2 فصل دوم مروری بر سیستم‌های تراكشن راه‌آهن………………………….. 5

2‌.1‌    سیستم‌های تراکشن الکتریکی………………………….. 6

2‌.1‌.1‌ محركه موتور DC…………………………..

2‌.1‌.2‌ محرکه موتور AC…………………………..

2‌.2‌    تراکشن دیزل الکتریک…………………………… 12

2‌.3‌    تراکشن هیبریدی………………………….. 13

3 فصل سوم مروری بر روش‌های بهینه‌سازی………………………….. 15

3‌.1‌    بهینه‌سازی یک‌هدفه…………………………. 16

3‌.2‌    مفاهیم بنیادی در بهینه‌سازی چند‌هدفه…………………………. 17

3‌.3‌    جستجو و تصمیم‌گیری………………………….. 21

3‌.4‌    مروری بر روش‌های مرسوم در بهینه‌سازی چند‌هدفه……………… 22

3‌.4‌.1‌ روش مجموع وزن‌دار………………………… 22

3‌.4‌.2‌ روش مقیدسازی ε………………………….

3‌.5‌    الگوریتم‌های تکاملی در بهینه‌سازی یک‌هدفه و چند‌هدفه……………. 24

3‌.5‌.1‌ الگوریتم بهینه‌سازی تکاملی یک‌هدفه Krill Herds………………………..

3‌.5‌.2‌ جستجوی چند‌هدفه…………………………. 32

3.5.3 الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه تکاملی NSGA-II………………………….

4.5.3 الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه تکاملی MOPSO…………………………..

4 فصل چهارم مدل‌سازی حرکت قطار و توان تراکشن………………………….. 44

4‌.1‌    فیزیك حركت وسایل نقلیه…………………………. 45

4‌.1‌.1‌ آشنایی كلی…………………………. 45

4‌.1‌.2‌ کشش سطحی…………………………. 46

4‌.1‌.3 مقاومت قطار………………………… 48

4‌.1‌.4‌ جرم موثر…………………………. 48

4‌.1‌.5‌ معادله عمومی حركت وسیله نقلیه…………………………. 49

4‌.2‌    مدل‌سازی و  شبیه‌سازی………………………….. 49

4‌.2‌.1‌ سوییچ وضعیت وسایل نقلیه…………………………. 50

4‌.2‌.2‌ ورودی‌های عملیاتی…………………………. 52

4‌.2‌.3‌ شبیه‌ساز حرکت قطار …………………………57

4‌.3‌    معادلات حالت و توابع هدف………………………….. 58

5 فصل پنجم بهینه‌سازی تراژکتوری سرعت قطار……………………. 61

5‌.1‌    اصل بخش‌بندی مسیر و گراف سرعت…………………………… 63

5‌.2‌    ارائه یک استراتژی رانندگی کارآمد…………………………. 63

5‌.2‌.1‌ ساخت تراژکتوری سرعت………………………….. 63

5‌.2‌.2‌ تعیین شاخص کنترل با ضریب آسایش مسافرین………………….. 65

5‌.3‌    پیاده‌سازی الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه NSGA-II روی مساله مورد نظر…….. 68

5‌.3‌.1‌ تعیین جمعیت اولیه…………………………. 68

5‌.3‌.2‌ ابتکار در هدایت فرآیند جستجو…………………………. 69

5‌.3‌.3‌ تعیین برازندگی اعضای فرآیند بهینه‌سازی………………………… 69

5‌.4‌    پیاده‌سازی الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفه MOPSO روی مساله مورد نظر…………. 71

5.5‌    پیاده‌سازی الگوریتم بهینه‌سازی یک‌هدفه KH روی مساله مورد نظر……………… 72

5‌.6‌    بیانی از مقاوم بودن در روش‌های بهینه‌سازی تکاملی…………………… 72

5‌.6‌.1‌ مقاوم بودن در بهینه‌سازی یک‌هدفه…………………………. 73

5‌.6‌.2‌ مقاوم بودن در بهینه‌سازی چند‌هدفه تکاملی…………………………. 74

5‌.7‌    مورد مطالعاتی………………………….. 75

5‌.8‌    نتایج شبیه‌سازی و مقایسه…………………………. 76

5‌.8‌.1‌ نتایج حاصل از اعمال الگوریتم NSGA-II………………………….

5‌.8‌.2‌ نتایج حاصل از اعمال الگوریتم MOPSO…………………………..

