20e Congrès de maîtrise des risques et de sûreté de fonctionnement - Saint-Malo 11-13 octobre 2016

ESTIMATION PREVISIONNELLE DU NOMBRE D’INCIDENTS DU SOUS-SYSTEME VOIE FERREE POUR UN PROJ ET FERROVIAIRE

ESTIMATION OF THE AMOUNT OF ACCIDENTS OCCURRING IN THE TRACK

SUBSYSTEM IN THE FRAMEWORK OF A RAILWAY PROJ ECT Sandrine CHRUN, Jean-Marie CLOAREC, Siphanie LIM, Sylvain MACIEJEWSKI SYSTRA 72, rue Henry Farman, 75015 Paris

Résumé Cet article présente une méthodologie d’évaluation prévisionnelle du nombre d’incidents impactant l’exploitation d’une future ligne ferroviaire et inhérents à un sous-système technique dont le périmètre est bien défini. Elle est basée sur des données de retours d’expérience et des avis d’experts et se distingue des méthodes par modélisation du système, plus habituelles. Cette méthodologie a été appliquée au sous-système Voie Ferrée dans un contexte de projet ferroviaire pour contourner la difficulté de modéliser un système aussi complexe que la Voie Ferrée, avec ses interactions internes et externes, dans un contexte à délai et budget limités.

Summary This article aims to present a methodology of estimation of the amount of accidents having a potential impact in a future railway line and relevant to a technical subsystem that has a well-defined scope. It is based on feedback data and experts’ opinions and it is different from the systems modelling methods more commonly used. This method has been applied to the Track subsystem in the framework of a railway project in order to by-pass the modelling difficulties of such a complex system, with internal as well as external interactions in a situation of tight delay and budget.

Contexte

Un projet ferroviaire a des objectifs de performances en termes d’exploitabilité à atteindre. Ces objectifs sont répartis sur les différents sous-systèmes du projet en fonction de l’allotissement du projet (par exemple Signalisation, Voie Ferrée, Energie, …).

En phase de conception, une des tâches FDMS est de définir l’impact des défaillances de chaque sous-système sur l’exploitation, afin de justifier l’atteinte des objectifs de performances alloués à chacun des sous-systèmes du projet.

La méthode présentée a été appliquée au sous-système Voie Ferrée sur un projet français en cours de réalisation.

Les méthodes traditionnelles de détermination prévisionnelle d’occurrence des défaillances et de leurs impacts s’appuient sur des modèles de fiabilité et des formules probabilistes associées.

La modélisation du sous-système Voie Ferrée, qui se compose principalement de rail, de traverses et de ballast sur une longueur de ligne définie, s’avère relativement complexe.

Le sous-système Voie Ferrée ne peut être modélisé « simplement » par des blocs diagrammes de fiabilité (BDF), où chaque composant est représenté par un bloc. En effet, ces modèles impliquent l’hypothèse que les pannes des différents composants sont indépendantes. Cette hypothèse n’est pas applicable au sous-système Voie Ferrée pour lequel la plupart des défaillances des équipements provoquent une défaillance d’un autre composant et pour lequel il existe des défaillances qui ne sont pas rattachées à un composant unique (défaut de géométrie notamment). Par exemple, un défaut de ballast ou de traverse peut provoquer un défaut de nivellement et à terme un défaut du rail mais on rencontre aussi des défauts de rail (défauts de surface) qui vont provoquer un défaut de géométrie qui peut à terme provoquer une défaillance des traverses et du ballast. Sur cette base, il convient de définir un modèle adéquat.

Définir un modèle de fiabilité pertinent s’avère complexe car cela nécessite de connaître précisément les lois probabilistes, adaptées aux éléments tels que le profil de vie, le comportement du système, les interactions mécaniques entre les différents composants, les sollicitations, les lois de vieillissement, la politique de maintenance des équipements, etc...

Une autre difficulté est de disposer d’hypothèses et de données fiables pour pouvoir définir les paramètres nécessaires à l’application de ces modèles. En effet, cette activité de détermination prévisionnelle des incidents inhérents au sous-système intervient en début de conception de projet, phase où les hypothèses ne sont pas encore figées et les données pas précisément toutes spécifiées.

Par ailleurs et surtout, le contexte d’un nouveau projet ferroviaire impose des contraintes de délai et de budget qui limitent la méthode par modélisation de la Voie Ferrée.

