تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو

تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

یک رویکرد تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو

چکیده

تأخیر قطارها از تأثیر جدی بر روی کارایی عملیاتی و رضایت مسافرین برخوردار می باشد و در نتیجه سبب کاهش کیفیت خدمات می شود. مولفه کیفیت سرویس شامل مسایلی می باشد که می بایست نسبت به ارتقای آن اقدام نمود و در این راستا صرفه جویی انرژی یکی از ویژگی های مهم تلقی می شود. در این مقاله، ما به طور همزمان یک رویکرد تعدیل کارآمد انرژی جهت کاهش تأخیر قطار / مترو و کاهش میزان مصرف انرژی را ارائه می نماییم. به منظور کاهش انرژی، استراتژی های عملیاتی کارآمد انرژی مد نظر قرار می گیرند. بر این مبنا ما بهترین نقطه عملیاتی را به منظور کاهش انرژی کششی در نظر می گیریم. به علاوه نسبت به بهینه سازی زمان همپوشانی فاز شتاب گیری و ترمز در قطارها به منظور افزایش راندمان انرژی احیاگر ترمز اقدام می نماییم. در نهایت یک  شبیه سازی جهت نشان دادن رویکرد پیشنهادی انجام می شود. در این مبحث، ما نشان می دهیم که رویکرد تعدیلی فعلی به مصرف غیرضروری انرژی می انجامد. در مقابل، رویکرد ما به طور مشهود قابلیت کاهش تأخیر قطارها و فراهم آوردن یک رویکرد بهتر و کارآمد انرژی را خواهد داشت.

تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو

۱- مقدمه

قطارهای زیرزمینی یا  مترو از مزیت های مختلفی نظیر ایمنی،  سرعت و راحتی  برخوردار  می باشند، بنابراین آنها به عنوان بخش مهمی از حمل و نقل شهری محسوب می شوند. تحت شرایط معمولی، قطارها بر مبنای جدول زمانی برنامه ریزی شده حرکت می نمایند. اما به واسطه برخی از مشکلات تصادفی، قطارها ممکن است قابلیت دنبال نمودن جدول زمانی سیر خود را نداشته باشند. بنابراین شاهد بروز تأخیردر حرکت قطارها می باشیم. در صورتی که چنین مشکلی در زمان مقتضی حل نشود، نتیجه آن بروز تأثیرات جدی بر روی کل شبکه، نظیر تأثیرگذاری بر روی کیفیت خدمات، کاهش کارایی عملیاتی و غیره، خواهد بود. بنابراین، لازم است در صورت بروز انحراف در جدول زمانی قابلیت تعدیل فرآیند راهبری قطارها را داشته باشیم.

تحقیقات بسیاری در ارتباط با این ویژگی ارائه شده اند. این تحقیقات را می توان به دو دسته تقسیم نمود. یک دسته فرایند برنامه ریزی سیر قطارها از طریق تنظیم جدول زمانی می باشد. مورد دیگر کنترل قطارها با استفاده از استراتژی های کنترلی پیشنهادی است. Ghoseiri و همکاران [۱] اقدام به ارائه یک مدل بهینه کننده چند منظوره برای مشکل زمانبندی قطارها در یک شبکه راه آهن نمودند. با استفاده از روش محدودیت ـ e، آنها مرز پاراتو را مشخص نمودند. Higgins و همکاران [۲] یک مدل آنلاین را جهت به حداقل رسانی زمان تأخیر و هزینه های عملیاتی برای زمانبندی قطارها ارائه نمودند. Li و همکاران [۳] یک رویکرد زمانبندی تصادفی جهت کاهش عدم انطباق از جدول زمانی را عرضه داشتند. Dundar و همکاران [۴] یک الگوریتم ژنتیک جهت حل مشکل زمانبندی مجدد قطارها را ارائه نمودند. جهت نشان دادن کارایی راه حل های حاصل آمده به وسیله الگوریتم ژنتیک، آنها اقدام به مقایسه نتایج با استفاده از نتایج حاصله به وسیله شبکه عصبی مصنوعی (ANN) نمودند. استراتژی های کنترل بهینه را می توان جهت تعدیل عملیات قطارها بکار گرفت. Corman و همکاران [۵] یک استراتژی کنترل جدید ترافیک، جهت پاسخگویی به رشد تقاضای حمل و نقل را عرضه داشته و یک مدل بهینه سازی تفصیلی را ارائه نمودند که در بردارنده ویژگی های زمان انتظار در ایستگاه جهت اجتناب از اصلاح پروفایل سرعت در کریدورهای باز می باشد. Mazzarello و همکاران [۶] نیز یک روش جدید را برای کنترل ترافیک زمان واقعی به منظور بهینه سازی روانی ترافیک در شبکه های راه آهن بزرگ عرضه داشتند. Ariano و همکاران [۷] پروفایل های حرکت بهینه قطار را عرضه نمودند که این اطمینان را حاصل می آورد که راه حل بهینه، از نقطه نظر شبکه، از طریق اصلاح پروفایل های محلی سرعت قابلیت ارتقا را خواهد داشت. اما به علاوه می توان مشاهده نمود که هیچکدام از این موارد اقدام به ترکیب جدول زمانبندی قطارها و کنترل قطارها به منظور بررسی مشکل تعدیل این دسته از قطارها ننموده اند.

