En route pour un meilleur confort des passagers
Quiconque ayant déjà pris le métro parisien en été appréciera tout particulièrement les trains suisses. Non seulement ils sont fréquents, ponctuels et rarement bondés, mais ils maintiennent une température agréable ! Quelle que soit la saison, vous n'arriverez pas à destination en transpirant ou en grelottant. Et compte tenu des changements fréquents à bord – des foules qui montent ou descendent soudainement, des nuages qui s'écartent pour envoyer des rayons de soleil à travers les fenêtres – ce n'est pas un mince exploit.
Mais pour atteindre ce niveau de confort, il faut consommer beaucoup d'énergie. Le système sophistiqué de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) est le plus gros consommateur d'énergie dans les trains des CFF après la traction. Cela signifie que l'amélioration de l'efficacité de ce système peut contribuer de manière significative aux économies d'énergie globales, et c'est sur ce point qu'Ahmed Aboudania concentre ses efforts.
La clé consiste à utiliser les méthodes de contrôle les plus récentes pour améliorer l'activation automatisée du chauffage et du refroidissement. En collaboration avec les CFF, Ahmed a développé une solution utilisant la commande prédictive par modèle (MPC), qui excelle dans l'optimisation dans le cadre de contraintes définies et, surtout, peut prendre en compte les conditions prévues ainsi que les conditions actuelles.
Actuellement, le système CVC fournit de l'air frais au train et maintient la température interne à l'aide d'un contrôleur en deux parties. Tout d'abord, un régulateur basé sur des conditions détermine la température cible à l'intérieur du train, conformément aux normes européennes. Ce contrôleur envoie ensuite des instructions à un contrôleur dérivé proportionnel intégral (PID), qui calcule la différence entre la température réelle et la température souhaitée, et ajuste la puissance du chauffage ou de la climatisation en fonction des besoins.
Comme le régulateur mesure en permanence les conditions réelles par rapport à l'objectif, et comme les conditions sont en constante évolution, il ajuste immuablement la température en réponse à des changements qui se sont déjà produits. Si le train se vide à une station, puis se remplit à la suivante, cela peut signifier que le chauffage se met en marche pour se couper à nouveau quelques minutes plus tard - le contrôleur n'est pas en mesure de prendre en compte les informations du futur. En plus d'être inefficace, cela peut signifier un voyage moins confortable pour les passagers ; une température stable et un minimum de flux d'air sont généralement préférables à des changements fréquents.
La solution d'Ahmed consiste à intégrer un contrôleur MPC dans le système de contrôle existant, en modifiant la température de référence souhaitée générée par le contrôleur à base des conditions en fonction d'informations supplémentaires sur la météo, le taux d'occupation, etc. Le MPC produit alors une nouvelle température de référence qui sert d'entrée au PID.
Le système le moins cher et le meilleur
La différence est que le PID poursuit désormais un objectif plus pertinent, basé sur une image plus complète des conditions du train et des contraintes de coût. Le MPC prend en compte les conditions prévues (des taux d'occupation attendus après le prochain arrêt aux changements météorologiques prévus). En outre, alors que le PID agit uniquement pour contrôler la température du train, le MPC peut non seulement optimiser les coûts mais également la température souhaitée. De plus, le MPC vise une plage de température étroite (par exemple 21-23ºC), alors que le PID vise toujours le point médian (22º)C. Le MPC peut également contrôler la vitesse des changements et prendre en compte les contraintes opérationnelles telles que la puissance d'entrée maximale, ce qui améliore à la fois le confort et l'efficacité.
Telle est la théorie. L'équipe d'Ahmed a travaillé avec les CFF pour la mettre à l'épreuve, en rassemblant toutes les données nécessaires, en étudiant la dynamique thermique des trains (à l'aide de techniques d'identification des systèmes et d'apprentissage automatique), en créant un modèle thermique précis (qui doit être très précis, mais suffisamment simple à utiliser), et enfin en effectuant des simulations approfondies pour évaluer les performances du MPC.
Le résultat ? Les températures réelles atteintes lors des simulations tendent à flotter en haut ou en bas de la fourchette autorisée, sans la dépasser. Cela signifie une réduction significative des dépenses d'énergie, puisque le système minimise la compensation des conditions extérieures. En fait, la simulation montre que le MPC permet de réaliser des économies de 10 %, ce qui représente une amélioration substantielle.
Destination : une flotte transformée ?
La simulation ayant donné d'excellents résultats, les CFF sont prêts à aller plus loin dans la mise en œuvre de cette solution. En principe, l'adoption du MPC devrait permettre de réaliser des économies d'énergie de manière bien plus rentable que d'équiper les trains de nouveaux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Une fois le code mis au point, il pourra facilement être étendu à l'ensemble de la flotte.
Mais il reste encore un certain nombre d'étapes à franchir. Le contrôleur doit être testé sur un vrai train pour voir comment il fait face à des défis tels que des prévisions météorologiques et d'occupation peu fiables, des pannes de communication, le bruit des capteurs, etc.
En outre, la conception du logiciel permettant d'intégrer le MPC dans les systèmes sécurisés des CFF constituera un projet majeur en soi. Il faudra intégrer le contrôleur dans un réseau complexe d'éléments interconnectés mais distincts, et bien sûr obtenir la certification de sécurité. La sécurité et la fiabilité sont naturellement des priorités plus importantes que l'innovation en elle-même.
Il y a donc de bonnes raisons d'avancer lentement vers l'objectif final, mais celui-ci vaut la peine qu'on y consacre du temps. Étant donné que le coût total du chauffage, de la ventilation et de la climatisation représente 15 à 20 % de la consommation totale d'énergie de la flotte, il s'agit d'un avantage environnemental et économique important. C'est un excellent exemple de la manière dont la recherche en automatisation du PRN peut apporter des avantages concrets à la société suisse et faire progresser l'état des connaissances.
