Max regenerative power (MW) 速度 (km/h) 時間 (s) 回生車が返却しようとする電力が大きく近傍に十分な負荷の無い場合饋電線の電圧が高くなり車両の主回路制御装置が電力変換装置を保護するため回生ブレーキの絞込みを行いエネルギー回収効果が低くなってしまう高速走

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［No.12-79］日本機械学会第 19 回鉄道技術連合シンポジウム講演論文集［2012-12.5～7.東京］

<3416> 直流電気鉄道の省電力運転のための

ブレーキ力制御と運転支援の提案

学［電］〇楊哲（東京大）学［電］渡邉翔一郎（東京大）

正［電］古関隆章（東京大）正［電］水間毅（交通安全環境研究所）

非［機］濱崎康宏（新京成電鉄）

Proposal of train operation assistance for energy saving of DC-electrified trains

Zhe YANG*, Shoichiro WATANABE, Takafumi KOSEKI , Univ. of Tokyo

Takeshi MIZUMA, National Traffic Safety and Environment Laboratory Yasuhiro HAMAZAKI, Shin-Keisei Electric Railway Co., Ltd.

This paper presents a manual train control assistance method for braking power-limiting energy-saving train operation. Braking assistance command would be generated from a “dictionary” prepared in advance to improve the regenerative braking availability, together with a safe and timekeeping stopping. The parameters of the proposed mechanism are discussed, and the energy saving effect is examined in a simulation.

Keywords : energy saving, DC-electrified train, operation assistance

１．はじめに パワーエレクトロニクス技術の進歩により、1968 年に回生ブレーキ車が初めて量産化(1)_{し、現在では、回生ブ} レーキ車が電車全体の 75.7%を占めている(2)_{。回生ブレ} ーキを活用することで、回生電力の有効活用による省エネルギー効果・機械ブレーキの使用を抑えることによる部品摩耗の低減・電車操作性能の向上による乗り心地の改善などを図っている。しかしながら、架線電圧が極めて高い場合や付近に回生電力を消費する電車がいない場合では、回生失効や回生絞込みが発生し、回生ブレーキを有効に利用することができない。これに対し、近年では、図 1 に示すように、回生電力を吸収する機能を持つ変電所の設置、車上や地上に、二次電池、二重層キャパシタ、フライホイールなどの電力貯蔵装置の導入が検討されている。一方、新たな設備を設置しなくても、運転方法を工夫し、大きな回生電力を出すことを防げれば、回生機能を有効に利用することが可能となる。

Fig. 1 Application of regenerative brake

電車の運転方法として、筆者らは省エネルギーに適す最大制動パワー制限ブレーキパターンを提案した(3)_。その後の研究グループの中での議論と検討を通じ、運転への適用に必要な具体的支援とデータ作成の考え方を導入した。本稿では、運転の安全と駅間走行時分の正確さを保ち、リアルタイム情報に基づき速やかに具体的操作方法を決め、且つ運転士に提示する運転支援方法を紹介する。 ２．回生ブレーキの活用 2.1 パワー制限ブレーキ

Fig. 2 Braking force recorded in experiment in March 2012 回生ブレーキとは、電車の制動の時に電動機を発電機として使い、電車の運動エネルギーを電力に変換して饋電線に返却するブレーキである。ただし、図 2 のように、 0 5 0 2 4 6 60 80 100 No tc h A ss istanc e B rake Co m m an d B rake Fee d b ac k Time (s)

Brake Command Brake Feedback Notch Assistance

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回生車が返却しようとする電力が大きく近傍に十分な負荷の無い場合、饋電線の電圧が高くなり、車両の主回路制御装置が電力変換装置を保護するため、回生ブレーキの絞込みを行い、エネルギー回収効果が低くなってしまう。高速走行時に大きな回生電力の発生を回避すれば、回生失効や回生絞込みを抑え、回生ブレーキを有効活用することが出来る。このような考えに基づき提案する「パワー制限ブレーキパターン」(3)_{を図 3 に示す。実線は従来しばしば用い} られてきた「最大ブレーキパターン」で、速度に関わらず最大ブレーキ力を出すことができる。このパターンを応用すると、電車を短時間短距離で止めることができ、操作も簡単なため、広く使われてきた。破線は「パワー制限ブレーキパターン」で、低速域で最大ブレーキ力を出す一方で、電動機／発電機性能に合わせ高速域で速度の二乗に反比例し低下する。すなわちこれにより、電動機の弱め界磁領域（高速域）での機械ブレーキ使用を抑制できる。点線は「離散化パワー制限ブレーキパターン」で、最大ブレーキ力を N 等分し、パワー制限パターンの内側に合わせた階段状のブレーキパターンとなっている。ある速度範囲で一定な制動力指令を出すため、適切な支援があれば、運転士が実行できるブレーキパターンと考えられる。この（離散化）パワー制限ブレーキパターンにおいて𝑣0は制動力を低下させ始める速度で、図 4 に示すように、𝑣0を小さくすれば「制限」が強くなり、パワー最大値𝑃𝑚𝑎𝑥= 𝐹𝑚𝑎𝑥× 𝑣0が小さくなる。その逆、𝑣0を大きくすれば「制限」が弱くなり、最大パワーが大きくなりる。従って、𝑣0を小さくし、弱いブレーキをかければ、大きな電力を出すことを避け、回生失効や回生絞込みを低減することができる。このようにしても周囲状況が悪くき線電圧が上昇する時に回生絞込みを完全に回避することはできないが、周辺の電車との細かい情報交換ができない一般的な条件において、回生制動の最大活用を可能とする方法である。

Fig. 3 Power limited brake

Fig. 4 Regenerative power output

電車の運転においては、安全性と定時性が最優先である。先述の省エネルギーを実現するため𝑣0を小さくし弱いブレーキをかけると、制動距離と制動時間が伸び、オーバーランもしくは到着遅れの恐れが出る。従って、以下では、安全性と定時性を守りながらどのように省エネルギー効果を最大限引き出すかを考える。 2.2 緩いブレーキの制約図 5 のような一般的な基準運転曲線を考える。電車が A 駅から発車し、13.70km のところに目標速度を達成し惰行に入る。13.80km から制動し、B 駅に停止する。

Fig. 5 Run curve

本例の区間の基準運転時分は 1 分 10 秒であるが、これは電車の最低性能で走ると想定した運転時分である。饋電線電圧が極めて低い場合を除けば、電車はより早く走ることができる。以前のある現車実験の結果によると、基準運転時分が 100 秒の区間での実際の運転時分は 90 秒だった。そのため、運転時分を守る前提で、基準運転曲線より早く走った余裕時間を、省エネルギー運転に利用することが考えられる。従来、電車が次駅にオーバーランしないために、惰行距離を縮め、早めに比較的強いブレーキに入るのが一般的であった。これに対し図 3、図 4 で提唱したパワー制限ブレーキでは高速で早めに緩いブレーキ動作に入り、その後徐々にブレーキ力を増してゆく。制動にかける時間が増えるが、走行の前半に時間余裕があれば全体の走行時分を守ることができる。以上のように、基準運転より余った時間余裕を生かす緩いブレーキは、安全性、定時性、省エネルギー効果の間にバランスを取る、エコ的な電車運転手段である。３．運転支援提案 2.1 に論じたパワー制限ブレーキは電車速度により制動力が違い従来より操作が難しいため、運転士に対する支援が重要である。また、有人運転の支援に基づき、将来 ATO が搭載した車両に直接に電車をコントロールすることも可能である。以下は、支援運転を構成する三つの部分、電車の運転情報の収集、支援意思の決定、ブレ 0 2 4 6 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 M ax r e ge n e rativ e p o we r (M W) vo (km/h)

