JP6420972B2 - Train control system design simulator - Google Patents
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Description
本発明は、列車制御システムの設計用シミュレータに関する。 The present invention relates to a simulator for designing the train control system.
列車制御には、同一走行路を走行する複数の列車を追突させずに走行させる安全性と、稼働率を上げるアベイラビリティが求められる。したがって、列車制御システムの設計に当たっては、可能な限り低いコストで、安全性とアベイラビリティを確保することが最大の要請である。 In train control, safety is required for traveling a plurality of trains traveling on the same traveling path without causing a rear-end collision, and availability for increasing the operation rate. Therefore, when designing a train control system, the greatest requirement is to ensure safety and availability at the lowest possible cost.
列車制御システムは、制御方式の違いにより、軌道回路方式と無線式列車制御システムとに大別することができる。また、列車の在線位置検知方法には、地上位置検知方式と車上位置検知方式が存在し、前者の代表例として軌道回路を用いる方式、後者の代表例として列車に搭載されている速度発電機を用いる方式が挙げられる。 Train control systems can be broadly classified into track circuit systems and wireless train control systems, depending on the control system. In addition, there are ground position detection methods and on-vehicle position detection methods for on-line position detection methods of trains, a method using a track circuit as a representative example of the former, and a speed generator mounted on a train as a representative example of the latter Can be used.
無線式列車制御システムは、最近一部で実施されている。無線式列車制御システムでは、車上位置検知方式を採用することで、移動閉塞が実現可能である。車上位置検知方式の無線列車制御システムでは、車上で算出した位置情報を無線で地上装置に送信する。地上装置は全ての列車から送信された位置情報を基に各列車のルートや停止目標位置を算出し、その情報を各列車に無線で送信する。車上の速度制御装置は地上装置から送信された情報を基に運行速度のパターン(速度照査パターン)を作成し、このパターンを超えないようにブレーキ制御を行う。 Wireless train control systems have recently been implemented in some areas. In the wireless train control system, moving blockage can be realized by adopting the on-vehicle position detection method. In the on-vehicle position detection type wireless train control system, position information calculated on the vehicle is wirelessly transmitted to the ground device. The ground device calculates the route and stop target position of each train based on the position information transmitted from all trains, and transmits the information wirelessly to each train. The speed control device on the vehicle creates an operation speed pattern (speed check pattern) based on the information transmitted from the ground device, and performs brake control so as not to exceed this pattern.
無線式列車制御システムは、列車位置や速度照査パターンなどの情報のやりとりを無線で行うため、地上設備を大幅に簡略化してメンテナンスの低減が可能になるほか、きめ細かな列車の制御が可能である。 The wireless train control system wirelessly exchanges information such as train position and speed check pattern, so the ground facilities can be greatly simplified and maintenance can be reduced, and detailed train control is possible. .
速度発電機を用いる車上位置検知方式においては、速度発電機が発生するパルスの数と車輪径をもとに在線位置を算出(推定)する。しかし、車輪径の減少または車輪の空転や滑走その他の環境条件により、位置検知の誤差が蓄積するので、たとえば、位置補正用地上子を所定間隔ごとに設置することで、誤差の蓄積をリセットし対応している。 In the on-vehicle position detection method using a speed generator, the existing line position is calculated (estimated) based on the number of pulses generated by the speed generator and the wheel diameter. However, position detection errors accumulate due to wheel diameter reduction or wheel idling, gliding, and other environmental conditions.For example, error accumulation can be reset by installing position correction ground elements at predetermined intervals. It corresponds.
速度発電機以外にも、GPS、加速度センサ等の位置検知装置が実用化ないしは実用化の検討段階にある。しかし、これらの位置検知装置は、誤差の定量化に関する技術、知見が必ずしも確立されておらず、過剰な安全余裕を設ける一因となっている。 In addition to speed generators, position detection devices such as GPS and acceleration sensors are in practical use or in the stage of study for practical use. However, these position detection devices are not necessarily established with techniques and knowledge relating to error quantification, which contributes to an excessive safety margin.
従来の列車制御システムの設計について、位置補正用地上子の設置位置の設計を例に説明する。速度発電機等の位置センサによる列車位置の累積誤差が、一定の許容値を下回るように位置補正用地上子の設置位置を設計するのが、一般的である。列車位置の累積誤差に許容値を設けるのは、許容値以上の累積誤差が発生した場合は、脱線・追突といった危険事象が許容できない確率で生じうるからである。実際には、安全性確保のために、列車で推定される累積誤差が一定値以上となった場合に、列車の非常制動を行う等の対策がとられる。したがって、許容値以上の累積誤差が発生した場合は、安全性は確保されても安定輸送が阻害され、アベイラビリティが低下する。 The design of the conventional train control system will be described by taking the design of the position of the position correction ground element as an example. In general, the installation position of the position correcting ground element is designed so that the accumulated error of the train position by the position sensor such as a speed generator is below a certain allowable value. The reason why the allowable value is provided for the accumulated error of the train position is that when an accumulated error exceeding the allowable value occurs, dangerous events such as derailment and rear-end collision may occur with an unacceptable probability. In practice, in order to ensure safety, measures such as emergency braking of the train are taken when the accumulated error estimated by the train exceeds a certain value. Therefore, when a cumulative error exceeding the allowable value occurs, stable transportation is hindered even if safety is ensured, and availability is reduced.
図9は、速度発電機を用いる車上検知方式における位置検知の誤差の推移を模式的に示す図である。列車Tの位置補正用地上子PDからの走行距離が増すにつれて、検知誤差の累積により在線位置推定値は、X1,X2,X3・・・と、広い位置範囲に分布するようになる(分布の分散が大きくなる)。そのため、従来の列車制御システムの設計においては、在線位置の分布の広がりが一定以下になるように、図8の置補正用地上子PDの設置位置、すなわち設置間隔Dを決定している。しかしながら、在線位置の分布の形状は、列車の運転状況(加減速)や線路環境などにより複雑に変動する。ゆえに、従来技術においては、在線位置の分布の広がりを直接的に評価せず、一般的には、累積誤差を、走行距離に対し安全余裕を見込んだ一定の割合(たとえば±1%)で生じるものとして設計している。結果として、最適な安全余裕を定量的に見積もることができず、過剰な安全余裕による設備コストの増大や、過小な安全余裕によるアベイラビリティの低下を招く可能性がある。地上子の再配置や増設を行えば、アベイラビリティの低下の問題は改善しうるが、地上子の再配置や増設には工費と工期を要するという課題がある。 FIG. 9 is a diagram schematically showing the transition of position detection error in the on-vehicle detection method using a speed generator. As the travel distance from the position correction ground element PD of the train T increases, the standing line position estimated values are distributed over a wide position range, such as X1, X2, X3. Dispersion increases). Therefore, in the design of the conventional train control system, the installation position of the position correction ground element PD shown in FIG. However, the shape of the distribution of the on-line positions varies in a complicated manner depending on the operation status (acceleration / deceleration) of the train and the track environment. Therefore, the prior art does not directly evaluate the spread of the distribution of existing line positions, and generally, a cumulative error occurs at a certain rate (for example, ± 1%) that allows for a safety margin with respect to the travel distance. It is designed as a thing. As a result, the optimum safety margin cannot be quantitatively estimated, which may lead to an increase in equipment cost due to an excessive safety margin and a decrease in availability due to an excessive safety margin. Relocation and expansion of ground elements can improve the problem of reduced availability, but there is a problem that relocation and expansion of ground elements require construction cost and construction period.
