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鉄道分野における 研究開発ビジョンと戦略
ＪＡＸＡ航空シンポジウム２０１４ 鉄道分野における 研究開発ビジョンと戦略 公益財団法人 鉄道総合技術研究所 理事 高井 秀之 内 容 １．鉄道総合技術研究所の概要 ２．研究開発ビジョンと戦略 ３．鉄道総研の研究開発例 ４．鉄道技術の革新に向けて ５．おわりに Railway Technical Research Institute 2/40 鉄道総合技術研究所 概要 １９８６年 国鉄の技術開発部門を 承継する財団法人として設立 ２０１１年 公益財団法人に移行 職員数：約５２０名 博 士 １８０名 技術士 ８２名 予 算 ：約１９０億円 特 許 ：約２,０００件 （２０１４年４月） Railway Technical Research Institute 3/40 くに たち 鉄道総合技術研究所（国立研究所） ひかり ちょう 東京都国分寺市光町、ＪＲ中央線・国立駅北口・徒歩７分 Railway Technical Research Institute 4/40 内 容 １．鉄道総合技術研究所の概要 ２．研究開発ビジョンと戦略 鉄道の定義と種類 鉄道システムと技術の特徴 研究開発ビジョンと戦略 ３．鉄道総研の研究開発例 ４．鉄道技術の革新に向けて ５．おわりに Railway Technical Research Institute 5/40 鉄道の定義と種類 鉄道の定義 一定のガイドに沿って、旅客・貨物用の車両を 運転する交通機関 ⇒ ガイドウェイシステム 鉄道の種類（鉄道事業法施行規則 第４条） １．普通鉄道 （２本レール＝いわゆる鉄道） ２．懸垂式鉄道 （ぶら下り型モノレール） ３．跨座式鉄道 （跨り型モノレール） ４．案内軌条式鉄道（「ゆりかもめ」など） ５．無軌条電車（トロリーバス） ６．鋼索鉄道（ケーブルカー） ７．浮上式鉄道 （常設該当なし） ８．前各号に掲げる鉄道以外の鉄道 Railway Technical Research Institute 6/40 鉄道システムと鉄道技術の特徴 鉄道システムの特徴 １．安全：列車事故による死亡者ゼロ（2013年度） ２．高速：新幹線以外＝160km/h、新幹線＝320km/h ３．大量：10両編成で定員約1,500人、最大約2,500人 ４．安定：平均遅延時分＝新幹線は１分以下（災害時を含む） 鉄道技術の特徴 １．多分野技術の複合システム ⇒車両、構造物、軌道、電力、通信など ２．地上設備が屋外にあり長大 ⇒自然環境により劣化。設備監視が重要 ３．地上設備と車両の両方を一元管理 ⇒システム全体の最適化が可能（メリット） Railway Technical Research Institute 7/40 研究開発ビジョンと戦略 設立の目的（定款） ⇒ ビジョン（目指すもの） 鉄道技術及び鉄道労働科学に関する基礎から応用に わたる総合的な研究開発、調査等を行い、もって鉄道 の発展と学術・文化の向上に寄与することを目的とする。 基本計画 - RESEARCH 2010 ～鉄道の持続的発展を目指して～ ⇒ 戦略（実行計画） 活動の基本方針 １．鉄道の持続的発展を目指した新技術の創造 ２．ニーズに対する的確かつ迅速な対応 ３．活動成果の情報発信と普及 ４．鉄道技術の継承と基盤技術力の蓄積 ５．鉄道技術者集団としての総合力の発揮 Railway Technical Research Institute 8/40 内 容 １．鉄道総合技術研究所の概要 ２．研究開発ビジョンと戦略 ３．鉄道総研の研究開発例 安全性の向上 環境との調和 低コスト化 利便性の向上 鉄道シミュレータの構築 ４．鉄道技術の革新に向けて ５．おわりに Railway Technical Research Institute 9/40 安全性 鉄道地震災害シミュレータ 構造物群 ③鉄道構造物群シミュレータ ②鉄道構造物群・地盤 構築シミュレータ 表層地盤 被害レベル 無損傷 小被害 中被害 大被害 自動モデリング機能 断層 ①地震動シミュレータ 断層・地盤・構造物 アーカイブス Railway Technical Research Institute 10/40 安全性 構造物の被害予測を可視化 無損傷 被害小 被害中 被害大 Railway Technical Research Institute 11/40 安全性 地震時の車両挙動 2004年10月23日、新潟県中越地震で、 上越新幹線の「とき325号」が脱線。 車両のロッキング脱線 左右方向の地震動の繰り返しにより、 左右の車輪が交互に上昇し、降りてきた 車輪がレールから外れる形態の脱線。 