JP5199315B2 - 列車自動運転における速度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、列車自動運転（Automatic Train Operation）における速度制御装置及び方法に関するものである。

特に、本発明は、制限速度プロファイルを満たし、かつ、列車を加速走行または減速走行する場合に加速度限界及びジャーク限界を守って搭乗客に不便さを感じさせないように、列車が走行するそれぞれの位置で列車が走行すべき速度を推定して制御する列車自動運転における速度制御装置及び方法に関するものである。

鉄道分野において信号制御設備は、列車が走行する場合に事故の発生を防止し、安全な列車運転がされるようにし、列車運用の効率を高めうるような各種信号装置の技術及び制御システムの技術で構成される。

信号制御設備は、列車の進路を制御する設備である軌道回路装置、連動装置、線路切替装置及び列車集中制御装置と、列車間の間隔を制御する設備である閉塞装置、列車自動停止装置、列車自動制御、列車自動運転、及びその他運転保安及び情報化目的の設備などに分類される。

これら信号制御設備のうち、列車自動運転は、列車の加速、減速及び停車のような機能を自動で行って列車の運転能率を向上させる役割を果たす。

この自動列車運転は、与えられた走行条件及び線路に合わせて走行計画を事前に立てる方式と、一定の距離走行時の様々な速度パターンをあらかじめ格納しておき、条件に適した速度パターンを選択して走行計画を立てる方式などが知られている。

与えられた走行条件及び線路に合わせて走行計画を事前に立てる方式は、特定走行区間に対してそれぞれの位置で列車の速度制御パターンを事前に決定し、決定した速度制御パターンに従って列車の速度を追従させる方式で列車を運転するものである。

しかしながら、先行列車の遅延などによって列車の走行状態が走行計画から大きく外れる場合は、事前に定められた計画を修正し難いため、運行上の遅延が発生し、発生した遅延時間を補うことは困難である。また、外乱等によって列車が走行計画から外れる場合にも計画を修正し難く、この場合、事前に定められた計画を無理に追従すると、走行計画に反映したエネルギー節約や乗車感などの目標を達成することが困難となる。さらに、線路条件及び線路状態が変わる等して走行計画を修正する必要がある場合に柔軟に対処できなくなる。

そして、一定距離走行時の様々な速度パターンをあらかじめ格納しておき、条件に適した速度パターンを選択して走行計画を立てる方式は、多数の速度パターンを継続して組み合わせることで目標地点までの全体走行計画を立てることができる。また、条件指令装置は、列車の現在位置とあらかじめ入力されている路線情報とを比較し、速度制限区間に接近する場合はこれを検知して、ダイヤグラムにどれくらいの余裕があるか、先行列車にどれくらい接近したかなどの様々な条件を検討して適切なパターンを選択し、指令を下す。

しかしながら、列車の速度パターンをどのような方式で変更させながら運行するかに対する基準が明確でない場合がありうる。すなわち、最適の状態を判別する条件が明確でない場合は、指令装置が、与えられた条件で最適のパターンを探すとは保障し難い。しかも、あらゆる速度パターンを持っているわけではなく、いずれの場合においても満足できるような結果を得ることは困難である。

一方、大韓民国登録特許第１０−４３５９８３号では、トラック回路から目標速度を受信して、加速度限界及びジャーク限界を守りながら現在速度から目標速度に進むためのジャークプロファイルを求め、これを積分して加速度プロファイル及び速度プロファイルを求め、該求めた速度プロファイルを列車が追従するようにした。

しかしながら、この大韓民国登録特許第１０−４３５９８３号は、時間ベースのプロファイルを使用するので、追従制御がよくできず、走行状態が走行計画から外れる場合には位置エラーを補正し難い。特に、列車を減速運転する場合に問題とされるものであって、特定地点で列車の速度が速度制限値を満足しなければならないときに、時間によってプロファイルを追従する場合には速度制限を満たす位置にエラーが生じることを補正することが困難である。すなわち、速度−時間グラフにおいて、下側部分の面積は列車の移動距離であって、速度プロファイルを追従する場合に目標プロファイルと実際走行記録との間に誤差が発生すると、結果として速度−時間グラフにおいて下側部分の面積に誤差が生じることがあり、一時的でも追従に問題が生じる場合にはこれを回復することができない。

このような理由から、列車を自動で停止させる場合にも時間ベースのプロファイルを使用することには限界がある。

また、単純に現在速度から目標速度に到達するための一般的な形態のプロファイル計算法のみを提案している。また、一定ジャーク−一定加速度−一定ジャークという３区間に分けられるプロファイルを提案しているが、複雑な制限速度プロファイルが与えられる場合には様々なパターンが発生しうるので、上記のプロファイル計算パターン一つだけでは対応し難い。すなわち、上記の方法だけでは位置による任意の制限速度プロファイルに対応し難く、よって、列車自動運転における柔軟性の制約につながる。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、線路状況、列車間隔及びダイヤグラムの変更などを含む様々な条件を考慮して導き出した区間別制限速度プロファイルが地上信号システムから受信される場合に、搭乗客の乗車感のために加速度限界及びジャーク限界を守りながら区間別制限速度プロファイル内で最適の走行性能を導き出すことのできる位置ベースの速度プロファイルを導き出し、導き出した速度プロファイルを追従するように列車を制御することによって、列車自動運転において所望の走行性能及び停車性能が得られるようにする列車自動運転における速度制御装置及び方法を提供することである。

