JP4761785B2

JP4761785B2 - 車両運行計画作成装置

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Publication number: JP4761785B2
Application number: JP2005035734A
Authority: JP
Inventors: 京三吉; 寿郎長谷部; 善裕小泉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006219051A

Description

本発明は、動力源及びエネルギー蓄積装置を車両内に備え自立走行する車両の運行計画を作成する車両運行計画作成装置に関する。

一般に、鉄道システムや新交通システムに使用されている車両は、図１０に示すように、架線１１から集電装置１２を経由してモータ１３に電力を供給し、モータ１３で車輪１４を駆動して車両を走行させる。従って、電力は車両運行中は随時供給することができるようになっている。

一方、ディーゼル車両では、積載している燃料を燃やすことにより列車走行のエネルギーを得るので、航続距離を長くする場合には燃料を多く積載することになる。車両に発電機を積載する形のディーゼル車両については、発電機で発電した電力により車輪をモータで回転させることもできる。この場合、ブレーキも電車と同様に回生ブレーキを使用することができる。ディーゼル車両は架線を必要としないことから、回生ブレーキを有効利用するために、車両内にエネルギー蓄積装置を設置するエネルギーハイブリッド方式が採用されることがある。

鉄道車両システムとして、エンジンで発電しインバータを駆動することで走行し、エネルギー蓄積装置を加えることで、回生エネルギーをエネルギー蓄積装置に貯蔵するとともに、エネルギー蓄積装置が状況に応じて充放電を行うことによりエンジンを一定に動かすことができ、高効率な運転を可能としたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、車両を駆動する交流モータとそれを可変速駆動するインバータを搭載したモータ車の少なくとも１両と、モータ、インバータが搭載されないトレーラ車の複数両とを連結した鉄道列車において、少なくとも２両のトレーラ車にバッテリを分散搭載し、そのバッテリの直流電力をモータ車のインバータに供給するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

さらに、下り傾斜の多い走行路を持つ車両、主にハイブリッド車両の運転システムにおいて、回生電力による蓄電量を低減させ、蓄電装置の大型化を不要としたもの（例えば、特許文献３参照）や、走行している道路上の位置に応じて要求される環境に適合した走行が可能なハイブリッド型車両もある（例えば、特許文献４参照）。
特開２００３−１３４６０４号公報特開２００１−３５２６０７号公報特開２００２−１９９５０９号公報特開平６−１８７５９５号公報

車両の走行においては、力行、だ行、ブレーキ（回生）等があり、電気エネルギーの必要量は時々刻々変化する。また、勾配などの地形条件で走行抵抗が変化し、定速走行を行う場合にはエネルギー所要量は変化する。

動力源及びエネルギー蓄積装置を備えたエネルギーハイブリッド車両では、車両の駆動のエネルギーとしては、動力源で発電される発電エネルギーとエネルギー蓄積装置に貯蔵している貯蔵エネルギーとがあり、同時に使用することができる。エネルギー蓄積装置を備えることで、ブレーキ時には回生ブレーキ使用により電力をエネルギー蓄積装置に戻すことも抵抗などで消費すなわち廃棄することも可能である。

しかし、回生電力の吸収しきれない分を見越してエネルギー蓄積装置の定格容量を大きくしておくと車両内に占めるエネルギー蓄積装置の容積が大きく、乗客数に制約ができる可能性がある。

また、エネルギー蓄積装置の容量が小さすぎると駆動源を大きくする必要がある。駆動源の定格を大きくすると、動力源に使用する燃料も増加する可能性があり、車上装置としては積載量が大きくなりすぎてしまう。

ディーゼル車両では、例えば５００ｋｍ程度走行するための燃料を積載することは可能であるが、例えば、動力源として燃料電池を用いる場合には、現在の技術では多くの容積の水素を積載する必要があり、輸送定員を減少させることになる。

ディーゼル車両でも、さらにエネルギー蓄積装置を搭載して動力源の容積を小さくし小型の車両とすることにより、低燃費を図り都市交通の妨げにならず車両あたりの定員数を増やすことができるなどのメリットを得ることができる。

