Current state and prospects of development of energy-optimal control systems for 2ES6 electric locomotives

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The research focuses on the current state and prospects of development of the systems of energy-optimal train driven by freight main line DC electric locomotives 2ES6. An analysis of current trends in energy saving and increasing the efficiency of traction energy resources in railway transport and their impact on haulage of trains shows that train guidance based on machine learning and artificial intelligence remains poorly researched. The study is primarily intended to determine the actual use of automation of goods train driving in the sections of the Ural-Siberian railway proving ground and its impact on the energy-optimal schedule of completed train operations.

Materials and methods. The problem solving involved the basic provisions of the theory of haulage of trains, concepts of the theory of automated control and diagnostics of electric rolling stock, as well as statistical methods of data processing.

Results. The authors hypothesise that a smart adaptive rolling stock control support system with machine learning and AI would reduce the specific power consumption of locomotives. The researchers show that the most feasible way to build real-time dynamic models of energy-optimal locomotive motion for such smart system is to use data from the automated workstation of a freight locomotives motion recorder and auto-drive, as this is the data that contains accurate geographic coordinates to synchronise measurements on trips in a particular section.

Discussion and conclusion. A tunable artificial recurrent neural network on long short-term memory in new or existing improved methods for energy-efficient train rolling stock control would improve the motion recorders used on locomotives. The developed algorithm may form the basis of a fundamentally new smart adaptive rolling stock control support system with machine learning and AI. Further research would be focused on the development of technology for building dynamic models of energy-optimal real-time locomotive movement with train.

About the authors

Stanislav G. Istomin

Omsk State Transport University

Email: dki35@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-5243-1035

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Electrical Railway Rolling Stock Department

Russian Federation, Omsk

Kirill I. Domanov

Omsk State Transport University

Author for correspondence.
Email: dki35@ya.ru
ORCID iD: 0000-0002-2627-4179

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Electrical Railway Rolling Stock Department

Russian Federation, Omsk

Andrey P. Shatokhin

Omsk State Transport University

Email: dki35@ya.ru
ORCID iD: 0000-0001-6259-8018

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Director, Institute of Electric Transport and Power Supply Systems

