TOP > 国内特許検索 > 車両走行制御装置 > 明細書

明細書 :車両走行制御装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第3965310号 (P3965310)
公開番号 特開2003-259502 (P2003-259502A)
登録日 平成19年6月1日(2007.6.1)
発行日 平成19年8月29日(2007.8.29)
公開日 平成15年9月12日(2003.9.12)
発明の名称または考案の名称 車両走行制御装置
国際特許分類 B60L   7/00        (2006.01)
B60T   8/72        (2006.01)
FI B60L 7/00 A
B60T 8/72
請求項の数または発明の数 1
全頁数 13
出願番号 特願2002-057506 (P2002-057506)
出願日 平成14年3月4日(2002.3.4)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 日本人間工学会誌第37巻特別号(日本人間工学会第42回大会講演集)(平成13年9月4日発行)による発表、及び、当該発表と密接不可分である日本人間工学会第42回大会(平成13年9月6日)において文書をもって行われた発表
審査請求日 平成17年2月25日(2005.2.25)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】000173784
【氏名又は名称】財団法人鉄道総合技術研究所
発明者または考案者 【氏名】小美濃 幸司
【氏名】白戸 宏明
【氏名】斎藤 綾乃
個別代理人の代理人 【識別番号】100083839、【弁理士】、【氏名又は名称】石川 泰男
審査官 【審査官】上野 力
参考文献・文献 特開平06-315208(JP,A)
特開平06-006912(JP,A)
特公昭40-009166(JP,B1)
調査した分野 B60L 7/00
B60T 8/72
特許請求の範囲 【請求項1】
搭乗者の乗り心地を含むヒューマンファクターを配慮した車速指令値作成部(00)を具備する車両走行制御装置であって、
車速指令値作成部(00)は、時計装置(01)と目標停止距離演算装置(02)と初速データ演算装置(03)と車速指令値演算装置(04)と加算器(05)とブレーキ指令装置(06)とを含有し、
時計装置(01)は、計時し、かつブレーキ開始指令信号を入力したときの時刻データ(t)を出力し、
目標停止距離演算装置(02)は、時計装置(01)からの時刻データと停止位置情報記憶装置(20)からの目標停止位置データ(x)と車両位置検知装置(30)からの車両位置データ(x(t))とを入力して目標停止距離データ(x-x(t))を演算して出力し、
初速データ演算装置(03)は、時計装置(01)からの時刻データと車両速度検知装置(40)から車速データとを入力して、ブレーキ開始時刻に対応する初速データ(v)を取り込んで出力し、
車速指令値演算装置(04)は、目標停止距離データと初速データとを入力して、数式(4)より最大加速度(αmax)を、数式(5)より最大ジャーク(jmax)を、数式(6)より一定減速区間の開始時刻(t)を、数式(7)より一定減速区間の終了時刻(t)を算出して、これらの値に基づいて、数式(3)よりブレーキ速度指令値(v(t))を算出して出力することを特徴とする車両走行制御装置。
【数1】
JP0003965310B2_000016t.gif
【数2】
JP0003965310B2_000017t.gif
【数3】
JP0003965310B2_000018t.gif
【数4】
JP0003965310B2_000019t.gif
【数5】
JP0003965310B2_000020t.gif
発明の詳細な説明 【0001】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、車両、特に鉄道車両における走行制御装置に関し、特にヒューマンファクターを取り入れた減速制御の技術分野に関する。
【0002】
【従来の技術】
現今、鉄道車両は高速化を追究し、旅行時間の短縮化と輸送力の向上と、また通勤ラッシュの緩和等の面からも検討されている。しかしながら鉄道車両の高速化は又高減速化でもある。
しかして緊急時には、どのような高速域からでも一定の距離以内で停止する必要があり、そのための高性能ブレーキの開発は欠かすことができないものである。また高速になればなるほど、ブレーキ時には、列車に搭乗する乗客や乗務員に高い減速度が加わり、快適性や作業に必要な姿勢の保持を損なうおそれがあり、そのような事態に対する対策も欠かすことができない。
