(57)【要約】【課題】  回生エネルギーを車両間で直接的に融通できる機会を増やし、回生エネルギーの利用効率を向上させる。【解決手段】  第一の電動機を有する第一の車両と、第二の電動機を有する第二の車両とを有し、前記第一及び第二の電動機は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで車両を減速させ、発生した電気エネルギーを架線へ供給する回生ブレーキ機能を有する列車の列車制御システムにおいて、回生失効または基準電力量超過の情報に基づき、一編成の車両を前記第一の車両と前記第二の車両の二編成に分割する、または前記第一の車両と前記第二の車両の二編成であった列車を一編成に併合する指令を発信する列車制御システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電動機を有する第一の車両と、第二の電動機を有する第二の車両とを有し、
前記第一及び第二の電動機は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで車両を減速させ、発生した電気エネルギーを架線へ供給する回生ブレーキ機能を有する列車の列車制御システムにおいて、
回生失効または基準電力量超過の情報に基づき、一編成の車両を前記第一の車両と前記第二の車両の二編成に分割する、または前記第一の車両と前記第二の車両の二編成であった列車を一編成に併合する指令を発信する列車制御システム。
【請求項２】
前記回生失効の情報を記憶する回生失効記憶部または前記基準電力量超過の情報を計測する超過計測部を有する請求項１の列車制御システム。
【請求項３】
前記回生失効の回数、回生の機会を逸したエネルギー量、前記基準電力量超過の量、前記基準電力量超過の回数、の少なくとも一つが基準値よりも大きい場合に、一編成の車両を前記第一の車両と前記第二の二編成に分割する指令を発信する請求項１の列車制御システム。
【請求項４】
前記回生失効の回数、回生の機会を逸したエネルギー量、前記基準電力量超過の量、前記基準電力量超過の回数、の少なくとも一つが基準値よりも小さい場合に、前記第一の車両と前記第二の車両の二編成であった列車を一編成に併合する指令を発信する請求項１の列車制御システム。
【請求項５】
列車の車上システム上に、前記指令を受けて列車の分割または併合を制御する分割併合制御部を有する請求項１の列車制御システム。
【請求項６】
前記回生失効記憶部に回生失効情報を提供する回生失効検知部を有し、前記回生失効情報は回生の機会を逸したエネルギー量である請求項２の列車制御システム。
【請求項７】
列車に供給される電力量の時間推移を監視する供給電力量監視部を有し、前記超過計測部は前記供給電力量監視部が監視する電力量の時間推移が単位時間のうちに基準値を超えた回数を計測する請求項２の列車制御システム。
【請求項８】
第一の電動機を有する第一の車両と、第二の電動機を有する第二の車両とを有し、
前記第一及び第二の電動機は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで車両を減速させ、発生した電気エネルギーを架線へ供給する回生ブレーキ機能を有する列車の運転方法において、
回生失効または基準電力量超過の情報に基づき、一編成の車両を前記第一の車両と前記第二の二編成に分割する、または前記第一の車両と前記第二の車両の二編成であった列車を一編成に併合する列車の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回生ブレーキを利用する列車の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機で駆動する鉄道車両の走行に掛かるエネルギーを低減するため、電動機を使って運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで車両を減速させ、発生した電気エネルギーを他の車両が架線を介し受電して加速に再利用するしくみ（回生ブレーキ）が実用されている。
【０００３】
回生ブレーキには、発生した電気エネルギー（回生エネルギー）を再利用できる加速中の車両が在線していない限り利用できないという問題がある。
【０００４】
この問題への対策として、特許文献１の電気鉄道き電システムは、架線に設置した蓄電装置へ回生エネルギーを蓄え、車両が加速した際に蓄えたエネルギーを放電することで、加速中の車両の有無に関わらず回生ブレーキを利用できるようにしている。
【０００５】
また、特許文献２のき電システムは、加速中の車両が在線して回生エネルギーを利用可能な場合には車両間での電力融通を優先し、加速中の車両で消費しきれない回生エネルギーを蓄電池に充電することで、効率よく回生エネルギーを再利用できるようにしている。
【０００６】
