simulación y control de un sistema de trenes metropolitanos

141 Pages·2009·1.51 MB·Spanish

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE
ESCUELA DE INGENIERIA

SIMULACIÓN Y CONTROL DE UN
SISTEMA DE TRENES

METROPOLITANOS
PABLO GRUBE KREBS
Tesis para optar al grado de
Magíster en Ciencias de la Ingeniería
Profesor Supervisor:
ALDO CIPRIANO
Santiago de Chile, (julio, 2009)
© 2009, Pablo Grube Krebs
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE
ESCUELA DE INGENIERIA
SIMULACIÓN Y CONTROL DE UN
SISTEMA DE TRENES
METROPOLITANOS
PABLO GRUBE KREBS
Tesis presentada a la Comisión integrada por los profesores:

DIEGO CELENTANO
DORIS SÁEZ
JUAN ENRIQUE COEYMANS
ALDO CIPRIANO

Para completar las exigencias del grado de
Magíster en Ciencias de la Ingeniería
Santiago de Chile, (julio, 2009)
A mis padres, por todo su apoyo y
ánimo
ii
AGRADECIMIENTOS
Me gustaría agradecer a todos aquellos que colaboraron, directa o indirectamente, en la
elaboración de esta tesis. En particular, a los señores Conrad Ziebold (jefe del
Departamento de Proyectos), Arturo Didier y Luz María Velasco, del Metro de Santiago,
así como al señor José Miguel Obando, gerente de operaciones del Metro de Valparaíso,
por su disponibilidad para recibirme y hacer sugerencias para mejorar el simulador
desarrollado. También a los profesores Juan Carlos Muñoz y Ricardo Giesen, del
Departamento de Transporte de la Pontificia Universidad Católica de Chile, que
igualmente aportaron con sugerencias e ideas. A Felipe Delgado, que me facilitó papers
y resultados de su investigación. A Felipe Zúñiga, que me aportó algunos resultados de
su propia tesis para hacer las pruebas de simulación. Agradecimientos especiales a los
miembros de mi Comisión de Defensa, que se dieron el tiempo de leer el borrador de la
tesis y corregir errores e imprecisiones y sugerir mejoras en la forma de presentar el
material: los profesores Diego Celentano, Doris Sáez y especialmente a don Juan
Enrique Coeymnas, que además me dio el contacto con el Metro de Valparaíso y me
regaló parte de su tiempo acompañándome hasta allá. Y finalmente y por sobre todo, a
mi profesor supervisor, don Aldo Cipriano, que me dedicó una gran cantidad de tiempo,
estuvo siempre atento al progreso y forma que tomaba el trabajo y siempre estuvo
disponible para aportar sugerencias o dar la ayuda que yo requiriera.
iii
INDICE GENERAL
Pág.
DEDICATORIA .......................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii 
INDICE DE TABLAS ............................................................................................... vii 
INDICE DE FIGURAS ............................................................................................. viii 
RESUMEN .................................................................................................................. ix 
ABSTRACT ................................................................................................................. x 
1.  INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1 
1.1   Hipótesis de trabajo .................................................................................... 1 
1.2   Objetivos .................................................................................................... 2 
1.3   Alcances ..................................................................................................... 2 
1.4   Contenido ................................................................................................... 4 
2.   ESTADO DEL ARTE ........................................................................................ 5 
2.1   Simuladores de sistemas de transporte ....................................................... 5 
2.2   Estrategias de control ................................................................................. 6 
2.2.1  Estrategias de planificación ............................................................. 7 
2.2.2  Estrategias de control ....................................................................... 8 
2.2.3  Respuesta a fallas ........................................................................... 10 
3.   SOFTWARE SIMULADOR DE RED DE TRENES METROPOLITANOS . 12 
3.1.  Preliminares .............................................................................................. 12 
3.2   Descripción del simulador ........................................................................ 14 
3.2.1  Características generales y parámetros de la red ........................... 14 
3.2.2 Condiciones iniciales ...................................................................... 19 
3.2.3  Cálculo de energía ......................................................................... 20 
3.2.4  Salidas de la simulación ................................................................. 22 
3.2.5  Interacción con el control en tiempo real ...................................... 24 
iv
3.3   Funcionamiento del simulador ................................................................. 27 
3.3.1  Paradigmas empleados ................................................................... 27 
3.3.2  Implementación en el simulador .................................................... 30 
3.4   Interfaz de operación ................................................................................ 33 
4.   APLICACIÓN DEL SIMULADOR PARA EVALUAR ESTRATEGIAS DE
CONTROL ....................................................................................................... 36 
4.1   Antecedentes ............................................................................................ 36 
4.2   Control experto ......................................................................................... 37 
4.3   Control Predictivo .................................................................................... 38 
4.3.1  Información de estado requerida en línea ...................................... 40 
4.3.2  Características del modelo ............................................................. 41 
4.3.3  Parámetros y variables ................................................................... 44 
4.3.4  Mecánica del modelo ..................................................................... 45 
4.3.5  Función objetivo ............................................................................ 50 
4.3.6  Restricciones .................................................................................. 50 
4.3.7  Control de despacho desde terminales ........................................... 51 
4.3.8  Limitación del número de trenes involucrados .............................. 52 
4.3.9  Optimización con algoritmos genéticos ......................................... 52 
4.4   Resultados obtenidos ................................................................................ 55 
4.4.1  Características de la línea de prueba .............................................. 55 
4.4.2  Resultados de comparación entre estrategias ................................ 55 
4.4.3  Resultados variando parámetros del controlador predictivo ......... 62 
5.   CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................... 69 
5.1.  Conclusiones ............................................................................................ 69 
5.2   Recomendaciones para trabajo futuro ...................................................... 71 
BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 74 
A N E X O S .............................................................................................................. 77 
Anexo A: CLASES DEL SIMULADOR ................................................................... 78 
A.1  Línea ......................................................................................................... 78 
A.2  Estación: ................................................................................................... 79 
v
A.3  Tren .......................................................................................................... 80 
A.4  Combinación ............................................................................................ 84 
Anexo B: MANUAL DE USO DEL SIMULADOR ................................................. 85 
B.1 Interfaz gráfica ........................................................................................... 85 
B.2 Interacción con software de cómputo ........................................................ 95 
Anexo C: ARTÍCULO ENVIADO AL JOURNAL OF MATHEMATICS AND
COMPUTERS IN SIMULATION ................................................................... 99 
Anexo D: ARTÍCULO PRESENTADO EN EL XVIII CONGRESO DE LA
ASOCIACIÓN CHILENA DE CONTROL AUTOMÁTICO (ACCA 2008)111 
Anexo E: ARTÍCULO ENVIADO AL XIV CONGRESO CHILENO DE
INGENIERÍA DE TRANSPORTE (CCIT 2009) ......................................... 118 

