LA TELEDIAGNOSTICA FERROVIARIA: L’EVOLUZIONE DELLA MANUTENZIONE ATTRAVERSO L’ANALISI DEI DATI

Il mondo ferroviario, e più in generale quello dei trasporti, è un settore in continua evoluzione e crescita, dove vengono introdotti temi e tecnologie sempre più innovative e rivoluzionarie. È ovvio che non sempre i gestori ed operatori dei trasporti sono pronti ad acquisire tali tecnologie e cogliere le opportunità ad esse legate; in Italia, ciò accade per via di problematiche relative ad infrastrutture arretrate, poca propensione al cambiamento ed una forma mentis che il più delle volte è ferma su dei dogmi ormai superati.

In questo scenario, la manutenzione dei mezzi di trasporto è fondamentale per garantire sicurezza ed affidabilità ai viaggiatori che li utilizzano quotidianamente. È facile comprendere come, grazie ad una corretta manutenzione dei mezzi, viene ridotto notevolmente il rischio di guasti in servizio, fermi in linea, insoddisfazione dei viaggiatori, sovraffollamento dei mezzi dovuto ad una bassa percentuale della disponibilità dei veicoli.

Le tipologie di manutenzione nel mondo ferroviario.

Soffermandosi sull’ambiente ferroviario, vengono distinte diverse tipologie di manutenzione a seconda della loro natura; tralasciando gli interventi di natura straordinaria, possiamo riassumere gli interventi di manutenzione in quattro categorie distinte:

Manutenzione preventiva o ciclica: eseguita sulla base di una cadenza temporale o chilometrica o ad intervalli di tempo stabiliti, relativi a quanto riportato dai manuali e programmi di manutenzione emanati dal costruttore del mezzo.
Manutenzione correttiva o a guasto: eseguita a seguito della rilevazione o comparsa di un guasto, volta ad eliminare la conseguente avaria e ripristinare il corretto funzionamento e stato del mezzo.
Manutenzione su condizione (on condition): basata sul monitoraggio delle prestazioni e dei dati provenienti da un particolare sistema interessato, viene eseguita nel momento in cui si rende necessario. Consente di intervenire qualora si verifichi una particolare condizione su un componente o sistema analizzato, ed eventualmente anticipare la comparsa di un guasto.
Manutenzione predittiva: consente di effettuare un intervento ancor prima che un guasto si verifichi o che se ne presentino i sintomi. Ciò avviene mediante l’analisi dei dati, principalmente diagnostici, provenienti dal mezzo, combinando modelli matematici e simulazioni grafiche dell’andamento di tali dati al fine di determinare le relazioni causa/effetto che provocano il verificarsi di un guasto. In questo modo è possibile prevedere dopo quanto tempo potrà verificarsi un determinato guasto, in maniera tale da prevenirlo e intervenire prima che si verifichi.

Dai punti sopra elencati, è chiaro come al giorno d’oggi la manutenzione predittiva sia quanto di più importante per cercare di ridurre al minimo la comparsa di guasti che possono determinare problemi più o meno gravi durante l’esercizio di un rotabile. Tale tipologia di manutenzione viene sempre più legata ai concetti di Machine Learning ed intelligenza artificiale, i quali permettono di ottenere delle elaborazioni e risultati sorprendenti con tempi nettamente ridotti rispetto all’analisi umana di migliaia di dati.

La telediagnostica – cos’è e come si applica.

In tale ambito gioca un ruolo fondamentale ciò che viene chiamata Telediagnostica, ovvero analizzare in tempo reale i dati diagnostici provenienti dai veicoli, al fine di conoscere l’effettivo stato di salute di essi ancor prima che rientrino in officina per essere riparati. Tramite questo concetto si riescono ad ottenere delle informazioni essenziali per ottimizzare i tempi di fermo del mezzo durante un periodo di manutenzione, aumentando, quindi, i livelli di disponibilità al servizio. Tali informazioni, e dunque i dati ad esse associati, possono essere ottenute, visualizzate ed analizzate attraverso i sistemi di Telediagnostica moderni, che possono essere più o meno complessi a seconda delle necessità, ma che ad ogni modo si basano su una struttura Software dedicata con la supervisione ed il controllo di personale altamente qualificato situato fisicamente in centri operativi spesso chiamati “Control Room” o addirittura dislocati da remoto.

