(57)【要約】【課題】  これまで一部の鉄道車両の研究者や技術者が実験室でしか使われていなかった車両の走行特性解析システムを、本質を保ちつつ簡易化し、かつ操作しやすい、理解しやすいインターラクティブなシステムとして実現し、広く鉄道事業者の現場で日常的に使えるように手近なユービキタスシステムとして実現する必要がある。【解決手段】  副次的なパラメータを除外し、少ない本質的なパラメータにより、車体を３剛体モデルにより記述し，非線形ばね特性を含む循環連立式を、循環式計算と、繰り返し収斂計算により、解くことにより限界速度を求め、それを元に、与えた速度パタンに対してカーブにおける走行の過程を追跡して、挙動を両輪走行モード、片輪走行モード、横転モードをとして動的に記述し、脱線にいたる経過を求め、図示する。このシステムを誰でもいつでもどこでも用意に使えるユービキタスシステムとして，Ｅｘｃｅｌ上で実現する。【選択図】図１
2009080089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の曲線部での高速走行の解析において、車両を２ばね連結３剛体モデルにより簡潔に構成し、非線形特性の空気ばねを含む系の運動を線形近似することなく、循環計算と探索的方法により収斂的に解くことを特徴とする静的限界速度計算システムと、それを元に時間的に拡張して、種々の運転速度パタンに対して緩和部から曲線部に至る走行を動的に追跡し、非脱線両輪走行、片輪走行、脱線の走行モードを解析する動的シミュレータを構成要素とする鉄道車両走行解析システム。
【請求項２】
請求項目１において、現場において簡便に使える様に、パソコンのＥｘｃｅｌのみにより実現したシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、鉄道車両の曲線部に於ける走行において、車両の走行挙動を静的に解析して脱線の限界速度を求めるとともに、また動的にシミュレートして、速度超過による脱線の過程を追跡し、速度限界を解析することにより、適切な施設計画、運転計画の立案と運転者の訓練や意識向上を行い、安全運転を可能とするシミュレータを、手近なユービキタスなシステムとして、鉄道現場に広く提供するものである。【０００２】システム構成は、登録した種々の車両のパラメータと線路条件、乗客挙動を設定し、それに対して、副次的な特性は省略し、顕著な特性を保存した車両２次元断面に関する２ばね結合３剛体モデルを構成し、その運動方程式を循環計算機構を利用して、非線形特性を含めて汎関数的に探索的に解くことにより、乗客の挙動、各種車パラメータ、線路パラメータと脱線限界速度の関係を静的特性として求める。さらに、その結果を元に、種々の運転速度パタンに対してカーブの走行における車両運動を動的に追跡し、脱線または非脱線の限界に付近おける車両の挙動を解析し、結果を可視的に表示する動的シミュレータを構成する。
【背景技術】
【０００３】曲線部の高速運転における安全性確保のために、脱線機構の解析は鉄道の基本課題で、これまでも多くの解析が行われてきた。しかし、それらは、複雑なモデルと計算を行う為に、大型の計算機と、専用のソフトウェアを必要とし、高価であり、特定の車両関係研究者や設計開発者が専門的知識の下に実験室手段として使うものでしかなかった。また、限界速度の目安の算出に関しては古くから簡略化した公式（国枝の式）が使われる場合もあるが、空気ばねが多用される様に成り、近似の精度が問題となる。【０００４】このため、車両の挙動解析は一般の人にとっては実体感に乏しく、これらのシステムは事故後の解析にしか用いられず、日常の現場では車両の走行挙動の系統的な分析や把握はあまり関心がもたれていない。平成５年以降の特許を調査しても、従来の鉄道車両走行に関するシミュレータソフトには、本発明のように車両の走行過程の挙動の解析問題に本格的に取り組んだソフトウェアシステムは見当たらない。なお、本発明の成果は［非特許文献１］により、公表される予定である。【０００５】複雑な車両のゆれを線路の振動との関係において精密に解析したシステムが開発されているが、（例えば、［非特許文献２］参照。）走行過程を動的にシミュレートするものではない。また、鉄道事故調査委員会報告書（［非特許文献３］参照。）は、対象とする事故に関しての解析結果を記載しているが、解析システムについては殆ど触れられていない。（なお、航空鉄道事故調査委員会報告書に記載の車両パラメータと事故分析結果を本発明のシステムに設定して、同じ結果を得ており、本発明の方式の妥当性を検証するとともに、航空鉄道事故調査委員会報告書は述べていない新しい知見を見出し、本発明のソフトの有効性を確認した。）
【非特許文献１】堂下修司、プログラミングツールとしてのＥｘｃｅｌに関する論理的考察とＥｘｃｅｌによる非線形力学系の動的過程のシミュレーション＝福知山線列車脱線事故の走行過程の動的シミュレーションへの適用＝Ｅｘｃｅｌ  ａｓ  ａ  Ｐｒｏｇｒａｍｉｎｎｇ  Ｔｏｏｌ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｄｙｎａｍｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，情報処理学会関西支部大会，２００７年１０月２９日（予定）