Les méthodes de détermination prévisionnelle par modélisation de fiabilité s’avèrent donc trop complexes et lourdes à mettre en œuvre dans le cadre d’un projet de conception ferroviaire.

La méthode proposée ici est une alternative aux méthodes classiques. Elle se base sur des données de retour d’expérience et des avis d’experts.

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Abréviations utilisées

Liste des abréviations utilisées dans l’article :

AdV Appareil de voie AMDE Analyse des Modes de Défaillances et de leurs Effets BDF Bloc Diagramme de Fiabilité FDMS Fiabilité, Disponibilité, Maintenabilité et Sécurité LGV Ligne à Grande Vitesse REX Retour d’Expérience

Présentation du sous-système Voie Ferrée

Le sous-système Voie a deux fonctions principales : une fonction de support du matériel roulant et une fonction de guidage.

Les principaux constituants du sous-système Voie Ferrée sont les suivants : - Rail ; - Traverses et systèmes d’attache ; - Appareils de voie ; - Ballast.

Rail

Le rail à patin se compose de 3 parties : - Le patin, qui permet la fixation sur la traverse ; - L’âme, qui relie le patin au champignon ; - Le champignon, qui comporte la table de roulement et les joues.

Figure 1. Représentation d’une coupe de rail

Traverses et systèmes d’attache

Le couple attache-traverse assure les fonctions suivantes : - Maintenir un écartement constant entre les 2 files de rail ; - Transmettre et répartir les efforts au ballast, puis à la plateforme :

o Efforts verticaux dus à la charge de la roue, o Efforts transversaux dus au guidage du mobile, o Efforts longitudinaux dus aux efforts de traction et de freinage.

- Assurer l’ancrage de la voie dans le ballast.

Figure 2. Traverses en métal, bois et béton

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Figure 3. Attache type Vossloh

Appareils de voie

Un appareil de voie permet d'assurer le support et le guidage du matériel roulant ferroviaire sur un itinéraire donné, lorsque d'autres itinéraires en divergent ou le traversent et permet d'assurer les bifurcations et les croisements d'itinéraires.

Figure 4. Exemple d’appareil de voie

Ballast

Les rails et les traverses reposent sur la plateforme par l’intermédiaire du ballast. Celui-ci assure les fonctions suivantes : - Répartir les charges sur la plateforme, - Absorber et dissiper l’énergie vibratoire, - Assurer le drainage des eaux, - Immobiliser les traverses dans leur position en permettant ainsi à la voie de résister aux efforts et contraintes, - Permettre la rectification du nivellement.

Les différents constituants de la Voie Ferrée diffèrent d’un projet à l’autre en fonction de l’allotissement du projet global. C’est pourquoi il est nécessaire de disposer des Spécifications Techniques de la Voie Ferrée pour un projet afin de définir précisément le périmètre et les particularités de ses constituants.

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Méthodologie

1 Présentation générale

La démarche générale de cette méthodologie est de construire un référentiel d’incidents à partir de données sur des lignes existantes et de l’utiliser pour donner une évaluation des performances du sous-système Voie Ferrée du projet considéré, en termes de nombre d’incidents, par comparaison. Pour cela, il est bien entendu nécessaire de justifier de l’applicabilité du référentiel.

Les ressources nécessaires sont : - Un expert FDMS ;- Des experts dans le domaine de la Voie Ferrée ; ces experts ont une grande expérience dans la maintenance de des

voies ferrées.- Des données de retour d’expérience sur des lignes déjà en exploitation ayant des similarités. Ces données devront être

suffisamment explicites concernant le nombre d’incidents sur une durée d’observation et leurs causes et impacts.

La méthodologie proposée est décrite en plusieurs étapes, représentées dans le schéma ci-dessous et détaillées dans les paragraphes suivants.

Détermination de catégories d’incidents en fonction de leur impact, du type de

défaillance, occurrence géographique,...

