2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 209 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken Prof. Dr. sc. techn. ETH Rade Hajdin Infrastructure Management Consultants GmbH, Zürich Dr.-Ing. Tim Blumenfeld Infrastructure Management Consultants GmbH, Mannheim Dr. Dipl.-Bauingenieur UB Nikola Tanasić Infrastructure Management Consultants GmbH, Mannheim Dr. sc. ETH Dipl.-Ing. Frank Schiffmann Infrastructure Management Consultants GmbH, Mannheim Zusammenfassung Infrastrukturbauwerke stellen eine Schlüsselfunktion innerhalb von Verkehrsnetzen dar und müssen eine Vielzahl an Leistungsanforderungen erfüllen. Die frühzeitige Planung von geeigneten Erhaltungsmaßnahmen zur Sicherstellung der Leistungserfüllung sollte datenbzw. informationsgestützt erfolgen. Die Grundlage hierfür bilden die durch die regelmäßige Bauwerksprüfung, dokumentierten Schäden und die dafür hinterlegte Zustandsbewertung. Neben den Bauwerksdaten des Einzelobjekts sind zusätzliche netzbezogene Daten von großer Relevanz für die Entscheidungsfindung. Dazu werden Daten aus verschiedensten Erfassungsquellen verarbeitet, um entscheidungsrelevante Informationen zu gewinnen. Für diese Verarbeitung bedarf es eines Kennzahlensystems, das auf Schlüssel- (KPI) und Leistungsindikatoren (PI) basiert. Die PI beziehen sich auf spezifische KPI, die die Leistung eines Bauwerks oder Verkehrsnetzes widerspiegeln. In diesem Beitrag wird eine Methodik für die Erstellung eines indikatorengestützten Kennzahlensystems aufgezeigt, das die KPI Zuverlässigkeit, Nutzersicherheit, Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit beinhaltet und für das Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken genutzt werden kann. Die Methodik wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes prototypisch umgesetzt und anhand von Anwendungsbeispielen erprobt. 1. Einführung Eine zuverlässige und sichere Verkehrsinfrastruktur ist eine wesentliche Voraussetzung für gesellschaftlichen Fortschritt, da sie die Mobilität von Gütern und Menschen erlaubt auf der Straße, der Schiene oder dem Wasser. Um die hohe Qualität der Dienstleistungen sicherzustellen, welche die Infrastruktur ihren Nutzern bietet, sind angesichts der Alterung, des fortgeschrittenen Verschleißes und der steigenden Verkehrsnachfrage umsichtige Erhaltungsmaßnahmen erforderlich. 1.1 Ausgangslage In einer PIARC-Umfrage zu innovativen Ansätzen im Asset Management wurden insgesamt 64 Experten aus 37 Ländern nach der Verwendung von Leistungszielen und -indikatoren befragt [1]. Dabei gehörten die Leistungsziele für „Sicherheit“ und „Lebenszykluskosten“ zu den am häufigsten genannten Kriterien (Abbildung 1). Die Ergebnisse der Umfrage zeigen, dass die für das Anlagenmanagement zuständigen Infrastruktureigentümer bzw. -betreiber in der Praxis meist auf zustandsbasierte Ansätze zurückgreifen, um ihre Leistung zu bewerten. Es zeigte sich jedoch, dass in einigen Ländern auch Ansätze, die Key Performance Indicators (KPIs) beinhalten, entwickelt werden oder bereits etabliert sind (z.-B. [2]). Dennoch existiert bisher kein allgemeines Konzept für die Bewertung von KPIs und deren Verwendung bei der Entscheidungsfindung zur optimalen Planung von Erhaltungsmaßnahmen für Verkehrsnetze. Das Hauptziel der COST-Action TU1406 der EU bestand darin, eine Methodik für die Qualitätskontrolle von bestehenden Straßenbrücken mithilfe von KPIs zu entwickeln. Ursprüngliches Ziel war es, diejenigen Leistungsindikatoren (PI) für Brücken zu identifizieren, die das Verhalten und die Eigenschaften erfassen, die bereits in den nationalen Normen und Vorschriften enthalten sind (vgl. [3]). Berücksichtigt wurden dabei natürliche Schadensprozesse, die Bauweise, die Qualität der Baustoffe, etc. Die umfangreiche Liste der PI wurde auf Orthogonalität geprüft und erheblich gestrafft. In einem weiteren Schritt wurden diese den KPI zugewiesen. Folgende KPI wurden dabei gewählt: Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umwelt. 