Study of influence of imprecision of primary information on energy consumption of rolling stock

Abstract

EN: The energy efficiency of urban rail transportation systems is a crucial indicator, as traction energy consumption typically accounts for 40-60% of the total energy consumption of the transportation system. This study examines the sensitivity of energy consumption to deviations from nominal conditions under the implementation of pre-calculated optimized trajectories for electric rolling stock, considering rolling stock with operation modes typical for suburban and urban transport. To determine globally optimal control strategies that minimize energy consumption while complying with operational constraints, the study uses dynamic programming based on Bellman's optimality principle. The optimization model divides the track section into discrete segments and uses the backward induction method to establish optimal control laws, producing speed trajectories as functions of the train's current coordinates on a given gradient profile. The trade-off between energy and time is represented by an indefinite Lagrange multiplier to ensure adherence to the timetable. Sensitivity analysis is performed by simulating inaccuracies in the estimates of the train's current coordinates and variations in its passenger load. Modelling of a targeted braking system has been implemented so as to ensure stopping accuracy in the event of measurement inaccuracies. Modelling was performed using three typical gradient profiles, characteristic primarily of underground railways; for comparison, modelling was also performed on a conditional section with a negligible gradient. The research methodology allows for a quantitative assessment of the degree of energy overconsumption that may be caused by deviations in train passenger load factors and errors in the estimation of the position of rolling stock (±25 meters), which provides information for assessing the effectiveness of pre-calculated optimized trajectories in real operating conditions.

UA: Енергоефективність систем міського залізничного транспорту є критично важливим показником, оскільки споживання енергії на тягу зазвичай становить 40-60% від загального енергоспоживання транспортної системи. У цьому дослідженні розглядається чутливість енергоспоживання до відхилень від номінальних умов при реалізації попередньо розрахованих оптимізованих траєкторій руху електрорухомого складу, розглядаючи рухомий склад з режимами роботи, типовими для приміських та міських перевезень. Для визначення глобально оптимальних стратегій керування, які мінімізують споживання енергії при дотриманні експлуатаційних обмежень, в дослідженні використовується динамічне програмування на основі принципу оптимальності Беллмана. Оптимізаційна модель розділяє ділянку колії на дискретні сегменти і використовує метод зворотного проходу для встановлення оптимальних законів управління, створюючи траєкторії швидкості як функції поточних координат поїзда на заданих поздовжніх профілях перегонів. Компроміс між енергією та часом представлений невизначеним множником Лагранжа для забезпечення дотримання графікового часу руху по перегону. Аналіз чутливості виконується шляхом моделювання неточностей в оцінках поточних координат поїзда та варіацій його пасажирського навантаження. Моделювання системи прицільного гальмування було реалізовано таким чином, щоб забезпечити точність зупинки у випадку неточності вимірювань. Моделювання проводилося з використанням трьох типових профілів перегонів, характерних, в першу чергу, для метрополітенів; для порівняння моделювання також проводилося на умовній ділянці з незначним постійним ухилом. Методика дослідження дозволяє кількісно оцінити ступінь перевитрат енергії, які можуть бути спричинені відхиленнями в завантаженні поїздів пасажирами та похибками в оцінці положення рухомого складу (±25 метрів), що надає інформацію для оцінки ефективності попередньо розрахованих оптимізованих траєкторій в реальних умовах експлуатації.