JP6983802B2 - 鉄道車両の進行速度の算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の全ての車軸がレールへの粘着特性の悪化によりスリップ段階にある場合の、車両の進行速度の計算を向上させる処理に関する。

鉄道車両の進行速度を最も正確に知ることは、例えば、アンチスキッドシステム等の駆動制御システムや車両に搭載された走行距離計の基準にとって特に重要である。

鉄道車両の速度を正確に求める方法として、駆動トルクや制動トルクが掛かっていない「死」軸を保持する方法が知られており、この「死」軸の速度を計測することによって、上記車両の実際の速度を最もよく再現することができる。この解決策は、車輪とレールとの間の粘着特性が著しく低い場合、つまり、力行時又は制動時に全ての車輪がスリップ状態になり、車両の実際の速度に関する正確な情報を提供できる状態ではない場合に特に有効である。この場合、駆動トルクや制動トルクが掛かっていない「死」軸は、車両速度の信頼できる指標であり続け得るであろう。

現代の鉄道車両の構造は、特に地下鉄用車両の場合、極めて限られた構成を有する傾向があり、例えば、２つの客車のみで構成される。このような場合、「死」軸を保持すると、列車の牽引能力及び制動能力を著しく損なうことになりかねない。

添付図面の図９Ａは２台の独立した車両の構成を示し、図９Ｂは連接台車を介して２台の車両が固定された構成を示す。「死」軸を使用することによって、牽引能力及び制動能力が最初の事例では１２．５％、２つ目の事例では１６．７％減少することが明らかである。

イタリア特許出願第１０２０１５００００８６４６５号

B.Widrow, S.D.Stearns,"Adaptive Signal Processing", New Jersey, Prentice-Hall,Inc.,1985

従って、本発明の目的は、特に粘着特性が低い場合でも、「死」軸の使用による損失を力行及び制動のために十分に埋め合わせができる新しい方法を提案することである。これにより、列車の牽引能力及び制動能力が増加すると共に、上記車軸が列車の速度に正確に追従することができ、進行速度の正確な評価が可能となる。

本発明の説明は、アンチスリップシステムによって実施される制動の特定の場合について言及する。しかし、当業者であれば、個別のシステムによって本発明を実施する方法を容易に推論することができるであろう。また，当業者は、力行の場合に関連して、本出願の後続の請求項が言及する二重の適用を推論できるであろう。

上に示した目的は、添付の請求項１において顕著な特徴が定義されている方法を用いた発明によって実現される。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面を参照して純粋に非限定の例によって提供される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

鉄道車両の車輪のアンチスキッド制御システムのブロックダイアグラムである。 車軸の回転速度の閉ループ制御システムのブロックダイアグラムである。 ｘ軸上に示すスリップδの関数として、車軸の車輪の粘着係数μの傾向をｙ軸に定量的に示すグラフである。 車軸の車輪に印加された力を示す図である。 本発明が言及する制御基準を詳細に示すために使用されるグラフである。 本発明が言及する制御基準を詳細に示すために使用されるグラフであり、図５Ａのグラフの一部を拡大して示すグラフである。 本発明に係る方法を実施するためのシステムに関するブロックダイアグラムである。 本発明に係る方法を実施するための別のシステムに関するブロックダイアグラムである。 本発明に係る方法を実施するための更に別のシステムに関するブロックダイアグラムである。 ２台の独立した車両による列車を示す図である。 連接台車によって２台の車両を結合した列車を示す図である。

最新の鉄道車両のほとんどには電子システムが搭載されているが、一般にこれら電子システムには、車両が力行段階であるとき及び制動段階であるときの両方において介入するように意図された車輪スライド制御サブシステムが含まれている。これらのサブシステムは、アンチスキッドシステム、又はアンチスライドシステムとして知られており、更にはＷＳＰ（Wheel Slide Protection：車輪滑走防止）システムとしても知られている。

従来技術に係る、アンチスキッド機能としての車輪の粘着特性を制御するシステムを添付図面の図１に概略的に示す。この図には、ｎ個の制御対象の車軸Ａ１、Ａ２、…、Ａｎを持つ車両が示されている。車軸Ａ１、Ａ２、…、Ａｎは、それぞれシャフトＳ１、Ｓ２、…、Ｓｎ、及びそれに回転可能に一体化された車輪対Ｗ１、Ｗ２、…、Ｗｎを備える。

