制御システムであって、前記複数の手段に関する情報及び列車の外的な状況に基づいて、複数の編成指標を求め、該複数の編成指標に基づき、編成としての運転計画を決定する制御手段２４を具備する。この制御手段２４は、前記決定された運転計画に従い、前記複数の手段を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、列車各部の状態、列車ダイヤ、走行状況等を把握して、列車の駆動力又は減速力を制御可能な列車制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の列車システムには、自動列車運転装置（ＡＴＯ）や列車編成内のブレーキ力の配分機能はあるが、その制御の自由度は高く、それぞれが独自の情報源及び独自の判断によって、省エネルギーや時間短縮などを目的とした運転を行う。
【０００３】
例えばＡＴＯでは、ＡＴＯ地上子から受信される地点補正信号、及び車軸に設けられたパルスジェネレータから受信されるＴＧパルスに基づいて現在の位置及び車速を判断する。またＡＴＯは、運転計画に基づく目標速度で列車が走行するように、現在の位置及び速度を参照して力行／制動指令を生成し、列車速度を制御する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の列車システムでは、例えば各車両に設けられた主電動機駆動用インバータと補機用補助電源のように、複数の機能間をまたがる協調した運転が行われていない。従って、場合によっては、背反した動作を実行したり、機器に負担がかかる運転を強要したりする。
【０００５】
本発明は上記したような課題を鑑みてなされたもので、各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を実行できる列車制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る総括制御部は、列車編成各部の様々な情報を考慮して、編成全体の編成ポリシー（今、この列車はどういう指針で動くべきか）を決定する機能を持つ。この編成ポリシーに基づいて、各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を行う。例えば一実施例においては、温度上昇したインバータが有る場合、当該インバータへのトルク指令を他のインバータより低減する。あるいは他の実施例においては、インバータがデュアルモードで動作する場合、温度上昇したインバータを停止させると共に、補助電源として動作していたインバータをモータ駆動用インバータに設定変更し、停止したインバータによる駆動力低下を補って走行を続行する。
【発明の効果】
【０００７】
従って本願によれば、安定した運行（遅延なく走る）、運転時分短縮、省エネ効果、乗り心地改善などの効果を生じる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例に適用される各種台車１８の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係るＭ台車１８ａの電気的構成を示す図である。
【図５】インバータの能力配分を示す図である。
【図６】補助電源として動作させるインバータ及び駆動用として動作させるインバータの台数について説明する図である。
【図７】従来編成列車と本発明が適用される編成列車の力行性能及びブレーキ性能の違いを示す図である。
【図８】本発明の第３実施例に係る総括制御システムの構成を示すブロック図である。
【図９】状態監視部４１の構成を示すブロック図である。
【図１０】総括制御部２４の構成例を示す図である。
【図１１】編成ポリシーの決定処理を示すフローチャートである。
【図１２】編成ポリシーの決定に用いるマトリクスの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明による列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。この列車は１例として１０両編成で構成されている。
【００１１】
各車両１１には２台の台車１８が設けられ、各台車はＭ台車１８ａあるいはＴ台車１８ｂである。Ｍ台車１８ａはモータ駆動台車であり、インバータ１７及びモータ２３の組が２組設けられている。モータ２３は小型軽量に適した例えば永久磁石同期電動機で、メンテナンスフリーとするために全密閉型がよい。Ｔ台車１８ｂは駆動装置を有さない台車である。各台車１８は取り付け口２２を介して車両１１の本体に接続される。取り付け口２２は車両本体側に設けられ、その構造は全車両において同一である。従って台車上部つまり取り付け口に結合される部分の機械的構造は全台車１８において同一である。
【００１２】
パンタグラフ１２に接続される第１パワーライン１５は、各取り付け口２２まで配線される。この第１パワーライン１５には架線１０からパンタグラフ１２を介して例えば直流１５００Ｖが供給される。Ｍ台車１８ａのインバータ１７には、この直流１５００Ｖが第１パワーライン１５からコネクタ（図示せず）を介して供給される。
【００１３】
第２パワーライン１４は補機用３相４４０Ｖを伝送するラインである。この３相４４０Ｖは補助電源（図示せず）により発生される。この補助電源は例えば第１パワーラインから供給される直流１５００Ｖを補機用３相４４０Ｖに変換する。第２パワーライン１４は補助電源から各取り付け口２２まで配線され、更に空調設備などの各車両に搭載された補機１３に接続される。
【００１４】
制御伝送ライン１６は、総括制御部２４から各取り付け口２２に配線される。制御伝送ライン１６では、インバータ１７などを制御するための情報が伝送される。又制御伝送ライン１６は、補機１３などを制御するための信号が伝送される。
【００１５】
図２は本実施例に適用される各種台車１８の構成を示す図である。
【００１６】
台車１８にはＭ台車１８ａ、Ｔ台車１８ｂの他に、モータ２３及びインバータ１７の組を１組搭載した０．５Ｍ台車１８ｃ、インバータ１７のみを搭載したＩＮＶ台車１８ｄ、バッテリー３４のみを搭載したＢＡＴ台車１８ｅ等がある。更に台車には補機用の補助電源を搭載しても良い。
【００１７】
本実施例を適用する列車は、Ｍ台車１８ａをＴ台車１８ｂ等の他の台車へ容易に入れ換えることが可能である。つまり各車両には、所要の性能に応じて様々な台車を取り付けることができる。例えばＴ台車をＭ台車へ交換すると、駆動性能及び回生ブレーキ性能を向上できる。又Ｍ台車同士の入れ替えが可能であるため、故障時の早期復旧及びメンテナンス性を向上できる。１車両に少なくとも１台のＭ台車を組み付けることにより、１車両単体で移動可能である。
【００１８】
各台車１８に設けられている属性記録部２１は、当該台車１８に搭載された機器１７、３４、２３の属性（能力）が記録されている。総括制御部２４は、属性記録部２１に記録された各台車１８の能力を制御伝送ライン１６を介して読み込むことにより、当該列車の総合的な能力（編成能力）、例えば列車の総合的な引っ張り力／ブレーキ力特性を判断することができる。総括制御部２４は、このようにして判断した編成能力に応じて、列車の駆動力等を制御する。
【００１９】
以上説明したように、本発明の第１実施例によれば、様々な能力を有する台車の組み合わせにより、所要編成能力を実現するフレキシブルな列車制御システムを提供することが可能である。また、インバータ（主変換装置）１７を標準化することにより、管理が容易となりコストダウンを実現する。全路線の運行を、共通規格の台車を用いた列車で実現可能である。更に、車両搭載機器を台車内に配置することで、開放された床下スペースに例えば蓄電装置を搭載し、電力アシスト及び電力リサイクルを実現できる。
【００２０】
尚、属性記録部２１の属性情報及び制御情報の伝送は、制御伝送ライン１６のような有線ではなく、無線により行っても良い。又、取り付け口２２には、台車交換時などに作業員を保護するために、パワーラインを開放する手段を設けても良い。更に、各車両にＭ台車１８ａあるいは０．５Ｍ１８ｃ台車と、バッテリー台車１８ｅを装備すれば、各車両は自走できる。
【実施例２】
【００２１】
次に本発明の第２実施例を説明する。第２実施例に係る列車は、デュアルモードで動作するインバータを含み、編成内に設けられたインバータ総能力を、リアルタイムで駆動力（ＶＶＶＦ）と補助電源（ＳＩＶ）に最適配分する。
【００２２】
図３は本発明の第２実施例に係る列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。
【００２３】