【非特許文献２】宮本・石田・松尾（鉄道総合技術研究所）地震時の鉄道車両の挙動解析，機械学会論文誌，６４−６２６−Ｃ（１９９８）
【非特許文献３】航空・鉄道事故調査委員会，福知山線列車脱線事故報告書，２００７年６月２８日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】このような状況を解決する為には、解析システムを鉄道事業者の現場に持ち込むことが必要である。
このためには、ある程度の誤差は含むものの、本質を保ちつつ、日常的に使えるように、適格に簡易化して、わかりやすいシステムとして構成し、誰でも扱えるインターフエースと理解しやすい結果の表示が必須である。また、総てのウィンドウパソコンに含まれており、特別のハードエアやソフトウェアの追加は必要がないＥｘｃｅｌでの実現が望まれる。このように本発明のシステムの目的は、いつでも、どこでも、誰でも、手軽にと言うユービキタスコンピュータの概念を実現したシステムとして鉄道の現場に提供することが目標である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】この課題を解決するために、本発明のシミュレーションシステムは、ある程度の誤差は含むが、本質を保ちつつ、車体モデルを、車体（乗客）−空気ばね（非線形）−台枠−軸ばね−車輪  により簡易化し、外側のレールを基軸とした車輪傾角γ、台枠偏角λ、車体偏角βにより、少ない特性パラメータで記述することにより車両の挙動解析に実体感を持たせ、かつＥｘｃｅｌの循環計算法と探索的収斂法により、非線形性、循環式、を含む連立式の解を求める高度の計算を簡便にプログラムし、精度の良い計算を実現している。【０００５】本発明のシステムは、さらに、ＥｘｃｅｌのＷＹＳＩＷＹＧ（Ｗｈａｔ  Ｙｏｕ  Ｓｅｅ  Ｉｓ  Ｗｈａｔ  Ｙｏｕ  Ｇｅｔ）特性を利用すること、パラメータ設定−即実行−即表示を行ない、インターラクティブに設定−結果表示を行うことにより設定パラメータと結果との相関関係を直感的に把握しやすくする。それにより車両の挙動の把握を鉄道事業者の日常の業務に組み込む事を可能とし、事故を起す前に挙動を把握し、車両の走行挙動の系統的な分析を日常の現場で関心をもたせるものである。
【発明の効果】
【０００８】一部の鉄道車両の専門家しか使えなかった走行解析システムが、静的な限界速度とともに、より実際に近い動的特性も含めて直感的に把握でき、かつユーザが自分でパラメータを設定して即実行し、新結果を即時表示することにより、因果関係を理解し、広く専門家以外にも普及させることができ、安全確保に有効である。また、パソコン上に実現することにより、鉄道事業者が容易に導入し、利用できる環境を整えられる。これにより、適切なＡＴＳの導入等がより適切に進むことも期待できる。また、鉄道ファン等一般の人でも車両パラメータさへ入手すれば、容易に車両の基本的な挙動をチェックできる。
【産業上の利用分野】
【０００９】鉄道事業者の現場に導入し、日常の設備計画、運転計画、運転業務等に気軽に利用することにより、事故後の解析ではなく、事故の防止に役立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】最良の形態はＥｘｃｅｌによるインプリメントである。すなわち、本発明での計算法の特徴である、循環計算は、非線形関数を含めて循環的に定義される一連の連立関数を、関係述語ないしは汎関数的に処理して解を求めるもので、目的毎に関数を再コーディングすることなく、多用な目的に対して解を求められる。これはＥｘｃｅｌではシステムの持つ固有の循環計算により容易に実現できる。通常のコマンド型プログラミングシステムでも作成可能であるが、かなりの手間を要する。また、Ｅｘｃｅｌは、データが２次元セル配列により一覧的に見れ、セル間の比較も容易で、しかもある数式・関数や値の変更によりそれが影響している総てのセルの再計算がインタプリターによって自動的に実行され、新結果が即時表示され、さらにグラフ機能も持っているため、別のツールも必要がない。このため、インタラクティブなヒューマンインターフエースが優れて居り、本発明のシステムのように、試行錯誤しつつ最適なパラメータや条件を探るプロトタイピング的な使用目的には、Ｅｘｃｅｌでの走行解析システムの実現のメリット大きい。かつシステムの安定性、普及度、価格の点からも実用上Ｅｘｃｅｌが適している。
【実施例】