210 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken Abb. 1: Absolute Häufigkeiten der KPIs [1] Folgende PI haben bspw. einen Einfluss auf die KPI: - Belastungsfaktor, Zuverlässigkeitsindex - Zustandsindex, Zustandsnote - Robustheit - LCC-Kosten, Dauerhaftigkeit - CO 2 -Fußabdruck Ein weiteres Ziel war die Entwicklung einer Methodik für die Erstellung von Qualitätskontrollplänen für verschiedene Brückentypen (vgl. [4]). Zu diesem Zweck wird die Entwicklung von Schadensprozessen berücksichtigt, die die Leistung von Brücken erheblich beeinträchtigen können. Die Methodik für die Qualitätskontrolle basierte auf den erwähnten KPI: Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umwelt. Es wurde vorgeschlagen, die KPI-Werte im Zeitverlauf in einem dreidimensionalen Spinnendiagramm (Abbildung 2) darzustellen und das Volumen eines solchen 3D-Körpers als Maß für den Vergleich von Erhaltungsstrategien zu verwenden. 1.2 Zielsetzung Um das volle Potenzial dieses Ansatzes zu nutzen, wurde als weiterer Schritt vorgeschlagen, alle KPIs auf Netzebene zu bewerten und dabei mehrere Anlagen zu berücksichtigen. In diesem Beitrag werden die Grundlagen eines quantitativen Rahmens für die Entscheidungsfindung auf der Grundlage einer KPI-Bewertung vorgestellt, der in einen webbasierten Prototyp integriert wurde. Aufgrund der begrenzten Länge dieses Beitrags wird hier ein kurzer Überblick zu dem entwickelten Prototyp gegeben, während die Details zu den Eingangsdaten, Funktionen und Teilmodellen Teil zukünftiger Veröffentlichungen sein werden bzw. auf [5] verwiesen wird. Abb. 2: Darstellung des zeitlichen Verlaufs der KPIs Zuverlässigkeit, Sicherheit, Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Umwelt [4] 2. Methodik Basierend auf dem Stand der Technik und der Forschung (u.- a. COST-Action TU1406) zu den vorhandenen Ansätzen des Lebenszyklusmanagements kann resümiert werden, dass sich die folgenden vier KPIs für die Integration in der Entscheidungsfindung in den Zielen der Infrastrukturbetreiber von Ingenieurbauwerken widerspiegeln: Zuverlässigkeit, Sicherheit für die Nutzer, Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit. Darüber hinaus sollte der Aspekt der Wirtschaftlichkeit, der sich z.-B. auf die Kosten von Erhaltungsmaßnahmen bezieht, separat betrachtet werden, indem die Wirksamkeit der zu wählenden Erhaltungsmaßnahmen zur Verbesserung der vier KPIs bewertet wird. Die größte Herausforderung bei der Erstellung eines Kennzahlensystems besteht darin, die geeigneten PIs auszuwählen, die zur Messung der genannten KPIs verwendet werden können. Solche PIs sollten die Daten berücksichtigen, die von den Infrastruktureigentümern bzw. -betreibern bereits gesammelt/ vorgehalten werden (z.-B. bei Verkehrssimulationen und Bauwerksprüfungen). Es ist hervorzuheben, dass die Werte der KPIs für Zuverlässigkeit und Sicherheit für die Nutzer sich im Laufe der Zeit aufgrund eines langsamen, beobachtbaren Verfallsund/ oder Verschleißprozesses verändern (d.-h. verschlechtern). Die KPIs für Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit werden dagegen nur von den geplanten Aktivitäten, d.-h. den im Voraus festgelegten Erhaltungsmaßnahmen, beeinflusst, die in den folgenden Abschnitten näher erläutert werden. 2.1 KPI Zuverlässigkeit Die Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Anlage (z.