本発明が解決しようとする技術的課題は、上記の技術的課題に制限されず、言及されていない他の技術的課題は、下の記載から、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には明確に理解される。

本発明に係る列車自動運転における速度制御装置は、
制限速度プロファイル提供部が提供する制限速度プロファイルを用いて、列車を自動運転する各位置における目標速度を計算して、列車を自動運転する位置−速度プロファイルを提供する自動運転速度プロファイル計算部と、
列車の現在位置及び走行速度を計算する速度／位置計算部と、
前記速度／位置計算部が計算した列車の現在位置における目標速度を、前記自動運転速度プロファイル計算部が提供する位置−速度プロファイルから探索する目標速度探索部と、
前記速度／位置計算部が計算した列車の走行速度から前記目標速度探索部が探索した目標速度を減算して速度誤差を検出する減算器と、
前記減算器が検出した速度誤差によって列車の推進または制動命令を発生する推進／制動計算部と、を含み、
前記自動運転速度プロファイル計算部は、前記制限速度プロファイルにおいて列車を加速走行させて到達しなければならない加速目標点、列車を等速走行させて到達しなければならない等速目標点、及び列車を減速走行させて到達しなければならない減速目標点を抽出し、列車の出発位置、前記加速目標点、等速目標点及び減速目標点の間における区間を区分して、各区間別に位置−速度プロファイルを計算することを特徴とする。

前記制限速度プロファイルは、区間別に列車が走行する制限速度の情報が含まれることを特徴とする。

前記位置−速度プロファイルの計算は、前記それぞれの区間別に時間−速度プロファイルを計算し、該計算した時間−速度プロファイルを用いて時間−位置プロファイルを計算した後、時間−速度プロファイル及び時間−位置プロファイルを用いて位置−速度プロファイルを計算することを特徴とする。

上記列車自動運転における速度制御装置は、前記自動運転速度プロファイル計算部が提供する位置−速度プロファイルを格納するデータベースをさらに含み、
前記目標速度探索部は、前記データベースから目標速度を探索することを特徴とする。

前記制限速度プロファイル提供部は、地上装置に設けられて、車上装置に制限速度プロファイルを無線伝送し、
前記自動運転速度プロファイル計算部は、車上装置に設けられ、前記制限速度プロファイル提供部が無線伝送する制限速度プロファイルによって位置−速度プロファイルを計算して前記データベースに格納することを特徴とする。

前記制限速度プロファイル提供部及び自動運転速度プロファイル計算部は、地上装置に設けられ、前記自動運転速度プロファイル計算部が提供する位置−速度プロファイルを車上装置に伝送して前記データベースに格納することを特徴とする。

前記制限速度プロファイル提供部及び自動運転速度プロファイル計算部は、車上装置に設けられることを特徴とする。

そして、本発明に係る列車自動運転における速度制御方法は、制限速度プロファイル提供部が提供する制限速度プロファイルを用いて自動運転速度プロファイル計算部が、列車を自動運転する各位置における目標速度を計算して位置−速度プロファイルを提供するステップと、
速度／位置計算部が列車の現在位置及び列車の走行速度を計算するステップと、
前記列車の現在位置における目標速度を、目標速度探索部が前記位置−速度プロファイルから探索するステップと、
前記列車の走行速度から前記探索した目標速度を減算して速度誤差を検出するステップと、
前記検出した速度誤差によって列車の推進または制動命令を発生するステップと、
を含むことを特徴とする。

前記位置−速度プロファイルを提供するステップは、
前記制限速度プロファイルにおいて列車を加速走行させて到達しなければならない加速目標点、列車を等速走行させて到達しなければならない等速目標点、及び列車を減速走行させて到達しなければならない減速目標点を抽出するステップと、
列車の出発位置、前記抽出した加速目標点、等速目標点及び減速目標点の間における区間を区分するステップと、
前記区分したそれぞれの区間別に列車のそれぞれの位置で列車が走行する速度を計算して位置−速度プロファイルを提供するステップと、を含むことを特徴とする。

前記位置−速度プロファイルを提供するステップは、
前記区分したそれぞれの区間別に時間−速度プロファイルを計算するステップと、
前記計算した時間−速度プロファイルを用いて時間−位置プロファイルを計算するステップと、
前記時間−速度プロファイル及び時間−位置プロファイルから、列車がそれぞれの位置で走行する速度を検出して位置−速度プロファイルを計算し、該計算した位置−速度プロファイルを提供するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の列車自動運転における速度制御装置及び方法は、乗車感及び列車の性能を考慮して与えられた値である加速度限界及びジャーク限界に基づいて列車自動運転の走行計画速度プロファイルを計算し、プロファイルを求めるために使用する加速度限界及びジャーク限界は、乗車感と列車性能によって与えられた値に基づいて制御器の性能を考慮してある程度の余裕をもって設定できるため、列車の最適の運行計画を立てることができる。