5‌.8‌.3‌ نتایج حاصل از اعمال الگوریتم KH…………………………..

5‌.8‌.4‌ تراژکتوری‌های سرعت بهینه…………………………. 81

5‌.9‌    مقایسه نتایج با یک مرجع…………………………. 85

5‌.10‌  ارائه یک شیوه برای استفاده از روش‌های پیشنهادی………………. 87

6 فصل ششم بهبود کارایی سیستم تراکشن الکتریکی بوسیله کاهش عدم تعادل جریان و همزمان تامین توان راکتیو مورد نیاز………89

6‌.1‌    ساختار کلی یک سیستم 2×25 کیلو ولت AC اتوترانسفورماتوری……………….. 90

6‌.2‌    عیب یابی سیستم و ارائه راه‌حل………………………….. 91

6‌.3‌    اجرای SVC………………………….

6‌.4‌    متعادل‌سازی جریان بار………………………… 93

6‌.5‌    جبران‌سازی توان راکتیو…………………………. 94

6‌.6‌     تعریف مساله…………………………. 95

6‌.7‌    فرآیند بهینه‌سازی………………………….. 95

6‌.8‌    نتایج و بررسی………………………….. 96

7فصل هفتم نتیجه‌گیری و پیشنهادات…………………………… 102

منابع و مراجع………………………….. 104

پیوست‌ها………………………… 110

چکیده:

امروزه با توسعه سریع سیستم‌های حمل و نقل ریلی درون شهری و برون شهری، تقاضای انرژی مصرفی و همچنین کیفیت سرویس دهی مطلوب‌تر افزایش یافته است. رقابت در این عرصه می‌تواند  در نحوه اجرای یک سفر بهینه با اهداف حداقل تاخیر زمانی سفر و حداقل انرژی مصرفی شکل بگیرد. در این پایان‌نامه چگونگی حصول یک سفر کارآمد توسط یک قطار، تحت قیود پروفیل مسیر و حدود سرعت مورد بررسی قرار گرفته است. در این راستا، روش‌های بهینه‌سازی چند‌هدفه تکاملی NSGA-II و MOPSO و همچنین روش بهینه‌سازی تکاملی یک‌هدفه Krill Herds، برای تولید یک تراژکتوری سرعت با حداقل انرژی مصرفی، حداقل تاخیر زمانی سفر و همچنین با تامین آسایش مسافرین، مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج به ازای یک زمان سفر معین 1200 ثانیه‌ای نشان داد که تراژکتوری سرعت تعیین شده توسط NSGA-II دارای بهترین عملکرد و کمترین انرژی مصرفی نسبت به دو الگوریتم دیگر است. همچنین جبهه‌های پارتو منتجه به ازای تعداد اعضا و تکرار یکسان نشان داد که در زمان‌های سفر کوتاهتر از حدود 1100 ثانیه و طولانی‌تر از 1500 ثانیه، MOPSO می‌تواند دارای نتایج مطلوب‌تری باشد.

با توسعه شبکه های الکتریکی حتی در نواحی بین شهری، بیشتر سیستم‌های تراکشن راه‌آهن امروزی از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. در این پایان‌نامه یک سیستم تراکشن راه‌آهن 2×25 کیلو ولت AC 50 هرتز مورد بررسی قرار گرفته و برای چند مورد از مشکلات اساسی این سیستم نظیر عدم تعادل حدود 11 درصد در جریان بار و همچنین مصرف توان راکتیو بالا، یک SVC هوشمند پیشنهاد شده است. این SVC قادر است بصورت زمان واقعی و توسط الگوریتم بهینه‌سازی چند‌هدفه NSGA-II، میزان عدم تعادل جریان بار را به 98/0 درصد تقلیل داده و همچنین همزمان توان راکتیو مورد نیاز سیستم را نیز تامین کند.