Railway Technical Research Institute 12/40 安全性 地震時の高架橋上の列車走行 DIASTARSⅡ （Dynamic Interaction Analysis for Shinkansen Train And Railway Structures Ⅱ) 上空から全体を見る レール横から台車を見る 新潟県中越地震（十日町高架橋） Railway Technical Research Institute 13/40 安全性 大型振動試験装置 加振機 (ｱｸﾁｭｴｰﾀ) 正弦波、0.5Hz、片振幅330mm 振動台(5m×7m) 車体 台車 ・最大載荷重量 50 トン ・最大加速度 ±2000 gal ・最大変位振幅 ±1000mm 国土交通省補助金を受けて製作 Railway Technical Research Institute 14/40 安全性 衝突時の乗客挙動シミュレーション シミュレーションによって 傷害箇所を推定 そで仕切り脇に立っている 乗客の衝突安全性を向上 列車衝突方向 衝突速度 34km/h 荷棚を 短くする 注：実際の車両では車両中央部を仕切る壁は ないので、この例の挙動は現実とは異なる。 そで仕切り を高くする 1000mm ⇒1150mm Railway Technical Research Institute 15/40 環 境 交通機関のＣＯ２排出量原単位 運輸部門は全体の１７.７％ 鉄道は全体の ０.７％（運輸部門の４.２％） 402 タクシー 170 自家用乗用車 98 航空 51 バス 1人を1km運ぶ時の排出量 21 鉄道 0 100 200 300 400 500 ｇ-ＣＯ２／人キロ 国土交通省資料より（2011年度） Railway Technical Research Institute 16/40 鉄道のエネルギー技術マップ 環 境 変電・き電 エネルギー 電力供給の効率向上 動力システムの改良 電力会社 受 電 ８０％ 鉄道の消費 エネルギー ２０％ 地下鉄 ～40％ 車 両 エ ネ ル ギ ー 付 帯 エ ネ ル ギ ー 駆動用 エネルギー ７０％ 補機用 エネルギー 車両の軽量化 空気抵抗の低減 機器の効率向上 電力回生の効率向上 運転方法の最適化 ３０％ 補助機器の効率向上 車両空調／照明の効率向上 駅設備の効率向上 鉄道システムとして効果的なエネルギー効率向上 Railway Technical Research Institute 17/40 環 境 エネルギー効率向上の可能性 研究開発によるエネルギー効率向上率（２０１０年を基準） 技術項目 変電・き電エネルギー 車 両 エ ネ ル ギ ｜ 効率向上率 電力供給 ３％ 適用技術 超電導き電／高電圧き電 動力システム システムによる 軽量化 微小 駆 動 用 空気抵抗 ５％（在来線） エネルギー 機器効率 ５％ 電力回生 １０％ 車上・地上蓄電装置／充放電制御 運転方法 １０％ 省エネ運転曲線／デマンド輸送 補助機器 微小 静止形インバータ（ＳＩＶ） 空調／照明 ３％ 高効率化（ＬＥＤ化を含まず） 駅設備 ３％ 高効率化（ＬＥＤ化を含まず） 補 機 用 エネルギー 付帯エネルギー ハイブリッド／燃料電池 金属系／高分子系新素材 屋根上・床下平滑化 高効率電動機／ＳｉＣ素子 技術項目の組み合わせにより２０％以上の効率向上は可能 Railway Technical Research Institute 18/40 超電導き電ケーブルの開発 環 境 特徴 超電導現象を活用した直流電鉄用き電ケーブル 高温超電導線材を使用（液体窒素で超電導状態） 効果 回生電力の有効活用 電圧降下の抑制 ⇒ 変電所の削減 送電損失の低減 電界（μV/cm） 3.0 試験装置で １０ｋＡ通電を達成 絶縁層 液体窒素 (往路) 2.0 液体窒素 -196゜Ｃ（77゜Ｋ） 液体窒素 (復路) 1.0 超電導状態 0.0 端末装置 0 ５ｋＡ 帰路導体 往路導体 １０ｋＡ 電流（Ａ） Railway Technical Research Institute 19/40 環 境 超電導き電ケーブルの所内試験 整 流 器 トロリ線 レール 超電導き電ケーブル 液体窒素 電流端末 電流端末 過冷却 液体窒素 超電導 き電ケーブル (全長310m) 冷却システム Railway Technical Research Institute 20/40 鉄道総研が目指すメンテナンス 低コスト 目 標 所要の性能を低コストで維持する ためのメンテナンス手法の開発 保存費は営業経費 の３８％を占める （2010年度） (1) 劣化メカニズム の解明 ・変形、摩耗、腐食 ・高機能／長寿命材料 その他 12% 運輸費 