Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012
Summary NedTrain, a subsidiary of Dutch Railways, which is responsible for all the maintenance of the rolling stock of Dutch Railways, is implementing a closed toilet system in the rolling stock of Dutch Railways. European legislation prohibits the flushing of sewage and faeces directly onto the track. Dutch Railway and NedTrain have opted for a closed toilet system that is using a bioreactor supplied by AKW. According to the specification of the supplier, the bioreactor should operate for at least 90 days without break down. This is in line with the current three monthly maintenance cycle of the rolling stock. Reports done by supporting staff shows that the toilet system is often not available for use. This leads to aggravation with supporting staff and passengers. It also results in dispatch of rolling stock of the available fleet through additional arrivals at maintenance depot of the rolling stock. The performance of the closed toilet system is indicated in this research with servability, availability and reliability. This research will focus on the prediction and improvement of servability and availability of the closed toilet system in the rolling stock of Dutch Railways. The research objectives are thereby:
Provide more in-depth information on the availability of the closed toilet systems
Provide more in-depth information on the servability of the closed toilet systems
Provide NedTrain with a prediction model to assess the performance of the closed toilet system and thereby assist in future decision making to improve the servability to 75% and to improve the availability.
Firstly, analysis is done to the prerequisites of the closed toilet system and the aspects that have influence on the performance of the closed toilet system. Secondly, the performance indicators of the closed system considered are defined. Next a model is build and simulation is used to gain in-depth information. The closed toilet system will be divided into three elementary systems: vacuum toilet, bioreactor and supporting systems. The bioreactor is used as collector and treatment of the sewage and faeces unloaded from the vacuum toilet. Supporting systems, like the water tank, assist in the functioning of the vacuum toilet and bioreactor. The bioreactor is further being sub-divided into 3 systems flows: pneumatic flow, hydraulic flow and electrical flow. This research will only focus on the hydraulic flow. Sub-dividing the hydraulic flow system into solids reactor, transportation chamber, fluids reactor and lower and upper hygienisation unit makes it possible to analyse the processes of the sub-systems of the bioreactor. Aspects that have influence on the performance of the system can be classified into four groups: usage of the system, design of the system, maintenance program and the quality of the maintenance.
vi
Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012 This research has only focused on the environment of the system (rolling stock), the usage (passengers) and the maintenance program. The system can be assessed by its performance indicators; reliability, servability and availability. Servability is the probability a passenger may use the toilet system, availability is defined as the ability of the system to perform its function and reliability is determined as the probability that the toilet system does not fail in the time period of ninety days. A mathematical approach could be used to estimate the usage of the toilet system. However, the implementation of stochastic for the in proportional use of the toilet system and occurrence of failures makes this task very tedious. The closed toilet system is designed to function for at least 90 days without failure. To gain information, experimenting with real system will be time consuming. Therefore is chosen to model and use simulation for the closed toilet system. As many logistic systems are regulated by discrete decisions, and the problem stated can be seen as logistical problem, it is chosen to use discrete event simulation. The simulation model, covered in this research, provides NedTrain with a tool to gain insight into operational information regarding the servability and availability of closed toilet systems and regarding the maintenance depot visits and usability of the train. The generic model is flexible in various basic aspects of the closed toilet system. Train types, number of toilet systems and number of seats, usability and occupancy of the train, toilet system design as well as passenger characteristics, maintenance program and failure characteristics can be adjusted to suit the situation. As a consequence of the available data, an ICM4 is chosen as environment of the system model. The ICM4 is supplied with 2 closed toilet systems and 281 seats and has an average usage of 40 visits a day. The toilet system consists of a vacuum toilet, solids reactor, transportation chamber, fluids reactor, upper and lower hygienisation unit and a water tank. The initial situation is comprised of the input data of the analysis of the closed toilet system and of the input data of the aspects that have influence on the performance of the system. This situation is fed into the system model after which multiple simulation runs are executed. After assessing these results, adjustments are made to the input variables in search of improvement of the servability and availability of the closed toilet systems. The results of the initial situation show a mean servability of 58.5 percent and a mean availability of 67.2 percent within a confidence interval of 95%. This initial servability is significantly smaller than the required servability of 75 percent by Dutch Railways. In 5 years running, the train may visit the maintenance depot on average 55 times, 19 times scheduled and 36 times due to breakdown. The mean time ‘in operation’ of the train is 759 days. The maintenance interval has been adjusted to find an improved servability and availability. Decreasing the maintenance interval causes an increased servability and availability. A maintenance interval of 30 days gives a servability of 62.9 percent. Although the servability is improved, the vii
Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012 situation does not meet the required improvement. The total number of maintenance depot visits is increased to 81 visits (55 scheduled and 26 EBKs). This causes a reduction of 38 days that a train is ‘in operation’. The adjustment in reliability of the closed toilet system does meet the required servability of 75%. The results show increasing servability and availability when the reliability is increased. A mean servability of 75.2 percent and a mean availability of 85.4 percent are achieved when the system reliability is improved with 60 percent. An improved of 60 percent means that the closed toilet system has to reduce the number of failures with 41 failures to a maximum of 8 failures per closed toilet system in 5 years. A reduction of 35 failures can be achieved by improving the reliability of the bioreactor to 100 percent. The number of maintenance depot visits decreases with increasing the system reliability. On average, the number of visits is 21 with a system reliability improvement of 60 percent. The train may be ‘in operation’ 44 more days. As the initial situation portrays the situation with 2 toilet system in the train, the sensitivity of the number of toilet systems has been assessed against the servability and availability. Decreasing the number of toilet system causes in a negative deviation of servability and positive deviation in availability. Increasing the number of toilet system shows the opposite trend. Eleven cases achieving a required servability of 75 percent as well as improved availability. Not any of the cases is with adjusting the maintenance interval. The improved cases show a reduction of 30 to 36 maintenance depot visits per train in 5 years. This will result in a train with a larger ‘in operation’ time’ of 41 to 48 days per train in 5 years compared to the ‘ in operation’ time of 759 days in the initial situation. This research has discovered that simulation can be used to predict to help in improving the current railway toilet system. A basic simulation tool is built and is flexible in various basic aspects of the closed toilet system. Based on the answers of the eight sub-questions, a simulation and analysis tool is provided. This tool is able to predict the servability and availability in different situations. Situations are chosen with adjustments in maintenance interval and system reliability regarding the initial situation. The closed toilet system shows possibilities to improve the servability and availability to the requirement of Dutch Railways by increasing the system reliability or in combination with adding toilet systems to the train. The lack of operational data has however caused a barrier to gain more in-depth information of levels of the closed toilet system lower than the elementary systems. Gathering higher quality of data may result in more focused future decision making regarding the closed toilet systems.
viii
Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012
Summary (in Dutch) NedTrain, een dochter bedrijf van de Nederlandse Spoorwegen (NS), verantwoordelijk voor al het onderhoud aan het wagenpark van de NS, is bezig met het installeren van een gesloten toilet systeem in de treinen van de NS. Europese regelgeving verbiedt tegenwoordig het lozen van afvalwater en uitwerpselen rechtstreeks op het spoor. De NS en NedTrain hebben gekozen voor een gesloten toilet system met een bioreactor als opvang systeem. Dit systeem wordt geleverd door AKW. Volgens de specificaties van AKW, zou de bioreactor kunnen functioneren voor minimaal 90 dagen zonder defecten. Deze periode is in lijn met het huidige onderhoudsinterval van 3 maanden voor de treinen. Onderzoek en meldingen van personeel van de NS laten zien dat het gesloten toilet systeem vaak niet beschikbaar is voor gebruik. Dit leidt tot ergernissen onder het personeel en onder de reizigers. Tevens zorgt het ook voor onderbezetting van treinen van de beschikbare vloot door extra binnenkomsten bij het onderhoudsdepot. De prestaties van het gesloten toilet system zijn in dit onderzoek besproken aan de hand van de servicegraad, beschikbaarheid en betrouwbaarheid. Dit onderzoek concentreert zich op het voorspellen en verbeteren van de servicegraad en beschikbaarheid van het gesloten toilet system in de treinen van de NS. De doelstellingen van het onderzoeken zijn daarmee:
Zorg voor meer diepte informatie over de servicegraad van het gesloten toilet systeem
Zorg voor meer diepte informatie over de beschikbaarheid van het gesloten toilet systeem
Verschaf NedTrain met een voorspel model dat de prestaties van het gesloten toilet systeem helpt in te schatten en daarbij helpt in het maken van toekomstige beslissingen die betrekking hebben op het verbeteren van de servicegraad naar 75% en het verbeteren van de beschikbaarheid ten opzichte van de huidige situatie.