【0003】
このような現実に鑑み、列車減速度の適正レベルを被験者の評価に基づいて追究する研究が続けられている(例えば、白戸宏明、藤浪浩平、小美濃幸司著「列車減速度の適正レベルに関する検討」鉄道総研報告 第8巻 第12号 財団法人 研友社 平成6年12月1日発行)。
ここでは現車試験を行い、その結果を、「減速度及びジャークと被験者の評価の関係」並びに「減速度及びジャークの適正レベルの検討」に纏めている。
【0004】
被験者による減速度の評価は、ブレーキ開始点から停止までを、例えば図5に見られるように、5つの区間に分割し、各区間毎に予め設定した評価尺度についての評価を、用紙に記入する方法で行なった。開始から停止までの時間は略20秒程度である。記入はブレーキによって車両が停止してから行う。
試験は130km/hから10回、120km/hから29回で、計39回の試行が行なわれた。
被験者を乗せた車両の中央部には加速時計を設置して減速度を測定し、ジャーク(加加速度)は減速度を数値微分して算出した。
【0005】
ブレーキ時において、最大減速度は評価区間4における1.44~2.16m/sec2 であり、停止時の最大ジャークは、停止直前にブレーキを緩める条件では0.91~4.09m/sec3 である。ここでブレーキを緩める条件では、ブレーキを緩めるタイミングにより発生するジャークにかなりの幅が認められる。
【0006】
しかして現車試験の結果は、回答に有意の差が認められ、2つの被験者群に分割された。
一方は、受けた力の評価尺度により力の感じ方が「弱め」の群であり、この群は家庭の主婦等を中心とするものであって、ラッシュアワーの混雑した列車にはほとんど乗らず、従って乗車姿勢も座位の機会が多くあり、乗車機会も週に1回あるかないかで、さらに利用線区も種々である。
これに対し他方は、力が「強め」に感じられた方の群であり、サラリーマン等を中心とし、混雑した列車に略毎日乗り、利用線区も通勤経路の如く略単一であり、座れる機会はほとんどない等の群である。
【0007】
次いで、減速度及びジャークとその評価の関係を分析する。
ここで1試行に対して各被験者1つの評価を対応させるものとする。即ち1試行5区間の中で1つでも「許容できない」とする回答があった場合には、その被験者にとってその試行は許容できないブレーキ特性を使用したものであったとする。
そして、被験者の回答、即ち評価を従属変数、第2区間の減速度の実効値、第5区間のジャークの実効値を独立変数としてロジステック回帰を行うと、次の(a)、(b)の回帰式が得られた。これら両数式はいずれも尤度比適合性検定の結果でモデルが適合していることが確認されている。
【0008】
○力を弱めに感じた被験者群
評価=1/{1+exp(15.1608-8.1147×第2区間減速度-0.4691×第5区 間ジャーク)}・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(a)
○力を強めに感じた被験者群
評価=1/{1+exp(7.8653-3.8897×第2区間減速度-0.9190×第5区間ジャーク)}・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(b)
ここで「評価」は0~1の数値をとり、「許容できない」と評価する被験者の割合を示す。
【0009】
この数式(a)、(b)に、減速度、ジャークの値を代入したものが図4に示されている。ここにはジャークの実効値を0~3.0m/sec3 とさせた場合の4つの曲線を例として示してある。
以下において、減速度及びジャークについてその適正レベルを検討する。
通常、駅に停車する場合には1.0m/sec2 程度の減速度のブレーキが用いられている。この場合は図4から見て、ジャークが大きくなければ「許容できないとする」被験者の割合は問題にならない程少数である。
【0010】
次いで、160km/hの速度から600mで停止する緊急ブレーキの場合を考えてみる。
このケースでは実減速度は、一般に、2.0m/sec2 程度と推定されているので、ジャークが0の場合には、図4及び数式(a)、(b)を参照すれば、それぞれ74% 、48% の被験者が「許容できない」と推測される。
この数値は、ブレーキの掛始めから停止までの間を通じて「許容できない」と感じる場合があるということである。この間はほぼ20秒であるが、現在のブレーキシステムやブレーキ時の車両運動を考えた場合、この間の全てを被験者が許容できる状態に保つことは容易なことではない。
しかしながら、このような緊急ブレーキ作動時でも、ジャークを小さくできれば、全乗客が不快と感じる程の状況にはならないとする見方もできる。