Identification des équipements critiques, des modes de défaillance et

de leurs impacts

Détermination du nombre d’incidents / catégories sur chacune des lignes de

référence

Identification des caractéristiques de la ligne ferroviaire

Evaluation du nombre d’incidents / catégories pour le projet considéré

Association équipements critiques / type de défaillance / impacts avec les

catégories d’incidents

Catégories d’incidents

Spécifications Techniques Données REXSpécifications Techniques et caractéristiques des

Lignes de Référence

Construction du référentielJustification de l’applicabilité du référentiel

Estimation du nombre d’incidents

Figure 5. Différentes étapes de la méthodologie

Toutes les étapes peuvent faire l’objet d’atelier de travail avec des experts du domaine de la Voie Ferrée, afin d’éviter les erreurs possibles d’interprétation des données REX et afin d’identifier les défaillances du sous-système de la manière la plus exhaustive possible.

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Il est indispensable de disposer de données de retour d’expérience sur d’autres lignes déjà en exploitation, contenant des informations exploitables, pour une durée d’observation définie, sur le nombre d’incidents d’exploitation et leurs causes.

Dans ce document, on appellera ces lignes « lignes de référence ».

La ligne concernée par le projet est une ligne à trafic mixte, c’est-à-dire, voyageurs et marchandises, de conception type LGV et pour une vitesse d’exploitation jusqu’à 220 km/h. Elle n’existe pas de ligne en France avec les mêmes caractéristiques, aucune donnée de retour d’expérience sur une ligne équivalente n’est donc disponible.

Le choix des lignes de référence (le nom des lignes a été remplacé par des noms fictifs, pour des raisons de confidentialité) s’est fait par rapport à des similitudes sur les caractéristiques principales de la ligne :

- La Ligne LGV AB, de conception type LGV ;- La ligne Garde-Ella, de type de trafic mixte ;- La ligne Reste-Ehan, de trafic fret exclusivement.

2.1 Détermination de catégories d’incidents

Le but de cette étape est de regrouper les incidents répertoriés dans les données de retour d’expérience sur les lignes de référence, en fonction de leurs impacts et du type de défaillance, et de tout autre critère pertinent. Les incidents sont alors regroupés par catégorie.

Cela implique donc que les données de retour d’expérience doivent, pour une ligne de référence, contenir les informations sur tous les incidents survenus sur une période définie : type d’incident, causes et impacts.

Pour cela, il est nécessaire de traiter des données de REX au préalable afin de les rendre exploitables. En effet, il faut retenir, parmi les données « brutes », les données qui sont utiles et les rendre exploitables.

La base de données utilisée dans notre application est issue d’un outil de suivi de la régularité des circulations. Cet outil recense, pour une ligne, les incidents à l’origine de tout événement impactant la régularité des circulations : retard, suppression totale ou partielle du parcours. Cet outil ne recense pas uniquement les incidents liés à la voie ferrée, c’est pourquoi il est nécessaire de faire un traitement de ces données au préalable. Les données retenues de cette base, pour notre application, doivent exclure tout événement dont l’incident origine n’est pas du périmètre de responsabilité du sous-système Voie Ferrée. On exclut par exemple les incidents liés à des défaillances du matériel roulant, à un manque de personnel, à des actes de malveillance, à la présence d’obstacle sur la voie, etc…

Il faut ensuite classer ces incidents par catégorie. Les catégories doivent couvrir tous les incidents constatés dans le périmètre de responsabilité du sous-système.

Exemples de catégories : - Défaut de géométrie en voie courante- Rupture de rail en voie courante- Dérangement d’installation de signalisation en voie courante- Défaut de géométrie en zone d’appareil de voie- Rupture de rail en zone d’appareil de voie- Dérangement d’installation de signalisation en zone d’appareil de voie- Etc…

2.2 Détermination du nombre d’incidents par catégorie sur les lignes de référence

Lors de cette étape, les incidents par ligne de référence sont comptabilisés par catégorie dans un tableau. Ces chiffres peuvent être ramenés sur une même unité de temps (par exemple, une année) et une même unité de longueur (par exemple, 100 km de voie double), pour pouvoir être comparés plus facilement aux objectifs de performances exigés pour le nouveau projet.

