Framework per il supporto decisionale basato sul rischio nelle ferrovie locali

"Local" or "isolated" railway networks are defined as railway lines that are not connected to the main network and have peculiar and unique characteristics, serving short/medium distance travel needs and touristic and historical routes. Local railways play a fundamental role in a country's transportation serving difficult-to-reach contexts where physical and economic constraints have prevented the development of the conventional railway network. Given their unique environment and the isolation from the main railway network, local railway networks have developed their own management strategies, design characteristics and safety standards over time. The demand for higher and aligned safety standards in railway services has become increasingly important in recent years, frequently requiring significant investment in infrastructure, equipment, maintenance and personnel training. In the context of local railways, where economic and management resources are not comparable to those of national-level networks this process can result in problems and constraints that managers are faced with. Failing to comply with the required safety standards, in fact, leads to imposing unfavourable but necessary safety measures, such as slowdowns and closures, which inevitably reduce the attractiveness of this mode of transport and gradually lead to its closure. Furthermore, knowledge and procedures conceived for interconnected railways cannot be transferred to local ones because of the differences due to their history, unique infrastructural characteristics and management methods. Research on decision making tools and studies taking into account local railways' peculiarities and data collected on these networks are still lacking. For this reason, the objective of the thesis is to propose a quantitative, case-specific, and risk-based approach for decision support in local railway safety management and to analyse the effect of local railways design characteristics on risk analysis and, consequently, on management decisions. To do so, a risk management framework is proposed to quantitatively estimate the impact on the risk of system modifications and management choices, prioritizing and optimizing the intervention strategies. The methodology includes the identification and characterization of hazardous events, the analysis of accidental causes and consequences using FTA and ETA methodologies respectively, the calculation of the risk level and the optimization of the decision-making process in limited budget environments in order to improve the system and keep it within the safety boundaries. In order to broaden the accidental database, a methodology for the calibration of data of similar systems through the use of expert judgments and quantitative analysis is presented and commented. The methodology allows to indirectly assess frequencies and accidental consequences by comparing the effectiveness of safety barriers of a case study and a reference system. Finally, With the aim of guiding the choices of local railways managers to optimize investments in the presence of limited budgets, the RM process is integrated with a Benefit-Cost Analysis (BCA). The effects of different infrastructure and rolling stock are analysed to understand the effects of local railway design characteristics on the risk management process. Data harvested by two high-precision monitoring campaigns on a local railway line are the basis for the track geometry degradation evaluation and its influence on derailment risk. The effects of curvature, slope, type of track, and loads on the degradation of Gauge, Longitudinal Level, Alignment and Twist are investigated. Additionally, the effect of the rolling stock characteristics on the stopping distance is analysed. In order to calibrate the commonly used empirical formula for the case of local railways, a total of 25 braking tests are carried out with the trains of a narrow-gauge local railway. Finally, in order to provide a practical example of how the findings of this work can be transferred to real-world scenarios, the Risk Management framework is introduced for the utilization and decision support tool for analysing monitoring and managing the safety in the tunnels and level crossings of the Ferrovia Circumetnea (FCE), a narrow-gauge railway that connects several small towns on the slopes of Mount Etna, Sicily. The application made it possible to verify the effectiveness of the framework in assessing the level of risk and prioritising possible interventions to control and reduce it.

