ارائه یک روش بهینه‌سازی مصرف انرژی در خطوط ریلی با طراحی نمودار سرعت قطارها در سیستم‌های سیگنالینگ از طریق کنترل بهینه چندفازی

در گذشته در بسیاری از کشورها، خطوط ریلی اعم از خطوط راه‌آهن بین شهری، راه‌آهن شهری (مترو)، تراموا، مونوریل و سایر خطوط، نقشی حیاتی در جابه‌جایی مسافر و بار ایفا کرده‌اند. در طول تاریخ مسئله افزایش بهره‌وری، بهینه‌سازی انرژی و کاهش آلودگی هوا همواره یک مسئله بسیار مهم در سیستم‌های حمل و نقل بوده است. با توجه به این که از طرفی استفاده از قطارها برای جابجایی مسافران و بار سریعتر و سهل الوصول بوده و از طرفی دیگر مصرف انرژی کم‌تری نسبت به سایر وسایل حمل و نقل عمومی دارند، استفاده از خطوط ریلی مورد توجه بسیاری از کشورها، افراد و شرکت‌های گوناگون بوده است. امروزه با توجه به محدودیت منابع، اهمیت مصرف بهینه انرژی مورد توجه بسیاری از محققان گرفته است و روش‌های مختلفی در این زمینه ارائه شده است. همانطور که می‌دانیم قطارها بر اساس نمودارهای سرعت و جداول کنترل طراحی شده توسط سیستم اینترلاکینگ که رابطه تنگاتنگی با میزان مصرف انرژی دارند، در خطوط ریلی تردد می‌کنند. در سال‌های اخیر سرمایه‌گذاری برای ارائه روش‌های طراحی نمودار سرعت قطارها با هدف بهینه‌سازی مصرف انرژی در سیستم‌های حمل و نقل عمومی افزایش یافته است. روش‌های مختلفی جهت بهینه‌سازی نمودار سرعت وجود دارد که در این میان می‌توان به استفاده از تئوری کنترل بهینه اشاره کرد. در این مقاله از تئوری کنترل بهینه چندفازی برای طراحی نمودار سرعت قطار استفاده شده است. به این صورت که ابتدا حرکت قطار بر مبنای چیدمان مسیر، به چند فاز تقسیم شده و سپس برای هر فاز معادلات دینامیکی و تابع هزینه جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی نوشته شده است. در گام بعدی، حل این مسئله چندفازی با رویکرد روش‌های شبه طیفی و با استفاده از نرم‌افزار gpops انجام شده است. در ادامه از نمودار سرعت طراحی شده برای قطارها، برای مسیر ابردژ-کویر در محور تهران-مشهد و نیز مسیر تهران-تپه سفید در محور تهران-اصفهان، بهره گرفته و میزان مصرف انرژی و نحوه بهینه‌سازی با استفاده از این روش، مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

proposing an optimization energy consumption method in railway lines by designing train speed profile in signalling systems using multiphase optimal control

in the past, in many countries, railway lines, including railways, urban railways (metro), trams, monorails and other lines, have played a vital role in the movement of passengers and cargo. throughout history, the issue of increasing productivity, optimizing energy and reducing air pollution has always been a very important issue in transportation systems. considering that on the one hand, the use of trains to move passengers and cargo is faster and easier to access, and on the other hand, they consume less energy than other means of public transportation, the use of railway lines is of interest to many countries, individuals and companies. nowadays, due to the limited resources, the importance of optimal energy consumption has received the attention of many researchers and various methods have been presented in this field. as we know, trains travel on railway lines based on speed profiles and control tables designed by the interlocking system, which have a close relationship with the amount of energy consumption. in recent years, investment has increased to provide train speed chart design methods with the aim of optimizing energy consumption in public transportation systems. there are different methods to optimize the speed profile, among which we can mention the use of optimal control theory. in this article, multiphase optimal control theory is used to design the train speed profile. in this way, first the train movement is divided into several phases based on the layout of the track, and then dynamic equations and cost functions are written for each phase to optimize energy consumption. in the next step, solving this multiphase problem has been done with the approach of quasi-spectral methods and using gpops software. in the following, the speed profile designed for trains was used for the aberdej-kavir route on the tehran-mashhad line as well as the tehran-tepesefid route on the tehran-isfahan line, and the amount of energy consumption and how to optimize using this method has been discussed.