Automating condition monitoring of vegetation on railway trackbeds and embankments

Vegetation growing on railway trackbeds and embankments present potential problems. The presence of vegetation threatens the safety of personnel inspecting the railway infrastructure. In addition vegetation growth clogs the ballast and results in inadequate track drainage which in turn could lead to the collapse of the railway embankment. Assessing vegetation within the realm of railway maintenance is mainly carried out manually by making visual inspections along the track. This is done either on-site or by watching videos recorded by maintenance vehicles mainly operated by the national railway administrative body. A need for the automated detection and characterisation of vegetation on railways (a subset of vegetation control/management) has been identified in collaboration with local railway maintenance subcontractors and Trafikverket, the Swedish Transport Administration (STA). The latter is responsible for long-term planning of the transport system for all types of traffic, as well as for the building, operation and maintenance of public roads and railways. The purpose of this research project was to investigate how vegetation can be measured and quantified by human raters and how machine vision can automate the same process. Data were acquired at railway trackbeds and embankments during field measurement experiments. All field data (such as images) in this thesis work was acquired on operational, lightly trafficked railway tracks, mostly trafficked by goods trains. Data were also generated by letting (human) raters conduct visual estimates of plant cover and/or count the number of plants, either on-site or in-house by making visual estimates of the images acquired from the field experiments. Later, the degree of reliability of(human) raters’ visual estimates were investigated and compared against machine vision algorithms. The overall results of the investigations involving human raters showed inconsistency in their estimates, and are therefore unreliable. As a result of the exploration of machine vision, computational methods and algorithms enabling automatic detection and characterisation of vegetation along railways were developed. The results achieved in the current work have shown that the use of image data for detecting vegetation is indeed possible and that such results could form the base for decisions regarding vegetation control. The performance of the machine vision algorithm which quantifies the vegetation cover was able to process 98% of the im-age data. Investigations of classifying plants from images were conducted in in order to recognise the specie. The classification rate accuracy was 95%.Objective measurements such as the ones proposed in thesis offers easy access to the measurements to all the involved parties and makes the subcontracting process easier i.e., both the subcontractors and the national railway administration are given the same reference framework concerning vegetation before signing a contract, which can then be crosschecked post maintenance.A very important issue which comes with an increasing ability to recognise species is the maintenance of biological diversity. Biological diversity along the trackbeds and embankments can be mapped, and maintained, through better and robust monitoring procedures. Continuously monitoring the state of vegetation along railways is highly recommended in order to identify a need for maintenance actions, and in addition to keep track of biodiversity. The computational methods or algorithms developed form the foundation of an automatic inspection system capable of objectively supporting manual inspections, or replacing manual inspections.

Nytt fordon för transport av bränsleflis : Slutrapport (STEM-projekt 22127-1)

