Design for Reliability in einem regulierten Bahnsektor

Stärkung der Produktzulassung durch strukturierte Problemanalyse

Von Kevin Rayment, Network Rail

Geschätzte Lesezeit: 10 minutes

Einleitung

Design for Reliability (DfR) ist ein strukturierter Prozess, der Zuverlässigkeit von Beginn an in Bahnprodukte integriert. Bei Network Rail (NR) ergänzt DfR Sicherheits- und regulatorische Anforderungen, indem potenzielle Produktfehler proaktiv identifiziert und gemindert werden, bevor sie den Bahnbetrieb erreichen.

DfR ist der Ansatz, den NR von Lieferanten erwartet, wenn sie nachweisen, dass Zuverlässigkeit in neue oder geänderte Bahnprodukte „hineinkonstruiert“ wurde, die eine technische Bewertung erfordern, um eine Produktzulassung (Product Acceptance) für den Einsatz im laufenden Bahnbetrieb zu erhalten. Während Zuverlässigkeit im Fokus steht, adressiert DfR auch Lebenszykluskosten, Instandhaltbarkeit, Installierbarkeit, Herstellbarkeit, Systemintegration und Vertrauen in Messungen.

Der Prozess integriert eine Reihe bewährter Engineering- und Qualitätswerkzeuge, darunter Kepner-Tregoe Problemanalyse, um eine wirksame Problemlösung über den gesamten Design- und Entwicklungslebenszyklus hinweg zu unterstützen. Durch die Verankerung von DfR in Product-Acceptance-Bewertungen unterstützt NR Lieferanten dabei, Produkte zu liefern, die zuverlässig, instandhaltbar, sicher und auf betriebliche Leistung sowie Lebenszykluswert optimiert sind.

DfR ist bei Network Rail seit dem 3. April 2017 vorgeschrieben. Dieses Whitepaper erläutert, wie DfR in einem regulierten Bahnumfeld angewendet wird, welche Rolle die Kepner-Tregoe Problemanalyse in diesem Rahmen spielt und wie strukturierte Problemanalyse Product-Acceptance-Entscheidungen stärkt.

Wie Design for Reliability eingesetzt wird

DfR ergänzt Product Acceptance um einen formalen Fokus auf Zuverlässigkeit, nachdem zuvor nahezu ausschließlich die rechtlichen und sicherheitsrelevanten Aspekte im Vordergrund standen. Obwohl DfR ausdrücklich auf Zuverlässigkeit ausgerichtet ist, unterstützt es auch Sicherheitsziele. Zuverlässigere Produkte erfordern weniger manuelle Eingriffe, wodurch die Exposition der Belegschaft im Bahnumfeld sinkt und die Wahrscheinlichkeit sowohl sicherheitsrelevanter als auch nicht sicherheitsrelevanter Anlagenfehler reduziert wird.

Network Rail erwartet von Lieferanten Nachweise zur Anwendung von DfR bei der Beantragung von Product Acceptance sowie während der Lieferantenauswahl. Zudem wird stärker betont, die Ursachen historischer Ausfälle mit Lieferanten zu teilen, um Lernen und proaktive Vermeidung zu unterstützen.

Die enge Verbindung zwischen DfR und Product Acceptance besteht, weil es wenig Sinn hat, DfR vorzuschreiben, ohne einen Mechanismus, um zu bestätigen, dass es korrekt angewendet wurde. Als europäische Schieneninfrastrukturorganisation muss Network Rail innerhalb eines Rahmens agieren, der gleiche Wettbewerbsbedingungen für alle potenziellen Lieferanten sicherstellt – einschließlich solcher, die neu im Bahnsektor sind. Produkte werden in ganz Großbritannien eingesetzt, und Product Acceptance ist der einzige gemeinsame Prüfpunkt, den alle diese Produkte durchlaufen.