فصل اول: مقدمه

با افزایش جمعیت و بالا رفتن هزینه‌های حمل‌ونقل در بیشتر کشورهای جهان، سیستم راه‌آهن شهری هنوز به عنوان یک سیستم حمل‌ونقل برتر شناخته می‌شود. علت این برتری می‌تواند  ناشی از اطمینان بالا و تاثیر زیاد این سیستم بر بهبود ترافیک شهری باشد.  جستجوی روش‌های كنترل بهینه برای قطارها بطوری‌كه استفاده از منابع انرژی را حداقل كند یكی از مسائل مهم روز در زمینه مهندسی راه‌آهن به شمار می‌رود. در صنعت راه‌آهن دو راهكار کلی می‌تواند  برای بهبود انرژی مصرفی ارائه   گردد، یكی بهبود تكنولوژی ساخت سیستم تراکشن راه‌آهن و دیگری تغییر در روند عملیاتی قطار است. توسعه تكنولوژی قطار می‌تواند شامل مواردی نظیر كاهش جرم قطار [1]، طراحی پیشرفته سطوح قطار به منظور كاهش مقاومت آیرودینامیكی [2] و یا افزودن تجهیزاتی به منظور بهبود بهره‌وری انرژی مطلوب‌تر باشد. برای تغییر در روند عملیاتی قطار می‌توان از شیوه عملكرد راهبر قطار [3,4] و یا طراحی جدول زمانی مناسب [5] یاد كرد كه می‌تواند سریعتر و با هزینه پایین‌تری اجرا شود.

در دهه‌های اخیر روش‌های گوناگونی نظیر کنترل فازی [6]، كنترل دنده خلاص [7] و روش‌های بهینه‌سازی تکاملی به منظور بهبود عملكرد و کارایی انرژی قطار ارائه شده‌اند. لیكزینگ یانگ[1] و همکارانش روی یك مدل ریاضی به منظور جستجوی حركات بهینه قطار با مسیر و زمان پیمایش از پیش تعیین شده و با هدف بهینه‌سازی مصرف انرژی و زمان سیر قطار با بهره گرفتن از استراتژی كنترل دنده خلاص تحقیق كرده‌اند [8]. شاوفنگ لو[2] و همکارانش پتانسیل اعمال استراتژی‌های مدیریت توان پیشرفته برای یك قطار DMU[3] را با بهره گرفتن از روش DP[4] مورد ارزیابی قرار داده اند و در نهایت كاهش هزینه سوخت حدود  هفت درصد را در مقایسه با زمانی كه موتورها به طور همزمان عمل می‌كردند، نتیجه داده است [9].

مطالعات متعددی در مورد نحوه تعیین یك تراژکتوری سرعت بهینه انجام شده است که می‌توان محور این مطالعات را به دو دسته کلی تقسیم نمود: كنترل دنده خلاص و كنترل سراسری. كنترل دنده خلاص برای بهبود كارایی انرژی یك قطار در شرایط دنده خلاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. مثلاً تعیین نقاط خاصی كه اگر موتورهای تراكشن در آن نقاط هیچ گشتاوری تولید نکنند، می‌تواند مسیر سرعت بهینه را تضمین كند [7,8,10,11]. عموماً روش‌های  بهینه‌سازی غیر قطعی از جمله الگوریتم ژنتیك‌ برای این نوع مطالعه استفاده می‌شوند [10]. در [11] یك الگوریتم ژنتیك بهینه‌سازی دو سطحی ارائه شده است به‌طوری‌كه در گام اول نقاط دنده‌خلاص را برای عملكرد قطار شهری با هدف حداقل‌سازی انرژی مصرفی تعیین كرده و سپس در گام دوم یك مدل بهینه از تنظیم زمان بازیابی سفر بین ایستگاهی قطار با كاهش بیشتر در انرژی مصرفی ارائه می‌دهد. به گفته آقای دینگ یونگ[5] با بهره گرفتن از الگوریتم دو سطحی می‌توان به اندازه 09/16 درصد در انرژی مصرفی در مقایسه با روش مرسوم صرفه‌جویی كرد. دسته دوم یعنی كنترل سراسری از كل سیگنال‌های كنترلی ممكن استفاده می‌کند [12-14]. به علت طبیعت عمومی روش‌های کنترل سراسری، الگوریتم‌های استفاده شده عموماً از لحاظ محاسباتی بسیار پیچیده هستند. در این مورد یك استراتژی كنترل سراسری عملی به گونه‌ای ارائه می‌گردد، كه بتواند با بهره گرفتن از توالی‌های کنترلی مناسب، تراژکتوری‌های سرعت قطار با مصرف انرژی كارآمد را شناسایی کند. لیو و گلوویچر[6]  یك راه‌حل تحلیلی برای محاسبه پارامترهای كنترل بهینه ارائه داده‌اند به‌طوری‌كه قطار را از یك نقطه به نقطه دیگر در یك زمان معین با حداقل انرژی مصرفی هدایت كند [12]. در [14] نیز یك روش كلی مبتنی بر استفاده یك‌پارچه از  شبیه‌ساز ترافیك و یك كد بهینه‌سازی سیمپلكس ارائه شده است كه به طور اتوماتیك پارامترهای بهینه نظیر نرخ شتابگیری، نرخ كاهش شتاب و نرخ سرعت كروز را با معیار حداقل مصرف انرژی تعیین می‌کند. شاوفنگ لو ]15[ با بهره گرفتن از سه روش GA، ACO و DP روی یک گراف سرعت، تراژکتوری‌های بهینه سرعت را تحت قیود زمانی سفر و حدود سرعت بصورت آفلاین تولید کرده است و در نهایت اثبات کرده است که تراژکتوری سرعت بدست‌آمده توسط روش DP از لحاظ عملکرد و انرژی مصرفی مطلوب‌تر است.

