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線路上のグリーン自動運転車の隊列
バッテリー駆動の鉄道車両は貨物をよりクリーンに、より速く、より安全に輸送します
運輸業界の排出量の増加により、革新的なエンジニアリングソリューションを通じて貨物輸送の脱炭素化を目指す競争が勃発しました。企業が自動運転車や最適化システムなどの最先端技術を適用する方法を模索する中、電池式自動運転鉄道車両を開発しているParallel Systems社は、これらの技術を鉄道に適用することで、物流を革命し、同時に輸送の脱炭素化を実現できると考えています。
「私たちは、現在の方法よりも、よりクリーンで、より速く、より安全で、よりコスト効率の高い方法で物事を移動させたいのです」と、Parallel Systems の主任車両ソフトウェア エンジニア、Jon Goh 氏は言います。
元SpaceXのエンジニアによって設立されたParallel Systemsは、自律型バッテリー駆動鉄道車両技術と、新しい低コストのターミナルコンセプトおよび柔軟な運用モデルを組み合わせることで、これを実現することを目指しています。Parallel のシステムは既存のターミナルとも互換性がありますが、新しいインフラストラクチャ設計により、より小型で安価なターミナルを荷送人や顧客の近くに建設できるようになり、事実上新しい市場が開拓されます。
Parallel Systems のモジュール方式のアプローチでは、従来の長距離貨物列車モデルに固執するのではなく、より少ない鉄道車両による隊列走行システムを採用しています。このアプローチにより、より空気力学的で機敏な動きが可能になります。
個々の車両は、標準的な鉄道車両のように物理的に連結されません。代わりに、彼らは非常に接近して行動し、鉄道車両の端にある緩衝装置と接触して小隊を形成します。一旦形成されると、各ユニットは前方の車両に対して一定の押圧力を維持します。車両間のスペースが最小限に抑えられるため、空気抵抗が減少し、エネルギー効率が向上します。
Parallel のモジュール方式では、鉄道車両がシームレスかつ自動的に連結および切断される隊列走行システムが採用されています。(動画著作権: Parallel Systems)
個々の鉄道車両がメインの列車隊から自律的に分離し、単一の地点から複数の目的地に貨物を配送して配達を分配することができます。長年にわたるラストマイル物流の課題に対処することで、鉄道業界は、過負荷となっている 9,400 億ドル規模の米国トラック輸送業界の一部を鉄道に転換するツールを手に入れることができます。排出ガスゼロの車両でこれを行うことは、環境にとっても利益となります。
Parallel Systems社は、主要な鉄道ヤードの数が少なく、また遠く離れているため、小規模で地域的なインターモーダルターミナルのネットワークを確立することで、貨物鉄道輸送を補完したいと考えています。つまり、鉄道ヤードに到着した貨物は、最終目的地までトラックで長距離を移動する必要があるということです。倉庫や店舗の近くに多数の小規模ターミナルを設置することで、より経済的に実行可能な短距離鉄道サービスが可能になり、重要なラストマイル配送の移動時間が短縮されます。
「鉄道の路線やサービス範囲を拡大し、通常は鉄道では運べないようなものを運べるようにしたいと考えています」とGoh氏は言います。
鉄道車両のモデリング
自律型鉄道システムが安全に設計どおりに動作することを証明することは、Parallel Systems の最も重要な技術的優先事項の 1 つです。Goh氏によれば、Simulink®による厳格なテストと検証は極めて重要です。
「私たちのテストは、Simscape Drivelineによってシミュレートされたギアの動作と一致しました。」
Parallel Systems は、ドライブトレインやブレーキなどのサブシステム全体の制御システム戦略を評価するためにSimulinkを活用しています。Simulink Control Design™ を利用して、温度や流体の粘度など、さまざまな動作条件や変数の下で確実に動作する必要がある制御アルゴリズムを開発およびシミュレートします。さまざまな環境条件と動作シナリオにわたる高忠実度のシミュレーションにより、Parallel Systems チームは、最初に低次元モデルを使用して設計された制御アルゴリズムを堅牢に検証できます。