特許文献１や特許文献２のき電システムの構成で、車両の加速に必要なエネルギーを変電所に加えて蓄電池からも同時に供給すれば、変電所から供給するエネルギーのピーク値を下げられる。これにより、変電所のピーク値の設計条件を緩和できたり、単位時間あたりのピーク値に従って課金されるようなエネルギー利用料契約のとき利用料を下げられたりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−６７２０５号公報
【特許文献２】特開２０１６−４９８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の方法では、蓄電池の充放電に伴うエネルギーロスの分、回生エネルギーの利用効率が落ちる。
【０００９】
特許文献２に記載の方法では、回生エネルギーを車両間で直接的に融通できる場合には、蓄電池の充放電に伴うエネルギーロスを最小限に抑えられるものの、回生エネルギーを車両間で直接的に融通できない場合にはやはり、蓄電池の充放電に伴うエネルギーロスの分、回生エネルギーの利用効率が落ちる。
【００１０】
また、特許文献１や特許文献２に記載の方法では、蓄電池に放電できるだけのエネルギーが貯えられ、加速中の車両へ放電可能な条件が整っているとき（例えば蓄電池が高温になり過ぎていないとき）にしか、変電所から供給するエネルギーのピーク値を下げる効果を発揮できない。
【００１１】
これらの問題を踏まえ、回生エネルギーを車両間で直接的に融通できる機会を増やし、回生エネルギーの利用効率を向上させることが、本発明の解決しようとする課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
【００１３】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、第一の電動機を有する第一の車両と、第二の電動機を有する第二の車両とを有し、前記第一及び第二の電動機は、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで車両を減速させ、発生した電気エネルギーを架線へ供給する回生ブレーキ機能を有する列車の列車制御システムにおいて、回生失効または基準電力量超過の情報に基づき、一編成の車両を前記第一の車両と前記第二の車両の二編成に分割する、または前記第一の車両と前記第二の車両の二編成であった列車を一編成に併合する指令を発信するように構成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、回生エネルギーを車両間で直接的に融通できる機会が増え、回生エネルギーの利用効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における列車制御システムの構成を示す図
【図２】実施例１における回生失効が検知される場合の一例を示す図
【図３】実施例１における回生失効が検知されない場合の一例を示す図
【図４】実施例１における分割併合判定部の状態遷移を示す図
【図５】実施例１における分割判定モードの処理の手順を示すフローチャート
【図６】実施例１における併合判定モードの処理の手順を示すフローチャート
【図７】実施例１における分割指令出力後の列車の状態を示す図
【図８】実施例２における列車制御システムの構成を示す図
【図９】実施例２で変電所供給電力量のピークが基準値を超える場合の一例を示す図
【図１０】実施例２で変電所供給電力量のピークが基準値を超えない場合の一例を示す図
【図１１】実施例２における分割指令出力後の列車の状態と変電所供給電力量の推移を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明の一実施形態である列車制御システムの構成を図１に示す。
本実施例では、架線から給電され電動機で駆動する列車１０１と列車１０２が、互いに架線を介して回生電力の融通が可能な同一の変電所区間に在線し、走行しているものとする。列車１０１と列車１０２が加減速をする時刻は、運行計画などで特定の時刻に縛られてはおらず、十分にばらついているものとする。ここで、列車１０１と列車１０２の間の距離は、十分な大きさを保つように信号システムで担保されているものとし、以降、本実施例を通じて、列車同士の衝突のような事象は考えない。
【００１８】
列車１０１と列車１０２が加減速をする時刻が十分にばらついていると前提を置いた理由は、本実施例が、複数の列車の運転操作（加速や減速）の組み合わせの確率的な分布を利用するものであり、そのような前提の下で最も良く効果を発揮するからである。もし、列車の位置と運転操作が予め計画したダイヤに従っていつも決まっているのならば、本実施例はダイヤに対して実際の運転が揺らぐ範囲（運行乱れや運転操作タイミングのずれ）で効果を発揮するが、その場合の効果は上記の前提の時よりも小さい。
【００１９】