そして、距離（位置）ベースの自動運転速度プロファイルを生成し、距離（位置）による制御基準速度を用いて運転するから、列車が位置による制限速度を守りながら正確な位置に停車することができる。

また、列車の走行中に任意の制限速度プロファイルに対応して柔軟に自動運転走行計画を立てたり修正したりすることができる。

列車自動運転システムの構成を示す図である。 本発明の好適な実施例による速度制御装置の構成を示す図である。 制限速度プロファイルを例示する図である。 制限速度プロファイルにおいて加速目標点、制限目標点及び等速目標点を設定する動作を説明するための図である。 出発位置及び複数の目標点間のプロファイルを計算する場合に用いる基本パターンを例示する図である。 出発位置及び複数の目標点間のプロファイルを計算する場合に用いる基本パターンを例示する図である。 出発位置及び複数の目標点間のプロファイルを計算する場合に用いる基本パターンを例示する図である。 出発位置及び複数の目標点間のプロファイルを計算する場合に用いる基本パターンを例示する図である。 制限速度プロファイルの３００〜６５０ｍ区間におけるジャーク限界、加速度限界及び時間−速度プロファイルを示す図である。 制限速度プロファイルの３００〜６５０ｍ区間における時間−位置プロファイルを示す図である。 制限速度プロファイルの３００〜６５０ｍ区間における位置−速度プロファイルを示す図である。 本発明によって位置−速度プロファイルを計算する例を示す図である。 図３の制限速度プロファイルに対する本発明の自動運転位置−速度プロファイルの例を示す図である。 本発明によって制限速度プロファイルが変更される場合に、自動運転位置−速度プロファイルを変更する動作を説明するための図である。 本発明によって制限速度プロファイルが変更される場合に、自動運転位置−速度プロファイルを変更する動作を説明するための図である。 本発明によって制限速度プロファイルが変更される場合に、自動運転位置−速度プロファイルを変更する動作を説明するための図である。

本発明によって制限速度プロファイルが変更される場合に、自動運転位置−速度プロファイルを変更する動作を説明するための図である。

以下の詳細な説明は、例示的なもので、本発明の実施例を示すものに過ぎない。また、本発明の原理と概念は、最も有用で且つ容易に理解されうるように提供される。したがって、本発明の基本理解のための余計に詳細な構造は提供しないことはもちろん、通常の知識を有する者が実施しうる本発明の様々な形態を図面に基づいて例示する。

図１は、列車自動運転システムの構成を示す図である。ここで、符号１００は、列車が走行する線路の隣接位置に設置される地上装置である。この地上装置１００は、地上子１０２及び制限速度プロファイル提供部１０４を含む。

地上子１０２は、列車が地上子１０２の設置されている位置を通過する場合に、現在位置などを含む地上子情報を無線で送信する。

制限速度プロファイル提供部１０４は、区間別制限速度プロファイルを計算して無線で送信する。例えば、区間別制限速度プロファイルは、先行列車との距離及び線路条件などによって区間別に列車が走行すべき速度及び走行距離などの情報を含む。

符号１５０は、列車に設置される車上装置である。この車上装置１５０は、速度計１５２、地上子情報受信部１５４、制限速度プロファイル受信部１５６、速度制御装置１５８、推進／制動命令インターフェース部１６０、列車推進装置１６２及び列車制動装置１６４を含む。

速度計１５２は、列車の走行速度を検出して走行速度信号を発生する。

地上子情報受信部１５４は、地上装置１００の地上子１０２が伝送する地上子情報を受信する。

制限速度プロファイル受信部１５６は、地上装置１００の制限速度プロファイル提供部１０４が伝送する制限速度プロファイルを受信する。

速度制御装置１５８は、速度計１５２が発生する走行速度信号、地上子情報受信部１５４が受信した地上子情報、及び制限速度プロファイル受信部１５６が受信した制限速度プロファイルによって列車の走行速度を推定し、推定した走行速度に基づいて推進／制動命令を発生する。

推進/制動命令インターフェース部１６０は、速度制御装置１５８が発生する推進／制動命令をインターフェースする。

列車推進装置１６２は、推進／制動命令インターフェース部１６０がインターフェースする推進命令によって列車を推進させる。

列車制動装置１６４は、推進／制動命令インターフェース部１６０がインターフェースする制動命令によって列車を制動させる。

図２は、図１の列車自動運転システムにおいて速度制御装置１５８の好適な実施例の構成を示す図である。図２を参照すると、速度制御装置１５８は、自動運転速度プロファイル計算部２００、データベース２１０、速度／位置計算部２２０、目標速度探索部２３０、減算器２４０及び推進／制動計算部２５０を含む。