-B. ein Brückenbauwerk) während ihrer Lebensdauer funktionsfähig ist. Sie ist das Gegenteil der Wahrscheinlichkeit eines strukturellen Versagens, eines betrieblichen Versagens oder einer anderen Art von Versagen (z.- B. gefährliche Abplatzungen), die durch Bestimmungen des Eigentümers/ Betreibers der Infrastruktur oder durch Normen und Standards definiert ist. Der 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 211 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken Zuverlässigkeitsindex β wird üblicherweise verwendet, um die Zuverlässigkeit eines Bauwerks zu bewerten. Die Berechnung der β-Werte auf der Grundlage der bei der Bauwerksprüfung festgestellten Schäden kann sehr kompliziert sein. Ein einfaches, aber umfassendes Tragwerksmodell, das auf Bestandsdaten und dem Urteilsvermögen eines Ingenieurs basiert, kann jedoch ausreichen, wie in [4] beschrieben und in [6] veranschaulicht. Die Zuverlässigkeit auf der Netzebene bezieht sich auf diejenigen Fälle, in denen eine oder mehrere Anlagen im Netz ausfallen und dadurch die Fahrt innerhalb eines Teilnetzes von Punkt A nach Punkt B verhindert wird. Im Allgemeinen können die Anlagen in einem Netz durch eine serielle oder parallele Verbindung verbunden sein (d.- h. eine Umleitungsstrecke ist verfügbar), und alle möglichen Kombinationen von Anlagenausfällen müssen für ein analysiertes Netz ermittelt werden. In Abbildung 3 gibt es 5 Anlagen, von denen mindestens zwei gleichzeitig ausfallen müssen, um die Fahrt von A nach B zu verhindern. Die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls eines Teilnetzes wird berechnet, indem alle Kombinationen von Anlagenausfällen, die das Netz in einen Ausfallzustand versetzen, als sich gegenseitig ausschließende Ereignisse betrachtet werden (d.-h. die Eintrittswahrscheinlichkeiten der Kombinationen können addiert werden). Abb.-3: Kombinationen von sich gegenseitig ausschließenden Anlagenausfällen, die eine Fahrt von A nach B in einem exemplarischen Teilnetz verhindern 2.2 KPI Nutzersicherheit Der KPI der Nutzersicherheit berücksichtigt die Sicherheit (von Leib und Leben) aller Verkehrsteilnehmer (z.-B. Personen- und Güterverkehr), kann aber auch auf die Sicherheit von Personen und Objekten in der unmittelbaren Nähe eines Ingenieurbauwerkes erweitert werden. In diesem Zusammenhang wird davon ausgegangen, dass die Verkehrsteilnehmer unter Berücksichtigung der äußeren Umstände angemessene Vorsicht und die übliche Sorgfalt walten lassen. Ein geeigneter PI, der hierfür verwendet werden kann, ist die Unfallrate oder die Anzahl der Unfälle, bei denen der Unfall auf einen sicherheitsgefährdeten Zustand einer Anlage oder eines Anlagenteils zurückzuführen ist. Eine Schätzung des Anteils der Unfälle, die auf Infrastrukturschäden zurückzuführen sind, sollte auf einer Kombination von Erkenntnissen aus Unfallstatistiken (z.-B. [7] und [8]), Studien (z.-B. [9]), Leitlinien (z.-B.-[10]) und der tatsächlichen Anzahl der Fahrzeuge, die das Netz bzw. den Streckenabschnitt jährlich befahren, basieren. Dabei sollte zudem die jährliche Verkehrszunahme/ -abnahme berücksichtigt werden, um die PI im Laufe der Zeit zu prognostizieren. Hinsichtlich der besonderen Arten von Schäden und der damit verbundenen Schwere, die eine Unfallursache sein können, sollten Schätzungen auf der Grundlage verfügbarer Studien (z.-B. [11]) vorgenommen werden. 2.3 KPI Verfügbarkeit Die Verfügbarkeit kann als der prozentuale Anteil der Zeit innerhalb eines Zeitintervalls definiert werden, in der eine Anlage die ihr zugewiesene Funktion erfüllt. Dabei ist es unerheblich, ob der Funktionsausfall durch eine geplante Maßnahme oder durch ein Bauwerksversagen verursacht wird. Es ist jedoch zu beachten, dass es verschiedene Arten von Verkehrsbeschränkungen geben kann, wie z.