ES2239022T3 - Procedimiento para la optimizacion energetica en la conduccion de un vehiculo/tren usando la energia cinetica. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la optimización energética en la conducción de un vehículo/tren usando los tiempos de reservas planificados en un horario del tren, por el que para la consecución de un modo de marcha que ahorre energía, haciendo uso de un algoritmo de optimización, se usan la energía cinética del vehículo y el tiempo como variables de estado en un modelo del vehículo, y se tienen en cuenta las variaciones de las variables de estado respecto a la distancia recorrida en el trayecto usando la solución analítica explícita de la ecuación de movimiento para la energía cinética del vehículo en el modelo del vehículo, caracterizado porque para la optimización se toma como base el siguiente modelo de ecuación diferencial:(Ver fórmula) en la que con (Ver fórmula) Ekin Energía cinética del vehículo/tren ekin Energía cinética específica del vehículo/tren, normalizada respecto a la masa del vehículo e0 Valor inicial de ekin A Fuerza de tracción, por ejemplo, aceleración y frenado, empleada por el sistema motriz, resistencia del trayecto y los porcentajes constantes de la resistencia al avance B Parte, dependiente de la velocidad, de la resistencia al avance, por ejemplo, coeficiente del mecanismo de arrastre para movimientos perturbadores C Parte, dependiente de la velocidad, de la resistencia al avance, por ejemplo, resistencia del aire m Masa del vehículo s Recorrido t Tiempo t0 Valor inicial del tiempo t Deltat Consumo de tiempo v Velocidad del vehículo ro coeficiente de masas en giro y porque para la optimización, se divide el trayecto considerado en varias secciones, de manera que en cada sección se puede tomar como constante la velocidad máxima y los términos A y C, y el término B se incluye de modo aproximado en los términos C y A, de manera que B = 0, de manera que para cada etapa se toma como base el siguiente modelo de ecuación diferencial:(Ver fórmula)

Description

Procedimiento para la optimización energética en la conducción de un vehículo/tren usando la energía cinética.

La invención se refiere a un procedimiento para la optimización energética en la conducción de un vehículo/tren según el preámbulo de la reivindicación 1.

Al elaborarse los horarios del transporte ferroviario se planifican tiempos de reserva para acontecimientos imprevistos y condiciones adversas del servicio. Dado que durante los viajes reales las condiciones del servicio son típicamente más favorables que las previstas en la planificación, quedan disponibles para otros fines los tiempos de reserva que surjan en este caso. Un uso especialmente favorable de los tiempos de reserva radica en el ahorro de energía mediante una conducción adecuada del vehículo/tren.

De los documentos DE3026652A1, DD255132A1 y EP0467377B1 se conocen en este sentido procedimientos sobre cómo se mueve un vehículo entre dos puntos de parada con un uso óptimo de la energía. En caso de trayectos largos se propone una subdivisión en varias secciones, determinándose una solución parcial óptima en cada sección y obteniéndose la solución total a partir de la unión de las soluciones parciales.

Los documentos DE3026652A1 y EP0467377B1 se refieren a una estructura del sistema, en la que se pueden realizar procedimientos para minimizar la energía, teniéndose en cuenta un trayecto total entre dos puntos de parada (estaciones de parada).

En el documento DD129761 se describe un procedimiento para la realización de un control del tren que ahorre energía, por medio de la selección de programas de marcha fijos en el tiempo o variables en el tiempo para la especificación de conmutaciones óptimas entre los regímenes de marcha de arranque, velocidad constante, rodadura final y frenado.

Los procedimientos conocidos hasta el momento se basan en un modelo de vehículo que contiene la velocidad del vehículo como una variable básica. Sin embargo, los modelos para describir la variación de velocidad durante el recorrido son desventajosamente alineales. La aplicación de un algoritmo numérico de tipo iterativo para la solución de ecuaciones no lineales implícitas es especialmente crítica en el uso del tiempo real. No se conoce ninguna solución analítica explícita.

La invención tiene el objetivo de dar a conocer un procedimiento mejorado para la optimización energética en la conducción de un vehículo/tren con un trayecto total subdividido en varias secciones.

Este objetivo se alcanza mediante las características mencionadas en la reivindicación 1, en relación con el preámbulo.

Las ventajas que pueden lograrse con la invención, radican especialmente en que mediante el uso de la ecuación del movimiento para la energía cinética del vehículo en el modelo de vehículo se simplifica el cálculo de optimización. El uso de una solución analítica explícita de la ecuación del movimiento para la energía cinética del vehículo permite determinar previamente los gastos necesarios de cálculo, algo especialmente importante para la aplicación en condiciones de tiempo real.

