Transport infrastructure asset management : a holistic framework for transport infrastructure asset management applied for inland waterways

Abstract

In der europäischen Transportpolitik wird Binnenwasserstraßen schon länger eine hohe Bedeutung zugemessen, da sie im Vergleich zu anderen Verkehrsträgern einen deutlich geringeren Energieverbrauch und niedrigere Emissionen aufweisen und zudem geringere externe Kosten verursachen. Trotz freier Trans-portkapazitäten und eines äußerst geringen Bedarfs an Infrastrukturinvestitionen hat das Ausbleiben notwendiger Investitionen zu einer geringen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit sowie Mängel an Effizienz geführt, weshalb das Transportvolumen auf der Wasserstraße seit einigen Jahren stagniert. Im Gegensatz zu konkurrierenden Verkehrsträgeren wie Straße und Bahn haben zudem bislang methodische Ansätze für eine systemische Sichtweise des Verkehrsträgers gefehlt, die ein Management und eine Optimierung des Gesamtsystems Wasserstraße auf Basis von Lebenszyklusansätzen erlauben. Neben fehlenden Definitionen für eine durchgängige Zielqualität der Infrastruktur und national organisierten Verwaltungsapparaten limitiert auch die fallbezogene Maßnahmenplanung die Effizienz von Erhaltung und Entwicklung bzw. dem Verkehrsträger generell. Die Zielsetzung dieser Arbeit war es daher, einen neuartigen Asset Management Ansatz basierend auf bestehenden ausführlich dargestellten Methoden im Asset Management spezifisch für die Wasserstraße zu entwickeln. Die erstmalige Beschreibung der Infrastrukturqualität von Wasserstraßen auf Basis eines Verfügbarkeitsmodells bildet den methodischen Kern der Arbeit. Ein zentraler Bereich der Dissertation konzentriert sich daher auf die Entwicklung, mathematische Formulierung, Darstellung und Verifikation eines umfassenden Verfügbarkeitskriteriums. Der methodische Ansatz zum Asset Management von Binnenwasserstraßen repräsentiert die Sicht des Betreibers und beinhaltet eine konkrete Darstellung von Kosten, Wirkung und umweltschonender Umsetzung aller wesentlichen Maßnahmen im Hinblick auf diese Infrastrukturqualität anhand der Parameter Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Ebenfalls im Ansatz enthalten sind die Auswirkungen dieser Infrastrukturqualität auf die Nutzer (Transportkosten), wodurch alle Investitionen durchgängig sowohl für Betreiber alleine, als auch für Betreiber und Nutzer gemeinsam optimiert werden können. Anhand dieses Verfügbarkeitskriteriums wird gezeigt, dass eine Optimierung von Maßnahmen an einzelnen Stellen nur begrenzt wirtschaftlich effizient sein kann, wenn diese nicht in Hinblick auf eine durchgängige Verfügbarkeit einer gesamten Transportroute hin optimiert werden. Weiters zeigen die Ergebnisse der praktischen Umsetzung, dass die Optimierung auf eine durchgängig vorhandene, ausreichende Fahrrinnentiefe entscheidend ist, da in einem seriellen System eine einzelne Seichtstelle die Abladetiefe und damit die Auslastung der Flotte maßgebend limitiert. Die im Rahmen der Dissertation und einem Pilotprojekt für den österreichischen Abschnitt der Donau entwickelten Ansätze wurden bereits in einem Softwaretool mit dem Namen WAMS (Wasserstraßenmanagementsystem) umgesetzt. Dieses WAMS erlaubt die Analyse der Infrastrukturqualität und Planung von durchgängigen Erhaltungsmaßnahmen auf der gesamten österreichischen Donau und wird bereits im laufenden Betrieb der Wasserstraßenverwaltungs Ges.m.b.H VIADONAU erfolgreich eingesetzt. Die Analyse der empirischen Daten aus den durchgeführten Zustandserfassungen und umgesetzten Maßnahmen der letzten fünf Jahre zeigen eine klare Übereinstimmung des methodischen Ansatzes in Hinblick auf Nutzer- & Betreiberkosten sowie die Infrastrukturqualität. Die Resultate der Forschung belegen weiters, dass eine alleinige Umsetzung des entwickelten Ansatzes in Österreich aufgrund der langen Transportwege zu kurz greift, um die Wasserstraße dauerhaft wettbewerbsfähig gegenüber anderen Verkehrsträgern zu halten. Diese Forschungsergebnisse sind bereits in den politischen Entscheidungsprozess eingeflossen und haben einen langsamen Umdenkprozess in der Strukturierung und Finanzierung der Wasserstraße bewirkt. So wurde gemäß Beschluss der Donau-Verkehrsminister von 2014 ein 'Fairway Rehabilitation and Maintenance Masterplan' (Juli 2015) beschlossen, aus dem ein substantieller Wille zur Verbesserung von Durchgängigkeit und Ver-fügbarkeit durch entsprechende Investitionen ablesbar ist.