Ein skalierbarer und angemessener Ansatz

Network Rail erkannte die Notwendigkeit eines skalierbaren Ansatzes für DfR statt eines Einheitsmodells. Je nach Umständen können nur 11 der 79 möglichen DfR-Aktivitäten erforderlich sein. Ein Flussdiagramm zur Auswahl des DfR-Pfads wird verwendet, um zu bestimmen, welche Aktivitäten für eine bestimmte Situation anwendbar sind, was zu 37 Hauptpfaden führt.

Auch wenn dieser Ansatz komplex erscheinen mag, ist er wirksamer, als von allen Produkten zu verlangen, alle DfR-Aktivitäten unabhängig vom Nutzen einer Aktivität zu durchlaufen. Innovative Produkte, die speziell für Network Rail entwickelt werden, bergen in der Regel ein höheres Risiko, doch selbst in diesen Fällen sind bestimmte Aktivitäten je nach Art des Produkts möglicherweise nicht erforderlich.

Viele Pfade umfassen drei Anwendungsebenen, basierend auf der Konsequenz eines potenziellen Ausfalls:

• Level 3 gilt, wenn ein Produktausfall die Sicherheit oder die Zugleistung beeinträchtigen könnte
• Level 2 gilt, wenn ein Ausfall weder Sicherheit noch Leistung beeinträchtigt, aber die Instandhaltbarkeit beeinflussen könnte
• Level 1 gilt, wenn Sicherheit, Leistung und Instandhaltung nicht betroffen sind, grundlegende DfR-Aktivitäten jedoch weiterhin erforderlich sind

Sonderfälle und Ausnahmen

DfR ist nicht für alle Produkte erforderlich. Unkontrollierte Produkte, die keine Product Acceptance benötigen, sind in der Regel ausgenommen, wobei Entwässerungsprodukte zwar außerhalb von PA liegen, aber nicht ausgenommen sind.

DfR wird nicht rückwirkend auf Bestandsprodukte angewendet, die vor der Einführung von DfR zugelassen wurden, da dies weder angemessen noch kosteneffizient wäre. Werden solche Produkte jedoch ersetzt oder so geändert, dass Product Acceptance ausgelöst wird, ist DfR erforderlich.

DfR ist nicht vorgeschrieben für Product-Acceptance-Anträge, die sich ausschließlich auf neue Software oder Softwareänderungen beziehen, da Softwarezuverlässigkeit typischerweise andere Ansätze erfordert. Es gilt jedoch für jede neue oder geänderte Hardware, die mit Software verbunden ist oder Software enthält. DfR ist außerdem nicht vorgeschrieben für Gleisbaumaschinen, die vor der Beteiligung von Network Rail entwickelt wurden und gemietet statt gekauft werden; die Anwendung der Prinzipien wird jedoch empfohlen, wo praktikabel.

Mit diesen Ausnahmen wird von allen Produkten, die Product Acceptance anstreben und eine technische Bewertung durch Network Rail oder eine Plant Assessment Body erfordern, erwartet, DfR in angemessenem Umfang anzuwenden.

Wenn Product Acceptance ausschließlich aufgrund einer Verlagerung der Fertigung oder eines Lieferantenwechsels bei unverändertem Design erforderlich ist, beziehen sich die primären Zuverlässigkeitsrisiken eher auf Fertigung und Messfähigkeit als auf das Produktdesign. In solchen Fällen wird ein reduzierter DfR-Pfad erwartet, der auf Fertigungs- und Messaktivitäten fokussiert ist.

Standardprodukte (COTS) und Modifikationen

Fälle, in denen Product Acceptance für Produkte beantragt wird, die für Network Rail neu sind, jedoch vollständig entwickelt wurden und andernorts bereits ohne Beteiligung von Network Rail an ihrem ursprünglichen Design im Einsatz waren, werden üblicherweise als Commercial oder Configurable Off the Shelf (COTS)-Produkte bezeichnet. Diese Produkte müssen dennoch die frühen DfR-Aktivitäten zur Festlegung und Bestätigung von Anforderungen sowie die Schritte im Zusammenhang mit Inbetriebnahme, Bahnversuchen und der frühen Betriebsphase durchlaufen.