En las reivindicaciones subordinadas están caracterizadas configuraciones ventajosas de la invención.

Otras ventajas del procedimiento propuesto se derivan de la siguiente descripción.

A continuación se explica la invención con más detalle.

Lo esencial de la invención radica en que para el cálculo de la conducción óptima en el modelo de vehículo o el modelo de ecuación diferencial se tiene en cuenta, en lugar de la velocidad del vehículo, la ecuación del movimiento para la energía cinética del vehículo, es decir, se emplean como magnitudes de estado la energía cinética E_{kin} del vehículo y el tiempo t. De este modo es posible la solución analítica de la ecuación del movimiento, simplificándose así considerablemente el procedimiento de optimización.

Se tienen en cuenta las variaciones de las magnitudes de estado respecto al recorrido s. El modelo de ecuación diferencial tiene la forma:

\frac{de_{kin}}{ds} = A - B \sqrt{e_{kin}} -C \cdot e_{kin}\cdot e_{kin}(0) = e_{0},

\frac{dt}{ds} = D \sqrt{\frac{1}{e_{kin}}}, t(0)=t_{0}, \hskip0.5cm con \ D=\frac{\sqrt{2}}{2}

\newpage

El término A indica la fuerza de tracción empleada por el sistema motriz (aceleración y frenado), la resistencia del trayecto y los porcentajes constantes de la resistencia al avance. Los términos B y C describen las partes, dependientes de la velocidad, de la resistencia al avance; C describe especialmente la resistencia del aire y B, el coeficiente del mecanismo de arrastre para movimientos perturbadores. La variable e_{kin} describe la energía cinética específica del vehículo/tren, normalizada respecto a la masa m del vehículo (masa del tren):

e_{kin} = \frac{1}{m\cdot\rho}E_{kin} = \frac{1}{2} \nu^{2}

siendo \rho un coeficiente de masas en giro y \nu, la velocidad del vehículo.

Para la optimización se divide el trayecto analizado en varias etapas, de modo que en cada etapa se pueden aceptar de manera constante la velocidad máxima y los términos A y C. El término B se integra de manera aproximativa en los términos C y A, siendo válido B = 0. En cada etapa se emplea la siguiente solución analítica de las ecuaciones diferenciales indicadas para calcular la variación de la energía cinética y el consumo de tiempo \Deltat:

e_{kin}(s)=\frac{A}{C} + \left(e_{kin}(0)-\frac{A}{C} \right)\cdot exp(-C \cdot s),

t(s)=t(0) + \Delta t(s)

siendo para A>0 y C / A \cdot e_{kin} (0) = 1 (velocidad constante):

\Delta t(s) = \frac{D\cdot s}{\sqrt{e_{kin}(0)}}

siendo para A>0 y C / A \cdot e_{kin} (0) \neq 1:

\Delta t(s)=\frac{2D}{\sqrt{A\cdot C}} \ arctan \ h \left(\frac{x - y}{1 -x\cdot y}\right)

x = \sqrt{1 + \left(\frac{C}{A}e_{kin}(0)-1\right)exp(-C\cdot s)}, \hskip0.5cm y=\sqrt{\frac{C}{A}e_{kin}(0)}

siendo para

\frac{-C\cdot e_{kin}(0)}{[exp(C\cdot s)-1]} < A <0

\Delta t(s) = \frac{2D}{\sqrt{-A\cdot C}} \ arctan\left(\frac{y - x}{1 + x \cdot y} \right)

x = \sqrt{-(1 + \left(\frac{C}{A}e_{kin}(0)-1\right)exp(-C\cdot s))}, \hskip0.5cm y=\sqrt{- \frac{C}{A}e_{kin}(0)}

siendo para A=0:

\Delta t(s) = \frac{2D}{C\sqrt{e_{kin}(0)}} \left[exp\left(\frac{C}{2}s\right)-1\right]

El problema de la optimización se formula, por consiguiente, como problema multietapas y se resuelve con un algoritmo adecuado de optimización. Por ejemplo, son algoritmos adecuados de optimización la "programación dinámica" según Bellman o la conversión y la solución como problema no lineal de optimización. Los algoritmos se conocen, por ejemplo, a partir de Papageorgiou: Optimizierung, capítulo 10, 19 y especialmente el 20, editorial Oldenbourg Verlag, 1996.