در این مقاله، ما یک رویکرد تعدیل کارآمد انرژی جهت تعدیل تغییر قطارها و کاهش میزان مصرف انرژی را به طور همزمان ارائه می نماییم. بر خلاف تحقیق موجود که صرفا جدول زمانی یا پروفایل های سرعت را در نظر می گیرند، ما اقدام به حداقل رسانی تأخیر قطارها از طریق زمانبندی آنها و کنترل قطارها نموده ایم. به علاوه، جهت کاهش مصرف انرژی، ما برخی از تکنیک های عملیاتی کارآمد انرژی، شامل جستجو برای بهترین نقطه حرکت به منظور کاهش انرژی کششی و بهینه سازی زمان همپوشانی فاز شتاب گیری و فاز ترمز برای قطارهای متصل به منظور افزایش کارایی انرژی احیاگر ترمز را مورد بررسی قرار داده ایم.

ادامه این مقاله به شرح ذیل سازماندهی شده است. در بخش ۲، یک مدل برنامه عدد صحیح  دو منظوره با توجه به مجموع زمان تأخیر و مجموع انرژی ارائه می شود. در بخش ۳، ما نسبت به ارائه رویکرد تعدیل کارآمد انرژی و حل الگوریتم مربوطه اقدام می نماییم. در بخش ۴، نتایج شبیه سازی ارائه می شوند. در نهایت در بخش ۵ نتیجه گیری عرضه خواهد شد.

تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو

۲- مدل و فرمول بندی

در این بخش، ما اقدام به ارائه نوعی مدل برنامه نویسی عدد صحیح دو منظوره به منظور کوتاه کردن زمان تأخیر و کاهش مصرف انرژی نموده و آن را تحت عنوان مدل تعدیل کارآمد انرژی می نامیم.

الف. پارامترها و متغیرها

پارامترها و متغیرهای استفاده شده در این مدل به شرح ذیل می باشند:

i شاخص ایستگاه و بخش، i = 1, 2, …, n

j شاخص ایستگاه و بخش، i = 1, 2, …, m

m مجموع کل ایستگاه ها

n مجموع کل قطارها

M جرم قطار

F نیروی کششی

B نیروی ترمز

f مقاومت حرکتی

سرعت قطار

شتاب در فاز کششی

شتاب در فاز حرکتی

شتاب در فاز ترمز

D_i,j زمان ورود برنامه ریزی شده قطار i در ایستگاه j

 Kایستگاه تأخیر اولیه

X_j زمان اقامت برنامه ریزی شده در ایستگاه j

I مجموعه قطارهای دارای تأخیر

 زمان تأخیر اولیه قطار j  در ایستگاه k

S_j فاصله بخش j

t_i,j زمان حرکت قطار i در بخش j

 حداقل زمان سیر در بخش j

r_min بازه های پیگیری حداقلی

[l_j, u_j] پنجره زمانی اقامت قطارها در ایستگاه j

 زمان شتاب قطار i در بخش j

 زمان حرکت قطار i در بخش j

 زمان ترمز قطار i در بخش j

H_i,j زمان اقامت قطار i در ایستگاه j

ب. توصیف فرایند تعدیل کنونی

توصیف فرایند تعدیل کنونی تأخیر قطارها در شکل یک ارائه شده است. این مورد شامل مرکز کنترل عملیاتی (OCC)،  زیرساختار،  اپراتورها،  اجزای  نقلیه ای داخلی  (VOBC) و  قطار می باشد.