本発明の目的は、動力源及びエネルギー蓄積装置を車両内に備え自立走行する車両の動力源での燃料の積載量を抑えて輸送力を確保できる運行計画を作成する車両運行計画作成装置を提供することである。

本発明の車両運行計画作成装置は、動力源及びエネルギー蓄積装置を車両内に備え自立走行する車両の運行計画を作成する車両運行計画作成装置において、車両の運行計画作成時に前記エネルギー蓄積装置に前記動力源で発電した電力を充電するための停止点及び停止時間を、前記動力源及び前記エネルギー蓄積装置の容量、車両走行速度並びに前記停止点において前記動力源より供給される電力を考慮し、所定の航続距離が得られるように決定し、運行計画を作成することを特徴とする。

本発明によれば、駆動源の小型化やエネルギー発生総量の最小化を計画的に行うことができる。また、エネルギー蓄積装置の容量を最適化することができる。従って、乗客定員を減らすことなく所望の航続距離が得られる。さらに、走行車両の定時運転とエネルギー発生量の削減の調和のとれた車両運行が実現でき、安定した車両運行が可能となる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の車両運行計画装置を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の車両運行計画装置１５を搭載した車両１６の概略構成図である。車両１６には動力源１７としてエンジン１８及び発電機１９が搭載され、エンジン１８で発電機１９を駆動し、発電機１９で発電された電力でモータ１３を駆動するように構成されている。また、車両１６にはエネルギー蓄積装置２０が設けられ、発電機１９で発電した余剰電力やブレーキを掛けた際の回生電力を蓄積できるようにしている。

そして、通常の車両１６の走行時には発電機１９の発電電力とエネルギー蓄積装置２０に蓄積された電力の総和でモータ１３を駆動する。車両運行制御装置２１は動力源１７の発電機１９の発電出力及びエネルギー蓄積装置２０の充電量に基づいて車両１６の運行を制御する。車両運行計画作成装置１５は、車両１６の運行計画を作成するものであり、車両１６の運行計画作成時に、車両運行の途中にエネルギー蓄積装置２０に動力源１７で発電した電力を充電するための停止点を設定して運行計画を作成する。

なお、図１では、駆動源１７としてエンジン１８及び発電機１９を示したが、エンジン１８及び発電機１９に代えて燃料電池を用いてもよい。また、架線から集電装置１２を介して電力の供給を受けるようにしてもよい。また、車両運行計画作成装置１５を車両１６に搭載した場合を示したが、車両１６以外に設置してもよい。

図２は、本発明の第１の実施の形態における運行計画結果の車両走行速度計画値を表した説明図である。車両１６の運行は、通常、停止計画駅ａ、ｂ、ｃで停止し駅間は走行するが、本発明の第１の実施の形態では、車両運行計画作成装置１５は、車両１６の運行計画作成時に駅間にも停止点Ｓを設定し、その停止点Ｓで停止している間に動力源１７で発電した電力をエネルギー蓄積装置２０に蓄積するようにしたものである。

図３は、本発明の第１の実施の形態の運行計画を作成する車両運行計画作成装置１５の処理内容を示した流れ図である。本発明の第１の実施の形態の車両運行計画作成装置１５は、まず、車両走行のための路線条件を読み込む（Ｓ１１）。線路条件は、駅や軌道の条件、信号制御条件、走行ルートの地形条件等である。また、走行させる車両の車両条件データを読み込む（Ｓ１２）。車両条件は、車両に搭載する発電機の容量、エネルギー蓄積装置の容量、車両駆動特性、走行所要時間設計値、車両運行速度設計値等である。

一方、車両を運行させた場合の所要エネルギーの計算を行い（Ｓ１３）、計算された所要エネルギーに基づいて動力源で発電した電力を充電するための車両の停止点Ｓを作成する（Ｓ１４）。