Max power limited by v0 Max power by motors

A 駅 B 駅 20 40 60 80 100 速度（ k m /h ） 30 60 90 120 150 時間（ s）

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ーキの操作支援を紹介する。 3.1 運転情報の収集運転情報の収集とは、電車の速度、位置、走行時間、き線電流電圧などの情報を収集することである。これらの情報に基づき、採用すべきブレーキパターンを決定することを、ブレーキパターンの修正や、及び省エネルギー効果を可視化するために利用する。本研究における現車試験では、GPS による電車速度、位置のデータ収集をはじめ、車上搭載の記録装置からデータをリアルタイムに読み取った。速度、位置情報以外にも、ブレーキ指令、電気ブレーキ出力、き線電圧、き線電流、応荷重など、電車の走行状態を反映する様々な情報を収集することで、異なる状況での運転支援効果を全面的に分析することが可能となる。支援システムの意思決定に有効な情報とは、電車の将来の運転状態を比較的正確に推測し、かつブレーキ動作に入る前に収集できる情報である。したがって、ブレーキ動作以前の力行、或いは惰行の二つ運転状態の中では、架線電圧の影響を受けない惰行時に意思決定を行うほうが好ましい。 3.2 支援意思の決定本稿の支援意思の決定とは、既に収集した電車の走行情報に基づき、基準運転時分以内で駅に到着し、かつオーバーランなしに停止するとの前提で、最も緩いブレーキパターンを決定することである。リアルタイム意思決定なので、できるだけ計算時間と計算量が少ないアルゴリズムが要求される。筆者の提案は、リアルタイムにシミュレーションではなく、オフラインであらゆる可能な状況に対し対応すべきブレーキパターンを用意し、容易に検索できる「辞書」として、支援開始点における通過速度と残り時間を index とするテーブルを用意することで、運転支援を行う時に電車の走行状態をこの辞書から選択し、適切なブレーキパターンを速やかに見つけること。理論的には、惰行状態におけるあらゆる位置、あらゆる速度、あらゆる残り時間をカバーする辞書を用意し、各ケースにおける最も緩いブレーキの制動パターンを収録すればよい。ただし、ここに注意を払うべきなのは、データベースのサイズである。リアルタイム支援にはデータの通信速度を確保する必要があるため、あまり大きなデータベースでは検索時間も通信時間も長くなり、リアルタイム支援ができない恐れがある。従って、電車の走行状態を全面的にカバーしつつ、適切に小さな辞書を準備することが鍵となる。そこで支援開始位置を固定する。すなわち支援開始位置を複数の既定値にし、電車がその位置を通過する時の速度と残り時間から、最も緩いブレーキパターンを選択する。この方法の優位点は、事前に容易に予測できる電車の惰行区間に支援開始位置を設ければ、電車がその点を惰行で通過することがほぼ確実になることである。また、過去の現車実験でわかった多様な運転状況に柔軟に対応するため、支援開始位置を複数設ける。電車の加速性能が優れ予定より早く加速終了した場合に、早い段階で支援運転に入ることができ、より多くの残り時間を活かして緩いブレーキパターンを選択する。一方、電車が何らかの原因で速度を低下させ余裕時間が少なくなった場合、次の支援開始点で新たな情報に基づく支援ブレーキパターンを更新すれば、到着時分を守ることができる。各𝑣0に適するブレーキパターンを作るには、決められたブレーキ出力に従って、次駅から制動曲線を逆引きし、支援開始点での通過速度まで支援運転曲線を作成してもよいが、異なる通過速度に該当する支援指令の違いは制動開始点の位置だけなので、それらの支援指令をすべてに収録することは冗長となる。そこで、支援開始点の各通過速度に合わせて支援指令を用意するのではなく、図 6 のように、支援開始点での想定した最大速度まで制動曲線（破線）と支援指令（実線）を用意し、実際の電車運転曲線（点線）を監視しながら、支援曲線（破線）とぶつかる点（A 点）から支援指令（実線）をアクティブにすれば、同じ𝑣0に該当するすべての通過速度を一つの制動支援軌道データで対応できる。これにより、辞書とデータベースのサイズを抑えながら必要な支援情報をカバーし、リアルタイムの支援意思決定が可能となる。

Fig. 6 Application of brake pattern 3.3 ブレーキの操作支援本稿におけるブレーキの操作支援とは、決定したブレーキパターンを運転士に伝達することである。運転士に指令に円滑に従ってもらうためには、指令の種類ができるだけ単一で、操作が簡単で、かつ連続する二つの指令の間に時間の余裕を十分に考慮することが重要である。そこで、運転台に 10 インチの汎用携帯端末の液晶モニタを設置し、その画面にノッチ指令を数字と扇形の図で同時に出すとともに、スピーカを設置し、雑音があっても聞き取りやすい女性の音声でノッチ指令を読み上げることにした。ノッチ指令は運転士の習慣を考慮し、通常のノッチ操作範囲内の三つに絞った。さらに、保安のために、支援指令の最大ブレーキ力を実際の最大ブレーキ力の 5/7 程度にし、支援指令で止まれない場合のより強い制動を可能とした。４．ケーススタディとシミュレーションケーススタディとして、図 5 の区間の基準運転曲線の力行終了点を支援開始位置とし、電車がそこを通過する時の速度と残り時間に基づき、最も弱いブレーキを提示する𝑣0を計算する。その結果が図 7 に示す。図 7 は、電車が支援開始位置を通過する速度を x 軸、残り時間を y 軸に、二次元のテーブルを用意し、その上に各(x, y)に適用する一番小さな𝑣0を z 軸プロットした「辞書」である。 x 軸（速度）の幅は、基準運転曲線の速度±10km/h の範囲に設定し、電車が支援開始位置での通過速度の可能な範囲とする。「A band」と表示された部分は、ある通過速 0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 80 400 600 800 1000 N o tc h Veloc ity (k m /h ) Distance (m) Velocity Notch

A

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度に異なる残り時間が与えられた場合に、採用可能な一番小さな𝑣0であり、上の辺では残り時間が少なく大きい 𝑣0を、下の辺では残り時間に余裕があり小さい𝑣0を採用する。もしも残り時間が上の辺より少なければ、ぎりぎりまで惰行し最大ブレーキをかけたとしても駅間走行時分を守ることはできず遅延を生じてしまう。一方、残り時間が下の辺より多かったとしても、保安上の理由から 𝑣0を下げたより緩いブレーキ操作は行わない。上記の二次元のテーブルにあるすべての𝑣0に対して、電車が支援開始位置から停車駅まで、𝑣0に一意に対応した出力のパターンに基づき、図 8 のように次駅から逆引き計算をし、ブレーキ開始位置と各ブレーキノッチの入れる位置とを求め、支援操作パターンを用意する。電車の速度が支援速度より低い時にはまず惰行指令を出しておき、図 6 の A 点で示した通り電車速度が支援速度と一致した時に支援指令をアクティブにする。