در این پایان‌نامه، هدف، تولید تراژکتوری‌های سرعت بهینه است به گونه‌ای که تحت قیود حاکم بر مساله، همزمان هم از لحاظ انرژی مصرفی بهینه باشد و هم اینکه تحت این تراژکتوری سرعت، قطار با حداقل تاخیر زمانی سفر ممکن و با تامین آسایش مسافرین به مقصد مورد نظر برسد. دو الگوریتم  بهینه‌سازی چند‌هدفه NSGA-II ، MOPSO و الگوریتم بهینه‌سازی یک‌هدفه KH برای تحقق تراژكتوری سرعت قطار بهینه بكار گرفته شده‌اند. در ادامه، کارایی الکتریکی یک سیستم تراکشن راه‌آهن 2×25 کیلو ولت AC 50 هرتز مورد بررسی قرار گرفته، برخی از مشکلات اساسی این سیستم تعیین شده و راه‌حلی جهت رفع این مشکلات ارائه می‌گردد.

این پایان‌نامه در قالب فصل‌های زیر تدوین شده است:

– در فصل1، یك مقدمه عمومی از پیش زمینه، ‌انگیزه تحقیق، مورد مطالعاتی، اهداف و جزئیات پایان‌نامه آورده شده است.

– در فصل 2، مروری شده است بر سیستم‌های توان تراكشن راه‌آهن، شامل سیستم محركه DC و سیستم محركه AC‌. این فصل یك پیش‌زمینه مهندسی برق برای مدل‌سازی وسیله حمل‌ونقل ریلی تشریح شده در فصل 4، می‌باشد.

– در فصل 3، تكنیك‌های بهینه‌سازی مورد بررسی قرار گرفته است.

– در فصل4، جزئیات مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم توان تراكشن ارائه شده است. در این فصل ابتدا به تعیین معادلات فیزیكی حركت وسایل نقلیه پرداخته می‌شود و سپس مفهوم سوئیچ حالت وسیله نقلیه نیز شرح داده می‌شود.

– در فصل5، بهینه‌سازی تراژکتوری سرعت یك قطار ارائه می‌گردد. در این فصل یک شیوه رانندگی کارآمد با آسایش مسافرین بیان می‌شود و سپس یك گراف برای تولید تراژکتوری سرعت قطار ارائه می‌گردد و در نهایت با استفاده روش‌های بهینه‌سازی تکاملی، تراژکتوری‌های سرعت بهینه تولید شده و از چندین منظر با یکدیگر مقایسه می‌شوند.

– در فصل6، پتانسیل استفاده از یک SVC به منظور بهبود کارایی الکتریکی یک سیستم تراکشن راه‌آهن برقی مورد بررسی قرار گرفته است.

– در فصل7، نتیجه گیری و كارهای پیش روی این پژوهش ارائه می‌گردد.

فصل دوم: مروری بر سیستم‌های تراكشن راه‌آهن

مروری بر سیستم‌های تراكشن راه‌آهن:

مانند هر وسیله نقلیه، سیستم توان تراكشن راه‌آهن وظیفه تحویل یك توان مكانیكی را به عهده دارد كه می‌تواند به انرژی جنبشی تبدیل شود. این انرژی جنبشی با غلبه بر مقاومت‌های موجود در برابر حرکت، قطار را به حركت در می‌آورد ]16[.

برای هر سیستم تراكشن راه‌آهن برخی الزامات کلی وجود دارد که باید برآورده شوند:

1- توانایی راه‌اندازی و حمل یك بار مشخص تحت یك جدول زمانی را دارد.

2- عمر سرویس‌دهی به اندازه کافی طولانی و تعمیر و نگهداری حداقل است.

3- از نظر مصرف سوخت كارآمد باشد.

4- سازگار با محیط زیست باشد.