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Par exemple, on obtient un tableau de la forme suivante.

nombre d'incidents /an pour 100km de voie double

LGV AB Garde - Ella Reste - Ehan

Défaut de géométrie voie courante 5,82 1,89 0,59 Rupture de rail voie courante 0,06 3,93 1,12 Dérangement d'installation de signalisation voie courante 0,00 0,00 0,00 Défaut de géométrie AdV 0,00 1,10 0,07 Rupture de rail AdV 0,00 1,73 0,13 Dérangement d'installation de signalisation AdV 1,42 9,06 0,79

Table 1. Nombre d’incidents dans chaque catégorie pour les lignes de référence

Ce résultat établit ainsi le tableau référentiel des incidents de la Voie Ferrée qui servira de base pour estimer le nombre d’incidents pour le projet considéré. Il donne, pour chacune des lignes de référence, des occurrences d’incidents pour les différentes catégories de défaillances.

3 Justification de l’applicabilité du référentiel pour le projet considéré

Le besoin est de justifier que les catégories d’incidents déduites des données REX couvrent bien l’ensemble des défaillances possibles du sous-système Voie pour le projet.

3.1 Détermination des éléments critiques, des modes de défaillances et de leurs impacts

Le but de cette étape est d’identifier, pour le projet concerné, tous les éléments critiques du sous-système Voie Ferrée, leurs modes de défaillance et leurs impacts sur le sous-système et sur l’exploitation. Cette étape est réalisée à l’aide d’experts de la Voie Ferrée, afin d’identifier exhaustivement tous les éléments attendus : types de défaillances et impacts.

On entend par élément critique tout élément constitutif ou équipement de la Voie Ferrée dont la défaillance entraîne une dégradation des performances d’exploitation.

Une analyse de type AMDE, exhaustive et systématique, sur tous les éléments constitutifs de la Voie Ferrée est préconisée. La définition des éléments du sous-système est généralement issue des Spécifications Techniques.

Le résultat attendu est la liste des éléments critiques, leurs modes de défaillances et leurs impacts. On appellera « triplet » l’association [élément constitutif ; type de défaillance ; impact] issue de l’AMDE.

3.2 Association entre les triplets et les catégories précédemment déterminées

Cette étape consiste à associer chacun des triplets de l’AMDE [élément ; type de défaillance ; impact] à une catégorie (cf. ci-dessus).

Par exemple, pour la catégorie « défauts de géométrie en voie courante », on compte les triplets suivants : - [rail ; défaut de surface ; défaut de nivellement / création de rail faussé] ; - [rail dans les appareils de dilatation ; défaut de surface ; défaut de nivellement] ; - [semelle du système d’attache ; absence de semelle ; défaut de nivellement] ; - [ballast ; attrition ; défaut de nivellement] - …

Cette étape permet de s’assurer de la représentativité de l’ensemble des défaillances possibles de la Voie Ferrée pour le projet concerné dans les données de REX.

Le résultat attendu est une matrice « catégorie d’incidents – triplets AMDE ». Ainsi, chaque défaillance du sous-système, représentée par un triplet, entre dans une catégorie unique.

4 Estimation du nombre d’incidents pour le sous-système Voie Ferrée du projet

Pour pouvoir comparer le projet aux différentes lignes de référence, il est nécessaire de connaître les caractéristiques du nouveau projet et des lignes existantes.

La connaissance de toutes ces caractéristiques permettront de donner une estimation du nombre d’incidents dus à chacune des catégories de défaillances, par comparaison avec les mêmes catégories pour les lignes de références.

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4.1 Identification des caractéristiques de la Ligne

Cette activité a pour but d’identifier toutes les caractéristiques particulières (conception, exploitation, maintenance) du projet concerné qui peuvent avoir une influence sur les défaillances des équipements et d’identifier ces mêmes caractéristiques sur des lignes de référence.

Cette activité est nécessairement réalisée à l’aide d’un ou plusieurs experts de la Voie Ferrée pour l’identification des caractéristiques pouvant avoir une influence sur l’occurrence d’incidents d’exploitation.

Pour le sous-système Voie Ferrée, quelques caractéristiques sont listées ci-après : vitesse de circulation des trains, type de trafic (mixte, TGV, fret,…), tonnage à l’essieu, nombre de circulations par jour, âge de l’armement, nombre d’appareils de voie, périodicité de la maintenance, etc…

Ces valeurs sont indiquées dans une matrice [caractéristique / ligne ferroviaire] pour plus de lisibilité.

Le tableau ci-dessous donne des exemples de caractéristiques de ligne.