確率的な分布を利用するというのは、図２に表されるような列車２編成（１０１、１０２）が在線している場合よりも、この２編成をそれぞれ２つに分割し、図７に表されるような列車４編成（１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂ）とした方が、ある列車が回生ブレーキを掛けようとしたときに、負荷車となる別の加速中の列車がいる確率が高いということである。これにより、結果的に、負荷車がおらず回生ブレーキを掛けられないことが減り、列車群全体のエネルギーの利用効率が上がる。これが、本実施例が効果を発揮する原理である。
【００２０】
列車１０１と列車１０２はそれぞれ、２両の車両を連結して成る。各車両が駆動系を搭載しており自走可能であるが、連結して列車を編成しているとき、各車両の運転操作は一貫しているものとする。つまり、片方が加速してもう片方が減速するということはなく、加速か減速かの運転操作は列車１０１として決まり、各車両の駆動系の動作はそれに協調する。
【００２１】
ここで、列車１０１と列車１０２を２両編成としたのは、本発明の実施を２両編成の場合に限る意図ではない。複数両で編成され、それぞれ駆動系を搭載して自走可能な複数の列車に分割できれば、本発明は同様に実施できる。
【００２２】
尚、列車１０１や列車１０２を構成する車両が自動列車運転装置を備え、ドライバレスで自走可能であれば、列車を分割後に車両の数だけ運転士を増員する手間やコストを省くことができる。
【００２３】
以下、列車１０１が搭載する車上システム１１３の構成を説明する。列車１０２も同様の車上システムを搭載するが、その説明は省略する。
【００２４】
車上システム１１３は、回生ブレーキシステム１０３、回生失効検知部１０４、車上送信部１０５、車上受信部１０６、分割併合制御部１０７で成る。
【００２５】
回生ブレーキシステム１０３は、列車１０１を回生ブレーキによって減速させるシステムである。このシステムは、今日、多数実用されているものである。すなわち、電動機とそれを制御する変換機で構成され、電動機を発電機として動作させることで列車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して、架線を介して他の車両に融通できるようにしたものである。融通先となる負荷車両が不在のときは、そのことを架線電圧の上昇等で検知して回生ブレーキの適用を諦め（回生失効）、空気ブレーキなどの代替手段で必要な減速力を確保できるようにする。例えば図２のようなとき、すなわち時刻Ａ付近で列車１０１も列車１０２も減速するようなときは、時刻Ａ付近で回生失効となる。図３のようなとき、すなわち時刻Ｂ付近で列車１０１は減速し列車１０２は加速するようなときは、時刻Ｂ付近で電気エネルギーを列車１０２に融通できるため、回生失効にはならない。
【００２６】
回生失効検知部１０４は、回生ブレーキシステム１１３が前述のように回生失効した場合にその情報を検知する。単に回生失効した回数を検知するのでも良いし、回生の機会を逸したエネルギー量を検知するのでも良い。前者に比べて後者の場合、後述の分割併合判定部１１０で、エネルギー量に基づいたよりきめ細かい判定が可能になる。
【００２７】
車上送信部１０５は、回生失効検知部１０４で検知した回生失効の情報を地上システム１１４へ送信する。媒体は何でも良く、例えば無線が利用できる。
【００２８】
車上受信部１０６は、地上システム１１４から後述の分割指令または併合指令を受信するもので、ここでも媒体は何でも良い。
【００２９】
分割併合制御部１０７は、車上受信部１０６から分割指令を受けたとき列車１０１を構成する２つの車両の連結を開放してそれぞれ自走できるようにし、また、車上受信部１０６から併合指令を受けたとき、２つの車両を連結して列車１０１を編成する。
【００３０】
続いて以下では、地上システム１１４について説明する。地上システム１１４は、地上受信部１０８、回生失効記憶部１０９、分割併合判定部１１０、地上送信部１１２で成る。
【００３１】
地上受信部１０８は、前述の回生失効検知部１０４で検知した回生失効の情報を、車上システム１１３から受信する。
【００３２】
回生失効記憶部１０９は、地上受信部１０８で受信した回生失効の情報を、単位時間あたりの情報として取り出せる形で記録する。すなわち、回生失効の回数の頻度、あるいは回生の機会を逸したエネルギー量の変化が分かる形で回生失効の情報を保持する。例えば、回生失効の回数や回生の機会を逸したエネルギー量を時刻と関連付けて記憶しておけば、単位時間あたりへの換算は容易である。単位時間の長さは、例えばおよその運転時隔が１０分のときは３時間など、回生失効のサンプル数が十分にとれる程度であれば良い。
【００３３】
分割併合判定部１１０は、回生失効記憶部１０９の保持する前述の情報を用い、列車を分割または併合させるかどうかを判定し、それぞれ判定結果に応じて分割指令または併合指令を出力する。この判定方法について図４、図５、図６を用いて詳しく説明する。
【００３４】
図４は、分割併合判定部１１０の状態遷移を表している。初期状態は分割判定モード４０１であり、ここでは列車を分割させるかどうかを判定する。分割させるとき、分割指令を出力し、併合判定モード４０２に遷移する。併合判定モード４０２では、列車を併合させるかどうかを判定し、併合させるとき、併合指令を出力して分割判定モード４０１に遷移する。この状態遷移によると、分割指令と併合指令を同時に出力することが無い。