【0011】
従って減速度及びジャークの適正レベルを考えるには、列車の乗客構成を勘案して、数式(a)、(b)から得られる数値の範囲内で適正値を決めてゆくということになる。
ラッシュアワー即ち通勤時では、立位の多いサラリーマンが乗客構成上多いので、数式(b)で得られる数値で適正レベルを検討することになる。
例えば10% 以内とするなら、図4の右図から減速度1.0m/sec2 、1.2m/sec2 、1.5m/sec2 に対応して、ジャークは2.0m/sec3 、1.0m/sec3 、0m/sec3 という値が読みとれる。しかしジャークが0m/sec3 ということはあり得ないので、残り2つの組み合わせのケースが減速度及びジャークの適正レベルである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
次いで本願発明が解決しようとする課題は、ヒューマンファクターを考慮した減速度及びジャークの適正レベルを具体的に実現するための、車速設定値を出力するところの車速指令値作成部を有する車両走行制御装置を提供することを目的とするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、搭乗者の乗り心地を含むヒューマンファクターを配慮した車速指令値作成部00を具備する車両走行制御装置であって、
車速指令値作成部00、時計装置01と目標停止距離演算装置02と初速データ演算装置03と車速指令値演算装置04と加算器05とブレーキ指令装置06とを含有し、
時計装置01は、計時し、ブレーキ開始指令信号を入力したときの時刻データtを出力し、
目標停止距離演算装置02は、時計装置01からの時刻データと停止位置情報記憶装置20からの目標停止位置データx車両位置検知装置30からの車両位置データx(t)とを入力して目標停止距離データx-x(t)を演算して出力し、
初速データ演算装置03は、時計装置01からの時刻データと車両速度検知装置40から車速データとを入力して、ブレーキ開始時刻に対応する初速データvを取り込んで出力し、
車速指令値演算装置04は、目標停止距離データと初速データとを入力して、数式(4)より最大加速度αmaxを、数式(5)より最大ジャークjmaxを、数式(6)より一定減速区間の開始時刻tを、数式7より一定減速区間の終了時刻tを算出して、これらの値に基づいて、数式(3)よりブレーキ速度指令値v(t)を算出して出力することを特徴とする車両走行制御装置である。
【0014】
【発明の実施の形態】
一般に加、減速度が大きくなると乗り心地は悪くなり、またジャークも当然乗り心地を悪化させる。
近年、ジャークの制御が可能となってきているので、停止時の減速パターンをより細かく制御することが期待され、同じ停止距離であっても、ヒューマンファクターを考慮した乗り心地の面から見て、最適の減速パターンを追究する研究が始められている。
現状のブレーキは、概ね、ブレーキのかけ始めから減速度が漸次増大し、そして定常減速度になり、次いで、最後に減少して停止するというパターンである。しかして、乗り心地の制御は、最大減速度と最大ジャークとを抑えようとするものである。
【0015】
しかしながらその減速度とジャークとの関係を一般的に定式化している従来技術はほとんどないので、停止する瞬間のジャークが許容減速度に与える影響を定量評価した先の評価式である数式(a)、(b)を採用するものとする。
先ず以下の条件を仮定する。
この数式(a)、(b)は式形としては同じなので、以下の数式(1)の如く、評価 Zとして代表することができる。
【数1】
JP0003965310B2_000002t.gifJP0003965310B2_000003t.gif従ってこの評価Zを最小とする減速曲線が最適の減速パターンであるということができる。
ここで、停止距離をx0(=定数)、ブレーキ開始位置での車両の初速度をv(0)=v0、(=定数)、加速度をα(0)=0とする。
【0016】
現状のブレーキは、概ね図5の減速パターンから見て、減速度がブレーキのかけ始めから漸次増大し、そして定常減速度に至り、次いで順次減少し最後に減速度0となり、停止するというものである。ジャークは減速度の時間変化に応じて発生し、停止直前に大きなものが発生している。
一般的に言えば、減速度は0から単調増加して最大減速度となり、そこから単調減少して0となる。ジャークは停止直前の値が大きいものであるということができる。
【0017】
即ちα0 は減速度がα(0)=0から順次増加して、定常減速状態になった直後の減速度、即ち最大減速度であり、j0 は停止直前に発生するジャークである。ジャークは通常、この値がブレーキ中の最大ジャークとして観測されることになる。