この第２実施例に係る列車の構造は第１実施例と同様である。第２実施例では、台車として全てＭ台車が用いられ、搭載されるインバータは全て又は一部がデュアルモードで動作する。尚、全台車がＭ台車であることは本発明の必須の条件ではない。使用されるＭ台車の台数（モータ駆動軸数）が通常より多いほど、本発明の特徴が顕著に現れる。
【００２４】
Ｍ台車１８ａに設けられた２台のインバータ１７のうち例えば１台はデュアルモードで動作するようにしてもよい。デュアルモードで構成された場合、インバータ１７は例えば補機用３相５０Ｈｚ電圧及びモータ２３駆動用３相ＶＶＶＦ電圧の一方を、総括制御部２４の制御の基に発生する。
【００２５】
図４は本実施例に係るＭ台車１８ａの電気的構成を示す図である。
【００２６】
インバータ１７ａは、モータ駆動用ＶＶＶＦインバータであって、第１パワーライン１５から接触器１９及びコネクタ２０を介して供給される直流電力を、総括制御部２４の制御の下に可変電圧可変周波数の三相電力に変換しモータ２３を駆動する。
【００２７】
インバータ１７ｂはデュアルモードで動作するインバータであって、モータ２３に対する三相交流電力及び空調等の車両搭載の補機１３に対する三相交流電力を提供する。インバータ１７ｂの直流端子はインバータ１７ａと同様に第１パワーラインに接続される。インバータ１７ｂの交流端子はスイッチ３１を介してモータ２３及び変圧器３２の一次側に接続され、変圧器３２の二次側はコネクタ２０を介して第２パワーライン１４に接続される。スイッチ３１は半導体スイッチ３１ａ及び３１ｂを含む。モータ２３を駆動する場合は、スイッチ３１ａがオフ、３１ｂがオン状態となり、インバータ１７ｂはインバータ１７ａと同様に動作する。補機電源を供給する場合は、スイッチ３１ａがオン、３１ｂがオフ状態となり、インバータ１７ｂは一定周波数三相電力を発生する。変圧器３２はインバータ１７ｂの三相交流電圧を補助電源電圧に降圧し、補助電源（ＳＩＶ）を提供する。ここで、複数の変圧器３２の二次側は、第２パワーライン１４にて並列に接続される。尚、インバータ１７ｂとスイッチ３１と変圧器３２を含む回路ブロックを、モータ駆動用又は補機用インバータとして動作するデュアルモードインバータとしても良い。
【００２８】
コンバータ３３は、第１パワーライン１５から接触器１９を介して供給される直流１５００Ｖを降圧し、バッテリー３４を蓄電する。またコンバータ３３は、バッテリー３４に蓄電された電力の電圧を昇圧し、接触器１９を介して第１パワーラインに電力を供給する。
【００２９】
第２実施例に係る列車制御システムは、編成内のインバータ総能力をリアルタイムで駆動力（ＶＶＶＦ）と補助電源（ＳＩＶ）に最適配分する。
【００３０】
図５はインバータの能力配分を示す図である。
【００３１】
図５（ａ）は、従来システムのＶＶＶＦとＳＩＶの配分を示す。一般にモータ駆動用ＶＶＶＦインバータと補助電源用インバータは独立して車両に設けられ、それぞれの台数は決まっており、一般に変更されることはない。１編成に設けられる全ＶＶＶＦインバータのうち、実際の走行時に動作するインバータの台数は、割合１０２のように決められており、割合１０１のように所定台数のＶＶＶＦインバータが予備インバータとして待機している。補助電源も同様に、実際の運行時に動作するＳＩＶ用インバータの台数は、割合１０３のように決められており、割合１０４のように所定台数のＳＩＶ用インバータが予備インバータとして待機している。
【００３２】
図５（ｂ）は、本願システムのＶＶＶＦとＳＩＶの配分を示す。本願システムに係る補助電源は、デュアルモードで動作するインバータにより全て提供される。インバータ１７ｂは、割合１１２のようにＳＩＶの電力として必要台数が割り当てられ、割合１１１のように残りすべての台数が駆動力に割り当てられる。待機用のインバータは設けられていない。こうすることで、列車としての粘着限界が高くなり、空転・滑走がなく安定した走行が可能となる。ＳＩＶ電力とＶＶＶＦ駆動力として割り当てられるインバータの台数は、走行中でもリアルタイムで変更可能である。図５（ｃ）のように非常ブレーキ時は、駆動力（ブレーキ力）を優先して、必要最小限の台数のみが補助電源に割り当てられるか、あるいは全てＶＶＶＦ駆動力として割り当てられる。これらＳＩＶの電力として使用されるインバータと駆動力として使用されるインバータの割合は、総括制御部２４が走行条件を判断して決定する。
【００３３】
この第２実施例に係るシステムで設けられるインバータの総台数は、従来のシステムのＶＶＶＦインバータとＳＩＶ用インバータの総台数より少ない。ＳＩＶの電力として使用されるインバータと駆動力として使用されるインバータの割合をリアルタイムで変更することにより、インバータ回路の冗長性、安全性を確保できる。
【００３４】
一実施例に係る編成列車では、例えば小容量ドライブ（インバータ及びモータ）を多数配置し、駆動力としてのＶＶＶＦ性能の余力向上を図る。従って、高速性能が向上し、加速時間が短縮されるので、列車ダイヤの乱れを少なくすることができると共に省エネ運転が可能となる。又、駆動力及び制動力の１軸負荷が減り、空転・滑走を防止でき、回生ブレーキ性能を向上できる。この結果、従来の空制（空気制御）ブレーキを設けなくとも、所望のブレーキ力を得ることができる。空制ブレーキを設けない場合、回生失効への対策としては、回生電力を吸収する蓄電装置３４の搭載、又はハイスリップブレーキ、又は非常停止用の簡易ブレーキ装置を設けてもよい。
【００３５】
図６は補助電源として動作させるインバータ及び駆動用として動作させるインバータの台数について説明する図である。例えば、春や秋のように冷房装置（空調）を殆ど使用しない季節では、図６（ａ）のように補助電源として動作するインバータ１７Ｓの台数を減らして運行する。残りのインバータを全て駆動用のインバータ１７Ｖとして使用することで、加速性能及び電気制御（電制）ブレーキ性能を向上することができる。また、真夏のように冷房装置をフル稼働させるような場合は、図６（ｂ）のように補助電源として動作するインバータ１７Ｓの台数を増やして運行する。この結果、快適な車内温度を乗客に提供することができる。尚、このインバータの動作モードの切換は、制御部２４が自動的に行っても良いし、運転士が季節、走行条件、時間帯等を考慮して、運転台にて手動で行っても良い。
【００３６】
図７は従来編成列車と本発明が適用される編成列車の性能の違いを示す図である。
【００３７】
特性２０１は従来編成の性能を示す。このように従来編成の場合、所定速度Ｖ１までは最大引張り力（トルク）で加速し、速度Ｖ１を超えると引張り力は徐々に減少し、所定パワーで走行する。特性２０２は本実施例が適用される編成の性能を示す。本実施例が適用される編成では、駆動力を発生するために動作しているＶＶＶＦインバータの台数が従来より多いので、編成内の潜在性能は従来より高い。しかし速度Ｖ１までの低速域では、従来編成列車に合わせて、例えば特性２０１のように引張り力を発生して走行する。本実施例に係る編成では、領域２０３のように速度Ｖ１を超えても引張り力（加速）を維持した走行が可能である。尚、領域２０３では入力電流が大きくなり、架線電圧が規定値以下となる可能性がある。従って領域２０３では、蓄電装置３４に蓄えた電力を放電して、架線から供給される電流のピークカット（補助）を行い、架線電圧が規定値以下となることを防止する。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、列車の加減速特性を重視したシステムあるいは補機電力容量を重視したシステム等、編成能力（全インバータ能力）を走行条件及び環境に合わせて、駆動力用インバータと補助電源用インバータに最適に、且つリアルタイムで容易に割り振ることができるフレキシブルな列車制御システムを提供することが可能となる。
【実施例３】
【００３９】
次に本発明の第３実施例に係る総括制御について説明する。
【００４０】
本実施例に係る総括制御部は、列車編成に関する様々な情報を考慮して、編成全体の編成ポリシーすなわち編成方策（今、この列車はどういう指針で動くべきか）を決定する。この編成ポリシーに基づいて、各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を行う。
【００４１】
図８は、本実施例に係る総括制御システムの構成を示すブロック図である。総括制御部（以下、制御部と記載する）２４は、状態監視部４１、機器能力管理部４２、保安制御部４３により生成された情報を一次指標として入力し、この一次指標に基づいて、列車が現在、何をすべきか（ポリシー）を決定する。このポリシーには、非常事態対応処理、省エネ対策、走行時分短縮処理などが含まれる。