Bei bestimmten Aktivitäten in der Designphase ist Flexibilität bei der Anwendung von DfR zulässig, insbesondere bei solchen im Zusammenhang mit Risikomanagement und Tests, sofern akzeptable alternative Nachweise erbracht werden können. Messgeräte „von der Stange“ und risikoarme Änderungen an von Network Rail zugelassenen Messgeräten erfordern typischerweise nur 17 der 79 möglichen anwendbaren Schritte.

Modifikationen erfordern in der Regel weniger DfR-Aktivitäten als vollständig neue oder innovative Produkte. Wurde DfR während der ursprünglichen Entwicklung des Produkts angewendet, reicht es normalerweise aus, die vorhandenen Nachweise zu aktualisieren – mit besonderem Fokus auf die Wechselwirkungen neuer oder geänderter Merkmale. Wenn der leitende Product-Acceptance-Reviewer feststellt, dass das Zuverlässigkeitsrisiko einer Modifikation normal oder gering ist, kann der anwendbare DfR-Pfad weiter reduziert werden. Sehr geringfügige Modifikationen, die andere Komponenten nicht beeinflussen – etwa der Wechsel eines Befestigungselements von einem Zoll- auf ein metrisches Gewinde – reduzieren die Erwartungen zusätzlich.

Der Standard erlaubt es dem leitenden Product-Acceptance-Reviewer außerdem, bei einigen der einfacheren Pfade den Bedarf an bestimmten DfR-Aktivitäten zu überarbeiten oder zu streichen. Wenn weniger als zehn Produkte hergestellt werden sollen, kann der DfR-Prozess weiter vereinfacht werden.

Die Rolle der Kepner-Tregoe Problemanalyse innerhalb von Design for Reliability

DfR ist darauf ausgerichtet, Probleme zu vermeiden, statt sie zu beheben. Mehr als die Hälfte der DfR-Aktivitäten wird angewendet, bevor ein Prototyp hergestellt wird – entsprechend dem etablierten Grundsatz, dass es deutlich weniger kostet, ein Produkt von Anfang an richtig zu konstruieren, als es nach dem Bau oder der Einführung zu ändern. Dennoch treten weiterhin Situationen auf, in denen Probleme bearbeitet werden müssen.

Wenn eine Produktmodifikation zur Behebung eines Problems die Notwendigkeit von Product Acceptance auslöst, verlangt DfR Nachweise, dass ein geeigneter Problemlösungsansatz verwendet wurde, um zu bestätigen, dass die richtige Ursache bzw. die richtigen Ursachen identifiziert und adressiert wurden. DfR wurde auch eingesetzt, um die Zuverlässigkeit von Produkten zu verbessern, die vor seiner Einführung entwickelt wurden. Problemlösungsaktivitäten sind in DfR durchgängig integriert und werden typischerweise nach Testschritten angewendet, um die Produktleistung zu validieren.

Die Auswahl des am besten geeigneten Problemlösungsansatzes ist wichtig. Ist die Ursache bereits bekannt oder ist das Verständnis der Ursache nicht erforderlich, kann der Fokus auf der Auswahl der geeignetsten Lösung liegen. Wenn nur eine geringe Anzahl von Ausfällen aufgetreten ist, können eine physische Untersuchung und Messungen ausreichen. Entstehen Ausfälle aus mehreren interagierenden Variationsquellen, sind Ansätze zur Variationsreduktion möglicherweise geeigneter. Wenn ein Produkt nie wie beabsichtigt funktioniert hat, deutet dies häufig darauf hin, dass das Design überprüft werden muss, statt eine Problemlösung zu verfolgen.