【００３５】
図５は分割判定モード４０１における処理のフローチャートである。分割判定モード４０１はこの処理フローを周期的に行なう。周期は前述の単位時間の長さに合わせ、単位時間が３時間のときは例えば１時間周期で十分である。
【００３６】
まず、処理５０１で回生失効記憶部１０９から単位時間あたりの回生失効の情報を読み出す。この情報は、前述の通り、回生失効の発生頻度やエネルギー量の変化を表すものである。次に、処理５０２で予め定めた基準値よりも、回生失効の発生頻度やエネルギー量の変化が大きいかどうかを判定する。大きいときは、処理５０３へ移行し、分割指令を出力した上で併合判定モード４０２へ遷移して、処理フローを終える。小さいときは、そのまま処理フローを終える。
【００３７】
ここで、処理５０２で用いた基準値は、許容する消費エネルギーの観点から決めれば良い。例えば、おおよその運転時隔から考えて３時間で回生ブレーキの機会が２０回あり、列車の走行に掛かる総消費エネルギーの設計上、そのうち少なくとも半分は回生失効無くエネルギーを再利用したい場合、１０回を基準値とすれば良い。
【００３８】
図６は併合判定モード４０２における処理のフローチャートである。併合判定モード４０２はこの処理フローを周期的に行なう。前述の分割判定モード４０１と同様、周期は前述の単位時間の長さに合わせ、単位時間が３時間のときは例えば１時間周期で十分である。
まず、処理６０１で回生失効記憶部１０９から単位時間あたりの回生失効の情報を読み出す。この情報は、前述の通り、回生失効の発生頻度やエネルギー量の変化を表すものである。次に、処理６０２で予め定めた基準値よりも、回生失効の発生頻度やエネルギー量の変化が小さいかどうかを判定する。小さいときは、処理６０３へ移行し、併合指令を出力した上で分割判定モード４０１へ遷移して、処理フローを終える。大きいときは、そのまま処理フローを終える。
【００３９】
ここで、処理６０２で用いた基準値は、省エネルギーと列車運行の省力化とのトレードオフを考慮して決めた値である。一般に、列車の数を増やすほど、運転時隔が詰まり、運行管理や保安制御に掛かる手間やコストが増大する。このため、列車運行の省力化よりも省エネルギーに重点を置く場合ほど基準値を小さく設定するのが良く、例えば５回と決めることができる。この基準値を処理５０２の基準値（前述では１０回と例示）よりも小さく設定しておけば、併合判定モード４０２と分割判定モード４０１との間で状態遷移が頻繁に繰り返されるのを防止できる。
【００４０】
以上に記した本発明の実施形態によれば、回生失効の発生頻度が多いとき、列車の編成を分割して列車数を増やすことで回生融通が可能な機会を増やし、回生エネルギーの利用効率を向上できる。また、回生失効の発生頻度が十分に小さいときは、列車の編成を併合して列車数を増やし、回生エネルギーの利用効率を十分な大きさに保ちながら輸送力を増加できる。
【００４１】
尚、回生失効記憶部１０９は列車１０１、１０２両方の回生失効の情報を集め、合計で回生失効の発生頻度やエネルギー量の変化を算出できるようにしても良い。この方が、回生融通が可能な同じ変電所区間における列車群としての振る舞いをより良く分割・併合の判断に反映でき、結果として、本実施例の効果をより良く発揮できる。
【実施例２】
【００４２】
本発明の一実施形態であり、実施例１とは異なる実施形態における列車制御システムの構成を図８に示す。
【００４３】
本実施例において、列車８０１と列車８０２には、それぞれ実施例１の列車１０１、列車１０２と同様の前提を置く。但し、回生ブレーキが可能であることは本実施例の必須要件ではないので、前提から除いても良い。
【００４４】
図８の他の構成要素を説明する前に、本実施例の構成が発揮する効果とその原理を図９、図１０、図１１を用いて説明しておく。
【００４５】
図９は、実施例１における図２と同様、列車８０１、列車８０２の加減速タイミングの一例を示しており、加えて、本実施例で注目する変電所供給電力量の時系列を併記したものである。ここで、変電所供給電力量の基準ピーク値3Eは、電力利用料の契約上、超過すると余計に料金の掛かる基準値である。単位時間（例えば１時間）の間に電力利用料が3Eを超えることがあると、その単位時間の電力利用料のベースが高く設定される。
【００４６】
一般に、列車が高速で走行する程、同じだけ加速するのに必要なパワーが増大し、変電所供給電力量（パワーの積分値）が大きくなる。このため、列車あたりで見ると、加速し切った瞬間に変電所供給電力量がピーク値（本実施例では1両あたりE）をとる。いま、列車８０１、列車８０２の両方が同時に加速する時刻Cに注目すると、変電所供給電力量のピーク値は２列車分の重ね合わせで4Eまで増大し、基準値3Eを超える。したがって、このような同時加速が単位時間内に起こることは、電力利用料の観点から望ましくない。