Simscape Driveline™ を使用すると、Parallel Systems は、最初からコーディングするのが難しいギアのバックラッシュなどの現象を正確にキャプチャできます。同社のエンジニアは、物理的な実装の前に、サブシステムの設計をパフォーマンス基準に照らして検証します。鉄道システムに関わる独自のダイナミクスをシミュレーションする能力は、エンジニアリングを最初から正しく行うために非常に貴重です。
「私たちの仕事は、新しいバックラッシュシミュレーションソフトウェアを書くことではありません」とGoh氏は言います。「それは私たちが顧客に価値を生み出す方法ではありません。私たちの仕事は、車両を設計・構築し、それを制御するソフトウェアを書くことです。私たちのテストは、Simscape Drivelineによってシミュレートされたギアの動作と一致しました。」
バッテリーモデリングとコンポーネントテスト
Simulinkでの高精度なサブシステムシミュレーションに加えて、Parallel社のエンジニアはMATLAB®を使用してバッテリーの挙動をモデル化し、さまざまな運用における車両の総走行距離を予測しています。彼らは、ルートの地形、風の状態、その他の環境要因などの変数に基づいてバッテリーの充電レベルがどのように変動するかを分析するために、 MATLABで車両全体のシミュレーションを開発しました。MATLABと、予想されるバッテリー性能と範囲への影響を評価するシナリオを実行できます。
「当社独自の開発プロセスにMATLABが提供する汎用性と柔軟性を高く評価しています。」
隊列走行システムを設計する際、Parallel Systems はメーカーからバンパーダンパー部品のプロトタイプを調達します。試験会社はこれらのコンポーネントを受け取り、さまざまな速度と変位にわたるダンパーの測定された力のプロファイルを含むデータ ファイルを生成します。
MATLABとSignal Processing Toolbox™のさまざまなデータ ファイル形式を分析する機能により、Parallel Systems エンジニアはこのテスト データをインポートして分析できます。彼らはデータ分析機能を活用して、距離と速度パラメータの関数としてダンパー力をマッピングするルックアップ テーブル モデルを構築します。
次に、Parallel Systems はこれらのコンポーネント ダンパー モデルをSimulinkシミュレーションに統合します。これにより、Parallel Systems は、実際の物理ハードウェア データから得られた高精度モデルを使用して、さまざまなシナリオと制御戦略の下で全体的な隊列走行車両システムがどのように機能するかを評価できます。MATLABとSimulinkを使用したこの閉ループ ワークフローは、展開前に隊列走行システムの設計を改良するための鍵となります。
各自律走行車両を連結するバンパーシステムにより、緊密な隊列走行が可能になります。(画像著作権: Parallel Systems)
「当社独自の開発プロセスにMATLABが提供する汎用性と柔軟性を高く評価しています」と Goh 氏は述べています。
シミュレーションによる設計反復の加速
Parallel Systems は、最小限の実行可能な製品 (MVP) を構築する前に、 MATLABを使用して変数を調整し、設計空間と予測されるパフォーマンス特性を調査して、さまざまな車両構成を迅速にモデル化およびシミュレートしました。この事前のシミュレーション作業は、どのような MVP 設計を追求すべきかを判断する上で非常に重要でした。
「お金を使う前、鋼材を切る前、製品を購入する前に、そのすべてをモデルに組み込んで、それがどのように機能するかを確認する必要があります。」
Parallel Systems は、初期のプロトタイプで、チェーン駆動の車軸システムのバックラッシュなど、制御性能に影響を与える問題に遭遇しました。その後の設計はSimscape Drivelineを使用して評価され、設計に対する信頼性が向上しました。MATLABのモデリング機能とデータ分析機能を使用することは、バックラッシュ効果の特性評価と定量化に非常に役立ちました。設計チームはMATLAB を使用して、 Simulinkモデル内の制御アルゴリズムを改善および検証しました。次に、チームはこれらのアルゴリズムの変更を物理的なプロトタイプで使用されるコードに変換しました。これにより、Parallel Systems はソフトウェアの更新を通じて既存のプロトタイプの制御アルゴリズムの改善に取り組むことができました。
