Tren dinamiğinin enerji-optimal denetimi

Abstract

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.