Une approche d’optimisation énergétique des profils de tunnel pour métro

Les premières lignes du métro de Montréal furent construites en 1966. Depuis lors, le métro de Montréal comprend quatre lignes totalisant 61 kilomètres de voies doubles montées sur radier de béton et de 65 stations parcourues par 256 éléments de trois voitures. Les trains sont alimentés en 750 volts à courant continu. Deux types de train sont présentement en fonction, le matériel roulant MR63 et le matériel roulant MR73. Ce dernier type de matériel est équipé d’un hacheur de courant permettant un réglage parfaitement progressif de 1′ effort de traction. Il est aussi doté de freinage électrique par récupération. Le type MR63 est constitué d’un équipement électromécanique avec rhéostat pour le démarrage et le freinage électrique.

Le métro de Montréal est présentement dans une période d’expansion et de rénovation. Il y a prolongement de la ligne 2 (ou orange) vers Laval, ainsi qu’un projet concurrent mais distinct de rénovation des installations embarquées de contrôle de train et des installations au sol régissant le fonctionnement des circuits de voie. Lors des études de ces projets, il fut nécessaire de simuler les parcours de train dans les tunnels futurs ou existants, selon le cas. À titre de participant à ces études, 1′ auteur de ce mémoire propose ici une méthode d’optimisation énergétique qui pourrait s’avérer intéressante pour les projets à venir.

SIMULATEUR DE TRAIN 

Le simulateur utilisé dans ce projet tire son ongme du besoin de maîtriser et d’automatiser l’activité de découpage des CDV et le calcul des temps de déblocage lors de prolongement de ligne de métro. Il fut subséquemment modifié pour simuler les prises en accélération (jerk) du futur contrôle des trains. La version du simulateur utilisée dans le présent mémoire tient compte des objectifs décrits plus haut. Il n’incorpore pas les options de simulation de jerk lors des freinages.

Les trains sont tous dotés d’un système de contrôle appelé contrôle des trains (CT). Une description de ce système est utile à la compréhension des divers algorithmes de simulation. Plusieurs éléments de cette description sont empruntés de [9].

Le système automatisé de contrôle de train est en service sur le réseau depuis juin 1976 et peut se décomposer comme suit :
• un cantonnement par circuit de voie à impulsions de tension élevée;
• une transmission d’information en sécurité de la voie vers le train pour la signalisation en loge de conduite. Il n’y a pas de signalisation latérale;
• un contrôle continu de vitesse (CCV) avec surveillance du freinage et des mouvements des trains en sécurité;
• un service automatique des portes en station avec contrôle du côté d’ouverture en sécurité;
• un pilotage automatique (PA) assurant la régulation de vitesse, les arrêts en station et les manœuvres de changement de voie;
• une régulation du temps de parcours entre stations.

Les deux dernières fonctions ont un impact sur la consommation énergétique, le temps de parcours et le confort des usagers.

Dispositifs du sol

Les équipements de signalisation du sol fournissent les informations nécessaires à la bonne marche des trains : consignes de vitesse, ordre et contrôle d’arrêt, ouverture des portes et marche sur l’erre. Au sol, les dispositifs comprennent:
• les circuits de voie utilisés pour transmettre en permanence l’état d’occupation des cantons en aval. L’injection des consignes de vitesses différentes sur une zone se fait en sécurité par un ensemble d’éléments de sécurité intrinsèque tenant compte de 1′ état des cantons en aval des trains et des itinéraires choisis;
• le dispositif d’émission au sol du signal de contrôle de l’arrêt programmé (AP) et d’ouverture des portes;
• les dispositifs d’émission au sol des commandes de marche sur l’erre utilisant des balises ponctuelles au sol et émettant des signaux de fréquences caractéristiques. L’ordinateur du poste de commande centralisé (PCC) commande la marche sur l’erre en fonction de ses critères de régulation du trafic.

Concernant le dernier point, bien que la version « complète » du simulateur inclut la possibilité de mise sur l’erre, celle-ci n’est pas implantée dans l’optimisation du profil avec AG. Des expériences antérieures [8] ont démontré qu’un profil performant sans mise sur erre demeure aussi performant avec celle-ci. Autre considération, les économies d’énergie les plus intéressantes se trouvent aux heures de pointe. Dans ces moments, les trains fonctionnent en marche tendue, c’est-à-dire sans mise sur erre ou avec une mise sur erre de une seconde au maximum. Il est donc préférable d’optimiser les profils pour le type de marche implanté aux heures de pointe.

Le circuit de voie en est un dans lequel les rails sont utilisés comme conducteur et servent (en voie libre) à la transmission des signaux d’un émetteur vers un récepteur qui alimente un relais de voie. Les frotteurs du train en court-circuitant les deux fils de rails de sécurité empêchent cette transmission et provoquent la désexcitation du relais de voie. En modifiant la durée de la période séparant deux impulsions successives, il est possible de transmettre vers le train des informations de consigne de vitesse par les rails. Les informations à transmettre proviennent d’une logique de signalisation réalisée à l’aide d’éléments de sécurité intrinsèque.

Dix informations possibles sont fournies :
F45 correspond à la vitesse de 45 mlh, de période 340 ms;
F35 correspond à la vitesse de 35 mlh, de période 322 ms;
F25 correspond à la vitesse de 25 mlh, de période 305,8 ms;
F20 correspond à la vitesse de 25 mlh, de période 290,1 ms;
F15 correspond à la vitesse de 15 mlh, de période 275,8 ms;
F15s correspond à la vitesse de 15 mlh, de période 261,9 ms (interdit la traction);
F10 correspond à la vitesse de 10 mlh, de période 248,7 ms;
F0 correspond à la vitesse de zéro m/h, de période 224,3 ms;
FVd maintient F15 ou F10 dans un aiguillage, de période 236,2 ms;
F0s correspond à l’absence de consigne de période 213 ms.

Les balises d’arrêt programmé ou de mise sur l’erre sont constituées de bobines à noyau de fer vertical placées à des endroits précis dans un radier. Seules les fréquences émises permettent de différencier les diverses balises. Pour un arrêt programmé normal, trois balises sont nécessaires; elles sont implantées à 300 rn, 150 rn et 16,67 rn du point d’arrêt désiré. La fréquence des balises est de 25kHz. Pour la mise sur erre, la fréquence est de 20 kHz. Deux balises de mise sur erre sont implantées entre stations. Elles permettent d’augmenter le temps de parcours de une ou trois secondes. Par défaut, le temps de parcours est retardé de trois secondes. Les balises de mise sur erre permettent par la même occasion une économie d’énergie.