Fig. 7 2D-table for searching for power limiting tag

Fig. 8 Braking command and velocity 以上のように𝑣0を探す二次元の「辞書」と該当のブレーキパターンを含めた𝑣0による一次元データベースを独立に用意すれば、実際電車が支援開始位置を通過する時の状態に基づき、リアルタイムに適切なブレーキ指令を出すことが可能となる。動作確認のため、このデータベースを交通安全環境研究所が開発した運転支援システムに実装し、現車試験で記録された走行データを用いてその動作を模擬検証した。その一部の結果を図 9 に示す。図 9 に、12150m から発車した電車（青線、B）が、基準運転曲線（赤線、A）より高い加速度で力行し、支援開始位置（黄緑点）の前に惰行に入る。支援開始位置を通過する速度 72km/h は基準速度 76km/h よりやや低いが、その差が図 7 の辞書にカバーされるので支障が生じない。基準運転曲線より速く走って稼いた時間から𝑣0= 46km/h が適切なパワー制限速度だと辞書から判断し、支援システムが𝑣0= 46km/h に該当する支援運転曲線（緑線、C）を提示する。その運転支援曲線をもとに、電車の位置に基づき運転士に適切な指令が送られ、既定の緩いブレーキパターンのもとに運転士のノッチ操作を支援する。また、図 4 によると𝑣0= 46km/h の時の最大回生電力は約 3.7MW で、電動機の最大パワー6.57MW を大きく下回るので、C 線に従って運転すれば回生失効や回生絞込みを有効に抑えることが可能となる。この実走行データを用いたシミュレーションを通じ、本稿で提案している辞書・ブレーキパターンというデータベースを利用し、余裕時間を生かしリアルタイムで適切な緩いブレーキパターンを提示することが可能なことが確認された。実際の支援における、多様な線路状況、運転士の操作、電圧の変動、回生電力量の変化に関する考察を、2012 年 10 月の現車実験で行う。

Fig. 9 Simulation with recorded run curve ５．まとめ以上が、電車の省エネルギー運転のためのブレーキ出力制御とリアルタイムの運転支援方法を提案した。これを通じ回生失効や回生絞込みを低減し、回生ブレーキをより活用することができる。今後は、本提案に基づき、支援データを現車システムに実装し、実際の路線で実験を行うことにより、提案手法の性能と効果の検証を進めていく予定である。なお、本研究は鉄道建設・運輸設備整備支援機構の「運転分野における基礎的な研究推進制度」採択研究課題として実施されたものである。同機構、交通安全環境研究所、新京成電鉄、セントラルエンジニアリングの関係者各位、および有益なご指導をいただいた千葉大学近藤圭一郎先生に謝意を表する。参考文献 1) 電気車研究会「鉄道ピクトリアル」1999 年 2 月号、 No. 665, P. 48-53 2) 日本民営鉄道協会、環境パンフレット「環境と鉄道」、 2008. 10 3) 古関隆章ら：直流電気鉄道回生エネルギー有効活用のための運転支援と高度なブレーキ力制御、電気学会研究会資料、pp59-64、2012. 07 0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 80 400 600 800 N o tc h Veloc ity (k m /h ) Distance (m) Velocity Notch V el oc it y (k m /h ) Distance 20 40 60 80 0 A、基準計画 B、実績 C、支援

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TER-13-006 PHS-13-010 1／6

回生有効活用で省エネルギーを図るブレーキ制御と

その支援の実証研究

楊哲* 渡邉翔一郎古関隆章（東京大学）

水間毅（交通環境安全研究所）

濱崎康宏（新京成電鉄）

Theoretical and Experimental Studies on Braking Assistance for Energy-saving Train Operation with Effective Usage of Regenerative Brake

Zhe YANG＊_{, Shoichiro WATANABE, Takafumi KOSEKI (University of Tokyo)}

Takeshi MIZUMA, National Traffic Safety and Environment Laboratory Yasuhiro HAMAZAKI, Shin-Keisei Electric Railway Co., Ltd.

Regeneration cancelling limits the energy saving effect of regenerative brake. To solve this problem, this paper presents a manual train control assistance method for braking power-limiting train operation. An experimental driving with assistant system based on this theory is carried out on a real train, whose result shows an improved energy recycling ratio with time-keeping driving.

キーワード：直流電気鉄道，省エネルギー，回生ブレーキ，回生失効，運転支援，基準運転時分

(DC electric railway, Energy saving, Regenerative brake, Regeneration cancellation, Driving assistance, Regular running time) 1. はじめにパワーエレクトロニクス技術の進歩により、1968 年に回生ブレーキ車が初めて量産化(1)_{し、現在では、回生ブレーキ} 車が電車全体の 75.7%を占めている(2)_{。回生ブレーキを活用} することで、(1) 回生電力の有効活用による省エネルギー効果 (2) 機械ブレーキの使用を抑えることによる部品摩耗の低減 (3) 電車操作性能の向上による乗り心地の改善などを図っている。しかしながら、架線電圧が極めて高い場合や付近に回生電力を消費する電車がいない場合では、回生失効や回生絞込みが発生し、回生ブレーキを有効に利用することができない。これに対し、近年では、回生電力を吸収する機能を持つ変電所の設置、車上や地上に、二次電池、二重層キャパシタ、フライホイールなどの電力貯蔵装置の導入が検討されている。一方、新たな設備を設置しなくても、運転方法を工夫し、大きな回生電力を出すことを防げれば、回生機能を有効に利用することが可能となる。電車の運転方法として、筆者らは省エネルギーに適す最大制動パワー制限ブレーキパターンを提案し、運転への適用に必要な具体的支援とデータ作成の考え方を導入した(3)_。本稿では、その提案に基づいた現車実験を行い、実験成果から支援の有効性を実証する。 2. ブレーキ力制御と運転支援〈2･1〉回生ブレーキの活用のためのブレーキ力制御回生ブレーキとは、電車の制動の時に電動機を発電機として使い、電車の運動エネルギーを電力に変換して饋電線に返却するブレーキである。ただし、回生車が返却しようとする電力が大きく近傍に十分な負荷の無い場合、饋電線の電圧が高くなり、車両の主回路制御装置が電力変換装置を保護するため、回生ブレーキの絞込みを行い、エネルギー回収効果が低くなってしまう。高速走行時に大きな回生電力の発生を回避すれば、回生失効や回生絞込みを抑え、回生ブレーキを有効活用することができる。このような考えに基づいて提案する「パワー制限ブレーキパターン」(3)_{を Fig. 1 に示す。実線は従来しばしば用いら} れてきた「最大ブレーキパターン」で、速度に関わらず最大ブレーキ力を出すことができる。破線は「パワー制限ブレーキパターン」で、低速域で最大ブレーキ力を出す一方で、電動機／発電機性能に合わせ高速域で速度の二乗に反比例し低下する。すなわちこれにより、電動機の弱め界磁領域（高速域）での機械ブレーキ使用を抑制できる。点線は「離散化パワー制限ブレーキパターン」で、最大ブレーキ力を N 等分し、パワー制限パターンの内側に合わせた階段状のブレーキパターンとなっている。ある速度範囲で一定な制動力指令を出すため、適切な支援があれば、運転士が実行できるブレーキパターンと考えられる。この（離散化）パワー制限ブレーキパターンにおいて𝑣0は制動力を低下させ始める速度で、𝑣0を小さくすれば「制限」が強くなり、パワー最大値𝑃𝑚𝑎𝑥= 𝐹𝑚𝑎𝑥× 𝑣0が小さくなる。その逆、

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2／6 𝑣0を大きくすれば「制限」が弱くなり、最大パワーが大きくなる。従って、𝑣0を小さくし、弱いブレーキをかければ、大きな電力を出すことを避け、回生失効や回生絞込みを低減することができる。このようにしても周囲状況が悪くき線電圧が上昇する時に回生絞込みを完全に回避することはできないが、周辺の電車との細かい情報交換ができない一般的な条件において、回生制動の最大活用を可能とする方法である。図 1 パワー制限ブレーキパターン Fig. 1. Brake pattern with limited power

