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9 ミニコンピュータによる新幹線列車制御　ATOMIC 
(北山敏和　JREA 1971/7) 

　新幹線試験電車にミニコンピュータをのせ、それで自動列車制御を行なわせるATOMICシステム（Automatic Train operation by mini Computer）が開発されつつあり、現車試験も行なわれ、さらに列車制御以外の面への応用の検討もなされている。

1　まえがき

　ここ数年のコンピュ−タの進歩の普及はいぢじるしい。初期の頃の事務計算の電算化から経営管理へのコソピュータ応用、さらには座席予約システム、ヤードの自動化システム、運転計画伝達システム等、国鉄の近代化、合理化を進めるに際し、コソピュ−タが幅広く導入されている。

　従来コンピュ−タは複雑な論理向賂で構成されるため高価でこわれやすいものとされていたが、この4−5年の間に、トランジスタ回路からＩＣ回路の使用により同じ性能で約1/4の価格になっている。また、物理的寸法でも容積比で約1/10の改善率を示している。最近のコンピュータの方向は、大型機種については、さらに大型化、高速化、高性能化をめざす方向と、低価格、小形、高信頼度のミニコンピュータの方向の２つがある。特にミニコンピュータの出現によりコンピュータは高価なものだという観念がなくなり、各方面にコンピュータが利用されるようになった。

　最近の動向は4−8kWordの容量のミニコンピュータ本体が400〜500万円、附属装置を取りつけてある制御システムを構成して1,000〜3,000万円程度にまでなっている。このため従来、経済性の面でコンピュータの導入が考えられなかった小型のシステムに対しても、ミニコンピュータが導入されるようになったのである。

　その一例として新幹線電車の列車制御へのミニコンピュータの応用について951型新幹線試験電車を対象にソフトウェアの開発、現車試験等が行われている。現在、新幹線電車には電子機器としてＡＴＣ装置が設備されているがこれが一編成当り1,600万円程度することから考えて、大きな可能性を示めるミニコンピュータシステムが1,000〜3,000万円の価格であるということは、いかにミニコンピュータが経済的かを示している。

2　新幹線電車へのミニコンピュータの応用  top 　一般に今までの制御機器、電子機器は、まずはたさなければならない機能があり、その機能をもつ機器が設計、製作されたものである。そして新しい機能が要求される時は、それに伴ない新しい機器が製作されてきた。 　しかしコンピュータの場合は、まずコンピュータが存在し、それに何をやらせるか、どのような機能を持たせるかが問題になる。何故ならコンピュータの場合は、従来の制御機器で行なっていた論理演算機能のコンピュータヘの置き替えだけでなく、今まで不可能であった分野への応用も可能となり、さらにお互に全く関係のない演算制御でも、コンピュータの高速性のために、殆ど機器の追加しなくてもソフトウェアの開発で可能だからである。 　車両用機器のように同じ機器を数多く作る場合には、製作費の中で設計費の占める割合が小さくなるから、車両用コンピュータの場合にも、プログラムの開発に手間と金をかけて、高度のソフトウェアを開発し、ハードウェアを少くして、出来るだけ多方面の応用を行わせるのが好ましい。

　それでは新幹線電車にミニコンピュータを載せた時、何をやらせ得るか、どのような可能性があるか以下に示す。
�@　列車の運転制御の自動化
列車に発車指令を与えると自動的に次駅まで走行し、ダイヤ通りに次駅に到着し、決められた位置に列車を停車させる。

�A　車両故障時の処置の自動化
車両故障が発生した時、その原因を調査し、その系を切り離すことにより運転可能の場合は、自動的に処置を行う。さらに必要の際には乗務員に処置の手引を与える。

�B　モニタリングシステム
走行中の車体振動、主要機器の状態の測定とデータ整理を行い、車両、線路の保守に役立たせる。

�C　動作検査の自動化
電車の入出庫前に、主要回路、主要機器の動作を自動的に検査する。もし不良箇所があればその旨
を表示する。

�D　乗車効率の記録
車体重量からの大まかな各駅間の乗車効率を計算し記録する。

�E　車内放送の自動化
テープレコーダとコンピュータを連動させ車内放送を自動化する。

�F　列車内での座席指定券の販売
中央の座席予約のコンピュータと電話回線で連動させ、列車発車後の空席をミニコンピュータでタイプアウトし車内での指定券の販売を可能にする。

