Розробка моделі управління життєвим циклом залізничної колії з точки зору забезпечення безпеки

Abstract

Магістерська кваліфікаційна робота присвячена розробленню моделі управління життєвим циклом залізничної колії з позиції забезпечення безпеки, надійності та ефективності експлуатації інфраструктури. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю модернізації системи технічного обслуговування залізничної інфраструктури України, гармонізації національних нормативів із вимогами Європейського Союзу, а також переходом до цифрових, ризик-орієнтованих та RAMS-орієнтованих підходів відповідно до стандартів EN та TSI. У роботі проведено комплексний аналіз життєвого циклу колії як технічної системи, що включає етапи планування, проєктування, будівництва, експлуатації, технічного обслуговування, модернізації та виведення з експлуатації. Розглянуто конструкцію та функції елементів верхньої будови колії, їхні моделі деградації та фактори, що впливають на безпеку руху. Особливу увагу приділено взаємозв’язку процесів зношення рейок, баласту, шпал, скріплень та стрілочних переводів у контексті системного управління технічним станом. У межах роботи здійснено детальний аналіз нормативно-правового забезпечення управління життєвим циклом колії в Україні, включно з Технічним регламентом безпеки інфраструктури, Положенням про систему управління безпекою руху, галузевими інструкціями АТ «Укрзалізниця», державними стандартами та європейськими нормами. Окремо розглянуто директиви ЄС 2016/797 та 2016/798, TSI INF, OPE, CCS та регламенти щодо оцінювання ризиків (CSM RA), що формують інтегровану систему вимог до інфраструктури. У третьому розділі проведено аналіз сучасних методів управління технічним станом колії. Досліджено цифрові технології моніторингу, моделі стан-орієнтованого (CBM) та ризик-орієнтованого (RBM) технічного обслуговування, методи оцінювання ризиків відповідно до CSM RA та RAMS-підходу. Розглянуто математичні моделі деградації елементів інфраструктури та методи прогнозування відмов, включно з елементами машинного навчання. У четвертому розділі сформовано та науково обґрунтовано модель управління життєвим циклом залізничної колії, яка включає п’ять взаємопов’язаних блоків: - моніторинг і діагностика; - оцінювання ризиків за CSM RA; - прогнозування технічного стану та залишкового ресурсу; - оптимізацію технічного обслуговування на основі RAMS і LCC; - прийняття управлінських рішень щодо ТО, ремонтів та інвестицій. Розроблена модель формалізована у вигляді математичних залежностей та алгоритму практичної реалізації. Запропоновано підхід до інтеграції даних моніторингу, прогнозних моделей, ризикових показників та економічних критеріїв для вибору оптимальної стратегії технічного обслуговування. Доведено, що застосування моделі дозволяє підвищити рівень безпеки, оптимізувати витрати життєвого циклу, забезпечити відповідність вимогам TSI INF, RAMS та CSM RA, а також покращити якість інфраструктурного менеджменту. Наукова новизна роботи полягає в комплексному поєднанні методів управління ризиками, RAMS-аналізу, прогнозних моделей деградації та принципів LCC у єдину модель управління життєвим циклом залізничної колії. Практичне значення полягає у можливості впровадження моделі в діяльність дистанцій колії та інфраструктурних підрозділів АТ «Укрзалізниця» для підвищення ефективності технічного обслуговування та забезпечення безпеки руху. Результати дослідження можуть бути використані для модернізації політики технічного обслуговування, удосконалення системи управління безпекою (SMS), техніко-економічного обґрунтування ремонтів, розроблення цифрових систем управління інфраструктурою та адаптації української інфраструктури до стандартів ЄС.This master’s qualification thesis is devoted to the development of a life-cycle management model for railway track with a focus on safety, reliability, and operational efficiency of railway infrastructure. The relevance of the research is driven by the need to modernize the technical maintenance system of Ukraine’s railway infrastructure, harmonize national regulations with the requirements of the European Union, and transition to digital, risk-oriented, and RAMS-based approaches in accordance with EN standards and TSI. The thesis presents a comprehensive analysis of the railway track life cycle as a technical system, covering the stages of planning, design, construction, operation, maintenance, modernization, and decommissioning. The structure and functions of the elements of the superstructure are examined, including their degradation models and the factors influencing operational safety. Particular attention is given to the interrelation between the degradation processes of rails, ballast, sleepers, fastenings, and turnout components within a systemic approach to infrastructure condition management. The work includes a detailed review of the regulatory framework for track life-cycle management in Ukraine, including the Technical Regulation on Railway Infrastructure Safety, the Regulation on the Railway Traffic Safety Management System, industry instructions of Ukrainian Railways (Ukrzaliznytsia), national standards, and European norms. Special attention is given to EU Directives 2016/797 and 2016/798, TSI INF, OPE, CCS, and risk assessment regulations (CSM RA), which collectively form an integrated framework of infrastructure requirements. The third chapter analyzes modern methods of managing the technical condition of railway track. Digital monitoring technologies (inertial systems, track-recording cars, ground-penetrating radar, laser scanning), condition-based maintenance (CBM), risk-based maintenance (RBM), risk assessment methods according to CSM RA, and RAMS methodology are studied. Mathematical models of infrastructure degradation and predictive models of failures, including elements of machine learning, are also examined. The fourth chapter presents and substantiates a life-cycle management model for railway track, which consists of five interconnected functional blocks: • monitoring and diagnostics; • risk assessment according to CSM RA; • forecasting of technical condition and remaining service life; • optimization of maintenance based on RAMS and LCC; • managerial decision-making related to maintenance, repairs, and investment planning. The proposed model is formalized through mathematical relationships and an implementation algorithm. A methodology is proposed for integrating monitoring data, predictive models, risk indicators, and economic criteria to determine the optimal maintenance strategy. It is demonstrated that the application of this model enhances safety, optimizes life-cycle costs, ensures compliance with TSI INF, RAMS, and CSM RA requirements, and improves the quality of infrastructure management. The scientific novelty of the thesis lies in the integrated combination of risk management methods, RAMS analysis, degradation prediction models, and LCC principles within a unified model for railway track life-cycle management. The practical significance is reflected in the possibility of implementing the model in the work of track maintenance subdivisions and infrastructure departments of Ukrzaliznytsia to improve maintenance efficiency and ensure railway traffic safety. The results of the research can be applied to modernize maintenance policies, improve the Safety Management System (SMS), support techno-economic justification of repairs, develop digital infrastructure management systems, and facilitate the adaptation of the Ukrainian railway infrastructure to EU standards.