地上子(バリス)配置の最適化を実現する技術として、非特許文献1では、カルマンフィルタとGA(遺伝的アルゴリズム)を用いた手法が検討されている。ただし、非特許文献1では位置検知の最大の誤差要因であり、在線位置の分布の広がりに大きな影響を与える、空転・滑走がモデル化されていない。逆に、非特許文献1では、大きな加減速度となる場所では、空転・滑走により真値とモデルによる推定値の誤差が大きくなるので、大きな加減速度となる場所に地上子を配置することが適切であると結論付けている。
Non-Patent
空転・滑走に対しては、電動機の制御により、それらを抑制する再粘着制御が実用化されている。また、再粘着制御の検討に適用可能な、車両運動の力学的なモデルが提案され、シミュレーションが可能となっている(たとえば、非特許文献2参照)。 For idling / sliding, re-adhesion control that suppresses them by electric motor control has been put into practical use. In addition, a dynamic model of vehicle motion that can be applied to the study of re-adhesion control has been proposed, and simulation is possible (for example, see Non-Patent Document 2).
特許文献1では、位置推定に加え、位置推定精度を評価することで、最適な停止目標を算出する移動体制御システムが示されている。このシステムでは、変化する推定精度に追従して最適な停止目標を算出する。この手法を速度発電機と位置補正用地上子を用いた列車制御システムに適用した場合、地上子の配置が所与の条件において、最適な列車運行の実現が期待できる。一方、期待する列車運行を実現するための地上子の配置方法については、特許文献1では言及されていない。
また、従来の列車制御システムの設計の別の例として、地上無線局の置局設計について説明する。従来の無線列車制御システムでは、安全性の確保のため、通信障害が一定時間以上継続したときは、列車を非常停止させるものがある。したがって、高いアベイラビリティを実現するためには、不感地帯をなくし、ハンドオーバーが確実に行えるように置局とチャンネル設定を設計する必要がある。 In addition, as another example of the design of the conventional train control system, a station radio station station design will be described. Some conventional wireless train control systems make an emergency stop of a train when a communication failure continues for a certain time or more in order to ensure safety. Therefore, in order to realize high availability, it is necessary to design the station placement and channel setting so that the dead zone can be eliminated and the handover can be performed reliably.
置局設計を支援するための技術として、特許文献2では、受信強度特性、遅延特性、雑音・干渉特性を評価パラメータとして用い、任意の通信環境に対する最適な基地局配置設計を実現するための基地局の通信可能エリア推定方法が示されている。また、特許文献3では、基地局候補点毎に全てのエリア評価点の受信電力をシミュレーションにより求め、GAを適用して最適な基地局配置パターンを算出する手法が示されている。
As a technique for supporting station design, Patent Document 2 uses a reception strength characteristic, a delay characteristic, and a noise / interference characteristic as evaluation parameters, and a base for realizing an optimal base station arrangement design for an arbitrary communication environment. A station coverage area estimation method is shown. Further,
また、不確定性を含むシステム一般において、設計や分析に、ベイジアンネットワーク等を用いた確率推論や確率的シミュレーション(モンテカルロ・シミュレーション)を用いる例がある。たとえば、特許文献4では、列車の運行に関する不確定性を扱う手法として、駅での遅延状態の取り得る確率を統計処理により求めてベイジアンネットワークを作成し、特定の駅で生じた遅延状態が各駅に波及する様子を推定ないしは分析する技術が示されている。また、特許文献5では、掘削工事での土留め壁の計測における計測機器の最適配置を実現するために、モンテカルロ・シミュレーションを利用している。
Further, in general systems including uncertainty, there are examples in which probabilistic reasoning using a Bayesian network or the like and probabilistic simulation (Monte Carlo simulation) are used for design and analysis. For example, in Patent Document 4, as a method for handling uncertainty regarding train operation, a probability that a delay state at a station can be obtained is obtained by statistical processing to create a Bayesian network. Techniques for estimating or analyzing how it spreads are shown. Moreover, in
数理最適化問題においては、たとえば特許文献3、非特許文献1などで利用されているGAをはじめ、シミュレーティド・アニーリング、粒子群最適化等のメタヒューリスティック手法が開発され、活用されている。
In the mathematical optimization problem, metaheuristic techniques such as simulated annealing and particle swarm optimization have been developed and utilized, for example, GA used in
列車制御システムの設計に当たっては、可能な限り低いコストで、安全性とアベイラビリティを確保することが最大の要請である。車上位置検知方式や無線式列車制御の採用は上記要請に適うものであるが、多くの場合、コストと安全性およびアベイラビリティの間にはトレードオフの関係が存在する。たとえば、無線式列車制御においては、高い安全性とアベイラビリティを実現するために、無線基地局数を増やしたり、機器の要求性能を高めたりすると、設備が高コストになる問題がある。 In designing a train control system, the greatest requirement is to ensure safety and availability at the lowest possible cost. Adoption of on-vehicle position detection and wireless train control meet the above requirements, but in many cases there is a trade-off relationship between cost, safety and availability. For example, in wireless train control, there is a problem that the cost of equipment increases when the number of wireless base stations is increased or the required performance of equipment is increased in order to achieve high safety and availability.
したがって、低コストと高安全性および高アベイラビリティを実現すること、すなわち最適設計ができる列車制御システムの設計方法が望まれている。 Therefore, a design method for a train control system that realizes low cost, high safety, and high availability, that is, an optimum design is desired.
列車制御システムが列車走行の安全・確実な制御という目的を果たすためには、その列車制御システムの各構成要素を適切に設計することが重要である。その設計に当たって考慮すべき要素には、列車状態、地上設備状態、線路沿線状態などがある。列車状態には、たとえば駆動装置の性能、ブレーキ性能、経年劣化の程度、速度発電機の性能、車輪の摩耗の程度などがある。地上設備状態には、閉塞の境界、位置補正用地上子の設置位置、地上信号機の建植位置、踏切制御子の設置位置、踏切装置などがある。また、線路沿線状態には、線路の勾配やカーブ形状、踏切道の形態、落石危険地帯、トンネル、橋梁の種類、環境などがある。 In order for the train control system to fulfill the purpose of safe and reliable control of train travel, it is important to properly design each component of the train control system. Factors that should be considered in the design include the train status, ground equipment status, and track-side status. The train state includes, for example, drive device performance, brake performance, degree of aging, speed generator performance, and wheel wear. The ground equipment status includes the blockage boundary, the position of the position correction ground element, the position of the ground traffic signal, the position of the level crossing controller, the level crossing device, and the like. In addition, there are track grades, curve shapes, railroad crossing forms, rockfall hazard zones, tunnels, types of bridges, environment, etc.
列車制御システムを設計する場合は、上記の様々な要素を考慮して安全性が確保されるように行う必要がある。 When designing a train control system, it is necessary to consider the various factors described above to ensure safety.
しかし、たとえば速度発電機やGPS、加速度センサなどを用いる車上位置検知手法は、精度・確度が動的に変化するため、実際的な安全性の検証が困難である。そのため、過剰な安全余裕距離が設定されがちである。また、位置検知手法が有する不確定性は、位置検知手法と不可分である、位置補正用地上子の設置位置、閉塞の境界、速度パターン等の最適設計を困難にしている。 However, for example, an on-vehicle position detection method using a speed generator, a GPS, an acceleration sensor, or the like is difficult to verify practical safety because accuracy and accuracy change dynamically. Therefore, an excessive safety margin distance tends to be set. In addition, the uncertainty of the position detection method makes it difficult to optimally design the position correction ground element installation position, blockage boundary, speed pattern, etc., which is inseparable from the position detection method.