図面では、各車軸に対して１つの車輪のみが概略的に図示されている。

図１のＷＳＰシステムは、通常マイクロプロセッサで構成された電子制御ユニットＥＣＵを備え、ＥＣＵは、これらの車軸にそれぞれ関連付けられたセンサＳＳ１、ＳＳ２、…、ＳＳｎから、各車軸Ａ１、Ａ２、…、Ａｎの角速度に関するタコメータ信号を受信する。電子制御ユニットＥＣＵは、各車軸Ａ１、Ａ２、…、Ａｎにそれぞれ関連付けられたトルク制御装置ＴＣ１、ＴＣ２、…、ＴＣｎにも接続されている。

電子制御ユニットＥＣＵは、粘着特性が低下した状況下で力行又は制動中にトルクを印加したとき１つ以上の車軸の車輪が滑り始めた場合に、所定のアルゴリズムに従って各車軸に印加されるトルクを調整するために設けられている。トルク調整は、車軸が完全にロックすることを防止するように実施され、どのような場合でも粘着特性が低下した状況の全期間にわたり、可能な限り各車軸が制御されたスリップ状態となって粘着特性を回復するように実施される。

図２は、一般の車軸用の粘着特性制御／回復システムを表すブロックダイアグラムである。制御対象の車軸Ａがこの速度で滑るようにしたい基準速度値ＶＲ（ｔ）と、関連するセンサＳＳで検出され取得・処理モジュールＡＰＭによって調整された測定速度Ｖ_Ｍ（ｔ）との誤差又は差分Ｅ（ｔ）が、入力信号として制御モジュールＣＭに印加され、制御モジュールＣＭは、車軸Ａに関連付けられたトルク制御装置ＴＣに駆動信号Ｙ（ｔ）を出力する。

基準速度Ｖ_Ｒ（ｔ）は、車両の瞬時速度の分数として、例えば以下の式に従って得られる。

ここで、Ｖ_Ｖ（ｔ）は、車両の瞬間的な（計算された）速度であり、δは、滑り段階の間に得る車軸Ａの関連するスリップを表している。

車両の瞬時速度Ｖ_Ｖ（ｔ）を知ることが、滑りを適切に制御するためにどのように重要であるかは明白である。

制動の場合、車両の実際速度Ｖ_Ｖ（ｔ）の推定に最もよく使用されるアルゴリズムは、通常、次の種類の関数を使用する。

一方、力行の場合、以下の関数が使用される。

ここで、ａ_ｍａｘは運転中に車両に許容される最大加速度であり、この加速度は、力行状態の場合には正の符号を有し、制動状態の場合には負の符号を有する。

関係式（２）及び（３）中の寄与係数（Ｖ_Ｖ（Ｔ_ｊ−１）＋ａ_ｍａｘ・Ｔ）は、牽引又は制動状況において、特に粘着特性が低下した状況に起因して、車軸の速度が瞬時に且つ同時に過剰に変化することによって、これらの関係式（２）及び（３）を用いて計算された速度Ｖ_Ｖ（ｔ）の意味を失うことにつながる可能性がある場合に、列車によって許容される物理的制限内にＶ_Ｖ（ｔ）の変化を抑える役割を果たす。

関係式（２）及び（３）のより正確な変形式が知られているが、これらも車軸の個々の速度の瞬時測定に基づくものである。ここで、滑り段階の期間に全ての車軸がトルクを受けるとすると、「死」軸を利用できるといかに（２）及び（３）を極めて正確にすることができるかが明白になる。

非限定な例として、車軸に印加されるトルクのトルク制御装置ＴＣの可能な実施形態の１つが、２０１５年１２月２２日に出願された過去のイタリア特許出願第１０２０１５００００８６４６５号に記載及び図示されている。

トルク制御装置は、当業者に知られる多くの変形例に従って作成可能である。

よく知られているように、車輪とレールの間の粘着係数μ（δ）は、実質的に、図３に示すようにスリップδに従って変化する。上記式（１）に基づき、δは次のように表すことができる。

ここで、０≦Ｖ_ｒ≦Ｖ_Ｖ、及び０≦δ≦１である。

図３中、曲線１、曲線２、曲線３は、環境条件による粘着特性の傾向を定量的に表している。曲線１は、車輪とレールの間が乾燥接触状態である場合の粘着状態に対応し、曲線２は、車輪とレールの間に水分が存在する粘着状態に対応し、曲線３は、油や腐敗した葉（秋期の典型的な状況）、更には、水分が混ざった錆（鉄道の駅の典型的な状況）等の、車輪とレールの間に粘性物質が存在している粘着状態に対応する。