また減速度及びジャークはその大きさ(絶対値)が影響するものであって、その符号の差は無視できるものとする。
【0018】
しかしてこの数式(1)の評価Zを最小化することは、分母のexp部分を最大化することと同義である。
即ち最適の減速パターンの条件を数式(2)の如く書き直すことができる。
【数2】
JP0003965310B2_000004t.gifJP0003965310B2_000005t.gifこの数式(2)は、最大減速度αmax 及び最大ジャークjmax の両者が小さい方が乗り心地がよくなることを示している。
【0019】
ブレーキの乗り心地は、最大減速度と最大ジャークの線形結合で決定されるということである。即ち最大ジャークが特定の値をとるならば、最大減速度の小さい方が乗り心地がよく、逆に最大減速度が特定の値をとるなら、最大ジャークの小さい方が乗り心地が良くなるということである。よってこの両者の値が最小となるような減速パターンがあれば乗り心地的に最適なパターンといえる。
しかしながらこの両者は独立変数ではなく、どちらの値も最小となるような減速パターンの存在する場合はほとんどない。従ってこの数式(2)を満たす
最大減速度と最大ジャークの値を決定することが乗り心地に対する最大のポイントである。
【0020】
減速開始からのある時刻に特定の最大減速度を持つ減速パターンがあった場合に、その最大減速度に到達する際に生ずる最大ジャークを最も小さく抑えられるのは、減速開始時から一定のジャークで最大減速度に到達するパターンである。また一定の距離で停止する場合には、最大減速度をもってできるだけ長い距離を減速走行することが、最大減速度自体を小さく抑えることにつながる。
以上により最大減速度と最大ジャークとの関連を考慮した場合には、数式(2)を満たす減速度パターンは、少なくとも次のような、数式(3)の2次曲線-直線-2次曲線となるパターンでなければならない。その減速パターンを図3に示す。
【0021】
【数3】
JP0003965310B2_000006t.gifJP0003965310B2_000007t.gif【0022】
ここで、数式(3)について、数式(2)が最小となるようにαmax 、jmax を求めると、数式(4)、(5)を得る。
【数4】
JP0003965310B2_000008t.gifただしa、bは定数
JP0003965310B2_000009t.gif【数5】
JP0003965310B2_000010t.gifJP0003965310B2_000011t.gif【0023】
ここで減速パターンの最適化は、数式2に現れる係数の比 a/b に依存しており、より適切な係数を用いることが重要である。
この係数の比 a/b は、例えば、以下の如く実験により求めることができる。
直線運動をする台車に被験者を乗せ、最大減速度が0.74~1.62m/s2 、最大ジャークが0.65~1.44m/s3 の範囲内で21種類の組み合わせの減速パターンを用いてその乗り心地を5段階で評価させた。
減速パターンは言うまでもなく数式(3)の2次曲線-直線-2次曲線である。評価は1.非常に悪い、2.かなり悪い、3.悪い、4.やや悪い、5.問題ない、の5段階である。データは台車上で実測した加速度とその微分値から求めたジャークを使用した。
【0024】
この5段階評価の結果を、実測された最大減速度と最大ジャ-クで回帰してみると以下のとおりである。
被験者A :Z=6.64-1.99αmax -0.98jmax ・・(c)
被験者B :Z=8.40-2.36αmax -1.54jmax ・・(d)
ここで比 a/b をαmax とjmax の回帰係数の比で推定すると、比 a/b は被験者Aで2.0、被験者Bで3.6となる。
この値はなるべく多くの被験者のデータを収集する必要がある。
一方一定減速区間の開始時刻(t1)は、数式3のただし書きの如く、以下の数式(6)により算出することができる。
【数6】
JP0003965310B2_000012t.gifJP0003965310B2_000013t.gif【0025】
また一定減速区間の終了時刻(t2)は、同じく数式3のただし書きの如く、以下の数式(7)により算出することができる。
【数7】
JP0003965310B2_000014t.gifJP0003965310B2_000015t.gif【0026】
【実施例】
以下この車速指令値作成部を有する車両走行制御装置の実施例を説明する。
【図1】は、本願発明の車両走行制御装置の1実施例を示すシステムブロック図である。