Due to their low energy consumption, low emissions and low external costs compared to other modes of transport, inland waterways are highly regarded in European transport policy. Despite large free transport capacities and very low infrastructure investments needs of this natural mode of transport, inland waterways in Europe generally face the problem of low availability, reliability and effectiveness of investments, leading to a stagnation of transport volumes. In addition, there are no methodological approaches available allowing for systematic holistic management and optimization of waterways based on life cycle costs in contrast to other competing modes of transport such as road or rail. Furthermore, because of the lack of common definitions of a uniform target infrastructure quality and a decision patchwork of responsible waterway administrations, a case-by-case approach to measure planning, among other aspects, are a limiting factor for efficient maintenance and development of inland waterways. One major objective of this thesis is to develop a new specific asset management approach for inland waterways based on common existing approaches, which are both described in detail in the methodology chapter. The novel description of necessary infrastructure quality, based on a model of fairway availability, forms the methodical core of this thesis. Thus, a central part focuses on the development, mathematical formulation, illustration and verification of a comprehensive availability criterion. The developed methodological approach to asset management of inland waterways represents the view of infrastructure operators including costs and impact duration for all relevant measures in terms of infrastructure quality. The impact of all measures on the waterway is defined by their impact on the performance parameters availability and reliability. Furthermore, the developed approach ensures environmentally friendly planning and implementation of measures based on a comprehensive analysis of measure impact. Moreover, all investments may be optimized from the perspective of a waterway operator, as well as from the operators and users, based on a com-prehensive transport cost model that is linked to the availability approach. Based on the developed approach, it is possible to prove that an economically efficient optimization of measures cannot be accomplished on single sections alone. Due to the serial characteristic of waterways, it is instead necessary to aim at uniform and continuous fairway availability on the entire transport route. In addition, the results of the practical verification underline the importance of an optimization towards a uniform, continuously available and sufficient target fairway depth, as one single shallow section can limit the loaded draught of passing vessels and thus the utilization of the entire vessel fleet. The presented methodical approaches have been developed within the scope of this thesis, research project and pilot application for the Austrian stretch of the Danube. Furthermore, these approaches are already implemented in a software tool called WAMS (Waterway Asset Management System). This tool allows for an evaluation of infrastructure quality and planning of maintenance measures on waterways. On the basis of a successful testing phase with data from already conducted riverbed surveys and implemented measures of more than five years the methodical approach has been validated. Currently, the WAMS - Software is successfully being used for availability analysis and measure planning by VIADONAU, which is the leading international waterway operator in the Danube region. However, the results of the research also prove that an implementation on the Austrian stretch of the Danube falls short due to rather long average transport distances. Instead, concerted actions on the entire Danube will be necessary in order to be competitive on the transport market in the future. These research results are already incorporated into the decision-making process, indicating a change regarding management and financing of the Danube waterway. Within the framework of a resolution from December 2014, the transport ministers of the riparian Danube countries have agreed on a 'fairway rehabilitation and maintenance masterplan', reflecting their substantial intention to invest in improving continuous availability and reliability of the Danube waterway.