Russian Federation, Omsk

Ilya N. Denisov

Omsk State Transport University

Email: dki35@ya.ru
ORCID iD: 0000-0001-5951-7328

Head of Laboratories, Electrical Railway Rolling Stock Department

Russian Federation, Omsk

References

  1. Худорожко М. В., Елисеев И. А., Стельмашенко А. В. Система, обеспечивающая вождение соединенных поездов одной локомотивной бригадой // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2024. № 1 (65). С. 28–31. EDN: https://elibrary.ru/kuikgx. Khudorozhko M. V., Eliseev I. A., Stelmashenko A. V. Single-crew locomotive driving system for coupled trains. Railway Equipment. 2024;(1):28-31. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/kuikgx.
  2. Худорожко М. В., Елисеев И. А., Стельмашенко А. В. Реализация технических решений для вождения соединенного поезда одной локомотивной бригадой (САУ-ОП) // Наука 1520 ВНИИЖТ: Загляни зa горизонт: сб. материалов II Междунар. конф., Москва, 24–25 августа 2023 г. М.: Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, 2023. С. 304–310. EDN: https:// elibrary.ru/aodtgv. Khudorozhko M. V., Eliseev I. A., Stelmashenko A. V. Implementation of technical solutions for driving a coupled train by one locomotive crew (SAU-OP). In: Science 1520 VNIIZhT: Look beyond the horizon: Collection of proceedings of II International conf., Moscow, 24–25 August 2023. Moscow: Railway Research Institute; 2023. p. 304–310. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/aodtgv.
  3. Система АВ-РТ: курс на беспилотные технологии / М. В. Худорожко [и др.] // Локомотив. 2020. № 2 (758). С. 11–13. EDN: https://elibrary.ru/ywxtad. Khudorozhko M. V., Eliseev I. A., Murov S. A., Stelmashenko A. V., Lantsov A. P. AV-RT system: heading towards unmanned technologies. Lokomotiv. 2020;(2):11-13. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/ywxtad.
  4. Елисеев И.А., Хазов М.С., Худорожко М.В. Оперативное определение фактического коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами // Актуальные вопросы развития железнодорожного транспорта: материалы Всерос. науч.-практ. конф. к 75-летию аспирантуры Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, Москва, 5 июня 2019 г. М.: РАС, 2019. С. 151–159. EDN: https://elibrary.ru/pvzysp. Eliseev I. A., Hazov M. S., Hudorozhko M. V. In-process determination of actual coefficient of traction of locomotive wheels with rails. In: Major issues of rail transport development: sourcebook of the All-Russian scientific and practical conf. for the 75th Anniversary of the postgraduate programme of the Railway Research Institute, Moscow, 5 June 2019. Moscow: RAS Publ.; 2019. p. 151–159. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/pvzysp.
  5. Елисеев И. А. Повышение энергоэффективности процесса управления электровозом посредством оперативного уточнения сил тяги и электрического торможения: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. М., 2013. 26 с. EDN: https://elibrary.ru/sioirj. Eliseev I. A. Increase of energy efficiency of the electric locomotive control by in-process specification of traction forces and electric braking: Cand. Sci. (Eng.) thesis synopsis: 05.22.07. Moscow; 2013. 26 p. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/sioirj.
  6. Жебрак Л. М., Елисеев И. А. Методика оперативного уточнения действующей силы тяги локомотива на поезд // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2012. № 4. С. 38–42. EDN: https://elibrary.ru/pbeumr. Zhebrak L. M., Eliseev I. A. Methods of real-time adjustment of tractive effort acting from locomotive to train. Russian Railway Science Journal. 2012;(4):38-42. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/pbeumr.
  7. Елисеев И.А. Тенденции развития систем автоведения // Совершенствование электрооборудования тягового подвижного состава: сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / под ред. В.А. Кучумова, Н.Б. Никифоровой. М.: Интекст, 2011. С. 38–45. EDN: https://elibrary.ru/spiqit. Eliseev I.A. Trends in the development of auto-driving systems. In: Kuchumov V.A., Nikiforova N.B. (eds) Improvement of tractive rolling stock electrical equipment: Collection of scientific works of the Railway Research Institute. Moscow: Intext Publ.; 2011. p. 38–45. (In Russ.). EDN: https:// elibrary.ru/spiqit.
  8. Жебрак Л.М., Елисеев И.А. Постановка задачи оперативного уточнения действующей на поезд силы тяги в процессе движения // Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта: сб. ст. молодых ученых и аспирантов ВНИИЖТ. М.: Интекст, 2010. С. 35–39. EDN: https://elibrary.ru/tajeur. Zhebrak L.M., Eliseev I.A. Setting of the problem of in-process specification of the traction force acting on the train in motion. In: Prospects of railway transport development: Collection of articles of young scientists and postgraduates of the Railway Research Institute. Moscow: Intext Publ.; 2010. p. 35–39. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/tajeur.