Caractéristiques Projet étudié LGV AB Garde - Ella Reste - Ehan Vitesse 220 km/h 320 km/h 160km/h-trains de

voyageurs Non renseigné

Type de trafic Mixte TGV Mixte Mixte Tonnage à l’essieu 22,5 t 17 t 22,5 t 22,5 t Nombre de circulations 54 trains / jour

93,5 trains / jour 76.2 trains / jour 10,8 trains / jour

…

Table 2. Exemples de caractéristiques de ligne

4.2 Evaluation du nombre d’incidents par catégorie pour le sous-système Voie Ferrée du projet considéré

Cette étape a pour but de donner une évaluation du nombre d’incidents par catégorie pour le sous-système Voie Ferrée en utilisant les valeurs du tableau référentiel comme repères, et au regard de l’influence des différentes caractéristiques de la ligne. L’idée est de « situer » le projet par avis d’experts, en termes de nombre d’incidents causés par le sous-système Voie Ferrée, par rapport aux lignes de références, pour chacune desquelles il a été déterminé un nombre d’incidents par unité de temps et de longueur.

Un atelier de travail regroupant plusieurs experts du domaine de la maintenance des Voies Ferrées est indispensable pour réaliser cette évaluation. Cet atelier confronte les avis de plusieurs experts de la maintenance.

Le but de l’atelier de travail est de faire converger les estimations. Le principe est de partir du nombre d’incidents pour une catégorie donnée, sur les lignes de référence et de donner une estimation pour le projet donné, argumentée par comparaison ou rapprochement de caractéristiques influentes.

Exemples de sujets de réflexion qui ont été abordés : - Influence de chacune des caractéristiques sur l’occurrence des incidents pour chacune des catégories

Les principales caractéristiques retenues comme ayant un fort impact sur l’occurrence d’incidents sont les suivantes : le type de conception (LGV ou ligne classique), le type de trafic (voyageurs ou marchandises ou mixte), la vitesse d’exploitation, la charge à l’essieu, le nombre d’appareils de voie, le nombre de circulations,…

- Recherche de similitudes et de points de différence entre le projet et les lignes de référence Les lignes de référence ont été choisies pour leurs points de similitudes avec le projet : le type de conception, le type de trafic. Cela fait l’objet de la recherche des caractéristiques des différentes lignes (voir Table 2. Exemples de caractéristiques de ligne)

- Analyse multicritères pour l’estimation du nombre de défaillances pour chacune des catégories d’incidents Par exemple :

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Catégories d’incidents Analyse d’experts

Défaut de géométrie voie courante

Le critère principal d’influence pour l’apparition des défauts de géométrie est la vitesse, même si le tonnage et le nombre de circulations sont également des critères d’influence. Il a été pris comme référence le nombre d’incidents sur la ligne classique mixte, majoré pour tenir compte de la vitesse à 220 km/h. Il est pris en compte la mise en place d’un système de contrôle des roues au niveau des points d’entrée des trains de Fret sur la ligne mixte ; ce dispositif est de nature à limiter les sollicitations des voies et donc de limiter le nombre de défauts de géométrie. La voie sera neuve avec une géométrie parfaite et le trafic des TGV sera limité (1/3 du nombre de TGV par rapport à la situation cible), il a donc été pris en compte un nombre réduit d’incidents de géométrie par rapport à la ligne LGV.

Rupture de rail voie courante

Pour des installations nouvelles, il est considéré que les ruptures de rail n’apparaissent pas ou rarement avant 7 ou 8 années. Il est considéré que la ligne nouvelle a les critères de maintenance d’une LGV. L’âge de l’armement est un critère important. Le chiffre pour l’année cible est à rapprocher de la LGV AB, majoré du fait de la mixité du trafic (charge à l’essieu plus élevée et dévers d’équilibre pour trains fret et TGV)

Dérangement d'installation de signalisation voie courante

Aucun incident de ce type n’a été relevé sur les lignes de référence. Pour la ligne nouvelle, il a été pris en compte la présence de joints isolants collés en voie courante.

Défaut de géométrie AdV

Le critère principal d’influence pour l’apparition des défauts de géométrie est la vitesse, même si le tonnage et le nombre de circulations sont également des critères d’influence. Il a été pris comme référence le nombre d’incidents sur la ligne classique mixte, majoré pour tenir compte de la vitesse à 220 km/h. Il est pris en compte la mise en place d’un système de contrôle des roues au niveau des points d’entrée des trains de Fret sur la ligne mixte ; ce dispositif est de nature à limiter les sollicitations des voies et donc de limiter le nombre de défauts de géométrie. Toutefois, du fait du nombre d’appareils de voie, le chiffre est à rapprocher de la ligne Garde-Ella en tenant compte des critères de maintenance plus proches de ceux d’une LGV.

