Development of diagnostic systems to guide the maintenance of vehicles and infrastructure for metro lines

Railway transportation plays a central role in modern mobility by supporting large scale passenger and freight movement while maintaining relatively high energy efficiency. Within this framework, metro networks represent a fundamental component of urban public transport and serve as the operational backbone of mobility in many large cities where millions of passengers depend on them every day. The operational requirements of these systems, characterized by high traffic volumes and dense service schedules, subject both the fixed infrastructure and rolling stock to sustained mechanical stress. As urban density increases and networks expand, the preservation of safety standards and service reliability requires increasingly precise asset management and maintenance strategies. This management is intrinsically complex because infrastructure components such as rails, fastening systems, and switches, as well as rolling stock assets including axles and wheel-sets, are all exposed to repeated forces generated at the wheel rail interface. This interaction is a highly dynamic and nonlinear contact process that governs the mechanical behavior of the entire system. Over time, these actions lead to progressive deterioration across multiple components with rates and manifestations that vary according to local operating conditions. The resulting structural deterioration produces transient dynamic and acoustic signatures that provide a direct representation of the current state of the system. When defects develop on the wheel tread or rail surface, the resulting increase in dynamic loading can intensify damage mechanisms such as rail corrugation and wheel flats. If these defects are not identified at an early stage, they may evolve into critical conditions that lead to higher maintenance demand, operational restrictions, and increased life cycle costs. Many existing diagnostic practices still rely predominantly on periodic inspections performed at predefined intervals. Although necessary, such procedures provide only discontinuous information and leave extended periods during which defects may emerge and develop unobserved. This lack of temporal resolution makes early detection difficult and prevents the reliable tracking of defect evolution over time. These constraints necessitate monitoring approaches capable of operating continuously under normal service conditions to produce information that is both technically reliable and operationally useful. In response to this requirement, this thesis develops and validates two condition monitoring systems based on research conducted over four years on the Milan metropolitan network. The first is a wayside monitoring system designed for the assessment of rolling stock condition, while the second is an onboard monitoring system designed to evaluate infrastructure condition using in service vehicles. Both systems rely primarily on acceleration measurements acquired from the dynamic response generated during train passage, with the wayside configuration additionally employing acoustic sensing to provide complementary diagnostic data. The work presented here addresses the full diagnostic chain, including detection, localization, classification, and temporal tracking of defects under real operating conditions for each monitoring system. The methodological development was guided by theoretical research, experimental investigation, and direct application to field data. By integrating real time measurements with data driven analysis, the developed framework enables the spatiotemporal tracking of anomalies and provides predictive insight into the evolving state of the network. The wayside system was developed using a dataset encompassing nearly one million train passages, while the onboard system was validated through more than 40,000 passages across the network. The results obtained during long term operation demonstrate that the proposed systems support earlier detection of degradation and more informed maintenance planning. The sustained use of these systems by the operator, ATM, confirms their practical value and technical effectiveness, as both are now formally integrated into the routine diagnostic and maintenance program of the network. Over a four year period, the wayside system facilitated the reprofiling of 933 bogies, contributing to a sevenfold reduction in vibration levels across the Milan network. Concurrently, the onboard system identified 781 anomalies, of which 191 major defects were resolved during an official operational span of two years. These outcomes substantiate the industrial importance of the proposed monitoring framework in enhancing both asset integrity and urban environmental quality.

