Proceedings of Petersburg Transport University Proceedings of Petersburg Transport University Известия Петербургского университета путей сообщения 1815-588X 2658-6851 96358 10.20295/1815-588X-2025-1-92-101 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем A “Digital Twin”-Based Simulation Model for an Electric Locomotive Electrical Equipment Моделирование электрической части грузового электровоза на основе технологии «Цифровой двойник» Будаев Артем Анатольевич Budaev Artem Anatol'evich artem.bydaev2@yandex.ru Третьяков Евгений Александрович Tret'yakov Evgeniy Aleksandrovich eugentr@mail.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Омский государственный университет путей сообщения Омск Россия Omsk State Transport University Omsk Russian Federation Омский государственный университет путей сообщения Омск Россия Omsk State Transport University Omsk Russian Federation 21 03 2025 21 03 2025 22 1 92 101 19 03 2025 https://itt-pgups.ru/en/nauka/article/96358/view

Цель: Моделирование электрической части грузового электровоза на основе технологии «Цифровой двойник» для прогнозирования параметров электровоза и сценариев развития ситуаций (включая аварийные) по данным измерительных систем в пути следования, поиска допустимых состояний в реальном времени на основе моделирования в рамках прескриптивной аналитики. Методы: Для решения поставленных задач использовались методы имитационного компьютерного моделирования в среде Matlab Simulink, программирования на языке C#, математической статистики и теории электрической тяги. Результаты: Разработана имитационная цифровая модель электрической части грузового электровоза в Matlab Simulink на основе технологии «Цифровой двойник» с учетом данных бортовых измерительных систем в пути следования. Выполнена валидация разработанной имитационной модели электрической части электровоза 2ЭС6 на основе ретроспективных данных, полученных после обработки записей РПДА. Выполнено имитационное моделирование возможной неисправности в электрической части электровоза 2ЭС6 с ее последующим автоматизированным устранением, представлены графики полученных рассчитанных и экспериментальных зависимостей по времени. Практическая значимость: Полученные результаты исследования, а именно разработанные имитационные модели электрической части грузового электровоза на основе технологии «Цифровой двойник» могут найти применение с целью генерирования набора данных с различными параметрами движения поезда для машинного обучения модели прогнозирования состояния электровоза и сценариев развития ситуаций (включая аварийные) в рамках разрабатываемой прескриптивной системы автоматического предотвращения неисправностей электроподвижного состава в пути следования

Purpose: To develop a “Digital Twin”-based simulation model for an electric locomotive electrical part for predicting electric locomotive parameters and scenarios (including emergencies) based on en route measurement system data, as well as to define model-based real-time valid parameters within a prescriptive analytics framework. Methods: Methods of computer simulation modeling in Matlab Simulink environment, C# programming, mathematical statistics and electric traction theory were used to solve the set tasks. Results: The simulation digital model of an electric freight locomotive electrical part in Matlab Simulink based on “Digital Twin” technology has been developed using the on-board measurement system data en route. Validation of the developed simulation model of the 2ES6 electric locomotive electrical part based on retrospective data obtained from processing the RPDA records has been carried out. Fault simulation in the electrical part of the 2ES6 electric locomotive with subsequent fault elimination has been performed, with graphs of calculated and experimental time dependencies obtained and presented. Practical significance: The research results obtained, namely the “Digital Twin”-based simulation models of the electric locomotive electrical part can be used for generating different train movement data for computer learning model to predict the electric locomotive parameters and scenarios (including emergencies) within the framework of the developed prescriptive system of automatic electric locomotive fault prevention en route.