vi
INDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 4-1. Resultados en tiempos de espera y de viaje en lazo abierto ........................... 56
Tabla 4-2. Resultados en headway de entrada y en trenes en espera en lazo abierto ..... 57
Tabla 4-3. Resultados en tiempos de espera y de viaje de aplicar control experto simple
...................................................................................................................................... 58
Tabla 4-4. Resultados en headway de entrada y en trenes en espera de aplicar control
experto simple .............................................................................................................. 59
Tabla 4-5. Resultados en tiempos de espera en estaciones (en minutos/pasajero) de
aplicar control predictivo sobre holding, con M =3 y D=300m .................................. 60
0
Tabla 4-6. Resultados en tiempos de viaje en trenes (en minutos/pasajero) de aplicar
control predictivo sobre holding, con M =3 y D=300m .............................................. 61
0
Tabla 4-7. Resultados en headway de entrada en estaciones (en segundos, como prom. y
desv. est.) de aplicar control predictivo sobre holding, con M =3 y D=300m ............ 61
0
Tabla 4-8. Resultados en número de trenes que quedan esperando por entrar a una
estación de aplicar control predictivo sobre holding, con M =3 y D=300 m .............. 62
0
Tabla 4-9. Resultados en tiempos de espera en estaciones (en minutos/pasajero) de
aplicar control predictivo sobre holding y despachos, con M =3 y D=300m .............. 64
0
Tabla 4-10. Resultados en tiempos de viaje en trenes (en minutos/pasajero) de aplicar
control predictivo sobre holding y despachos, con M =3 y D=300m ......................... 64
0
Tabla 4-11. Resultados en headway de entrada en estaciones (en segundos, como prom.
y desv. est.) de aplicar control predictivo sobre holding y despachos, con M =3 y
0
D=300m ....................................................................................................................... 65
Tabla 4-12. Resultados en número de trenes que quedan esperando por entrar a una
estación de aplicar control predictivo sobre holding y despachos, con M =3 y
0
D=300m ....................................................................................................................... 65
Tabla 4-13. Resultados en tiempos de espera en estaciones (en minutos/pasajero) de
aplicar control predictivo sobre holding, con μ=0.5 y D=300m .................................. 66
Tabla 4-14. Resultados en tiempos de viaje en trenes (en minutos/pasajero) de aplicar
control predictivo sobre holding, con μ=0.5 y D=300m .............................................. 66
Tabla 4-15. Resultados en headway de entrada en estaciones (en segundos, como prom.
y desv. est.) de aplicar control predictivo sobre holding, con μ=0.5 y D=300m ......... 67
Tabla 4-16. Resultados en número de trenes que quedan esperando por entrar a una
estación de aplicar control predictivo sobre holding, con μ=0.5 y D=300m ............... 67
Tabla 4-17. Resultados en tiempos de espera y de viaje de aplicar control predictivo
sobre holding, con N=20, μ=0.5, M =3 y D=300m ...................................................... 68
0
Tabla 4-18. Resultados en headway de entrada y en trenes en espera de aplicar control
predictivo sobre holding, con N=20, μ=0.5, M =3 y D=300m .................................... 68
0

