Виртуальная реальность

В зеркале модели

Испытание отдельных видов железнодорожной техники можно проводить посредством моделирования, что позволяет сократить как общую продолжительность испытательных процессов, так и финансовые затраты на их проведение.

В ОАО «ВНИИЖТ» в настоящее время разработан принцип формирования трёхмерного испытательного полигона железнодорожного транспорта с учётом необходимых параметров. Он является интерактивной моделью реального полигона – Экспериментального кольца в Щербинке. В нём учитываются новые условия развития автоматизации, предъявляющие более высокие требования к процессам моделирования.

Формирование виртуального полигона железнодорожного транспорта осуществляется в соответствии с двумя основными требованиями: возможностью проведения испытаний как на скорость, так и на грузонапряжённость испытуемых объектов, включая возможность проведения лабораторных исследований.

На данном этапе разработки 3D-модель Экспериментального кольца уже можно использовать для виртуальных экскурсий по испытательному полигону.

Для ознакомления с основными элементами инфраструктуры полигона в виртуальной экскурсии можно выбрать свой маршрут и «зайти» в несколько лабораторных корпусов, а именно: в копровую лабораторию, в здание групповой тормозной станции, в корпус рельсоиспытательной станции.

Сама модель способна отражать процесс испытания опытных объектов в зависимости от выбранного сценария. Анимация уже демонстрирует реальные процессы, происходящие на испытательных стендах, а в перспективе появится возможность проводить собственные испытания и по их результатам строить математические модели, предлагая обоснованные прогнозы и экспертные заключения по итогам проведённых испытаний.


Теория на практике

Конечное предназначение виртуального полигона заключается в возможности проведения испытаний опытных объектов железнодорожной техники в режиме моделирования.

Помимо сокращения расходов и времени проведения испытаний железнодорожной техники (или её отдельных элементов, например рельсов), целесообразность моделирования испытаний заключается также в переводе обработки и хранения результатов испытаний в автоматизированный режим.

Практическая ценность моделирования состоит в создании статических и динамических моделей опытной единицы железнодорожной техники.

Задачей создания статической модели является получение данных по распределению механических напряжений всей детали в целом на основе измерений механических напряжений в её отдельных точках. Статическая модель формируется в том числе и в зависимости от изменения внешних нагрузок в выбранных точках замера.

Целью создания динамической модели является моделирование движения поезда по железнодорожному пути за счёт проведения измерений в отдельных точках с распространением посредством расчётов зафиксированных значений на весь состав. Расчёт полученных параметров производится с учётом неровностей, колебаний и прочих внешних влияний.

Моделирование целесообразно применять для прогнозирования ресурса опытного объекта при проведении его усталостных испытаний.

Например, для получения сертификата соответствия новому рельсу при проведении циклических натурных испытаний в лабораторных условиях необходимо выдержать нагрузку на специальном оборудовании, равную 3 млн циклов. Моделирование сможет установить с определённой степенью вероятности поведение рельса при нагрузке, равной 10 млн циклов. Для этого нужна база статистических данных (коэффициенты, определённые значения требуемых величин и т.п.), полученная на основе замеров 3 млн циклов. Построенные на их основе цифровые модели позволяют с известной долей вероятности (или с заданной вероятностью) рассчитать, что будет с рельсом при нагрузке в 10 млн циклов.

Актуальна аналогичная задача и по расчёту наработки на отказ опытного объекта при 100 млн циклов или определении максимально возможного количества данных циклов, которое способен выдержать опытный объект. Экономия времени и материальных ресурсов при таком подходе очевидна.

Ещё одной задачей, решаемой при помощи моделирования, является прогноз схода или иного рода крушения подвижного состава при анализе аварийных ситуаций.


Горизонт ожидания

В перспективе 3D-модель должна поддерживать проведение испытаний полигонного и стационарного характера. Полигонные испытания (в динамике) – испытания на экспериментальных путях. Стационарные испытания (в лабораторных условиях) – испытания подвижного состава и его отдельных элементов в режиме статики.

В случае проведения на путях виртуального полигона сертификационных испытаний нового локомотива предлагается применение следующей схемы.
1-й этап: определение условий и скоростных параметров проведения экспериментов с целью обеспечения безопасности испытаний.
2-й этап: корректировка параметров проведения эксперимента с последующим моделированием процесса испытаний.
3-й этап: анализ полученных результатов, формирование экспертного заключения по результатам испытаний.