先述の省エネルギーを実現するため𝑣0を小さくし弱いブレーキをかけると、制動距離と制動時間が伸びる問題がある。ただし、列車運転に守る必要がある基準運転時分は、列車の最低性能で走ると想定したものであるため、一般的に列車はこれより早く走ることができる。そのため、惰行距離を縮め、早めに緩いブレーキ動作に入っても、走行の前半に時間余裕があれば全体の走行時分を守ることができる。〈2･2〉運転支援の提案〈2.1〉に論じたパワー制限ブレーキは電車速度により制動力が違い従来より操作が難しく、また運転余裕時間によってブレーキのかけ方が違うため、運転士に対する適切な支援が重要である。運転支援は、電車運転情報の収集、支援意思の決定、ブレーキの操作支援という三つのステップから組み合わせている。 (１) 運転情報の収集運転支援は情報の収集から始まる。運転情報の収集とは、電車の速度、位置、走行時間、架線電圧、回生電流などの情報を収集することである。その手段としては、GPS、車上搭載の記録装置、地上子などの方式がある。GPS の場合では電車速度、位置など簡単な情報が得られる。一方、車上記録装置の場合では列車の制御系統まで触れるのができるため、運転士の操作指令、モータ電流・トルク、架線電圧、回生電流、応荷重など、電車の走行状態を反映するなど様々な情報を収集することができる。支援システムの意思決定に有効な情報とは、電車の将来の運転状態を比較的正確に推測し、かつブレーキ動作に入る前に収集できる情報である。したがって、ブレーキ動作以前の力行、或いは惰行の二つ運転状態の中では、架線電圧の影響を受けない惰行時に意思決定を行うほうが好ましい。 (２) 支援意思の決定運転情報の収集がおわった後は、運転支援が支援意思の決定に移行する。支援意思の決定とは、既に収集した電車の走行情報に基づき、基準運転時分以内で駅に到着し、かつオーバーランなしに停止するとの前提で、最も緩いブレーキパターンを決定することである。リアルタイムの支援意思決定では、できるだけ計算時間が少ないアルゴリズムが必要である。これに対して筆者らの提案は、リアルタイムにブレーキパターンを計算するのではなく、オフラインであらゆる可能な状況に対し対応すべきブレーキパターンを用意し、支援開始点における通過速度と残り時間を index として「辞書」を作る。そして、運転支援を行う時に電車の走行状態に応じた適切なブレーキパターンを辞書から速やかに選択する。理論的には、惰行状態におけるあらゆる位置、あらゆる速度、あらゆる残り時間をカバーする辞書を用意し、各ケースにおける最も緩いブレーキの制動パターンを収録すればよいのだが、もう一つ考慮すべきことは、データベースのサイズである。リアルタイム支援でデータの通信速度を確保する必要があるため、あまり大きなデータベースでは検索時間も通信時間も長くなり、リアルタイム支援に支障が生じる恐れがある。従って、電車の走行状態を全面的にカバーしつつ、適切な大きさの辞書を準備することが鍵となる。そこで支援開始位置を固定する。すなわち支援開始位置をFig. 2 (a) に示すように複数の既定値にし、電車がその位置を通過する時の速度と残り時間から、最も緩いブレーキパターンを選択する。この方法の優位点は、事前に容易に予測できる電車の惰行区間に支援開始位置を設ければ、電車がその点を惰行で通過することがほぼ確実になることである。また、過去の現車実験でわかった多様な運転状況に柔軟に対応するため、支援開始位置を複数設けることで、電車の加速性能が優れて予定より早く加速終了した場合に、早い段階で支援運転に入ることができ、より多くの残り時間を活かして緩いブレーキパターンを選択することができる。一方、何らかの原因で列車の速度が低下し、余裕時間が少なくなった場合でも、次の支援開始点で新たな情報に基づき支援ブレーキパターンを更新すれば、到着時分を守ることができる。電車が決めておいた支援開始点を通過する時の速度と残り時間から、最も緩いブレーキ、つまり𝑣0を検索する辞書をFig. 2 (b) に示す。Fig. 2 (b) は、電車が支援開始位置を通過する速度をx 軸、残り時間を y 軸に展開して二次元のテーブルを用意し、その上に各(x, y) に適用する一番小さな 𝑣0を z 軸にプロットした「辞書」である。速度の展開範囲は基準運転速度±10km/h に設定し、運転士個人操作による速度差異をカバーする。「A band」と表示された部分は、ある通過速度に異なる残り時間が与えられた場合に、採用可

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3／6 能な一番小さな𝑣0であり、上の辺では残り時間が少なく大きい𝑣0を、下の辺では残り時間に余裕があり小さい𝑣0を採用する。もしも残り時間が上の辺より少なければ、ぎりぎりまで惰行して最大ブレーキをかけたとしても駅間走行時分を守ることはできず遅延を生じてしまう。一方、残り時間が下の辺より多かったとしても、保安上の理由から𝑣0を下げるより緩いブレーキ操作は行わない。各𝑣0に適するブレーキパターンを作るには、決められたブレーキ出力に従って、次駅から制動曲線を逆引きし、支援開始点での通過速度まで支援運転曲線を作成してもよいが、異なる通過速度に該当する支援指令の違いは制動開始点の位置だけなので、それらの支援指令をすべてに収録することは冗長となる。そこで、支援開始点の各通過速度に合わせて支援指令を用意するのではなく、Fig. 2 (c) のように、支援開始点での想定した最大速度まで制動曲線（破線）と支援指令（実線）を用意し、実際の電車運転曲線（点線）を監視しながら、支援曲線（破線）とぶつかる点（A 点）から支援指令（実線）をアクティブにすれば、同じ𝑣0に該当するすべての通過速度を一つの制動支援軌道データで対応できる。支援指令をアクティブしてから、指令曲線が平らな区間では一定のブレーキ力指令を、指令曲線が階段の部分では該当のブレーキ力変更指令を運転士に送れば良い。これにより、辞書とデータベースのサイズを抑えながら必要な支援情報をカバーし、リアルタイムの支援意思決定が可能となる。図 2 支援意思の決定