-B. Gewichtsbeschränkungen für Fahrzeuge, Sperrungen von Fahrspuren und Geschwindigkeitsreduzierungen. Verkehrsbeschränkungen können zu externen Kosten für die Nutzer in Form von zusätzlichen Ausgaben aufgrund von Zeitverlusten, höherem Kraftstoffverbrauch oder einer höheren Unfallrate führen (z.-B. [12], [13]). In den meisten Fällen kann die zusätzliche Reisezeit als angemessener PI zur Messung der KPI-Verfügbarkeit angesehen werden. Die zusätzliche Reisezeit sollte mit Hilfe eines Verkehrsmodells und entsprechender Verkehrssimulationen für verschiedene Szenarien von Verkehrsbeschränkungen auf den Anlagen abgeschätzt werden (z.-B. [14], [15]). 2.4 KPI Nachhaltigkeit Der Begriff Nachhaltigkeit umfasst sowohl ökologische, wirtschaftliche und soziokulturelle als auch funktionale Aspekte. Zu den Umweltaspekten gehören beispielsweise die Möglichkeit des Recyclings von Baumaterialien/ Bauteilen und die Minimierung der Umweltauswirkungen während der Nutzungsdauer einer Anlage. Soziologische und funktionale Kriterien sind z.-B. die Mobilitätsbedürfnisse, geringe Lärmbelästigung etc. Über den Inhalt und die Bedeutung von Indikatoren für soziale Aspekte gibt es in der Literatur jedoch kein einheitliches Meinungsbild. Die Bewertung der Nachhaltigkeitskennzahlen in der Praxis kann aufgrund der vielen Unsicherheiten und des Mangels an Daten eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Von allen Nachhaltigkeitsaspekten ist es am einfachsten, die Umweltauswirkungen zu berücksichtigen. Hier beziehen sich die PI im Allgemeinen auf die Luftverschmutzung (d.-h. Emissionen), die aus zwei Quellen stammen: - Emissionen (NO x , CO 2 , etc.) aufgrund von Instandhaltungsmaßnahmen (Materialproduktion, Transport, graue Energie, etc.). - Emissionen (NO x , CO 2 , etc.) aufgrund zusätzlicher Fahrstrecken, die verschiedene Fahrzeuge auf Umleitungsstrecken zurücklegen [16]. 2.5 Planung von Erhaltungsmaßnahmen Der erste Schritt bei der Planung von Erhaltungsmaßnahmen erfolgt auf der Ebene der Anlagen. Das Ziel der 212 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken durchgeführten Erhaltungsmaßnahmen ist es, die Werte der KPIs Zuverlässigkeit und Sicherheit der Nutzer im analysierten Zeitintervall zu verbessern. Die Kosten der Maßnahmen und ihr Zeitplan müssen ebenso berücksichtigt werden wie die Kaskadeneffekte auf das Netz. Es kann vorkommen, dass mehrere Anlagen gleichzeitig instandgesetzt oder erneuert werden, was zu einer geringeren Verfügbarkeit des Netzes führen kann (d.-h. zu zusätzlichen Fahrzeiten aufgrund von Staus und Umleitungen). Erhaltungsmaßnahmen können auch negative Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit haben. Eine Auswirkung sind die Emissionen, die durch den Herstellungsprozess von Materialien entstehen, die für die Maßnahme verwendet werden. Ein weiterer Effekt tritt bei der Umsetzung der Maßnahme auf und spiegelt sich in erhöhten Schadstoffemissionen aufgrund zusätzlicher Fahrtzeiten der Verkehrsteilnehmer wider. Die rein verkehrsregelnden Maßnahmen wie Geschwindigkeitsreduzierung, Belastungsbegrenzung und Fahrbahnsperrungen zur Verringerung der Schadensentwicklung oder zur Reduzierung einer möglichen Unfallzahl sind nicht Gegenstand der Untersuchung. 