粘着特性のピークａ_１、ａ_２、及びａ_３におけるδの値は、粘着状態の変化に伴って変化し、図３中Ａで示した曲線に沿って移動することが実験的に分かっている。

実験的な測定によって、粘着特性が極めて低下した状況においても、曲線Ａが０≦δ≦０．０２の値に対応する領域内にある状況を示している。

力行又は制動の間に、１つ以上の車軸、例えば、先に「死」軸と定義した車軸を、曲線Ａ上に維持することができれば、この車軸に関し、δ＝０に相当する利用可能な最大の粘着特性の使用、及び同時に最大誤差２％の列車の実際速度の追跡という２つの効果を実現する。

図４は、車軸の車輪Ａに印加された力を示す図である。この図から、以下が明らかである。

ここで

であり、これより

同じ瞬時角加速度において、力Ｆ_ｍの印加可能な最大値は、粘着特性値μの最大値に対応して得られる、即ち、図３の曲線Ａ上の点であることは明らかである。

本発明に係る方法は、滑り段階の期間、１つ以上の車軸に関し、車輪とレールの間の接触領域における粘着特性値μをリアルタイムで評価するために粘着特性観測器を用い、これらのμ値をリアルタイムで処理することによって、スリップ制御システムに割り当てられるδ値を時間の経過とともに連続的に特定する。

粘着特性観測器は、滑り期間、車輪レール間接触領域において、所定期間Ｔの一般的なサンプリング周期Ｔ_ｊにおける粘着特性の瞬時値μ（Ｔ_ｊ）を動的に特定するようになっており、式（７）を使用して定義でき、これより簡単なステップを経て、以下の関係が得られる。

粘着特性観測器の下流には、粘着特性値を正確に観測するのに有用な周波数帯域の外側に存在する瞬間的且つノイズによる変動を除去又は少なくとも軽減するために、ローパスフィルタを適切に設ける。

本発明に係る方法を実施するためのシステムの一実施形態を図６に示す。

本方法は、図５に示す曲線μ（δ）が最大値を示すように、即ち、δ値がｄμ（Ｔ）／ｄδ（Ｔ）＝０となるように、少なくとも１つの車軸のスリップ値δを特定し追跡する方法を提供する。

この目的のために、ＬＭＳアルゴリズム（最小二乗平均）を実施するシステムを用いることができる。ＬＭＳアルゴリズムの収束基準及び実施される変形形態の一般的な特徴の正確な説明は、入手可能な文献、特にB.Widrow, S.D.Stearns,”Adaptive Signal Processing”, New Jersey, Prentice-Hall,Inc.,1985を参照されたい。

図６を参照すると、粘着特性観測器１２０１は、制御対象の車軸に関する粘着特性μ（Ｔ_ｊ）の瞬時値を推定すべく、粘着特性のピークを維持しようとする、制御対象の車軸Ａｎの車輪の速度ωの値を表す入力信号を、前述のｍ（Ｔ_ｊ）、Ｊ、Ｒ、及びＦ_ｍ（Ｔ_ｊ）の絶対値を含むＸベクトルと共に受信する。

粘着特性観測器１２０１の出力は、例えば次の式に従う微分ｄμ／ｄδの値を計算するモジュール１２０２の入力に接続される。

ここで、値δは、式（４）によってリアルタイムに得られる。

加算器１２０３は、上記微分の所望の値（即ち値０）とモジュール１２０２によって計算されるその瞬時値との差分としての誤差信号ｅ（Ｔ_ｊ）を出力し、この誤差は、ブロック１２０４内で実施されるＬＭＳアルゴリズムを適応させるために使用される。

ブロック１２０４は、出力において、上記車軸用のトルク要求Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）を提供し、このトルク要求Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）は、図３を参照して既に説明したイタリア特許出願に記載された構造を有する、それ自体は既知であるトルク制御モジュール１２０５に送信される。

モジュール１２０４は、それ自体は既知である方法で、誤差ｅ（Ｔ）が最小になる又は無くなるように、即ち、上記微分がゼロとなるように、即ち、上記制御対象の車軸が粘着特性のピーク値になり、それが維持されるように、出力Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）を継続的に修正する。

従って、図６による解決策を少なくとも１つの車軸に適用することによって、粘着特性が低下した状況においても、上記車軸は常に車両の線速度と同じ線速度で（２％以内と推定される最大誤差未満）で進み、同時に、得られる粘着特性によって可能になる力行又は制動時の最大値の力を提供できるようになる。

図６の破線のブロック１２０６に含まれるモジュール群を簡単に実施したものを図７に示す。ここでは、ＬＭＳアルゴリズムを実施するブロック１２０４は、単純な積分器８０５に置き換えられている。積分器８０５の出力は、ゲインＫで増幅され、粘着特性制御・回復システム１２０５に割り当てられるトルク値Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）が生成される。その場合、ｄμ／ｄδ＞０のとき、積分器８０５は、トルク値Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）を増加させ、ｄμ／ｄδ＜０のとき、積分器８０５は、トルク値Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）を減少させ、ｄμ／ｄδ＝０のとき、積分器８０５はトルク値Ｃ（Ｔ_ｊ＋１）を一定にする。