Högskolan Dalarna har i samarbete med Naturbränsle i Mellansverige AB genomfört studier på ett nytt fordon för transport av skogsflis. Fordonet är försett med egen lastningsutrustning (kran och skopa), vilket innebär att flisskördaren kan tippa flisen direkt på marken eller på en i förväg utlagd duk (minskar risken för föroreningar i samband med lastning). Studier har också genomförts på transport av flis med lastväxlarfordon och container (traditionell metod) för att jämförelser skall kunna göras mellan de olika fordonstyperna. Studierna har finansie¬rats via anslag från Statens Energimyndighet och via ”naturabidrag” från deltagande företag.Studierna visar att det nya transportfordonet är ett bättre alternativ än de traditionella last¬växlarfordonen på större objekt med långa transportavstånd. Dessutom pekar studien på att det är sannolikt är bättre även på små objekt under förutsättning att flisningskostnaden kan hållas på en rimlig nivå. Studierna visar också att det bör finnas en viss utvecklingspotential på det nya fordonet (teknik- och metodutveckling), varför det bedöms kunna konkurrera med lastväxlarfordonen även på andra typer av objekt.Jämfört med de traditionella lastväxlarfordonen har det nya fordonet bl.a. följande fördelar:•Transportarbetet blir lättare att planera i och med att beroendeförhållandet mellan in¬blandade maskiner och fordon för flisproduktion och transport upphör.••Risken för störningar i transportflödet minskar.•Miljövinsterna blir större jämfört med lastväxlarfordon som måste ställa ut tomma con¬tainrar innan flisningen kan påbörjas.•Det finns inget behov av lastmaskiner på terminalerna.•Flis kan mellanlagras i skogen.Till nackdelarna med det nya fordonet hör bl.a. följande:•Framkomligheten är något sämre än för lastväxlarfordon på mycket smala och kurviga skogsbilvägar.•Det finns en viss risk för att föroreningar följer med vid lastning av fordonet. Studies were carried out on a new vehicle for transport of fuel chips from the forest. The vehicle was equipped with a crane and a bucket meaning that the chipper may tip the fuel chips right on the ground or on a mat (vira from wood processing industry) to prevent from dirt such as sand and stones when loading. Studies were also carried out on traditional main hauling with transport bins. Transport speed was the same for all vehicles except for the new self-loader on forest roads with lower quality.The studies show that the new system probably is a better alternative on large sites with long transport distances and on sites with only little parking place for transport bins. It is also likely that the new vehicle may be used on very small sites if they are close to each other and if moving cost for the chipper is low.The studies show that the new vehicle has the following advantages:•Transport and other work may be planned in a better way leading to that stress de¬creases.•Dependence between chipper operators and truck drivers decreases.•The risk for disturbances in transport flow decreases.•Environment benefits compared to traditional system with higher traffic intensity (less exhaust gases and lower stress on roads and bridges).•No need for loading machines on terminals.•Easier to store fuel chips on landing.

Improved Road Design for Future Maintenance - Analysis of Road Barrier Repair Costs

The cost of a road construction over its service life is a function of the design, quality of construction, maintenance strategies and maintenance operations. Unfortunately, designers often neglect a very important aspect which is the possibility to perform future maintenance activities. The focus is mainly on other aspects such as investment costs, traffic safety, aesthetic appearance, regional development and environmental effects. This licentiate thesis is a part of a Ph.D. project entitled “Road Design for lower maintenance costs” that aims to examine how the life-cycle costs can be optimized by selection of appropriate geometrical designs for the roads and their components. The result is expected to give a basis for a new method used in the road planning and design process using life-cycle cost analysis with particular emphasis on road maintenance. The project started with a review of literature with the intention to study conditions causing increased needs for road maintenance, the efforts made by the road authorities to satisfy those needs and the improvement potential by consideration of maintenance aspects during planning and design. An investigation was carried out to identify the problems which obstruct due consideration of maintenance aspects during the road planning and design process. This investigation focused mainly on the road planning and design process at the Swedish Road Administration. However, the road planning and design process in Denmark, Finland and Norway were also roughly evaluated to gain a broader knowledge about the research subject. The investigation was carried out in two phases: data collection and data analysis. Data was collected by semi-structured interviews with expert actors involved in planning, design and maintenance and by a review of design-related documents. Data analyses were carried out using a method called “Change Analysis”. This investigation revealed a complex combination of problems which result in inadequate consideration of maintenance aspects. Several urgent needs for changes to eliminate these problems were identified. Another study was carried out to develop a model for calculation of the repair costs for damages of different road barrier types and to analyse how factors such as road type, speed limits, barrier types, barrier placement, type of road section, alignment and seasonal effects affect the barrier damages and the associated repair costs. This study was carried out using a method called the “Case Study Research Method”. Data was collected from 1087 barrier repairs in two regional offices of the Swedish Road Administration, the Central Region and the Western Region. A table was established for both regions containing the repair cost per vehicle kilometre for different combinations of barrier types, road types and speed limits. This table can be used by the designers in the calculation of the life-cycle costs for different road barrier types.

