Kentsel raylı ulaşım sistemleri için akıllı enerji yönetim algoritması geliştirilmesi
Development of intelligent energy management algorithm for urban rail transportation systems
Yazar: AHMET YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. OKTAY ARIKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Çevre kirliliğinin artması, küresel ısınma ve enerji talebindeki artışın neden olduğu enerji kıtlığı, özellikle ulaşım sistemlerinde enerji verimliliği araştırmalarına yol açmıştır. Raylı sistemler, yüksek kapasiteli ulaşım taleplerini az enerji kullanımıyla ve hizmet kalitesini düşürmeden karşılayabildikleri için ulaşım ağlarında önemli bir rol oynamaktadır. Son yıllarda hem kentiçi metro/tramvay sistemleriyle hem de hız tren hatlarıyla şehirlerarası taşımacılıkta önem kazanan raylı sistem ulaşımının en önemli giderlerinden biri, trenin cer enerjisi tüketimidir. Ayrıca hatlardaki eğim, kurp, tünel direnci gibi hızı düşürücü faktörler, cer motoru ve fren sistemlerindeki verim kaybı, hava akımı, basınç gibi doğal etkenler vb. birçok parametre enerji maliyetini dinamik olarak belirlemektedir. Tez çalışmasında öncelikle demiryolu sistemlerinde kullanılan bir trenin matematiksel modeli verilmiştir. Aracın hareketini sağlayan çekiş kuvveti ve hareket yönüne zıt olan kuvvetler kapsamlı bir şekilde incelenmiş, aracın enerji tüketimi analiz edilmiş ve simülasyon programının temel çerçevesi oluşturulmuştur.
Trenlerde enerji kullanımını azaltmanın etkili bir yolu, belirli istasyonlar arasında seyahat eden aracın ideal hız profilini hesaplamaktır. Diğer bir yöntem ise frenleyen trenlerin ürettiği rejeneratif enerjinin verimli şekilde değerlendirilmesidir. Tezde, ilk olarak enerji verimli sürüşün sağlanması için optimal hareket modu stratejisinin belirlenmesi yaklaşımı ele alınmıştır. Her bir istasyon arası için, maksimum hızda gitme, boşta gitme, sabit hızda gitme ve frenleme noktalarının konumları, geliştirilen simülasyon yazılımı ve çeşitli sezgisel tabanlı algoritmalar yardımıyla optimize edilmiştir. Faydalanılan optimizasyon yöntemlerinden Genetik Algoritma, Benzetilmiş Tavlama Algoritması ve Parçacık Sürü optimizasyonu yöntemleri ile ilgili daha önce yapılmış çalışmalar olmasına karşın, bu tezde yapılan çalışmalar farklı kısıtlar ve parametreler altında değerlendirilmektedir. Bu alandaki çalışmalara en büyük katkı Deniz Yırtıcıları Algoritması'nın tren işletiminin optimizasyonuna uygulanması ve performanslarının kendi aralarında karşılaştırmalı olarak sunulmasıdır. Ayrıca simülasyon ortamında elde edilen sonuçlar, gerçek bir metro hattında pratikte kullanılmış ve simülasyon sonuçları ile karşılaştırılarak sunulmuştur.  İkinci olarak, rejeneratif frenleme enerjisinden maksimum düzeyde faydalanılması amacıyla zaman çizelgesi optimizasyonu yapılmıştır. Bu alandaki en önemli iki katkı ise, özgün bir rejeneratif frenleme enerjisi modeli ile entegre bir optimizasyon yapısının geliştirilmesidir. Tez çalışması kapsamında geliştirilen çoklu tren hareket simülatörü ve entegre optimizasyon modeli ile, aynı elektrik bölgesinde bulunan iki trenden birinin frenleme diğerinin ise hızlanma modunda olduğu senkronize sürenin artırılması sağlanmıştır. Amaç fonksiyonunda, katener hattı geriliminin aşırı yükselmemesi veya düşmemesi için, iki trenin aynı anda hızlanma veya frenleme modunda olmaması durumu da dikkate alınmıştır. İstasyonlar arası hız profili, seyahat süreleri (sabit bir toplam seyahat süresi altında) ve trenler arası sefer süreleri entegre bir yapı altında optimize edilerek M3 metro hattının cer enerjisi tüketimi önemli miktarda azaltılmıştır.

Abstract:
Energy shortage caused by the increase in environmental pollution, global warming and increase in energy demand have led to energy efficiency researches, especially in transportation systems. Rail systems play an important role in transportation networks because they can meet high-capacity transportation demands with low energy consumption and without reducing service quality. One of the most important expenses of rail system transportation, which has gained importance in intercity transportation with both urban metro/tram systems and speed train lines in recent years, is the traction energy consumption of the train. In addition, speed-reducing factors such as slopes, curves and tunnel resistance in the lines, loss of efficiency in the traction motor and brake systems, natural factors such as air flow and pressure, etc., determine the energy cost dynamically. In the thesis study, firstly, a mathematical model of a train used in railway systems is given. The traction force that enables the movement of the vehicle and the forces opposing the direction of movement were examined comprehensively, the energy consumption of the vehicle was analyzed and the basic framework of the simulation program was created.
An effective way to reduce energy use in trains is to calculate the optimal speed profile of the vehicle traveling between specific stations. Another method is the efficient use of regenerative energy produced by braking trains. In the thesis, firstly, the approach of determining the optimal motion mode strategy to ensure energy efficient driving is discussed. For each inter-station, the positions of the maximum accelaration, coasting, cruising and braking points have been optimized with the help of the developed simulation software and various heuristic-based algorithms. Although there are previous studies on the used optimization methods Genetic Algorithm, Simulated Annealing Algorithm and Particle Swarm optimization methods, the studies conducted in this thesis are evaluated under different constraints and parameters. The biggest contribution to the studies in this field is the application of the Marine Predators Algorithm to the optimization of train operation and the comparative presentation of their performances. In addition, the results obtained in the simulation environment were used in practice on a real metro line and compared with the simulation results. Secondly, to maximize the regenerative braking energy, an optimal adjustment of timetable has been made. The two most important contributions in this area are the development of a unique regenerative braking energy model and an integrated optimization structure. With the multi-train motion simulator and integrated optimization model developed within the scope of the thesis, the synchronized time in which one of the two trains in the same electrical zone is in the braking mode and the other in the acceleration mode has been increased. In the objective function, the condition that two trains are not in acceleration or braking mode at the same time is also taken into account so that the catenary line voltage does not increase or decrease excessively. The traction energy consumption of the M3 metro line has been significantly reduced by optimizing the speed profile between stations, travel times (under a fixed total travel time) and inter-train journey times under an integrated structure.