Analysis of energy efficiency by coasting application on ertms/etcs fitted railway lines that have different gradient profiles and maximum operating speed
Farklı eğim profillerine ve maksimum hız işletmesine sahip ertms/etcs donanımlı demiryolu hatlarında treni boşa alma uygulaması ile enerji verimliliği analizi
- Tez No: 553988
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Ulaşım, Transportation
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
18. yy. Avrupa'sında kendisine hayat bulan demiryolları, kara taşımacılığında bir devrim etkisi yaratmış ve İngiliz İmparatorluğundan başlamak üzere Avrupa' da sanayi devriminin yapı taşlarından birisini oluşturmuştur. Sanayi devrimine yaptığı katkının yanında ülkelerin askeri sevkiyatlarında da büyük rol oynayarak savaşların kazanılmasına, kaybedilmesine yol açabilmiştir. Türkiye Cumhuriyeti'nin kurucusu olan Mustafa Kemal Atatürk bir meclis konuşmasında vekillere“Efendiler, bayındırlık çalışmalarımızın en önemli bölümü demiryolu olmaktadır. Bu konuda bilgi sunmadan önce, düşmanın yıkıp bozmasından ve malzeme darlığından kaynaklanan her türlü güçlüğe rağmen trenlerimizin orduya ve ülkenin ekonomik hayatına yaptıkları ve yapacakları hizmetleri şükranlarla anarım.”şeklinde hitap ederek; bir ülkenin en zor şartlarında dahi demiryollarının yapımından ve iyileştirilmesinden vazgeçilmemesi gerektiğini, bir bakıma geçmiş tarihi de doğrulayarak aktarmıştır. İlk yapımından bugüne, birinci ve ikinci dünya savaşlarının yarattığı durgunlukların dışında; demiryolları gelişimini daha hızlı, daha efektif ve sürdürülebilirlik yönünden daha ekonomik olma yolunda günümüze dek devam ettirmiştir. Demiryolu taşımacılığı günümüzde devlet tek ellerinden çıkmaya başlamıştır. Hususi işletmeler demiryolu hatlarını kiralayarak kendi taşımacılık firmalarını oluşturmaktadırlar. Buna göre kar-zarar kalemleri ehemmiyetini arttırmış ve özellikle diğer ulaşım yöntemleri ile rekabetin sağlanabilmesi maksadıyla demiryolu ekonomisinin geliştirilmesi yönünde geniş kapsamlı çalışmalar başlatılmıştır. Bu çalışmalar genellikle mekanik, elektrik ve inşaat alanlarında trenlerin enerji verimliliği üzerine incelenmesi yönünde olmaktadır. Mekanik yönden; istenen operasyonu sağlayabilecek asgari ağırlıkta, sürtünmelerin en aza indirgendiği ve aynı zamanda hava direncini de en aza indiren aerodinamik tasarımlar amaçlanmıştır. Elektrik ile ilgili çalışmalar daha çok trenlerin frenleme esnasında bir jeneratör aracılığıyla elektrik üretmesi ve üretilen elektriğin depolanması yönünde verimliliklerinin arttırılması olmuştur. İnşaat yönünde ise demiryolu hatlarının eğim özellikleri dikkate alınarak hangi tasarımlarda daha verimli çalışacakları araştırılmaktadır. Bu alanların dışında trafik planlama ve sürüş teknikleri konuları da detaylıca incelenmektedir. Trafik planlama ile demiryolu sinyalizasyonu iç içedir. Sinyalizasyon sistemi kurulmadan önce, gerekecek işletme talep hedefleri doğru belirlenmeli ve buna göre istenen tren aralığı sürelerine uygun sistem seçilmelidir. Hat talep hedefleri hattaki yol sayısını arttırarak da karşılanabilmekle beraber bunun için gerekli olacak hem yapım hem de bakım giderleri çok yüksek olmaktadır. Sürüş teknikleri tarafındaki çalışmalar ise daha çok treni hattın belli noktalarında boşa alarak işletmekle ilgilidir. Bu yöntemle kaybedilen süreye karşın edinilen enerji kazanımları kayda değerdir ve hattın eğim ve hız profiline göre farklı stratejiler uygulanabilmektedir. Bu tez çalışmasında tek yollu farklı eğim profillerine sahip demiryolu hatları üzerinde; hattın maksimum kapasitesi ve talep edilen kapasite sınırları içerisinde, işletmesel olarak uygulanabilecek stratejilerden bazıları incelenecek ve modellenerek simülasyonu gerçekleştirilecektir. Bu stratejilerden ilki farklı tren kontrol-komuta ve sinyalizasyon sistemleri altında çalışma yapılması olmakla beraber diğer ikisi hatta farklı treni boşa alma ve maksimum hız limiti uygulama stratejileri olacaktır. Uygulanacak sinyalizasyon sistemleri günümüzde yaygınca talep görmeye başlayan ERTMS-ETCS tren komuta-kontrol ve sinyalizasyon sistemleridir. Bu sistemler demiryolu endüstrisi(EUROSIG) ve demiryollarının(UIC) bir araya gelmesi ile ve ERRI-UIC standartları baz alınarak 1991 yılından itibaren tasarlanmaya başlamıştır. Temel olarak ön anlaşmalarda yeni bir sürücü bilgi ve arayüz ekranı(EUROCAB), yerden trene süreksiz-noktasal veri transmisyonu(EUROBALISE) ve yerden