JP2010130855A - 車両制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】編成車両間での衝動を緩和する車両制御装置を提供する。
【解決手段】複数の車両で構成され、少なくとも１両が動力車である列車による勾配の変極点の通過を検出する位置検出手段と、前記列車が前記変極点を走行する場合、前記列車のうち前記変極点を基準として通過した車両群と未通過の車両群を車両単位で区別する制御手段と、前記動力車に設けられ、前記動力車自体に対して減速制御する減速手段と、前記動力車に設けられ、前記動力車自体に対して加速制御する加速手段とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一編成の列車に複数車両連結される電気機関車に関する。

多数車両連結した列車は、用途に応じて様々な構成で編成されている。例えば、新幹線に代表される高速移動列車では、その編成車両の先頭及び最後尾車両以外の車両に動力車が用いられている。また、貨車を多数連結した編成長の長い貨物列車では、所望の牽引力を得るために、その編成車両の列車の先頭の車両に動力車として機関車が接続されている。

このような動力車は、先頭車両の運転席に設けられたマスターコントローラの操作により力行、ブレーキ指令が送信されることで、その動作が制御される。

このような編成車両では、編成車両が勾配区間に進入、または勾配区間から退出する際、その勾配が大きい場合に車両間で衝動が発生する。これは、例えば、平坦路から登り勾配に車両が進入すると、勾配上にある車両では勾配による進行方向とは逆の力が働き、平坦路の車両にはこの力は発生しないという状況になる。

勾配区間での連結器における衝動問題は、運転士の運転技量によって改善しようとされていた。例えば、多くの貨車と連結された機関車（先頭車側）では、連結器を引っ張る側に位置するようにするために、常に機関車を力行モードに置き、登りの基点では更にその牽引力を強めて連結器の引っ張り状態を維持するようにする。この運転を怠ると連結期間で衝動が発生する。旅客車では連結器の緩衝機能がよくなり、それで運用されているのが現状である。

また特許文献１には、勾配検知手段で検知した勾配または勾配加速度に応じて制御指令し、乗り心地を改善する構成について記載されている。
特開２００８−１８２８４９号公報

しかしながら、特許文献１には、少なくとも１両以上の動力車でない車両が編成車両に含まれている場合についての構成は開示されていない。

また、なんらの対策がないとすると、編成車両では複数の車両が連結器を介して繋がっているため、これが車両間での衝動となって乗り心地や連結器に対して悪影響を与えてしまう。

この現象は平坦路から下りの勾配区間に侵入または上り勾配から下り勾配に進入するといった、勾配の変極点を編成車両が通過する際に発生する。この傾向は、長大編成車両や多くの貨車を連結している機関車では著しく、登り勾配から下り勾配に移行するような路線では連結器の大きな力が働き、連結器は破壊する等の不具合が生じることもある。旅客車の場合、連結器の衝動はそのまま乗り心地に悪さにつながり、改善が必要とされている。

編成車両が勾配区間に進入、または勾配区間から退出する際の勾配が大きい場合、運転士の運転技量では対処できなくなり、編成車両間で衝動が発生し、乗り心地や連結器に悪影響を及ぼす。

本発明の目的は、編成車両間の衝動を緩和する車両制御装置を提供することにある。

編成車両の勾配区間に進入、または勾配区間から退出の際の車両の位置関係を検出または演算によって認識する。具体的には勾配の変極点を基準点として設定し、その基準点を通過する車両を認識する方法をとる。勾配は実路線での検出による認識でも、定められた路線情報を使用する方法でもよい。

その上で、編成車両の基準点の通過にしたがって、基準点を通過した車両群(通過車両)と基準点に達していない車両群(未通過車両)を車両単位で区別し、通過車両の勾配により生じる進行方向と逆方向の力(上り勾配)・または進行方向と同一方向の力(下り勾配)による通過車両の１両に働く減速力または加速力と同じ力を未通過車両の総ての各車両に同じ方向で減速力、または加速力を変更トルク分として未通過車両に対して車両指令制御ラインにより指令する。

未通過車両の総てが動力車でないときは、この動力車で発生する変更トルクの総和が未通過車両の総てが動力車であった場合と同じになるように設定する。

動力集中に代表される機関車や動力分散である旅客車などの複数車両の編成では、勾配を通過する際、特に制御を必要とする区間で本提案の制御を使用することで、衝動による連結器の破損防止、または乗り心地の改善が図れる。

