39
Contexte eom´ etrie de la voie Mod´ elisation Interventions Mod´ elisation Coˆ uts Hypoth` eses Optimisation Premiers r´ esultats Am´ eliorations elais d’intervention Nombre de bourrages Mod` ele m´ elange Conclusion Gamma bivari´ e Optimisation de la maintenance de la g´ eom´ etrie de la voie Carolina MEIER-HIRMER SNCF - Direction de l’Infrastructure FIMA - 30 avril 2009 1/39

Optimisation de la maintenance de la géométrie de la voie - eserved

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Optimisation de la maintenance de la geometrie dela voie

Carolina MEIER-HIRMER

SNCF - Direction de l’Infrastructure

FIMA - 30 avril 2009

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Schema d’une voie ballaste

railtraverse ballast

couche de forme

sous couche

sol

attache

plateforme

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Defauts de geometrie de la voie

nivellement longitudinal NL

nivellement transversal NT

ecartement EC

dressage D

Pour cette etude, untroncon homogene enterme d’age, de rails, detraverses et de vitesselimite sur la ligneParis-Lyon a ete choisi.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

La voiture MAUZIN

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

La rame IRIS 320

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Mesures de geometrie de la voie

Type de defauts Criteres

MAUZIN classique ponctuels securiteMAUZIN allonge 30 metres securite / confort

MAUZIN synthetique 200 / 1000 metres qualite

Seuils qui definissent les niveaux de qualitegeometrique :QO qualite objective ;II initiation d’une intervention ;

DL degradation limite.

Dans l’etude, le DL est fixe a 1.3 et le niveau IIest optimise.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Inspections

La programmation annuelle est faite en fonctiondu groupe UIC1.

Les inspections sur ligne classique sont effectueespar la voiture MAUZIN.

Sur ligne a grande vitesse une rame speciale(IRIS320) a ete developpee :

inspections a la vitesse de la ligne(entre 270 et 320km/h),toutes des 2 semaines,en journee (pas d’impact sur la maintenance).

1Indicateur de l’importance d’une ligne, defini par l’Unioninternationale des chemins de fer

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Resultats des inspections

Graphique des mesures MAUZIN synthetiques

●● ●

●●●

●●

●●

●●

●●●

●●

●●●●

Géométrie de la voie

temps

nive

llem

ent l

ongi

tudi

nal

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

11.

1

1989 1994 1999

interventions

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Modelisation

Un processus gamma modelise la degradation decritepar les indicateurs synthetiques.

0 50 100 150

Processus Gamma

temps t

proc

essu

s X

t

processus gammaprocessus lors des inspections

Le processus

depend de deuxparametres α et β estimespar maximum devraisemblance.

est a accroissementsindependants.

a une evolution moyennelineaire (pente = α

β).

dispose de formulesexplicites pour les calculs.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Resultats

Resultats de la degradation sur la ligne Paris-Lyon :

avant TGV med apres TGV medαβ 0.0009 0.0021

CI [0.0007, 0.0012] [0.0020, 0.0022]

La degradation moyenne a double apresl’ouverture du TGV Mediterranee.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Interventions

Le bourrage est

l’intervention globalela plus frequente et lamoins couteuse ;

programme enfonction desindicateurs MAUZINsynthetiques.

Le remplacement de ballastest considere comme uneintervention exceptionnelle.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Informations disponibles

Difference entre le gain absolu et le gain mesure :y = y + α

β· δ.

Ajustement du niveau de degradation lors del’intervention.

∆δ

n

y

n

temps

niveau de dégradation réel

dégradation

n

niveau de dégradation mesuré

inspection

n’

~

gain absolu~y

gain mesuré

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Distribution du gain

Le gain absolu suit une loi gaussienne :

−0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Estimation de la distribution de gain après bourrage

gain NL

Pro

babi

lité

● ● ● ● ● ●●● ● ●●

●●●●

●●●●

●●●●

●●

●●●

●●

●●

●●●

●●●

●● ●●●

●● ● ●●

● ●

empiriquegaussien N(0.26, 0.18)

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Modelisation

gain moyen = c + b · {degradation avant l’intervention}

●●

●●

●●

●●●

● ●

● ●

●●

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●●

●●●●

●●

● ●●

●●

●●

●●

●●

●●

●●

●●

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

−1.

0−

0.5

0.0

0.5

1.0

Estimation d'influence du niveau de NL sur le gain de bourrage

niveau de dégradation

gain

données reellesdroite estiméeµ = −0.25

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Modelisation

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Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Resultats

c b σavant TGV med -0.41 0.96 0.20apres TGV med -0.55 0.98 0.26

Ces modeles possedent un R2 de 0,77 et de 0,63.

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Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Couts

Nous proposons une optimisation de la strategiede maintenance par rapport aux couts.

Les couts suivants sont utilises dans l’etude :

cout d’inspection : 21 ¤/km ;

cout de bourrage : 9500 ¤/km ;

couts exceptionnels apres le passage du niveauDL : 710 000 ¤/km, (couts de remplacementde ballast).