Le reti ferroviarie "locali" o "isolate" sono linee ferroviarie non connesse alla rete nazionale e che presentano caratteristiche peculiari e uniche, servendo tratte a breve/medio raggio nonché percorsi turistici e storici. Le ferrovie locali svolgono un ruolo fondamentale nel sistema di trasporto di un paese, servendo contesti difficili da raggiungere in cui vincoli fisici ed economici hanno impedito lo sviluppo della rete ferroviaria convenzionale. Date le loro caratteristiche uniche e l'isolamento dalla rete ferroviaria principale, le reti ferroviarie locali hanno sviluppato nel tempo proprie strategie di gestione, caratteristiche progettuali e standard di sicurezza. Il nuovo assetto normativo e la crescente richiesta di standard di sicurezza più elevati e allineati in tutti i tipi di reti ferroviarie è diventata centrale negli ultimi anni, richiedendo spesso significativi investimenti in infrastrutture, attrezzature, manutenzione e formazione del personale. Nel contesto delle ferrovie locali, dove le risorse economiche e gestionali non sono paragonabili a quelle delle reti a livello nazionale, questo processo può comportare ostacoli e vincoli con cui i responsabili devono confrontarsi. Infatti, la mancata conformità agli standard di sicurezza richiesti comporta misure di sicurezza sfavorevoli ma necessarie, come rallentamenti e chiusure, che inevitabilmente riducono l'attrattiva di questo modo di trasporto e portano gradualmente alla sua scomparsa. Inoltre, le conoscenze e le procedure concepite per le ferrovie interconnesse non possono essere trasferite alle ferrovie locali a causa delle differenze dovute alla loro storia, caratteristiche infrastrutturali uniche e metodi di gestione. Ad oggi ancora mancano ricerche e studi in merito a strumenti di ottimizzazione del processo decisionale basati su dati specifici e che tengano conto delle peculiarità di tali reti. Per questo motivo, l'obiettivo di questa tesi è proporre un framework quantitativo, specifico e basato sul rischio per il supporto decisionale nella gestione della sicurezza delle ferrovie locali e analizzare l'effetto delle caratteristiche progettuali di tali reti sull'analisi del rischio e, di conseguenza, sul processo decisionale. A tal fine, viene proposto un framework di risk management atto a stimare quantitativamente l'impatto sul rischio delle modifiche al sistema e delle scelte gestionali, prioritizzando e ottimizzando le strategie di intervento. La metodologia comprende l'identificazione e la caratterizzazione degli eventi pericolosi, l'analisi delle cause e delle conseguenze accidentali utilizzando rispettivamente le metodologie FTA (Fault Tree Analysis) e ETA (Event Tree Analysis), il calcolo del livello di rischio e l'ottimizzazione del processo decisionale in ambiti a budget limitato al fine di migliorare il sistema e mantenerlo entro gli standard di sicurezza richiesti. Al fine di ampliare il limitato database incidentale, viene presentata e commentata una metodologia per la calibrazione dei dati ricavati da sistemi ferroviari di riferimento mediante l'uso congiunto di giudizi degli esperti e analisi quantitative. La metodologia consente di valutare indirettamente le frequenze e le conseguenze incidentali tramite il confronto dell’efficienza nella mitigazione del rischio delle misure di sicurezza. Infine, con l’obiettivo di guidare le scelte dei gestori delle ferrovie locali nell’ottimizzazione degli investimenti in presenza di budget limitati, il processo di gestione del rischio è stato integrato con Benefit-Cost Analysis. Per comprendere gli effetti delle caratteristiche progettuali delle ferrovie locali sul processo di gestione del rischio, vengono analizzati gli effetti della differente infrastruttura e del materiale rotabile propri delle reti locali. I dati raccolti in due campagne di monitoraggio ad alta precisione su una linea ferroviaria locale costituiscono la base per la valutazione del degrado della geometria del tracciato e del suo ruolo sul rischio di deragliamento. Vengono studiati gli effetti di curvatura, pendenza, tipo di sovrastruttura e carichi sul degrado dello Scartamento, Livello Longitudinale, Allineamento e Sghembo. Inoltre, viene valutato l'effetto delle caratteristiche del materiale rotabile sulla distanza di arresto tramite 25 test di frenatura a scala reale. I risultati ottenuti sono stati poi utilizzati per calibrare due formule empiriche comunemente utilizzate nell’ambito delle ferrovie standard. Infine, il framework è stato validato come strumento di supporto decisionale nell’ambito della gestione del rischio nelle gallerie e nei passaggi a livello della Ferrovia Circumetnea (FCE), una ferrovia a scartamento ridotto che collega diverse piccole città sulle pendici dell'Etna, in Sicilia. L’applicazione ha consentito di verificare l’efficacia del framework nel valutare il livello di rischio e prioritizzare i possibili interventi per controllarlo e ridurlo.