Efficient driving of CBTC ATO operated trains

Abstract

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.

Energy consumption reduction is one of the priorities of metro operators, due to financial cost and environmental impact. The new signalling system Communications-Based Train Control (CBTC) is being installed in new and upgraded metro lines to increase transportation capacity. But its continuous communication feature also permits to improve the energy performance of traffic operation, by updating the control command of the Automatic Train Operation (ATO) system at any point of the route. The present research addresses two main topics. The first is the design of efficient CBTC speed profiles for undisturbed train trajectory between two stations. The second takes into account the interaction between two consecutive trains under abnormal traffic conditions and proposes a tracking algorithm to save energy. In the first part of the research an off-line methodology to design optimal speed profiles for CBTC-ATO controlled trains is proposed. The methodology is based on a new multi-objective optimisation algorithm named NSGA-II-F, which is used to design speed profiles in such a way that can cover all the possible efficient solutions in a pseudo-Pareto front. The pseudo–Pareto front is built by using dominated solutions to make available a complete set of feasible situations in a driving scenario. The uncertainty in the passenger load is modelled as a fuzzy parameter. Each of the resulting speed profiles is obtained as a set of parameters that can be sent to the ATO equipment to perform the driving during the operation. The proposed optimisation algorithm makes use of detailed simulation of the train motion. Therefore, a simulator of the train motion has been developed, including detailed model of the specific ATO equipment, the ATP constraints, the traction equipment, the train dynamics and the track. A subsequent analysis considers the effect in the design of considering the regenerative energy flow between the train and the surrounding railway system. The second part of the research is focused on the proposal and validation of a fuzzy tracking algorithm for controlling the motion of two consecutive trains during disturbed conditions. A disturbed condition is understood as a change in the nominal driving command of a leading train and its consequences in the subsequent trains. When a train runs close enough to the preceding one, a tracking algorithm is triggered to control the distance between both trains. The following train receives the LMA (limit of movement authority) via radio, which is updated periodically as the preceding train runs. The aim of the proposed algorithm is to take actions in such a way that the following train could track the leading train meeting the safety requirements and applying an energy saving driving technique (coasting command). The uncertainty in the variations of the speed of the preceding train is modelled as a fuzzy quantity. The proposed algorithm is based on the application of coasting commands when possible, substituting traction/braking cycles by traction/coasting cycles, and hence saving energy. Both algorithms were tested and validated by using a detailed simulation program. The NSGA-II-F algorithm provided additional energy savings when compared to fixed-block distance-to-go configurations, and giving a more even distribution of the solutions. The fuzzy tracking algorithm provides energy savings with a minor impact on running times while improving comfort, because of the reduction of the inefficient traction/braking cycles.