Creating Feature Spaces and Autoregressive Models to Forecast Railway Track Deviations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Diagnosis of railway tracks reveals the deviations of rail parameters in the plan and profile from their nominal values. If the deviations approach the limit values, the speeds of trains must be reduced. Therefore, forecasting changes in the deviations is a topical problem. Despite the significant amount of diagnostic data collected, railway operators underuse machine learning methods to improve the quality of prediction. The proposed approach differs from known counterparts as follows. First, the dimensionality of the feature space is increased by calculating the variation of the amplitudes of deviations from the nominal values and two types of areas (the deviation length multiplied by the amplitude and the deviation length multiplied by the variation of the amplitude); subsequently, this space is represented in the 3D matrix form. Second, a set of control parameters is formed; it includes the time and space discretization step, the type of seasonal fluctuations, the number of trend change points, etc. Third, the deviations are predicted in groups differing in type and position along the track. Forecasting is based on minimizing the empirical risk criterion. As a result, a family of autoregressive models is obtained for each discretization interval along the length of the railway track.

About the authors

A. Yu Vladova

Trapeznikov Institute of Control Sciences, Russian Academy of Sciences; Financial University under the Government of the Russian Federation

Email: avladova@ipu.ru
Moscow, Russia

References

  1. Kostrzewski, M., Melnik, R. Condition Monitoring of Rail Transport Systems: A Bibliometric Performance Analysis and Systematic Literature Review // Sensors. – 2021. – Vol. 21, no. 14. – Art. no. 4710.
  2. Tsunashima, H. Condition Monitoring of Railway Tracks from Car-Body Vibration Using a Machine Learning Technique // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9. – Art. no. 2734.
  3. Liu, X., Markine, V.L. Train Hunting Related Fast Degradation of a Railway Crossing-Condition Monitoring and Numerical Verification // Sensors. – 2020. – Vol. 20, no. 8. – Art. no. 2278.
  4. Vladova, A.Yu. Identification of the Railway Track Technical State // 2021 14th International Conference Management of large-scale system development (MLSD). – Moscow: IEEE, 2021. – P. 1–5.
  5. Дубицкий И.С., Енин А.В., Владова А.Ю. Анализ динамики износа железнодорожных путей // Материалы 14-й междунар. конф. «Управление развитием крупномасштабных систем» (MLSD’2021). – Москва, 2021. – C. 979–985. [Dubitskii I.S., Enin A.V., Vladova A.Yu. Analiz dinamiki iznosa zheleznodorozhnykh putei // Materialy 14-i mezhdu-nar. konf. «Upravlenie razvitiem krupnomasshtabnykh sistem» (MLSD’2021). – Moskva, 2021. – C. 979–985. (In Russian)]
  6. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования временных рядов. – М: Финансы и статистика (ФС), 2003. [Lukashin, Yu.P. Adaptivnye metody kratkosrochnogo prognozirovaniya vremennyh ryadov. – M: Finansy i statistika (FS), 2003. (In Russian)]
  7. Владова А.Ю. Гармонический анализ температур мерзлого грунта полосы отведения линейного объекта // Безопасность труда в промышленности. – 2017. – № 7. – С. 25–30. [Vladova, A.Yu. Garmonicheskij analiz temperatur merzlogo grunta polosy otvedeniya linejnogo ob'ekta // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. – 2017. – No. 7. – P. 25–30. (In Russian)]
  8. Vladova, A.Yu. Remote Geotechnical Monitoring of a Buried Oil Pipeline // Mathematics. – 2022. – Vol. 10, no. 11. – Art. no.. 1813.
  9. Любушин А.А. Анализ данных систем геофизического и экологического мониторинга. – М.: Наука, 2007. [Lyubushin, A.A. Analiz dannyh sistem geofizicheskogo i ekologicheskogo monitoringa. – M.: Nauka, 2007. (In Russian)]
  10. Валеев С.Г. Регрессионное моделирование при обработке данных. – Казань: Изд-во ФЭН Академии наук Республики Татарстан, 2001. [Valeev, S.G. Regressionnoe modelirovanie pri obrabotke dannyh. – Kazan’: Izd-vo FEN Akademii nauk Respubliki Tatarstan, 2001. (In Russian)]
  11. Herzen, J., Lässig, F., Piazetta, S.G., et al. Darts: User-Friendly Modern Machine Learning for Time Series // Journal of Machine Learning Research. – 2022. – Vol. 23. – P. 1–6.
  12. Hosseini, R., Yang, K., Chen, A., Patra, S. A flexible forecasting model for production systems // ArXiv: 2105.01098v1. – 2021. – DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2105.01098.
  13. Taylor, S., Letham, B. Forecasting at scale // The American Statistician. – 2018. – Vol. 72, no. 1. – P. 37-45.
  14. Vandeput, N. Forecast KPI: RMSE, MAE, MAPE & Bias Towards Data Science. – URL: https://towardsdatascience.com/forecast-kpi-rmse-mae-mape-bias-cdc5703d242d (Дата обращения 04.02.2023) [Accessed February 4, 2023].
  15. Hartomo, K., Nataliani, Y. A new model for learning-based forecasting procedure by combining k-means clustering and time series forecasting algorithms // PeerJ Computer Science. – 2021. – Vol. 7, no. 2. – Art. no. e534. – DOI: https://doi.org/7717/peerj-cs.534.
  16. Vivas E., Allende-Cid H., Salas R. A Systematic Review of Statistical and Machine Learning Methods for Electrical Power Forecasting with Reported MAPE Score // Entropy. – 2020. – Vol. 22, no. 12. – Art. no. 1412.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».