Infrastrukturmanagement

Im Projekt »Digitale und datenbasierte Instandhaltung für Weichentechnik« erarbeitet das Fraunhofer IVI gemeinsam mit den Partnern AXO Track, Jörg Horn Weichentraining und der Ingenieurgesellschaft für Zuverlässigkeit und Prozessmodellierung Dresden mbH (IZP) ein sensorbasiertes Zustandsmonitoring und ein digitales Instandhaltungskonzept für Weichen. Ziel ist die frühzeitige Erkennung von Störungen, die Optimierung von Wartungsprozessen und die nachhaltige Erhöhung der Netzverfügbarkeit. Das Vorhaben wurde vom Deutschen Zentrum für Schienenverkehrsforschung (DZSF) beim Eisenbahn-Bundesamt (EBA) beauftragt. Das Konzept verknüpft streckenseitige Sensorik, fahrzeugbasierte Messdaten und KI-basierte Analysemethoden, um den Übergang zu einer zustandsbasierten und prädiktiven Instandhaltung zu unterstützen. In enger Abstimmung mit der DB InfraGO werden zudem Handlungsempfehlungen und praxistaugliche Migrationsszenarien für eine flächendeckende Einführung abgeleitet und wirtschaftlich bewertet.

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Durch den Einsatz neuer Technologien im Bereich der Sensorik und durch das gezielte Einsetzen von Datenanalysemethoden soll die Wartung von Anlagen effizienter und kostengünstiger gestaltet werden. Im Idealfall wird dann das Wartungsintervall so gewählt, dass ein sich anbahnender Fehler erkannt werden kann, dieser aber noch zu keinem Ausfall geführt hat. Die vorausschauende zustandsorientierte Instandhaltung soll sowohl unnötige Wartungsarbeiten als auch Ausfälle vermeiden.

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Obwohl sich innerhalb einer Ebene die allgemeinen Zielstellungen und die damit verbundenen Herausforderungen für Infrastrukturmanager ähneln, ist es nicht möglich ein universelles Planungstool, welches ohne Anpassungen für alle Anwender optimale Ergebnisse liefert, zu entwickeln. Dies liegt in der Diversität von Datenstrukturen sowie den unternehmensspezifische Planungsrestriktionen begründet.

Im Rahmen des Shift2Rail Projektes IN2SMART2 haben wir in enger Kooperation mit unseren Industriepartnern spezifische Planungsinstrumente entwickelt. Diese ermöglichen auf verschiedenen Planungsebene eine prädiktive Instandhaltungsplanung, basierend auf prognostizierten Zustandsentwicklungen und formalisiertem Expertenwissen.

Strategisches Asset-Management Tool für die North Line in Portugal

Ebene: strategisch (basierend auf einer simulierten taktischen Planung)

Aufgabe: Unterstützung strategischer Planungsentscheidungen durch Simulation und Bewertung des taktischen Planungsprozesses über einen rollierenden Zeithorizont in verschiedenen Szenarien.  

Zustandsbasierte Planung von Stopfaktivitäten

Ebene: operativ

Aufgabe: Entwicklung eines Instandhaltungsplans auf der Grundlage des prognostizierten Zustands der Gleisabschnitte, so dass die vorgegebene Netzqualität gewährleistet ist und das verfügbare Budget eingehalten wird.

Prädiktive Schichtplanung von Stopfaktivitäten

Ebene: operativ

Aufgabe: Erstellung eines Schichtplans für Stopfarbeiten auf der Grundlage der Zustandsvorhersage von 25-Meter-Segmenten.

Um die Übertragbarkeit der Planungsinstrumente auf andere Infrastruktursysteme zu gewährleisten, wurde auf ein modularen Lösungsansatz geachtet, welcher an verschiedene nutzerspezifische Daten und Systemvoraussetzungen angepasst werden kann.

Aufgrund der stetig steigenden Nachfrage im Personen- und Güterverkehr kommt es immer häufiger zu Kapazitätsengpässen. Folglich ist es zwingend erforderlich die Instandhaltung der Infrastruktur so effektiv wie möglich zu gestallten. Die Entwicklung von komplexen Messsystemen ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des Zustandes der Gleise, des Gleisbettes oder der Weichen. Dadurch reduziert sich der Aufwand für manuelle Inspektionen. Darüber hinaus können die aufgezeichneten Daten zur zustandsbasierten Instandhaltungsplanung genutzt werden. Auf diesem Weg wird der Instandhaltungsprozess verbessert und automatisiert.

In einer europäischen Forschungsinitiative entwickeln verschiedene Forschungsinstitute und Bahninstandhaltungsunternehmen zusammen ein automatisiertes, zustandsbasiertes und echtzeitfähiges Instandhaltungsmanagementsystem (IAMS) für die Schieneninfrastruktur. Analyse- und Vorhersagealgorithmen liefern Informationen über den aktuellen und Prognosen für den zukünftigen Zustand der Schieneninfrastruktur. Diese Vorhersagen sind stets mit Ungewissheiten behaftet und werden im Entscheidungsprozess als wahrscheinlichkeitstheoretische Informationen berücksichtigt. Das Fraunhofer IVI entwickelt robuste Optimierungsalgorithmen um den komplexen, mehrstufigen Entscheidungsprozess der Instandhaltungsplanung zu vereinfachen und zu automatisieren.

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Um den Planungsprozess zu vereinfachen, unterteilt man im Instandhaltungsmanagement die Planung im Allgemeinen in drei Ebenen: die strategische, die taktische und die operative Ebene. Die strategische Planungsebene umfasst den längsten Zeithorizont. Hier werden grundsätzliche Strategien für die Instandhaltung, Grenzwerte sowie verwendete Technologien festgelegt. Die zweite Ebene, die der taktischen Planung, beinhaltet eine mittelfristige Planung, welche komplexe notwendigen Instandhaltungsmaßnahmen mit langen Vorlaufzeiten berücksichtigt. Die detaillierteste Planung mit dem kürzesten Zeithorizont erfolgt auf der untersten operativen Planungsebene. Hier werden detaillierte Einsatzplanung unter Berücksichtigung von Kapazitätsschranken erstellt, die einen reibungslosen Ablauf aller Maßnahmen gewährleistet. Zusätzlich ist es notwendig, während der Ausführung der Pläne dynamisch auf unerwartete und unvorhergesehene Ausfälle oder Änderungen reagieren zu können.

Die drei Planungsebenen sind eng miteinander verknüpft. Zum Beispiel bilden die Strategien der strategischen Planung den Rahmen der taktischen Planung und die langfristige Zeitplanung der taktischen Ebene ist die Grundlage für die operative Planung. Andersrum liefert die Umsetzung der Pläne neue Informationen für die oberen beiden Planungsebenen, die in Zukunft berücksichtigt werden sollten.

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Innovative Technologien für den Schienenverkehr

Die Gemeinsame Technologieinitiative (JTI) Shift2Rail hat das Ziel, die Qualität und Effizienz von Schienenverkehrsservices durch die Übernahme innovativer Technologien zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen neue Technologien entwickelt, implementiert, demonstriert und validiert werden, die außerdem den höchsten Sicherheitsstandards genügen.

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