28% 線路 保存費 17% 電路 9% 車両 12% 運転費 22% 鉄道システムとしてのメンテナンス最適化 (2) 状態監視保全 の高度化 ・検査の自動化／ 高精度化／高頻度化 ・評価技術、寿命予測 (3) 補修方法 の低コスト化 ・構造物補修のＬＣＣ ・補修計画策定支援 システム Railway Technical Research Institute 21/40 低コスト ２台車軌道検測車 ３台車（正矢）から２台車（偏心矢）へ ⇒ 営業列車と同じ速度で検測可能 ＪＲ東海／ＪＲ西日本 ドクターイェロー 270km/h ＪＲ東日本：Ｅａｓｔ - ｉ 新幹線275km/h、在来線130km/h その他 小田急電鉄：テクノインスペクター 京王電鉄：ＤＡＸ Railway Technical Research Institute 22/40 低コスト 慣性正矢法による軌道検測装置 台車搭載型 JR九州 九州新幹線 「つばめ」 台車搭載型ユニット 車体搭載型 JR東日本 試験車 「MUEトレイン」 車体搭載型ユニット 営業列車に搭載して高頻度測定 ⇒ ビッグデータ活用へ Railway Technical Research Institute 23/40 利便性 新幹線の最高速度の変遷 600 550 MAGLEV 581km/h TGV 515.3km/h TGV 574.8km/h 500 STAR21 425km/h 速度 km/h 450 400 TGV 380km/h ICE 406.9km/h 350 Win350 350km/h 300系 325.7km/h 300 250 200 300X 443km/h 320km/h 山陽 300km/h 275km/h 東北・上越 240km/h 東海道 210km/h 270km/h 北陸（長野） 九州 220km/h 230km/h 150 100 1964 1980 1985 1990 年 1995 2000 2005 Railway Technical Research Institute 2010 24/40 利便性 世界の高速鉄道の営業最高速度 年 国 システム 営業最高速度 (現在） 1964 日 本 新幹線 210 km/h (320) 1981 フランス TGV 260 km/h (320) 1988 イタリア ETR/Italo 250 km/h (300) 1991 ドイツ ICE 280 km/h (320) 1992 スペイン AVE (TGV/ICE) 300 km/h 1997 ベルギー TGV/Eurostar (TGV) 300 km/h 2000 アメリカ Acela (TGV) 240 km/h 2003 イギリス Eurostar (TGV) 300 km/h 2004 韓 国 KTX (TGV/韓国) 300 km/h 2007 台 湾 THSR (新幹線) 300 km/h 2008 中 国 CHR (新幹線/ICE/中国) 250 km/h (350⇒300) トルコ YHT (CAF) 250 km/h オランダ Thalys (TGV) 300 km/h ロシア Sapsan (ICE) 250 km/h 2009 Railway Technical Research Institute 25/40 利便性 アジアの高速鉄道 Railway Technical Research Institute 26/40 シミュレータ 鉄道シミュレータの構築 鉄道システムを構築する各分野の挙動をモデル化 個別シミュレータとして実現 まずバーチャル鉄道試験線 ⇒ さらに鉄道シミュレータへ スーパーコンピュータ バーチャル鉄道試験線 Railway Technical Research Institute 27/40 シミュレータ 輪軸通過時のバラスト挙動解析 コンクリートまくら木 １軸通過（軸重８トン） 速度：１２０km/h 「車輪・レール」、「レール・まくらぎ」 モデルと統合 ⇒ バラスト軌道の劣化現象解明、対策への活用 Railway Technical Research Institute 28/40 内 容 １．鉄道総合技術研究所の概要 ２．研究開発ビジョンと戦略 ３．鉄道総研の研究開発例 ４．鉄道技術の革新に向けて フリーゲージトレイン リニアモータカー 鉄道国際規格センター 鉄道地震工学研究センター ５．