Il trasporto ferroviario svolge un ruolo centrale nella mobilità moderna, supportando il movimento su larga scala di passeggeri e merci, mantenendo al contempo un livello relativamente elevato di efficienza energetica. In questo contesto, le reti metropolitane rappresentano una componente fondamentale del trasporto pubblico urbano e costituiscono la struttura operativa portante della mobilità in molte grandi città, dove milioni di passeggeri ne dipendono quotidianamente. I requisiti operativi di questi sistemi, caratterizzati da elevati volumi di traffico e da orari di servizio intensi, sottopongono sia l’infrastruttura fissa sia il materiale rotabile a sollecitazioni meccaniche continue. Con l’aumento della densità urbana e l’espansione delle reti, il mantenimento degli standard di sicurezza e dell’affidabilità del servizio richiede strategie di gestione e manutenzione degli asset sempre più precise. Questa gestione è intrinsecamente complessa, poiché i componenti dell’infrastruttura, come rotaie, sistemi di fissaggio e scambi, così come gli elementi del materiale rotabile, tra cui assili e sale montate, sono tutti soggetti a forze ripetute generate all’interfaccia ruota rotaia. Tale interazione costituisce un processo di contatto altamente dinamico e non lineare che governa il comportamento meccanico dell’intero sistema. Nel tempo, queste azioni determinano un deterioramento progressivo di molteplici componenti, con velocità e modalità che variano in funzione delle condizioni operative locali. Il degrado strutturale risultante genera segnali dinamici e acustici transitori che forniscono una rappresentazione diretta dello stato attuale del sistema. Quando si sviluppano difetti sulla superficie di rotolamento delle ruote o delle rotaie, l’aumento conseguente dei carichi dinamici può intensificare i meccanismi di danneggiamento, come la corrugazione della rotaia e i piatti di ruota. Se tali difetti non vengono identificati in una fase iniziale, possono evolvere in condizioni critiche che comportano un aumento della domanda di manutenzione, restrizioni operative e costi del ciclo di vita più elevati. Molte pratiche diagnostiche esistenti si basano ancora prevalentemente su ispezioni periodiche eseguite a intervalli predefiniti. Sebbene necessarie, tali procedure forniscono informazioni discontinue e lasciano intervalli temporali estesi durante i quali i difetti possono emergere e svilupparsi senza essere osservati. Questa mancanza di risoluzione temporale rende difficile la rilevazione precoce e impedisce il monitoraggio affidabile dell’evoluzione dei difetti nel tempo. Queste limitazioni rendono necessari approcci di monitoraggio capaci di operare in modo continuo durante le normali condizioni di esercizio, al fine di produrre informazioni tecnicamente affidabili e operativamente utili. In risposta a tale esigenza, questa tesi sviluppa e valida due sistemi di monitoraggio delle condizioni basati su ricerche condotte nell’arco di quattro anni sulla rete metropolitana di Milano. Il primo è un sistema wayside progettato per la valutazione dello stato del materiale rotabile, mentre il secondo è un sistema di monitoraggio a bordo, progettato per valutare le condizioni dell’infrastruttura utilizzando veicoli in esercizio. Entrambi i sistemi si basano principalmente su misure di accelerazione acquisite dalla risposta dinamica generata durante il passaggio dei treni, mentre la configurazione wayside impiega inoltre sensori acustici per fornire dati diagnostici complementari. Il lavoro qui presentato affronta l’intera catena diagnostica, includendo la rilevazione, la localizzazione, la classificazione e il monitoraggio temporale dei difetti in condizioni operative reali per ciascun sistema di monitoraggio. Lo sviluppo metodologico è stato guidato da ricerca teorica, indagine sperimentale e applicazione diretta a dati di campo. Integrando misure in tempo reale con analisi basate sui dati, il framework sviluppato consente il tracciamento spazio temporale delle anomalie e fornisce informazioni predittive sull’evoluzione dello stato della rete. Il sistema wayside è stato sviluppato utilizzando un dataset comprendente quasi un milione di passaggi di treni, mentre il sistema a bordo è stato validato attraverso oltre 40,000 passaggi sull’intera rete. I risultati ottenuti durante l’esercizio a lungo termine dimostrano che i sistemi proposti consentono una rilevazione più precoce del degrado e una pianificazione della manutenzione più informata. L’utilizzo continuativo di tali sistemi da parte dell’operatore ATM ne conferma il valore pratico e l’efficacia tecnica, poiché entrambi sono ora formalmente integrati nel programma ordinario di diagnostica e manutenzione della rete. In un periodo di quattro anni, il sistema wayside ha consentito la riprofilatura di 933 carrelli, contribuendo a una riduzione di sette volte dei livelli di vibrazione sulla rete milanese. Parallelamente, il sistema a bordo ha identificato 781 anomalie, di cui 191 difetti maggiori sono stati risolti durante un periodo operativo ufficiale di due anni. Questi risultati dimostrano l’importanza industriale del framework di monitoraggio proposto nel migliorare sia l’integrità degli asset sia la qualità ambientale urbana.