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Hypotheses I

Les hypotheses faites sur l’evolution du systeme demaintenance :

L’etat du systeme est decrit par une variable Xt .

Surveillance lors des inspections – l’etat exact dusysteme est connu.

Lors d’une inspection :

Xt > II : planification d’un bourrage avec undelai td (plus petit que le pas d’inspection) ;

Xt > DL : degradation limite – planificationd’une grande operation.

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Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Hypotheses II

270 [jours]t

tX

dégradation

intervention

3603152251801359045

δ pas d’inspection, à optimiser

td fixe (delai)

gain seuil II

seuil DL fixe

appel d’intervention

intervention

à optimiser

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Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Probabilite de transition

Probabilites de transition pour Yn = Xn·δ :

Depart en dessous du seuil II (x < II ) ; arriveedans l’intervalle [a, b] :

P(x , [a, b]) =

∫ b−x

a−x

fαδ, β(y)dy ,

f·,·(y) : densite de la loi gamma avec parametresαδ et β.Depart en dessus de II (x ≥ II ) :

P(x , [a, b]) =

∫ b−x−αβ·δ

a−x−αβ·δ

g−(µ+η(x+αβ·∆),σ(y) dy ,

g·,·(y) : densite de la loi gaussienne avecparametres −(µ + η(x + α

β·∆)) et σ.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Fonction objectif

Ni(t) nombre d’inspections sur [0, t] ;

Nr(t) nombre d’interventions sur [0, t] ;

Ndl(t) nombre de passages en DL sur [0, t] ;

C· les couts correspondants.

C (t), fonction de cout global :

C (t) = Ci Ni(t) + Cr Nr(t) + Cdl Ndl(t).

Fonction objectif :

IIEC∞ = limt→∞

IIE0(C (t))

t.

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Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Calculs

(Yn)n∈ IIN est une chaıne de MARKOV ;

Calcul numerique de la loi stationnaire pardiscretisation ;

Utilisation de la formule :

IIEC∞ =IIEπ(C (δ))

δ,

ou π est la loi stationnaire de (Yn)n∈ IIN ;

Calcul de IIEπ(C (δ)) :

IIE(Ni (δ)) = 1,IIE(Nr (δ)) = Pπ(II ≤ Y0 < DL) = π((II,DL[),IIE(Ndl(δ)) = Pπ(Y0 ≥ DL) = π((DL,∞[).

IIEπ(C (δ)) depend toujours du seuil II et du pasd’inspection δ, qui sont a optimiser.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Resultats 3D

avant TGV med apres TGV med

11

15

20

27

37

49

67

90

122

2 21 40 59 78 97

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

optimale

actuelle

pas d'inspection δ [jours]

seui

l II

45

60

81

110

148

200

270

365

493

0 10 20 30 40 50

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

optimale

actuelle

pas d'inspection δ [jours]

seui

l II

La strategie optimale est loin de la maintenanceactuelle, mais les couts sont proches.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Resultats 2DLe pas d’inspection est fixe (il est determine en fonction de ladisponibilite de la voiture de mesure) : ces resultats sontprivilegies par les experts maintenance.

le niveau II optimise est proche de la maintenance actuelle,

le niveau 1,05 ne doit pas etre depasse.

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Problemes avec ce premier modele

En realite, le delai d’intervention td peut etreplus grand que l’intervalle d’inspection δ ⇒ leprocessus n’est plus markovien,

En realite, la regeneration de la voie ne dependpas que de la limite DI. Il y a d’autres indicateurspour la decision comme par exemple le nombrede bourrages deja effectues ⇒ le processus n’estplus markovien,

⇒ amelioration du premier modele.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Ameliorations du modele

Modele bourrage : planification d’une grandeoperation apres environ 25 bourrages ;

Modele delai intervention : plus grand delai entredetection et intervention ;

Modele melange : Combinaison des deuxmodeles.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Delais d’intervention :modelisation

Definition d’un nouveau processus (Yi , ki), i ∈ IIN.

Yi : qualite de lavoie,

ki < kmax comptele nombred’inspections entrele depassement duseuil II et l’instanti · δ.

matrice de transition pour kmax = 2 :

1

2

4

3 5 76

k=0

k=0

k=2

k=1

k=2k=1

k=2

k=1

k=0

k=0 k=1 k=2

1

2

4

3 5 6 7

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Delais d’intervention : resultats

Probabilite stationnaire pour kmax = 2

initiationintervention dégradation

limite

k=1 k=2

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Nombre de bourrages :modelisation

Definition d’un nouveau processus (Yi , nbi), i ∈ IIN.

Yi : qualite de lavoie,

nbi < nbmax

compte le nombrede bourrages depuisla construction dela ligne.

nbmax se situeautour de 25.