Gli apparati di bordo immagazzinano i propri dati diagnostici (ad es. un guasto o un allarme) nonché i dati di processo (ad es. temperatura, pressioni, velocità) creando così un database e dei “Big Data“. La rete di bordo provvede alla trasmissione a terra ai centri di elaborazione e/o ad idonei data logger installati sul treno e destinati alla memorizzazione locale. Il centro di elaborazione a terra, tramite opportuni algoritmi, è in grado di analizzare i dati e rilevare in maniera predittiva eventuali anomalie che potrebbero portare a guasti o malfunzionamenti in esercizio, ed allerta in tempo reale il personale preposto che può così organizzare gli interventi di manutenzione, non solo in funzione di quanto già programmato in ambito di manutenzione preventiva, ma anche sulla base delle reali condizioni del treno rilevate in esercizio.

Prima di approfondire gli aspetti legati alla Telediagnostica e possibili applicazioni, è necessario comprendere l’evoluzione dei concetti di manutenzione ottenibili tramite essa. Ciò che ne risulterà sarà un passaggio da una manutenzione con tempi di intervento e riparazione lenti e poco affidabili, ad una manutenzione evoluta con ottimizzazione di tempi e costi associati.

Lo scenario attuale – Manutenzione tradizionale

La manutenzione tradizionale è certamente di tipo sequenziale. Come si può notare dalla Figura 1, ogni step ad esso associato necessita del completamento o verifica del precedente a cui è legato. Dunque, gli addetti alla manutenzione, solo dopo aver riscontrato ogni singolo punto potranno completare la riparazione del mezzo, con scarsi risultati di ottimizzazione dei tempi.

Analizzando più nel dettaglio si può notare come, il primo punto è legato alla comparsa di un’avaria o guasto sul mezzo, ad esempio un rotabile ferroviario. Tale avaria, soprattutto se legata ad un’informazione diagnostica, non è nota agli addetti alla manutenzione fintantoché il mezzo non rientra in deposito per essere riparato, a meno che non si tratti di un guasto particolarmente grave che venga segnalato direttamente dal macchinista. Supponendo che si tratti quindi di un’avaria non segnalata dal macchinista, dopo che il mezzo è rientrato in deposito, se previsto dal piano di manutenzione preventiva viene effettuato quello che in termine tecnico viene denominato “Scarico dati”; si tratta di connettere un dispositivo, in genere un PC, ad una porta di connessione (ad es. Ethernet o RS232) e ottenere il file diagnostico prodotto dalla logica di veicolo del mezzo. Ottenuto tale file, ed eventualmente tradotto con il manuale associato (spesso questi file sono prodotti in linguaggio macchina o criptati), viene effettuata l’analisi dei dati dal personale addetto, che può essere anche piuttosto lunga se il file contiene informazioni di diverse settimane. Se a valle di questa analisi viene evidenziata un’avaria, allora bisogna definire un intervento specifico per tale guasto, associato ad una lavorazione di manutenzione correttiva. Dopo il completamento di tutti questi passaggi eseguiti sequenzialmente sarà finalmente possibile riparare il guasto segnalato e produrre il documento di messa in servizio riportando il mezzo in esercizio.

Figura 1: Manutenzione tradizionale

È chiaro come una tipologia di manutenzione del genere sia al giorno d’oggi ampiamente modernizzabile e migliorabile sotto numerosi aspetti, ponendo una serie di attività in parallelo, e magari anche mentre il rotabile non è ancora rientrato in manutenzione, riuscendo ad ottimizzare l’intero flusso di interventi.

Uno sguardo al futuro – Manutenzione innovativa

Una manutenzione moderna ed evoluta consente di superare gli ostacoli presenti in quella tradizionale. Effettuando in parallelo le attività di scarico ed analisi dei dati e definizione degli interventi, si riesce ad ottenere un risparmio di tempo del fermo del mezzo, in quanto tali attività possono essere svolte mentre il mezzo si trova ancora in esercizio. Queste attività sono ormai effettuate all’ordine del giorno dalle cosiddette Control Room, ovvero sezioni o divisioni dedicate a tali operazioni formate da personale altamente qualificato con vasta esperienza nel settore. I dati in tempo reale inviati dai veicoli vengono analizzati dal personale operativo, e forniti in pasto ad evoluti sistemi di Intelligenza artificiale per verificare guasti comparsi sul mezzo ed eventuali previsioni di possibili avarie future. In questo modo, quando il mezzo rientra in deposito, già sono noti gli interventi da effettuare, in quanto sono stati definiti ancora prima del suo rientro ottenendo quindi il primo risparmio di tempo.

