Design of non-linear MPC for energy-efficient train operations

Eco-drive strategy is a technique applied in transportation system in order to reduce fuel consumption. Eco-drive techniques are used also in rail-way system in order to improve energy efficiency. The objective of this thesis is to develop energy optimization method for train operation. In order to do so it is designed a Non-Linear MPC that computes an energy-optimal parametrized speed profile between two subway stations. In particular it is presented a hierarchical approach to the problem composed by two levels. A high-level control responsible of computing the optimal speed trajectory and a low-level control responsible of tracking the optimal speed. Since sudden stops characterize railway system, it is introduced a part related to the management of unexpected event. Computational burden was always kept low as possible in order to provide the on-board drivers with energy-efficient speed profiles in real-time. A Kalman filter has been designed in order to estimate the mass of the train representing the mass most subjected to uncertainty. Moreover, a part of the thesis is dedicated to collaborative eco-drive meaning the possibility of exploiting re-generative braking. In regenerative braking, kinetic energy is converted into electricity that is fed back to the power supply system to be used by other (nearby) trains. In collaborative eco-drive the whole network optimization, and not just single train, is considered. In this thesis are put the basis, by modelling the relationship between trains and the electrical grid, in order to understand energy flow between trains.

La strategia dell’eco-drive è una tecnica diffusa nei sistemi di trasporto per diminuire il consumo di energia. Tecniche di eco-drive sono applicate anche in sistemi ferroviari per migliorare l'efficienza energetica. L'obbiettivo della tesi è di sviluppare un metodo di ottimizzazione energetica per operazioni sui treni. Per fare ciò è stata disegnata un MPC Non Lineare che calcola un profilo di velocità ottimo parametrizzato tra due stazioni di un sistema metropolitano. In particolare, è presentato un approccio gerarchico al problema composto da due livelli. Un controllo di alto livello responsabile del calcolo del profilo di velocità ottimo e un controllo di basso livello responsabile dell'inseguimento del riferimento del profilo di velocità ottimo. Dal momento che molte fermate improvvise caratterizzato i sistemi ferroviari, è presente nella tesi una parte dedicata alla gestione delle fermate improvviso. Durante tutto il lavoro si è cercato di mantenere i tempi computazionali bassi abbastanza in modo da poter pensare a una applicazione real-time. Inoltre, è stato implementato un filtro di Kalman per stimare la massa del treno, essendo quest'ultima il parametro più affetto da incertezza. In oltre una parte della tesi è dedicata al collaborative eco-drive, dove si intende la possibilità di sfruttare la frenata rigenerativa. Nella frenata rigenerativa, l'energia cinetica è convertita in elettricità e questa è restituita alla rete per poter essere riutilizzata da altri treni. Nel collaborative eco-drive si ottimizza tutta la rete, e non il singolo treno, questa tesi mette le basi, modellizzando le relazione tra la rete elettrica e i diversi treni, per comprendere la meglio il flusso di energia tra i diversi treni appartenenti a una stessa sottostazione.