第１の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

図１には、第１の実施形態の一例として１０両編成の車両で構成された列車１００を示している。ここでは、列車１００が先頭から順に車両１、車両２、・・・、車両９、車両１０で編成されているとする。１０両編成の車両のうち先頭車両１および最後尾車両１０は、運転席が設けられているが、動力装置を有していない付随車である。また、先頭車両１と最後尾車両１０の間の８つの中間車両（車両２から車両９まで）は、後述する動力装置を有した動力車である。

ここで、図１の横軸は、列車１００が走行する進行方向に沿った路線２０の勾配に各車両が入るタイミングを示している。路線２０では、上り勾配（または下り勾配）に入る地点を勾配の変極点として基準点３０と定められている。

図１（ａ）は、列車１００の先頭車両１が登り勾配に入る基準点３０に達した状態を示している。図１（ｂ）は、列車１００の先頭から２両目である車両１と車両２が基準点３０を通過した状態を示している。図１（ｃ）は、列車１００の先頭から６両目である先頭車両１から車両６までが基準点３０を通過した状態を示している。図１（ｄ）は、列車１００の先頭から８両目である先頭車両１から車両８までが基準点３０を通過した状態を示している。

ここで、図２は、列車１００の車両が登り勾配に位置した場合における車両に加わる勾配抵抗を示した図である。ここで、例えば各車両の質量をＷ、勾配をｎ（‰）とする。列車１００が登り勾配に入ると、車両には後退する力が働く。勾配区間上にいる各車両には、勾配によって、列車１００の進行方向とは逆の力である勾配抵抗Ｒｇ＝Ｗ×nが作用する。勾配抵抗によって、列車１００のうち登り勾配に位置する車両には、あたかもブレーキが加わった状態となる。

図１（ａ）に示す列車１００では、どの車両にも勾配抵抗はかからない。図１（ｂ）に示す列車１００では、先頭車両１と車両２の２両にそれぞれ勾配抵抗としてＷ×ｎのブレーキ力が作用する。したがって、列車１００のうち基準点３０を通過した通過車両と未通過車両との間（車両２と車両３の間）の連結器では、未通過車両にはＷ×ｎのブレーキ力が作用していないため、衝動が発生する。

ここで、車両２と車両３の間の連結器における衝動を回避するために、未通過車両（車両３から車両１０）の８両の各車両に対して勾配区間に位置する通過車両（車両１と車両２）と同じ状況を作ることで衝動を抑制することができる。

つまり車両１から車両１０までの各車両にＷ×ｎの力を進行方向とは逆方向に発生させることになる。ここで、列車１００の未通過車両（車両３から車両１０まで）のうち総ての車両が動力車でないので、動力車である車両２から車両９の７両におけるブレーキ力の総和で未通過車両である８両分のブレーキ力を作用させる必要がある。つまり7両の動力車両で８Ｗ×ｎのブレーキ力を発生することになる。

図１（ｃ）に示す列車１００では、先頭車両１から車両６までの６両にそれぞれ勾配抵抗としてＷ×ｎのブレーキ力が作用する。したがって、列車１００のうち基準点３０を通過した通過車両と未通過車両との間（車両６と車両７の間）の連結器では、未通過車両にはＷ×ｎのブレーキ力が作用していないため、衝動が発生する。

ここで、車両６と車両７の間の連結器における衝動を回避するために、未通過車両（車両７から車両１０）の４両の各車両に対して勾配区間に位置する通過車両（車両１から車両６）と同じ状況を作ることで衝動を抑制することができる。

つまり、動力車である車両７から車両９の３両におけるブレーキ力の総和で未通過車両である４両分のブレーキ力を作用させる必要がある。つまり３両の動力車両で４Ｗ×ｎのブレーキ力を発生することになる。

図１（ｄ）に示す列車１００では、先頭車両１から車両８までの８両にそれぞれ勾配抵抗としてＷ×ｎのブレーキ力が作用する。したがって、列車１００のうち基準点３０を通過した通過車両と未通過車両との間（車両８と車両９の間）の連結器では、未通過車両にはW×nのブレーキ力が作用していないため、衝動が発生する。

ここで、車両８と車両９の間の連結器における衝動を回避するために、未通過車両（車両９と車両１０）の２両の各車両に対して勾配区間に位置する通過車両（車両１から車両８）と同じ状況を作ることで衝動を抑制することができる。

つまり、動力車である車両９の１両におけるブレーキ力の総和で未通過車両である２両分のブレーキ力を作用させる必要がある。つまり１両の動力車両で２Ｗ×ｎのブレーキ力を発生することになる。