trene sürekli veri transmisyonu sistemlerinin(EURORADIO) tasarlanması ve Avrupa genelinde müşterek ve uyumlu tren işletmeciliğinin temellerinin atılması amaçlanmıştır. Anılan süreksiz-noktasal transmisyon sistemi ERTMS/ETCS sisteminde Seviye 1 olarak bilinmektedir. Bu sistemde tren ile hattaki sinyalizasyon sistemi ve komuta merkezi arasındaki, güvenilirliği son derece yüksek, haberleşmeler balis adı verilen alıcı-vericiler kullanılarak yapılmaktadır. Balisler hat boyunca sinyal blok girişlerinde, hız sınırlama bölgelerinde ve işletmecilik ihtiyacına göre farklı noktalarda bulunabilmektedir. Tren ile yer arasındaki tek veri alış verişi bu balisler aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Sürekli transmisyon sistemi ise ERTMS/ETCS Seviye 2 olarak adlandırılmıştır. Bu sistemde tren ile yer arasında sadece demiryolları için atanmış GSM-R ağı üzerinden hat üzerinde belirli noktalarda konumlandırılmış RBC baz istasyonları kullanılarak haberleşme kesintisiz olarak sağlanmaktadır. Haberleşmenin kesintisiz olması, hat üzerindeki diğer trenler tarafından meşgul edilmiş iken boşaltılan ray blok bilgilerinin kontrol merkezine anında ulaşmasını sağlamaktadır ve bu da trenler için hareket otorite sınırlarının anında genişletilmesi ve gereksiz yere fren yapmalarının önüne geçilmesi yolunda büyük bir adımdır. Okuyucunun da tahmin edebileceği gibi böylesine bir avantaj daha sık tren işletmeciliği için bir anahtar niteliğindedir. Öte yandan treni hattın belirli noktalarında boşa alarak enerjiden kazanma stratejileri 1960'lı yıllardan bu yana süre gelen araştırmalar sonucu kendisine hayat bulmuştur. Bilindiği üzere trenlerin fren mesafeleri oldukça uzun ve süre alan mesafelerdir. Basitçe düşünüldüğünde boşa alınarak kaybedilecek sürelerin; düşen hızdan kaynaklı fren mesafe ve sürelerinde oluşacak küçülmelerden dolayı, kazanılan enerji ile doğru orantılı olmayacağı ve incelemeye değer olacağı anlaşılmaktadır. Buna eş zamanlı olarak bu çalışmada hattın maksimum izin verilen işletme hız sınırında da küçültmeler yapılmış ve etkileri gözlemlenmiştir. Sonuç itibariyle; amaç, farklı eğim profilleri (eğimsiz, sabit pozitif eğimli, sabit negatif eğimli, küvet biçimli ve ters küvet biçimli) üzerinde yapılan simülasyonlar ile hangi profilde hangi stratejinin uygulanması gerektiği ile ilgili işletmeciye ipuçları sunmak olmuştur. Simülasyonda, her bir parametre takımının işletilmesi sonucunda ortaya çıkan seyir süreleri ve harcanan enerji miktarları kayıt altına alınmıştır. Bu sonuçlardan kazanılan enerji ile kaybedilen sürenin arasındaki orantısal farkın en büyük olduğu seçenekler, her bir profil için en iyi seçenek olarak değerlendirilmiştir. Buna göre, kaybedilen süreye karşın kazanılan enerjinin yüzdelik olarak daha fazla olabileceği görülmüştür. Sonuçlar incelendiğinde, %20 negatif eğimli bir yolda uygulanan stratejiler ile %6'lık süre kaybına karşın, %70'lik bir enerji kazanımı yaşandığı görülmüştür. Her gidişin bir de dönüşü olduğu düşünüldüğünde %20'lik pozitif eğimli bir yolda uygulanabilecek farklı bir strateji ile %5,3'lük bir süre kaybına karşın %14,6'lık bir enerji kazanımı sağlanabileceği tespit edilmiştir. En iyi enerji-süre çiftleri ortaya çıktığında görülmüştür ki ihtiyaç duyulan seyir sürelerinin tamamı ERTMS/ETCS Seviye-1 tarafından karşılanabilmektedir. Ancak işletmeci için süreden çok daha önemli olan şey enerji kazanımı olduğu taktirde; ERTMS/ETCS Seviye-2 kullanıldığında eğimsiz, pozitif eğimli ve ters küvet biçimindeki hatlarda %2-3'lük ekstra bir enerji kazanımı görülmüştür. Ayrıca çalışmaya ek olarak görülmüştür ki çift yönlü işletmecilik düşünüldüğünde kullanılan herhangi bir stratejiden bağımsız olarak, en enerji verimli, ya da en az enerji harcanan hat, eğimsiz hat olmuştur. Buna karşın kapasite bazlı düşünüldüğünde en düşük seyir süresi ve tren aralığı süresini küvet biçimli hat profili ortaya koymuştur. Bu veriler 31 km'lik, ortasında duruşlu istasyonu bulunan tek yönlü tek yollu bir demiryolu hattı üzerinde alınmıştır. Dolayısıyla trenlerin istasyonlardaki duruş süreleri de simülasyona dahil edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Railroads, which aroused in the 18th century Europe, created a revolution in land transportation and formed one of the building blocks of the industrial revolution in Europe starting from the British Empire. In addition to its contribution to the industrial revolution, it played an important role in the military shipments of the countries, resulting in the acquisition of wars and loss. Mustafa Kemal Atatürk the founder of the Republic of Turkey, in a speech to the deputies once said,“Gentlemen, railways is the most important part of our civil works. Before presenting information on this subject, I would like to thank the trains for their past and future services to the economic life of the country and the military, despite all the difficulties caused by the destruction of the enemy and the material shortness.”