Rupture de rail AdV

La ligne nouvelle se rapproche de la LGV AB pour la constitution des AdV, et de Garde-Ella pour la nature des circulations et le nombre d’AdV / km. Il a été pris en considération l’âge de l’armement et les critères de maintenance pour estimer le chiffre.

Dérangement d'installation de signalisation AdV

La ligne nouvelle se rapproche de la LGV AB pour la constitution des AdV, et de Garde-Ella pour la nature des circulations et le nombre d’AdV / km. Il a été pris en considération l’âge de l’armement et les critères de maintenance pour estimer le chiffre.

A l’issue de cet atelier de travail, une évaluation du nombre d’incidents par catégorie de défaillances est donnée pour le sous-système Voie Ferrée du projet considéré, en comparaison avec les lignes de référence.

nombre d'incidents /an pour 100km de voie double

LGV AB Garde - Ella Reste - Ehan Projet étudié

Défaut de géométrie voie courante 5,82 1,89 0,59 2,3 Rupture de rail voie courante 0,06 3,93 1,12 0,15 Dérangement d'installation de signalisation voie courante 0,00 0,00 0,00 0,01 Défaut de géométrie AdV 0,00 1,10 0,07 0,7 Rupture de rail AdV 0,00 1,73 0,13 0,1 Dérangement d'installation de signalisation AdV 1,42 9,06 0,79 3

Total 6,26

Table 3. Estimation du nombre d’incidents par catégorie pour le sous-système Voie Ferrée du projet étudié

Le nombre d’incidents total en est aisément déduit, ce qui permet de conclure sur l’atteinte des objectifs initialement alloués.

Dans notre exemple, le résultat donne 6,26 incidents par an pour 100 km de voie double. Pour une ligne de 150 km, le nombre d’incidents du sous-système Voie est évalué à 9,39 par an, ce qui est compatible avec un exemple d’objectif de 10 incidents par an alloué à la Voie Ferrée.

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Conclusion

La méthode proposée basée sur le retour d’expérience s’inspire des méthodes préconisées par A. Lannoy pour l’utilisation des données de retour d’expérience. Son application au domaine ferroviaire pour l’estimation prévisionnelle des performances d’un sous-système est relativement inédite. Cette méthode a été appliquée par Systra dans le cadre de la démonstration prévisionnelle d’atteinte des objectifs de performances du sous-système Voie Ferrée pour un projet ferroviaire. Son application a été étendue à la détermination prévisionnelle des retards inhérents à la Voie Ferrée. La méthode et ses résultats ont été approuvés par le Client et par des instances telles que des organismes de vérification indépendante.

L’utilisation d’avis d’experts peut être a priori discutable pour une démonstration de fiabilité prévisionnelle, habituellement réalisée de manière plus théorique. Cependant dans la pratique, le caractère aléatoire des avis d’experts est très limité par, d’une part, la confrontation de plusieurs experts et, d’autre part, l’utilisation de « valeurs repères » fournies par le référentiel qui donnent des ordres de grandeurs réalistes.

Cette démarche montre qu’il est possible de mener une étude de fiabilité avec des outils et méthodes différents des outils et méthodes traditionnels, et que les résultats sont aussi convaincants que l’auraient été les résultats d’une étude plus classique et plus lourde.

Remerciements Nous remercions particulièrement Pierre Mansoz pour son expertise, sa disponibilité et son accompagnement dans la mise en place et la réalisation de la méthodologie.

Référ ences Alain Villemeur, Sûreté de fonctionnement des systèmes industriels, Eyrolles. André Lannoy, Le retour d’expérience technique, REE n°8, septembre 1996. CENELEC, NF EN 50126, Applications Ferroviaires, Spécifcation et démonstration de la fiabilité, de la disponibilité, de la maintenabilité et de la sécurité (FDMS), Janvier 2000. http://fr.wikipedia.org/wiki/Appareil_de_voie http://fr.wikipedia.org/wiki/Traverse

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