各動力車両は、基準点３０を通過した後に、基準点３０を通過前に発生させたブレーキ力を０に戻すことになる。戻しに関しては傾斜をもって行なう。

図３は、第１の実施形態に係る列車１００の制御系の構成を示すブロック図である。列車１００の先頭車両１は、制御装置１０１を備える。

制御装置１０１は、制御ユニット１０２、マスターコントローラ１０３、データ記憶部１０４、現在位置検出部１０５を含む。制御ユニット１０２は、２両目から９両目にそれぞれ設けられた交流電動機駆動装置２０１への力行指令およびブレーキ装置２０２へのブレーキ指令を制御する。マスターコントローラ１０３は、運転台（図示されず）から入力される乗務員（運転者）の操作信号に基づいて、力行指令およびブレーキ指令を制御ユニット１０２に出力する。

データ記憶部１０４は、列車１００総列車長および車両質量等の編成データが記録されている。また、データ記憶部１０４は、この列車１００が走行する路線の勾配、勾配変曲点である基準点３０の位置、カーブの曲率などの路線データが記録されている。

現在位置検出部１０５は、例えばＧＰＳ(global positioning system)あるいは単に走行距離計である。現在位置検出部１０５が走行距離計の場合、制御ユニット１０２はデータ記憶部１０４から路線データを読み出し、例えば始発駅からの走行距離と路線データとを照合し、駅毎にキロ程補正がされる点を基点に現在位置および基準点３０を検出する。制御ユニット１０２は、検出した基準点３０の情報を基にして、各車両に基準点３０の通過状況を演算して認識することができることができる。また、現在位置検出部１０５はセンサであって、現在位置検出部１０５が基準点３０に配置された地上子等と伝送することにより、制御ユニット１０２が車両の基準位置３０の通過状況を検出するようにしてもよい。

そして、制御ユニット１０２は、現在位置検出部１０５が検出した列車１００の各車両における基準点３０の通過状況に応じて、車両指令制御の伝送ラインを用いて車両２から車両９までの各車両に設けられた交流電動機駆動装置２０１への力行指令およびブレーキ装置２０２へのブレーキ指令を生成する。

図３では、車両２に設けられた交流電動機駆動装置２０１への力行指令およびブレーキ装置２０２へのブレーキ指令について図示しているが、車両３から車両９にも同様に交流電動機駆動装置２０１およびブレーキ装置２０２が設けられている。そして、制御ユニット１０２は、各車両に設けられた交流電動機駆動装置２０１およびブレーキ装置２０２に対して制御する。

上記制御ユニット１０２による制御は列車１００が基準点３０を通過する際に行なわれる。第１の実施形態では、それぞれ同一車両長、同一質量Ｗの車両で編成された列車を想定する。

図４は、図１で説明した列車１００を編成する各車両における基準点３０を中心とした位置での牽引力の変化を示す図である。横軸は、各動力車の基準点３０の通過を示している。縦軸は、各動力車における牽引力を示している。

はじめに、図４（ａ）に示すように、先頭車両１のみが基準点３０を通過して勾配区間に位置し、制御ユニット１０２が第１動力車である車両２の先頭が基準点３０に達したと検出すると、列車１００のうち変極点である基準点３０を通過した車両群と未通過の車両群を車両単位で区別する。そして、制御ユニット１０２は、先頭車両１で生じるブレーキ力相当ｎ×Ｗを、未通過車両でる残り９両のうち、最後尾車両１０を除いた動力車（車両２から車両９）８両で現状の牽引力から減算するように各車両に設けられたブレーキ装置２０２に対して制御する。

したがって、制御ユニット１０２は、車両２から車両９それぞれの動力車ではｎ×９Ｗ／８の牽引力を減じるようにブレーキ装置２０２に対して制御する。つまり、先頭車両１が基準点３０を通過する前の牽引力初期値Ｆ、先頭車両１が基準点３０を通過した後の牽引力をＦａとすると、Ｆａ＝Ｆ−ｎ×９Ｗ／８となる。また、制御ユニット１０２は、第１動力車である車両２が基準点３０を通過した時点で第１動力車だけは初期値牽引力Ｆに戻すように交流電動機駆動装置２０１に対して制御する。

次に、図４（ｂ）に示すように、先頭車両１および第１動力車である車両２が基準点３０を通過して勾配区間に位置し、制御ユニット１０２が第２動力車である車両３の先頭が基準点３０に達したと検出した場合について説明する。このとき、先頭車両１の牽引力は初期値Ｆに戻っているため、制御ユニット１０２は、車両２で生じるブレーキ力相当ｎ×Ｗを、未通過車両である残り８両のうち、最後尾車両１０を除いた動力車（車両３から車両９）７両で現状の牽引力から減算するように各車両に設けられたブレーキユニット２０２に対して制御する。