Jämförelse av två system för att bedöma vinter väglag : Ett nytt system i utvecklingen för att säkra Sveriges vägar

Trafikverket, är den statliga verksamhet som har hand om alla Sveriges vägar och järnvägar har den så kallade nollvisionen som ett huvudmål. Tanken bakom nollvisionen är att de som använder vägarna skall vara säkra och inte komma till skada. En del av uppfyllandet av detta mål är att Trafikverket ger ut korttidsprognoser för väglag och körförhållande. I nuläget så används ett mycket manuellt systemet som heter NTIS, men man håller på att utveckla det nya automatiska systemet RCC som skall kunna ta fram korttidsprognoser baserat på olika former av data, t.ex. data från väderstationer. Syftet med denna studie är att utvärdera hur väl de två olika systemen utför en korttidsprognos och jämföra de mot varandra, samt verkligheten. Denna studie gjordes i form av en förklarande fallstudie. Som datainsamling används dokument i olika former och analysen var kvantitativ då resultatet av utvärdering ger olika procenttal av hur rätt respektive system har. Under undersökningen gång så kom vi fram till att båda systemen hade sina fördelar och nackdelar. T.ex. så det gamla NTIS systemet fortfarande bäst på isigt och moddigt väglag. Medans det nya RCC systemet hade sina egna fördelar, t.ex. snöigt väglag och vått väglag. Samt så hade RCC en klar fördel med sin rapporteringstid, vilket var ett problem man såg med NTIS. Resultat var som sagt ett procenttal av hur rätt de två olika systemen hade, men även förslag till förbättringar. T.ex. hur man skulle kunna ändra RCC regler för bättre resultat.

