Toekomstige staat van spoor moet uitgangspunt zijn

Spoorbeheerders willen problemen als spoorstaafdefecten, verzakkingen en wisselbeschadigingen zo snel mogelijk kunnen signaleren en oplossen. Een van de uitdagingen is de lengte waarover gemeten moet worden. Om een idee te geven, de spoorwegen in Nederland zijn ruim 7000 kilometer lang en tel daarbij de honderden kilometers metro, (snel-) tramlijnen en lightrail in de grote steden.

Sensoren

Momenteel wordt nog veel onderhoud standaard periodiek uitgevoerd. Maar, ieder stukje rails en iedere wissel heeft zijn eigen karakteristieken. Veroudering hangt erg af van omgevingsfactoren. Ligt de rails in de zon of in de schaduw? Op een vlakke ondergrond of op een helling? Wat voor voertuigen rijden er overheen? De rails en wissels zullen niet overal op dezelfde manier verouderen of op het zelfde moment stuk gaan. Waar het ene al na een jaar onderhoud nodig heeft, kan het andere wellicht wel drie jaar mee. Er zijn veel databronnen die meer over de gesteldheid van het spoor en de wissels zeggen. Trillingen van de wielen van treinen, temperatuur van wissels en wielen en bijvoorbeeld het geluidsniveau van passerende treinen kunnen indicatoren zijn voor schades. Al deze zaken kunnen met huidige sensortechnologie op afstand worden gemeten. Maar, hoewel er steeds meer goedkope, draadloze en energiezuinige sensoren op de markt zijn, is de toepassing nog lang niet standaard.

Data verkrijgen

Veel inspecties worden nu nog handmatig uitgevoerd of met speciale meettreinen die een paar keer per jaar het spoor monitoren. Om een preventief onderhoudsprogramma op te zetten, moeten meer data worden verzameld. Het doen van meer inspecties te voet is geen optie, het vaker inzetten van meettreinen is lastig in te passen in de dienstregeling van het steeds drukker wordende spoor. In 2017 en 2018 is met behulp van helikoptervluchten het hele treinspoorsysteem in Nederland in kaart gebracht. Er wordt ook steeds meer gebruik gemaakt van het Bouw Informatie Model (BIM). Ook rustte ProRail vorig jaar, als test, twee reizigerstreinen uit met verschillende sensoren die op stukken spoor continu allerlei gegevens verzamelen. Die test wordt nu uitgebreid en eind dit jaar zullen veertien reizigerstreinen deelnemen. In 2019 worden met name oppervlaktedefecten van de spoorstaaf opgespoord, de komende jaren worden ook afwijkingen in de interactie van de pantograaf met de bovenleiding en afwijkende temperaturen van de spoorstaaf gemeten.

Autonome inspectie

Ook hebben verschillende partijen (autonome) voertuigen ontwikkeld om inspecties te doen op het spoor. Zo testte het GVB op het emplacement in Diemen een meetrobot die gegevens verzamelt over de spoorwijdte, verkanting, profiel en slijtage. Een consortium van drie bedrijven (I-Moss, Nomad Tech, PromAUT), research instituut TWI en de Universiteit van Birmingham ontwikkelden een een autonoom inspectiekarretje dat zogenaamde RCF (Rolling Contact Fatigue) schade kan meten. Doordat het scannen niet meer handmatig hoeft, kunnen veel grotere stukken rails worden geinspecteerd.

RCF

RCF is volgens Marc de Vrind, Manager Asset Management van het GVB momenteel het grootste probleem op het metrospoor in de hoofdstad. ‘Sinds 2012 is geleidelijk een nieuw metrovoertuig ingevoerd. Het probleem van kleine putjes en scheurtjes in de rails bleek daarmee groter te worden.’ Het GVB heeft toen samen met Dekra een onderzoek gedaan naar de oorzaken. Er is een simulatiemodel gebruikt met daarin alle infrastructuur en de karakteristieken. ‘De nieuwe treinen zijn langer en er zijn daarom meer wielpassages op het rails. Daarbij is de starre wielophanging nadelig voor het spoor.’ Na een nadere inspectie van het spoor bleek dat een deel van de rails vervangen moest worden. ‘We kunnen het probleem wel ondervangen door de rails op een andere manier te slijpen. Eerst werd de rails alleen aan de bovenkant geslepen, maar nu slijpen we ook het profiel.’

Breuken

RCF kan in het uiterste geval leiden tot breuken in het spoor. Als je een beschadiging snel ontdekt, dan kan daar nog preventief op worden ingespeeld. De kleinste schades, vanaf 0 tot een halve kunnen met behulp van Eddy Current metingen worden gedetecteerd. Het bedrijf Asset.Insight. ontwikkelde de zogeheten Eddy Current Lorrie om scheurtjes in spoorstaven op te sporen. Eddy Current metingen zijn niet nieuw, maar waar voorheen de inspecteurs met een handapparaat langs de rails liepen, wordt nu een lorrie gebruikt. De metingen worden uitgevoerd met een snelheid tot 20 kilometer per uur. Beide spoorstaven kunnen gelijktijdig worden geïnspecteerd. ‘Schade kan daardoor eerder gedetecteerd worden en de rails kan worden hersteld door te slijpen of frezen. Dat is zeker goedkoper dan nieuwe rails leggen’, De lorrie meet de impedantie over stukken spoor. ‘Een hoge impedantie kan een teken zijn van scheurtjes’, aldus Edo van Veen van het bedrijf Asset.Insight. ‘Maar ook in het geval van lassen is de impedantie hoger. Wij hebben nu een algoritme ontwikkeld dat de schade kan kwalificeren en kan herkennen dat het geen las is. Het algoritme wordt getraind om daar onderscheid in te kunnen maken, zodat de inspecteurs alleen naar de juiste plek toegaan om nader onderzoek te doen.’ GVB was het eerste bedrijf dat gebruik maakte van de Lorrie om de staat van de Noord-Zuid-lijn in kaart te kunnen brengen.  