Wenn ein Problem eine unbekannte Ursache hat, mehrere Einheiten betrifft und die verfügbaren Nachweise auf eine einzelne zugrunde liegende Ursache hindeuten, bietet die Kepner‑Tregoe Problemanalyse einen besonders wirksamen und effizienten Ansatz. Sie ermöglicht es Teams, schnell von Symptomen zu einer verifizierten Ursache zu gelangen, indem eine disziplinierte, faktenbasierte Methode angewendet wird, die unterscheidet, wo das Problem auftritt und wo nicht, Ursache-Theorien systematisch anhand der verfügbaren Nachweise prüft und Bestätigung statt Annahmen verlangt. Dies reduziert das Risiko, die falsche Ursache zu adressieren, unterstützt konsistente Entscheidungsfindung über Lieferanten und Reviewer hinweg und stärkt das Vertrauen, dass Korrekturmaßnahmen innerhalb des DfR-Rahmens wirksam, angemessen und nachhaltig sind.

Ergebnisse von Design for Reliability

Der Nutzen der Behebung bekannter historischer Probleme lässt sich relativ einfach messen. DfR konzentriert sich jedoch auf den kosteneffizienteren und kundenorientierten Ansatz der proaktiven Vermeidung, bei dem der Wert eines Problems, das nie auftritt, naturgemäß schwer zu quantifizieren ist. Ein mit DfR entwickeltes Produkt wäre möglicherweise ohnehin zuverlässig gewesen – oder es wäre andernfalls zu einem der unzuverlässigsten Assets im Bahnnetz geworden.

Zugverspätungen sind kein geeignetes Maß für die Wirksamkeit von DfR, da sie von vielen externen Faktoren beeinflusst werden, die nichts mit dem Produktdesign zu tun haben. Dazu zählen Änderungen des Leistungsangebots, mehr Verkehr im Netz, schwerere oder längere Züge, veränderte Betriebsmuster, Infrastrukturengpässe und weitergehende betriebliche Störungen. Es wäre daher irreführend, Veränderungen der Zugleistung direkt DfR zuzuschreiben, wenn so viele andere Variablen eine Rolle spielen.

Trotzdem haben Lieferanten und Ingenieure von Network Rail greifbare Vorteile aus der Anwendung von DfR berichtet. Lieferanten gaben an, dass der Schritt der Messsystemanalyse die Verwendung von Messmethoden verhindert habe, die nicht in der Lage waren, eine Verschlechterung in der Fertigung zu erkennen, sowie von Methoden, die für ihren Zweck ungeeignet waren. Lieferanten sind zudem eher bereit geworden, Unklarheiten in Produktanforderungen zu hinterfragen – wie durch DfR gefördert.

Entwicklungstests bilden zunehmend reale Bedingungen ab, sodass mehr Themen identifiziert und adressiert werden können, bevor Produkte die Bahn erreichen. Installation und Instandhaltung werden während der Entwicklung stärker berücksichtigt; ein Lieferant beschrieb, wie eine unpraktische Wartungsaufgabe identifiziert und vermieden wurde, weil DfR verlangte, sie in der Designphase zu simulieren. Lieferanten werden außerdem ermutigt, weniger wirksame Problemlösungsansätze zu hinterfragen, die eine angenommene Grundursache nicht anhand der verfügbaren Ausfalldaten bestätigen. Auf Basis mündlicher Rückmeldungen treten die Arten historischer Probleme nach dem Launch, die ursprünglich den Anlass für DfR gaben, inzwischen deutlich seltener auf.

Unabhängiges Benchmarking bis Juni 2020 zeigte, dass der DfR-Prozess von Network Rail sehr gut abschneidet und in sieben von zwölf Kategorien im Vergleich zu Praktiken in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Automobil, Verteidigung, Energie, Nuklear und Bahn den Spitzenplatz belegte.