Renar och vindkraft II : Vindkraft i drift och effekter på renar och renskötsel

Utbyggnaden av vindkraft inom renskötselområdet har ökat markant det senaste decenniet, trots att kunskapen om påverkan av vindkraftsetableringar ännu inte är fullt utredd och dokumenterad. I den här rapporten beskriver vi framförallt hur vindkraftparker i driftsfas påverkar renarna och renskötseln i tre olika områden. I Malå sameby har vi studerat kalvningsområdet kring Storliden och Jokkmokkslidens vindkraftparker. I Vilhelmina Norra sameby har vi studerat vinterbetesområdet kring Stor-Rotlidens vindkraftpark, samt Lögdeålandets betesområde med Gabrielsbergets vindkraftpark som används av Byrkije reinbetesdistrikt från Norge. För att få en helhetsbild av hur renarna använder sitt betesområde är det viktigt att studera renarnas betes- och förflyttningsmönster långsiktigt och över hela deras betesområde och inte bara inom det lokala området nära parken. Det är också viktigt att ta hänsyn till att renarnas betesutnyttjande skiftar från år till år och mellan olika årstider beroende på väderlek och andra yttre förutsättningar. Vi vill också understryka vikten av att kombinera den traditionella kunskapen från renskötarna med vedertagna vetenskapliga analysmetoder för att besvara de frågor som är viktiga för att kunna bedriva en hållbar renskötsel. Vi har undersökt renarnas användning av områdena genom att utföra spillningsinventeringar under åren 2009-2015 (endast i Malå sameby), och genom att följa renar utrustade med GPS-halsband under åren 2005-2015. Datat är insamlat före och under byggfas och under driftsfas (för Gabrielsberget finns GPS-data endast för driftsfasen). Vi har analyserat data genom att utveckla statistiska modeller för val av betesområde för varje område där vi har beräknat hur renarna förhåller sig till vindkraftparksområdet före, under och efter byggnation, och på Gabrielsberget när parken varit avstängd under 40 dagar och under drift vid olika renskötselsituationer. Genom intervjuer, möten och samtal, samt information från Gabrielsbergets vindkraftparks kontrollprogram, har vi tagit del av renskötarnas erfarenheter av hur renarnas beteende, och därmed även renskötseln, påverkats av vindkraftsutbyggnaden i respektive område. Våra resultat visar att renarna både på kalvnings- och på vinterbetesområden påverkas negativt av vindkraftsetableringarna (Tabell a). Renarna undviker att beta i områden där de kan se och/eller höra vindkraftsverken och föredrar att vistas i områden där vindkraftverken är skymda. I kalvningsområdet i Malå ökade användningen av skymda områden med 60 % under driftsfas. I vinterbetesområdet på Gabrielsberget, när renarna utfodrades i parken och kantbevakades intensivt för att stanna i parkområdet under driftsfas, ökade användningen av skymda områden med 13 % jämfört med när de inte var utfodrade och fick ströva mer fritt. Resultaten visar också att renarna minskar sin användning av området nära vindkraftparkerna. I kalvningslandet i Malå minskar renarna sin användning av områden inom 5 km från parkerna med 16-20 %. Vintertid vid Gabrielsbergets vindkraftpark undvek renarna parken med 3 km. Våra resultat visar även att renarnas betesro minskar inom en radie på 4 km från vindkraftparkerna under kalvningsperioden och tiden därefter i jämförelse med perioden före byggfas. Exakta avstånd som renarna påverkas beror på förutsättningarna i respektive område, exempelvis hur topografin ser ut eller om området är begränsat av stängsel eller annan infrastruktur. Förändringarna i habitatutnyttjande i våra studieområden blev tydligare när parkerna var centralt belägna i renarnas betesområde, som i kalvningsområdet i Malå eller i vinterbeteslandet på Gabrielsberget, medan det inte var lika tydliga effekter kring Stor-Rotlidens park, som ligger i utkanten av ett huvudbetesområde. Oftast är snöförhållandena bättre ur betessynpunkt högre upp i terrängen än nere i dalgångarna, på grund av stabilare temperatur, vind som blåser bort snötäcket och mer variation i topografin. Därför kan etablering av vindkraftparker i höglänta områden försämra möjligheten att använda sådana viktiga reservbetesområden under vintrar med i övrigt dåliga snöförhållanden, vilka blir allt vanligare i och med klimatförändringarna. Våra resultat tyder inte direkt på att renarna påverkats negativt under dåliga betesvintrar men fler år av studier behövs för att ytterligare klargöra hur vindkraft påverkar renarna under dessa vintrar. Våra studier har visat att etablering av vindkraft har konsekvenser för renskötseln under både barmarkssäsongen och under vintern, men effekterna förmodas få störst inverkan inom vinterbetesområdet där det är svårt att hitta alternativa betesområden för renarna. Under sommaren är betestillgången oftast mindre begränsad och renarna kan lättare hitta alternativa områden. En direkt konsekvens av Gabrielsbergets vindkraftpark som är placerad mitt i ett vinterbetesområde har blivit att renarna behöver tillskottsutfodras och bevakas intensivare för att de inte ska gå ut ur området. När den naturliga vandringen mellan olika betesområden störs för att renarna undviker att vistas i ett område kan det leda till att den totala tillgången till naturligt bete minskar och att man permanent måste tillskottsutfodra, alternativt minska antalet renar. Annan infrastruktur som vägar och kraftledningar påverkar också renarna. Vid Storliden och Jokkmokksliden och vid Stor-Rotliden där data samlats in innan vindkraftparken uppfördes visar våra resultat att renarna undviker de omkringliggande landsvägarna redan innan parkerna etablerades. Vid Stor-Rotliden ökar dock renarna användningen av områden nära vägarna efter att parken är byggd. På Gabrielsberget, där vi endast har data under drifttiden, är renarna närmare vägarna (även stora vägar som E4) när renskötarna minskar på kantbevakningen för att inte hålla renarna nära parken. Detta ökar naturligtvis risken för trafikolyckor och innebär att renskötarna måste bevaka dessa områden intensivare. Sist i rapporten presenterar vi förslag till åtgärder som kan användas för att underlätta arbetet för renskötseln om det är så att en vindkraftpark redan är byggd. Några exempel på åtgärder som är direkt kopplat till parken är att stänga av vägarna in i vindkraftparken för att förhindra nöjeskörning med skoter och bil under den tiden renarna vistas i området samt tät dialog mellan vindkraftsbolag och sameby angående vinterväghållningen av vägarna till och inom vindkraftparken. Andra mer regionala åtgärder för att förbättra förutsättningarna för renskötselarbetet på andra platser för samebyn, kan vara att sätta stängsel längst större vägar och järnvägar (t.ex. E4:an eller stambanan) i kombination med strategiskt utplacerade ekodukter. Detta för att underlätta och återställa möjligheterna till renarnas fria strövning och renskötarnas flytt av renar mellan olika betesområden.