非特許文献1における真値とモデルによる推定値の誤差に基づく手法は、真値が決定論的に与えられる場合に有効である。しかし、事実上、空転・滑走が確率論的に不確定に生じることを踏まえると、効果は限定的である。
The method based on the error between the true value and the estimated value by the model in
また、特許文献2などの従来の無線基地局の置局設計支援技術は、検討範囲が通信システムで閉じており、通信の可否の評価あるいは通信品質が規定値を満たすかの評価しか行われない。すなわち、無線列車制御という通信システムの応用に対し、通信の可否、通信品質が与える具体的な影響については考慮されていない。これは、列車の制御パラメータや制御方法を、通信品質に応じて変化させるシステムを設計する際においては、機能的に不十分である。 In addition, in the conventional radio base station placement design support technology such as Patent Document 2, the examination range is closed by the communication system, and only the evaluation of whether communication is possible or the communication quality satisfies the specified value is performed. . In other words, the specific influence of communication availability and communication quality on the application of a communication system called radio train control is not considered. This is functionally insufficient when designing a system that changes train control parameters and control methods according to communication quality.
列車制御システムの不確定性を扱う上で、確率推定や確率的シミュレーションは有効である。しかし、従来の列車制御に関係する確率的シミュレーションの適用範囲は、運行ダイヤや運転曲線の水準に留まっており、列車制御システムおよびその構成機器の動作に関する確率的シミュレーションは十分に検討されていない。 Probability estimation and stochastic simulation are effective in dealing with the uncertainty of train control systems. However, the application range of the probabilistic simulation related to the conventional train control is limited to the level of the operation schedule and the operation curve, and the stochastic simulation regarding the operation of the train control system and its constituent devices has not been sufficiently studied.
設計においては、シミュレーションに基づく検証だけでなく、実機による検証も有効である。ただし、実機による検証においては、最も危険側となる最悪の条件は、再現困難である。仮に技術的に再現が可能であっても、検証に用いる設備が高コストとなったり、試験に危険が伴ったりするため、実施困難な場合がある。また、実機検証段階で問題が発覚した場合は、設計・開発のやり直し(手戻り)が大きいことで、設計・開発期間やコストの増加に繋がりうる。 In designing, not only verification based on simulation but also verification using actual equipment is effective. However, in the verification with an actual machine, the worst condition that is the most dangerous side is difficult to reproduce. Even if it can be technically reproduced, it may be difficult to implement because the equipment used for verification is expensive and the test involves danger. In addition, if a problem is discovered at the actual machine verification stage, the redesign (development) of design / development is large, which may lead to an increase in design / development period and cost.
本発明は、設計・開発の早期段階において最適設計を実現させ、および設計・開発期間の短期化を図ることができる列車制御システムの設計方法を使用するための、また、その列車制御システムの設計の合理性を確認するための設計用シミュレータを提供することを目的とする。 The present invention is optimally designed to the realization, and for using the designing method of the train control system that can be made shortening design and development time at an early stage of design and development, also the train control and to provide a design for a simulator for checking the reasonableness of the design of the system.
本発明は、列車制御システムの設計用シミュレータであって、
その設計用シミュレータは、列車制御システムを統計モデルで表現し、設計パラメータを入力してその統計モデルを用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果の誤差を時系列フィルタにより分析して確率分布を取得し、得られた確率分布が要件を満たすかを検証し、設計パラメータを変更しながらシミュレーションと検証を繰り返して、確率分布が要件を満たしたときの設計パラメータを適切な設計パラメータとして決定する列車制御システムの設計方法を使用するためのものであり、
設計対象について設計パラメータを入力するための設計パラメータ入力装置と、データベースから各列車の性能・走行パターンの固定データを読取って出力するデータ出力装置と、設計パラメータ入力装置から入力された設計パラメータおよびデータ出力装置から入力された固定データを、設計対象に係る状態の推定に用いられるセンサの観測値に見立てて取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値を時系列フィルタを用いて分析して設計対象に係る状態を確率分布により推定する状態推定装置と、その状態推定装置の推定結果を表示するモニタ装置とを有することを特徴とする。
設計対象に係る状態とは、たとえば列車状態または環境状態である。
そして、設計パラメータ入力装置は、設計対象を指定するための設計対象指定部と、設計パラメータを入力するための設計パラメータ入力部を含むことを特徴とする。
The present invention is a simulator for designing a train control system,
The design simulator expresses the train control system with a statistical model, inputs design parameters, performs simulation using the statistical model, analyzes the error of the simulation result with a time series filter, acquires the probability distribution, the resulting probability distribution verify that satisfies the requirements, by repeating simulation and verification while changing the design parameters, the train control that determine the design parameters when a probability distribution satisfies the requirements as appropriate design parameters To use the design method of the system ,
The design parameter input device for inputting design parameters for design object, and a data output device for outputting read fixed data performance and running pattern of the train from the database, the design parameters inputted from the design parameter input device and fixed data input from the data output device, using the time series filter and sensor observation device to get likened to the observed value of the sensor used for estimating a state according to the design target, the acquired sensor observations analysis a state estimating device for estimating the probability distribution of the state of the design object and is characterized by having a monitor device for displaying the estimation result of the state estimation device.
The state relating to the design object is, for example, a train state or an environmental state.
The design parameter input device includes a design target designating unit for designating a design target and a design parameter input unit for inputting a design parameter.
すなわち、上記列車制御システムの設計方法は、列車制御システムを統計モデルで表現することで、実質的な安全余裕をシミュレーションにより明確にすることを特徴とする。そして、設計パラメータ(地上子位置、無線基地局位置等)を入力して列車制御システムの統計モデルを用いてシミュレーションを行う。この際の各種不確定要素による結果のばらつきは、時系列フィルタにより列車の状態等の条件によって成り立つ確率分布として考慮される。そして、シミュレーション結果が要件(危険な状態に至る確率が閾値以下となる等)を満たすか検証する。さらに、設計パラメータを変更しながら、シミュレーションと検証を繰り返し、要件を満たすときの設計パラメータを適切な設計パラメータとして決定する。さらに、短時間かつ少ない労力で適切な設計パラメータを得るために、メタヒューリスティック手法(GA等)を組合せることで、設計パラメータの最適化を行うことが望ましい。 That is, the design method of the train control system is characterized in that a substantial safety margin is clarified by simulation by expressing the train control system with a statistical model. Then, design parameters (such as ground position and radio base station position) are input and simulation is performed using a statistical model of the train control system. Variations in the results due to various uncertainties at this time are considered as probability distributions that are satisfied by conditions such as the train state by a time series filter. Then, it is verified whether or not the simulation result satisfies a requirement (probability of reaching a dangerous state is equal to or less than a threshold value). Furthermore, simulation and verification are repeated while changing the design parameter, and the design parameter that satisfies the requirements is determined as an appropriate design parameter. Furthermore, in order to obtain appropriate design parameters in a short time and with little effort, it is desirable to optimize the design parameters by combining metaheuristic techniques (such as GA).
上記センサ観測装置および状態推定装置は、計算機シミュレーションに用いられるので、実機ではなく、模擬機(数値モデル)である。しかし、以下には、用語簡明化のため、模擬の冠詞を省略する。もっとも、模擬機を設計して利用するよりも、実機を用いる方が有益であれば、シミュレーションに実機を組み込むHILS(Hardware−In−the−Loop Simulation)の技術を適用してもよい。 Since the sensor observation apparatus and the state estimation apparatus are used for computer simulation, they are not actual machines but simulation machines (numerical models). However, for the sake of clarity, simulated articles are omitted below. However, if it is more beneficial to use a real machine than to design and use a mock machine, HILS (Hardware-In-the-Loop Simulation) technology that incorporates the real machine into the simulation may be applied.
設計対象が列車の間隔制御に関係しない場合は、センサ観測装置と状態推定装置は、それぞれ自列車用の装置のみを設ける。 When the design object is not related to train interval control, the sensor observation device and the state estimation device are each provided only with the device for the own train.
