Data analysis for ballasted railway line maintenance : a case study

Railway ballasted track geometry significantly influences passengers’ comfort, and after a certain extent, even the ride safety. The increasing traffic loads, the willingness to reduce maintenance expenses, while preserving proper conditions, in combination with ageing of existing infrastructures, demand for adequate understanding of degradation patterns and consequent planning of maintenance activities. In this context, the present work is focused on the analysis of real data, recorded during the last decade on four different lines, with the purpose to extract parameters that are directly linked to track degradation and suggest the required maintenance interventions. The starting point is the vertical level of the two rails, measured by an inspection vehicle. Each line under analysis has been divided in sections of 200 m, calculating the standard deviation of the vertical level. Then, the standard deviations spatial distribution as well as their time evolution have been investigated for the whole ensemble of considered lines. The main issue is to find ways to compress and analyse the processed data, still incorporating the main information useful to the maintenance manager. The thesis work presents some outcomes: reduction of the overall standard deviation according to proper statistical distribution, implementation of visual tools that automatically analyse the historical data, able to synthetically describe the evolution of conditions associated to segments of railway lines and occurred in long time periods. The described data analysis provided the input necessary for the optimization of tamping intervention scheduling. This was done by means of a linear programming model that, as an output, suggests future tamping interventions estimating the evolution of degradation while minimizing sustained maintenance costs.

La geometria del binario ferroviario con ballast influenza in modo significativo il comfort dei passeggeri, e superato un certo limite anche la sicurezza del trasporto. I crescenti carichi di traffico, la volontà di contenere le spese di manutenzione preservando condizioni adeguate, in concomitanza con l’invecchiamento delle esistenti infrastrutture richiedono un’appropriata comprensione dell’andamento del degrado e la conseguente pianificazione delle attività di manutenzione. In questo contesto, il presente lavoro si concentra sull’analisi di dati reali, raccolti nell’ultimo decennio su quattro linee diverse, con l’obiettivo di estrarre dei parametri direttamente collegati al degrado del binario e fornire le indicazioni sulle attività di manutenzione. Il punto di partenza è il livello verticale in corrispondenza delle due rotaie, misurato da veicoli utilizzati per l’ispezione. Ogni linea analizzata è stata divisa in sezioni di 200 m, calcolando la deviazione standard del livello verticale. In seguito, la distribuzione lungo la tratta delle deviazioni standard e le loro evoluzioni nel tempo sono state studiate per ognuna delle linee. Il problema centrale consiste nel trovare i metodi adatti per comprimere e analizzare i dati processati, conservando le principali informazioni utili al responsabile della manutenzione. Il lavoro di tesi fornisce come risultati: la descrizione dei valori di deviazione standard tramite la distribuzione statistica appropriata, l’implementazione di grafici che analizzano automaticamente i dati storici, capaci di descrivere in modo sintetico le evoluzioni delle condizioni di segmenti di linea e avvenute in lunghi periodi di tempo. L’analisi descritta ha fornito gli input necessari per l’ottimizzazione della programmazione degli interventi di rincalzo. Questo è stato fatto ricorrendo ad un modello di programmazione lineare che fornisce, come risultato, gli interventi di rincalzo suggeriti stimando l’evoluzione del degrado e minimizzando i costi di manutenzione sostenuti.