【００４２】
状態監視部４１は各装置４９（ブレーキ装置、駆動装置、エネルギー蓄積装置（蓄電装置）、補機等）の長期・短期的なリスク（異常や故障）、他列車の状況、架線電圧の状況など、列車内外の動的な情報を集め把握する。機器能力管理部４２は、システムに接続された各装置４９の能力を算出し、当該列車編成が有する潜在力を把握する。保安制御部４３は列車の衝突事故を回避するため、信号に基づき列車を減速・停止させる。
【００４３】
制御部２４は、決定したポリシーを実現するために、自動列車運転装置４４、編成能力分配部４６、エネルギー管理部４７、補機制御部４８などに各種制御情報を編成ポリシーとして出力する。
【００４４】
自動列車運転装置４４は、制御部２４からの編成ポリシーに従う駅間走行となるように、編成全体の力（編成力）を制御する。又、自動列車運転装置４４は、速度・位置検出部４５からの列車速度及び位置、制御部２４からの発進指令及び制限速度信号などに基づいて、加減速指令を編成能力分配部４６に出力する。編成能力配分部４６は、制御部２４からの編成ポリシー等に従い、編成全体の引張力やブレーキ力をどの機器に配分するか決定する。エネルギー管理部４７は、制御部２４からの編成ポリシーに従い、エネルギーの充放電量を管理する。補機制御部４８は、制御部２４からの編成ポリシーに従い、エアコン等の補機を制御する。
【００４５】
図９は、状態監視部４１の構成を示すブロック図である。
【００４６】
状態監視部４１では、編成ポリシーを作成するために必要な１次指標の一部を算定する。以下、状態監視部４１を構成する機器状態監視部５０及び運転状況監視部５１について説明する。
【００４７】
（１）機器状態監視部５０
機器状態監視部５０は、各機器の情報から、保護や故障に至る可能性をリスクとして算定する。各機器とは、例えば主電動機、ＶＶＶＦインバータ、ＢＣＵ、補助電源装置、空調機、コンプレッサー等である。
【００４８】
例えば、主電動機やＶＶＶＦインバータは、過負荷で運転継続すると、温度上昇により保護停止状態となり、運行に影響を及ぼす。よって機器状態監視部５０は、このような機器の温度に基づき機器リスク指標を算出する。この温度に関する機器リスク指標は、列車に装備された各機器の検出温度と、当該機器の動作温度上限値との差に対応する余裕度を指標化したものとする。
【００４９】
制御部２４は、編成ポリシーの決定において、リスク回避運転が可能と判断した場合には、機器リスク指標の高い装置のリスクを減らすように（つまり、その機器を稼動しない、あるいは電流値を減らして温度上昇を抑制して）運転させることができる。更に制御部２４は、電流制限等によりパワーが低下した機器のパワーを補うように、同一機能の対応する他の機器のパワーを上げて運転することも可能である。
【００５０】
また機器状態監視部５０は、空調機やコンプレッサー及び主電動機等の回転数情報より、正常な状態では現れない周波数スペクトルを抽出したら、故障の予兆であると判断する。すなわち、この様な機器の回転数情報に基づき、機器状態監視部５０は機器リスク指標を算出する。制御部２４の編成ポリシーの決定においては、可能であればこのような故障のリスクを回避するような編成運転をさせることができる。
【００５１】
（２）運転状況監視部５１
編成ポリシーを決定するためには、当該駅間走行で必要とされる補機電力量や駆動力の情報、また編成列車の外的な状況や、エネルギー蓄積装置のエネルギーの余力などの情報が必要である。運転状況監視部５１は、これらの情報を指標として提供する。
【００５２】
以下、運転状況監視部５１にて作成される各種指標について説明する。
【００５３】
［補機電力量指標］
補機電力量予測部５２は、空調等の補機に必要な電力量を補機電力量指標として算出する。例えば、駆動（制動も同様）に必要な力は乗車率に影響され、補機電力量は外気温や湿度、乗車率に影響される。乗車率は応荷重信号で検出でき、また季節（あるいは気温）や時間にも相関があるため、それに応じて予測可能である。外気温や湿度についても、季節（あるいは気温）や時間に相関があり、予測可能である。補機電力量予測部５２は、これらの情報に基づき、必要な補機電力量を予測して補機電力量指標として提供する。
【００５４】
［進路指標］
前方列車予測部５３は、前方に列車が接近しているか等の前方列車の運行状況に基づき、進路の状況を進路指標として算定する。進路状況が悪ければ、無理やり走っても保安制御により、ブレーキがかかり減速するだけである。これは、乗り心地も劣化し、エネルギー的に損失となる。また、自車が減速することで、後続列車に影響を及ぼし、全体として遅延の増長する要因になる。
【００５５】
そこで、制御部２４の編成ポリシーの決定においては、進路指標に応じて、それが悪ければ、ゆっくりとした運転計画を採用することで、安定走行（安定輸送）に寄与できる。
【００５６】
［架線電圧指標］
また架線電圧の高さも運転には重要な要素である。架線電圧予測部５４は架線電圧を予測し、架線電圧指標（高／低）を提供する。例えば、中高速域の引張力は、架線電圧が高い方が大きい。これは、架線電圧が低い場合より、高い場合の方が加速がよいことを示し、走行時間余裕が大きくなる。よって、この架線電圧情報を考慮することで、“編成能力”が変わり、この編成能力に応じて編成ポリシーを決める方が、利することが大きい。
【００５７】
架線電圧の大きさは、他の列車や自車の駆動力に依存する。よって架線電圧は、ダイヤや運行状況、季節・時間などの要因から推測できる。
【００５８】
［エネルギー余力指標］
エネルギー蓄積装置を搭載した車両は、架線電圧の大きさに影響を及ぼす自車の（架線からの）電力量を制御できる。ただし、この電力量はエネルギー余力（ＳＯＣ）に依存する。エネルギー余力算定部５６は、エネルギー蓄積装置の余力（ＳＯＣの使用範囲に対する、その時点のＳＯＣ）をエネルギー余力指標として算定する。このエネルギー余力指標は、架線電圧指標の算出に考慮することもできる。
【００５９】
［滑り指標］
空転滑走予測部５５は、編成内の空転・滑走の状況を分析し、走行線区が滑りやすいか否かを示す滑り指標を算出する。また空転滑走予測部５５は、編成における滑りやすい箇所（編成の前中後など）あるいは滑り易い軸があるか否か判断する。
【００６０】
特に空転滑走予測部５５は、滑り易い状況が、
（Ａ）編成全体の力に影響を及ぼすレベル（つまり、加減速度が低下するレベル）、
（Ｂ）力を再配分して補正できるレベル、
（Ｃ）滑りやすくないレベル、
というように“滑り指標”を生成する。
制御部２４の編成ポリシー決定においては、
（Ｃ）であれば、空転・滑走を考慮しなくてよい。
【００６１】
（Ａ）であれば、滑べらないように、編成能力（駆動力／制動力）をあえて下げて計画する方がよい。尚、このとき、各軸の駆動・制動力の負担量を下げるように制限するので、編成能力が落ちる可能性がある。
【００６２】
（Ｂ）の場合、空転滑走のリスクがある、という程度であり、他の指標との兼ね合いで、
・時間優先（最も駆動力が必要なポリシーであり、空転滑走のリスクは高い）
・省エネルギー優先（時間に余裕があるが、省エネ走行するため、運転自体は厳しく、空転滑走のリスクは高い）
・安定運行（時間的余裕があるが、安定走行を最優先とするため、各軸の負担力を落とし、空転滑走リスクを回避する）というポリシーの選択の余地がある。
【００６３】
滑り指標に応じて、各軸負担力の制限を行う必要があるので、この指標は、制御部２４を介して、所定の機能（この例では、後述の編成能力配分部４６）へ送る。
【００６４】
図１０は、総括制御部２４の構成例を示す図である。
【００６５】
制御部２４には１次指標が入力される。編成能力演算部６２では、状態監視部４１、機器能力管理部４２、保安制御部４３から提供される１次指標、及び編成ポリシー決定部６１の後述される追加条件に基づいて、編成能力を算定する。編成能力とは、列車編成の力行引張力（架線電圧指標やエネルギー余力指標を考慮したもの）と、回生ブレーキ力（架線電圧指標やエネルギー余力指標を考慮したもの）と、ブレーキ力（回生＋空制）を示す。
【００６６】
編成指標演算部６３では、１次指標及び編成能力に応じて後述の編成指標を求める。編成ポリシー決定部６１は、１次指標及び編成指標演算部から提供される編成指標に基づいて、編成ポリシーを決定する。
【００６７】
次に、編成ポリシーの決定処理について説明する。図１１は編成ポリシーの決定処理を示すフローチャートである。
【００６８】