設計対象が列車の間隔制御に関係する場合は、センサ観測装置には、先行列車用センサ観測装置と後続列車用センサ観測装置とを設ける。先行列車用センサ観測装置には、データ出力装置からの先行列車用固定データおよび設計パラメータ入力装置からの先行列車用設計パラメータが入力される。後続列車用センサ観測装置には、データ出力装置からの後続列車用固定データおよび設計パラメータ入力装置からの後続列車用設計パラメータが入力される。そして、各センサ観測装置に入力される固定データおよび設計パラメータは、設計対象に係る状態の推定(たとえば実際の列車状態または環境状態の推定)に用いられるセンサの観測値に見立てて取得され、状態推定装置に入力される。 When the design target is related to train interval control, the sensor observation device is provided with a preceding train sensor observation device and a subsequent train sensor observation device. The preceding train sensor observation device receives the preceding train fixed data from the data output device and the preceding train design parameter from the design parameter input device. The subsequent train sensor observation device receives the subsequent train fixed data from the data output device and the subsequent train design parameters from the design parameter input device. Then, fixed data and design parameters are input to each sensor observation device is obtained likened to the observed value of the sensor used for estimating a state according to the design target (e.g. estimate of the actual train status or environmental conditions), Input to the state estimation device.
設計対象が列車の間隔制御に関係する場合は、状態推定装置にも、先行列車の列車状態(環境状態を含む設計対象に係る状態。以下、同じ。)を推定する先行列車状態推定装置と、後続列車の列車状態を推定する後続列車状態推定装置とを設ける。先行列車状態推定装置は、先行列車用センサ観測装置から取得されたセンサ観測値を時系列フィルタを用いて分析して先行列車の列車状態を確率分布として推定する。また、後続列車状態推定装置は、後続列車用センサ観測装置から取得されたセンサ観測値を時系列フィルタを用いて分析して後続列車の列車状態を確率分布として推定する。 If the design target is related to the spacing control of the train, even in a state estimating apparatus, preceding train train state (state according to the design object including environmental state. Hereinafter, the same.) And estimates the preceding train state estimation apparatus And a subsequent train state estimating device for estimating the train state of the subsequent train. The preceding train state estimation device analyzes the sensor observation value acquired from the preceding train sensor observation device using a time series filter, and estimates the train state of the preceding train as a probability distribution. The subsequent train state estimation device analyzes the sensor observation value acquired from the sensor observation device for subsequent trains using a time series filter, and estimates the train state of the subsequent train as a probability distribution.
シミュレーション結果、すなわち、状態推定装置により推定された自列車、あるいは先行列車および後続列車の列車状態は、モニタ装置に入力され、そのモニタ装置により列車状態の確率分布を表す曲線グラフやコンター図に変換され、シミュレーション係員による評価のために表示される。センサ観測値には一定の誤差があり、その誤差は列車の在線位置に応じて変動する。したがって、列車状態の確率分布を表す曲線グラフやコンター図も変動する。シミュレーション係員は、モニタ装置に表示された先行列車と後続列車の確率分布を表す曲線グラフやコンター図の表示状態から、入力した設計パラメータが適切か否かを判断することができる。適切と判断した場合の設計パラメータを正式な設計パラメータと決定することができる。 The simulation result, that is, the train state of the own train or the preceding train and the succeeding train estimated by the state estimation device is input to the monitor device, and converted to a curve graph or contour diagram representing the probability distribution of the train state by the monitor device. And displayed for evaluation by simulation personnel. There is a certain error in the sensor observation value, and the error fluctuates according to the train position. Therefore, curve graphs and contour diagrams representing the probability distribution of train states also vary. The simulation staff can determine whether or not the input design parameters are appropriate from the display state of the curve graph and the contour diagram representing the probability distribution of the preceding train and the succeeding train displayed on the monitor device. The design parameter when it is determined to be appropriate can be determined as the formal design parameter.
シミュレーション結果は、推定された先行列車の列車状態と後続列車の列車状態とに基づいて後続列車の速度を制御する速度制御装置にも入力するようにしてもよい。なお、この速度制御装置も模擬機でよい。そして、その制御内容を別のモニタ装置に入力して、シミュレーション係員による評価のために表示するようにしてもよい。 The simulation result may also be input to a speed control device that controls the speed of the subsequent train based on the estimated train state of the preceding train and the train state of the subsequent train. This speed control device may also be a simulator. Then, the control content may be input to another monitor device and displayed for evaluation by the simulation staff.
シミュレーション係員による評価のためのモニタ装置は、計算機による評価のための評価装置に置き換えてもよい。その評価装置には、シミュレーション係員の評価に相当する評価関数を予め計算機演算可能な形式で与えておく。評価装置はシミュレーション結果に対し、評価関数を適用する。メタヒューリスティック手法を用いて、評価関数の結果を設計パラメータにフィードバックすることで、適切な設計パラメータを得るために、シミュレーション係員の労力を費やす必要がなくなる。 The monitoring device for evaluation by the simulation staff may be replaced with an evaluation device for evaluation by a computer. An evaluation function corresponding to the evaluation of the simulation clerk is given in advance to the evaluation device in a form that can be calculated by a computer. The evaluation device applies an evaluation function to the simulation result. By using the meta-heuristic method and feeding back the result of the evaluation function to the design parameter, it is not necessary to spend the labor of the simulation staff in order to obtain an appropriate design parameter.
本発明に係る列車制御システムの設計用シミュレータは、列車制御システムを統計モデルで表現し、設計パラメータを入力してその統計モデルを用いてシミュレーションを行い、シミュレーションの結果の誤差を時系列フィルタにより分析して確率分布を取得し、得られた確率分布が要件を満たすかを検証し、設計パラメータを変更しながらシミュレーションと検証を繰り返して、確率分布が要件を満たしたときの設計パラメータを適切な設計パラメータとして決定する列車制御システムの設計方法を使用するものであるので、列車制御システムを統計モデルで表現することで、実質的な安全余裕をシミュレーションにより明確にし、設計・開発の早期段階において、最適設計を実現させること、および設計・開発期間の短期化を図ることができる。
また、安全性・アベイラビリティの議論をより定量的に行うことが可能となる。そして、設計・開発の手戻りが減ることで、設計・開発期間の短期化が期待できる。さらに、列車制御システムを統計モデルにより抽象化することが、統計モデルや要素技術の再利用性を高め、設計・開発期間の短期化に貢献しうる。
さらに、設計パラメータ入力装置は、設計対象を指定するための設計対象指定部と、設計パラメータを入力するための設計パラメータ入力部を含むので、一つの設計対象ごとに設計パラメータの適否を確認できるという特有の効果が得られる。
The simulator for designing a train control system according to the present invention expresses a train control system as a statistical model, inputs design parameters, performs simulation using the statistical model, and analyzes the error of the simulation result using a time series filter. To obtain a probability distribution, verify whether the obtained probability distribution meets the requirements, repeat the simulation and verification while changing the design parameters, and design the design parameters appropriately when the probability distribution meets the requirements Since the train control system design method determined as a parameter is used, by expressing the train control system with a statistical model, the substantial safety margin is clarified by simulation, and is optimal in the early stages of design and development. Realizing design and shortening the design and development period Kill.
In addition, it becomes possible to discuss safety and availability more quantitatively. And the reduction in rework of design and development can be expected to shorten the design and development period. Furthermore, abstracting train control systems with statistical models can improve the reusability of statistical models and elemental technologies and contribute to shortening the design and development period.
Furthermore, since the design parameter input device includes a design target designating unit for designating a design target and a design parameter input unit for inputting a design parameter, the suitability of the design parameter can be confirmed for each design target. A unique effect is obtained.
