Artan çevre kirliliği, küresel ısınma ve enerji ihtiyacının artması ile ortaya çıkan
enerji sıkıntısı, özellikle ulaşım sistemlerinde enerji verimliliğinin sağlanmasına yönelik
araştırmalara ağırlık verilmesine sebep olmuştur. Raylı sistemler, yüksek kapasiteli taşıma
isteklerini hizmet kalitesinden ödün vermeden, düşük enerji tüketimi ile karşılayabildikleri
için ulaşım sistemleri içinde önemli bir yere sahiptirler. Son yıllarda gerek şehir içinde
metro sistemleri ile gerekse şehirlerarası ulaşımda hızlı tren ile önem kazanan demiryolu
taşımacılığının en önemli giderlerinden birisi de trenin enerji tüketimidir. Raylı ulaşım
sistemlerinde toplam enerjinin büyük bir kısmı trenin hareketini sağlayan cer kuvvetinin
yaratılması için harcanır. Bunun yanı sıra enerji maliyeti, demiryolundaki eğim, kurp gibi
hız düşürücü etkenler, fren sistemindeki verim kaybı, rüzgar, basınç gibi doğal etkenler ve
benzeri birçok etken tarafından dinamik olarak belirlenir. Tezde ilk kısımda raylı ulaşım
sistemlerinde kullanılan bir taşıta ait matematiksel model verilmektedir. Taşıtın hareketini
sağlayan cer kuvveti ve hareket yönüne ters kuvvetler detaylı bir şekilde ele alınmakta olup,
trenin enerji tüketimi modellenmekte ve benzetim yazılımı için gerekli temeller
oluşturulmaktadır.
Trenin bir noktadan diğer bir noktaya yapacağı hareketi sırasında tüm konumlara ait
hız profilinin belirlenmesi enerji tüketiminin azaltılmasında etkin bir yöntemdir. Tezde
enerji verimliliğinin sağlanması için trenin hız profiline bağlı olarak hareket stratejisinin
belirlenmesi yaklaşımı ele alınmaktadır. Sabit hızda gitme ve boşta gitme noktalarının tespit
edilmesi için, önerilen tren modeli ile benzetim yazılımı geliştirilmekte ve enerji - zaman
dengesinde verimlilik farklı yöntemler kullanılarak optimize edilmektedir. Kullanılan
optimizasyon yöntemlerinden Genetik Algoritma ve Benzetilmiş Tavlama yöntemlerine ait
önceden yapılan çalışmalar bulunmasına karşın, yapılan çalışmalarda farklı kısıtlar altında
değerlendirilmektedirler. Bu alanda yapılan çalışmalara en büyük katkı Büyük Patlama -
Büyük Çöküş, Ateş Böceği algoritmaları ve Genetik - Benzetilmiş Tavlama melez
algoritmasının tren işletiminin optimizasyonuna uygulanması ve birbirleri arasında
performanslarına yönelik bir karşılaştırma sunulmasıdır. Çalışmalar sırasında şehirlerarası
ve şehiriçi ulaşımda kullanılan iki farklı tren gerçeğe uygun bir şekilde modellenmektedir.
Başlangıçta iki istasyona sahip güzergah basit bir şekilde modellenmekte ardından gerçeğe
uygun şekilde birçok test güzergahı oluşturulup, maksimum hız, konfor, eğim, kurplardaki
hız kısıtları gibi kısıtlar altında trenin enerji verimli optimizasyonu yapılmaktadır.
Increasing environmental pollution, global warming and growing demand for
energy cause researchers to concentrate on energy efficiency studies especially on
transportation systems. Railway transportation, satisfying high capacity travel demand with
low energy consumption and without significant loss of service quality, has an important
place in transportation systems. In recent years, not only in urban rail transit but also in
intercity transportation with high speed train, railway systems become crucial and its one of
the most important costs is energy consumption. The biggest part of total energy in railway
systems is consumed for traction energy. Besides that energy cost is affected dynamically
by, such as, gradients on track, curvature as a factor of speed limitation, decreased
productivity on brakes, wind, pressure and so on. In this thesis, a mathematical model is
given for a railway rolling stock. Traction effort and resistances which effects train motion
negatively are described in details, and also train’s energy consumption model is presented
for the purpose of building a simulation program.
Finding speed profile at every position as train motion between two stations is an
efficient approach to minimize energy consumption. In this thesis, it is considered to define
a motion strategy is determined depending on speed profile in order to provide energy
efficiency. To determine cruising and coasting points, a simulation program is developed
using proposed train model and efficiency in time-energy trade-off is optimized using seven
different optimization algorithms. Although Genetic and Simulated annealing algorithms
which are used in the optimization process, were employed in different works in past,
various additional constraints are taken into account in this study. The most significant
contributions of this thesis, Big Bang-Big Crunch, Firefly and Genetic-Simulated Annealing
algorithms are applied to train operation optimization problem and compared to each other.
In this study, both urban rail transit and intercity rail vehicle are real-like modeled. At the
beginning the test path is modeled with only two stations, and then different realistic paths
are modeled. The energy efficient train operation problem is optimized for various
constraints such as maximum speed, comfort, gradient and speed limitations at curvatures.