そして、路線条件、車両条件、車両の停止点等の運用条件を読み込み（Ｓ１５）、これらの条件に基づいて運転曲線を作成する（Ｓ１６）。その後に、列車間の時隔を作成し（Ｓ１７）、運行ダイヤを作成する（Ｓ１８）。このように、車両運行計画作成装置１５は、車両走行のための路線や車両などの条件データを読み込み、さらに運用条件として停止点情報を読み込み運行計画として運転ダイヤを作成する。

図４は、停止点Ｓを設定することによるエネルギーの使用過程を表したタイムチャートである。点ｔ１まで車両１６は一定速度で走行しているとする。この場合、動力源１７は一定の発電量の電力を発電しており、車両１６のモータ１３は動力源１７の発電電力とエネルギー蓄積装置２０の放電電力との合計値で駆動されている。従って、エネルギー蓄積装置２０は車両１６が走行している間は電力を放電しており、エネルギー蓄積装置２０は減少していく。そこで、駅または停止点Ｓで車両１６が停止している間にエネルギー蓄積装置２０の電力を充電することになる。

いま、車両１６が停止のために、時点ｔ１で車両１６にブレーキが掛かり車両１６が減速を開始したとする。時点ｔ１でエネルギー蓄積装置２０からの放電電力は零となり、エネルギー蓄積装置２０には、逆に、ブレーキを掛けた際の回生エネルギーと動力源１７の発電電力とが充電されることになる。時点ｔ２で車両１６が停止した状態では、動力源１７からの発電電力でエネルギー蓄積装置２０を充電する。これにより、エネルギー蓄積装置２０には電力が充電される。

そして、時点ｔ３で車両１６が走行を開始したとすると、エネルギー蓄積装置２０は放電を開始し、動力源１７の発電電力とエネルギー蓄積装置２０の放電電力との合計値でモータ１３が駆動され、車両１６は加速されることになる。加速が終了した時点ｔ４で、車両は一定速度で運行することになり、それ以降においても、動力源１７の発電電力とエネルギー蓄積装置２０の放電電力との合計値でモータ１３が駆動されることになる。

このように、エネルギー蓄積装置２０を用いることにより、ブレーキ時に回生エネルギーとしてエネルギー蓄積装置２０に電力を回生しつつ、動力源１７の発電電力とエネルギー蓄積装置２０の放電電力との合計値でモータ１３を駆動し車両１６を運行する。この場合、消費電力には車両の運行に要する電力だけでなく、走行抵抗や空調などの補機の動力も含まれる。

エネルギー蓄積装置２０が適正な容量を有し、ブレーキ時のエネルギーはできるだけ蓄積することを考えた場合、動力源１７の発電機１９による発電エネルギーは抑制することができる。この場合は、車両１６の走行中は発電エネルギーと放電エネルギーとにより走行させるわけであるが、放電エネルギーはエネルギー蓄積装置２０の残量により、ブレーキをかけて回生エネルギーが得られるまでには底をついてしまうことがある。そこで、車両運行制御装置２１はエネルギー蓄積装置２０の残量を入力として、エネルギー蓄積装置２０の残量が減ってきたら、一旦車両１６を停止して動力源１７により発電したエネルギーをエネルギー蓄積装置２０に蓄積してから走行させる。

図５は、停止点Ｓを地形条件に依存して運行計画に設定する場合の一例を示した説明図であり、図５（ａ）は地形の一例を示す模式図、図５（ｂ）は勾配値及び走行速度の一例のタイムチャートである。図５に示すように、停止点Ｓは急勾配などの輸送条件に基づいて、例えば、平地部から山間部の急勾配の手前に停止点Ｓを設ける。そして、急勾配を登る手前でエネルギー蓄積装置２０に電力を充電しておく。

これにより、地形条件の厳しくない路線で通常使用している車両１６、すなわち、発電機１９の容量やエネルギー蓄積装置２０の容量が平地用として構成されている車両１６を山間部などに持ち込み走行させることも可能となる。

