Eficiencia energética en trenes mediante optimización de curvas de velocidad

Abstract

En el marco del proyecto OSIRIS (Optimal strategy to innovate and reduce energy consumption in urban rail systems) se desarrolló una herramienta computacional que permite, entre otras cosas, calcular una curva de velocidad óptima para la operación de un tren la cual minimice la energía de tracción, la potencia máxima, el trabajo total o cualquier otro objetivo operacional que sea factible de expresar mediante un modelo matemático, cumpliendo las restricciones operacionales tales como los tiempos de viajes y las velocidades máximas interestación. El cálculo de dicha curva fue realizado de tres maneras distintas. El primer algoritmo fue programado en MATLAB e implementado en el software del proyecto OSIRIS. Este modelo heurístico propone una estrategia de conducción mediante cuatro fases: Tracción, mantención de velocidad, marcha inercial y frenado. El segundo modelo fue escrito en C++, para verificar ciertas simplificaciones del primer algoritmo. En las que se probó, dada cierta cantidad de metros, las decisiones que un conductor debe tomar. Por otro lado, el tercer modelo matemático está basado en la teoría del control óptimo. Para esto fue necesario usar el software de código abierto BOCOP para resolver las ecuaciones diferenciales del problema. En este modelo, las variables de control son el porcentaje del esfuerzo máximo de tracción y de frenado del tren. Los modelos fueron comparados mediante dos casos: Uno y dos límites de velocidad interestación. De las simulaciones se pudieron apreciar los tiempos de computo, la precisión y la aplicabilidad práctica. Para validar el primer modelo heurístico, se estudió la operación de un día del Metro de Valparaíso con la curva óptima y un perfil que minimiza los tiempos de viaje (curva rápida). De este modo se pudo analizar el potencial de ahorro energético de dicho sistema ferroviario comparando su operación con ambos perfiles, el cual se estimó un 25\% de reducción en la energía consumida en tracción. Finalmente se analizó la operación del sistema desde el punto de vista eléctrico, calculando la potencia instantánea requerida en tracción de las subestaciones de rectificación y el perfil de tensiones mínimas en la vía. Se pudo concluir que la curva óptima aliviana las exigencias de la infraestructura eléctrica del sistema. Actualmente modelo heurístico está incorporado a la herramienta OSIRIS, funcionando correctamente y validado por los integrantes del proyecto. Nuevas versiones y mejoras se harán a partir de las experiencias y retroalimentaciones de los usuarios del programa.