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Información de la Tesis Doctoral

Efficient driving of CBTC ATO operated trains

William Carvajal Carreño

Dirigida por Asunción Paloma Cucala García, Antonio Fernández Cardador

La reducción del consumo de energía es una de las prioridades de los operadores de metro, debido principalmente a criterios financieros y ambientales. El reciente sistema de señalización, control de trenes basado en comunicaciones (CBTC por sus siglas en inglés), se está instalando en líneas nuevas y en líneas reseñalizadas para permitir el aumento en la capacidad de transporte. La característica de comunicación continua entre tren y vía permite la mejora en el desempeño energético del tráfico ferroviario mediante la actualización de la consigna de conducción del sistema automático de conducción (ATO) en cualquier punto del recorrido entre dos estaciones. La presente investigación profundiza en dos tópicos principales. El primero es el diseño de perfiles de velocidad eficientes CBTC para el movimiento sin perturbación de trenes entre dos estaciones. El segundo tiene en cuenta la interacción entre dos trenes consecutivos bajo condiciones anormales de tráfico y propone un algoritmo de seguimiento para ahorrar energía. En la primera parte de la investigación, se propone una metodología para el diseño off-line de perfiles de velocidad óptimos para trenes con ATO en sistemas CBTC. La metodología se basa en un nuevo algoritmo de optimización multiobjetivo denominado NSGA-II-F para el diseño de perfiles de velocidad de tal forma que cubra todas las posibles soluciones eficientes generando un pseudo frente de Pareto. El pseudo frente de Pareto incluye soluciones dominadas para tener disponible un conjunto completo de posibles situaciones en un escenario de tráfico. La incertidumbre en la masa del tren debido a la carga de pasajeros se modela como un parámetro borroso. Cada uno de los perfiles de velocidad resultantes se programa como un conjunto de parámetros que pueden ser enviados al equipo ATO para ejecutar la conducción deseada. El algoritmo de optimización propuesto está basado en la simulación detallada del consumo y energía asociados a la marcha del tren. Para ello se ha desarrollado un simulador de marcha que incluye modelos precisos del equipo ATO considerado, de las limitaciones ATP, del sistema de tracción/freno, de la dinámica del tren y de la vía. Un análisis posterior considera el efecto en el diseño de tener en cuenta el flujo de energía regenerada entre el tren y el sistema ferroviario circundante. La segunda parte de la investigación se centra en el diseño y validación de un algoritmo borroso de seguimiento para controlar el movimiento de dos trenes consecutivos en condiciones perturbadas. Una condición perturbada se define como un cambio en las condiciones nominales de marcha del tren de adelante y sus consecuencias en los trenes que le siguen. Cuando un tren va muy cerca del tren precedente, el algoritmo de seguimiento controla la distancia entre ambos. El tren que sigue recibe una señal de radio con el límite de autoridad de movimiento (LMA), que se actualiza periódicamente a medida que el tren precedente avanza. El objetivo del algoritmo propuesto es ejecutar acciones de control de tal forma que dos trenes consecutivos mantengan un intervalo de seguimiento respetando los requisitos de seguridad y aplicando técnicas de conducción económica (uso de derivas). La incertidumbre en las variaciones de la velocidad del tren precedente se modela como un número borroso. El algoritmo propuesto se basa en la aplicación de consignas de deriva, sustituyendo ciclos de tracción/frenado por ciclos de tracción/deriva, proporcionando por ello ahorros energéticos. Los dos algoritmos propuestos han sido ensayados y validados mediante simulación detallada de la marcha del tren. Se ha mostrado que el algoritmo NSGA-II-F proporciona ahorros de energía adicionales, comparado con la conducción eficiente en sistemas de señalización de cantón fijo distancia objetivo. Además permite una distribución más homogénea de las soluciones en tiempos de recorrido disponibles para el sistema de regulación de tráfico. Por otro lado, se ha mostrado que el algoritmo de seguimiento borroso proporciona ahorros de energía respecto del algoritmo de seguimiento básico, con un impacto muy reducido en tiempos de recorrido.


Descriptores: Eficiencia energética, Señalización CBTC, ATO, Metro, Conducción económica, NSGA-II-F, pseudo frente de Pareto, algoritmo de seguimiento, parámetros borrosos, cantón móvil, simulación ferroviaria.

Universidad Pontificia Comillas. Madrid (España)

07 de marzo de 2017



Cita:
W. Carvajal (2017), Efficient driving of CBTC ATO operated trains. Universidad Pontificia Comillas. Madrid (España).

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