【００１１】  本発明の方式を、ウインドウズパソコンのＥｘｃｅｌで実現した実施例のブロック図を［図１］に示す。プログラムサイズは約６ＭＢで、静特性計算は即時であるが、動特性計算では、収斂に数秒の時間が掛かる。動特性の計算ピッチは０．２５〜０．５メートル程度である。実行は、パラメータ設定−再計算実行−新結果−表示−確認がインターラクティーブに行われる。【００１２】図１において、ブロック１ａは、パラメータパタンの設定部で、任意の常識的な値を設定でき、それをデータベースとして保管し、既存データをブロック１ｂで選択できる。設定するパラメータは、
（ａ）車両に関しては、車体、台枠、車輪の３剛体要素の、縦寸法、重心位置、質量、車体幅。
ばねに関しては、ばね定数および減衰定数で、軸ばねは線形コイルばね（フックの法則）であるが、空気ばねは、ボイルーシャルルの断熱変化による伸び−縮みが非対称の非線形ばねとして、線形近似しないで、そのままシミュレーションを行うことができる。
（ｂ）線路に関しては、軌条幅、緩和部のカントと曲率の増加特性、定常的曲線部のカント量と曲率（曲線半径）である。線路のたわみも考慮できる。
（ｃ）乗客に対しては、人数、体重、重心高さ、遠心加速度よる重心移動量等である。【００１３】ブロック２は、静的特性計算部で、パラメータを与えると、自動的に限界速度が再計算される。なお、全車両重心高については、理論値と実用値（理論値の１．２５倍）を選択できる。測定の一例として、限界速度付近における、内輪の荷重、各回転角の変化を知ることが出来る。ブロック３は、限界速度等の静特性解析の結果の表示部である。【００１４】ブロック５は、動特性シミュレータ部である。原則として、静特性と同じパラメータ値を用いる。但し、カーブに突入する初期速度とブレーキ減速走行速度パタンは別途ブロック４に設定する。走行の挙動は、車両の回転角の変化として百数十メートルにわたって追跡し、走行モードを判定するとともに、ブロック６ａで、時間変化をグラフで表示し、さらにブロック６ｂ  において、車両姿勢の変化を動画として描画し、可視的にモニターする。【００１５】車両の運動に関する説明：回転力、角はいずれも外側レールを回転の基点とし、外向き傾斜方向を回転軸の正方向とする。従って、復元方向は、負の回転軸と為る。
κ：軌道に設定されているカント（左右高低差）による角
γ：車輪の水平面に対する傾角
β：車体−台枠間偏角，λ：台枠−車輪間偏角
走行速度ｖ，限界速度：Ｖｏ
全体車両回転モーメントφ【００１６】動特性は、走行速度、遠心加速度によって、３つのモードに区分される。
限界速度Ｖｏは、全車体系に対する全回転モメントφの向きによって、
（ａ）両輪走行モード（非脱線）：ｖ＜Ｖｏ、φ＜０、γ＜＝κ（κ＜０）で内輪接触。
両車輪固定の境界条件による拘束運動
（ｂ）持続的片輪走行、（臨界走行）：ｖ＝Ｖｏ，φ＝０  γ＝κ
（ｃ）片輪走行−横転（脱線）：ｖ＞Ｖｏ、φ＞０、γ＞κ（κ＜０）で内輪遊離。
外側車輪による一点支持の自由回転運動。
なお、曲線部途中での減速により、状態（ｃ）から（ｂ）、さらに（ａ）復元することもありうる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】曲線部における鉄道車両の走行状態の解析システムにおいて、車両の特性の本質を失うことなく、本質部分のみを特性化により簡易化することにより、静的特性解析と走行過程の動的シミュレーションを関連させて一体的に行い、誰でも、いつでも、どこででも鉄道の現場において簡便につかえる様にパソコンのＥｘｃｅｌのみにより実現するものである。これにより鉄道事業における安全運行、安全運転の向上に大きく資する。【００１８】［図２］に静特性解析による限界速度と乗客の挙動との関係をグラフに示す。この例では、重心の算定が理論値の場合と、実効重心高を理論値の１．２５倍に設定し、実際の動作状態を反映させた設定に対する場合とが示されている。【００１９】［図３］に、鉄道事故調査委員会による福知山線事故の速度解析に基づく、事故車両の走行、ブレーキパタンをモデル化した入力速度パタンを示す。この例では、１１６ｋｍ／時でカーブ（緩和部）に突入し、直後にブレーキを掛けている。［図４］はそれに対する車両の回転角の動的特性、同じく［図５］はその時の車輪の傾角で、この速度パタンでは脱線に至ることが示されている。また、これよりも１秒早くブレーキを掛け始めていれば、脱線には至らなかったという新たなシミュレーション結果も得られている。これにより、本発明のシミュレータが、現実の問題に対して有効性を保持していることが示されたと云える。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例システムのブロック図
【図２】静特性による限界速度と乗客挙動との関係のグラフ
【図３】福知山線列車脱線事故の当該列車のカーブ運転速度のモデル化パタン
【図４】図３の速度パタンに対する車両回転角の動特性（脱線の例）
【図５】図３の速度パタンに対する車輪傾角の動特性（脱線の例）
【符号の説明】
【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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