Figura 2: Manutenzione innovativa

Come è possibile notare dalla Figura 2, le attività in parallelo consentono di ottenere un duplice output simultaneamente:

Monitorare l’effettiva comparsa di un’avaria a bordo treno, generando così un intervento di manutenzione correttiva. Ciò consente di preparare la squadra operativa che effettuerà l’intervento ancor prima che il mezzo rientri in deposito, eliminando così la fase che prevede un eventuale ricerca ispettiva del guasto ed ottenendo quindi un risparmio economico e di tempo.
Analizzare l’andamento dei dati inviati dagli asset per monitorarne lo stato di “salute”, e predire eventuali guasti che possono verificarsi a breve. In tal caso, il guasto non si è ancora verificato effettivamente; ad esempio, se ci riferiamo ad un componente, questo potrebbe non essersi ancora guastato o rotto, ma usurato o presentare principi di rottura, che possono essere definiti col nome di “sintomo”. Dunque, tali sintomi danno vita ad un intervento di natura predittiva, che verranno trattati diversamente dal personale operativo rispetto ad interventi di natura correttiva, ma saranno fondamentali per rendere ancor più sicuri i mezzi sui quali viaggiano persone o merci, in modo tale da prevenire possibili fermi in linea, o ancor peggio disastri ferroviari, attraverso l’uso delle più moderne tecnologie e sistemi di Intelligenza artificiale.

I Benefici della telediagnostica

È chiaro che per ottenere tali benefici è necessario che gli asset siano in grado di trasmettere le informazioni e i dati alle Control Room. Ormai, i treni moderni sono già dotati in fase di costruzione dei più avanzati sensori ed apparati per inviare dati dai diversi sottosistemi presenti sul mezzo. Differente è la situazione sui mezzi più datati, che sono comunque in grande maggioranza sul territorio italiano a percorrere migliaia di chilometri ogni giorno su tutte le linee ferroviarie. Nella maggior parte dei casi, tali mezzi non dispongono di un elevato numero di sensori capaci di immagazzinare e trasmettere dati, o addirittura non sono del tutto presenti. Bisogna dunque effettuare operazioni di revamping dei mezzi o di installazione di sensori in specifici punti di interesse a bordo, e far confluire le informazioni verso la CCU (Central Control Unit) della logica di veicolo; a tal punto, le informazioni immagazzinate nella logica di veicolo, in un database interno al mezzo, devono essere inviate a terra, tramite un dispositivo, ad esempio un modem di trasmissione basato su GSM-R, che consenta di effettuare lo scarico dati a bordo e lo invii alla sala operativa.

Seppur effettuare tali operazioni sembri piuttosto oneroso da sostenere, esse consentono di ottenere un saving economico nel tempo, e grazie al costante monitoraggio ed analisi dei dati si può ottenere una riduzione dei guasti sul mezzo che generano un fermo in linea del veicolo con conseguente riduzione dei tempi di manutenzione dei veicoli.
Come è possibile vedere in Figura 3, nonostante un iniziale aumento dei costi dovuto all’attrezzaggio dei sistemi di monitoraggio a bordo treno e in Control Room, questo investimento verrà presto ripagato fino ad ottenere un risparmio sui costi di manutenzione e sui mancati guadagni dovuti a fermi del mezzo inaspettati.

Figura 3: Confronto tra investimento e risparmio nella manutenzione continuativa

In sintesi, dunque, l’impiego della telediagnostica è in grado di:

Limitare i casi di guasti in esercizio: i dati forniti in tempo reale dal sistema di bordo, grazie all’elaborazione delle informazioni acquisite da sensori dedicati, ed a logiche di correlazione tra i segnali diagnostici disponibili, consentono di ottenere il potenziale stato di degrado nonché il residuo di vita utile dei componenti monitorati e di predire la possibile comparsa di guasti prima del loro accadimento in esercizio. Un ulteriore vantaggio di questa metodologia è che la riparazione o sostituzione del componente può avvenire solo quando è realmente necessario e non ad intervalli di tempo o di percorrenza predefiniti, con conseguente beneficio economico.
Ottimizzare i processi di manutenzione preventiva, correttiva e predittiva riducendo il Mean Time To Repair (MTTR): il personale operativo è in grado di monitorare con continuità ed in tempo reale lo stato della flotta. La pianificazione della manutenzione viene ottimizzata e l’approvvigionamento di parti di ricambio può essere fatto in funzione di priorità e vincoli operativi. La disponibilità della flotta aumenta, i costi di gestione diminuiscono ed infine viene migliorata la qualità del servizio offerto.