先ず、ステップＳＴ０１のように、編成ポリシー決定部６１は補機電力量予測部５２から得られる補機電力量指標に基づいて、予測された補機電力量をカバーできるように必要なインバータ出力電力容量を算定し、編成内のその電力容量分のインバータを、前述した第２実施例のように補助電源に割り当て、残りを駆動力へ割り当てる。
【００６９】
次に、ステップＳＴ０２のように編成指標演算部６３は、現時点の状況に応じて４つの指標を決定する。
【００７０】
（１）非常事態指標 ：保安装置等からの信号に基づく非常停止状態であるかを示す指標である。
【００７１】
（２）時間余裕指標 ：所定の走行時間に対して、何秒の余裕があるかを示す値に対応する指標である。つまり時間余裕指標とは、最大加速して次の駅に到着する時刻と、運行ダイヤに示される予定到着時刻との差の時間に対応する指標である。これは編成能力に基づいて、走行シミュレーションを行って求めることができる。
【００７２】
（３）装置リスク指標：各装置ごとに運転継続上のリスクがあるかを示す指標。これは、機器状態監視部５０にて算定された機器リスク指標を使用できる。
【００７３】
（４）空転・滑走指標：空転・滑走が多発する状況かどうかを示す指標。これは、空転滑走予測部５５により算出された滑り指標を使用できる。
【００７４】
例えば、回復運転の指示があった場合などは、（２）時間余裕の指標に考慮すればよい。
【００７５】
次に、ステップＳＴ０３のように編成ポリシー決定部６１は、２次指標を算出すべきか判断する。
【００７６】
図１２は編成ポリシーの決定に用いるマトリクスの一例を示す。左端の列は、各種走行状態を示す状態番号である。
【００７７】
前述のステップＳＴ０２のように算定した編成指標（第１次の編成指標）において、状態Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５のように装置リスクが無い場合、編成ポリシー決定部６１は第１次の編成指標に基づいて、主編成ポリシー（運転計画）及びサブポリシー（駆動力配分、補機運転、エネルギー蓄積装置の運転）に関する編成ポリシー（第１次ポリシー）を決定する（ＳＴ０４）。
【００７８】
図１２のマトリクスにおいて、例えば第１次の編成指標の時間余裕「０」は回復運転レベルであって、走行時間短縮が必要な（遅延している）レベルである。時間余裕「１」は余裕無しのレベルであって、現状の走行能力では、所定時間通り走行するのが精一杯であり、時間的余裕が無い状態である。時間余裕「２」は余裕有りのレベルであって、現状の走行能力で時間的な余裕がある状態である。このレベルの時は、比較的自由な走行パターンを策定できる。尚、編成指標は、例えば非常指標及び装置リスク指標というように、少なくとも２つ以上作成し、編成ポリシーの決定時に参照するのが良い。
【００７９】
また第１次の編成指標において、状態Ｎｏ．６〜Ｎｏ．１０のように装置リスクが有る場合、編成ポリシー決定部６１は第２次の編成指標を算出し、装置リスクを回避する条件（追加条件）にて編成ポリシー（第２次ポリシー）を決定する（ＳＴ０５〜ＳＴ０７）。
【００８０】
編成ポリシー決定部６１は、例えば状態Ｎｏ．６のように、装置リスク指標が「有」の場合、第２次の編成指数を算定し、装置リスク指標が「０：無」となるように、主編成ポリシー及びサブ編成ポリシーを決定する。このような場合は、装置リスクを回避するために、サブポリシー（駆動力配分）を「１」とし、編成能力配分部４６を制御して、装置リスクの高い装置のリスクを低減する。例えば駆動用のインバータ１７Ｖの温度上昇が装置リスクとなっている場合、編成能力配分部４６は当該機器の動作を停止するか、又は電力（電流）を低減させる。尚、この「駆動力配分」は、モータ（主電動機）及び補機が、前述の第２実施例のように、デュアルモードで動作するインバータにより電力供給されている場合、モータ駆動用として設定されるインバータの台数と、補機の補助電源用として設定されるインバータの台数の配分を含む。又、この「駆動力配分」は、モータ駆動用として設定されるインバータの台数に対応する回生ブレーキ力の配分をも含んでいる。
【００８１】
このとき編成ポリシー決定部６１は、サブポリシー（補機）を例えば「１」とし、補機制御部４８を制御する。補機制御部４８は、最大負荷とならないように、ピークカット運転を行う。つまり補機制御部４８は、補助電源の電力容量を超えないように補機を動作させる。
【００８２】
次に、図８のエネルギー管理部４７について説明する。
【００８３】
編成ポリシーが決定すると、どのように駅間走行をするか（走行計画）が概略決まる。
【００８４】
エネルギー管理部４７では、制御部２４からの編成ポリシー及び走行計画を遵守できるようにエネルギー蓄積装置のエネルギー制御を行う。
【００８５】
例えば、補機電力量を小さく、駆動力を大きく割り当て、高速まで加速するような走行計画の場合、サブポリシー（エネルギー蓄積装置）として、「１：力行高速時の補足を優先」が決定される。この場合、エネルギー管理部４７は、架線電圧が低下しやすい高速域で（架線電圧が下がると駆動力も下がって計画からずれる）、エネルギー蓄積装置の蓄積エネルギーで、駆動装置の電流をアシストする（ピークカットする）ようにエネルギー制御を行う。これにより、架線から供給される電流のピークがカットされ、架線電圧の低下を回避できると共に、自車の駆動力を確保することができ、走行計画通りに走行することを支援できる。
【００８６】
また、ブレーキ減速時も同様で、エネルギー管理部４７は高速域のブレーキ動作で回生電力を吸収できるようにエネルギー制御を行う。回生力が大きいと架線電圧が増加し、架線電圧が所定の値を超えると回生電力を絞り込み、空制ブレーキの補足力を大きくする。
【００８７】
また、エネルギー蓄積装置は通常、寿命などの点から、充電深度ＳＯＣ（充放の度合い）を所定の範囲内にしているが、編成ポリシーに応じて、エネルギー管理部４７は特別にＳＯＣ範囲を拡大することもできる。上述のように、架線電圧によって加速性能には差異が生じる。よって、“非常時”や“回復運転レベルの時間短縮”という編成ポリシーが決定された場合、ＳＯＣ範囲を拡大してエネルギー蓄積装置を利用することで、時間短縮に寄与できる。
【００８８】
以上説明したように本発明の第３実施例によれば、列車編成における各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を実行できる。従って、安定した運行（遅延なく走る）、運転時分短縮、省エネ効果、乗り心地改善などの効果を奏する。
【００８９】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。また、本発明の第３実施例として説明した列車の総括制御は、デュアルモードで動作するインバータまたはＡＴＯを装備していない従来形式の列車編成にも適用できるものである。
【符号の説明】
【００９０】
１０…架線、１１…車両、１２…パンタグラフ、１３…補機、１４…第２パワーライン、１５…第１パワーライン、１６…制御伝送ライン、１７…インバータ、１８ａ…Ｍ台車、１８ｂ…Ｔ台車、１９…接触器、２０…コネクタ、２１…属性記録部、２２…取り付け口、２３…モータ、２４…総括制御部、３１…スイッチ、３２…変圧器、３３…コンバータ、３４…バッテリー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、列車各部の状態、列車ダイヤ、走行状況等を把握して、列車の駆動力又は減速力を制御可能な列車制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の列車システムには、自動列車運転装置（ＡＴＯ）や列車編成内のブレーキ力の配分機能はあるが、その制御の自由度は高く、それぞれが独自の情報源及び独自の判断によって、省エネルギーや時間短縮などを目的とした運転を行う。
【０００３】
例えばＡＴＯでは、ＡＴＯ地上子から受信される地点補正信号、及び車軸に設けられたパルスジェネレータから受信されるＴＧパルスに基づいて現在の位置及び車速を判断する。またＡＴＯは、運転計画に基づく目標速度で列車が走行するように、現在の位置及び速度を参照して力行／制動指令を生成し、列車速度を制御する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の列車システムでは、例えば各車両に設けられた主電動機駆動用インバータと補機用補助電源のように、複数の機能間をまたがる協調した運転が行われていない。従って、場合によっては、背反した動作を実行したり、機器に負担がかかる運転を強要したりする。
【０００５】