Reflexionen und weitergehende Überlegungen

Es wurde viel Aufwand investiert, um DfR zu einem der anpassungsfähigsten Standards von Network Rail zu machen. Durch Feedback von Anwendern, Teilnehmenden an DfR-Schulungen und praktische Fragen aus der Community ist der Ansatz effizienter und wirksamer geworden. Obwohl DfR auf eine breite Palette bewährter Tools zurückgreift, hat die Erfahrung gezeigt, dass jeder strukturierte Ansatz an die jeweilige Branche und den Produktkontext angepasst werden muss, um den größtmöglichen Nutzen zu erzielen.

Die Bahn unterscheidet sich deutlich von vielen anderen Sektoren. Flugzeuge und Autos werden nicht auf die gleiche Weise installiert wie Bahnanlagen. Im Gegensatz zur Fertigung funktioniert die Bahn faktisch wie eine geografisch verteilte Fabrik – von Penzance in Cornwall bis Wick in Schottland. Installation, Nutzung und Instandhaltung werden von unterschiedlichen Personen, in unterschiedlichen Umgebungen und unter variierenden Rahmenbedingungen durchgeführt. Deshalb berücksichtigt DfR ausdrücklich die durch Menschen eingebrachte Variation während Installation, Betrieb und Instandhaltung. In mancher Hinsicht hat es die Bahn leichter, da viele Konsumgüter weltweit betrieben werden und noch größeren klimatischen Schwankungen ausgesetzt sind.

Seit dem ersten tödlichen Unfall eines Fahrgasts auf der öffentlichen Bahn bei der Eröffnung der Liverpool and Manchester Railway steht Sicherheit zu Recht im Mittelpunkt der Bahnindustrie. Dieser langjährige Fokus hat erhebliche Sicherheitsverbesserungen gebracht und die Bahn sicherer gemacht als viele andere Verkehrsmittel. Bis zur Einführung von DfR erhielt Zuverlässigkeit jedoch historisch nicht die gleiche strukturierte Aufmerksamkeit wie Sicherheit.

Häufig sind es Mitarbeitende von Network Rail – und nicht Lieferanten –, die die Frage aufwerfen, ob DfR die Kosten eines Produkts erhöht. Wenn Lieferanten Bedenken äußern, beziehen sich diese typischerweise darauf, wie Kosten refinanziert werden, was sich nicht von anderen Aspekten des Konstruierens, Herstellens und der Markteinführung von Produkten unterscheidet. In der Praxis verlagert DfR Aufwand in frühere Phasen des Lebenszyklus, in denen Änderungen weniger kosten und Ergebnisse besser vorhersehbar sind.

Innovation muss letztlich Kundenanforderungen erfüllen, statt um ihrer selbst willen verfolgt zu werden. Network Rail hat sich von einem Push-Ansatz, bei dem Lieferanten zu antizipieren versuchen, was die Bahn kaufen möchte, zu einem Pull-Ansatz entwickelt, der Bedürfnisse klar artikuliert. Das hat sich als effizienter erwiesen, da es verhindert, dass der Product-Acceptance-Prozess mit unerwünschten Produkten überlastet wird, und Innovation dort fokussiert, wo sie Wert schafft. Die frühe Einstellung der Entwicklung nicht benötigter Produkte ist ein positives Ergebnis.

DfR ist im Bahnsektor noch relativ neu, was im Vergleich zu Branchen mit lang etablierten DfR-Praktiken eine Kompetenzherausforderung darstellt. Während einige Lieferanten Erfahrung aus anderen Sektoren mitbringen, haben Bahnteams in Multi-Division-Organisationen möglicherweise weniger Berührungspunkte. Diese Fähigkeitslücke zu schließen, bleibt ein wichtiger Bestandteil, um DfR konsistent in der gesamten Lieferkette zu verankern.

Weiterführende Lektüre: Lesen Sie unsere vorherige Network-Rail-Fallstudie, um zu erfahren, wie die Organisation Kepner-Tregoe Problemanalyse eingesetzt hat, um die Grundursachen-Ergebnisse und Korrekturmaßnahmen eines Lieferanten zu auditieren & zu bewerten

Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie Ihre Teams in Kepner-Tregoe Problemanalyse schulen können

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