続いて、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施の形態による列車制御システムの設計方法は、計算機により所定のプログラムに基づく設計処理を実行することにより行われる。図1に示すように、まず、列車制御システムを統計モデルで表現する(S1。Sはステップを意味する。以下、同じ。)。次に、シミュレーション係員が列車制御システムの設計パラメータを入力する(S2)。設計パラメータは、設計対象により異なる。設計対象がたとえば位置補正用地上子の設置位置、信号機の設置位置であれば、それぞれ線路起点からのキロ程であり、たとえばm単位で入力される。また、設計対象がたとえば列車の走行速度であれば、最高走行速度であり、たとえばm/秒単位の速度データが入力される。設計パラメータの取る値に制約があれば、制約を満たす設計パラメータのみを入力する。あるいは、予め本設計手法とは別の手法で、設計パラメータの候補を制限しておいてもよい。解として有望でない設計パラメータのシミュレーションを行わないことで計算資源を有効に活用することができる。 The design method of the train control system according to the present embodiment is performed by executing a design process based on a predetermined program by a computer. As shown in FIG. 1, first, the train control system is expressed by a statistical model (S1. S means a step. The same applies hereinafter). Next, the simulation staff inputs design parameters for the train control system (S2). Design parameters vary depending on the design object. Installation position of the design target, for example, the position correcting ground coil, if installed position location of the traffic signal, and the kilometrage from each line start point is entered for example by m units. Further, if the design object is, for example, the traveling speed of a train, it is the maximum traveling speed, and for example, speed data in units of m / second is input. If there is a restriction on the value of the design parameter, only the design parameter that satisfies the restriction is input. Alternatively, design parameter candidates may be limited in advance by a method different from the present design method. By not simulating design parameters that are not promising as solutions, computational resources can be used effectively.
次に、入力された設計パラメータと統計モデルを用いて列車制御のシミュレーションを行う(S3)。すなわち、データベースから読み出した既定の列車運行プログラムを実行し、仮想列車を実際の線路パターンを模したデータ上の仮想線路に沿って、設定された速度で走行させる。続いて、そのシミュレーションにより得られる観測値、たとえば速度発電機が発生するパルス数や車輪径に基づいて計算される速度データ及び位置検知データを時系列フィルタを用いて分析して確率分布を得る(S4)。時系列フィルタには、たとえば、パーティクルフィルタやカルマンフィルタ等を用いることができる。中でも最も好ましいのは、パーティクルフィルタである。パーティクルフィルタについては、後に詳述する。 Next, simulation of train control is performed using the input design parameters and statistical model (S3). That is, the predetermined train operation program read from the database is executed, and the virtual train is caused to travel at a set speed along the virtual track on the data imitating an actual track pattern. Subsequently, to obtain a probability distribution analyzed using the time-series filters observations obtained by the simulation, for example, the velocity data and position detection data rate generator is calculated based on the number of pulses and the wheel diameter occurring (S4). For example, a particle filter or a Kalman filter can be used as the time series filter. Of these, the particle filter is most preferable. The particle filter will be described in detail later.
次に、設計パラメータ入力後の時系列フィルタによる分析により得られた確率分布が安全性を保証する要件を満たすか否かを判断する(S5)。S5において、要件を満たさないと判断した場合(S5においてNoの場合)は、S2に戻り、設計パラメータを変更して入力する。要件が満たされるまで入力値の変更とシミュレーションを繰り返す。要件を満たすか否かは、たとえば、確率分布を確率分布図によりイメージ的に表示することにより、または、確率分布の要約統計量(たとえば平均、分散、尖度、分位数、最頻値)を数字で表すことにより、シミュレーション係員が判断できるようにすることがよい。あるいは、得られた確率分布を閾値と比較して、閾値を超える場合にフラップを上げて表示するなどの表示手段を備えてもよい。S5において、要件が満たされた場合は、その時の入力値を適切な設計パラメータと決定する(S6)。1つの設計パラメータが決定されれば、その設計対象についての設計処理は終了する。 Next, it is determined whether or not the probability distribution obtained by the analysis by the time series filter after inputting the design parameters satisfies the requirement for guaranteeing safety (S5). If it is determined in S5 that the requirement is not satisfied (No in S5), the process returns to S2, and the design parameters are changed and input. Repeat the input value change and simulation until the requirements are met. Whether or not the requirement is satisfied can be determined by, for example, displaying the probability distribution graphically with a probability distribution diagram, or summary statistics of the probability distribution (eg, mean, variance, kurtosis, quantile, mode) It is preferable that the simulation staff can judge by expressing the number by a numeral. Alternatively, display means may be provided such that the obtained probability distribution is compared with a threshold value, and when the threshold value is exceeded, a flap is raised and displayed. If the requirement is satisfied in S5, the input value at that time is determined as an appropriate design parameter (S6). If one design parameter is determined, the design process for the design object is completed.
他の設計対象について設計を行う場合は、その設計対象についての設計処理をS1から上記の場合と同様に行なう。 When designing another design object, the design process for the design object is performed in the same manner as described above from S1.
続いて、上記設計方法を実施するために使用される列車制御システムの設計用シミュレータについて説明する。 The following will describe a train control system design for a simulator that is used to implement the above design method.
図2は、設計対象が間隔制御に関係しない場合の設計用シミュレータの構成の一例を示す。この設計用シミュレータは、設計パラメータ入力装置1と、データ出力装置2と、自列車用センサ観測装置3Bと、自列車の列車状態推定装置4Bと、モニタ装置5とを有する。
Figure 2 shows an example of a configuration of a design for a simulator when designed is not related to the distance control. This design simulator includes a design
図3は、設計対象が間隔制御に関係する場合の設計用シミュレータの構成の一例を示す。この設計用シミュレータは、設計パラメータ入力装置1と、データ出力装置2と、先行列車用センサ観測装置3Aと、後続列車用センサ観測装置3Bと、先行列車の列車状態推定装置4Aと、後続列車の列車状態推定装置4Bと、モニタ装置5とを有する。図3の設計用シミュレータは、図2の設計用シミュレータを、より一般化させたものである。よって、以下では、図3の構成例に従って説明する。
Figure 3 shows an example of the configuration of a design for a simulator when designed is related to distance control. The design for simulator, the design