本発明は上記したような課題を鑑みてなされたもので、各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を実行できる列車制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る総括制御部は、列車編成各部の様々な情報を考慮して、編成全体の編成ポリシー（今、この列車はどういう指針で動くべきか）を決定する機能を持つ。この編成ポリシーに基づいて、各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を行う。例えば一実施例においては、温度上昇したインバータが有る場合、当該インバータへのトルク指令を他のインバータより低減する。あるいは他の実施例においては、インバータがデュアルモードで動作する場合、温度上昇したインバータを停止させると共に、補助電源として動作していたインバータをモータ駆動用インバータに設定変更し、停止したインバータによる駆動力低下を補って走行を続行する。
【発明の効果】
【０００７】
従って本願によれば、安定した運行（遅延なく走る）、運転時分短縮、省エネ効果、乗り心地改善などの効果を生じる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例に適用される各種台車１８の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係るＭ台車１８ａの電気的構成を示す図である。
【図５】インバータの能力配分を示す図である。
【図６】補助電源として動作させるインバータ及び駆動用として動作させるインバータの台数について説明する図である。
【図７】従来編成列車と本発明が適用される編成列車の力行性能及びブレーキ性能の違いを示す図である。
【図８】本発明の第３実施例に係る総括制御システムの構成を示すブロック図である。
【図９】状態監視部４１の構成を示すブロック図である。
【図１０】総括制御部２４の構成例を示す図である。
【図１１】編成ポリシーの決定処理を示すフローチャートである。
【図１２】編成ポリシーの決定に用いるマトリクスの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明による列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。この列車は１例として１０両編成で構成されている。
【００１１】
各車両１１には２台の台車１８が設けられ、各台車はＭ台車１８ａあるいはＴ台車１８ｂである。Ｍ台車１８ａはモータ駆動台車であり、インバータ１７及びモータ２３の組が２組設けられている。モータ２３は小型軽量に適した例えば永久磁石同期電動機で、メンテナンスフリーとするために全密閉型がよい。Ｔ台車１８ｂは駆動装置を有さない台車である。各台車１８は取り付け口２２を介して車両１１の本体に接続される。取り付け口２２は車両本体側に設けられ、その構造は全車両において同一である。従って台車上部つまり取り付け口に結合される部分の機械的構造は全台車１８において同一である。
【００１２】
パンタグラフ１２に接続される第１パワーライン１５は、各取り付け口２２まで配線される。この第１パワーライン１５には架線１０からパンタグラフ１２を介して例えば直流１５００Ｖが供給される。Ｍ台車１８ａのインバータ１７には、この直流１５００Ｖが第１パワーライン１５からコネクタ（図示せず）を介して供給される。
【００１３】
第２パワーライン１４は補機用３相４４０Ｖを伝送するラインである。この３相４４０Ｖは補助電源（図示せず）により発生される。この補助電源は例えば第１パワーラインから供給される直流１５００Ｖを補機用３相４４０Ｖに変換する。第２パワーライン１４は補助電源から各取り付け口２２まで配線され、更に空調設備などの各車両に搭載された補機１３に接続される。
【００１４】
制御伝送ライン１６は、総括制御部２４から各取り付け口２２に配線される。制御伝送ライン１６では、インバータ１７などを制御するための情報が伝送される。又制御伝送ライン１６は、補機１３などを制御するための信号が伝送される。
【００１５】
図２は本実施例に適用される各種台車１８の構成を示す図である。
【００１６】
台車１８にはＭ台車１８ａ、Ｔ台車１８ｂの他に、モータ２３及びインバータ１７の組を１組搭載した０．５Ｍ台車１８ｃ、インバータ１７のみを搭載したＩＮＶ台車１８ｄ、バッテリー３４のみを搭載したＢＡＴ台車１８ｅ等がある。更に台車には補機用の補助電源を搭載しても良い。
【００１７】
本実施例を適用する列車は、Ｍ台車１８ａをＴ台車１８ｂ等の他の台車へ容易に入れ換えることが可能である。つまり各車両には、所要の性能に応じて様々な台車を取り付けることができる。例えばＴ台車をＭ台車へ交換すると、駆動性能及び回生ブレーキ性能を向上できる。又Ｍ台車同士の入れ替えが可能であるため、故障時の早期復旧及びメンテナンス性を向上できる。１車両に少なくとも１台のＭ台車を組み付けることにより、１車両単体で移動可能である。
【００１８】
各台車１８に設けられている属性記録部２１は、当該台車１８に搭載された機器１７、３４、２３の属性（能力）が記録されている。総括制御部２４は、属性記録部２１に記録された各台車１８の能力を制御伝送ライン１６を介して読み込むことにより、当該列車の総合的な能力（編成能力）、例えば列車の総合的な引っ張り力／ブレーキ力特性を判断することができる。総括制御部２４は、このようにして判断した編成能力に応じて、列車の駆動力等を制御する。
【００１９】
以上説明したように、本発明の第１実施例によれば、様々な能力を有する台車の組み合わせにより、所要編成能力を実現するフレキシブルな列車制御システムを提供することが可能である。また、インバータ（主変換装置）１７を標準化することにより、管理が容易となりコストダウンを実現する。全路線の運行を、共通規格の台車を用いた列車で実現可能である。更に、車両搭載機器を台車内に配置することで、開放された床下スペースに例えば蓄電装置を搭載し、電力アシスト及び電力リサイクルを実現できる。
【００２０】
尚、属性記録部２１の属性情報及び制御情報の伝送は、制御伝送ライン１６のような有線ではなく、無線により行っても良い。又、取り付け口２２には、台車交換時などに作業員を保護するために、パワーラインを開放する手段を設けても良い。更に、各車両にＭ台車１８ａあるいは０．５Ｍ１８ｃ台車と、バッテリー台車１８ｅを装備すれば、各車両は自走できる。
【実施例２】
【００２１】
次に本発明の第２実施例を説明する。第２実施例に係る列車は、デュアルモードで動作するインバータを含み、編成内に設けられたインバータ総能力を、リアルタイムで駆動力（ＶＶＶＦ）と補助電源（ＳＩＶ）に最適配分する。
【００２２】
図３は本発明の第２実施例に係る列車制御システムが適用される列車編成の構成を示す図である。
【００２３】
この第２実施例に係る列車の構造は第１実施例と同様である。第２実施例では、台車として全てＭ台車が用いられ、搭載されるインバータは全て又は一部がデュアルモードで動作する。尚、全台車がＭ台車であることは本発明の必須の条件ではない。使用されるＭ台車の台数（モータ駆動軸数）が通常より多いほど、本発明の特徴が顕著に現れる。
【００２４】
Ｍ台車１８ａに設けられた２台のインバータ１７のうち例えば１台はデュアルモードで動作するようにしてもよい。デュアルモードで構成された場合、インバータ１７は例えば補機用３相５０Ｈｚ電圧及びモータ２３駆動用３相ＶＶＶＦ電圧の一方を、総括制御部２４の制御の基に発生する。
【００２５】
図４は本実施例に係るＭ台車１８ａの電気的構成を示す図である。
【００２６】
インバータ１７ａは、モータ駆動用ＶＶＶＦインバータであって、第１パワーライン１５から接触器１９及びコネクタ２０を介して供給される直流電力を、総括制御部２４の制御の下に可変電圧可変周波数の三相電力に変換しモータ２３を駆動する。
【００２７】
インバータ１７ｂはデュアルモードで動作するインバータであって、モータ２３に対する三相交流電力及び空調等の車両搭載の補機１３に対する三相交流電力を提供する。インバータ１７ｂの直流端子はインバータ１７ａと同様に第１パワーラインに接続される。インバータ１７ｂの交流端子はスイッチ３１を介してモータ２３及び変圧器３２の一次側に接続され、変圧器３２の二次側はコネクタ２０を介して第２パワーライン１４に接続される。スイッチ３１は半導体スイッチ３１ａ及び３１ｂを含む。モータ２３を駆動する場合は、スイッチ３１ａがオフ、３１ｂがオン状態となり、インバータ１７ｂはインバータ１７ａと同様に動作する。補機電源を供給する場合は、スイッチ３１ａがオン、３１ｂがオフ状態となり、インバータ１７ｂは一定周波数三相電力を発生する。変圧器３２はインバータ１７ｂの三相交流電圧を補助電源電圧に降圧し、補助電源（ＳＩＶ）を提供する。ここで、複数の変圧器３２の二次側は、第２パワーライン１４にて並列に接続される。尚、インバータ１７ｂとスイッチ３１と変圧器３２を含む回路ブロックを、モータ駆動用又は補機用インバータとして動作するデュアルモードインバータとしても良い。