このようにして、システムは、上記制御対象の車軸を粘着特性のピーク値になるようにし、それを維持する。

ゲインＫは、平均粘着特性ピーク値μを与える速度を調整し、同時に、閉ループシステムが確実に安定になるようにする。

図６の破線のブロック１２０６の実施形態の簡単な変形例を図８に更に示す。モジュール９０３は、微分ｄμ／ｄδの符号を決定する。ブロック９０３の出力は、＋１又は−１（それぞれ正の符号、負の符号）に等しく、それに続く積分器８０５は、単純な単位和を行う。

積分器８０５は、周期Ｔ＝Ｔ_ｊ＋１−Ｔ_ｊで更新されるアップ／ダウン型のカウンタに置き換えることができる。

図７及び図８によるダイヤグラムは、図６によるダイヤグラムで実現したのと同様に、粘着状態の変化に継続的に適応して、平均粘着特性ピークμの継続的な追跡を行う。図６によるダイヤグラムは、ｄμ／ｄδ＝０の状態での迅速且つ正確な追跡が可能であるが、リアルタイムで一定回数の計算が必要である。

図８によるダイヤグラムでは、必要な計算回数が大幅に減少するが、同時にｄμ／ｄδ＝０の追跡速度が低下する。

図７によるダイヤグラムは、図６によるダイヤグラムと図８によるダイヤグラムの特徴の中間の特徴を有する。

従って、上記の２つの式（２）及び（３）によって、極めて粘着特性が低下した状況においても、極めて信頼性の高い車両速度Ｖ_Ｖの値を常に提供することができる。

列車速度の追跡の精度を更に高めることが望ましい場合は、印加するトルク値を犠牲にして、ｄμ／ｄδ＞０の値に関して、即ち、図５Ｂに示す曲線の左側において、誤差を計算すれば十分である。この部分は、適用される基準値ｄμ／ｄδの増加の関数として最大ピークより低いことが判るであろう。

当然であるが、実施形態及び実装の詳細は、本発明の原理を変えることなく、純粋に非限定の例によって説明及び図示したものに対して、添付の請求項に定義された本発明の範囲から逸脱することなく広く変更することが可能である。

Claims (5)

1. 少なくとも１つの車軸（Ａ）がその車輪（Ｗ）のレールへの粘着特性を制御する対応制御システム（ＳＳ，ＣＭ，ＴＣ，ＡＰＭ）を有する、鉄道車両の速度を算出又は推定する方法であって、
   前記少なくとも１つの車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）の角速度（ω）を示す速度信号を生成する工程と、
   前記車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）と前記レールとの接触領域における粘着特性（μ）の値を前記角速度（ω）の関数として推定し、粘着特性観測器（１２０１）を用い、制御対象の前記車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）の速度スリップ（δ）の値を算出する工程と、
   前記車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）の前記スリップ（δ）の関数としての前記粘着特性（μ）の微分（ｄμ／ｄδ）を表す信号を生成する工程と、
   前記車軸（Ａ）の前記車輪（Ｗ）に印加するトルクを制御するトルク制御手段（１２０５）への駆動信号（Ｃ（Ｔ_ｊ＋１））を、前記微分（ｄμ／ｄδ）の値と所定の基準値との差分を示す誤差信号（ｅ（Ｔ_ｊ＋１））の関数として、前記差分を実質的にゼロに低減及び維持するように、前記微分信号（ｄμ／ｄδ）の適応制御（１２０４）によって生成する工程と、
   前記駆動信号（Ｃ（Ｔ_ｊ＋１））を前記トルク制御手段（１２０５）に印加し、少なくとも１つの制御対象の前記車軸（Ａ）の直線進行速度として車両速度を計算する工程と
   を含む方法。
2. 前記駆動信号（Ｃ（Ｔ_ｊ＋１））が、ＬＭＳ型の適応フィルタによって生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記駆動信号（Ｃ（Ｔ_ｊ＋１））が、前記スリップ（δ）の関数としての前記粘着特性（μ）の前記微分（ｄμ／ｄδ）を時間積分することによって生成される、請求項１に記載の方法。
4. 前記駆動信号（Ｃ（Ｔ_ｊ＋１））が、前記スリップ（δ）の関数としての前記粘着特性（μ）の前記微分（ｄμ／ｄδ）の符号を時間積分することによって生成される、請求項１に記載の方法。
5. 前記基準値（ｄμ／ｄδ）が０以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。

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