自動運転速度プロファイル計算部２００は、制限速度プロファイル提供部１０４が提供する区間別制限速度プロファイルに従って、距離に基づいて列車を自動運転する自動運転速度プロファイルを計算する。

データベース２１０は、自動運転速度プロファイル計算部２００が計算した自動運転速度プロファイルを格納する。

速度／位置計算部２２０は、速度計１５２が出力する走行速度信号及び地上子情報受信部１５４が受信した地上子情報を用いて列車の現在位置情報及び列車の現在速度情報を計算する。

目標速度探索部２３０は、速度／位置計算部２２０が計算した列車の現在位置で列車が走行すべき目標速度を、データベース２１０から探索する。

減算器２４０は、速度／位置計算部２２０が計算した列車の現在速度から目標速度探索部２３０が探索した目標速度を減算して、列車の速度誤差を計算する。

推進／制動計算部２５０は、減算器２４０が計算した列車の速度誤差によって列車の推進または列車の制動を計算し、計算結果に基づいて列車の推進／制動命令を発生して推進／制動命令インターフェース部１６０に出力する。

このような構成を有する本発明は、列車が線路を走行する場合に、速度計１５２が列車の走行速度を検出して走行速度信号を発生し、発生した走行速度信号は、速度制御装置１５８の速度／位置計算部２２０に入力される。

そして、列車が地上装置１００の地上子１０２が設置されている位置に到達する場合に地上子１０２が伝送する地上子情報、すなわち、列車が現在走行している位置情報を含む地上子情報を地上子情報受信部１５４が受信して、速度制御装置１５８の速度／位置計算部２２０に入力する。

また、地上装置１００において該当の列車に対する新しい区間別制限速度プロファイルを計算し、計算した新しい区間別制限速度プロファイルを制限速度プロファイル提供部１０４が無線通信などの媒体を通じて車上装置１５０に送信すると、制限速度プロファイル受信部１５６が当該新しい区間別制限速度プロファイルを受信して速度制御装置１５８の自動運転速度プロファイル計算部２００に入力する。

この区間別制限速度プロファイルは、列車の位置ベースの区間別制限速度情報を含んでいる。例えば、図３に示すように、３００〜６５０ｍでは６０ｋｍ／ｈ以下の速度で、６５０〜１０００ｍでは９０ｋｍ／ｈ以下の速度で、１０００〜１３５０ｍでは４０ｋｍ／ｈ以下の速度で、１３５０〜１８２５ｍでは８０ｋｍ／ｈ以下の速度で、１８２５〜２０００ｍでは５００ｋｍ／ｈ以下の速度で列車を走行する旨の制限速度情報を含んでいる。

そして、列車が２０００ｍの地点まで走行しながら新しい区間別制限速度プロファイルを受信できない場合は、列車は２０００ｍの地点以前に停止しなければならない。

自動運転速度プロファイル計算部２００は、制限速度プロファイル受信部１５６から、図３に示すような区間別制限速度プロファイルが入力されると、与えられた加速度限界及びジャーク限界を考慮して、列車の各位置で列車が走行すべき目標速度である自動運転速度プロファイルを計算する。

列車の各位置における自動運転速度プロファイルが計算されると、自動運転速度プロファイル計算部２００は、計算された列車の各位置における自動運転速度プロファイルをデータベース２１０に格納する。

このような状態で、速度／位置計算部２２０は、速度計１５２から入力される走行速度信号と地上子情報受信部１５４から入力される地上子情報を用いて、列車が現在位置する位置情報、及び列車の現在走行速度を知らせる速度情報を発生する。

すなわち、速度／位置計算部２２０は、地上子情報受信部１５４から入力される地上子情報から列車の現在位置を確認し、確認した現在位置から、速度計１５２から入力される走行速度信号を用いて列車が走行する現在位置を検出して発生する。また、速度／位置計算部２２０は、速度計１５２から入力される走行速度信号を用いて列車の現在走行速度を知らせる速度情報を発生する。

速度／位置計算部２２０が列車の現在位置情報を発生すると、目標速度探索部２３０がデータベース２１０を検索して、列車が現在位置で走行すへぎ目標速度を探索し、探索した目標速度を減算器２４０に出力する。

すると、減算器２４０は、速度／位置計算部２２０が発生する、列車が現在走行している速度から目標速度探索部２３０が探索した目標速度を減算して列車の速度誤差を計算し、計算した速度誤差によって推進／制動計算部２５０が列車を推進または制動するかを計算して推進／制動命令を発生する。

推進／制動計算部２５０が発生した推進／制動命令は、推進／制動命令インターフェース部１６０を通じて列車推進装置１６０及び列車制動装置１６４に伝達され、これにより、列車を推進または制動する。

したがって、この列車は、データベース２１０に格納された列車の現在位置のそれぞれの速度を追従しながら走行することとなる。

このような本発明において、自動運転速度プロファイル計算部２００が、例えば、図３に示すような区間別制限速度プロファイルを入力して、列車のそれぞれの位置で列車が走行すべき目標速度である自動運転速度プロファイルを計算する動作について詳細に説明する。