【００２８】
コンバータ３３は、第１パワーライン１５から接触器１９を介して供給される直流１５００Ｖを降圧し、バッテリー３４を蓄電する。またコンバータ３３は、バッテリー３４に蓄電された電力の電圧を昇圧し、接触器１９を介して第１パワーラインに電力を供給する。
【００２９】
第２実施例に係る列車制御システムは、編成内のインバータ総能力をリアルタイムで駆動力（ＶＶＶＦ）と補助電源（ＳＩＶ）に最適配分する。
【００３０】
図５はインバータの能力配分を示す図である。
【００３１】
図５（ａ）は、従来システムのＶＶＶＦとＳＩＶの配分を示す。一般にモータ駆動用ＶＶＶＦインバータと補助電源用インバータは独立して車両に設けられ、それぞれの台数は決まっており、一般に変更されることはない。１編成に設けられる全ＶＶＶＦインバータのうち、実際の走行時に動作するインバータの台数は、割合１０２のように決められており、割合１０１のように所定台数のＶＶＶＦインバータが予備インバータとして待機している。補助電源も同様に、実際の運行時に動作するＳＩＶ用インバータの台数は、割合１０３のように決められており、割合１０４のように所定台数のＳＩＶ用インバータが予備インバータとして待機している。
【００３２】
図５（ｂ）は、本願システムのＶＶＶＦとＳＩＶの配分を示す。本願システムに係る補助電源は、デュアルモードで動作するインバータにより全て提供される。インバータ１７ｂは、割合１１２のようにＳＩＶの電力として必要台数が割り当てられ、割合１１１のように残りすべての台数が駆動力に割り当てられる。待機用のインバータは設けられていない。こうすることで、列車としての粘着限界が高くなり、空転・滑走がなく安定した走行が可能となる。ＳＩＶ電力とＶＶＶＦ駆動力として割り当てられるインバータの台数は、走行中でもリアルタイムで変更可能である。図５（ｃ）のように非常ブレーキ時は、駆動力（ブレーキ力）を優先して、必要最小限の台数のみが補助電源に割り当てられるか、あるいは全てＶＶＶＦ駆動力として割り当てられる。これらＳＩＶの電力として使用されるインバータと駆動力として使用されるインバータの割合は、総括制御部２４が走行条件を判断して決定する。
【００３３】
この第２実施例に係るシステムで設けられるインバータの総台数は、従来のシステムのＶＶＶＦインバータとＳＩＶ用インバータの総台数より少ない。ＳＩＶの電力として使用されるインバータと駆動力として使用されるインバータの割合をリアルタイムで変更することにより、インバータ回路の冗長性、安全性を確保できる。
【００３４】
一実施例に係る編成列車では、例えば小容量ドライブ（インバータ及びモータ）を多数配置し、駆動力としてのＶＶＶＦ性能の余力向上を図る。従って、高速性能が向上し、加速時間が短縮されるので、列車ダイヤの乱れを少なくすることができると共に省エネ運転が可能となる。又、駆動力及び制動力の１軸負荷が減り、空転・滑走を防止でき、回生ブレーキ性能を向上できる。この結果、従来の空制（空気制御）ブレーキを設けなくとも、所望のブレーキ力を得ることができる。空制ブレーキを設けない場合、回生失効への対策としては、回生電力を吸収する蓄電装置３４の搭載、又はハイスリップブレーキ、又は非常停止用の簡易ブレーキ装置を設けてもよい。
【００３５】
図６は補助電源として動作させるインバータ及び駆動用として動作させるインバータの台数について説明する図である。例えば、春や秋のように冷房装置（空調）を殆ど使用しない季節では、図６（ａ）のように補助電源として動作するインバータ１７Ｓの台数を減らして運行する。残りのインバータを全て駆動用のインバータ１７Ｖとして使用することで、加速性能及び電気制御（電制）ブレーキ性能を向上することができる。また、真夏のように冷房装置をフル稼働させるような場合は、図６（ｂ）のように補助電源として動作するインバータ１７Ｓの台数を増やして運行する。この結果、快適な車内温度を乗客に提供することができる。尚、このインバータの動作モードの切換は、制御部２４が自動的に行っても良いし、運転士が季節、走行条件、時間帯等を考慮して、運転台にて手動で行っても良い。
【００３６】
図７は従来編成列車と本発明が適用される編成列車の性能の違いを示す図である。
【００３７】
特性２０１は従来編成の性能を示す。このように従来編成の場合、所定速度Ｖ１までは最大引張り力（トルク）で加速し、速度Ｖ１を超えると引張り力は徐々に減少し、所定パワーで走行する。特性２０２は本実施例が適用される編成の性能を示す。本実施例が適用される編成では、駆動力を発生するために動作しているＶＶＶＦインバータの台数が従来より多いので、編成内の潜在性能は従来より高い。しかし速度Ｖ１までの低速域では、従来編成列車に合わせて、例えば特性２０１のように引張り力を発生して走行する。本実施例に係る編成では、領域２０３のように速度Ｖ１を超えても引張り力（加速）を維持した走行が可能である。尚、領域２０３では入力電流が大きくなり、架線電圧が規定値以下となる可能性がある。従って領域２０３では、蓄電装置３４に蓄えた電力を放電して、架線から供給される電流のピークカット（補助）を行い、架線電圧が規定値以下となることを防止する。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、列車の加減速特性を重視したシステムあるいは補機電力容量を重視したシステム等、編成能力（全インバータ能力）を走行条件及び環境に合わせて、駆動力用インバータと補助電源用インバータに最適に、且つリアルタイムで容易に割り振ることができるフレキシブルな列車制御システムを提供することが可能となる。
【実施例３】
【００３９】
次に本発明の第３実施例に係る総括制御について説明する。
【００４０】
本実施例に係る総括制御部は、列車編成に関する様々な情報を考慮して、編成全体の編成ポリシーすなわち編成方策（今、この列車はどういう指針で動くべきか）を決定する。この編成ポリシーに基づいて、各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を行う。
【００４１】
図８は、本実施例に係る総括制御システムの構成を示すブロック図である。総括制御部（以下、制御部と記載する）２４は、状態監視部４１、機器能力管理部４２、保安制御部４３により生成された情報を一次指標として入力し、この一次指標に基づいて、列車が現在、何をすべきか（ポリシー）を決定する。このポリシーには、非常事態対応処理、省エネ対策、走行時分短縮処理などが含まれる。
【００４２】
状態監視部４１は各装置４９（ブレーキ装置、駆動装置、エネルギー蓄積装置（蓄電装置）、補機等）の長期・短期的なリスク（異常や故障）、他列車の状況、架線電圧の状況など、列車内外の動的な情報を集め把握する。機器能力管理部４２は、システムに接続された各装置４９の能力を算出し、当該列車編成が有する潜在力を把握する。保安制御部４３は列車の衝突事故を回避するため、信号に基づき列車を減速・停止させる。
【００４３】
制御部２４は、決定したポリシーを実現するために、自動列車運転装置４４、編成能力分配部４６、エネルギー管理部４７、補機制御部４８などに各種制御情報を編成ポリシーとして出力する。
【００４４】
自動列車運転装置４４は、制御部２４からの編成ポリシーに従う駅間走行となるように、編成全体の力（編成力）を制御する。又、自動列車運転装置４４は、速度・位置検出部４５からの列車速度及び位置、制御部２４からの発進指令及び制限速度信号などに基づいて、加減速指令を編成能力分配部４６に出力する。編成能力配分部４６は、制御部２４からの編成ポリシー等に従い、編成全体の引張力やブレーキ力をどの機器に配分するか決定する。エネルギー管理部４７は、制御部２４からの編成ポリシーに従い、エネルギーの充放電量を管理する。補機制御部４８は、制御部２４からの編成ポリシーに従い、エアコン等の補機を制御する。
【００４５】
図９は、状態監視部４１の構成を示すブロック図である。
【００４６】
状態監視部４１では、編成ポリシーを作成するために必要な１次指標の一部を算定する。以下、状態監視部４１を構成する機器状態監視部５０及び運転状況監視部５１について説明する。