したがって、制御ユニット１０２は、車両３から車両９それぞれの動力車ではｎ×８Ｗ／７の牽引力を減じるようにブレーキ装置２０２に対して制御する。また、制御ユニット１０２は、第２動力車である車両３が基準点３０を通過した時点で第２動力車について初期値牽引力Ｆに戻すように交流電動機駆動装置２０１に対して制御する。

以下同様であり、図４（ｃ）は、第３動力車である車両４の先頭が基準点３０に達した場合、図４（ｄ）は、第４動力車である車両５の先頭が基準点３０に達した場合、図４（ｅ）は、第５動力車である車両６の先頭が基準点３０に達した場合、図４（ｆ）は、第６動力車である車両７の先頭が基準点３０に達した場合、図４（ｇ）は、第７動力車である車両８の先頭が基準点３０に達した場合である。

最後に、図４（ｈ）に示すように、先頭車両１から第７動力車である車両８までが基準点３０を通過して勾配区間に位置し、制御ユニット１０２が第８動力車である車両９の先頭が基準点３０に達したと検出した場合について説明する。このとき、先頭車両１から車両８までの牽引力は初期値Ｆに戻っているため、制御ユニット１０２は、車両８で生じるブレーキ力相当ｎ×Ｗを、未通過車両である残り２両のうち、最後尾車両１０を除いた動力車（車両９）１両で現状の牽引力から減算するように各車両に設けられたブレーキユニット２０２に対して制御する。

したがって、制御ユニット１０２は、車両９の動力車ではｎ×２Ｗ／１の牽引力を減じるようにブレーキユニット２０２に対して制御する。また、制御ユニット１０２は、第８動力車である車両９が基準点３０を通過した時点で第８動力車にいて初期値牽引力Ｆに戻すように交流電動機駆動装置２０１に対して制御する。

つまり、制御ユニット１０２は、基準点３０を通過した通過車両群と基準点に達していない未通過車両群を車両の単位で区別する。そして、制御ユニット１０２は、、基準点３０の通過車両１両に働く通過車両の上り勾配により生じる進行方向と逆方向の力（減速力）、または下り勾配により生じる進行方向と同一方向の力（加速力）と同じ力を未通過車両の総ての各車両に同じ方向で減速力、または加速力を変更トルク分として、各未通過車両を制御する。

制御ユニット１０２は、未通過車両の総てが動力車ではないときは、未通過車両のうちの動力車で発生する変更トルクの総和を未通過車両が総て動力車であったと仮定した場合の値と同じになるように設定する。制御ユニット１０２は、未通過車両を車両数をｘ、未通過車両のうちの動力車の車両数をｙとした場合、未通過車両のうちの動力車１両に働かせる変更トルクを加速力または減速力にｘ／ｙを乗じた値として交流電動機駆動装置２０１またはブレーキ装置２０２に対して制御する。

以上のように、上記第１の実施形態によれば、基準点３０の位置および基準点３０を中心とした車両の通過状況を監視できるので、理論的に車両毎に発生する勾配抵抗Ｒｇ(車両質量Ｗtonに勾配ｎ‰を掛けた加速力や減速力)を複雑な検出することなく簡単に検出できる。勾配は、制御ユニット１０２が実路線２０でセンサによる検出による認識でも、データ記憶部１０４に記録された定められた路線情報を使用する方法でもよい。また、上り勾配に入っていない列車１００の各車両でもｎ×Ｗの牽引力を減算したとものと同等にみなせるので、車両間の相対的な位置関係は、変わらないため、車両間の衝動を抑えることができる。

列車１００が下り勾配に入った場合は、上記説明した場合と逆であり、加速力として働く進行方向に沿った牽引力を下り勾配に入っていない各車両に加算することで、車両間の衝動を抑えることができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図５は、機関車とそれに牽引される複数の貨車を想定した組成の場合を示している。

この場合、１０両編成の列車１００のうち機関車Ａは動力車であり、残りは動力源のない貨車である場合について説明する。制御系は、図３に示すブロック図とほぼ同様であり、先頭車両の機関車Ａにのみ交流電動機駆動装置２０１とブレーキ装置２０２が設けられている。

機関車Ａが路線２０の走行過程で図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態に移行すると、機関車Ａでは勾配によるブレーキ力が発生する。したがって、機関車Ａとそれお連結している貨車Ｂの間の連結器には衝動が生じる。第２の実施形態では、列車１００の２両目以下は貨車であるため、上記第１の実施形態のような制御は行えない。