vii
INDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 3-1. Diagrama general del simulador .................................................................... 12
Figura 3-2. Perfil de velocidad de un tren en un tramo de línea ...................................... 21
Figura 3-3. Diagrama del desarrollo de la simulación ..................................................... 32
Figura 3-4. Interfaz principal de la aplicación ................................................................. 34
Figura 3-5. Diagrama distancia-tiempo para una línea .................................................... 34
Figura 3-6. Diagrama de subida de pasajeros para una estación ...................................... 35
Figura 4-1. Esquema del sistema de control automático.................................................. 37
Figura 4-2. Representación del sistema de trenes empleada por el modelo del control .. 42
Figura 4-3. Modo en que proceden los pasos de la simulación ....................................... 43
Figura 4-4. Gráfico de los tiempos de espera de pasajeros .............................................. 48
Figura B-1. Pantalla splash de inicio ............................................................................... 85
Figura B-2. Interfaz principal de la aplicación................................................................. 86
Figura B-3. Cuadro de parámetros principales de línea ................................................... 87
Figura B-4. Especificación de una matriz origen-destino ................................................ 88
Figura B-5. Especificación de recorridos expresos de la línea ........................................ 88
Figura B-6. Ingreso de parámetros de llegada de pasajeros a estaciones ......................... 89
Figura B-7. Parámetros de las ramas................................................................................ 89
Figura B-8. Parámetros de las estaciones de combinación .............................................. 90
Figura B-9. Condiciones iniciales en una estación .......................................................... 91
Figura B-10. Condiciones iniciales en un tramo de línea ................................................ 91
Figura B-11. Configuración del Controlador ................................................................... 92
Figura B-12. Resultados para una línea ........................................................................... 93
Figura B-13. Diagrama distancia-tiempo para una línea ................................................. 94
Figura B-14. Diagrama de subida de pasajeros para una estación ................................... 94

viii
RESUMEN
El control de sistemas de transporte en áreas metropolitanas es un tema que ha recibido
mucha atención desde hace bastantes años, y acerca del cual se han ensayado diferentes
técnicas, tanto de planificación como de control en tiempo real. En el marco del
proyecto ADI-32 se están probando distintas alternativas enfocadas a buses.
Esta tesis es un esfuerzo por extender estas ideas al caso de trenes metropolitanos, o
metros. El trabajo se divide en dos partes. La primera y principal corresponde al
desarrollo de un software capaz de simular tanto la operación de los trenes en las líneas
como el movimiento de los pasajeros. El simulador emplea los paradigmas de
programación orientada a objetos y simulación basada en eventos, y es de tamaño
reducido, rápido y fácil de usar. Su utilidad principal es la evaluación de estrategias de
control tanto en como fuera de línea, para lo cual puede interactuar con funciones
programadas por el usuario en MATLAB o SCILAB, en las que éste puede ensayar con
gran flexibilidad estrategias de control de diverso grado de complejidad.
En la segunda parte de la tesis se describe la aplicación del simulador al desarrollo de
dos estrategias de control que usan información en tiempo real. La primera corresponde
a un control experto simple que emplea una regla heurística sencilla para regularizar los
headway o intervalos entre pasadas sucesivas de metros por cierta estación. La segunda,
bastante más compleja, es una estrategia de control predictivo, que usa un modelo del
sistema para llegar a una solución óptima con respecto a los tiempos de espera y de viaje
de los pasajeros. La tesis incluye una comparación por simulación de ambas estrategias
con el caso en lazo abierto (que no usa información en tiempo real) considerando
diversos indicadores.

Palabras Claves: Metro, Tren Metropolitano, Simulación, Control en Tiempo Real
ix