設計パラメータ入力装置1は、設計対象を指定するための設計対象指定部11と、設計パラメータを入力するための設計パラメータ入力部12とを含む。設計対象指定部11は、たとえば、位置補正用地上子の設置位置、地上信号機の植設位置、あるいは列車の走行速度のいずれか一つを選択して設計対象として指定する。設計パラメータ入力部12から入力される設計パラメータは、既述したように、設計対象がたとえば位置補正用地上子の設置位置、地上信号機の植設位置であれば、それぞれ線路起点からのキロ程であり、たとえばm単位で入力される。
The design
また、設計パラメータ入力部12からは、設計パラメータとして、安全余裕距離、すなわち、同一走行路を走行する先行列車と後続列車が衝突せずに走行できる列車間隔の余裕分をたとえばm単位で入力することができる。
Further, the design
データ出力装置2は、指定された列車の運行プログラムを図示されていないデータベースから走行パターンデータを順次連続的に読み出す。そして、シミュレーションの時間分解能に対応する所定のタイミングで出力し、先行列車用センサ観測装置3Aと後続列車用センサ観測装置3Bに入力する。走行パターンデータは、列車状態を決定する、時刻と列車位置の組を配列として表現したものなどである。なお、時刻と列車位置から算出可能であるが、速度や加速度を走行パターンデータに含めてもよい。また、必要によりノッチ情報や電車電流といった列車状態、信号現示や走行箇所の線形といった環境状態を含めてもよい。そして、データ出力装置2は、設計パラメータ入力部12から入力された設計パラメータを先行列車用センサ観測装置3Aと後続列車用センサ観測装置3Bに入力する。さらに、各列車の性能等の固定データを先行列車用センサ観測装置3Aと後続列車用センサ観測装置3Bに入力する。
The data output device 2 sequentially reads out the running pattern data from a database (not shown) for the designated train operation program. And it outputs at the predetermined | prescribed timing corresponding to the time resolution of simulation, and inputs into
先行列車用センサ観測装置3Aと後続列車用センサ観測装置3Bは、実際の列車制御システムにおいて列車状態の推定に必要なセンサの観測値を観測するセンサ観測装置の模擬版である。そして、データ出力装置2から入力される走行パターンデータを、列車状態の推定に必要なセンサの観測値に見立てて取得する。センサの観測値は、たとえば在線位置推定に必要な速度発電機からのパルスや位置補正用地上子の検知有無などである。
The preceding train
先行列車の列車状態推定装置4Aは、先行列車用センサ観測装置3Aにより取得されたセンサ観測値から、時系列フィルタを用いて先行列車の列車状態、ここでは一例として、在線位置の確率分布を算出し、先行列車の在線位置を推定する。そして、先行列車の列車状態推定装置4Aが得た確率分布はモニタ装置5に出力される。後続列車の列車状態推定装置4Bは、後続列車用センサ観測装置3Bにより取得されたセンサ観測値から、時系列フィルタを用いて分析して後続列車の列車状態の確率分布、ここでは一例として、在線位置の確率分布を得て、後続列車の在線位置を推定する。そして、後続列車の列車状態推定装置4Aが得た確率分布もモニタ装置5に出力される。
The train state estimation device 4A for the preceding train calculates the train status of the preceding train using the time series filter from the sensor observation value acquired by the
モニタ装置5は、先行列車の列車状態推定装置4Aから先行列車の列車状態の確率分布(この例の場合は先行列車の在線確率分布)を入力したときは、その在線確率分布をデータ変換(画像処理)して確率分布グラフを作成する。そして、その確率分布グラフを画面に表示する。モニタ装置5は、後続列車の列車状態推定装置4Bから後続列車の列車状態の確率分布(この例の場合は後続列車の在線確率分布)を入力したときも、その在線確率分布をデータ変換(画像処理)して確率分布グラフを作成する。そして、モニタ装置5は、その確率分布グラフを、図4に示すように画面に表示する。
When the
図4は、設計パラメータ入力装置1の設計対象指定部11で、設計対象として位置補正用地上子の設置位置を指定した後、設計パラメータとして走行路の起点からその位置補正用地上子の設置位置までのキロ程を入力した場合に、モニタ装置5の画面に表示される確率分布グラフの一例を示す。
FIG. 4 shows the installation position of the position correction ground element from the starting point of the travel path as the design parameter after the design target specifying unit 11 of the design
図4において、縦軸は在線確率であり、横軸は列車の走行路の起点からのキロ程である。一つの列車の在線確率分布Xの形状は、列車が一つの位置補正用地上子を通過した直後は急峻であるが、その位置補正用地上子から離れる距離が大きくなるにつれて緩慢になることは既に述べた。 In FIG. 4, the vertical axis represents the standing line probability, and the horizontal axis represents the distance from the starting point of the train travel path. The shape of the on-track probability distribution X of one train is steep immediately after the train passes one position correction ground element, but has already become slow as the distance away from the position correction ground element increases. Stated.
続いて、上記列車制御システムの設計用シミュレータの動作を図5のフローチャートを用いながら説明する。本実施の形態においては、設計対象指定部11で、設計対象として位置補正用地上子の設置位置を指定する(S21)。次に、設計パラメータ入力部12において、設計パラメータの一つとして各位置補正用地上子の設置位置をキロ程で入力し、その後または前に、もう一つの設計パラメータとして、安全余裕距離D1を入力して安全余裕距離を仮設定する(S22)。この安全余裕距離D1は、列車の最高速度とブレーキ性能、線路勾配などを参酌して、衝突を予防できる最小列車間隔となるように決められる。
Subsequently, the operation of the simulator for designing the train control system will be described with reference to the flowchart of FIG. In the present embodiment, the design target specifying unit 11 specifies the installation position of the position correction ground element as the design target (S21). Next, in the design
設計パラメータの入力をした後、シミュレーションを開始させる(S23)。このシミュレーションにおいては、データベースから走行パターンデータを読み出して仮想列車を走行させ、設計パラメータ入力部12から入力された設計パラメータを先行列車用センサ観測装置3Aおよび後続列車用センサ観測装置3Bにおいて観測値として取り込み、その観測値を先行列車の列車状態推定装置4Aおよび後続列車の列車状態推定装置4Bにおいてパーティクルフィルタを用いて分析して先行列車と後続列車の在線確率分布を得るとともに、二つの確率分布の積算値を求める。そして、最後にその得られた積算値を閾値と比較する。
After inputting the design parameters, the simulation is started (S23). In this simulation, the running pattern data is read from the database to run the virtual train, and the design parameters input from the design
シミュレーション(S23)が終了すると、先行列車の列車状態推定装置4Aおよび後続列車の列車状態推定装置4Bが出力する推定結果(確率分布およびその積算値のデータ)がモニタ装置5に出力される。そして、モニタ装置5の画像処理部において確率分布およびその積算値のデータが画像処理される(S24)。すなわち、確率分布およびその積算値が確率分布グラフに変換され、その確率分布グラフがモニタ装置5の表示部に表示される(S25)。
When the simulation (S23) is completed, the estimation results (probability distribution and integrated value data) output by the train state estimation device 4A of the preceding train and the train
図6はモニタ装置5の表示部の表示内容の一例を示している。Xa,Xbは、先行列車と後続列車が仮に決定された安全余裕距離D1を保ちつつ特定の走行パターンに従って走行する場合に、一つの位置補正用地上子PD1を通過した直後の二つの列車の在線確率分布である。Xa’,Xb’は、同じく、次の位置補正用地上子PD2に到達する直前の二つの列車の在線確率分布である。そして、Xc’は、在線確率分布Xa’,Xb’の積算値、すなわち、二つの列車の衝突確率分布であるが、図6では、その衝突確率Xcは危険回避の必要性を意味する閾値TLを超えている。
FIG. 6 shows an example of the display content of the display unit of the
すなわち、安全余裕距離をD1とした場合、位置補正用地上子PD1,PD2間の距離を図6の例のようにL1に設定した場合は、衝突の確率が高いので、衝突を回避するには、位置補正用地上子PD1,PD2間の距離を、L1よりも小さくする必要があることがわかる。すなわち、衝突確率Xcが生じない位置、または衝突確率Xcが閾値TLを超えない位置L2が、補正用地上子PD2の設置位置として適切である。 That is, when the safety margin distance is set to D1, when the distance between the position correction ground elements PD1 and PD2 is set to L1 as in the example of FIG. It can be seen that the distance between the position correction ground elements PD1 and PD2 needs to be smaller than L1. That is, a position where the collision probability Xc does not occur or a position L2 where the collision probability Xc does not exceed the threshold value TL is appropriate as the installation position of the correction ground element PD2.