まず、自動運転速度プロファイル計算部２００は、図３に示す区間別制限速度プロファイルを入力することで、図４に示すように、３００ｍ地点である列車の出発位置４００から区間別制限速度プロファイルの２０００ｍ地点までにおいて、列車を加速運転して到達しなければならない加速目標点４１０，４２０，４５０、列車を等速運転して到達しなければならない等速目標点４４０，４７０、及び列車を減速運転して到達しなければならない制限目標点４３０，４６０，４８０を順次に連結しながら抽出する。

すなわち、自動運転速度プロファイル計算部２００は、６５０ｍ地点の加速目標点４１０と、１０００ｍ地点の加速目標点４２０及び制限目標点４３０と、１３５０ｍ地点の等速目標点４４０と、１８２５ｍ地点の加速目標点４５０と、１８２５ｍ地点の制限目標点４６０と、２０００ｍ地点の等速目標点４７０と、２０００ｍ地点の制限目標点４８０を順次に連結しながら抽出する。

出発位置４００及び複数の目標点４１０〜４８０が抽出されると、自動運転速度プロファイル計算部２００は、出発位置４００及び複数の目標点４１０〜４８０間の速度プロファイルを用いて全体区間に対する速度プロファイルを計算する。

出発位置４００及び複数の目標点４１０〜４８０間の速度プロファイルを計算する場合に、例えば、図５乃至図８に示す基本速度パターンを用いる。

すなわち、加速目標点４１０，４２０，４５０に向かう場合には、加速度増加→等加速度→加速度減少を有する図５の基本速度パターン、または加速度増加→加速度減少を有する図７の基本速度パターンを用いる。

そして、制限目標点４３０，４６０，４８０に向かう場合には、加速度減少→等加速度→加速度増加を有する図６の基本速度パターン、または加速度減少→加速度増加を有する図８の基本速度パターンを用いる。

等速目標点４４０，４７０については列車を固定した速度で走行させればいいので、別の加速パターンまたは減速パターンは必要とされない。

列車の初期状態（初期位置ｌ_ｉ、初期速度ｖ_ｉ、初期加速度ａ_ｉ）、目標点における列車状態（目標位置ｌ_ｔｇｔ、目標速度ｖ_ｆ、目標加速度ａ_ｆ＝０）、加速度限界（加速時最大ａ_ｍａｘ、減速時最小ａ_ｍｉｎ）及びジャーク限界（最大Ｊ_ｍ、最小−Ｊ_ｍ）が与えられた時における基本速度パターンは、下記の順序で導き出される。

まず、加速目標点４１０，４２０，４５０について説明すると、最初の基本パターンにおいて、ｔ_ｉ〜ｔ_１区間、ｔ_１〜ｔ_２区間、ｔ_２〜ｔ_ｆ区間におけるプロファイルはそれぞれ、加速度増加（最大ジャーク）、等加速度（ジャーク０）、加速度減少（最小ジャーク）の形態を示す。パターンの式を決定するためには、境界時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_ｆの値を求めなければならない。

そして、加速度プロファイルは、ジャークプロファイルを積分して求めることができ、速度プロファイルは、加速度プロファイルを積分して求めることができる。初期時間ｔ_ｉ＝０にすると、全体区間における加速度プロファイルａ(ｔ)と速度プロファイルｖ(ｔ)はそれぞれ、下記の数学式１及び数学式２で示される。

上記数学式１の加速度プロファイルａ(ｔ)と数学式２の速度プロファイルｖ(ｔ)で、ｔ＝ｔ_１、ｔ＝ｔ_２、ｔ＝ｔ_ｆの時の境界条件を用いるとｔ_１、ｔ_２、ｔ_ｆの値を求めることができる。

この時、ｔ_１＜ｔ_２の場合に、加速目標点４１０，４２０，４５０までの距離が充分で、等加速度区間が存在するものであり、図５に示す加速度増加→等加速度→加速度減少を有する基本パターンを取る。

そして、ｔ_１≧ｔ_２の場合には、加速目標点４１０，４２０，４５０までの距離が短くて、等加速度区間が存在しないものであり、図７に示すように、加速度増加→加速度減少を有する基本パターンを取る。

そして、制限目標点４３０，４６０，４８０の場合には、加速目標点４１０，４２０，４５０と同じ過程を通じて制限目標点による基本パターンの変数と数学式を決定することができる。

図９は、区間別制限速度プロファイルにおける３００〜６５０ｍの区間において最初の加速目標点４１０に基本パターンを適用する例を示す図である。

ここで、与えられたジャーク限界はＪ_ｍ＝２ｋｍ／ｈ／ｓ／ｓとし、加速度限界は、最大ａ_ｍａｘ＝３ｋｍ／ｈ／ｓとする。そして、列車の初期加速度は０ｋｍ／ｈ／ｓ、初期速度は３０ｋｍ／ｈ、初期位置は３００ｍとする。