【００４７】
（１）機器状態監視部５０
機器状態監視部５０は、各機器の情報から、保護や故障に至る可能性をリスクとして算定する。各機器とは、例えば主電動機、ＶＶＶＦインバータ、ＢＣＵ、補助電源装置、空調機、コンプレッサー等である。
【００４８】
例えば、主電動機やＶＶＶＦインバータは、過負荷で運転継続すると、温度上昇により保護停止状態となり、運行に影響を及ぼす。よって機器状態監視部５０は、このような機器の温度に基づき機器リスク指標を算出する。この温度に関する機器リスク指標は、列車に装備された各機器の検出温度と、当該機器の動作温度上限値との差に対応する余裕度を指標化したものとする。
【００４９】
制御部２４は、編成ポリシーの決定において、リスク回避運転が可能と判断した場合には、機器リスク指標の高い装置のリスクを減らすように（つまり、その機器を稼動しない、あるいは電流値を減らして温度上昇を抑制して）運転させることができる。更に制御部２４は、電流制限等によりパワーが低下した機器のパワーを補うように、同一機能の対応する他の機器のパワーを上げて運転することも可能である。
【００５０】
また機器状態監視部５０は、空調機やコンプレッサー及び主電動機等の回転数情報より、正常な状態では現れない周波数スペクトルを抽出したら、故障の予兆であると判断する。すなわち、この様な機器の回転数情報に基づき、機器状態監視部５０は機器リスク指標を算出する。制御部２４の編成ポリシーの決定においては、可能であればこのような故障のリスクを回避するような編成運転をさせることができる。
【００５１】
（２）運転状況監視部５１
編成ポリシーを決定するためには、当該駅間走行で必要とされる補機電力量や駆動力の情報、また編成列車の外的な状況や、エネルギー蓄積装置のエネルギーの余力などの情報が必要である。運転状況監視部５１は、これらの情報を指標として提供する。
【００５２】
以下、運転状況監視部５１にて作成される各種指標について説明する。
【００５３】
［補機電力量指標］
補機電力量予測部５２は、空調等の補機に必要な電力量を補機電力量指標として算出する。例えば、駆動（制動も同様）に必要な力は乗車率に影響され、補機電力量は外気温や湿度、乗車率に影響される。乗車率は応荷重信号で検出でき、また季節（あるいは気温）や時間にも相関があるため、それに応じて予測可能である。外気温や湿度についても、季節（あるいは気温）や時間に相関があり、予測可能である。補機電力量予測部５２は、これらの情報に基づき、必要な補機電力量を予測して補機電力量指標として提供する。
【００５４】
［進路指標］
前方列車予測部５３は、前方に列車が接近しているか等の前方列車の運行状況に基づき、進路の状況を進路指標として算定する。進路状況が悪ければ、無理やり走っても保安制御により、ブレーキがかかり減速するだけである。これは、乗り心地も劣化し、エネルギー的に損失となる。また、自車が減速することで、後続列車に影響を及ぼし、全体として遅延の増長する要因になる。
【００５５】
そこで、制御部２４の編成ポリシーの決定においては、進路指標に応じて、それが悪ければ、ゆっくりとした運転計画を採用することで、安定走行（安定輸送）に寄与できる。
【００５６】
［架線電圧指標］
また架線電圧の高さも運転には重要な要素である。架線電圧予測部５４は架線電圧を予測し、架線電圧指標（高／低）を提供する。例えば、中高速域の引張力は、架線電圧が高い方が大きい。これは、架線電圧が低い場合より、高い場合の方が加速がよいことを示し、走行時間余裕が大きくなる。よって、この架線電圧情報を考慮することで、“編成能力”が変わり、この編成能力に応じて編成ポリシーを決める方が、利することが大きい。
【００５７】
架線電圧の大きさは、他の列車や自車の駆動力に依存する。よって架線電圧は、ダイヤや運行状況、季節・時間などの要因から推測できる。
【００５８】
［エネルギー余力指標］
エネルギー蓄積装置を搭載した車両は、架線電圧の大きさに影響を及ぼす自車の（架線からの）電力量を制御できる。ただし、この電力量はエネルギー余力（ＳＯＣ）に依存する。エネルギー余力算定部５６は、エネルギー蓄積装置の余力（ＳＯＣの使用範囲に対する、その時点のＳＯＣ）をエネルギー余力指標として算定する。このエネルギー余力指標は、架線電圧指標の算出に考慮することもできる。
【００５９】
［滑り指標］
空転滑走予測部５５は、編成内の空転・滑走の状況を分析し、走行線区が滑りやすいか否かを示す滑り指標を算出する。また空転滑走予測部５５は、編成における滑りやすい箇所（編成の前中後など）あるいは滑り易い軸があるか否か判断する。
【００６０】
特に空転滑走予測部５５は、滑り易い状況が、
（Ａ）編成全体の力に影響を及ぼすレベル（つまり、加減速度が低下するレベル）、
（Ｂ）力を再配分して補正できるレベル、
（Ｃ）滑りやすくないレベル、
というように“滑り指標”を生成する。
制御部２４の編成ポリシー決定においては、
（Ｃ）であれば、空転・滑走を考慮しなくてよい。
【００６１】
（Ａ）であれば、滑べらないように、編成能力（駆動力／制動力）をあえて下げて計画する方がよい。尚、このとき、各軸の駆動・制動力の負担量を下げるように制限するので、編成能力が落ちる可能性がある。
【００６２】
（Ｂ）の場合、空転滑走のリスクがある、という程度であり、他の指標との兼ね合いで、
・時間優先（最も駆動力が必要なポリシーであり、空転滑走のリスクは高い）
・省エネルギー優先（時間に余裕があるが、省エネ走行するため、運転自体は厳しく、空転滑走のリスクは高い）
・安定運行（時間的余裕があるが、安定走行を最優先とするため、各軸の負担力を落とし、空転滑走リスクを回避する）というポリシーの選択の余地がある。
【００６３】
滑り指標に応じて、各軸負担力の制限を行う必要があるので、この指標は、制御部２４を介して、所定の機能（この例では、後述の編成能力配分部４６）へ送る。
【００６４】
図１０は、総括制御部２４の構成例を示す図である。
【００６５】
制御部２４には１次指標が入力される。編成能力演算部６２では、状態監視部４１、機器能力管理部４２、保安制御部４３から提供される１次指標、及び編成ポリシー決定部６１の後述される追加条件に基づいて、編成能力を算定する。編成能力とは、列車編成の力行引張力（架線電圧指標やエネルギー余力指標を考慮したもの）と、回生ブレーキ力（架線電圧指標やエネルギー余力指標を考慮したもの）と、ブレーキ力（回生＋空制）を示す。
【００６６】
編成指標演算部６３では、１次指標及び編成能力に応じて後述の編成指標を求める。編成ポリシー決定部６１は、１次指標及び編成指標演算部から提供される編成指標に基づいて、編成ポリシーを決定する。
【００６７】
次に、編成ポリシーの決定処理について説明する。図１１は編成ポリシーの決定処理を示すフローチャートである。
【００６８】
先ず、ステップＳＴ０１のように、編成ポリシー決定部６１は補機電力量予測部５２から得られる補機電力量指標に基づいて、予測された補機電力量をカバーできるように必要なインバータ出力電力容量を算定し、編成内のその電力容量分のインバータを、前述した第２実施例のように補助電源に割り当て、残りを駆動力へ割り当てる。
【００６９】
次に、ステップＳＴ０２のように編成指標演算部６３は、現時点の状況に応じて４つの指標を決定する。
【００７０】
（１）非常事態指標 ：保安装置等からの信号に基づく非常停止状態であるかを示す指標である。
【００７１】
（２）時間余裕指標 ：所定の走行時間に対して、何秒の余裕があるかを示す値に対応する指標である。つまり時間余裕指標とは、最大加速して次の駅に到着する時刻と、運行ダイヤに示される予定到着時刻との差の時間に対応する指標である。これは編成能力に基づいて、走行シミュレーションを行って求めることができる。
【００７２】
（３）装置リスク指標：各装置ごとに運転継続上のリスクがあるかを示す指標。これは、機器状態監視部５０にて算定された機器リスク指標を使用できる。
【００７３】
（４）空転・滑走指標：空転・滑走が多発する状況かどうかを示す指標。これは、空転滑走予測部５５により算出された滑り指標を使用できる。
【００７４】
例えば、回復運転の指示があった場合などは、（２）時間余裕の指標に考慮すればよい。
【００７５】
次に、ステップＳＴ０３のように編成ポリシー決定部６１は、２次指標を算出すべきか判断する。
【００７６】
図１２は編成ポリシーの決定に用いるマトリクスの一例を示す。左端の列は、各種走行状態を示す状態番号である。
【００７７】