他の実施の形態として、図2および図3に示すように、上記構成に加えて、速度制御装置6と、モニタ装置7を備えてもよい。図3の速度制御装置6には、図6に示すように、先行列車の列車状態推定装置4Aおよび/または後続列車の列車状態推定装置4Bから後続列車の列車状態の確率分布、この例の場合は在線確率分布Xa’,Xb’および衝突確率に相当する、先行列車と後続列車が同位置に存在する確率分布Xc’が入力される(S26)。これにより、速度制御装置6は、この衝突確率Xc’の最頻値が閾値TLを超えないように後続列車の速度制限を行うことができる(S27)。速度制限には、減速と非常停止が含まれる。
As another embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, in addition to the above configuration, a
モニタ装置7は、シミュレーション結果、すなわち模擬の速度制御装置6による制御内容(速度制限)をシミュレーション係員による評価のために表示する(S28)。シミュレーション係員は、その表示された制御内容から、入力した設計パラメータが適切か否かを判断することもできる。
The monitor device 7 displays the simulation result, that is, the control content (speed limit) by the simulated
センサ観測装置3A,3Bおよび列車状態推定装置4A,4Bでは、統計モデルとそのシミュレーションを適用する。統計モデルとそのシミュレーションを適用することで、センサが有する、従来は簡単化のため考慮していなかった、より詳細な特性を設計に反映可能である。必要最小限の安全余裕で地上子位置を設計することで、地上子数の削減や、位置補正不良による列車非常停止の頻度を低減するといったことが可能である。
In the
たとえば、位置センサを、100m進んだ場合の誤差が平均0、分散1の正規分布N(0,1)[m]に従うとモデル化すれば、1km進んだ時の誤差は、N(0,10)[m]と見積もることが可能であり、その誤差が特定の範囲に収まる確率が計算可能である。実際には、誤差モデルに正規分布が適用できるとは限らない。より複雑な非線形なモデルや、実験的な統計に基づくモデルを容易に扱うためには、パーティクルフィルタを用いればよい。 For example, if the position sensor is modeled according to a normal distribution N (0, 1) [m] with an average of 0 and variance of 1 when traveling 100 m, the error when traveling 1 km is N (0, 10 ) [M] can be estimated, and the probability that the error falls within a specific range can be calculated. In practice, a normal distribution is not always applicable to an error model. In order to easily handle more complex nonlinear models and models based on experimental statistics, a particle filter may be used.
以下に、センサ観測装置3A,3Bおよび列車状態推定装置4A,4Bにおいて用いられる時系列フィルタの一例としてのパーティクルフィルタについて説明する。ここでは、位置補正用地上子の配置設計を例に、速度発電機と位置補正用地上子のみの簡易なモデルを示す。この例では、簡単のため間隔制御は考慮せず、図2の構成をとる。
Below, the particle filter as an example of the time series filter used in
時刻tにおける状態ベクトルxtを以下のように、列車位置(車上子位置)ptと、速度vtからなるベクトルとして定義する。
また、状態ベクトルxtに基づく拡大状態ベクトルXtを以下のように定義する。
ここで、kは、速度発電機による速度算出(一定時間パルス計数方式)における平滑化の時間窓に相当する係数である。
The state vector xt at time t is defined as a vector composed of a train position (vehicle position) pt and a speed vt as follows.
Further, an expanded state vector Xt based on the state vector xt is defined as follows.
Here, k is a coefficient corresponding to a smoothing time window in the speed calculation (fixed time pulse counting method) by the speed generator.
時刻tにおける観測ベクトルytを以下のように、速度発電機の平滑化時間窓内のパルスカウントctと、地上子検知有無btからなるベクトルとして定義する。
システムモデルは、
と定義する。ここで、ΔTはシミュレーションの時間刻み、Randpは積分誤差相当のノイズ、Randvは加速度および空転・滑走相当のノイズである。
The system model is
It is defined as Here, ΔT is a simulation time step, Randp is a noise equivalent to an integration error, and Randv is a noise equivalent to acceleration and idling / sliding.
観測モデルは、
と定義する。ここで、nは速度発電機の歯数、Dは車輪径、Randcはサンプリングタイミングによる誤差に相当するノイズ、Randsは空転・滑走に起因するノイズである。また、Baliseはパラメータで指定した位置を、パラメータで指定した速度で通過した際に、地上子を検知するかを真偽値で返す関数である。地上子の検知は、地上子の個体差や環境条件に左右されるため、一定のノイズRandbを含む。
The observation model is
It is defined as Here, n is the number of teeth of the speed generator, D is the wheel diameter, Randc is noise corresponding to an error due to sampling timing, and Rands is noise caused by idling / sliding. Balise is a function that returns a true / false value indicating whether to detect a ground element when passing through the position specified by the parameter at the speed specified by the parameter. Since the detection of the ground element depends on individual differences of the ground element and environmental conditions, it includes a certain noise Randb.
Randsを定めるためには、速度および加速度(減速度)に対する空転・滑走発生確率の関係、および空転・滑走が発生した場合の空転・滑走継続時間の関係を、計算機で扱える形で定義する。たとえば、空転・滑走継続時間の関係については、図7に示すような、速度および加速度の2次元テーブルとしてデータベース化する。空転・滑走発生確率の関係、および空転・滑走が発生した場合の空転・滑走継続時間の関係を取得する方法としては、過去の走行結果に基づいての統計をとる方法が挙げられる。また、非特許文献2で示されているような、力学的モデルの理論式やシミュレーション結果を用いてもよい。ここでは、一般的な情報として加速度(2つの速度の差)を採用してモデリングしたが、たとえばノッチ情報が観測可能ないしは推定可能であれば、加速度の代わりにノッチ情報を用いてもよい。 In order to determine Rands, the relationship between the speed and acceleration (deceleration) of the idling / sliding occurrence probability and the relationship of the idling / sliding duration when the idling / sliding occurs are defined in a form that can be handled by a computer. For example, the relationship between the idling / sliding duration is created as a database as a two-dimensional table of speed and acceleration as shown in FIG. As a method for acquiring the relationship between the idling / sliding occurrence probability and the relationship between the idling / sliding duration when the idling / sliding occurs, there is a method of obtaining statistics based on past traveling results. Further, a theoretical formula or simulation result of a mechanical model as shown in Non-Patent Document 2 may be used. Here, modeling is performed by adopting acceleration (difference between two speeds) as general information, but notch information may be used instead of acceleration if, for example, notch information can be observed or estimated.
ただし、Randsを参照する際に、毎回、様々な空転・滑走状態を確率論的に想定し、尤度を求めるのは、計算負荷の観点から実際的ではない。そこで、予め様々な空転・滑走状態を確率論的に想定しておき、Randsの近似分布を求めておく。図8に、特定の空転・滑走を想定した場合の速度とRandsの関係を模式的に示す。 However, each time Rands is referenced, it is not practical from the viewpoint of calculation load to calculate the likelihood by probabilistically assuming various idling / sliding states each time. Therefore, various types of idling / sliding states are probabilistically assumed in advance, and an approximate distribution of Rands is obtained. FIG. 8 schematically shows the relationship between the speed and Rands when a specific idling / sliding is assumed.
列車状態推定装置4Bは、初期化処理として、拡大状態ベクトルXtで表現される粒子を所定の数だけ生成する。これら粒子の集合は、拡大状態ベクトルXtの分布のモンテカルロ近似を表す。粒子の初期値は、たとえば、列車が停止している前提で、列車位置は特定範囲内の値、速度はゼロとする。
The train
列車状態推定装置4Bは、シミュレーション周期毎に、数4で示したシステムモデルに従って、前回時刻t−1の状態ベクトルxt−1から、当該時刻tの状態ベクトルxtを予測し、さらに、拡大状態ベクトルXt−1からXtを求める。この操作を、すべての粒子に適用する。
The train
センサ観測装置3Bは、シミュレーション周期毎に、走行パターン(時刻、位置)および位置補正用地上子の設置位置リストから、観測ベクトルytを生成し、列車状態推定装置4Bに入力する。
The
列車状態推定装置4Bは、センサ観測装置3Bから入力された観測ベクトルytを用いて、粒子のフィルタリングを行う。フィルタリングにおいては、観測モデルに基づき、各粒子の尤度、すなわち、ytが与えられた条件において、各粒子の状態を取りうる確率を求める。これは、各粒子の重みが均一であれば、粒子が与えられた条件において、ytが観測される確率を求めることと本質的に同義である。
The train
列車状態推定装置4Bは、算出された尤度(尤度比)に基づいて、粒子のリサンプリングを行う。これにより、時刻tにおける列車位置ptの分布のモンテカルロ近似が得られる。すなわち、在線確率分布が得られる。この分布をモニタ装置5に入力する。
The train
モニタ装置5は、列車状態推定装置4Bから入力された在線確率分布を、グラフ化して表示する。このとき、たとえば、カーネル密度推定を行うことで、モンテカルロ近似から連続確率分布を得ることができる。
The
シミュレーション係員は、在線確率分布の広がりが、所望の範囲か判断することで、設計パラメータ、すなわち、地上子配置の良否を判断する。 The simulation clerk determines whether the spread of the standing line probability distribution is within a desired range, thereby determining the quality of the design parameter, that is, the ground element arrangement.