上記の本発明の方法によってパターンの変数を導き出すと、図９に示すように、時間１１．５秒が経過した後に、列車は、目標速度である６０Ｋｍ／ｈに到達するプロファイルを求めることができる。

境界時間ｔ_１、ｔ_２、ｔ_ｆの値はそれぞれ、１．５秒、１０．０秒、１１．５秒であり、この時の列車速度値はそれぞれ、３２．２５ｋｍ／ｈ、５７．２５ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈである。

列車の移動距離は、上記のようにして求めた速度を積分して求めることができ、図９のパターンにおいて目標速度ｖ_ｆに到達する時間ｔ_ｆまでの列車の移動距離は１４３．７５ｍである。

この１４３．７５ｍの距離は、出発位置４００から加速目標点４１０までの距離３５０ｍよりも短いので、自動運転速度プロファイルは、３００ｍの地点から始まって４４３．７５ｍの地点で列車の目標速度６０ｋｍ／ｈに到達した後、加速目標点４１０まで等速走行の形態としてつながる。

図９に示す時間−速度プロファイルにおいて、速度を積分してそれぞれの時間での列車位置を求めると、図１０に示すような時間−位置プロファイルを導き出すことができる。

そして、この求められた時間−速度プロファイルと時間−位置プロファイルを、時間を媒介体として組み合わせると、図１１に示すように、位置−速度プロファイルを導き出すことができる。

例えば、図１１で、時間ｔの場合に時間−速度プロファイルにおける速度をｖ_ｔとし、時間−位置プロファイルにおける位置をｌ_ｔとすれば、（ｌ_ｔ，ｖ_ｔ）のような位置−速度プロファイルにおける値を得ることができる。これは、列車を自動運転する場合に、位置ｌ_ｔでは目標速度をｖ_ｔに設定すればいいということを意味する。

図１２では、コンピュータまたはマイクロプロセッサーなどで計算を用いて位置−速度プロファイルを導き出す方法の一つを提示しており、下記の過程を通じて位置−速度プロファイルの値を計算することができる。

１．基本加速パターンを用いて時間によるジャークプロファイルＪ(ｔ)を求め、これに基づいて時間による基準ジャークを求めて使用する。

例えば、図１２に示すように、時間ｔ_ｐでは基準ジャークＪ(ｔ_ｐ)＝０を用いてｌ_ｑを求め、時間ｔ_ｑでは基準ジャークＪ(ｔ_ｑ)＝−２を用いてＩ_ｐを求める、

２．現在計算段階での位置及び時間はそれぞれ、ｌ_ｐ＝ｌ(ｔ_ｐ)、ｔｐ＝ｐ・△ｔ（ここで、ｐ＝０，１，２，…であり、ｔ_０＝０であり、ｌ_０=ｌ(０)である。）であり、以前段階であるｌ_ｏからｌ_ｐ−１までのプロファイル｛ｌ_ｊ、ｖ_ｊ│ｊ＝０，１，２，…，ｐ−１｝は計算された状態であり、直前状態（時間ｔ_ｐ−１）での位置、速度及び加速度ｌ_ｐ−１、ｖ_ｐ−１、ａ_ｐ−１が格納されている（初期状態:ｌ_０、ｖ_０、ａ_０）。

３．加速目標点に向かう場合に、現在位置における基準速度ｖ_ｐは、ｖ_ｐ−１＝ｖ_ｔの場合に、下記の数学式３で計算することができ、ｖ_ｐ−１＜ｖ_ｔの場合には、下記の数学式４で計算することができる。

上記数学式３は、加速目標点に向かうとともに、図５に示す加速度増加→等加速度→加速度減少を有するパターンの場合に用いる数学式である。減速目標点に向かう場合や等加速度区間のないパターンを用いる場合にも、上記数学式３と同様にして図６乃至図８のジャークプロファイルを積分した速度ｖ(ｔ)の式を誘導することができる。

ここで、数学式４のｌ_ｐは、数学式５のように移動平均を適用して計算することができる。

４．上記の１．〜３．の過程を、プロファイルを求めようとする区間における出発点から、ｌ_ｐが目標点の位置であるｌ_ｔに到達するまで繰り返し行う。

ここで、△ｔに固定値を用いたが、列車の速度によって調節される可変値を用いることも可能である。

図１３は、図３に示す区間別制限速度プロファイルに対して、自動運転速度プロファイル計算部２００が、出発位置４００から最終位置である制限目標点４８０に到達するまで目標点ごとに上記過程を繰り返し行って得た自動位置−速度プロファイルを示す図である。

ここで、区間別制限速度プロファイルにおいて列車の出発位置４００から最終位置である制限目標点４８０まで順方向に位置−速度プロファイルを計算する過程について説明する。

３００〜６５０ｍ区間では、上に例示したように、３００ｍ地点から始まって加速目標点４１０（６５０ｍ、６０ｋｍ／ｈ）に向かって位置−速度プロファイルを作成し、６５０〜１０００ｍ区間では、６５０ｍ地点から加速目標点４２０（１０００ｍ、９０ｋｍ／ｈ）に向かって位置−速度プロファイルを作成する途中で制限目標点４３０（１０００ｍ、４０ｋｍ／ｈ）に目標点を転換して位置速度プロファイルを作成する。