Fig. 2. Decision making of driving assistance

(３) ブレーキの操作の指令支援本稿におけるブレーキの操作支援とは、決定したブレーキパターンを運転士に伝達することである。運転士に指令に円滑に従ってもらうためには、指令の種類ができるだけ単一で、操作が簡単で、かつ連続する二つの指令の間に時間の余裕を十分に考慮することが重要である。また、保安のために、支援指令の最大ブレーキ力を常用最大ブレーキ力以下に設定し、万が一支援指令で止まれない場合でもより強い制動を可能とする必要がある。以上のように𝑣0を探す二次元の「辞書」と該当のブレーキパターンを含めた𝑣0による一次元データベースを独立に用意すれば、実際電車が支援開始位置を通過する時の状態に基づき、リアルタイムに適切なブレーキ指令を出すことが可能となる。そしてこの提案を、回生失効や回生絞り込みをどのくらい抑え、回生エネルギーの最大化と機械ブレーキの低減にどのくらい貢献できるかに基いて、次章の現車実験を通じて評価する。 3. 運転支援による運転実験運転支援の提案を実際の電車走行における性能と効果を検証するために、交通安全環境研究所、新京成電鉄、東京大学の共同研究グループが、2012 年 10 月 13～14 日にわたって、千葉県新京成線で、上り方向で新津田沼駅から八柱駅まで、支援なし通常運転で一回、支援運転で三回の走行実験を行った。実験当時の天気について、13 日が晴れ、気温20～24℃、風向北西、風速 1～3m/s で、14 日が曇、気温17～18℃、風向北東、風速 1～2m/s で、穏やかな天気である。そこで、駅間における、支援なし運転と支援あり運転の時の電力、エネルギーの使用状況と運転時分を分析して、異なる線路状況における支援支援の動作と効果を確認する。〈3･1〉分析対象データ分析では、全区間のデータを羅列するのではなく、様々な線路状況と運転パターンから、汎用的な運転状況を反映できる、典型的な運用を選別して評価する。新京成線では線路状況が複雑で様々な駅間走行パターンが応用されている。その特徴を活かして代表的な運用を選んで分析すれば、実験線路に限らずより一般的な線路状況でもの支援効果を示すことができる。したがって、Table. 1 に示す 4 つの駅間を本論文のデータ分析に取り上げる。その中に、最高速度まで許す区間や、駅間が短く十分力行できない区間、急カーブが多く速度制限が厳しい区間など様々な路線状況が含まれている。また区間線路状況に合わせて最大力行－惰行－ブレーキという一般的な走行パターンのほか、速度制限で二段力行・二段ブレーキなど特別な走行パターンも検討できる。一般的な線路状況と常用の運転方式をカバーできるので、その評価結果は汎用的な参考になると考えられる。その 4 つの区間での運用を簡単に表現するために、Table. 2 に示すように、駅間番号（I、II、III、IV）に支援なしの N (Not assisted) あるいは支援ありの A (Assisted) を付けて略記する。

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表 1 データ分析駅間

Table. 1. Selection of running operation for analysis

地理状況運転パターン駅間 I 前原 ↓ 薬園台勾配上りカーブ緩い速度制限なし駅間距離長い線路状況が簡単なため、フル加速して高速運転を行う。力行－惰行－ブレーキ駅間 II 習志野 ↓ 北習志野勾配水平カーブ急速度制限あり駅間距離短い駅間距離短いため、フル加速せず低速運転を行う。力行－惰行－ブレーキ駅間 III 新津田沼 ↓ 前原勾配上りカーブ急速度制限あり駅間距離長い速度制限に合わせて二段力行を行う。力行－惰行－力行－惰行－ブレーキ駅間 IV 北初富 ↓ くぬぎ山勾配水平カーブ急速度制限あり駅間距離長い速度制限に合わせて二段力行及び二段ブレーキを行う。力行－惰行－力行－惰行－ブレーキ－惰行－ブレーキ * 駅間の半分が上り勾配に占められる場合に「勾配上り」、上り勾配と下り勾配も半分以下に占められる場合に「勾配水平」と表記 ** 駅間で半径が300m以下のカーブがある場合に「カーブ急」、ない場合に「カーブ緩い」と表記 *** 駅間距離が1000m以上の場合に「駅間距離長い」、1000m以下の場合に「駅間距離短い」と表記 **** 運転パターンの「惰行」という表現にはノコギリ運転（惰行による速度低下を補償する最力行操作）に伴って行うことがある表 2 駅間運用の表記

Table. 2. Abbreviation of operation 駅間 I 前原－薬園台駅間 II 習志野－北習志野駅間 III 新津田沼－前原駅間 IV 北初富－くぬぎ山支援なし運用 I_N 運用 II_N 運用 III_N 運用 IV_N 支援あり運用 I_A 運用 II_A 運用 III_A 運用 IV_A

N: Not assisted. A: Assisted.

〈3･2〉支援効果 (１) 省エネルギー効果・電力利用率の向上駅間 I-IV のブレーキエネルギー回収状況は Fig. 3 に示す。Fig. 3 (c) では、III_A は運転支援によりブレーキエネルギーの回生ブレーキ担う割合がIII_N より大幅に上昇し、機械ブレーキの使用割合を半分以下に抑え、架線に通じてエネルギーの再利用を達成できた。Fig. 3 (b) では、II_A は軽負荷回生におけても、運転支援により回生失効を回避したほか、ブレーキ力の変更を抑えることで、初込めブレーキを抑制し、重負荷回生のII_N よりも優れなエネルギー回収効果が実現できた。従って、2.1 に提案した「ブレーキ力を制限することによる回生絞込みの回避」が確認できた。ただし、情報収集や運転士の反応、列車の反応などの無駄時間の原因で、Fig.3(a) に示す I_A のように回生失効率が従来のままのケースもあった。その他に、個別な二段制動を採用する区間では、運転士従来の操作に合わなかったため不評判とされていて、Fig.3(d) に示す IV_A のように省エネルギー効果を引き出すことができなかった。この二点に関しては〈3･3〉に再議論する。列車の走行エネルギー回収効果を高めるほかに、惰行距離を縮めて緩いブレーキに引き換えることで、Fig. 4 に示すようにブレーキパワーの最大値を抑えて出力を平均化することができる。さらに上記の無駄時間に対策すれば、最大電力をさらに抑えることが考えられる。それにより回生電力が穏やかになり、将来電力貯蔵システムを設置する場合でも、必要な負荷を軽く見積もり、導入コストを抑えられると考えられる。 (２) ブレーキ力制御と定時運転の両立各運用の運転時分はFig.5 に示す。支援のない時では、運転士が強いブレーキをかけ、走行時分に余裕を持って駅に到着する。一方、支援があるとき、運転士が緩いブレーキをかけても基準時分を守ることができる。過保護な減速により低速惰行を挿入したII_A を除けば、全体が計画運転時分に収まることが確認できる。従って、運転支援を通じて、従来に実現できなかった、列車の速度と余裕時分に基づき高速時に弱いブレーキ・低速時に強いブレーキという運転法が実現できた。車上装置で必要な情報を収集し、停車駅に定時到着できるブレーキパターンをリアルタイムに選別して支援指令を出力する。運転士は従来のように運転に集中し、指令の元に操作すれば定時到着することができる。それによって〈2･1〉のブレーキ力制御提案を、従来に運転条件に支障なくプラグインできることが実証された。 (３) 乗り心地の良さ従来のブレーキパターンは「一段緩め」と呼ばれ、高速時に強いブレーキをかけ、速度を落としてからブレーキを緩めて駅の位置に合わせて停車する方式である。このブレーキパターンだと、初めのブレーキ力を大きく出したり、駅の位置に合わせてブレーキ力調整したりするので乗り心地を悪化させる可能性がある。支援運転におけては、ブレーキ距離を伸ばし緩いブレーキをかけるため、従来よりブレーキ力が小さく、乗客に与える慣性負担を低減できる。また、ブレーキ力の階段状にあがり、急なブレーキ力変化がなく、ブレーキ力の変更回数が少ないため、さらに乗り心地を良くすることができる。

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5／6 (４) 自動運転（ATO）への応用現在では運転士が列車を操作するのが一般的だが、新交通や地下鉄を始め、自動運転の導入が進められている。実験においてFig. 6 のように、運転支援機能がリアルタイムに勾配・カーブなどの路線状況を考慮して正しい支援指令を運転士に送ることから、自動運転の場合では指令を駆動装置に入力すれば動作可能と考えられる。また、自動運転では機械への指令から人が操作するまでの遅延がなく、純電気信号で列車を制御することができるため、より高い精度で計画ブレーキパターンにしたがって停車できると考えている。 (５) 支援効果まとめ以上、現車実験を通じ、提案したブレーキ力制御及び運転支援アルゴリズムが、多様な駅間走行に応用できることを明らかした。運転支援が列車の状態から適切なブレーキパターンで支援するため、従来では難しいとされる運転法が容易になっている。緩いブレーキパターンを採用することで、列車の回生失効率を低減して走行エネルギーの回収効果を上げることと、電力貯蔵システムが設けられる場合にブレーキパワーを抑制することで系統の負担を低減することができる。さらに、支援システムの無駄時間などの問題点を対策すれば、支援効果をさらに大きくすることが考えられる。図3 機械・回生ブレーキのエネルギーの分担状況 Fig.3. Regenerative/Mechanical ratio of braking

en-ergy

図 4 各運用のブレーキパワー最大値・平均値 Fig.4. Maximum/Average of regenerative power

図 5 駅間走行時分

Fig.5. Running time for each station section

図 6 運転支援の車上装置動作（例） Fig.6. Sample of real-time execution

Assistance starting point Braking assistance Vel ocit y (k m /h) (a) 駅間 I (b) 駅間 II (c) 駅間 III (d) 駅間 IV (a) 駅間 I (b) 駅間 II (c) 駅間 III (d) 駅間 IV