簡単のため上記のモデルには組み込んでいないが、実際の列車制御システムにおいては、空転・滑走を検知した際に、最大加速度や最大減速度に従って速度を補正する機能を持つものがある。パーティクルフィルタでは、このような条件に応じて計算式が変化するような非線形モデルも扱えるという利点がある。 Although it is not included in the above model for simplicity, some actual train control systems have a function of correcting the speed according to the maximum acceleration or maximum deceleration when idling / sliding is detected. The particle filter has an advantage that it can handle a non-linear model in which the calculation formula changes according to such conditions.
統計モデルとそのシミュレーションを適用することで、究極的には、累積誤差の許容値という概念すら不要となる。累積誤差に許容値を設けるのは、許容値以上の誤差が発生した場合に、脱線・追突といった危険事象が許容できない可能性・頻度で生じうるからである。たとえば、図6のXc’のように、列車の脱線・追突を統計モデルで表現し、定量評価が可能であれば、安全性の検討において、危険事象の発生可能性や頻度について直接的な議論が可能となる。この場合、危険事象に至る一要因に過ぎない累積誤差がいくつであるかは、安全性の本質ではなくなる。 By applying a statistical model and its simulation, the concept of an allowable value of cumulative error is ultimately eliminated. The reason why the allowable value is provided for the accumulated error is that, when an error exceeding the allowable value occurs, a dangerous event such as derailment or rear-end collision may occur with a possibility / frequency that cannot be permitted. For example, if the train derailment and rear-end collision is expressed by a statistical model and can be quantitatively evaluated as shown in Xc ′ in FIG. 6, a direct discussion on the possibility and frequency of dangerous events in the safety study Is possible. In this case, how many accumulated errors are only one factor leading to a dangerous event is not the essence of safety.
1 設計パラメータ入力装置
11 設計対象指定部
12 設計パラメータ入力部
2 データ出力装置
3A 先行列車用センサ観測装置
3B 自列車または後続列車用センサ観測装置
4A 先行列車状態推定装置
4B 自列車または後続列車状態推定装置
5 モニタ装置
6 速度制御装置
7 速度制御結果表示用のモニタ装置
図6において
D1 安全余裕距離
Xa,Xa’ 先行列車(最後尾)の在線確率分布
Xb,Xb’ 後続列車が非常制動で停止した際の後続列車(最前部)の在線確率分布
Xc’ 先行列車と後続列車が同位置に存在する確率分布
TL 閾値
PD1,PD2 位置補正用地上子
L1,L2 地上子の設置間隔
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記設計用シミュレータは、列車制御システムを統計モデルで表現し、設計パラメータを入力してその統計モデルを用いてシミュレーションを行い、シミュレーション結果の誤差を時系列フィルタにより分析して確率分布を取得し、得られた確率分布が要件を満たすかを検証し、設計パラメータを変更しながらシミュレーションと検証を繰り返して、確率分布が要件を満たしたときの設計パラメータを適切な設計パラメータとして決定する列車制御システムの設計方法を使用するためのものであり、
設計対象について設計パラメータを入力するための設計パラメータ入力装置と、データベースから各列車の性能・走行パターンの固定データを読取って出力するデータ出力装置と、前記設計パラメータ入力装置から入力された設計パラメータおよび前記データ出力装置から入力された固定データを、設計対象に係る状態の推定に用いられるセンサの観測値に見立てて取得するセンサ観測装置と、取得されたセンサ観測値を時系列フィルタを用いて分析して前記設計対象に係る状態を確率分布により推定する状態推定装置と、その状態推定装置の推定結果を表示するモニタ装置とを有し、
前記設計パラメータ入力装置は、設計対象を指定するための設計対象指定部と、前記設計パラメータを入力するための設計パラメータ入力部とを含むことを特徴とする設計用シミュレータ。 A simulator for designing a train control system,
The design simulator expresses the train control system as a statistical model, inputs design parameters, performs simulation using the statistical model, analyzes the error of the simulation result using a time series filter, and obtains a probability distribution, the resulting probability distribution verify that satisfies the requirements, by repeating simulation and verification while changing the design parameters, the train control that determine the design parameters when a probability distribution satisfies the requirements as appropriate design parameters To use the design method of the system ,
Design parameter input device and design parameter input and a data output device for outputting read fixed data performance and running pattern of the train from the database, from the design parameter input device for inputting design parameters for design target and fixed data input from the data output device, using a sensor monitoring device to get likened to the observed value of the sensor used for estimating a state according to the design target, the time series filter acquired sensor observations a state estimating device for estimating the probability distribution of the state according to the design target was analyzed, and a monitor device for displaying the estimation result of the state estimation device possess Te,
The design parameter input device, designed simulator, which comprises a design target designating section for designating a design object, a design parameter input unit for inputting the design parameters.
前記センサ観測装置には、先行列車用センサ観測装置と後続列車用センサ観測装置とがあり、
前記先行列車用センサ観測装置には前記データ出力装置からの先行列車用固定データおよび前記設計パラメータ入力装置からの先行列車用設計パラメータが入力され、
前記後続列車用センサ観測装置には前記データ出力装置からの後続列車用固定データおよび前記設計パラメータ入力装置からの後続列車用設計パラメータが入力され、
各センサ観測装置に入力される前記固定データおよび前記設計パラメータは、設計対象に係る状態の推定に用いられるセンサの観測値に見立てて取得され、前記状態推定装置に入力されるとともに、
前記状態推定装置にも、先行列車の設計対象に係る状態を推定する先行列車状態推定装置と、後続列車の列車状態を推定する後続列車状態推定装置とがあり、
前記先行列車状態推定装置は、先行列車用センサ観測装置から取得されたセンサ観測値を時系列フィルタを用いて分析して先行列車の設計対象に係る状態を確率分布として推定し、
前記後続列車状態推定装置は、前記後続列車用センサ観測装置から取得されたセンサ観測値を時系列フィルタを用いて分析して後続列車の設計対象に係る状態を確率分布として推定することを特徴とする設計用シミュレータ。 Design simulator smell of claim 1 wherein Te,
Wherein the sensor monitoring apparatus, Ri and preceding train sensor observation device and subsequent trains sensor observation device there,
Preceding train for the design parameters from the preceding train fixed data and said design parameter input device from the data output device is input to the preceding train sensor observation device,
Subsequent train for the design parameters from the subsequent train fixed data and said design parameter input device from the data output device is input to the subsequent train sensor observation device,
The fixed data and the design parameters are input to the sensor monitoring unit is acquired to resemble the observed value of the sensor used for estimating a state according to the design target, the together is input to the state estimation device,
Also the state estimation device, a preceding train state estimation device for estimating a state according to the design target of preceding train, Ri subsequent train state estimation device and have to estimate the train state of the subsequent train,
The preceding train state estimation device estimates the state of the are a sensor observations obtained from preceding train sensor monitoring apparatus design target preceding train analyzed using time series filter as a probability distribution,
The subsequent train state estimation apparatus estimating means estimates the state of the are a sensor observations obtained from the subsequent train sensor monitoring apparatus design subject of a subsequent train analyzed using time series filter as a probability distribution design for the simulator to.
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