 Цифровой двойник электроподвижной состав имитационная модель неисправности машинное обучение Digital twin electric locomotive simulation model faults computer learning

Pires F. Digital Twin in Industry 4.0: Technologies, Applications and Challenges / F. Pires, A. Cachada, J. Barbosa et al. // IEEE 17th International Conference on Industrial Informatics (INDIN). — Helsinki, Finland, 2019. — Pp. 721–726. — DOI: 10.1109/INDIN41052. 2019.8972134. Pires F. Digital Twin in Industry 4.0: Technologies, Applications and Challenges / F. Pires, A. Cachada, J. Barbosa et al. // IEEE 17th International Conference on Industrial Informatics (INDIN). — Helsinki, Finland, 2019. — Pp. 721–726. — DOI: 10.1109/INDIN41052. 2019.8972134. Errandonea I. Digital twin for maintenance: A literature review / I. Errandonea, S. Beltrán, S. Arrizabalaga // Computers in Industry. — 2020. — Iss. 123. — DOI: 10.1016/j.compind.2020.103316. Errandonea I. Digital twin for maintenance: A literature review / I. Errandonea, S. Beltrán, S. Arrizabalaga // Computers in Industry. — 2020. — Iss. 123. — DOI: 10.1016/j.compind.2020.103316. Ghaboura S. Digital Twin for Rail-way: A Comprehensive Survey / S. Ghaboura, R. Ferdousi, F. Laamarti et al. // IEEE Access. — 2023. — Iss. 11. — Pp. 120237–120257. — DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3327042. Ghaboura S. Digital Twin for Rail-way: A Comprehensive Survey / S. Ghaboura, R. Ferdousi, F. Laamarti et al. // IEEE Access. — 2023. — Iss. 11. — Pp. 120237–120257. — DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3327042. Donato L. Towards AI-assisted digital twins for smart railways: preliminary guideline and reference architecture / L. De Donato, R. Dirnfeld, A. Somma et. al. // Journal of Reliable Intelligent Environments. — 2023. — Iss. 9. — Pp. 303–317. DOI: 10.1007/s40860-023-00208-6. Donato L. Towards AI-assisted digital twins for smart railways: preliminary guideline and reference architecture / L. De Donato, R. Dirnfeld, A. Somma et. al. // Journal of Reliable Intelligent Environments. — 2023. — Iss. 9. — Pp. 303–317. DOI: 10.1007/s40860-023-00208-6. Лакин И. К. Использование технологии «Цифровой двойник» при управлении ремонтом локомотивов / И. К. Лакин, А. П. Семенов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2019. — № 3(63). — С. 89–98. — DOI: 10.26731/1813- 9108.2019.3(63).89–98. Lakin I. K. Ispol'zovanie tehnologii «Cifrovoy dvoynik» pri upravlenii remontom lokomotivov / I. K. Lakin, A. P. Semenov // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. — 2019. — № 3(63). — S. 89–98. — DOI: 10.26731/1813- 9108.2019.3(63).89–98. Ададуров А. С. Общее принципы построения предиктивной системы диагностики нового электропоезда ЭС2Г «Ласточка» и первые экспериментальные данные / А. С. Ададуров, В. И. Федорова, А. М. Бойко // Национальная Ассоциация Ученых. — 2022. — № 75-2. — С. 14–22. Adadurov A. S. Obschee principy postroeniya prediktivnoy sistemy diagnostiki novogo elektropoezda ES2G «Lastochka» i pervye eksperimental'nye dannye / A. S. Adadurov, V. I. Fedorova, A. M. Boyko // Nacional'naya Associaciya Uchenyh. — 2022. — № 75-2. — S. 14–22. Ададуров А. С. Аппаратно-программный комплекс прескриптивной системы диагностики для электропоезда «Ласточка» / А. С. Ададуров, В. И. Федорова, А. А. Перевязкин // Автоматика, связь, информатика. — 2023. — № 2. — С. 16–19. Adadurov A. S. Apparatno-programmnyy kompleks preskriptivnoy sistemy diagnostiki dlya elektropoezda «Lastochka» / A. S. Adadurov, V. I. Fedorova, A. A. Perevyazkin // Avtomatika, svyaz', informatika. — 2023. — № 2. — S. 16–19. Аболмасов А. А. Совершенствование методов диагностирования электрических машин локомотивов по данным микропроцессорных систем управления / А. А. Аболмасов, Д. О. Лисин, В. А. Мельников // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2019. — № 3(63). — С. 69–75. — DOI: 