第２の実施形態では、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）の状態に移行した場合、制御ユニット１０２は、ブレーキ力をキャンセルする牽引力を機関車Ａで発生させるように交流電動機駆動装置２０１を制御する。さらに、図５（ｃ）の状態に示すように６両目の貨車までが勾配区間に侵入すると、制御ユニット１０２は、勾配によって貨車に発生するブレーキ力もキャンセルする牽引力を機関車Ａで発生させるように交流電動機駆動装置２０１を制御する。このキャンセルの方法は貨車毎の階段状でも、連続的でも良い。

さらに、車両間の衝動をより抑制するために、機関車Ａの制御ユニット１０２が認識する勾配の基準点３０よりも前の地点で惰行走行モードであるならば、力行モードまたはブレーキモードに移行し、貨車Ｂ以降を引っ張る状況におく。そして、制御ユニット１０２は、機関車Ａが基準点３０の通過する時は勾配で生じる減速力を打ち消すように減速力と同等の牽引力で勾配に進入するように制御してもよい。惰行走行モード時に上記制御を実行すると、力行モードまたはブレーキモードに切り換える間は、衝動抑制効果が十分に発揮できないためである。

図５（ｄ）は、機関車Ａが基準点３０を通過後の牽引力の基本パターンを示している。つまり、制御ユニット１０２は、現在位置検出部１０５により現在位置を特定し、路線２０における位置関係から基準点３０を検出し、勾配で生じる減速力を打ち消すように交流電動機駆動装置２０１へ力行指令を出力する。この場合、貨車Ｂ以降の通過に応じてこの牽引力を増加し続けると、連結器を引っ張り状態に維持することができるため衝動をなくすことができる。機関車Ａでは牽引力を増加する方向の制御になるため勾配の基準点３０への進入時には、最大の牽引力に対してまたは最大のブレーキ力に対して車両抑制性制御に必要な補足する牽引力（最大牽引力に対して充分余裕を持った小さな牽引力）または補足するブレーキ力を持たすようにする。

上記第１の実施形態および第２の実施形態は、２台の縦列走行する自動車のうち先頭の自動車がブレーキをかければ、後続の自動車も同時に同じ減速度のブレーキを作用させ、先頭の自動車が加速すれば、同じように後続の自動車も同じ加速度で加速するという作用になり、車間がほぼ一定に保たれることになるのと等価である。したがって、基準点３０を境に編成車両を通過車両と未通過車両との２つの車両群に分けて、未通過車両が、通過車両が勾配で発生する減速力または加速力と同等の同一方向の力で減速または加速することで、車両間の衝動を抑えることができる。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る列車の構成を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る列車に加わる勾配抵抗を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る列車の制御系の構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る列車の基準点を中心とした位置での牽引力の変化を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る機関車と複数の貨車の構成を示した図。

符号の説明

２０…路線、３０…基準点、１００…列車、１０１…制御装置、１０２…制御ユニット、１０３…マスターコントローラ、１０４…データ記憶部、１０５…現在位置検出部、２０１…交流電動機駆動装置、２０２…ブレーキ装置。

Claims (5)

1. 少なくとも１両が動力車である複数の車両で構成された列車による勾配の変極点の通過を検出する位置検出手段と、
   前記列車が前記変極点を走行する場合、前記列車のうち前記変極点を基準として通過した車両群と未通過の車両群を車両単位で区別する制御手段と、
   前記動力車に設けられ、前記動力車自体に対して減速動作する減速手段と、
   前記動力車に設けられ、前記動力車自体に対して加速動作する加速手段と、
   を備えることを特徴とする車両制御装置。
2. 前記制御手段は、前記変極点が上り勾配である場合、進行方向と逆方向に前記通過車両に対して働く減速力と同じトルクが前記未通過車両の各車両に働くように前記減速手段を制御し、前記変極点が下り勾配である場合、進行方向と同一方向に前記通過車両に対して働く加速力と同じトルクが前記未通過車両の各車両に働くように前記加速手段を制御することを特徴とする請求項１記載の車両制御装置。
3. 前記制御手段は、前記未通過車の総ての車両が前記動力車ではない場合、前記未通過車の総てが前記動力車とした場合に前記動力車の各々に働かせるトルクの総和と同じになるように、前記動力車の前記加速手段または前記減速手段を制御することを特徴とする請求項２記載の車両制御装置。
4. 前記制御手段は、前記未通過車両の車両数をｘ、前記未通過車両のうち前記動力車の車両数をｙと検出した場合、前記未通過車両のうちの前記動力車１両に働かせるトルクを前記減速力または前記加速力にｘ／ｙを乗じた値とするように前記減速手段または前記加速手段を制御することを特徴とする請求項３記載の車両制御装置。
5. 前記制御手段は、前記未通過車両の前記動力車に働かせたトルクを所定時間経過後に解除することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の車両制御装置。

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