【００４７】
図１０もまた、列車８０１、列車８０２の加減速タイミングの一例を示しているが、列車８０１と列車８０２の加速のタイミングが互いに重ならない点が図９と異なる。時刻Ｄに列車８０１が、時刻Ｅに列車８０２が加速したときの変電所供給電力量のピーク値は高々2Eであり、基準値3Eを超えない。
【００４８】
図１１は、列車８０１、列車８０２をそれぞれ２分割し、８０１Ａ、８０１Ｂ、８０２Ａ、８０２Ｂの都合４列車で走行する場合の加減速タイミングの一例を示している。それぞれの列車が時刻Ｆ、時刻Ｇ、時刻Ｈ、時刻Ｉに互いにタイミングが重なることなく加速している。このとき変電所供給電力量のピーク値は、列車長に比例して下がり、高々Eである。
【００４９】
図１１のような場合にピーク値が3Eを超えるには、少なくとも3列車分の加速タイミングが偶然重なる必要があり、この確率は、図９や図１０のように2列車しか無い状況で、それらの加速タイミングが重なる確率よりも小さいと言える。すなわち、車両数は同じでも、図１１のように短い列車が多く在線するときの方が、変電所供給電力量のピーク値が期待値として平準化され、基準値を超えることが少ないと期待でき、電力利用料を抑え易い。これが、本実施例の構成がもたらす効果とその原理である。
【００５０】
図８に戻って本実施例の構成要素を説明する。
【００５１】
車上システム８１３は、車上受信部８０６と分割併合制御部８０７で成る。これらはそれぞれ実施例１における車上システム１１３、車上受信部１０６、分割併合制御部１０７と同様のものである。
【００５２】
地上システム８１４は、電力供給量監視部８１５、地上受信部８０８、ピーク超過計測部８０９、分割併合判定部８１０、地上送信部８１２で成る。
【００５３】
供給電力量監視部８１５は、図示していない変電所から列車８０１、列車８０２に供給する電力量の時間推移を監視する。監視の手段は特に限定せず、例えば変電所が通常備える手段で良い。または、列車８０１、列車８０２のそれぞれが利用した電力量を計測する手段を車載し、その計測値を通信で収集して合計する手段でも良い。後者の手段は、変電所に直接計測装置を取り付けられない場合や、変電所の情報を直接は取得できない場合に便利である。
ピーク超過計測部８０９は、供給電力量監視部８１５で監視した電力量の時間推移が単位時間のうちに予め定めた基準値を越えた回数を計測する。ここで、単位時間や基準値は、図９の説明で前述した考え方で、例えば１時間のうちに電力利用料の計算上定められた上限値3Eを超える回数、と設定できる。
【００５４】
分割併合判定部８１０は、実施例１の分割併合判定部１１０と同様のもので、但し入力が回生失効の回数ではなくピーク超過計測部８０９で計測したピーク超過の回数である点が異なる。ピーク超過の回数がある上限回数を超えたときに分割指令を出力し、ピーク超過の回数がある下限回数を下回ったときに併合指令を出力するように処理をする。上限回数、下限回数は、実施例１で消費エネルギーと列車運行の省力化とのトレードオフを考慮して定めたのと同じように、電力利用料と列車運行の省力化とのトレードオフを考慮して定められる。
【００５５】
以上に記した本発明の第２の実施形態によれば、変電所供給電力量のピーク値が頻繁に大きくなるとき、列車の編成を分割して列車数を増やすことでピーク値の期待値を平準化し、ピーク値が基準値を超えて電力利用料が高くなるのを抑えられる。また、変電所供給電力量のピーク値が基準値を超過する頻度が十分に小さいときは、列車の編成を併合して列車数を増やし、ピーク値を十分小さく保ちながら輸送力を増加できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１、１０２、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂ、８０１、８０２、８０１Ａ、８０１Ｂ、８０２Ａ、８０２Ｂ            列車
１０３            回生ブレーキシステム
１０４            回生失効検知部
１０５            車上送信部
１０６、８０６        車上受信部
１０７、８０７        分割併合制御部
１０８            地上受信部
１０９            回生失効記憶部
１１０、８１０        分割併合判定部
１１２、８１２        地上送信部
１１３、８１３        車上システム
１１４、８１４        地上システム
４０１            分割判定モード
４０２            併合判定モード
５０１、５０２、５０３、６０１、６０２、６０３    処理
８１５            供給電力量監視部
８１６            ピーク超過計測部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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