Manutenzione on condition e predittiva

Abbiamo visto come la manutenzione on condition, spesso chiamata anche CBM (Condition Based Maintenance), e la manutenzione predittiva consentono di migliorare i risultati raggiungibili tramite i concetti di manutenzione classica, ottenendo numerosi benefici prestazionali e saving economici.

Per chiarire meglio un possibile caso d’uso di applicazioni in scenari reali in contesto ferroviario di manutenzione on condition e/o predittiva possiamo prendere in considerazione un esempio tipico:

Le moderne porte per ingresso e uscita passeggeri sono solitamente formate da un gruppo pneumatico ed un gruppo di controllo elettronico necessario ad inviare l’input di apertura e chiusura. Generalmente, il costruttore definisce il tempo con il quale la porta si apre o chiude completamente, ed inoltre si può definire l’assorbimento di corrente che genera tale evento in condizioni ottimali durante i test in fase di produzione. Se si hanno a disposizione tali dati per ogni apertura o chiusura durante l’esercizio del mezzo, si può analizzare se il tempo necessario all’apertura o chiusura sale e l’assorbimento di corrente aumenta; monitorando l’evoluzione di tali informazioni si può prevedere se si stanno per raggiungere le condizioni tali per cui si può generare un guasto o rottura che causerebbe il blocco della porta in posizione chiusa, o ancor peggio in posizione aperta costringendo il fermo immediato del mezzo, in quanto ovviamente un treno a trasporto passeggeri non può viaggiare con una porta aperta bloccata.

Si può vedere chiaramente come tale contesto possa essere analizzato ed applicato alla manutenzione CBM e predittiva, dove nel primo caso si sfruttano la comparsa delle condizioni descritte per verificare il guasto mentre nel secondo caso si ottiene tale informazione tramite l’analisi massiva di dati trasmessi dal sistema interessato ed elaborati mediante algoritmi di intelligenza artificiale.

Il ruolo della telediagnostica in un contesto applicativo

In Italia sono diversi gli operatori ferroviari che dispongono di una Control Room in grado di analizzare i dati provenienti dai rotabili. Oltre ai grandi operatori nazionali, adesso anche gli operatori regionali si stanno adoperando per formare le proprie divisioni di Telediagnostica. Inoltre, anche i principali costruttori ferroviari mettono a disposizione i propri tecnici specializzati nelle Control Room, come parte di fornitura del Service nel contratto d’acquisto di materiale rotabile da parte di un cliente.

Axcent ha maturato una vasta esperienza in questo contesto, sviluppando competenze su nuove logiche di telediagnostica nel corso degli anni grazie ai propri “Data Analyst” e “System Engineer”, ovvero gli analisti ed ingegneri con una conoscenza globale del veicolo ferroviario, capaci di creare le regole diagnostiche necessarie all’ottimizzazione del processo manutentivo.

Grazie a ciò, Axcent System Engineering ha ideato e prodotto la propria idea di Control Room, sviluppando il sistema software di monitoraggio diagnostico da remoto, chiamato MiKO. Attraverso un’interfaccia web semplice ed intuitiva, l’operatore può monitorare i dati ricevuti completamente da remoto. I file di diagnostica dei treni vengono processati dal sistema, che consente all’utente di effettuare diverse operazioni, tra cui analizzare dati in real time, creare regole diagnostiche attraverso un tool Drag&Drop visualizzabile in Figura 4, monitorare i KPI strategici, geolocalizzare gli asset in tempo reale tramite i dati GPS, creare aree di geofencing per segnalare l’ingresso del treno in aree strategiche, visualizzare lo stato della flotta, aprire avvisi di manutenzione verso il sistema ERP preposto o direttamente al deposito manutentivo.