Si nbi = nbmax lavoie est regeneree.

matrice de transition pour nbmax = 5 :

nb=1nb=0 nb=2 nb=3 nb=4 nb=5

nb=0

nb=1

nb=2

nb=3

nb=4

nb=5

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Nombre de bourrages : resultats

Probabilite stationnaire pour nbmax = 25 :

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0

1

2

3

4

5

6

7x 10

−4

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Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Modele melange : modelisation

Ce modele (Yi , ki , nbi), i ∈ IIN combine les deuxmodeles precedents.Probabilite stationnaire pour kmax = 5 et nbmax = 25 :

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x 10−3

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Modele melange : resultats

0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05

150

200

250

300

350

400

Comparaison des coûts des stratégies de maintenance

seuil d'intervention (II)

coût

asy

mpt

otiq

ue d

e la

str

atég

ie d

e m

aint

enan

ce

actuelle

optimalefonction de coût

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Conclusion

Adaptation et amelioration d’un modeled’optimisation de maintenance existant base surle processus Gamma ;

Utilisation pour l’evaluation et l’ajustement desstrategies de maintenance ;

Interet d’une utilisation systematique du REXpour definir des politiques de maintenance.

Reduction pertinente du pas d’inspection apresl’ouverture du TGV Mediterranee ;

Possibilite d’appliquer le modele a l’optimisationde la maintenance pour IRIS320.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Perspectives

Application sur d’autres lignes a grande vitesse ;

Etude de l’influence

du TGV Duplexde la vitesse (V300 / V320 / V350)

sur les couts de la maintenance ;

Utilisation d’un processus non-stationnaire pourla degradation des lignes classiques ;

Utilisation de plusieurs indicateurs de lageometrie de la voie simultanement.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Definition et proposition (TR)

Soient(Y

(i)t

)t≥0

avec i ∈ {1, 2, 3} trois processus Gamma

univaries independants avec Y(i)t ∼ Γ (αi t, 1) , t ≥ 0.

Pour b1 > 0 et b2 > 0, nous definissons :

X(1)t :=

(Y

(1)t + Y

(3)t

)/b1,

X(2)t :=

(Y

(2)t + Y

(3)t

)/b2,

Le processus (Xt)t≥0 =(X

(1)t ,X

(2)t

)t≥0

est alors un processus

Gamma-Levy bivarie avec X(i)t ∼ Γ (ai t, bi ) ou

ai = αi + α3.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Comparaison

Deux autres processus ont ete construits :

1 par une combinaison lineaire d’une mesure d’unprocessus Levy bivarie avec des composantscompletement dependants et un deuxieme avecdes composants independants (TDI)

2 par la copule de Levy-Clayton (CGL).

Avantages par rapport aux processus TR : lacorrelation peut atteindre toutes les valeurs∈ [0, 1].

mais : pas de formules explicites pour la densite.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Estimations

Utilisation des donnees NL et NT

Periode 2001-2006, troncon homogeneResultats Methode des Methode des Max de Algorithme

SNCF moments 1 moments 2 vraisemblance EMa1 0.0622 0.0593 0.0703 0.0645 0.0691b1 28.78 27.29 30.60 29.27 −a1b1

2.20× 10−3 2.17× 10−3 2.30× 10−3 2.20× 10−3 −a2 0.0350 0.0454 0.0449 0.0482b2 23.24 27.09 28.17 −a2b2

1.51× 10−3 1.68× 10−3 1.59× 10−3 −ρ 0.7982 0.7882 0.8791 0.5684

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Etude du seuil preventif

On maintient la geometrie lorsque le NL est trop eleve pourpouvoir attendre la prochaine plage d’intervention (onintervient de preference au printemps et en automne).Est-ce que les resultats changent si l’on tient compte du NL etdu NT?

Soit T (i) le temps d’atteinte du seuil de securite sipour la composante i , xi est l’etat actuel.On note yi := si − xi et le reel τ

(i)yi tels que

τ (i)yi

= max(τ ≥ 0 tel que Pxi

(T (i) > τ

)≥ 1− ε

).

Idem pour τB(y1,y2)

.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Resultatss1 = 0, 9 et s2 = 0, 75, x1 = 0, 4⇒ τ

(1)x1

= 150

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

50

100

150

200

250

300

350

400

x2

τ(2)

τB

τ(1)

x2 = 0.4⇒ τ(2)x2

= 152.9 et τB(x1,x2)

= 134.7 : on se trompe de 15 jours.

x2 = 0.5⇒ τ(2)x2

= 97.5 et τB(x1,x2)

= 95.9 : on se trompe de 54 jours.

x2 = 0.6⇒ τ(2)x2

= 47.2 et τB(x1,x2)

= 47.1 : on se trompe de 103 jours.

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Contexte

Geometrie de la voie

Modelisation

Interventions

Modelisation

Couts

Hypotheses

Optimisation

Premiers resultats

Ameliorations

Delais d’intervention

Nombre de bourrages

Modele melange

Conclusion

Gamma bivarie

Conclusion

Lorsque x1 n’est pas trop proche de x2, la valeurdonnee par τU = min

(τ (1), τ (2)

)est raisonnable,

se contenter de τ (1) est risque.

Lorsque x1 est proche de x2, le modele bivarieaffine les resultats : τU > τB et l’on prevoit lamaintenance preventive trop tard avec τU au lieude τB .

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