上記の基本パターンを用いると、現在位置から特定目標点に到達するために必要な距離を求めることができるので、毎計算段階において以降の制限目標点４３０に対して必要な制動距離と実際に残った距離とを比較し、制動距離と残った距離とが同一の時、制限目標点４３０に対する制動プロファイルを作成し始めるとよい。

１０００〜１３５０ｍ区間では、等速目標点４４０（１３５０ｍ、４０ｋｍ／ｈ）に向かって等速で位置−速度プロファイルを作成し、１３５０〜１８２５ｍ区間では、加速目標点４５０（１３５０ｍ、８０ｋｍ／ｈ）に向かって位置−速度プロファイルを作成し、目標速度８０ｋｍ／ｈに到達した後には、等速で位置−速度プロファイルを作成する。そして、上記の６５０〜１０００ｍ区間と同様に、制限目標点４６０（１８２５ｍ、５０ｋｍ／ｈ）に対して制動が必要と判別されると、減速プロファイルパターンを適用して制限目標点４６０（１８２５ｍ、５０ｋｍ／ｈ）までの制動で位置−速度プロファイルを作成する。

最後に、１８２５〜２０００ｍ区間では、制限目標点４８０（２０００ｍ、０ｋｍ／ｈ）に対して制動が必要な時点から制動で位置−速度プロファイルを作成して制限目標点４８０（２０００ｍ、０ｋｍ／ｈ）で列車が停車できるような位置−速度プロファイルを作成する。

自動運転速度プロファイル計算部２００が制限速度プロファイルを反映して位置−速度プロファイルを計算し、計算した位置−速度プロファイルに従って列車を走行させている状態で新しい制限速度プロファイルが入力される場合は、新しい制限速度プロファイルを反映して位置−速度プロファイルを再び計算し、この再び計算した位置−速度プロファイルに従って列車を走行させる。

例えば、図１４aに示すように、自動運転速度プロファイル計算部２００が位置−速度プロファイルを計算し、計算した位置−速度プロファイルに従って列車を走行させている状態において、図１４ｂに示すように、臨時に列車の走行速度を制限する区間と停車地点を変更した制限速度プロファイルが入力される場合に、自動運転速度プロファイル計算部２００は、当該計算した位置−速度プロファイルに新しく入力された制限速度プロファイルを反映して、例えば、図１４ｃに示すように、列車を自動運転する位置−速度プロファイルを更新し、この更新した位置−速度プロファイルに従って列車を運転する。

一方、以上では地上装置１００に制限速度プロファイル提供部１０４が設けられ、自動運転速度プロファイル計算部２００は車上装置１５０に搭載されるとして説明した。

しかし、本発明はこれに限定されず、制限速度プロファイル提供部１０４及び自動運転速度プロファイル計算部２００が両方とも車上装置１５０に搭載されるように構成することもでき、制限速度プロファイル提供部１０４及び自動運転速度プロファイル計算部２００が両方とも地上装置１００に搭載されるように構成することもできる。

制限速度プロファイル提供部１０４及び自動運転速度プロファイル計算部２００が両方とも車上装置１５０に搭載する場合には、地上装置１００は、列車の制限速度に影響を与えるような情報が発生する度に該当の情報を車上装置１５０に伝送する。

そして、車上装置１５０に設けられている制限速度プロファイル提供部１０４は、地上装置１００が伝送する情報によって制限速度プロファイルを計算して自動運転速度プロファイル計算部２００に伝達し、自動運転速度プロファイル計算部２００は、この制限速度プロファイルに従って列車を自動運転する位置−速度プロファイルを計算してデータベース２１０に格納する。

このような構成では、地上装置１００が車上装置１５０に伝送せねばならないデータの種類がやや複雑になることがあり、車上装置での計算負荷を増加させることがある。

ただし、制限速度プロファイルの計算は、自動運転位置−速度プロファイルの計算に比べて計算量が非常に少ないので、実質的に車上装置１５０に大きな負担にはならない。

そして、制限速度プロファイル提供部１０４及び自動運転速度プロファイル計算部２００が両方とも地上装置１００に設置される場合には、地上装置１００では、列車の制限速度に影響を与えるような情報が発生すると、制限速度プロファイル提供部１０４が制限速度プロファイルを計算し、計算された制限速度プロファイルに従って自動運転速度プロファイル計算部２００が列車を自動運転する位置−速度プロファイルを計算する。

そして、該計算された位置−速度プロファイルを車上装置１５０に伝送するか、または、車上装置１５０が列車の位置による目標速度を要請する場合に、該位置−速度プロファイルから目標速度を検索して車上装置１５０に伝送する。

