El objetivo general del proyecto es contribuir a mejorar el diseño, la operación y el mantenimiento del sistema de captación de corriente en vehículos ferroviarios a través de la catenaria rígida, combinando simulación, desarrollo tecnológico y validación experimental.

Subproyecto 1 · UPV — Velocidad de circulación en catenaria rígida

1. Desarrollar modelos de la catenaria rígida y de las secciones de solape flexible-rígido que se resuelvan en tiempo real, para su uso en el banco de ensayos HiL y en la optimización del sistema.
2. Adaptar el banco de ensayos HiL de la UPV para ensayar la interacción entre un pantógrafo real y los modelos virtuales de catenaria rígida y de solape flexible-rígido.
3. Analizar la influencia de los parámetros de diseño, la configuración geométrica y las tolerancias y errores de instalación en la calidad de captación de corriente.
4. Mejorar el diseño de la catenaria mediante procedimientos de optimización geométrica y paramétrica.
5. Validar mediante ensayos HiL la viabilidad de un sistema activo en el pantógrafo, guiado por técnicas de visión artificial, para mejorar la velocidad máxima en catenaria rígida.

Subproyecto 2 · UMA — Desgaste del hilo de contacto y de los frotadores

1. Desarrollar un banco de ensayo en el laboratorio para medir el desgaste entre el hilo de contacto y los frotadores del pantógrafo, en distintas condiciones de fuerza, velocidad e intensidad de corriente.
2. Desarrollar modelos de predicción del desgaste y validarlos con los resultados experimentales del laboratorio y con medidas en vía.
3. Desarrollar un dispositivo de medición automática de la configuración estática de la catenaria para su uso en una instalación real del Metro de Málaga.
4. Diseñar y construir un dispositivo que, con tecnología láser y análisis de imágenes, registre el desgaste del hilo de contacto en el Metro de Málaga sin interrumpir la alimentación de la catenaria.

Objetivos comunes a ambos subproyectos

1. Generar un modelo dinámico del pantógrafo del Metro de Málaga y validarlo mediante ensayos HiL.
2. Desarrollar un sistema de medición de la fuerza de contacto a partir de imágenes de vídeo y validarlo mediante ensayos en vía.

La metodología del proyecto se apoya en cuatro vertientes complementarias: simulaciones numéricas con el código propio PACDIN, desarrollo tecnológico para el diseño y fabricación de bancos de ensayo y dispositivos de medida, ensayos experimentales en el laboratorio, y mediciones en instalaciones reales (Metro de Málaga, con la participación del Institute of Railway Research, UK).

El código PACDIN, desarrollado en proyectos anteriores para la catenaria flexible, se amplía para incorporar el modelo de elementos finitos de catenaria rígida del grupo de Málaga, aplicándole la misma metodología de cálculo eficiente que permite resolver la interacción en tiempo real. Sobre el modelo se analiza la influencia de los errores de instalación mediante propagación de incertidumbre, y se optimiza la captación de corriente — especialmente en las transiciones entre catenaria rígida y flexible— con algoritmos genéticos y optimización bayesiana.

El banco HiL de pantógrafos se adapta para los ensayos con catenaria rígida: los modelos se preparan para ejecutarse en tiempo real en el PC SpeedGoat, se desarrolla una interfaz de usuario para cambiar entre modelos (flexible de uno o dos hilos, rígida, solapes), se analiza el comportamiento dinámico con la masa móvil reducida del accionador, y se recalcula el sistema de estabilización del lazo de control si fuera necesario, con una opción adicional basada en control predictivo (MPC).

Se identifica un modelo paramétrico del pantógrafo del Metro de Málaga (con sus no linealidades) a partir de ensayos instrumentados en el banco, y se explora como alternativa un modelo basado en redes neuronales recurrentes (LSTM). En paralelo se desarrolla un sistema portátil, instalable en el techo del vehículo junto al pantógrafo, que estima la fuerza de contacto mediante visión artificial: amplificación de movimiento con precisión subpíxel, estimación del estado del pantógrafo y compensación de la vibración de la cámara. El sistema se probará con dos modelos de pantógrafo, incluyendo uno en el banco del Institute of Railway Research de Huddersfield.

Para mejorar la velocidad de circulación se diseña y construye un sistema activo acoplado al pantógrafo: una aleta orientada por un motor que genera una fuerza aerodinámica regulada con el viento del vehículo. El sistema, con sus sensores de fuerza y su mecanismo de bloqueo, se modela, se simula en el banco HiL para ajustar los algoritmos de control, y se pone en operación en ensayos HiL reales, explorando también la guía del control mediante la fuerza estimada por visión artificial.

Se diseña y fabrica un banco de ensayo en anillo, con una rueda de 2 a 3 m de diámetro sobre cuyo borde se instala el hilo de contacto, para reproducir el paso del pantógrafo a distintas velocidades, fuerzas e intensidades de corriente, centrado en las condiciones de operación de los metros. A partir de los ensayos se identifican modelos heurísticos del desgaste del hilo de contacto y de los frotadores.

Un dispositivo embarcado —ampliado con IMU y GPS— localiza en el Metro de Málaga las secciones con comportamiento irregular de la catenaria, y se diseña un dispositivo autónomo que se desplaza por la vía para medir la configuración estática del hilo de contacto y su desgaste mediante láser e imagen, sin interrumpir la circulación. Con las medidas repetidas a lo largo de un año se monitoriza la evolución del desgaste y se validan los modelos: del pantógrafo, de la fuerza de contacto medida por vídeo y del desgaste, comparando simulaciones con los datos reales de la instalación.

1. Modelos de catenaria rígida y de solape flexible-rígido resueltos en tiempo real en el código PACDIN, con geometría optimizada para mejorar la captación de corriente.
2. Banco de ensayos HiL ampliado a la catenaria rígida y a sus transiciones, en línea con la norma EN 50318 para la homologación de pantógrafos.
3. Pantógrafo activo validado en ensayos HiL, con y sin guía por visión artificial, para incrementar la velocidad de circulación en catenaria rígida.
4. Banco de ensayo de desgaste y modelos de predicción validados con experimentos de laboratorio y con medidas en vía.
5. Dispositivos portátiles de medición de la configuración estática, del desgaste del hilo de contacto y de la fuerza de contacto por vídeo, listos para su uso en instalaciones reales.

Los resultados están orientados a la generación de conocimiento (publicaciones en revistas JCR) y a herramientas con potencial de transferencia: los sistemas de medida y el banco de desgaste pueden explotarse más allá del proyecto. Gestores de infraestructura con catenaria rígida —FGV (Metro de Valencia) y el Metro de Málaga, que han mostrado su apoyo al proyecto— podrían ser beneficiarios, tanto para las especificaciones de nuevas instalaciones como para el mantenimiento predictivo de las existentes.