10.26731/1813-9108.2019.3(63).69-75. Abolmasov A. A. Sovershenstvovanie metodov diagnostirovaniya elektricheskih mashin lokomotivov po dannym mikroprocessornyh sistem upravleniya / A. A. Abolmasov, D. O. Lisin, V. A. Mel'nikov // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. — 2019. — № 3(63). — S. 69–75. — DOI: 10.26731/1813-9108.2019.3(63).69-75. Хабаров Р. А. Предиктивная диагностика технического состояния деталей, агрегатов и систем подвижного состава / Р. А. Хабаров, М. М. Раевский // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. — Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2022. — С. 217–227. Habarov R. A. Prediktivnaya diagnostika tehnicheskogo sostoyaniya detaley, agregatov i sistem podvizhnogo sostava / R. A. Habarov, M. M. Raevskiy // Ekspluatacionnaya nadezhnost' lokomotivnogo parka i povyshenie effektivnosti tyagi poezdov: materialy VII Vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. — Omsk: Omskiy gos. un-t putey soobscheniya, 2022. — S. 217–227. Репешко Н. А. Принципы работы «Умного локомотива» / Н. А. Репешко // Транспорт: наука, образование, производство: сборник трудов Международной научнопрактической конференции. — Ростов-на-Дону: Ростовский гос. ун-т путей сообщения, 2018. — Т. 2. — С. 171–174. Repeshko N. A. Principy raboty «Umnogo lokomotiva» / N. A. Repeshko // Transport: nauka, obrazovanie, proizvodstvo: sbornik trudov Mezhdunarodnoy nauchnoprakticheskoy konferencii. — Rostov-na-Donu: Rostovskiy gos. un-t putey soobscheniya, 2018. — T. 2. — S. 171–174. Иванков Д. О. Принципы работы «Умного локомотива» / Д. О. Иванков, А. А. Понятов // Техника и технологии наземного транспорта: материалы IV Международной студенческой научно-практической конференции. — Нижний Новгород: Филиал федерального госдарственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Самарский гос. ун-т путей сообщения» в г. Нижнем Новгороде, 2022. — С. 282–287. Ivankov D. O. Principy raboty «Umnogo lokomotiva» / D. O. Ivankov, A. A. Ponyatov // Tehnika i tehnologii nazemnogo transporta: materialy IV Mezhdunarodnoy studencheskoy nauchno-prakticheskoy konferencii. — Nizhniy Novgorod: Filial federal'nogo gosdarstvennogo byudzhetnogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego obrazovaniya «Samarskiy gos. un-t putey soobscheniya» v g. Nizhnem Novgorode, 2022. — S. 282–287. Будаев А. А. К вопросу об автоматизации процессов диагностики технического состояния и эксплуатационных показателей электроподвижного состава на основе технологии «цифровой двойник» / А. А. Будаев // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: материалы научной конференции, посвященной Дню российской науки. — Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2024. — С. 94–99. Budaev A. A. K voprosu ob avtomatizacii processov diagnostiki tehnicheskogo sostoyaniya i ekspluatacionnyh pokazateley elektropodvizhnogo sostava na osnove tehnologii «cifrovoy dvoynik» / A. A. Budaev // Innovacionnye proekty i tehnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte: materialy nauchnoy konferencii, posvyaschennoy Dnyu rossiyskoy nauki. — Omsk: Omskiy gos. un-t putey soobscheniya, 2024. — S. 94–99. Будаев А. А. Принципы построения имитационных моделей электровозов по технологии «цифровой двойник» / А. А. Будаев, А. Н. Соловьев // Исследование и развитие рельсового и автомобильного транспорта: cборник трудов Международной научно-практической конференции. — Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения, 2024. С. 39–43. Budaev A. A. Principy postroeniya imitacionnyh modeley elektrovozov po tehnologii «cifrovoy dvoynik» / A. A. Budaev, A. N. Solov'ev // Issledovanie i razvitie rel'sovogo i avtomobil'nogo transporta: cbornik trudov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. — Ekaterinburg: Ural'skiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya, 2024. S. 39–43.