10 は車両走行制御装置、00は車速指令値作成部、01は時計装置、02は目標停止距離演算装置、03は初速データ演算装置 、04は車速指令値演算装置、05は加算器、06はブレーキ指令装置、20は停止位置情報記憶装置、30は列車位置検知装置、40は車両速度検知装置、50はブレーキ駆動装置、60はブレーキ開始スイッチである。
【0027】
ここで、ブレーキを開始する場合、ブレーキ開始スイッチ60を作動させるものとする。
時計装置01は、計時し、かつそのブレーキ開始指令信号を入力して、そのときの時刻データt0を出力する。ここでブレーキ開始時刻はt=t0である。
目標停止距離演算装置02は、時計装置01からの時刻データと停止位置情報記憶装置20からの目標停止位置データxEと列車位置検知装置30からの列車位置データxi(t)とを入力して目標停止距離データxE-xi(t)を演算して出力する。ブレーキ開始時刻t=t0 での目標停止距離はx0 である。
【0028】
初速データ演算装置03は、時計装置01らの時刻データを入力するとともに、車両速度検知装置40からt=t0における車速データ、即ちブレーキ開始時の実測車両速度vi(t0)取り入れ、初速データv0として出力する。
【0029】
次いで車速指令値演算装置04は、図2におけるアルゴリズムによって、ブレーキ速度指令値を算出して出力するものである。
ここでは開始指令により、先ずステップS1で目標停止距離x0を読み込み、ステップS2で車両の初速データv0を読み込み、ステップS3により、数式4に基づいて、最大加速度αmax を算出し、ステップS4により、数式5に基づき、最大ジャークjmaxを算出し、ステップS5により、最大加速度と最大ジャークに基づき、一定減速区間の開始時刻t1を算出し、ステップS6により、車両の初速度と最大ジャークと一定減速区間の開始時刻とに基づいて、一定の減速区間の終了時刻t2を算出し、最後にステップS7により、数式3に基づいてブレーキ速度指令値v(t)を算出して出力する。
【0030】
更に加算器05において、ブレーキ速度指令値v(t)と車両速度検知装置40からの実測車両速度データvi(t)とを入力してその偏差をとり、ブレーキ指令装置06に入力して、速度の修正目標e(t)に対応したブレーキ指令速度として出力することができる。この値が許容値を超えれば再計算を指令することができる。
このようにすれば車両速度をより精密に制御することができる。しかしてその出力を効果器たるブレーキ駆動装置50に入力して作動せしめれば、列車そのものの速度を実際に制御できることとなる。
【0031】
【発明の効果】
以上により、車両走行制御装置において、ヒューマンファクターに配慮したブレーキ特性を実現することができる。
またヒューマンファクターとして、乗客等搭乗者の構成に応じて、ラッシュアワーとそれ以外等車両運行の時間帯に合わせて、それぞれの最適のブレーキ特性を実現することができる。
【0032】
更に緊急ブレーキ時においても、本願発明により、立位の乗客にはより安全であり、つり革や手すりを使用している乗客にとっては、これに加えて乗り心地的にも有利となる。また着席している乗客にとっては、更に安全で乗り心地的に有利であることはいうまでもない。しかして車中の乗客全体にとって安心感、安全感を醸成することにつながるものである。
ここでは例として鉄道車両について説明したが、減速に関するヒューマンファクターに配慮した点から見て鉄道車両にのみ限定される理由はなく、車両走行制御装置として、他の車両、例えば自動車、航空機、船舶等にも適用可能であることは明らかである。しかしながら搭乗者の乗車体勢、姿勢から見てラッシュアワー時を含む電車に適用して好都合なのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の車両走行制御装置のシステムブロック図である。
【図2】本願発明のブレーキ速度指令値を求める演算アルゴリズムである。
【図3】本願発明のヒューマンファクターを配慮したブレーキ指令速度であるところの車速パターンを示す。
【図4】減速度及びジャ-クとヒューマンファクターを配慮した評価の関係を示す。
【図5】評価試験で採用したブレーキの状態及びブレーキ開始時から停止までの推移を示す。
【符号の説明】
00 ・・・車速指令値作成部
01 ・・・時計装置
02 ・・・目標停止距離演算装置
03 ・・・初速データ演算装置
04 ・・・車速指令値演算装置
05 ・・・加算器
06 ・・・ブレーキ指令装置
10 ・・・車両走行制御装置
20 ・・・停止位置情報記憶装置
30 ・・・列車位置検知装置
40 ・・・車両速度検知装置
50 ・・・ブレーキ駆動装置
60 ・・・ブレーキ開始スイッチ
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4