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6／6 〈3･3〉実験からわかった問題点と対策 (１) 無駄時間現車実験の時、支援における無駄時間のため支援効果が落ちることは〈3･2〉に示した。支援における無駄時間というのは、列車の走行状態に適用な指令信号を列車の駆動装置まで伝達際の遅延時間である。計画ブレーキパターンより過走することは支援効果の悪化に直接につながるため、より安定的な運転支援効果を得るためには無駄時間に対策をうつ必要がある。そこにFig.7 に示すように、今現在の速度情報を使って閾値T 秒後の速度と位置を予測し、その予測結果から現在の操作を決める「先読み機能」を支援システムに導入することで、無駄時間の影響が抑えられると考えている。図7 支援指令の先読み機能 Fig.7. Order outputting with prediction

(２) 二段制動二段制動というのは、速度制限区間前の減速操作と駅前のブレーキ操作が組み合わせた操作である。二度の制動の間には列車を惰行させるために、ブレーキを一旦抜く必要がある。提案したブレーキパターンでは、Fig.8(a) に示すように、低速域では強いブレーキをかける方針である。それにより二段制動の場合では惰行からいきなり強いブレーキをかける指令があり、運転士に心理負担を負わせるほか、乗り心地を悪化する可能性もある。そこに、Fig.8(b) に示すように、第二段階のブレーキ力を調整する。低速時にブレーキを立ち上がるときは中間程度のブレーキ力で行う。このようにブレーキ距離を伸ばし弱いブレーキをかけることで、運転士の心理負担を低減し、少々過走しても修正する余裕がある。また、惰行状態から立ち上がったブレーキ力が小さいので、乗り心地を良くすることができる。 4. 結論以上により、本論文では直流電気鉄道の回生ブレーキを活用するブレーキ力制御及びそのための支援方法を提案した。実路線での現車実験を通じて、列車の運転状況に合わせるリアルタイムの支援機能の正常動作、及び回生エネルギーをより多く回収する省エネルギー効果を確認し、提案の有効性を確認した。そして実験から新たにわかった問題点に対策をうち、省エネルギー効果を一層上げることを目指している。なお、本研究は鉄道建設・運輸設備整備支援機構の「運転分野における基礎的な研究推進制度」採択研究課題として実施されたものである。同機構、交通安全環境研究所、新京成電鉄、セントラルエンジニアリングの関係者各位、および有益なご指導をいただいた千葉大学近藤圭一郎先生に謝意を表する。 (a) 不評判とされたパターン (b) 改良パターン図8 二段制動の改良

Fig.8. Improvement of braking pattern

文献

(１) 電気車研究会: “鉄道ピクトリアル”, 1999 年 2 月号、No. 665, P. 48-53

(２) 日本民営鉄道協会、環境パンフレット「環境と鉄道」、2008.10 (３) Z.Yang, S.Watanabe, T.Koseki, T.Mizuma, Y.Hamazaki, “Proposal

of train operation assistance for energy saving of DC-electrified trains”, J-RAIL, Sendai, Japan, 2012.12, No.3416 (in Japanese)

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直流電気鉄道の省エネルギー運転における電力

制限回生ブレーキの効果と回生率の影響評価

渡邉翔一郎

＊

_{，古関隆章 (東京大学)}

Evaluation of Effects of Regeneration Ratio and Power-Limiting Brakes in Energy-Saving DC-Train Operations Shoichiro Watanabe， Takafumi Koseki (The University of Tokyo)

１．2 つの省エネルギー運転方法と比較する動機直流電気鉄道において省エネルギー運転を実現するにはノッチオフ速度を下げる，回生ブレーキを精一杯使うなどといった方法がある。ノッチオフ速度を下げると力行に必要なエネルギーを減らすことができ，回生ブレーキを精一杯使うと力行で使ったエネルギーの一部を回収することができるため，全体で見ると消費するエネルギーを少なくすることができる。しかし，ダイヤ通りに運行するためには走行時分を守らなければならない。そこで走行時分を守るという制約を考えると，省エネルギー運転の方法は次の 2 つに絞られる。 (Ⅰ) ノッチオフ速度を下げ，強いブレーキをかける (Ⅱ) ノッチオフ速度を下げずに，回生ブレーキを早い時点からかけはじめるこれらの運転方法を取り入れた場合の運転曲線を図 1 に示す。(Ⅰ)ではノッチオフ速度を下げて時間がかかった分を強い機械ブレーキをかけて補い，(Ⅱ)では機械ブレーキよりも緩い回生ブレーキを使って時間がかかった分を最初の力行で補っている。これらはいずれも有効な手段ではあるが，一般に走行時分と消費電力量はトレードオフの関係にあるため，両者を同時に実現することは不可能である。また，直流電気鉄道においては，変電所の整流器にダイオードが図 1 走行時分を守って省エネルギー運転を実現した場合の運転曲線

Fig.1. Run curve for energy-saving operation in a standard running time 用いられているため，回生ブレーキで得られた電力は同一き電区間の他の力行車で消費しなければならない。そこで，回生電力が失効する場合，つまり電力制限回生ブレーキを考えて，(Ⅰ)(Ⅱ)の運転手法を様々な路線ケースでシミュレーションし，どちらが省エネルギー効果が大きいのかを考察した。２．運転曲線とエネルギーの計算方法今回の検討では通勤電車をモデルに，2km の駅間を力行-惰行-制動で運行し，再力行などは行わないものと仮定した。また，走行時分と消費電力量の対応を見るために，ノッチオフ速度を変化させて測定した。そして，この駅間の路線では (i)勾配 (ii)ブレーキのかけ方のそれぞれを変化させて組み合わせて，シミュレーションを行った。まず，(i)では 0‰と上り 2‰，下り 2‰を準備し，路線環境の変化による影響を調べた。(ii)では機械ブレーキで減速した場合，回生ブレーキで減速した場合，そして電力制限回生ブレーキで減速した場合を準備した。ここで，電力制限回生ブレーキでは回生電力の 50％が失効した場合を想定している。機械ブレーキの強さは常用最大ブレーキの減速度 3.5km/h/s に設定した。なお，回生ブレーキもこの減速度を超えない範囲で制動している。 消費電力量 Ep [kWh]と回生電力量 Er [kWh]の計算には式 (1)～(3)を用いた。 𝐸𝑝 = ∫ 𝐹𝑚𝑣 1 η𝑑𝑡 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ (1) 𝐸𝑟 = ∫ 𝐹𝑚 𝑣 η 𝑑𝑡 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ (2) η = 0.90 × 0.95 × 0.975 ⋯ ⋯ ⋯ (3) Fmは引張力[N]，v は速度[km/h]，ηはエネルギーの変換効率 で「モータの効率×インバータの効率×駆動装置の効率」で定義する。３．計算結果と得られる知見定員乗車でシミュレーションした結果を図 2 に示す。各図の凡例の「機械ブレーキ」が(Ⅰ)の手法に対応し，「電力制限回生ブレーキ」と「回生ブレーキ」が(Ⅱ)の手法に対