Наряду с разработкой новых технических решений для железнодорожного пути появляются и новые научные направления в исследовании поведения железнодорожного пути на участках значительной его протяжённости во взаимодействии с окружающей средой на всей территории пролегания.

Это научное направление предполагает изучение макротерриториальных деформаций пути вследствие длительного (по времени проезда по нему) воздействия длинносоставных тяжеловесных поездов.

Второе направление является следствием первого и заключается в разработке методов защиты окружающей среды от возможных техногенных катастроф, возникающих вследствие аварии подвижного состава. Как известно, кривые участки пути наиболее подвержены изменению геометрических форм из-за возникающего сопротивления (трения колеса подвижного состава о рельсы пути), в силу этого аварии поездов могут возникнуть именно в кривых участках пути по причине изменения их геометрических форм.

Решение задач по данным научным направлениям в перспективе предполагается именно на виртуальном 3D-полигоне.

Необходимо отметить, что стационарные испытательные полигоны не имеют технической возможности имитировать все условия реальной эксплуатации.

Принцип работы единого виртуального испытательного полигона заключает в себе:
• сбор данных о предназначении полигона железнодорожного транспорта;
• анализ всех видов испытаний, проводимых на Экспериментальном кольце;
• составление схемы проведения испытаний для каждого их вида;
• определение вариантов по формализации схем проведения испытаний.

При введении в программу виртуального полигона параметров местности, радиусов кривых, наличия прямых вставок, скорости движения и т.п., а также данных натурных испытаний на стендах с различными настройками (частота, усилия и т.д.) можно с высокой степенью точности спрогнозировать результаты эксперимента.

Для создания испытательных путей виртуального полигона с последующим проведением испытаний необходимо указать в программе наличие кривых с радиусом и прямых вставок. Это позволит дать более объективную оценку результатам испытаний. В перспективе планируется задавать уклоны для приближения испытательного процесса к реальным условиям эксплуатации.


Ближайшие перспективы

Одним из самых актуальных видов испытаний в сфере железнодорожного транспорта сегодня является испытание элементов верхнего строения пути. При задании определённого объёма тонно-километровой работы наблюдается износ стали с внутренней стороны головки, что характерно для условий реальной эксплуатации рельсов. Для достижения данного результата в натуре требуется достаточно длительное время – от 2 до 3 лет. Программа виртуального полигона может быстро рассчитать износ при задании определённых настроек.

На 1-м кольцевом пути движение организовано только для опытного пассажирского подвижного состава. По 2-му и 3-му путям должен следовать грузовой подвижной состав для анализа тонно-километровой работы. В настоящее время завершено строительство полигона конструкций путей безбалластного основания. В дальнейшем при развитии Экспериментального кольца на 2-м и 3-м кольцевых путях предлагается организовать полигоны испытаний опытных элементов по блокам: полигон испытаний рельсов, полигон испытаний шпал, полигон испытаний рельсовых скреплений и т.п.

Благодаря созданию прототипа 3D-модели Экспериментального кольца в ОАО «ВНИИЖТ» в дальнейшем планируется демонстрировать все протекающие испытательные процессы.

В настоящее время в институте ведутся работы по созданию трёхмерных моделей испытательных стендов и некоторых испытательных процессов на них. В модели реализована возможность движения опытного подвижного состава по 1-му пути. Предусматривается возможность посегментной замены верхнего строения пути.

Создана эквидистантная (на 360 градусов) панорама 3D-модели полигона. Использование данного типа панорамы снижает требования к вычислительной мощности компьютера и делает навигацию в трёхмерном пространстве более удобной.

При разработке 3D-экстерьера Экспериментального кольца в качестве дополнительного продукта создана интерактивная схема полигона с обрисовкой контуров по объектам инфраструктуры. Просмотреть схему можно по адресу: http://intranet.vniizht.ru/RailCircleScheme/. На её базе планируется разработка геоинформационной системы ЭК ВНИИЖТа с последующим хранением, отображением и анализом информации. На завершающей стадии проекта планируется моделирование испытательных процессов на полигоне.