\newpage

Lista de referencias

A

Fuerza de tracción (aceleración y frenado) empleada por el sistema motriz, resistencia del trayecto y los porcentajes constantes de la resistencia al avance

B

Parte, dependiente de la velocidad, de la resistencia al avance (coeficiente del mecanismo de arrastre en caso de movimientos perturbadores)

C

Parte, dependiente de la velocidad, de la resistencia al avance (resistencia del aire)

D

\sqrt{2/2}

E_{kin}

Energía cinética del vehículo/tren

e_{kin}

Energía cinética específica del vehículo/tren, normalizada respecto a la masa del vehículo

e_{0}

Valor inicial de e_{kin}

m

Masa del vehículo

s

Recorrido

t

Tiempo

t_{0}

Valor inicial del tiempo t

\Deltat

Consumo de tiempo

\nu

Velocidad del vehículo/tren

\rho

coeficiente de masas en giro

Claims (2)

1. Procedimiento para la optimización energética en la conducción de un vehículo/tren usando los tiempos de reservas planificados en un horario del tren, por el que para la consecución de un modo de marcha que ahorre energía, haciendo uso de un algoritmo de optimización, se usan la energía cinética del vehículo y el tiempo como variables de estado en un modelo del vehículo, y se tienen en cuenta las variaciones de las variables de estado respecto a la distancia recorrida en el trayecto usando la solución analítica explícita de la ecuación de movimiento para la energía cinética del vehículo en el modelo del vehículo, caracterizado porque para la optimización se toma como base el siguiente modelo de ecuación diferencial:

\frac{de_{kin}}{ds} = A - B \sqrt{e_{kin}} -C\cdot e_{kin} \cdot e_{kin}(0)=e_{0},

\frac{dt}{ds} = D \sqrt{\frac{1}{e_{kin}}, t(0)=t_{0}}, \hskip0.5cm con \ D=\frac{\sqrt{2}}{2}

en la que

e_{kin} = \frac{1}{m\cdot\rho}E_{kin} = \frac{1}{2} \nu^{2}

con

E_{kin}

Energía cinética del vehículo/tren

e_{kin}

Energía cinética específica del vehículo/tren, normalizada respecto a la masa del vehículo

e_{0}

Valor inicial de e_{kin}

A

Fuerza de tracción, por ejemplo, aceleración y frenado, empleada por el sistema motriz, resistencia del trayecto y los porcentajes constantes de la resistencia al avance

B

Parte, dependiente de la velocidad, de la resistencia al avance, por ejemplo, coeficiente del mecanismo de arrastre para movimientos perturbadores

C

Parte, dependiente de la velocidad, de la resistencia al avance, por ejemplo, resistencia del aire

m

Masa del vehículo

s

Recorrido

t

Tiempo

t_{0}

Valor inicial del tiempo t

\Deltat

Consumo de tiempo

\nu

Velocidad del vehículo

\rho

coeficiente de masas en giro

y porque para la optimización, se divide el trayecto considerado en varias secciones, de manera que en cada sección se puede tomar como constante la velocidad máxima y los términos A y C, y el término B se incluye de modo aproximado en los términos C y A, de manera que B = 0, de manera que para cada etapa se toma como base el siguiente modelo de ecuación diferencial:

\frac{de_{kin}}{ds} = A-C\cdot e_{kin}

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque para cada etapa del trayecto se usa la siguiente solución analítica:

e_{kin}(s) = \frac{A}{C} + \left(e_{kin}(0)-\frac{A}{C}\right)\cdot exp(-C \cdot s),

t(s)=t(0) + \Delta t(s)

siendo para A>0 y C/A\cdote_{kin}(0)=1:

\Delta t(s) = \frac{D\cdot s}{\sqrt{e(0)}}

siendo para A>0 y C/A\cdote_{kin}(0) \neq 1:

\Delta t(s)=\frac{2D}{\sqrt{A\cdot C}} \ arctan \ h \left(\frac{x - y}{1 -x \cdot y}\right)

x = \sqrt{1 + \left(\frac{C}{A}e_{kin}(0)-1\right)exp(-C\cdot s)}, \hskip0.5cm y=\sqrt{\frac{C}{A}e_{kin}(0)}

siendo para:

\frac{-C\cdot e_{kin}(0)}{[exp(C\cdot s)-1]} < A <0

\Delta t(s) = \frac{2D}{\sqrt{-A\cdot C}} \ arctan\left(\frac{y - x}{1 + x \cdot y} \right)

x = \sqrt{-(1 + \left(\frac{C}{A}e_{kin}(0)-1\right)exp(-C\cdot s))}, \hskip0.5cm y=\sqrt{-\frac{C}{A}e_{kin}(0)}

siendo para A=0:

\Delta t(s) = \frac{2D}{C\sqrt{e_{kin}(0)}} \left[exp\left(\frac{C}{2}s\right)-1\right]

siendo

\Deltat el tiempo empleado.