. He, in a way by addressing that; also confirmed the history and delivered the message that even in the most difficult conditions of a country, the construction and improvement of the railways should not be abandoned. Apart from the stagnation of the first and second world wars; railways continued to be faster, more effective and more economic in terms of sustainability. Today, railway transportation has started to get out of the monopoly of the states. Private businesses have been renting railway lines and forming their own transportation companies. Accordingly, profit-loss items have increased their importance and a wide range of studies have been initiated in order to improve the railway economy, especially in order to ensure the competition with other transportation methods. These studies have been generally aimed at examining the energy efficiency of trains in mechanical, electrical and construction areas. From the mechanical point of view; at the minimum weight required to achieve the desired operation, friction has been minimized and at the same time aerodynamic designs are aimed. Electrical work has mainly been to increase the efficiency of trains to generate electricity through a generator during braking and to store the electricity generated. And, in the direction of construction, it has been researched which design of the railway lines will be more efficient by considering the gradient characteristics. In addition to these areas, traffic planning and driving techniques have been examined in detail. Traffic planning and railway signaling are intertwined. Before the establishment of a signaling system, the desired demand targets shall be determined correctly and thus; the scope of signaling system is selected accordingly, by considering the required headway. Line demand targets can be met by increasing the number of roads in the line, but both the construction and maintenance costs will be relatively very high. Research on the driving techniques is more concerned with coasting the train at certain parts of the line. The energy gains acquired during this period are noteworthy, and different strategies can be applied according to the gradient and velocity profile of the line. In this thesis work, on single railway lines with different inclination profiles; some of the strategies that can be applied as operational, in the boundaries of the maximum capacity and requested capacity limits, will be examined, modeled and simulated. The first of these strategies will be the operation under different train control-command and signaling systems, while the other two be the coasting and maximum speed limit implementation strategies. The signaling systems that will be implemented are ERTMS-ETCS train command-control and signaling systems which are widely demanded today. These systems have been designed since 1991 by bringing the rail industry (EUROSIG) and railways (UIC) together in the light of the ERRI-UIC standards. In the preliminary agreements, a new driver information and interface screen (EUROCAB), ground-to-train data transmission (EUROBALISE) and ground-to-train continuous data transmission systems (EURORADIO) were designed to lay the foundations of joint and harmonious train operations throughout Europe. The discontinuous spot transmission system is known as Level 1 in the ERTMS / ETCS system. In this system, highly reliable communications among the train, the signaling system and the command center are carried out using transceivers called balise. Balises are placed at different spots along the line according to the signal block inputs, speed limit zones and operational needs. The only data exchange between the train and the ground is realized through these transceivers. Continuous transmission system is named ERTMS/ETCS Level 2. In this system, the communication between the train and the ground is provided by using the RBC base stations