図６は、停止点Ｓを単線すれ違いの地点に設定する一例を示した説明図であり、図６（ａ）は運行ダイヤの一例を示す説明図、図６（ｂ）は単線すれ違いの地点の模式図である。図６に示すように、駅ｃと駅ｄとの間の単線すれ違い地点（信号所）を停止点Ｓとし、その停止点Ｓでエネルギー蓄積装置２０に電力を充電しておく。

これにより、車両１６のすれ違いのために停止する際に、エネルギー蓄積装置２０に電力を充電できるので、充電のためだけに停止させる必要がなくなり、全体１６としての走行所要時間が充電のために長くなることを低減することが可能である。

図７は、停止点Ｓを発電機１９の容量及びエネルギー蓄積装置２０の容量に見合った形でコンスタントに充放電できる地点に設定した一例の説明図であり、図７（ａ）は路線の一例を示す模式図、図７（ｂ）は走行速度の一例のタイムチャートである。図７（ａ）に示すように、環状の路線に対してエネルギー収支がほぼ均等となる位置に停止点Ｓを設ける。図７（ａ）では、駅ｂと駅ｃとの間に停止点Ｓ１を設け、駅ｅと駅ｆとの間に２個の停止点Ｓ２、Ｓ３を設けた場合を示している。これにより、平地の場合にはエネルギー収支がほぼ均等となる位置は路線の等間隔位置であるので、図７（ｂ）に示すように、ほぼ等間隔位置で車両１６を停止させることができる。なお、環状の路線ではない路線に対しても同様に適用できる。これにより、発電機１９の容量とエネルギー蓄積装置２０の容量とをコンパクトに設計することができる。

第１の実施の形態によれば、停止点Ｓを設け、その停止点Ｓでエネルギー蓄積装置２０に充電するので、駆動源１７の小型化やエネルギー発生総量の最小化を計画的に行うことができる。また、発電機１９の容量やエネルギー蓄積装置２０の容量を最適化することができる。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態の運行計画を作成する車両運行計画作成装置１５の処理内容を示した流れ図である。この第２の実施の形態は、車両１６の実運転中に運行計画を作成する場合のものである。

まず、車両オンライン運行計画の作成開始か否かを判定し、車両オンライン運行計画の作成開始である場合には、車両オンライン運行計画の作成を開始する（Ｓ２１）。そして、車両走行のための路線条件を読み込む（Ｓ２２）。線路条件は、駅や軌道の条件、信号制御条件、走行ルートの地形条件等である。また、走行させる車両の車両条件データを読み込む（Ｓ２３）。車両条件は、車両に搭載する発電機の容量、エネルギー蓄積装置の容量、車両駆動特性、走行所要時間設計値、車両運行速度設計値等である。

次に、駆動源１７による発電機１９による発電制御内容を読み込み（Ｓ２４）、
また、エネルギー蓄積装置２０の残量を読み込む（Ｓ２５）。一方、動力源１７で発電した電力を充電するための車両の停止点Ｓを作成する（Ｓ２６）。そして、これらの情報に基づいて、路線のエネルギー所要マップを作成し、停止点を含めた車両運行計画を計算し運転曲線を作成する（Ｓ２７）。

例えば、運行計画ダイヤに沿って運用されていても故障車などが発生すると運行遅延が生じる。このような場合に運転計画を作成する場合には、動力源１７の発電容量を考慮し、現在のエネルギー蓄積量を考慮し、車両１６の出せる速度を算出し運転計画に使用する。この際、エネルギーが不足の場合に速度を低下させるのではなく、停止点Ｓを設定し充電も計画の中に入れる。

第２の実施の形態によれば、車両１６が走行するたびにエネルギー所要量及び発電量を記録し、これらに基づいて路線のエネルギー所要マップを自動作成するので、車両１６が予め計画していた運行計画に対して遅延もしくは早めに走行している場合であってもその運行計画を維持することができる。

（第３の実施の形態）
図９は、本発明の第３の実施の形態の運行計画を作成する車両運行計画作成装置１５の処理内容を示した流れ図である。この第３の実施の形態は、運転計画を立てるときに、車両１６に路線条件のデータベースを持たせる代わりに、自列車が走行し、エネルギーを発生し使用した結果を記録し、走行したエネルギー分を蓄積し、路線に沿ったエネルギー所要マップを作成するものである。車両運行制御装置２１は、これに基づき車両１６のエネルギー制御を実施する。