(12)

応

(a) 勾配 0‰ (a) Gradient of 0‰

(b) 上り勾配 2‰ (b) Gradient of 2‰ with uphill

(a) 下り勾配 2‰ (a) Gradient of 2‰ with downhill

図 2 定員乗車時での消費電力量と走行時分の関係 Fig.2. Relation between running time and energy consumption in

riding capacity of 100% している。図 2 のグラフを見ると，駅間を早く走ろうとするほど消費電力量が大きくなっている。そして，グラフの傾きに注目すると，最短時間に近づくほど 1 秒縮めるのに必要なエネルギーが大きくなっている。また，グラフの左端に注目すると，回生ブレーキを利用した運転手法では機械ブレーキを利用した運転手法より早く走ることができないことがわかる。図 2～4 において同じ走行時分で見ると，どのケースでも機械ブレーキを用いるより回生ブレーキを用いた方が消費電力量が少なくなっている。したがって，これらのケースでは(Ⅰ)の手法より(Ⅱ)の手法の方が省エネルギー効果が大きいことがわかる。これらの結果から，今後列車の ATO を設計する際の思想として，回生ブレーキを精一杯活用する設計が良いと結論付けられる。図 2 において電力制限ブレーキを見ると，走行時分が短くなるほど機械ブレーキのグラフに近づいていることがわかる。したがって回生失効の割合が増える列車の運転間隔が長い路線や，列車運行で遅延が発生した時など，走行時分を短くしたい場合では(Ⅰ)の手法の方が優れるケースがあることも予想される。走行時分が短いところでのグラフの傾きの絶対値を見ると，図 2 の(b)，(a)，(c)の順に大きくなっている。これは上り勾配が下り勾配に比べて力行時に扱う電力量が増え，ブレーキ時に扱う電力量が減っているためにこのような結果になったものと考えられる。一方で走行時分が長いところでの 3 つのグラフの間隔に注目すると，図 2 の(c)，(a)，(b)の順に開いている。これは前述の場合とは逆に，下り勾配が上り勾配に比べて力行時に扱う電力量が減り，回生ブレーキで扱う回生電力量が増えるためにこのような結果になったものと考えられる。今後は電力制限回生ブレーキの回生失効率を変化させた場合や，勾配の大きい場合についてシミュレーションし，電力制限回生ブレーキの効果と回生率の影響をより深く評価していく予定である。なお，本研究は（独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構の「運輸分野における基礎的研究推進制度」平成２２年度採択課題(2010-04)「持続可能な低コスト・省エネルギー鉄道のためのパワーマネージメント」の一環として行われている。（独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構の御支援に感謝する。文献

(1) Takafumi Koseki ， Yuto Takahashi ， and Zhe Yang, “Energy-Saving Operation of an Electric Train at Multiple Service Section Based on Sensitivity Analysis of Energy Consumption to Running Time”, ICEMS2012， October 2012， Sapporo, Japan

(2) Masafumi Miytake， “A method of Generating Energysaving Train Scheduling by Means of Mathematical

Programming”， Trans. IEE of Japan， vol.131-D， No.6， pp.860-861， 2010

(13)

TER－13－005 PHS－13－009 1／5

省エネルギー運転法の相違による

消費エネルギーと走行時分変化の傾向分析

渡邉翔一郎

＊

_{楊哲古関隆章（東京大学）}

Analysis of the Relationship between Energy Consumption and Train Running Time Depending on Different Energy-Saving Train Operation Method

Shoichiro Watanabe＊_{, Zhe Yang, Takafumi Koseki (The University of Tokyo)}

For an energy-saving train operation, mainly we have two options. One is applying a low notch-off speed with a strong brake. The other one is applying a fully regenerative brake with an ordinary notch-off speed. We compare these two methods to find the evaluation indicators of energy consumption for the optimization of train sched-uling.

キーワード：電気鉄道，回生ブレーキ，省エネルギー，回生失効，電力制限ブレーキ，走行時分

(Electric railway, Regenerative brake, Energy-saving, Regeneration cancelation, Power-limiting brake, Running time) 1. はじめに現在の日本の鉄道ダイヤは保守的に決められており，乗客の乗車時間が最優先に考慮されている。事業者は省エネルギー問題への取り組みとして鉄道車両や電気設備において電気機器の効率化などの改良を行なってきたが，列車運行の方法の改善によって消費エネルギーを大きく低減できる可能性のあることが既に知られている(1)_{。この方法はソフ} トウェア的な手法であるため，ハードウェアに手を加えるような設備改造が不要である。したがって，事業者側にとっては安価で取り組みやすい手法である。そこで運行計画や運転整理の議論に省エネルギーの視点を入れることを目標にし，本稿ではそのための基礎的な考察を述べる。 2. 運転法の比較を行うことの意味直流電気鉄道において省エネルギー運転を実現するにはノッチオフ速度を下げる，回生ブレーキを精一杯使うなどといった方法がある。ノッチオフ速度を下げると力行に必要なエネルギーを減らすことができ，回生ブレーキを精一杯使うと力行で使ったエネルギーの一部を回収することができるため，全体で見ると消費するエネルギーを少なくすることができる。そして，走行時分に余裕があるほど惰行時間が伸びるため，消費電力量を減らすことができることが知られている(2)(3)_{。しかし，本稿の目的である運行計画や} 運転整理の議論に省エネルギーの視点を入れるには運行ダイヤを守らなければならない。つまり，走行時分を守ることは運転法を考える上で重要である。そこで走行時分を守るという制約を考えると，省エネルギー運転の方法は次の2 つに絞られる。 (Ⅰ) ノッチオフ速度を下げ，強いブレーキをかける (Ⅱ) ノッチオフ速度を下げずに，回生ブレーキを早い時点からかけはじめるこれらの運転方法を取り入れた場合の運転曲線を図1 に示す。(Ⅰ)ではノッチオフ速度を下げて時間がかかった分を強いブレーキをかけて補い，(Ⅱ)では(Ⅰ)のブレーキよりも緩い回生ブレーキのみを使って時間がかかった分を最初の力行で補っている。これらはいずれも有効な手段ではあるが，先述の通り一般に走行時分と消費電力量はトレード・オフの関係にあるため，両者を同時に実現することは不可能である。そこで，これら 2 つの手法を比較検討していくことにする。 3. 列車運転のモデル化とエネルギーの計算方法〈3･1〉運転モデル今回の検討では通勤電車をモデルに，図 1 に示すような 2km の駅間を力行－惰行－制動で運行することを考える。ここでは，再力行は行わない。そして，走行時分と消費電力量の対応を見るために，ノッチオフ速度を変化させた場合に，消費電力量がいくらになるのかを計算した。また，

(14)

2／5

図1 走行時分を守って省エネルギー運転を実現した場合の運転曲線

Fig.1. Possible run curves for energy-saving operation in a standard running time