Om spoorstaafslijtage te kunnen voorspellen ontwikkelde Asset.Insight. een voorspellend model. ‘Dit model voorspelt voor iedere vijf meter spoor in Nederland het risico dat er het komende jaar een scheurtje van 4 mm of dieper ontstaat.’ De onderhoudsmanager en inspecteurs kunnen zo samen met de data scientists kijken wat de impact is van zo’n scheurtje op lifecycle costs en  betrouwbaarheid van het spoor. ‘Je kunt zo berekenen of een preventieve onderhoudsactie rendabel is. Het uitgangspunt voor onderhoud moet de toekomstige staat van het spoor zijn, niet de huidige staat.’

Spoorverzakkingen

Een ander probleem voor het Nederlandse spoor is de zachte ondergrond waardoor het kan verzakken en er hobbels in de rails komen. Dat is gevaarlijk, omdat dat zelfs kan leiden tot ontsporingen. Ook betekent het dat de afstand tussen het spoor en de bovenleiding, ofwel de afstand tussen de bovenleiding en de pantograaf van de trein niet overal hetzelfde is. Dat kan volgens Van Veen wel een halve meter schelen. Dit kan ertoe leiden dat de trein geen stroom meer van de bovenleiding krijgt, of er kan een draadbreuk optreden. Als een verzakking op tijd wordt gesignaleerd kan een stopmachine het spoor weer op de goede plaats terug leggen. ‘Nu wordt de afstand handmatig gemeten door een mal in het spoor te plaatsen en een laser te richten op de bovenleiding. Dat gebeurt steekproefsgewijs en is erg arbeidsintensief.’

ProRail heeft een app in ontwikkeling, die ervoor zorgt dat machinistenmeldingen over ‘hobbels in het spoor’, automatisch in een database opgenomen en beoordeeld worden. Ook worden steeds vaker satellietbeelden en laserimages gebruikt om de hoogte van de grond te kunnen monitoren. Jordy Wesseling van Asset.Insight.: ‘Het is van belang dat precies bekend is hoeveel het spoor is verschoven. Wij meten de spooras, het midden tussen de linker- en rechterspoorstaaf. Met een meettrein met een 3D Scanner brengen we het spoor en de omgeving in kaart. Hieruit ontstaat een 3D-puntenwolk, een heel gedetailleerde kaart op basis van de laserscan. Met onze laser meten we wel een miljoen puntjes per seconde. Dat levert terabytes aan data op. We hebben een algoritme ontwikkeld om afwijkingen in de gps-positie te kunnen corrigeren en een exact inzicht te geven in de verschuiving van de spooras.’ Zo kan dan worden beslist of de rails terug moet worden gelegd.

Menselijke factor

Al deze ontwikkelingen geven de onderhoudsmanager steeds meer data in handen die hij kan gebruiken om een preventief onderhoudsprogramma op te zetten. Maar het gaat niet alleen om de data. De Vrind: ‘Toen ik zo’n tien jaar geleden bij GVB terecht kwam vroeg ik of er wel eens met een meettrein gewerkt was. Dat was inderdaad zo, maar er was nooit iets gebeurd met de meetresultaten. De medewerkers waren niet enthousiast te krijgen. En het implementeren van dit soort zaken is toch voor een groot deel afhankelijk van de menselijke factor.’ Maar nu is de organisatie er wel klaar voor. ‘We hebben samen met ATOS een project gedaan waarbij grote hoeveelheden data over de slijtage van trambogen is geanalyseerd. Ik heb daar toen een oudere (sceptische) medewerker als project manager opgezet. Het project was een succes. Niet alleen omdat de proef slaagde en we de gegevens konden gebruiken, maar vooral ook omdat het enthousiasme was gewekt. De project manager is sindsdien bepleiter van het verkrijgen van meetdata.’ De technische ontwikkelingen gaan snel.

Toch denkt De Vrind dat er voor het GVB geen miljoenen te besparen zijn, zoals sommigen denken. ‘Het voordeel is het verbeteren van de betrouwbaarheid van de assets, het verbeteren van de beschikbaarheid en het verminderen van de overlast voor passagiers.’ Voor het GVB zelf is het volgens De Vrind erg belangrijk dat de kennis in software wordt gezet. ‘De huidige generatie onderhoudsmedewerkers, die kan bogen op een jarenlange praktijkervaring, werkt geen dertig jaar meer in de sector. De nieuwe generatie kan wel overweg met software tools. Ook geeft het verwerven en verwerken van data een extra transparantie over de staat van onze assets.’ De Vrind denkt dat de technologie de komende jaren steeds sneller gaat. ‘Ik ben ervan overtuigd dat als ik over zeven jaar met pensioen ga, alles van de sensoren barst. Ik denk dat er in 2027 een groot aantal datascientists bij GVB werken en dat in onze kantoren grote schermen staan waarop alle infrastructuur van GVB staat en waar onregelmatigheden met lichtjes op het scherm worden aangegeven.’