Optimizing Train Trajectory for Energy-Efficient Train Control Using Radau Pseudospectral Method in LRT Jabodebek, Indonesia

Muhammad Iqbal, Prof. Ir. Siti Malkhamah, M.Sc., Ph.D., IPU., ASEAN.Eng.; M. Rizka Fahmi Amrozi, S.T., M.Sc., Ph.D.

2023 | Tesis | S2 Mag. S. & T.Transportasi

Wilayah Jabodetabek, yang dikenal sebagai salah satu wilayah terpadat di negara ini, bergulat dengan kemacetan lalu lintas yang parah, polusi udara, dan emisi karbon. Oleh karena itu, terdapat kebutuhan mendesak untuk mengatasi tantangan lingkungan hidup ini. Dalam konteks ini, kemunculan jaringan Light Rail Transit (LRT) menawarkan solusi yang layak untuk memitigasi dampak lingkungan dari metode transportasi konvensional di wilayah Jabodetabek. Namun, untuk sepenuhnya memanfaatkan keunggulan ekologis LRT, langkah penting yang perlu dilakukan adalah mengoptimalkan strategi train control, terutama dengan menerapkan teknik trajectory optimization.

Fokus utama studi ini berkisar pada train trajectory optimization (TTO), yang merupakan aspek penting untuk mencapai efisiensi energi, pengurangan emisi, dan mitigasi dampak lingkungan dari pengoperasian LRT. Pendekatan yang layak untuk mengatasi tantangan optimasi adalah melalui pemanfaatan Radau Pseudospectral Method (RPM). Metode ini menggunakan node kuadratur Legendre-Gauss-Radau, memfasilitasi optimalisasi simultan variabel keadaan dan input kontrol. Dengan menggabungkan metode Radau Pseudospectral, para insinyur memiliki kemampuan untuk meningkatkan profil akselerasi, deselerasi, dan kecepatan kereta.

Hasil dari simulasi menunjukkan temuan yang beragam. Menaikkan batas kecepatan menghasilkan peningkatan efisiensi konsumsi energi sebesar 5%. Sementara itu, penggunaan Running Time Supplement (RTS) secara signifikan meningkatkan efisiensi energi, mencapai nilai antara 46?n 47%. Studi ini mengungkapkan korelasi langsung antara kuantitas titik kolokasi dan ketepatan hasil lintasan. Diamati bahwa nilai titik kolokasi yang lebih tinggi menghasilkan simulasi algoritmik yang lebih akurat. Pemanfaatan RTS dalam hasil simulasi berdampak besar pada efisiensi. Melalui distribusi RTS yang optimal, muncul pola yang jelas: jarak antar stasiun yang lebih jauh berarti alokasi RTS yang lebih besar. Namun, sangat penting untuk berhati-hati mengenai besarnya RTS yang ditambahkan ke LRT. Nilai RTS yang besar dapat melemahkan daya saing perkeretaapian karena dapat menyebabkan lambatnya layanan transportasi.

The Jabodetabek area, recognized as one of the most densely populated regions in the nation, grapples with severe traffic congestion, air pollution, and carbon emissions. Consequently, there is a pressing need to address these environmental challenges. Within this context, the emergence of the Light Rail Transit (LRT) network offers a viable solution to mitigate the environmental repercussions of conventional transportation methods in the Jabodetabek area. However, to fully harness the ecological advantages of LRT, a crucial step involves optimizing train control strategies, primarily by implementing trajectory optimization techniques.

The primary focus of this study revolves around train trajectory optimization (TTO), a pivotal aspect for achieving energy efficiency, emissions reduction, and mitigating the environmental impact of LRT operations. A viable approach for addressing optimization challenges is through the utilization of the Radau Pseudospectral Method (RPM). This method employs Legendre-Gauss-Radau quadrature nodes, facilitating the simultaneous optimization of both state variables and control inputs. By incorporating the Radau pseudospectral method, engineers have the capability to enhance train acceleration, deceleration, and speed profiles.

The outcomes of the simulation campaigns exhibit diverse findings. Elevating the speed limit leads to a 5% improvement in energy consumption efficiency. Meanwhile, incorporating a running time supplement (RTS) substantially enhances energy efficiency, reaching values between 46% and 47%. The study revealed a direct correlation between the quantity of collocation points and the precision of trajectory outcomes. It was observed that higher collocation point values yield more accurate algorithmic simulations. The utilization of RTS in the simulation results notably impacts efficiency. Through optimal RTS distribution, a discernible pattern emerges: longer distances between stations correspond to larger RTS allocations. However, it is imperative to exercise caution regarding the magnitude of RTS added to the LRT. Substantial RTS values could undermine the railway's competitiveness, as they could lead to slower transport services.

Kata Kunci : Train Trajectory Optimization, Radau Pseudospectral Method, Running Time Supplement