2.6 Normierung der KPIs Im Allgemeinen können PIs unterschiedliche native Einheiten haben und bei der Bewertung eines KPI unterschiedlich wichtig sein. Um dies zu berücksichtigen, ist es sinnvoll, eine Normalisierung durchzuführen, bei der die nativen Einheiten der PIs auf einer Skala von 1 bis 5 skaliert werden (1 ist der beste Wert und 5 der schlechteste Wert). Die Klammern für die Skala der nativen Einheiten können für jeden PI willkürlich gewählt werden, um heuristischen Regeln einer Agentur, die die Infrastruktur verwaltet, Rechnung zu tragen. Für zwei oder mehr PI, die sich auf einen KPI beziehen, gibt es verschiedene Möglichkeiten der KPI-Bewertung, z.-B. wird ein maximaler PI-Wert angenommen oder eine gewichtete Summe der PI gebildet. Im ersten Fall wird jeder PI skaliert und das Maximum (in diesem Fall der schlechteste Wert) aller PI wird als Proxy für den KPI-Wert genommen. Im zweiten Fall wird jeder Parameter skaliert und dann eine gewichtete Summe der PI ausgewertet, um den normalisierten KPI-Wert zu ermitteln. Es sei darauf hingewiesen, dass neben der Normierung auch eine Monetarisierung der PI möglich ist, wenn entsprechende Studien vorliegen (z.-B. [17], [18]), jedoch ist keiner der beiden Ansätze für die Bewertung von KPIs zwingend erforderlich. 2.7 Vergleich von Erhaltungsstrategien Die Werte der normierten KPI im Laufe der Zeit werden auf vier Achsen als 3D-Spinnendiagramm aufgetragen. Das Volumen des erhaltenen 3D-Körpers ist ein einheitsloser Wert, der zum Vergleich der Wirksamkeit von Erhaltungsstrategien verwendet werden kann (Abbildung-4). Der Querschnitt eines 3D-Körpers zu einem Zeitpunkt t stellt die Werte der KPI (t) dar. Die „Einschnitte“ innerhalb des 3D-Körpers beziehen sich auf die Zeitpunkte, in denen die KPI-Werte erheblich reduziert sind (z.-B. aufgrund der Zustandsverschlechterung des Bauwerks oder einer Erhaltungsmaßnahme). Abb.-4: Vergleich von Erhaltungsstrategien - 3D-Darstellung und orthogonaler Schnitt der KPI. 3. Prototypische Umsetzung Der theoretische Rahmen für die Bewertung der vier KPIs wurde im Rahmen eines webbasierten IT-Prototyps [5] umgesetzt, der die in Deutschland verwendete Methodik zur Bewertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfung [19] berücksichtigt. Die Funktionalitäten des Prototyps werden anhand eines beispielhaften Teilnetzes und vier Ingenieurbauwerken demonstriert (Abbildung-5). Der Prototyp verfügt über die folgenden Funktionen: - Auswertung der KPIs auf der Anlagenebene im zeitlichen Verlauf (Zuverlässigkeit und Sicherheit) - Definition von Erhaltungsszenarien pro Anlage - Auswertung von KPIs auf der Netzebene im zeitlichen Verlauf für eine vordefinierte Erhaltungsstrategie - Normierung der KPIs auf einer Skala von 1,0-5,0 - Vergleich von Erhaltungsstrategien auf der Grundlage der zeitlichen Entwicklung der KPIs und der korrespondierenden Erhaltungskosten. Abb.-5: Das Hauptfenster des Prototyps, das sowohl das GIS als auch eine schematische Darstellung des beispielhaften Teilnetzes zeigt. In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen Funktionalitäten des Prototyps näher erläutert. 3.1 Bewertung von KPIs auf Anlagenebene und Auswirkungen von Erhaltungsmaßnahmen Jede Brücke im analysierten Teilnetz wird durch ein vereinfachtes Tragwerkssystem (z.-B. einen einfach gestützten Balken) modelliert. Die Schadensarten, der zugehörige Ort und der Schweregrad können zu einem Bauwerk hinzugefügt werden (die Tabelle „Schadensliste“ in Ab- 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 213 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken bildung 6). Die Vorgehensweise zur Erfassung und Bewertung von Bauwerksschäden entspricht der aktuellen Praxis gemäß DIN 1076 [19]. Die Maßnahmen (Tabelle „Maßnahme“ in Abbildung 6) sind mit Art der Maßnahme (Instandsetzung, Teilerneuerung, Ersatzneubau), Zeitplan (Jahr der Durchführung, ggf. wiederkehrendes Ereignis), Kosten und Umfang (Wirkung