　以上、思いつくままにミニコンピュータの車両への応用例を列記した。この中には比較的実現が容易なものや、充分検討の進めなければならないものもあるが、とりあえず自動列車制御のプログラムを開発中である。
　試験電車に搭載されたコンピュータの特性を表1に示す。

3　自動列車制御への応用  top

鉄道は他の交通機関と異なり、鉄のレールの案内で走行するため　自動車や飛行機等に比較して基本的に自動運転を行うに適した交通機関といえる。交通機関の運転には方向制御、進路確保、速度制御の３点が必要であるが鉄道のみレールの存在により方向制御は不要である。  従って鉄道の自動運転は前方進路の確保と速度制御の２点の自動化で完成する。特に新幹線電車ではすでにＡＴＣにより前方進路の確保の自動化が行なわれているため速度制御の自動化のみでよい。 　速度制御め内容を分類すると、�@定時制御、�A定速制御、�B定位置停止制御の３つの制御からなる。これらの制御の自動化システムATOMIC（Autolilatic Train operation by mini Computer）を新幹線試験電車を用いて開発試験中であるがその概要を以下にのべる。ATOMICのブロツク図を図1 に示す。

3.1 定時制御

　最近列車群制御の必要性についてよく課題になっているがこれは大幅な列車ダイヤの乱れが生じた時にその効果を発揮するものであり、正常運転中又は数分の乱れの時は個々の列車がそれぞれ単独にその列車に与えられたダイヤでの運転に努めるのが旅客サービス、運転管理上からみて好ましい。

　“ぴかり”、“こだま”の異種の列車が走り、又駅聞距離の長い新幹線電車では通勤電車のような発車時刻の調整のみによるダイヤ確保は不可能で、駅間での速度制御による到着時刻のダイヤ確保が重要となる。定時制御をコソピュータ化するにはその列車の走行ダイヤ、走行地点、計画的な除行の有無、時刻等の情報がコンピュータに必要になる｡特に走行ダイヤ、徐行の有無についてはその都度変るため、これをIBMカード１枚にパンチし乗務員がコンピュータにセットする。

　発車指令が与えられると計画ダイヤと発車時刻の関係から次駅までの余裕時分を計算し最高速度をいくらにすると次駅に定刻に着けるか計算する。余裕時分が大きければ最高速度を下げ余裕時分がなければＡＴＣ信号の最高許容速度で走行する。停車駅に近づいた時再度その時の運転状況から停車駅までの適性運転速度を計算する。このように駅発車時と停車駅手前の２点で時間合せ計算を行ない定時性能を＋−15秒以下におさめるよう計画している

以上の定時　運転の方法を図2に示す。 　この最高速度の制御による定時制御は不必要な列車の加減速がなくなるため電力消費量の低減となり又通常時の最高速度が低くなるため乗り心地もよくなり線路の痛め方も少なくなる。 　運転台には運転状況を乗務員が把握できるようにコンピュータの時刻、走行地点、到着又は発車までり時刻等を時々刻々、ディスプレイ装置で運転台に表示する。 　又必要により列車の運行記録をタイプライタで記録する。

列車ダイヤが大幅に乱れ運転中にダイヤ変更になった時は中央のＣＴＣからの無線連絡によりダイヤ変更カードをセットしてその処置を行なう。 　山陽新幹線開業時をめざして列車運行管理システム（CMTRAC）の開発が進められているが、このATOMICと組合せることにより新幹線列車制御のトータルシステムが完成する。これを図3に示す。

3.2　定速制御

　電気車両の速度制御は運転台からのノッチ指令により直流直巻主電動機の端子電圧を制御して行われている。直流電動機はその特性としてある程度の定速性能をもっているが列車荷重、線路勾配、架線電圧等の影響でかなり速度が変動する。従って定速運転を行うには車連に合わせてノッチを制御しなければならないが、不必要にその精度を上げようとすると、ノッチ変動が大きく、一般に有接点のスイッチ類で構成されている主回路制御機器の動作回数が増え好ましくない。

　コソピュータで定速制御を行わせるに際して、ノッチ変動をできるだけ少くして定速制御性能を上げるため速度条件のみでノッチを制御するのではなぐ加速度の条件も取り入れ、加速度と速度から数秒先の速度を予測してノッヂ制御を行なわせる。このような予測運転が可能なことがコンピュータ制御の大きな長所でありこれにより､運転士の運転に似た理想的な制御が期待できる。