図９において、エネルギー所要マップの初期値の切り替えを設定し（Ｓ３１）、発電機１９の発電量制御及びエネルギー蓄積装置２０の充放電制御のデータを読み込む（Ｓ３２）。次に、エネルギー所要マップを作成する（Ｓ３３）。エネルギー所要マップの作成は、エネルギー所要量及び発電量を記録し蓄積することで行われる（Ｓ３３）。そして、エネルギー所要マップの初期値を作成し（Ｓ３４）、以下、ステップＳ３１〜ステップＳ３４の処理を繰り返し行う。

エネルギー所要マップの初期値の作成の際に、急行や各駅停車といった運転種別や車両１６の機器構成や編成両数による種別ごとにエネルギー所要マップの初期値を作成する。これにより種別ごとにエネルギー所要マップを分ける。また、季節などエネルギー需要量の変動の要因によりエネルギー所要マップを分けることも可能である。また、経年変化に対応させるためにデータを更新する際にフィルタを通し、エネルギー所要マップを作成する。これにより、より精度の良いエネルギー管理が実施でき、エネルギー効率向上、装置の小型化を図ることができる。

第３の実施の形態によれば、車両１６が走行するたびにエネルギー所要量及び発電量を記録し、データを季節ごとにし、また、経年変化に対応させるためにデータを更新する際にフィルタを通し、運転計画の異なるダイヤ筋の車両については運転計画に種別をもたせて種別ごとにエネルギー所要マップを作成するので、より精度の良いエネルギー管理が実施でき、エネルギー効率向上及び装置の小型化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態の車両運行計画装置を搭載した車両の概略構成図。本発明の第１の実施の形態における運行計画結果の車両走行速度計画値を表した説明図。本発明の第１の実施の形態の運行計画を作成する車両運行計画作成装置の処理内容を示した流れ図。本発明の第１の実施の形態における停止点を設定することによるエネルギーの使用過程を表したタイムチャート。本発明の第１の実施の形態における停止点を地形条件に依存して運行計画に設定する場合の一例を示した説明図。本発明の第１の実施の形態における停止点を単線すれ違いの地点に設定する一例を示した説明図。本発明の第１の実施の形態における停止点を発電機の容量及びエネルギー蓄積装置の容量に見合った形でコンスタントに充放電できる地点に設定した一例の説明図。本発明の第２の実施の形態の運行計画を作成する車両運行計画作成装置の処理内容を示した流れ図。本発明の第３の実施の形態の運行計画を作成する車両運行計画作成装置の処理内容を示した流れ図。従来の電気鉄道車両の概略構成図。

符号の説明

１１…架線、１２…集電装置、１３…モータ、１４…車輪、１５…車両運行計画装置、１６…車両、１７…動力源、１８…エンジン、１９…発電機、２０…エネルギー蓄積装置、２１…車両運行制御装置

Claims

動力源及びエネルギー蓄積装置を車両内に備え自立走行する車両の運行計画を作成する車両運行計画作成装置において、車両の運行計画作成時に前記エネルギー蓄積装置に前記動力源で発電した電力を充電するための停止点及び停止時間を、前記動力源及び前記エネルギー蓄積装置の容量、車両走行速度並びに前記停止点において前記動力源より供給される電力を考慮し、所定の航続距離が得られるように決定し、運行計画を作成することを特徴とする車両運行計画作成装置。
前記停止点は、急勾配の手前地点であることを特徴とする請求項１記載の車両運行計画作成装置。
前記停止点は、単線すれ違い地点であることを特徴とする請求項１記載の車両運行計画作成装置。
前記停止点は、車両が停止する間の車両運行にかかるエネルギー収支がほぼ等しくなる等間隔地点であることを特徴とする請求項１記載の車両運行計画作成装置。