auf einen oder mehrere Schäden) vordefiniert. Die CO 2 -Emissionen, die durch die vordefinierten Maßnahmenaktivitäten verursacht werden, werden auf der Grundlage des Maßnahmentyps sowie der Art, der Geometrie und des Materials eines Bauwerks grob abgeschätzt. Die angenommenen PIs für den KPI Zuverlässigkeit sind Zuverlässigkeitsindizes β für den Grenzzustand der Tragfähigkeit und den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (obere Grafik in Abbildung-7). Dabei werden zwei mögliche Versagensarten pro Grenzzustand (Biegung und Querkraft) für die LM1-Belastung nach DIN EN 1991-2: 2010-12 berücksichtigt. Der angenommene PI zur Bewertung der KPI Sicherheit für die Nutzer ist die Anzahl der potenziellen Unfälle aufgrund von Schäden an dem Ingenieurbauwerk (untere Grafik in Abbildung-7). Diese Anzahl wird auf der Grundlage der extern an den Prototyp gelieferten Daten geschätzt, die Unfallstatistiken sowie das gemessene jährliche durchschnittliche tägliche Verkehrsaufkommen sowie die benutzerdefinierte jährliche Verkehrszunahme umfassen. Abb.-6: Schadensliste für eine Anlage (oben) und Definition eines Maßnahmenszenarios (unten) Die Auswirkungen von Schäden auf die PI werden mit Bayes‘schen Netzen modelliert. Die zeitliche Entwicklung der vorliegenden Schäden wird mit Hilfe eines Markov-Prozesses modelliert. Die Auswirkungen einer Maßnahmenanwendung auf die PIs innerhalb eines Jahres sind in Abbildung 7 als plötzlicher Anstieg der Zuverlässigkeitswerte und Rückgang der Anzahl der Unfälle dargestellt. Abb.-7: Zeitliche Entwicklung der PIs und Auswirkungen einer vordefinierten Erhaltungsmaßnahme 3.2 Bewertung der KPIs auf Netzebene und Auswirkungen der Erhaltungsstrategien Wenn alle Erhaltungsszenarien pro Anlage definiert sind, kann die Erhaltungsstrategie auf Netzebene definiert werden (Abbildung 8). Die diskontierten Kosten werden für einen benutzerdefinierten Diskontierungssatz berechnet. Die Bewertung der KPI-Verfügbarkeit erfolgt unter Berücksichtigung der zusätzlichen Reisezeit für den Personen- und Güterverkehr aufgrund der geplanten Erhaltungsmaßnahmen innerhalb eines Jahres (Abbildung 9). Dabei handelt es sich um externe Daten des Prototyps, die aus Verkehrssimulationen entstammen und die verkehrlichen Auswirkungen der Baumaßnahmen an den Ingenieurbauwerken für alle möglichen Kombinationen innerhalb des analysierten Netzes ermitteln. Die Ergebnisse der Verkehrssimulationen werden zudem für die Bewertung des KPI Nachhaltigkeit verwendet, der die CO 2 -Emissionen der Verkehrsteilnehmer (Personen- und Güterverkehr) berücksichtigt, die aufgrund von Umleitungsstrecken zusätzlich entstehen. 214 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken Abb.-8: Festlegung von Erhaltungsstrategien für das Netz und Überblick über die Ausgaben Die Ermittlung des KPI Zuverlässigkeit für ein Netz wird in den folgenden Schritten beschrieben. Zunächst wird die maximale Ausfallwahrscheinlichkeit pro Anlage separat für den Grenzzustand der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit über ein Intervall berechnet, wobei beide Ausfallarten (Biegung, Querkraft) berücksichtigt werden. Anschließend werden die Fälle gleichzeitiger Ausfälle von Anlagen im analysierten Netz (Abbildung 5) ermittelt, die die Fahrt vom Startpunkt zum Ziel verhindern (vgl. Abbildung 3). Anschließend werden die Ausfallwahrscheinlichkeiten für die identifizierten Fälle addiert. Als Ergebnis erhält man schließlich die Zuverlässigkeitsindikatoren β für die ULS- und SLS- Zustände. Abb.-9: Bewertung der KPIs Verfügbarkeit und Wartbarkeit für eine gewählte Erhaltungsstrategie Der KPI für die Sicherheit der Nutzer auf der Netzebene wird als Summe aller potenziellen Unfälle pro Anlage innerhalb eines Netzes quantifiziert. 