Conducción eficiente de trenes metropolitanos con ATO

Abstract

La mayoría de los ferrocarriles metropolitanos modernos se conducen de manera automática mediante microcontroladores a bordo del tren conocidos como ATO (Automatic Train Operation). El sistema de regulación de tráfico cuenta con un conjunto de conducciones (marchas) preprogramadas por cada interestación, una de las cuales deberá ejecutar el ATO. En función del tiempo de recorrido deseado para el tren, el ATO recibe los parámetros que configuran una de las marchas en concreto. La selección o diseño de las marchas que conforman ese conjunto se ha realizado tradicionalmente sin tener en cuenta criterios de eficiencia energética a pesar del importante potencial de ahorro que existe al ser el metro un sistema con altas frecuencias de funcionamiento. Además, el diseño óptimo de la conducción y las estimaciones de reducción de consumo asociadas a un rediseño de marchas se pueden ver fuertemente condicionados por el grado de aprovechamiento de la energía regenerada. Dicho aprovechamiento depende a su vez de la estrategia adoptada para la reutilización de la energía regenerada, como pueden ser acumuladores de energía o inversores de potencia en subestaciones. En esta tesis se modelan con gran detalle tanto el movimiento del tren como el equipo ATO, además de un acumulador de energía embarcado. Gracias a registros tomados en funcionamiento normal de los trenes se comprueba la precisión conseguida en los tiempos de recorrido y consumo, lo que permite validar la herramienta de simulación en la que se han integrado los modelos. Se ha propuesto un procedimiento de diseño de las marchas óptimas mediante la combinación de todos los parámetros ATO disponibles para un caso estudio real. Se trata de un problema de optimización multiobjetivo en el que se ha buscado un compromiso entre los tiempos de recorrido y la energía consumida. El procedimiento de diseño de marchas propuesto se ha aplicado a varias líneas de Metro de Madrid, Bilbao y Barcelona. En Metro de Madrid se ha puesto en servicio en Línea 3, y en Metro de Barcelona está finalizando la implantación en Línea 2 y Línea 5. Los resultados muestran que sin degradar los tiempos de recorrido e incluso mejorando el confort del viajero, es posible disminuir el consumo significativamente sin necesidad de realizar grandes inversiones. La mayor parte de los metropolitanos actuales, señalizados mediante Fixed Block (FBS), limitan el número posible de conducciones alternativas por capacidad de comunicación con el tren, lo que permite generar las conducciones óptimas mediante simulación exhaustiva. Sin embargo, cuando el sistema de comunicación con el tren permite el envío de un mayor número de valores de los parámetros de conducción, como en los modernos sistemas de señalización CBTC, el espacio de soluciones aumenta enormemente dificultando ya encontrar las soluciones óptimas mediante simulación exhaustiva. Para estos casos se ha propuesto un algoritmo de computación evolutiva que obtiene las conducciones óptimas de manera automática. Gracias a varios ejemplos reales, se ha podido concluir que el algoritmo es adecuado para obtener dichos óptimos en tiempos razonables de ejecución, permitiendo incluso introducir las restricciones de confort y operativas para obtener marchas implementables en servicios reales. Asimismo, se ha realizado una evaluación de los posibles ahorros de energía en la operación de una línea de metro teniendo en cuenta el aprovechamiento de la energía regenerada en los frenados para distintos escenarios de tráfico. Para ello se ha desarrollado un modelo de red que calcula el balance energético global de la línea en subestaciones, y no de cada tren aislado, en función de los distintos escenarios de operación e infraestructura de red. Con el procedimiento propuesto se diseñan las marchas ATO óptimas teniendo en cuenta el aprovechamiento que se realiza de la energía regenerada por el tren. Además, el modelo propuesto permite evaluar qué tecnología de aprovechamiento de energía regenerada es más beneficiosa para el caso de estudio aplicado. Los resultados muestran que, antes de invertir en acumuladores o inversores, el rediseño de la conducción permite obtener importantes ahorros sin grandes inversiones.