در سیستم های مترو، قطار قابلیت حاصل آوردن وضعیت دقیق خود و زمان دقیق از طریق بکارگیری سرعت سنج ها و کیلومتر شمار نصب شده در داخل آن و ارسال اطلاعات مربوطه به مرکز کنترل (OCC) را خواهد داشت. وضعیت قطارها با توجه به جدول زمانی برنامه ریزی شده مقایسه می شوند. در صورتی که تفاوت ها فراتر از یک آستانه از قبل تعیین شده باشند، تنظیم مجدد قطار جهت کاهش تأخیر آن از طریق کوتاه کردن زمان سیر قطار بین ایستگاه ها، کاهش زمان توقف قطارها در ایستگاه ها و غیره مدنظر خواهد بود. بنابراین جدول زمانبندی تعدیلی  به  اطلاع  اپراتورها  رسیده و اپراتورها  نیز این جدول زمانی را به  VOBC  ارسال  می نمایند. قطارها بر مبنای جدول زمانی عمل می نمایند. در نتیجه، تنظیم عملیات دقیق قطارها مشکل میباشد. بنابراین مقاله جاری اقدام به بهینه سازی عملیات قطارها از طریق تنظیم جدول زمانی و پروفایل سرعت می نماید.

ج. تحلیل زمان تأخیر

در خصوص وقوع تأخیرها، ما قابلیت تعدیل عملیات قطارها از طریق تنظیم زمان حرکت و زمان رسیدن را خواهیم داشت، یعنی زمان سیر بخش ها و زمان توقف در ایستگاه ها. در صورتی که قابلیت کاهش مجموع زمان تأخیر ایستگاه ترمینال را داشته باشیم، این خصیصه بدان معنای خواهد بود که تأخیرهای قطارها تعدیل شده و قطارها می توانند در نزدیک جدول زمانبندی شده خود سیر نمایند. بنابراین، ما زمان تأخیر ایستگاه ترمینال را به عنوان هدف اصلی این مدل به شمار می آوریم. با فرض آنکه ایستگاه تأخیر اولیه قطار i برابر با k باشد، مجموع زمان تأخیر ایستگاه ترمینال به شرح ذیل خواهد بود:

د. مصرف انرژی قطارها

در سیستم های مترو، ما قابلیت کاهش انرژی کششی و افزایش کاربرد انرژی باز احیا شده جهت کاهش مجموع مصرف انرژی را خواهیم داشت. در فرمول بندی تابع هدف مصرف انرژی، انرژی کششی و انرژی احیا شده مجدد مدنظر خواهند بود. بر مبنای معادله حرکت، شتاب قطار i را می توان به شرح ذیل محاسبه نمود:

ه. محدودیت های مدل

به منظور ارضای ضروریت عملیاتی در ارتباط با ایمنی و کارایی، برخی از محدودیت ها را می بایست مدنظر قرار داد، شامل محدودیت ایمنی، محدودیت زمان سیر، محدودیت زمان توقف و محدودیت فاصله سیر.

و. مدل تعدیل کارایی انرژی

جهت تسکین تأخیرهای قطارها، زمان سیر در بخش ها و ایستگاه های ذیل را می بایست کاهش داد. بنابراین به زمان شتاب گیری بیشتری نیاز خواهد بود که منجر به مصرف انرژی بیشتر خواهد شد. بنابراین یک تعدیل کارآمد می بایست هر دو زمان تأخیر و مصرف انرژی را در نظر بگیرد. در اینجا، ما یک تابع هدف مناسب را به شرح ذیل ارائه می نماییم:

۳- رویکرد و راه حل پیشنهادی

الف. رویکرد پیشنهادی

بر مبنای مدل تعدیل کارآمد انرژی، ما نوعی رویکرد تعدیل کارآمد را جهت کوتاه سازی زمان تأخیر و کاهش مصرف انرژی عرضه می داریم. توصیف فرایند تعدیل پیشنهادی در شکل ۴ مشخص شده است، که به عنوان یک مورد اضافه شده به مدل تعدیل کارایی انرژی بر مبنای شکل ۱ می باشد.