3.3 Normierung der KPIs und Vergleich von Erhaltungsstrategien Die KPIs auf der Netzebene werden auf einer Skala von 1-5 (1 ist die beste, 5 die schlechteste) auf der Grundlage der benutzerdefinierten Klassengrenzen für den jeweiligen PI normalisiert. Abbildung 10 zeigt ein Beispiel für die Normierung des KPI Verfügbarkeit. Zunächst werden die beiden PIs, zusätzliche Reisezeit für den Personenverkehr („Zeit_DTV“) und den Güterverkehr („Zeit_SV“), unter Verwendung unterschiedlicher Klassengrenzen normiert. Die erkennbaren „Abfälle“ des KPI-Wertes beziehen sich auf diejenigen Zeitpunkte, zu denen eine Erhaltungsmaßnahme durchgeführt wird (vgl. Abb. 10). Abb.-10: Normierung der Werte von PIs zur Berechnung der KPI-Verfügbarkeit Bei der Durchführung einer KPI-Normierung können die Erhaltungsstrategien für das analysierte Netz verglichen werden, wobei die Zeitpräferenz bei der Bewertung des Verhältnisses von 3D-Volumenkörper und Strategiekosten (DV/ DK-Verhältnis) berücksichtigt wird (vgl. Abbildung 11). Abb.-11: Vergleich von Erhaltungsstrategien im Prototyp und Visualisierung der normierten KPIs für ein definiertes Jahr 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 215 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken Die Strategie mit einem größeren Verhältniswert ist zu bevorzugen. Die 3D-Darstellung der KPI über die Zeit, d. h. der 3D-Volumenkörper, kann für ausgewählte Zeitintervalle visualisiert werden (Abbildung 12). Abb.-12: 3D-Visualisierung des KPI-Plots im Zeitverlauf für eine gewählte Erhaltungsstrategie 4. Resilienzbewertung und Weiterentwicklungspotentiale Das Maß der Zielerreichung (ausgedrückt durch die dargestellten KPI) beschreibt den Nutzen des Netzabschnittes für alle Stakeholder (Nutzer, Betreiber, Gesellschaft etc.). Dies bedeutet, dass die Ausprägung der KPI die Leistung (d.- h. die Qualität) eines Verkehrsnetzes im Laufe der Zeit widerspiegeln. Das Volumen des 3D-Körpers innerhalb eines Jahres (Vol(t)) kann somit als Maß für die Bewertung der Resilienz des Netzes gegenüber plötzlichen Ereignissen herangezogen werden. Dieses Volumen entspricht der Fläche des Spinnendiagramms in Abbildung 11, integriert über die Dauer eines Jahres. Das maximale Volumen ist folglich dann erreicht, wenn alle KPI die maximalen, d.-h. die besten Werte aufweisen. Wie in Abbildung 13a dargestellt, wirkt sich die Zustandsverschlechterung der Anlagen innerhalb eines Netzes auf die KPI-Werte aus, so dass das Volumen im Laufe der Zeit abnimmt. Im Falle eines plötzlichen Ereignisses, sinkt das Volumen, da eine oder mehrere Anlagen ausfallen. Während der Wiederherstellungszeit kann das Volumen weiter sinken, steigen oder wie in diesem Beispiel konstant bleiben. Eine vollständige Wiederherstellung würde bedeuten, dass die KPI-Werte zu den Maximalwerten zurückkehren, was sich in einem plötzlichen Anstieg von Vol(t) auf bis zu 100 % widerspiegelt. Wird eine rechtzeitige Instandhaltungsmaßnahme an der/ den Anlage(n) durchgeführt, um einen übermäßigen Verfallsprozess zu unterbinden (Abbildung-13b), würde das Volumen durch ein plötzliches Ereignis in geringerem Maße beeinträchtigt als ohne Instandhaltungsmaßnahme (z.- B. weniger Ausfälle und kürzere Erholungszeit). Während der Maßnahme wird das Volumen leicht reduziert, da die KPI der Verfügbarkeit und der Nachhaltigkeit betroffen sind. Daraus ist erkennbar, dass eine Maximierung des Volumens des 3D-Körpers (Abbildung 12) auch die Widerstandsfähigkeit eines Ingenieurbauwerks gegenüber plötzlichen Ereignissen erhöht. Für eine mittelbis langfristige Erhaltungsplanung auf der Basis einer Resilienzbewertung ist es zusätzlich notwendig, die Eintrittswahrscheinlichkeit von plötzlichen Ereignissen zu berücksichtigen, z.