おわりに Railway Technical Research Institute 29/40 フリーゲージトレイン（ＦＧＴ） 異なる軌間を直通できる電車を開発中 ⇒新幹線（軌間1,435mm）と在来線（同1,067mm）を直通運転 新幹線軌間 新幹線軌間 1435mm 1435mm 営業中の新幹線 建設中の新幹線 鉄道・運輸機構が開発主体 となり、ＪＲ九州が試験中 ＦＧＴ導入予定 旧タイプの 軌間変換 装置 在来線軌間 在来線軌間 1067mm 1067mm 鉄道・運輸機構ホームページより Railway Technical Research Institute 30/40 超電導リニア開発の歴史 1962（昭和37） リニアモータ浮上式鉄道の 研究開発を開始（国鉄・技研） 1972（昭和47） ML100浮上走行成功（技研内） 1977（昭和52） 浮上式鉄道宮崎実験センター開設 1979（昭和54） ML-500が517km/hを記録 1987（昭和62） 鉄道総合技術研究所が発足 研究開発を承継 1994（平成 ６） MLU002Nが431km/hを記録 1996（平成 ８） 山梨実験センター開設 2003（平成15） MLX01が581km/hを記録 2005（平成17） 実用技術評価委員会で 「実用化の基盤技術が確立した」 MLX01 Railway Technical Research Institute 31/40 中央リニア新幹線の計画 ＪＲ東海の営業線プロジェクト 2027年東京～名古屋、2045年名古屋～大阪が開通予定 甲府 東京 名古屋 山梨実験線 大阪 奈良 東海道新幹線 JR東海／中央新幹線 建設促進期成同盟会資料より Railway Technical Research Institute 32/40 鉄道国際規格センターの設置 「鉄道技術標準化調査検討会」の方針に基づき、 鉄道分野の国際標準化への対応を一元的に実施 ２０１０年４月に鉄道総研に鉄道国際規格センターを設置 Railway Technical Research Institute 33/40 鉄道国際規格センターの活動 会員 約１３０社（鉄道事業者、関連メーカ等） ＩＥＣ（国際電気標準会議）／ＩＳＯ（国際標準化機構） ・ 電力貯蔵システム規格 鉄道プロジェクトの設計・計画プロセス ・ 2012年 ４月 ＴＣ２６９（鉄道専門委員会）設置 日本から議長が選出 海外機関との情報交換 ・ 欧州：CEN（欧州標準化委員会）、CENELEC（同電気関係） 等 ・ アジア：韓国、シンガポール、ASEAN（東南アジア諸国連合） 等 知的財産戦略 ・ 鉄道事業者の海外展開に対応 人材育成 ・ セミナー等の開催 Railway Technical Research Institute 34/40 海外機関との連携 世界鉄道研究会議 日仏共同研究 日英共同研究 日中韓共同研究 Railway Technical Research Institute 35/40 鉄道地震工学研究センターの設置 研究リソースの集約 ・構造物・車両・電力・軌道など幅広い 分野の研究リソースを集約(3研究室20名) ・地震リスクの軽減と強靭化を目指した 先端研究を、よりダイナミックに進展 鉄道地震工学研究の拠点 平成26年４月設置 平常時 ・情報集積及び鉄道事業者への発信 ・耐震設計や地震防災に精通した鉄道技術者の育成支援 地震災害発生時 ・地震関連情報の収集と提供／被害調査／復旧技術支援 Railway Technical Research Institute 36/40 地震関連情報の収集と提供 １．公開情報の活用 地震発生 公的機関 地震計データ （公開情報） 鉄道総研 （自動処理サーバ） 鉄道事業者等 地震情報 個別事業者 地震動分布（予測） 最大加速度 （地表面） ○○駅 最大加速度分布 地震計の計測値の 最大値 ２．個別情報の追加活用 公的機関地震計データ 鉄道事業者の地震計データ ××駅 △△駅 予測値 予測値 沿線の地震動 キロ程 当該事業者ごと 統合 ・地震動推定の高精度化 ・構造物の被害予測 等 Railway Technical Research Institute 37/40 内 容 １．鉄道総合技術研究所の概要 ２．研究開発ビジョンと戦略 ３．鉄道総研の研究開発例 ４．鉄道技術の革新に向けて ５．これからの研究開発で目指すもの Railway Technical Research Institute 38/40 これからの研究開発で目指すもの そして、これから・・・ 鉄道システムの更なる安全性の追求 情報ネットワークによる鉄道システムの革新 新幹線の速度向上 鉄道シミュレータの構築 これまで 鉄道ネットワーク の維持発展 鉄道システムの 安全性・信頼性向上 鉄道シミュレータ の構築 メンテナンスの革新 エネルギーの 高効率な利用 Railway Technical Research Institute 39/40 ＪＡＸＡ航空シンポジウム２０１４ 鉄道分野における 研究開発ビジョンと戦略 終 公益財団法人 鉄道総合技術研究所 理事 高井 秀之