3.3　定位置停止制御

　定位置停止は駅停車時のブレーキ制御を自動化し決められた停止点に止める制御である。新幹線電車では駅停車時、160、70、30km/hとＡＴＣ信号により自動的に減速し30km/hからの乗務員のブレーキ操作により停車する方式になっているが、この方式では停車まぎわに30km/h以下の速度でだらだら走行するため高速から一度に停車する場合に比較して１駅平均15秒程度時間がのびている。

70km/hからの定位置停止を行なえば運転時分の短縮がはかれるがＡＴＣ30信号を70信号に読みかえて定位置停止を行わねばならないため定位置停止は保安装置のＡＴＣと同程度の信頼度が必要となる。 　すでに信頼度の高い３重系の専用機の定位置停止装置が試作され試験電車ですでに試験されており＋−50cmの停止精度を得ている｡定位置停止をＡＴＯＭＩＣで行うことは当然可能であるがコンピュータが１重系であるため信頼性の関係で30km/hからの定位置停止制御となる。30km/hからか70km/hからかは設備費を安くするか、運転時分の短縮が重要かによって決まる。 　コンピュータでこれを行う場合には定速制御と同じく速度と減速度から将来の停止点を予測しながら制御を行なうため、上手な運転士のブレーキ扱いと同じような制御が期待できる。70km/hからの定位置停止制御を図4に示す。

4　現車による定時運転試験結  top

　上述のように定時運転制御は、いわゆる自動運転制御の第一歩であると同時にその中心をなすものである。このような考え方の下にまず定時運転制御のプログラムを開発し、本年３月下旬にその現車試験を行った。

4.1　試験概要

�@　供試車　951型新幹線試験電車
�A　試験場所及びダイヤ
　　大阪運転所構内
　　新大阪−米原間（Ａダイヤ）４往復
　　新大阪−東京間（通しダイヤ）１往復
�B　調査項目
　　定時運転精度（運転曲線、駅間時分、ＡＴＣ信号速度、目標速度）　一次電圧、ＭＭ電流

なお、定位置停止（タスク）は既に開発された前述の専用機（３重系）を用いた。

4.2　試験内容及び結果

　新大阪・米原間のいわゆるＡダイヤによる試験は、東京−新大阪間の通し運転試験に対する準備及び問題点の一部検討確認の機会として行なった。結果は概ね良好であったが、ここでは通し運転試験の結果について述べる。試験は上り下りとも“こだま”ダイヤで行ない、各駅での到着時分及び駅間運転時分をチェックした。試験ダイヤ（計画）に対するそれぞれめ早遅を表2に示す。

○運転概況
　956A列車（新大阪−東京間）
　新大阪−京都:新大阪５分10秒延発（対抗列車開通待ちのため）したが３分半程度回復
　京都−米原:70臨時徐行のためﾀ増延
　米原−豊橋：各区間で回復につとめ豊橋概ね定着
　豊橋−東京：各区間でやや早着気味であるが概ね良好

　955A列車（東京−新大阪間）
　東京−小田原：臨時徐行のためやや遅れ
　小田原−豊橋：回復、良好
　豊橋−米厚：空転と徐行のため増延（静岡−米原間強雨）
　米原−新大阪:回復、良好

4.3　問題点の検討

�@　定時運転の精度向上
　結果は概ね良好であったが、早着気味の区間がやや多いので、定速度制御とあわせ、なおプログラムの一部改良を行なう。
�A　空転について
　降雨と最終列車運転後3時間程度時間が経過していたため、相当大きな空転が発生したが、951型２両編成のため、一層その影響が大きくなったと思われる。 編成が12両或いは16両の場合はユニツトの関係から、ほとんど問題ないと思われる。

5　あとがき  top

　ミニコンピュータによる車上式運転制御自動化の研究は今回の定時運転試験等を通じ徐々にその成果が上りつつある。今後は現在開発されつつある定速運転制御、コソピュータによる定位置停止制御及び定速運転の精度向上の各プログラムによる現車試験を行ない自動運転制御を確立する。また、車両、線路の保守に役立つモニタリングシステム及び営業関係サービスに対するプログラムの開発研究もあわせて進めてゆきたい。

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