located at certain points on the line only through the GSM-R network assigned for the railways. The uninterrupted communication ensures that a train's clearing and occupying data of a block section reaches the command center and the interlocking in a few seconds, if not instantly; and this is a huge step for the trains for not performing unnecessary brakes and providing them instant new movement authorities. As the reader can predict, such an advantage is more of a key to frequent train operations. On the other hand, energy-saving strategies by taking the train into coasting in certain parts of the line have been brought to life as a result of the researches that have been going on since the 1960s. As it is known, the braking distances of trains are quite long and time-consuming distances. In simple terms; it is understood that because of the shrinkage in the brake distance and time due to the falling speed, the time to be lost by performing the coasting will not be directly proportional to the energy gained. Thus, it is worthy of review. In addition to that, throughout the thesis work the maximum permissible operating speed limit of the line was also considered and the effects were observed. As a result; the objective here is: by performing the simulations on different gradient profiles (straight, constant positive, constant negative, bath-tube and inverted bath-tube shape) providing the operator with the desirable energy gain - time loss solution. In the simulations, the duration of travel and energy consumption, resulting from the operation of each parameter set, are recorded. From these results, the options in which the proportional difference between the energy gained and the time lost is chosen for the best option for each profile. When the results are examined, it is observed that the energy gained in spite of the lost time could be higher in terms of their percentages. It is seen that with the strategies applied on a negative slope of %20, there is an energy gain of %70 despite a time loss of %6. Considering that each departure has also a return; when a different strategy is applied on a positive slope of %20, an energy gain of %14.6 can be achieved despite a time loss of %5.3. When the best energy-time pairs appeared, it was understood that all of the required travel times could be met by ERTMS/ETCS Level 1. However, if for the operator, what is more important than time is energy gain; it is seen that when ERTMS / ETCS Level-2 is used, an extra energy gain of %2-3 was observed in the straight, positively curved and inverted bath-tube shaped lines. In addition to the study, it has been seen that the most energy efficient, or least energy-consuming line, has been the gradient-free line, regardless of any strategy used when considering bi-directional operation. On the other hand, considering the capacity-based approach, the lowest travel times and the train interval periods have revealed the bath-tube shaped line profile is the most promising.
Benzer Tezler
- Tungsten katkılı VO2 esaslı termokromik ince film kaplamalı camların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of tungsten doped VO2-based thermochromic thin film coated glasses
MUHAMMED BERKAY GÜVEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
- İkiz merdaneli döküm yönteminde bakır ve çelik shell ile üretilen 5005 alüminyum alaşımlarında üretim parametrelerinin, mekanik özelliklerin ve mikroyapıların incelenmesi
The investigation of production parameters, mechanical properties and microstructures of 5005 aluminum alloys produced by steel/copper and steel/steel shell pairs in twin roll casting method
FURKAN BERKAY TAMER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR ASLAN
- Vakum borulu kollektörlerin İstanbul şartlarında teorik analizi
Analysis of different of types vacuum tubular collectors for the condition of İstanbul
NAZAN YARGICI
- Tek katmanlı yansıma önleyici ince film kaplamaların üretimi ve optik/mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of single layer antireflective thin film coatings and investigation of optical&mechanical properties
GİZEM AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
DR. REFİKA BUDAKOĞLU
- Atık lastik katkılı asfalt kaplamaların trafik gürültüsünü sönümlemedeki etkileri
The effects of scrap tires in asphalt pavement on highway noise damping
CELAL TOLGA İMAMOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜBEYDE ÖZTÜRK