Advanced methods for condition monitoring of railway infrastructure using in-service vehicle acceleration measurements

Rail transportation is one of the safest forms of transport, although reducing the probability of fatalities, injuries and damages is always demanded. The improvement of infrastructures standards in terms of Reliability, Availability, Maintainability and Safety (RAMS) is one of the most important topics for the railway infrastructure managers, together with reducing the costs. Monitoring and maintaining the track geometry is crucial to guarantee the safety and the comfort for the passengers, but it also represents one of the major costs related to the railway system. The track geometry irregularity has a relevant influence on the dynamic response of the vehicle. The abnormal vibrating response of the vehicle may affect the ride comfort for the passengers and, in the worst case scenario, their safety. Therefore, analyse and optimize the track condition monitoring procedure is an essential topic. Track irregularity is usually monitored by means of dedicated track recording vehicles, provided with sophisticated laser optical and inertial measurement systems, which periodically acquire the track geometry deviations from the ideal position. Since, only few diagnostic vehicles are available for each railway operating company, due to the high cost required to be built, to run and to be maintained, although optical measurements are very accurate, they cannot be continuously acquired on the entire railway network. So, the time interval between two consecutive acquisitions may be not optimal to optimally schedule the maintenance interventions. For these reasons, this thesis is focused on developing new methodologies for track condition monitoring using measurements of the vehicle’s running dynamics that can be acquired daily onboard the in-service trains with robust and relatively inexpensive transducers, during normal line service. To evaluate the track irregularity status from the vehicle acceleration measurements, analysing their relationship is crucial. This relation is investigated with both model-based and signal-based approaches. The model-based methods have high accuracy, robustness, and repeatability; however, the implementation could be complex and requires in-depth knowledge of the system. On the contrary, the signal-based approach defines the relationship between the track irregularity and the vehicle dynamics on the base of statistical techniques applied to the dataset. These methods are easier to be implemented and do not require full knowledge of the physical system behaviour. However, they show less accuracy and high variability. Moreover, a large amount of data is required to achieve reasonable results. The thesis is mainly focused in the estimation and the monitoring of the irregularity in the lateral direction, which represents the most complex problem. Since the lateral dynamics is strongly influence by the relative motion that may take place between the wheel and the rail, due to the peculiar geometry of the wheel rail contact.

Il trasporto su rotaia è una delle forme di trasporto più sicure, tuttavia ridurre le probabilità di fatalità, lesioni e danni è un requisito fondamentale. Il miglioramento degli standard dell'infrastruttura in termini di affidabilità, disponibilità, manutenibilità e sicurezza (RAMS) è uno dei temi più importanti per i gestori delle infrastrutture ferroviarie, insieme alla riduzione dei costi. Il monitoraggio e il mantenimento della geometria dei binari è fondamentale per garantire la sicurezza e il comfort dei passeggeri, ma rappresenta anche uno dei maggiori costi legati al sistema ferroviario. L'irregolarità della geometria del binario ha un'influenza rilevante sulla risposta dinamica del veicolo. Una risposta dinamica anomala del veicolo può influire sul comfort di marcia per i passeggeri e, nel peggiore dei casi, sulla loro sicurezza. Pertanto, l'analisi e l'ottimizzazione della procedura di monitoraggio delle condizioni del binario è un argomento essenziale. L'irregolarità del binario viene solitamente monitorata per mezzo di veicoli dedicati alla diagnostica, dotati di sofisticati sistemi di misura laser ottici e inerziali, che acquisiscono periodicamente le deviazioni della geometria del binario rispetto alla posizione ideale. Poiché sono disponibili solo pochi veicoli diagnostici per ogni società ferroviaria, a causa dell'elevato costo necessario per la costruzione, il funzionamento e la manutenzione, anche se le misurazioni ottiche sono molto accurate, non possono essere acquisite in modo continuo su tutta la rete ferroviaria. Pertanto, l'intervallo di tempo tra due acquisizioni consecutive può non essere adeguata per programmare in modo ottimale gli interventi di manutenzione. Per questi motivi, questa tesi è focalizzata sullo sviluppo di nuove metodologie per il monitoraggio delle condizioni del binario utilizzando misurazioni della dinamica di marcia del veicolo che possono essere acquisite quotidianamente a bordo dei treni in servizio con trasduttori affidabili e relativamente poco costosi, durante il normale servizio di linea. Per valutare lo stato di irregolarità del binario dalle misurazioni dell'accelerazione del veicolo, l'analisi della loro relazione è cruciale. Questa relazione viene studiata sia con approcci model-based che signal-based. I metodi model-based hanno elevata accuratezza, robustezza e ripetibilità; tuttavia, l'implementazione potrebbe essere complessa e richiede una conoscenza approfondita del sistema. Al contrario, gli approcci signal-based definiscono la relazione tra l'irregolarità del binario e la dinamica del veicolo sulla base di tecniche statistiche applicate a set di dati. Questi metodi sono più facili da implementare e non richiedono una conoscenza completa del comportamento del sistema fisico. Tuttavia, essi mostrano una minore accuratezza e un'elevata variabilità. Inoltre, è necessaria una grande quantità di dati per ottenere risultati ragionevoli. Questa tesi si concentra principalmente sulla stima e sul monitoraggio dell'irregolarità in direzione laterale, la quale rappresenta un problema significativamente complesso. Poiché la dinamica laterale è fortemente influenzata dal movimento relativo che può avvenire tra la ruota e la rotaia, a causa della particolare geometria del contatto.