前述のステップＳＴ０２のように算定した編成指標（第１次の編成指標）において、状態Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５のように装置リスクが無い場合、編成ポリシー決定部６１は第１次の編成指標に基づいて、主編成ポリシー（運転計画）及びサブポリシー（駆動力配分、補機運転、エネルギー蓄積装置の運転）に関する編成ポリシー（第１次ポリシー）を決定する（ＳＴ０４）。
【００７８】
図１２のマトリクスにおいて、例えば第１次の編成指標の時間余裕「０」は回復運転レベルであって、走行時間短縮が必要な（遅延している）レベルである。時間余裕「１」は余裕無しのレベルであって、現状の走行能力では、所定時間通り走行するのが精一杯であり、時間的余裕が無い状態である。時間余裕「２」は余裕有りのレベルであって、現状の走行能力で時間的な余裕がある状態である。このレベルの時は、比較的自由な走行パターンを策定できる。尚、編成指標は、例えば非常指標及び装置リスク指標というように、少なくとも２つ以上作成し、編成ポリシーの決定時に参照するのが良い。
【００７９】
また第１次の編成指標において、状態Ｎｏ．６〜Ｎｏ．１０のように装置リスクが有る場合、編成ポリシー決定部６１は第２次の編成指標を算出し、装置リスクを回避する条件（追加条件）にて編成ポリシー（第２次ポリシー）を決定する（ＳＴ０５〜ＳＴ０７）。
【００８０】
編成ポリシー決定部６１は、例えば状態Ｎｏ．６のように、装置リスク指標が「有」の場合、第２次の編成指数を算定し、装置リスク指標が「０：無」となるように、主編成ポリシー及びサブ編成ポリシーを決定する。このような場合は、装置リスクを回避するために、サブポリシー（駆動力配分）を「１」とし、編成能力配分部４６を制御して、装置リスクの高い装置のリスクを低減する。例えば駆動用のインバータ１７Ｖの温度上昇が装置リスクとなっている場合、編成能力配分部４６は当該機器の動作を停止するか、又は電力（電流）を低減させる。尚、この「駆動力配分」は、モータ（主電動機）及び補機が、前述の第２実施例のように、デュアルモードで動作するインバータにより電力供給されている場合、モータ駆動用として設定されるインバータの台数と、補機の補助電源用として設定されるインバータの台数の配分を含む。又、この「駆動力配分」は、モータ駆動用として設定されるインバータの台数に対応する回生ブレーキ力の配分をも含んでいる。
【００８１】
このとき編成ポリシー決定部６１は、サブポリシー（補機）を例えば「１」とし、補機制御部４８を制御する。補機制御部４８は、最大負荷とならないように、ピークカット運転を行う。つまり補機制御部４８は、補助電源の電力容量を超えないように補機を動作させる。
【００８２】
次に、図８のエネルギー管理部４７について説明する。
【００８３】
編成ポリシーが決定すると、どのように駅間走行をするか（走行計画）が概略決まる。
【００８４】
エネルギー管理部４７では、制御部２４からの編成ポリシー及び走行計画を遵守できるようにエネルギー蓄積装置のエネルギー制御を行う。
【００８５】
例えば、補機電力量を小さく、駆動力を大きく割り当て、高速まで加速するような走行計画の場合、サブポリシー（エネルギー蓄積装置）として、「１：力行高速時の補足を優先」が決定される。この場合、エネルギー管理部４７は、架線電圧が低下しやすい高速域で（架線電圧が下がると駆動力も下がって計画からずれる）、エネルギー蓄積装置の蓄積エネルギーで、駆動装置の電流をアシストする（ピークカットする）ようにエネルギー制御を行う。これにより、架線から供給される電流のピークがカットされ、架線電圧の低下を回避できると共に、自車の駆動力を確保することができ、走行計画通りに走行することを支援できる。
【００８６】
また、ブレーキ減速時も同様で、エネルギー管理部４７は高速域のブレーキ動作で回生電力を吸収できるようにエネルギー制御を行う。回生力が大きいと架線電圧が増加し、架線電圧が所定の値を超えると回生電力を絞り込み、空制ブレーキの補足力を大きくする。
【００８７】
また、エネルギー蓄積装置は通常、寿命などの点から、充電深度ＳＯＣ（充放の度合い）を所定の範囲内にしているが、編成ポリシーに応じて、エネルギー管理部４７は特別にＳＯＣ範囲を拡大することもできる。上述のように、架線電圧によって加速性能には差異が生じる。よって、“非常時”や“回復運転レベルの時間短縮”という編成ポリシーが決定された場合、ＳＯＣ範囲を拡大してエネルギー蓄積装置を利用することで、時間短縮に寄与できる。
【００８８】
以上説明したように本発明の第３実施例によれば、列車編成における各機器間あるいは各機能間の動作を調整し、矛盾なく統制のとれた制御を実行できる。従って、安定した運行（遅延なく走る）、運転時分短縮、省エネ効果、乗り心地改善などの効果を奏する。
【００８９】
以上の説明はこの発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができる。また、本発明の第３実施例として説明した列車の総括制御は、デュアルモードで動作するインバータまたはＡＴＯを装備していない従来形式の列車編成にも適用できるものである。
【符号の説明】
【００９０】
１０…架線、１１…車両、１２…パンタグラフ、１３…補機、１４…第２パワーライン、１５…第１パワーライン、１６…制御伝送ライン、１７…インバータ、１８ａ…Ｍ台車、１８ｂ…Ｔ台車、１９…接触器、２０…コネクタ、２１…属性記録部、２２…取り付け口、２３…モータ、２４…総括制御部、３１…スイッチ、３２…変圧器、３３…コンバータ、３４…バッテリー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動列車運転手段、駆動力及びブレーキ力の配分手段、エネルギー蓄積手段、補機手段のうち、複数の手段を有する列車の制御システムであって、
前記複数の手段に関する情報及び列車の外的な状況に基づいて、複数の編成指標を求め、該複数の編成指標に基づき、編成としての運転計画を決定する制御手段を具備し、
前記制御手段は、前記決定された運転計画に従い、前記複数の手段を制御することを特徴とする列車制御システム。
【請求項２】
前記複数の編成指標は、非常事態指標、時間余裕指標、装置リスク指標、滑り易さの指標のうち、２つ以上を含むことを特徴とする列車制御システム。
【請求項３】
前記装置リスク指標は、前記列車に装備された各機器の検出温度と、当該機器の動作温度上限値との差に対応する余裕度を指標化したものであることを特徴とする請求項２記載の列車制御システム。
【請求項４】
前記装置リスク指標が高い場合、装置リスクを回避する方策が実行されることを特徴とする請求項３記載の列車制御システム。
【請求項５】
前記滑り易さの指標が高い場合、編成全体の駆動力を下げる、あるいは１軸負担力を下げる方策を実行し、駆動及びブレーキ装置の滑りを減少させることを特徴とする請求項２記載の列車制御システム。
【請求項１】
自動列車運転手段、駆動力及びブレーキ力の配分手段、エネルギー蓄積手段、補機手段のうち、複数の手段を有する列車の制御システムであって、
前記複数の手段に関する情報及び列車の外的な状況に基づいて、複数の編成指標を求め、該複数の編成指標に基づき、編成としての運転計画を決定する制御手段を具備し、
前記制御手段は、前記決定された運転計画に従い、前記複数の手段を制御することを特徴とする列車制御システム。
【請求項２】
前記複数の編成指標は、非常事態指標、時間余裕指標、装置リスク指標、滑り易さの指標のうち、２つ以上を含むことを特徴とする列車制御システム。
【請求項３】
前記装置リスク指標は、前記列車に装備された各機器の検出温度と、当該機器の動作温度上限値との差に対応する余裕度を指標化したものであることを特徴とする請求項２記載の列車制御システム。
【請求項４】
前記装置リスク指標が高い場合、装置リスクを回避する方策が実行されることを特徴とする請求項３記載の列車制御システム。
【請求項５】
前記滑り易さの指標が高い場合、編成全体の駆動力を下げる、あるいは１軸負担力を下げる方策を実行し、駆動及びブレーキ装置の滑りを減少させることを特徴とする請求項２記載の列車制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２８４０３２（Ｐ２０１０−２８４０３２Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３６３３２（Ｐ２００９−１３６３３２）
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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