  9. Елисеев И.А. Стохастическая модель силы тяги локомотива // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2010. №4. С. 30–33. EDN: https://elibrary.ru/mvcrxt. Eliseev I. A. Stochastic model of locomotive's tractive effort. Russian Railway Science Journal. 2010;(4):30-33. (In Russ.). EDN: https:// elibrary.ru/mvcrxt.
  10. Елисеев И. А., Худорожко М. В., Жебрак Л. М. Метод оценки переменных с минимальной дисперсией // Мир транспорта. 2009. Т. 7, № 1 (25). С. 28–32. EDN: https://elibrary.ru/jybizh. Eliseev I.A., Hudorozhko M.V., Zhebrak L.M. Method of variable estimation with minimum dispersion. World of Transport and Transportation. 2009;7(1):28-32. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/jybizh.
  11. Инновационный проект «Эльбрус» / Л. А. Мугинштейн [и др.] // Железнодорожный транспорт. 2013. № 12. С. 18–25. EDN: https://www.elibrary.ru/rmtbfp. Muginshteyn L. A., Vinogradov S. A., Kiryakin V. Yu., Lyashko O. V., Anfinogenov A. Yu., Yabko I. A. Elbrus Innovations Project. Zheleznodorozhnyy transport. 2013;(12):18-25. (In Russ.). EDN: https://www. elibrary.ru/rmtbfp.
  12. Полигонные технологии движения поездов по графикам на основе автоматизированной системы «Эльбрус» / Л. А. Мугинштейн [и др.] // Железнодорожный транспорт. 2015. № 3. С. 13–19. EDN: https://elibrary.ru/tkirfp. Muginshteyn L. A., Vinogradov S. A., Kiryakin V. Yu., Lyashko O. V., Anfinogenov A. Yu., Novgorodtseva A. V. Polygon technologies of scheduled train traffic based on the Elbrus Automated System. Zheleznodorozhnyy transport. 2015;(3):13-19. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/tkirfp.
  13. Мугинштейн Л. А., Виноградов С. А., Ябко И. А. Энергооптимальный тяговый расчет движения поездов // Железнодорожный транспорт. 2010. № 2. С. 24–29. EDN: https://elibrary.ru/oyseib. Muginshteyn L. A., Vinogradov S. A., Yabko I. A. Energy-optimal traction calculation of train traffic. Zheleznodorozhnyy transport. 2010;(2):24-29. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/oyseib.
  14. Мугинштейн Л. А., Илютович А. Е., Ябко И. А. Энергооптимальные методы управления движением поездов: сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ». М., 2012. С. 79. EDN: https://elibrary.ru/qnxwzz. Muginshteyn L.A., Ilyutovich A.E., Yabko I.A. Energyoptimal methods of train traffic control: Collection of scientific works of the Railway Research Institute. Moscow; 2012. p. 79. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/qnxwzz.
  15. Мугинштейн Л. А., Илютович А. Е., Ябко И. А. Энергооптимальный тяговый расчет движения поезда // Вестник Научноисследовательского института железнодорожного транспорта. 2013. № 6. С. 3–13. EDN: https://elibrary.ru/tolgrr. Muginshteyn L. A., Ilyutovich A. E., Yabko I. A. Mimimum energy consumption-based train performance calculation. Russian Railway Science Journal. 2013;(6):3-13. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/ tolgrr.
  16. Современная методология технического нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов локомотивами на тягу поездов / Л. А. Мугинштейн [и др.]. М.: ВМГ-Принт, 2014. 144 с. EDN: https://elibrary.ru/vtzsnn. Muginshteyn L. A., Molchanov A. I., Vinogradov S. A., Popov K. M., Shkol'nikov E. N. Modern methodology of technical rationing of fuel and energy consumption by locomotives for train traction. Moscow: VMG-Print Publ.; 2014. 144 p. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/vtzsnn.
  17. Юренко К. И. Исследование методов оптимизации режимов ведения поезда с использованием интеллектуальной имитационной модели // Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте. Компьютерное и математическое моделирование (ИСУЖТ-2018): тр. Седьмой науч.-техн. конф., Москва, 14 ноября 2018 г. М.: Научно-исследовательский и проектноконструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте, 2018. С. 236–240. EDN: https:// elibrary.ru/sqsndv. Yurenko K. I. Study of methods for optimising train driving modes using a smart simulation model. In: Smart control systems on railway transport. Computer and mathematical modelling (ISUZhT – 2018): Proceedings of the Seventh Scientific and Technical Conf., Moscow, 14 November 2018. Moscow: Research and Design Institute of Informatisation, Automation and Communication on Railway Transport; 2018. p. 236–240. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/sqsndv.
  18. Cuéllar M., Delgado M., Pegalajar M. An application of nonlinear programming to train recurrent neural networks in time series prediction problems. In: Chen C.-S., Filipe J., Seruca I., Cordeiro J. (eds) Enterprise Information Systems VII. Dordrecht: Springer; 2007. р. 95–102. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5347-4_11.
  19. Zhuang N., Qi G.-J., Kieu T.D., Hua K. A. Rethinking the Combined and Individual Orders of Derivative of States for Differential Recurrent Neural Networks. ACM Transactions on Multimedia Computing, Communications, and Applications. 2019;15(3):1-21. https://doi. org/10.1145/3337928.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».