Thèse Année : 2025

Optimization of braking and traction functions for emissions reduction in the railway sector

Optimisation des fonctions freinage et traction à des fins de réduction des émissions dans le domaine ferroviaire

Résumé

Recent studies show that underground metro systems have high concentrations of particulate emissions, primarily generated by braking systems, which pose significant public health risks. This thesis, conducted within the framework of the BREAQ project, aims to reduce these emissions by optimizing train driving profiles.The research focuses on developing optimal train control strategies using indirect methods to minimize brake-related emissions. First, to effectively handle constraints in optimal control problems, a numerical continuation procedure is implemented, enabling an iterative incorporation of constraints. Additionally, two initialization techniques are proposed to address the well-known challenge of solving boundary value problems arising from indirect methods. The effectiveness of these tools is demonstrated through numerical examples before being applied to the main problems of this thesis.Building upon these methodological developments, the thesis first tackles the classic eco-driving problem, incorporating a variable power efficiency model. The results indicate that this approach outperforms the results with affine power models. Moreover, a tradeoff analysis between journey time and energy consumption highlights its potential application in designing more eco-friendly railway timetables.Expanding on the eco-driving problem, a multi-objective optimal control problem, termed as wear-aware eco-driving problem, is formulated to minimize brake emissions. The findings reveal that for a given journey duration, brake emissions can be reduced at the cost of increased energy consumption. This method provides train operators with a practical tool to customize driving profiles based on operational priorities, balancing energy efficiency and wear reduction. Such an approach could be particularly beneficial for mitigating brake emissions in underground metro networks.Finally, a preliminary experimental study is conducted on a reduced-scale brake testbench to gain insights into the dynamics of brake temperature and particulate emissions. Preliminary models of brake temperature and particles are proposed. These findings lay the groundwork for developing more accurate models in future research.

Des études récentes montrent que les systèmes de métro souterrains présentent des concentrations élevées d’émissions particulaires, principalement générées par les systèmes de freinage, constituant un risque important pour la santé publique. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet BREAQ, vise à réduire ces émissions en optimisant les profils de conduite des trains.Les travaux de recherche portent sur le développement de stratégies de commande optimale des trains en utilisant des méthodes indirectes afin de minimiser les émissions liées au freinage.Tout d’abord, pour gérer efficacement les contraintes dans les problèmes de commande optimale, une procédure de continuation numérique est mise en œuvre, permettant une intégration itérative des contraintes. Deux techniques d’initialisation sont proposées pour résoudre le problème bien connu de l’initialisation des solveurs de problèmes aux deux bouts (Boundary Value Problems). L’efficacité de ces outils est démontrée à l’aide d’exemples numériques avant d’être appliquée aux problématiques principales de cette thèse.En s’appuyant sur ces développements méthodologiques, la thèse aborde d’abord le problème classique de l’éco-conduite en intégrant un modèle d’efficacité énergétique non linéaire. Les résultats indiquent que cette approche surpasse ceux obtenus avec des modèles affine. De plus, l’analyse des compromis entre la durée du trajet et la consommation d’énergie met en évidence le potentiel de cette approche pour les opérateurs ferroviaires.Ensuite, un problème de commande optimale multi-objectifs, tenant compte simultanément d’un critère énergétique et de l’usure des freins, est formulé afin de minimiser les émissions de freinage. Les résultats montrent que, pour une durée de trajet donnée, il existe un compromis entre les émissions et l’augmentation de la consommation d’énergie. Cette méthode offre aux opérateurs ferroviaires un outil pratique leur permettant d’adapter les profils de conduite en fonction des priorités opérationnelles, en équilibrant efficacité énergétique et réduction de l’usure. Une telle approche pourrait être particulièrement bénéfique pour la réduction des émissions de freinage dans les réseaux de métro souterrains.Enfin, une étude expérimentale préliminaire est réalisée sur un banc d’essai de freinage à échelle réduite afin de mieux comprendre la dynamique de la température de freinage et des émissions particulaires. Des modèles préliminaires de température des freins et d’émissions de particules sont proposés. Ces résultats constituent une base pour le développement de modèles plus précis dans les recherches futures.

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  • HAL Id : tel-05263521 , version 1

Citer

Arun Kumar Kantheti. Optimization of braking and traction functions for emissions reduction in the railway sector. Automatic. Université Polytechnique Hauts-de-France, 2025. English. ⟨NNT : 2025UPHF0017⟩. ⟨tel-05263521⟩
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