同時に、同社ではシミュレーションを使用して最大許容バックラッシュ許容値を決定し、将来の反復で問題を排除するための潜在的な再設計を検証します。モデルとプロトタイプを構築し、データを分析し、シミュレーションを通じて設計と制御戦略を更新し、それを繰り返すという反復サイクルにより、迅速な学習と最適化が可能になりました。
個々の鉄道車両がメインの列車隊から自律的に分離し、単一の地点から複数の目的地に貨物を配送して配達を分配することができます。(動画著作権: Parallel Systems)
「鋼材を切断したり製品を購入したりする前に、そのすべてをモデルに組み込んで、それがどのように機能するかを確認する必要があります」とGoh氏は言います。
運用実行可能性のモデリング
シミュレーション機能は、車両の設計や性能特性の評価だけにとどまりません。Parallel Systemsは、 MATLABとSimulinkを使用して、潜在的なビジネス シナリオと財務上の影響をシミュレートします。車両の質量、コスト、ルート、速度、収益などの変数をモデル化することで、運用経費と収益性の予測を推定し、さまざまな構成にわたるコンセプトの全体的な実現可能性を分析できます。さまざまな設計ポイントや動作シナリオを評価するシミュレーションを迅速に実行できるこの機能は非常に重要です。
「Simulinkシミュレーションにより、多額の投資を行う前に、貨物鉄道計画が経済的に実現可能かどうかを検証できます。シミュレーションは、適切な車両パラメータを使用すれば、貨物輸送に大きな影響を与えながら、大規模に収益性の高い運用を実現できるという証拠を示しています。」
「Simulinkシミュレーションにより、多額の投資を行う前に、貨物鉄道計画が経済的に実現可能かどうかを検証できます」と Goh 氏は述べています。「シミュレーションは、適切な車両パラメータを使用すれば、貨物輸送に大きな影響を与えながら、大規模に収益性の高い運用を実現できるという証拠を示しています。」
自律部分の検証も同社のビジョンにとって重要です。Parallel Systems のエンジニアは、自律走行列車の初期の概略的な位置特定に使用できる GPS データを使用した高精度の線路地図を開発しています。彼らはMATLAB を活用して、GPS を組み込んだ記録されたテスト データ セットのシミュレーションを実行します。これにより、実際のデータでパフォーマンスを評価することで、アルゴリズム設計を迅速に反復できるようになります。
また、固定された鉄道網を活用して、視覚ベースの位置特定技術を組み込むことも計画しています。固定ネットワーク上の列車は、開けた道路上の自動運転車と比較して、位置特定問題を簡素化します。重要な利点は、列車の安全状態が明確に定義されていることです。列車を停止するだけで済みます。自動運転車よりも解決すべき問題は簡単ですが、Parallel Systems は、安全性を確保するために高度なブレーキ システムに頼り、展開を拡大する前に自律システムを厳密に検証します。
今後のプロジェクト
Parallel Systems 社は、斬新な貨物鉄道のコンセプトで大きな進歩を遂げる一方で、既製の部品を統合するのではなく、鉄道車両のコンポーネントをさらに構築することを検討しています。これには、自律鉄道アプリケーション向けに最適化されたカスタム電気モーター設計の開発が含まれます。このアプローチでは、新しいモデリングと検証のニーズに対応するMATLABとSimulink が重要になります。
Parallel Systems は、次世代車両用の安全性が極めて重要なシステム開発にまで及ぶ追加設計にモデルベース デザインを採用する予定です。
マルチドメイン システム モデリング用のSimulink機能により、ドライブトレインや制御システムなどの他の密接に結合された要素とともに、モーター設計の包括的な仮想テストが可能になります。Simscape™などのツールボックスは、関連する詳細な物理現象やダイナミクスの分析に役立ちます。
Parallel Systems は、次世代車両の安全性が極めて重要なシステム開発にまで及ぶ追加設計にモデルベース デザインを採用する予定です。Parallel Systems は、要件とテストをシステム モデリングに結び付けることで、統合されたシミュレーション主導のワークフローを通じて、設計の初期段階から堅牢性と信頼性をより厳密に検証することを目指しています。
「私たちがやってきたことの多くは、列車の作り方を学ぶことでした」とGoh氏は言います。「当社の次の段階は、定期的なサービスが可能で、顧客の要件を満たし、規制と安全の観点から検証できる製品を構築することです。」