平坦な路線の他に勾配をつけた路線も考えた。〈3･2〉勾配を考える意味列車が駅間を走行する際にエネルギーを損失する一因として走行抵抗がある。その中でも本稿では勾配抵抗に注目し，上り勾配2‰，平坦，下り勾配 2‰を設定し，それぞれでシミュレーションを行った。その理由は，まず勾配抵抗は列車の加速度に大きく影響することにある。上り勾配であれば力行時にエネルギーを大きく消費する要因になるが，制動時には減速の手助けになる。下り勾配はその逆である。本稿で検討する 2 つの運転手法はエネルギーの観点で見れば， (Ⅰ)力行エネルギーを削減する運転手法 (Ⅱ)制動時にエネルギーを効率よく回収する運転手法の比較であるため，勾配が影響するところが大きいと考える。また，勾配は列車の位置エネルギーを変化させる。上り勾配であれば力行エネルギーの一部は列車の位置エネルギーになり，下り勾配であれば列車の位置エネルギーが列車の力行エネルギーと回生エネルギーになる。また，走行時分の観点では列車の引張力は応荷重装置が働く場合であれば車重で決まるため，勾配は加速に要する時間にも影響を与えることになる。〈3･3〉ブレーキのかけ方 (Ⅰ)の運転手法では遅れ込め制御の入った電空協調ブレーキを用いる。電空協調ブレーキとは電気ブレーキと機械ブレーキを同時もしくは切り替えて制動力を得るブレーキである。本稿ではこの電気ブレーキを回生ブレーキとして用い，遅れ込め制御により要求する制動力を優先的に回生ブレーキに負担させている。機械ブレーキは列車の運動エネルギーを全て摩擦熱として捨てることになるが，確実に制動力を得ることができ，この制動力は回生ブレーキよりも大きいため，走行時分を縮める上では有効である。今回の電空協調ブレーキの減速度は常用最大ブレーキの 3.5km/h/s に設定した。 (Ⅱ)の運転手法では回生ブレーキを用いる。回生ブレーキは列車の運動エネルギーを電気エネルギーに変換できるため，力行エネルギーの一部を回収することができる。しかし，制動力は機械ブレーキより小さいため減速するのに時間を要する。〈3･4〉回生失効と電力制限ブレーキ直流電気鉄道においては，多くの変電所の整流器にダイオードが用いられているため，回生ブレーキで得られた電力を利用するには同一き電区間の他の力行車で消費しなければならない。同一き電区間に力行車が居ない場合には回生エネルギーを消費できないため，回生失効が生じる。また，他の力行車がいても回生エネルギーが大きい場合にはその一部しか再利用されず，回生絞り込みが行われる。これらの制約を考慮して，電力制限ブレーキを用意した。これはある列車が回生ブレーキを使って生み出した回生エネルギーの一部が回生エネルギーとして利用された場合を想定したパターンである。本稿では，はじめの検討としてまず(Ⅱ)の運転手法時における電力制限回生ブレーキを考え， 50％と 30％が回生された場合を検討した。〈3･5〉エネルギーの計算方法消費電力量Ep [kWh]と回生電力量Er [kWh]の計算には式(1)～(3)を用いた。 𝐸 = ∫ 𝐹 𝑣1 η𝑑𝑡 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ (1) 𝐸 = ∫ 𝐹 𝑣 η 𝑑𝑡 (6 ≤ 𝑣) ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ (2) η = 0.90 × 0.95 × 0.975 ⋯ ⋯ ⋯ (3) Fmは引張力[N]，vは速度[km/h]，ηはエネルギーの変換効率で「モータの効率×インバータの効率×駆動装置の効率」である。ηは架線電圧，電流，列車速度等を引数にする関数であるが，ここでは簡単のため(3)式のように定数で与えている。 (2)式において，6km/h 以下では回生ブレーキによって得られる電力が小さいため，その領域ではEpは0 にしている。 4. 計算結果と得られる知見定員乗車でシミュレーションした結果を図 2 に示す。各図の凡例の「機械ブレーキ」と「電空協調ブレーキ」が(Ⅰ) の手法に対応し，「電力制限回生ブレーキ」と「回生ブレーキ」が(Ⅱ)の手法に対応している。ここで機械ブレーキとは，電空協調ブレーキの機械ブレーキのみを利用したモデルである。また〈3･4〉で述べた通り，本稿では電力制限ブレーキをまず(Ⅱ)の運転手法時において考える。〈4･1〉走行時分を縮めるのに必要なエネルギー走行時分を縮めるのに必要なエネルギーについて考える。図2 はノッチオフ速度を変化させた時の各勾配・ブレーキ毎の消費電力量と走行時分の関係である。ここで消費 0 20 40 60 80 100 0 1 2 Sp e e d [km /h ] Distance[km]

Ⅰ

Ⅱ

(15)

3／5

(a) 勾配 0‰ (a) Gradient of 0‰

(b) 上り勾配 2‰ (b) Gradient of 2‰ with uphill

(c) 下り勾配 2‰

(c) Gradient of 2‰ with downhill 図 2 定員乗車時での消費電力量と走行時分の関係 Fig.2. Relation between running time and energy

con-sumption at full number of passengers

電力量に注目すると，駅間を早く走ろうとするほど消費電力量は大きくなっている。そして，グラフの傾きに注目すると，最短時間に近づくほど1 秒縮めるのに必要なエネルギーが大きくなっている。これは惰行時間が短くなるために見られる普遍的な傾向である。また，グラフの左端に注目すると，回生ブレーキを利用した運転手法では機械ブレーキを利用した運転手法より早く走ることができないことがわかる。これは回生ブレーキの減速度が機械ブレーキの減速度に及ばないためである。〈4･2〉回生失効しない場合における回生ブレーキの大きな優位性回生ブレーキが列車の省エネルギー運転に貢献する優位性を考える。図2 の(a)～(c)は，各勾配における消費電力量と走行時分の関係である。図2 の各グラフにおいて同じ走行時分で見ると，回生失効しない場合ではどのケースでも回生ブレーキを用いた方が，消費電力量が少なくなっている。したがって，回生失効しない路線では(Ⅰ)の手法より(Ⅱ) の手法の方が，省エネルギー効果が非常に大きい。この結果から，今後列車のATO を設計する際の思想として，回生ブレーキを精一杯活用する設計が良いと結論付けられる。〈4･3〉勾配抵抗が与える影響勾配抵抗が列車の加減速，走行時分ならびに消費電力量に与える影響を考える。ここで図2 の(a)～(c)において，走行時分が短いところでのグラフの傾きの絶対値を見ると，図2 の(b)，(a)，(c)の順に大きくなっている。これは上り勾配の場合，列車の力行エネルギーは運動エネルギーだけでなく位置エネルギーにもなるため，力行時に扱う電力量が増え，ブレーキ時は扱う電力量が減っているためである。一方で走行時分が長いところでの 3 つのグラフの間隔に注目すると，図2 の(c)，(a)，(b)の順に開いている。これは前述の場合とは逆に，下り勾配は列車の力行エネルギーの他に列車の位置エネルギーが運動エネルギーになるため，力行時に扱う電力量が減り，回生ブレーキで扱う回生電力量が増えるためである。〈4･4〉回生失効が回生ブレーキの優位性に与える影響〈4･2〉において，回生失効しない場合においては回生ブレーキを使った運転はいかなる条件においても省エネルギー運転法に有効であるということを明らかにした。しかし，現実には回生失効が起こりうるのでその影響を簡易なケーススタディを通して分析する。ここで，図 2 の(a)～(c)において電力制限ブレーキの消費電力量と走行時分の関係を見ると，走行時分が短くなるほど機械ブレーキのグラフに近づいている。そして，回生失効の割合が多くなると消費電力量は機械ブレーキを使った(Ⅰ)の手法のほうが少なくなり，走行時分によっては優位性がなくなることがわかる。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 100 150 200 En e rg y Co n su m p tion [kWh ]