-B. durch eine Monte-Carlo-Simulation für verschiedene Zeitpunkte im betrachteten Zeitintervall. Abb.-13: Beispiel für die Bewertung der Resilienz eines Verkehrsnetzes für die Fälle: a) ohne Erhaltungsmaßnahme und b) mit präventiver Erhaltungsmaßnahme Der Aspekt der Resilienz von Ingenieurbauwerken zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegenüber plötzlichen Ereignissen auf der Grundlage des Volumens des 3D-Körpers wird derzeit bereits im Rahmen von weiteren Forschungstätigkeiten beleuchtet. 5. Zusammenfassung In diesem Beitrag wurde eine Methodik für das Lebenszyklusmanagement von Ingenieurbauwerken auf der Grundlage von Leistungszielen bzw. Schlüsselindikatoren (KPI) und zugeordneten Leitungsindikatoren (PI) vorgestellt, prototypisch umgesetzt und getestet. Dabei wurden die folgenden Schlüsselindikatoren für eine Leistungsbewertung der Bauwerke verwendet: Zuverlässigkeit, Sicherheit der Nutzer, Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit. Die dargestellte Methodik ist dabei eine Fortsetzung und Weiterentwicklung der methodischen Ansätze, die im Rahmen der EU COST TU1406 Action erarbeitet wurden, wobei in der vorliegenden Studie ein Schwerpunkt auf der Bewertung der KPI auf der Netzebene für mehrere Anlagen liegt. Die vorgestellte Methodik wurde in einem webbasierten Prototyp implementiert, um die Anwendbarkeit in der Praxis und eine zukünftige Verknüpfung zu bestehenden Managementwerkzeugen zu demonstrieren. Innerhalb des Prototyps kann die Analyse der KPI sowohl auf der Anlagenals auch auf der Netzebene unter Berücksichtigung verschiedener PI durchgeführt werden. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, Erhaltungsszenarien pro Anlage und Erhaltungsstrategien für das analysierte Netz zu definieren, die die Werte der KPI im Laufe der Zeit beeinflussen. Das Hauptmerkmal des Prototyps ist der Vergleich von Erhaltungsstrategien anhand eines 3D-Körpervolumens, das durch die KPI-Werte im Zeitverlauf definiert ist. Sowohl die Methodik als auch der Prototyp können kontinuierlich weiterentwickelt und erweitert werden, um eine verkehrsträgerspezifische Anwendung mit entsprechenden Leistungsindikatoren zu. Zuletzt besteht zudem die Möglichkeit die vorgestellte Methodik 216 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 KPI-basiertes Lebenszyklusmanagement von Infrastrukturbauwerken um den Aspekt der Resilienz zu erweitern und in den Prototypen zu integrieren. Danksagung Die Autoren danken der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) für die Finanzierung und fachlichen Betreuung dieser Forschung im Rahmen des Forschungsprojektes FE-69.0007/ 2020. Literatur [1] Technical Committee D.1 Management of infrastructure assets (2019). Innovative approaches in asset management. PIARC, Ref.: 2019R19EN. ISBN: 978-2-84060-541-6. https: / / www.piarc.org/ en/ order-library/ 31221-en-Innovative%20Approaches%20to%20Asset%20Management [2] Rijkswaterstaat (2012). Leidraad RAMS—sturen op prestaties van systemen (in Dutch). Den Haag: Ministerie van Verkeer en Waterstaat. [3] Strauss, A., Mandić, A. & Ivanković (2016). Performance Indicators for Roadway Bridges. TU1406 Cost Action, WG1 Technical Report. [4] Hajdin, R., Kusar, M., Masovic, S., Linneberg, P., Amado, J. & Tanasić, N. (2018). Quality Specifications for Roadway Bridges, Standardization at a European Level. TU1406 Cost Action, WG3 Technical Report - Establishment of a Quality Control Plan. 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