Che cos'è esattamente l'MPC?
Le auto senza conducente, che 50 anni fa sembravano un sogno futuristico, oggi circolano sulle nostre strade e fanno notizia nei nostri feed di informazione. Nel settore del trasporto ferroviario è in atto una rivoluzione più silenziosa. Poiché i treni si muovono su binari fissi e non devono affrontare il problema di altri veicoli o pedoni che intralciano il loro percorso (si spera), il problema dell'automazione potrebbe sembrare molto più semplice da risolvere e, in effetti, esistono già diversi sistemi ferroviari senza conducente in funzione. La maggior parte di questi sono sistemi metropolitani passeggeri, anche se il sistema ferroviario senza conducente più lungo al mondo è quello di Rio Tinto Iron Ore nell'Australia occidentale, con un viaggio ferroviario più lungo di oltre 500 km. Con l'attuale maggiore attenzione all'efficienza energetica, la domanda sui sistemi ferroviari senza conducente è passata da "Come lo facciamo?" a "Come lo facciamo bene?".
Per capire come rispondere a questa domanda utilizzando il controllo predittivo, partiamo dall'inizio.
I fattori che determinano la velocità di un treno in un dato punto del binario sono:
La forza elettrica applicata al treno. Si tratta di una forza positiva se il treno sta accelerando e di una forza negativa se il treno sta frenando. La frenata rigenerativa rallenta il treno utilizzando i motori come generatori e inviando l'energia recuperata alla rete.
La forza frenante pneumatica (prodotta dalla frenata tradizionale che utilizza l'attrito ) . Nella maggior parte dei treni moderni, questa forza viene utilizzata solo in situazioni di emergenza.
Le forze dovute alla pendenza e alla curvatura del binario
La forza di resistenza al rotolamento
La massa del treno
Di queste, possiamo controllare solo le forze elettriche e pneumatiche applicate. Possiamo tuttavia modellare le altre forze (ne parleremo più avanti), consentendoci di calcolare le forze elettriche necessarie per muovere il treno a una determinata velocità. Ma quale dovrebbe essere questa velocità? Ciò sarà determinato da ulteriori criteri che devono essere presi in considerazione:
L'energia totale prelevata dalla rete deve essere ridotta al minimo
Le leggi della fisica non devono essere violate
I limiti di velocità devono essere rispettati
I tempi di percorrenza devono essere rispettati
I limiti fisici dei comandi del treno non devono essere violati
La potenza massima possibile alle ruote non deve essere superata
Le forze e i criteri si combinano per dare una serie di equazioni che devono essere risolte insieme per trovare la forza elettrica ottimale durante il viaggio. In casi semplici è possibile trovare una forza elettrica continua che soddisfi le forze e i criteri; la forza elettrica richiesta per un viaggio ferroviario bidimensionale idealizzato in salita potrebbe essere simile a questa:
Sfortunatamente, i metodi analitici tradizionali che forniscono una funzione continua per la forza elettrica presentano degli svantaggi: si basano su ipotesi semplificative che non reggono nella pratica e richiedono conoscenze specialistiche per adattare l'algoritmo di soluzione se la formulazione del problema cambia . Un modo per superare questi problemi è quello di utilizzare metodi numerici. In questi metodi, si discretizza prima il problema suddividendo il binario in sezioni che hanno ciascuna una pendenza e un limite di velocità costanti. Quindi troviamo una soluzione che abbia una forza elettrica costante su ciascuna sezione.
Questa soluzione funzionerebbe molto bene se:
Il modello del sistema fosse perfetto. Ciò significa conoscere esattamente il peso del treno, ad esempio.
Non ci fossero disturbi, come il vento o la pioggia, che modificano le condizioni dei binari.
Purtroppo, ovviamente, questi fattori non possono essere generalmente conosciuti con sufficiente precisione o previsti. Poiché l'accelerazione del treno dipende dalla sua massa, se questa non è nota con sufficiente precisione (ad esempio perché non si conosce il numero di passeggeri a bordo), l'accelerazione potrebbe essere troppo elevata (con conseguente superamento del limite di velocità e consumo eccessivo di energia) o troppo bassa (con conseguente allungamento del tempo di percorrenza).
È qui che il controllo predittivo del modello può essere d'aiuto. Ecco come funziona: prima che il treno parta, viene calcolata la forza elettrica ottimale per il viaggio, sulla base delle migliori informazioni disponibili. Tuttavia, questa forza elettrica calcolata viene utilizzata solo all'inizio del viaggio. Dopo un breve lasso di tempo, i sensori raccolgono informazioni sulla posizione, la velocità e l'accelerazione attuali del treno. Sulla base di queste informazioni, viene calcolato un nuovo percorso ottimale per la parte restante del binario e viene applicata una forza rivista. Questo processo di acquisizione di informazioni in tempo reale, ricalcolo del percorso ottimale e aggiornamento della forza applicata viene ripetuto regolarmente durante tutto il viaggio, consentendo di adattare e ottimizzare il percorso al volo:
Si tratta di una tecnica potenzialmente molto potente, poiché non solo consente di ridurre al minimo il consumo di energia, ma anche di integrare perfettamente nel piano di viaggio eventuali requisiti di orario imprevisti o limitazioni di velocità temporanee.
Nel progetto SWITONIC, finanziato dall'NCCR Automation, Dimitris e Juxhino hanno valutato il suo potenziale nel mondo reale. Hanno implementato l'algoritmo su un moderno treno elettrico e lo hanno confrontato con le soluzioni più diffuse nel settore su un percorso di 20 km. Sulla base di queste prove è nata nuorail per passare dalla fase di prova alla produzione.
Testo di Claire Blackman