この場合には、車上装置１５０における計算負荷を最小化させることはできるが、データの伝送量が多くて、地上装置１００の計算負荷が大きくなるという短所がある。

ただし、地上装置１００が複数台の列車に対して位置−速度プロファイルを計算する場合にも、複数台の列車において制限速度プロファイルが同時に更新される確率は少ないので（プロファイルアップデートが走行中に継続して発生することはないので）、地上装置１００で必要とされる計算力は、車上装置１５０でプロファイルを計算する場合に比べて遥かに大きくなることはない（すなわち、ｎ台の列車を地上で処理するからといってｎ倍の計算力が必要とされるわけではない。）。

そして、本発明によって列車の走行を制御するためには、毎制御周期ごとに列車の現在位置に対する目標速度（自動運転位置−速度プロファイル）が必要である。この情報は、数式や位置−速度対のリストとして格納することもできる。

図１１に示すように、各時間区間に対して基本パターンを適用して自動運転の時間−速度プロファイルの式を得ると、これを用いて自動運転時間−位置プロファイルの式を得ることができる。これにより、毎制御周期ごとに列車の現在位置に対する時間−速度プロファイルにおける目標速度の値（時間を媒介変数にして）を数式を用いて計算することができる。

図１２では、各区間でジャークプロファイルのパターンを適用し、これに基づいて位置による目標速度値を順次に求めていく方式を示す。これは、上の動作説明で提示した計算方式であり、コンピュータまたはマイクロプロセッサーの反復計算力を用いている。この方式は、制限速度プロファイルの出発点から次の目標点へと反復して進みながら、特定時間間隔（一定または可変）で位置−目標速度対を順次に求めていく方式である。この方式を用いると、出発点から特定時間解像度で一連の位置-速度対のリストを得ることができる。

列車は、毎制御周期ごとに現在位置でリストを検索して目標速度を導き出し、これを用いて出力を制御することができる。ここで説明した方式は、出発点から到着点の方向へと計算するフォワード（forward）方式としたが、同様のジャークプロファイルパターンを用いて反対方向に計算するバックワード（backward）方式も共に用いることができる。

以上では代表的な実施例に挙げて本発明を詳細に説明してきたが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には、以上の実施例に限定されず、本発明の範ちゅうを逸脱しない限度内で様々な変形実施が可能であるということが理解される。

したがって、本発明の権利範囲は、説明された実施例に限定して定められるものではなく、添付の特許請求の範囲とその均等範囲で定められるべきである。

Claims (5)

1. 区間別に列車が走行する制限速度の情報が含まれる制限速度プロファイルを制限速度プロファイル提供部から提供され、前記制限速度プロファイルを用いて、列車を自動運転する各位置における目標速度を計算して、列車を自動運転する位置−速度プロファイルを提供する自動運転速度プロファイル計算部と、
   列車の現在位置及び走行速度を計算する速度／位置計算部と、
   前記速度／位置計算部が計算した列車の現在位置における目標速度を、前記自動運転速度プロファイル計算部が提供する位置−速度プロファイルから探索する目標速度探索部と、
   前記速度／位置計算部が計算した列車の走行速度から前記目標速度探索部が探索した目標速度を減算して速度誤差を検出する減算器と、
   前記減算器が検出した速度誤差によって列車の推進または制動命令を発生する推進／制動計算部と、
   を含み、
   前記自動運転速度プロファイル計算部は、前記制限速度プロファイルにおいて列車を加速走行させて到達しなければならない加速目標点、列車を等速走行させて到達しなければならない等速目標点、及び列車を減速走行させて到達しなければならない減速目標点を抽出し、列車の出発位置、前記加速目標点、等速目標点及び減速目標点の間における区間を区分して、各区間別に時間−速度プロファイルを計算し、該計算した時間−速度プロファイルを用いて時間−位置プロファイルを計算した後、時間−速度プロファイル及び時間−位置プロファイルを用いて位置−速度プロファイルを計算することを特徴とする、列車自動運転における速度制御装置。
2. 前記自動運転速度プロファイル計算部が提供する位置−速度プロファイルを格納するデータベースをさらに含み、
   前記目標速度探索部は、前記データベースから目標速度を探索することを特徴とする、請求項１に記載の列車自動運転における速度制御装置。
3. 前記制限速度プロファイル提供部は、地上装置に設けられて、車上装置に制限速度プロファイルを無線伝送し、
   前記自動運転速度プロファイル計算部は、車上装置に設けられ、前記制限速度プロファイル提供部が無線伝送する制限速度プロファイルによって位置−速度プロファイルを計算して前記データベースに格納することを特徴とする、請求項２に記載の列車自動運転における速度制御装置。
4. 前記制限速度プロファイル提供部及び自動運転速度プロファイル計算部は、地上装置に設けられ、前記自動運転速度プロファイル計算部が提供する位置−速度プロファイルを車上装置に伝送して前記データベースに格納することを特徴とする、請求項２に記載の列車自動運転における速度制御装置。
5. 前記制限速度プロファイル提供部及び自動運転速度プロファイル計算部は、車上装置に設けられることを特徴とする、請求項２に記載の列車自動運転における速度制御装置。