Ten eerste zijn er analyses uitgevoerd naar de eisen en randvoorwaarden van het gesloten toilet systeem en naar de aspecten die een invloed hebben op de prestaties van het gesloten toilet systeem. Ten tweede zijn de definities van de prestatie indicatoren van het gesloten toilet systeem bepaald. En vervolgens is er een model gemaakt van het systeem en is simulatie gebruikt om diepte informatie te krijgen. Het gesloten toilet systeem is verdeeld in 3 elementaire systemen: Het vacuüm toilet, de bioreactor en ondersteunende systemen. De bioreactor wordt gebruikt als opvang en behandeling voor het afvalwater en uitwerpselen na het doorspoelen van het vacuüm toilet. De ondersteunende system, zoals de water tank, helpen bij het functioneren van het vacuüm toilet en/of bioreactor. De bioreactor is op zijn beurt weer verder onderverdeeld in 3 groepen naar stromingen in het systeem: pneumatische stroom, hydraulische stroom en elektrische stroom. Dit onderzoek focust zich alleen op de hydraulische stroom. Het onderverdelen van de hydraulische stroom in vaste stoffen reactor, transport kamer, vloeistof reactor en boven en onderste hygiënisering kamer maakt het mogelijk om de processen van de subsystemen te analyseren. ix
Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012 De aspecten die invloed hebben op de prestaties van het systeem kunnen geclassificeerd worden in 4 groepen: het gebruik van het systeem, het ontwerp van het systeem, het onderhoudsprogramma en de kwaliteit van het onderhoud. Dit onderzoek concentreert zich alleen op de omgeving van het toilet systeem (de trein), het gebruik (reizigers) en het onderhoudsprogramma. Het systeem wordt beoordeeld worden aan de hand van de volgende prestatie indicatoren: betrouwbaarheid, servicegraad en beschikbaarheid. De servicegraad is de kans dat een reiziger het toilet kan gebruiken, de beschikbaarheid is gedefinieerd als the mogelijkheid dat het systeem zijn taak kan uitvoeren en de betrouwbaarheid is bepaald als de kans dat het systeem zonder defecten zijn functie kan uitvoeren in een periode van 90 dagen. Een wiskundige aanpak kan gebruik worden om de prestaties van het toilet systeem te schatten. Echter maakt de aanwezigheid van stochasten voor het niet evenredige gebruik van het toilet systeem en voor de aanwezigheid van defecten deze aanpak zeer tijdrovend. Net zoals het verkrijgen van informatie door te experimenteren in de werkelijke situatie tijdrovend is, omdat het toilet system ontworpen is te functioneren voor 90 dagen zonder defecten. Daarom is er voor gekozen een model te bouwen en simulatie te gebruiken voor het gesloten toilet systeem. Omdat veel logistieke systemen geregeld worden door discrete beslissingen en het probleem van dit onderzoek gezien kan worden als een logistiek probleem, is ervoor gekozen gebruik te maken van discrete event simulatie. Het simulatie model, beschreven in dit rapport, verschaft NedTrain met een gereedschap dat inzicht verschaft in operationele informatie met betrekking tot de servicegraad en beschikbaarheid van het gesloten toilet systeem en met betrekking tot het aantal onderhoudsdepot bezoeken. Het generieke model is flexibel. Trein types, aantal toilet systemen en zitplaatsen in de trein, beschikbaarheid en bezettingsgraad van de trein, het ontwerp van het gesloten toilet alsook de eigenschappen van de reizigers, onderhoudsprogramma en defecten kunnen aangepast worden om bepaalde situaties na te bootsen. Als gevolg van de beschikbare data, is een ICM4 gekozen als de omgeving waarin het toilet systeem zich bevindt. De ICM4 is voorzien van 2 toilet systemen, biedt aan 281 reizigers zitplaatsen en heeft een gemiddeld gebruik van 40 bezoeken per dag. Het toilet systeem bestaat uit een vacuüm toilet, vaste stoffen reactor, transport kamer, vloeistof reactor, boven en onder hygienisering kamer en een watertank. De huidige situatie bestaat uit de invoer gegevens bepaald door de analyse van het toilet systeem en door de analyse van de aspecten die invloed hebben op het toilet systeem. Deze situatie is ingevoerd in het model en vervolgens zijn meerdere simulatie runs uitgevoerd. Na het evalueren van de resultaten worden er aanpassen gemaakt aan de invoer data met als doel een verbeterde servicegraad en beschikbaarheid van het gesloten toilet systeem te vinden. De resultaten van het eerste scenario (huidige situatie) laten een gemiddelde servicegraad van 58.5% zien en een gemiddelde beschikbaarheid van 67.2%. Deze resultaten liggen allemaal binnen een x
Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012 betrouwbaarheidsinterval van 95%. De huidige servicegraad is significant kleiner dan de vereiste 75% van de NS. In een runtijd van 5 jaar bezoekt de trein 55 keer het onderhoudsdepot, hiervan zijn er 19 gepland en 36 ongepland (EBKs). De gemiddelde tijd dat een trein reizigers vervoer in deze periode komt overeen met 759 dagen van de 1826 dagen. Voor het tweede scenario worden er aanpassen gedaan aan het onderhoudsinterval om verbeterde servicegraad en beschikbaarheid te vinden. Het verkleinen van het interval resulteert in een verhoging van de servicegraad. Een maintenance interval van 30 dagen meet een servicegraad van 62.9%. Hoewel de servicegraad verbeterd is, de situatie voldoet niet aan de gestelde eis van de NS. Bij een onderhoudsinterval van 30 dagen zijn de overeenkomende binnenkomsten gelijk aan 55 geplande en 26 EBKs. Dit zorgt voor een vermindering van 38 dagen dat de trein reizigers vervoerd in 5 jaar. Aanpassing aan de betrouwbaarheid van het gesloten toilet systeem (scenario 3) voldoen wel aan de gestelde eis van een servicegraad van 75%. De resultaten laten een stijgende servicegraad en beschikbaarheid zien wanneer de betrouwbaarheid groter wordt. Bij een verbetering met 60% van de betrouwbaarheid, meten de resultaten van het simulatie model een servicegraad van 75.2% en een beschikbaarheid van 85.4%. Deze verbetering in vertrouwbaarheid betekent dat er in 5 jaar tijd nog maar maximaal 8 defecten mogen voorkomen ten opzichte van de 49 in de huidige situatie. Dit is een vermindering van 41 defecten, berekening laten zien dat een maximale vermindering van 35 defecten gerealiseerd kan worden wanneer de bioreactor betrouwbaarder wordt. De bezoeken van het onderhoudsdepot verminderen bij hogere betrouwbaarheid. Bij een betrouwbaarheidsverbetering van 60% zijn de bezoeken gedaald naar gemiddeld 21 (19 gepland), hierdoor vervoert de trein 44 dagen extra reizigers ten opzichte van de huidige situatie. Uiteindelijk is er een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd naar het aantal toilet system in de trein. Het verminderen van het aantal toiletten zorgt voor een verslechtering van de servicegraad van het systeem, maar wel een verbetering van de beschikbaarheid van een enkel toilet systeem. Het toevoegen van extra toiletten zorgt voor de tegenovergestelde trend. Elf situaties laten een verbeterd servicegraad groter dan 75% zien alsook een verbeterde beschikbaarheid. Al deze situaties komend door het verbeteren van de betrouwbaar van het toilet system en/of het toevoegen van 1 of 2 toilet systemen. De verbeterde situaties laten een vermindering van 30 tot en met 36 aan onderhoudsdepot bezoeken zien per trein. Dit resulteert in minimaal 41 en maximaal 48 dagen dat een trein meer dagen reizigers vervoert in 5 jaar tijd vergeleken met de 759 dagen in de huidige situatie. Dit onderzoek heeft ontdekt dat simulatie gebruikt kan worden voor het voorspellen van de hulp die nodig is in het verbeteren van het huidige toilet systeem in de treinen. Een eenvoudig simulatie gereedschap is gebouwd en is flexibel voor verscheidene basis aspecten van het gesloten toilet systeem. Gebaseerd op de antwoorden op de 8 sub- vragen, is er een simulatie en analyse model gebouwd. Dit gereedschap is in staat om de servicegraad en beschikbaarheid in verschillende situaties te
xi
Prediction model of the servability and availability of the closed toilet system at Dutch Railways 2012 voorspellen. De situaties die in dit onderzoek gekozen zijn hebben aanpassingen aan het onderhoudsinterval of aan de betrouwbaarheid van het systeem. Het gesloten toilet systeem laat mogelijkheden zien om de servicegraad en beschikbaarheid te verbeteren naar de vereisten van de NS door de betrouwbaarheid van het gesloten toilet systeem te verbeteren of in combinatie met het toevoegen van 1 of 2 extra toiletten. Het gebrek aan operationele data zorgt echter voor een belemmering om meer diepte informatie te verschaffen lager dan een onderverdeling in elementaire systemen. Het verzamelen van hogere kwaliteit aan data zal resulteren in betere assistentie in toekomstige beslissingen die genomen moeten worden aangaande de prestaties van het gesloten toilet systeem.
xii