OCC اقدام به مقایسه فاصله و زمان کنونی با جدول زمانی برنامه ریزی شده می نماید تا مشخص سازد که آیا محدوده های واگرایی از قبل تعیین شده فراتر رفته اند یا خیر. در صورتی که زمان تأخیر فراتر از این محدوده شود، OCC اقدام به ارسال دستوری برای تعدیل نموده و در این راستا قابلیت تنظیم زمان تأخیر، پارامترهای اصلی، و جدول زمانی برنامه ریزی شده در ارتباط با مدل تعدیل کارآمد انرژی به وجود می آید. از طریق حل این مدل، ما نوعی طرح تعدیل شده را از شروع ایستگاه بعدی خواهیم داشت، یعنی پروفایل سرعت و جدول زمانی تعدیل شده. جداول زمانی جدید به اطلاع اپراتورها، VOBC و همچنین سیستم های اطلاعات مسافرین رسیده و به طور هم زمان، پروفایل های جدید سرعت به اطلاع VOBC می رسد. از طرف دیگر اپراتورها نیز قابلیت انجام تعدیلات ضروری بر مبنای جداول زمانی تعدیل شده را خواهند داشت. به علاوه، قطارها نیز به طور دقیق بر مبنای پروفایل سرعت تعدیل شده عمل خواهند نمود. بنابراین هدف کوتاه سازی زمان تأخیر و کاهش مصرف انرژی حاصل خواهد شد.

ب. الگوریتم ژنتیک

GA (الگوریتم ژنتیک) به عنوان یک الگوریتم جستجوی تصادفی به شمار می آید که مشخص کننده مکانیزم انتخاب طبیعی و ژنتیک طبیعی می باشد. چندین برنامه کاربردی در خصوص الگوریتم ژنتیک در ارتباط با فرایندهای حمل و نقل وجود دارند. این برنامه ها جهت حل مدل پیشنهادی در این مقاله نیز بکار گرفته شده اند.

تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو

۴- نتایج شبیه سازی

برای نشان دادن این مدل و رویکرد ارائه شده، یک شبیه سازی عرضه می گردد. پارامترهای اصلی ذیلاً نشان داده شده اند. با توجه به قضیه ، ما به طور تصادفی اقدام به انتخاب    می نماییم. به منظور حاصل آوردن ضروریات مسافرین به منظور سوار و پیاده شدن از ایستگاه ها،  ما  اقدام  به انتخاب  lj = xj – ۵، uj = xj + 5  می نماییم. بر مبنای تجربه الگوریتم ژنتیک (GA)، ما p-size = 100، max-ge = 100 p_c = 0.8، p_m = 0.1 را انتخاب می نماییم. و متعاقباً جدول ۱ مشخص کننده جدول زمانی برنامه ریزی شده خواهد بود که زمان حرکت آن برابر با ۱۲۰ ثانیه مشخص می گردد. این شبیه سازی به وسیله برنامهMATLAB 7.10  بر روی یک کامپیوتر شخصی با سرعت پردازنده ۸/۲ گیگاهرتز و اندازه حافظه ۲ گیگابایت انجام شده است.

تعدیل کارآمد انرژی در سیستم های مترو

۵- نتیجه گیری

در این مقاله، مشکل تعدیل برنامه ریزی زمانی قطارها مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، ما یک مدل برنامه نویسی عدد صحیح دو منظوره را برای کوتاه سازی زمان تأخیر و کاهش مصرف انرژی ارائه نمودیم. بر این مبنا، ما در جستجوی بهترین نقطه حرکت به منظور کاهش انرژی کششی می باشیم. بعلاوه، ما اقدام به بهینه سازی زمان همپوشانی فاز شتاب گیری و فاز ترمز برای قطارهای متصل جهت افزایش بهره گیری از انرژی احیاگر ترمز نمودیم. متعاقباً ما یک رویه تعدیل کارآمد انرژی را جهت تعدیل جداول زمانی و پروفایل های سرعت قطارها عرضه داشتیم. در نهایت، شبیه سازی مرتبط نیز جهت نشان دادن این رویکرد اعمال شد. نتایج مشخص کننده آن هستند که در مقایسه با تحقیقات موجود، رویکرد ما به طور آشکاری قابلیت تعدیل زمانبندی تأخیر قطارها را داشته و ارائه دهنده تأثیرات بهتری در ارتباط با کارایی انرژی می باشد.